Texty - Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava

Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra výkonové elektroniky a elektrických pohonů
ZÁKLADY VÝKONOVÉ ELEKTRONIKY
Učební texty
Ostrava 2004
1

VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ MĚNIČE
Výkonové polovodiče měniče mění parametry elektrické
energie (vstupní na výstupní), zejména napětí (střední
hodnota) a u střídavých i kmitočet.
Obr. 1. Základní dělení měničů
2

Obr. 2. Základní dělení měničů
3

1.1. Měniče pro napájení stejnosměrných motorů
1.1.1. Řízené tyristorové usměrňovače
Jednofázové můstkové zapojení
Obr. 3. Základní zapojení jednofázového můstkového usměrňovače
4

Výstupní napětí měniče je zvlněné, takže proud v kotevním
obvodu motoru napájeného z tyristorového usměrňovače je
rovněž zvlněný. Pokud je proud nepřerušený, tj. jeho
okamžitá hodnota neklesne na nulu, je možno řízený
usměrňovač formálně nahradit napěťovým zdrojem s
vnitřním napětím, s ohmickým odporem R i a indukčností L i .
Vnitřní napětí U dα tvoří střední hodnota usměrněného napětí
naprázdno při úhlu řízení tyristoru α
kde jsou
U d0 napětí naprázdno při úhlu α = 0.
q počet pulzů v průběhu usměrněného napětí během
jedné periody střídavého napájecího napětí.
5

Závislost U dα = f (α) pro nepřerušený proud je řídicí
charakteristikou měniče naprázdno:
Obr. 4. Řídicí charakteristikou tyristorového
řízeného usměrňovače
6

Trojfázové uzlové zapojení
Je-li k dispozici trojfázová napájecí síť, využívají se převážně
trojfázové usměrňovače, neboť jejich výstupní napětí je zvlněno
méně, než u usměrňovačů jednofázových. Trojfázový uzlový
usměrňovač vytváří usměrněné napětí ze tří fázových napětí. V
současnosti se příliš nevyužívají.
Obr. 5. Zapojení trojfázového uzlového usměrňovače
7

Trojfázové můstkové zapojení
V trojfázových napájecích soustavách se jedná o nejčastěji
používané zapojení (obr. 5.6. a). Trojfázový můstkový
usměrňovač vytváří usměrněné napětí ze šesti sinusových
průběhů -ze tří sdružených napájecích napětí a tří
sinusových napětí posunutých oproti sdruženým napětím o
180°. Při řídicím úhlu α = 0° je tvořeno výstupní napětí
kladnou obálkou zmíněných šesti sinusových průběhů.
Příklad průběhu výstupního napětí je na obr. 5.6. b).
Obr. 6. Zapojení trojfázového můstkového usměrňovače
8

1.1.2. Stejnosměrné měniče napětí (pulzní měniče)
Jednokvadrantový produkuje na výstupu napětí a proud
pouze jedné polarity.
+
I a
VT1
U d
VD1
M
U PM
Obr. 7. Zapojení jednokvadrantového pulzního měniče
U r , U p
U pmax
U r
U p
t
I a
U PM , I a
T 1 T 2
U d
T
U PM , I a
I a
U i
U d
Obr. 8. Průběhy veličin při PWM řízení jednokvadrantového
pulzního měniče pro spojitý a přerušovaný proud
9

Na obr. 9. je zapojení čtyřkvadrantového pulzního měniče
používaného pro napájení zejména stejnosměrných servomotorů
s permanentními magnety.
∼
U d
+
VT1
VD1
I a
U PM
M
VT2
VD2
VT3
VT4
VD3
VD4
Obr. 9. Zapojení čtyřkvadrantového pulzního měniče
10

VT1
VT2
VT3
VT4
U r , U p
0
U pmax
U r
U p
t
T 1 T 2
T
U PM , I a
0
VT1
VT4
I a
VD3
VD2
U d
U PM , I a
0
VD1
VD4
I a
VT1
VT4
VD3
VD2
VT3
VT2
U d
Obr. 10. Průběhy veličin při bipolárním obousměrném řízení
čtyřkvadrantového pulzního měniče
11

1.2. Měniče pro napájení střídavých motorů
1.2.1. Střídavé měniče napětí
Střídavé měniče napětí jsou používány k řízení napětí a tím
i proudu a výkonu na střídavé straně zátěže. Používají se
zejména pro řízení výkonu elektrotepelných spotřebičů
(elektrické odporové pece, domácí tepelné spotřebiče), pro
řízení svítivosti svítidel, pro měkké spouštění střídavých
motorů velkých výkonů a pro řízení rychlosti univerzálních
komutátorových motorů. Dále můžeme jmenovat svařování
a tavení kovů.
Obr. 11. Jednofázový měnič střídavého napětí
12

Obr. 12. Proud a napětí zátěže L
jednofázového měniče střídavého napětí
Třífázové střídavé měniče napětí se používají k řízení
primárního napětí transformátoru, napájejícího vysokým
napětím nebo velkým proudem přes diodový usměrňovač
stejnosměrnou zátěž na sekundáru transformátoru. Zátěž
třífázového měniče může být spojena do Y nebo do D.
Obr. 13. Trojfázový měnič střídavého napětí
13

1.2.2. Nepřímé měniče kmitočtu
Nepřímé měniče kmitočtu přenášejí výkon mezi dvěma
systémy rozdílné frekvence. Nepřímý měnič kmitočtu se
skládá z usměrňovače, který vstupní střídavé napětí a proud
o vstupním kmitočtu f 1 usměrní a ze střídače, který
usměrněné napětí a proud rozstřídá na požadovaný
kmitočet f 2 . Vstupní a výstupní obvody jsou odděleny
stejnosměrným meziobvodem. Tím je umožněno řízení
výstupní frekvence nezávisle na kmitočtu vstupním.
1.2.2.1. Nepřímý měnič kmitočtu s proudovým střídačem
Základní uspořádání měniče kmitočtu s proudovým
střídačem je na obr.14. Stejnosměrný obvod obsahuje
tlumivku L r . Proud ve stejnosměrném obvodu je díky této
velké indukčnosti tlumivky téměř ideálně vyhlazen.
Usměrňovač je nejčastěji plně řízený, zpravidla třífázový v
můstkovém spojení. Pro zaručení energetické
obousměrnosti stačí dvoukvadrantové provedení. Střídač je
proudový, zpravidla třífázový, ale může být i jednorázový.
Řízení je pulzně šířkové, může být i obdélníkové.
Obr. 14. Struktura nepřímého měniče kmitočtu
s proudovým střídačem
14

i a
i b
i c
a
b
c
M
3∼
L VT
Obr. 15. Nepřímý měnič kmitočtu s proudovým střídačem
i a
θ
i b
θ
i c
θ
Obr. 16. Spínací diagram a průběhy fázových proudů motoru při
napájení z proudového střídače (idealizované průběhy)
15

Obr. 17. Průběh fázového proudu ve stavu naprázdno
Obr. 18. Průběh fázového proudu během brzdění při I dmax = 7,6 A
Měřítka pro změřené průběhy:
I z : 1 dílek odpovídá 4,6 A
I s :1 dílek odpovídá 5 A
16

1.2.2.2. Měnič kmitočtu s napěťovým střídačem
Na vstupu měniče je neřízený usměrňovač, což je
konstrukčně i ekonomicky nejvýhodnější. Ve stejnosměrném
meziobvodu je kondenzátor. Ten lze považovat za zátěž pro
usměrňovač a současně jako zdroj energie pro napěťový
střídač. Spínače VT1 až VT6 jsou pro malé a střední výkony
tvořeny nejčastěji tranzistory IGBT a pro velké výkony GTO
tyristory.
Obr. 19. Nepřímý měnič kmitočtu s napěťovým střídačem
+
VT1
VT3
VT5
∼
U d
VT4
VD1
VT6
VD3
VT2
VD5
a
b
c
VD4
VD6
VD2
Obr. 20. Schéma zapojení napěťového střídače
17

Metody řízení výstupního napětí
Pulzně-šířková modulace (PWM)
Nejčastější způsob řízení napěťových střídačů, umožňující
současnou změnu výstupního kmitočtu a základní
harmonické výstupního napětí (obě veličiny řídíme přímo ve
střídači). Požadovaný průběh získáme vkládáním nulových
stavů (mezer). Na obr. 21 je průběh sdruženého napětí,
jehož obálku tvoří průběh pro obdélníkové řízení, a proudu s
podstatně vyšším obsahem základní harmonické.
Obr. 21. Časové průběhy výstupního napětí a proudu u
trojfázového napěťového střídače s PWM
18

Vstupní zadávací veličinou pro modulaci mohou být např.
přímo hodnoty generovaných sinusových napětí
v jednotlivých fázích. Tyto jsou komparovány (porovnávány)
s pilovitým napětím (viz obr. 5.22.) o kmitočtu řádu jednotek
až desítek kHz. Na základě výsledku komparace jsou pak
spínány tranzistory tak, že vytvoří pulzní průběh napětí na
svorkách motoru.
Obr. 24. Realizace PWM
19

Obr. 23. Časové průběhy fázových napětí a proudů
(modulační kmitočet 2,7 kHz)
20

1.2.3. Přímé měniče kmitočtu - cyklokonvertory
Hodí se zejména pro napájení synchronních motorů s
budicím vinutím, které jsou využívány u pomaluběžných
střídavých pohonů velkého výkonu.
• Výstupní kmitočet cyklokonvertoru je z principu vždy
podstatně nižší než kmitočet vstupní (v praxi poloviční
nebo i menší)
• Z důvodu velkého počtu tyristorů se hodí zejména na
velké výkony
• Dynamika těchto měničů je horší než u tranzistorových
napěťových střídačů
Trojfázový cyklokonvertor sestává ze tří čtyřkvadrantových
řízených tyristorových usměrňovačů v antiparalelním
zapojení (obr. 24).
∼
∼
Obr. 24. Zapojení trojfázového cyklokonvertoru
21

u ck
i s
t
T bp
t
úsek: 4
5 6 1 2 3 4
Obr. 25. Průběh veličin cyklokonvertoru s obdélníkovým řídicím
napětí při zátěži R, L
22