|  | ||||||||
|  | ||||||||
| | ||||||||
| | ||||||||
 |
 |
|
|
|
||
 |
 |
|
||||||||||||||||||
Váltakozó áramú szabályozott hajtások.
A váltakozó áramú szabályozott hajtás blokkvázlata látható az 1.2 ábrán. Az egy vagy háromfázisú 50 Hz-es váltakozó áramú energiát egy egyenirányító (ac/dc konverter) egyenfeszültségü energiává alakítja át. Az egyenfeszültséget a dc/ac konverter (inverter) alakítja vissza háromfázisú változtatható frekvenciájú energiává. Az egyenirányító és az inverter között található a közbensö kör, melynek energiatárolója szüröként szerepel. A gépoldali konverter és a váltakozó áramú motor az egyenáramú motor elektromechanikus ekvivalensének tekinthetö. A szabályozó vagy vezérlö elektronika e hajtásoknak nélkülözhetetlen része.
1.2 ábra: Váltakozó áramú hajtás blokkvázlata.
Az egyenáramú energia átalakítását váltakozó áramú energiává inverziónak nevezzük, az átalakítást végzö eszközt pedig inverternek. Az inverter a váltakozó áramú hajtásokban a változtatható frekvanciát állítja elö. Az inverterek kétfélék lehetnek 121g65b : feszültség vagy áram inverterek. A feszültséginverterek (továbbiakban VSI) az általánosabban használatosak hajtásokban. A közbensö kör energia tárolója ez esetben kapacitás, mely állandó feszültséget biztosít az inverter bemenetén. A feszültséginverterek jól definiált feszültség jelalakot biztosítanak a motor kapcsain, az áram idöfüggvénye pedig a terheléstöl függ. A VSI két fö csoportra osztható: hatlépcsös és impulzus szélesség modulált inverterré. Az inverterek másik fajtáját az áraminverterek alkotják, melyek a motor kapcsain meghatározott szekvenciájú kapcsolt áram jelalakot biztosítanak. A közbensö kör ez esetben induktivitás, és a feszültség idöfüggvényét a terhelés határozza meg.
A hatütemü inverter müködése.
A hatütemü feszültség inverter blokkvázlata az 1.3. ábrán látható. Az áramkör struktúrája megegyezik az 1.2 ábrán vázoltakkal. Az egyenirányító az egyenfeszültséget állítja elö, hasonlóan az egyenáramú motoros hajtások esetéhez. A viszonylag nagy értékü kapacitás az egyenfeszültséget állandó értéken tartja, és biztosítja az áramutat a hirtelen fellépö inverter áramoknak. A kapacitás mérete és ára az inverter méretét és árát jelentösen befolyásolja. Értéke 2000 és 20000 mF között van. A kapacitás és az egyenirányító közé általában induktív szüröt is kapcsolnak, melynek célja a hiba áramok csökkentése, és az egyenirányító kommutációjának javítása. Az induktivitás a kommutáció okozta hálózati visszahatásokat is csökkenti.
1.3. ábra: Háromfázisú feszültség inverter kapcsolása.
Az inverter az egyenáramú motor kommutátorához hasonló szerepet tölt be, és az egyenáramot változtatható frekvenciájú feszültséggé alakítja át. Mivel az indukciós motorok árama a feszültséghez képest késik, a kapcsolókat tetszölegesen ki és be kapcsolható eszközökkel kell megvalósítani. A jelenleg lehetséges eszközök a következök lehetnek:
Tirisztorok kommutációs áramkörökkel
Bipoláris teljesítmény tranzisztorok
MOS FET tranzisztorok
IGBT-k.
GTO-k.
MCT-k.
Napjainkban tirisztorokat az inverter kapcsoló elemeként csak ritkán, elsösorban nagy teljesítményü hajtásokban használnak, mivel kioltásukat külön oltókörökkel kell megoldani. Így a kapcsoló elemek szerepét különféle teljesítmény tranzisztorok töltik be. Tranzisztorok kb 1800 V feszültségig és néhány száz amper áramerösségig készülnek, de e határértékek gyorsan emelkednek. Legkorszerübbek az IGBT-k, melyek egyesítik a FET és a bipoláris eszközök elönyös tulajdonságait.
Az inverter müködésének megértéséhez tekintsük az 1.3 ábrának megfelelö invertert, ahol feltételezzük, hogy az inverter ideális kapcsolókból épül fel. Az 1.4. ábrán a kapcsoló kombinációk, a hozzá tartozó tekercs kapcsolások, valamint a motor kapcsok és a negatív egyenfeszültségü sin közötti feszültségalakok láthatók. A vonali feszültség alap harmonikusának effektív értéke:
Ennek megfelelöen, például az Egyesült Államokban szabványos 60Hz-es, 460 V-os motorhoz 590V egyenfeszültség szükséges, így a 600V-os egyenfeszültség szabványos érték villamos hajtásokban.
1.4. ábra: Hatütemü feszültség inverter kapcsolási szekvenciája.
A következö, 1.5 ábrán a három fázisú vonali és fázis feszültségek láthatók. A párhuzamosan kapcsolódó fázisokra a teljes feszültség 1/3-a, a harmadikra a 2/3-a jut. A fázis feszültség alakja következtében kapta e típusú inverter a hatlépcsös inverter elnevezést. A Fourier analízis szerint ezen fázisfeszültségnek megfelelö jelalakok 1/5-szörös ötödik, 1/7-szeres hetedik, 1/11-szeres tizenegyedik, stb. harmonikust tartalmaznak.
1.5 ábra: A vonali és a fázis feszültségek idöfüggvényei
Hatütemü inverteres fordulatszám és szlip frekvencia szabályozási módszerek.
A motor optimális müködéséhez közel állandó légrés fluxust igényel. Mivel a légrés fluxus a mágnesezö impedancián mérhetö feszültség integrálja, feltételezve, hogy e feszültség szinuszos, a légrés fluxus a következö képlettel adható meg:
Azaz, a motort állandó feszültség/frekvencia viszonynak megfelelöen kell táplálni, leszámítva az állórész ellenállás miatti korrekciót. A változtatható egyenfeszültség miatt vezérelhetö egyenirányító kapcsolás szükséges. Az inverter a teljes frekvencia tartományban 6 lépcsös üzemmódban müködik, amint az 1.6 ábrán látható.
1.6 ábra: A fázisfeszültségek jelalakjai különbözö frekvenciák esetén.
A frekvencia csökkentésével egyidejüleg a feszültség amplitudóját is csökkenteni kell. A frekvencia változtatása gyakorlatilag késleltetés nélkül, az inverter kapcsolók kapcsolási szögének változtatásával lehetséges, a közbensö kör nagy kapacitása viszont a gyors feszültség amplitudó változtatást megakadályozza. Ezért általában a frekvencia változtatást alárendelik a feszültség változtatásnak. Az ennek megfelelö fordulatszám szabályozó blokkvázlata látható az 1.7 ábrán. A frekvencia változtatás alárendelése az egyenfeszültség amplitudó változtatásának megakadályozza, hogy hirtelen nagy frekvencia változás hatására a motor megengedhetetlenül nagy áramot vegyen fel. Emellett, azonban a fordulatszám a szlipet is befolyásolja. Hirtelen mechanikai terhelés növekedés hatására a motor szlipje megnö, ezzel együtt a motor árama is. E tulterhelést ezért gyorsan kell érzékelni, az inverter frekvenciát csökkenteni kell, hogy a terhelö áram csökkenjen. A túlterhelés a legegyszerübben a közbensö kör áramának érzékelésével oldható meg. Hasonlóan problémás, ha a motor terhelése csökken, és visszatáplál az egyenáramú körbe, amely a közbensökör feszültségének emelkedésével jár, mivel az egyenirányító a visszatáplált energiát nem képes a hálózatba visszajuttatni. Ekkor a motor frekvenciáját növelni kell. Ezekben a hajtásokban ezért a közbensö kör feszültsége és árama lényeges mért mennyiségek. A frekvencia változtatás legegyszerübben feszültség vezérelt oszcillátorral oldható meg. A gyorsulás és lassulás korlátozása egyszerüen megoldható. Az 1.7 ábrán bemutatott rendszer nyilt hurkú fordulatszám szabályozásnak tekinthetö, mivel nincs visszacsatolt fordulatszám jel. Az elérhetö pontosság igy közepes (1-2%). Mivel nincs tachométer és az azzal kapcsolatos drága hardware eszközök, az ilyen hajtásokat elterjedten használják az iparban.
1.7 ábra: nyilt hurkú konstans U/f hajtás.
A sazlip frekvencia közvetlenül szabályozható, ha a motor tengelyére digitális sebesség jeladót szerelünk. Az inverter frekvenciát ekkor a tengely sebesség impulzusok és a szlip frekvencia pulzusok digitális összeadása útján állítják elö. Egy ilyen hajtás blokkvázlata látható az 1.8. ábrán.
Ha az aszinkron motort permanens mágneses, vagy reluktancia szinkron motorral helyettesítjük, zárt hurkú rendszerrel is preciz fordulatszám szabályozás érhetö el. Ekkor a fordulatszám pontossága aVCO stabilitásától függ. Ilyen hajtásokat az ipar számos területén alkalmaznak.
1.8 ábra: fordulatszám visszacsatolással rendelkezö szabályozás.
Blokk moduláció
A hajtás dinamikai tulajdonságai akkor javíthatók jelentösen, ha a közbensö kör feszültségét nem változtatjuk. Ez esetben a közbansö kör szürökondenzátor nagy idöállandója nem jut szerephez. Ekkor a feszültség frekvenciáját és amplitudóját egyaránt az inverteren belül állítjuk be. A legegyszerübb módja ennek az úgynevezett blokk moduláció. Az inverter egy vagy két kapcsolóelemét fix frekvencián kapcsolgatják, állandó közbensököri feszültség mellett. A kapcsolók kikapcsolási idejének változtatásával változik a motorra jutó feszültség. A blokk moduláció elve az 1.9. ábrán látható.
1.9. ábra: Blokk moduláció
Szinuszos impulzus szélesség moduláció.
A szinuszos impulzus szélesség moduláció célja, a lehetö legideálisabb szinuszos motor áram elöállítása. Az impulzus szélesség modulált jel elöállításának ergyik módja, ha a szinuszos referencia jelet, melynek ferkvenciája megegyezik az áram alapharmonikusának frekvenciájával, egy nagy frekvenciás (hordozó frekvencia) háromszög jellel komparálják. A komparátor kimenete adja az impulzus szélesség modulált jelet. Az áram spektrumában jelentös amplitudóval a hordozó frekvenciának megfelelö, vagy ahhoz közeli frekvenciájú felharmonikusok jelentkeznek, melyeket azonban a motor aluláteresztö jellege (induktív reaktancia és mechanikai tehetetlenség) erösen csillapít. A moduláció elve az 1.10 ábrán látható. Ha a hordozó jel és a referencia jel között szinkronizáció van, szinkron ISZM-röl, egyébként aszinkron módszerröl beszélünk. A hordozó jel és így az inverter kapcsolási frekvenciája a kapcsoló eszköztöl függ, 1-25 KHz között van. Hátránya, hogy az inverter kapcsolási vesztesége a nagy kapcsolási frekvencia miatt megnö.
1.10 ábra: ISZM moduláció elve.
Áraminverteres aszinkron motoros hajtások
Az áraminverter müködése
Az aszinkron motorokat hagyományosan feszültség generátoros táplálásra tervezték, ezért elöször feszültség invertereket használtak. Feszültség inverter esetén a feszültséget az inverter, az áramot pedig a terhelés, azaz a motor, határozza meg. Az áraminverterek koncepciója ettöl eltérö. Áraminverteres hajtásokat körülbelül 20 éve használnak. Amint az elnevezése is jelzi, az áraminvertera motort állandó árammal táplálja. Ideális áramgenerátor nem készíthetö, de közelíthetö áramszabályozóval kiegészített vezérelt egyenirányítóval vagy szaggatóval, amelyeket nagy induktivitással szürünk. Ilyen áramkört mutat az 1.14 ábra.
1.14. ábra: Áraminverteres hajtás blokkvázlata.
Az áramot az inverter felsö kapcsolói kapcsolják a három fázis egyikére és egy másik fázison keresztül az alsó kapcsolókon át záródik az áramkör. Az áram állandó, ezért az állórész induktivitásán nem jön létre feszültségesés, az ohmos feszültségesés pedig állandó. Mivel a motor tekercselése szinuszos eloszlású, ezért a motor kapcsain szinuszos feszültség keletkezik. Elméletileg az áram jelelekja azonos a feszültség inverter feszültség jelalakjával. A gyakorlatban azonban a motor áramok kommutációja idöt vesz igénybe, és az áramok véges meredekséggel változnak. Ezen átmenet alatt a tirisztorok kommutációja valamely kommutáló kapacitás segítségével megy végbe. A feszóltség és az áram alakok az 1.15. ábrán láthatók.
Az áraminverter egyik nagy elönye, hogy a kommutációs hiba nem okozza a kapcsolóeszközök tönkremenetelét. Ennek oka, hogy összegyujtás esetén a szürökör induktivitása a zárlati áram kialalakulását megakadályozza.
Másik elönye, hogy az áraminverter a vezérelt egyenirányítón keresztül az egyenirányított feszültség piolaritásának megford1tásával egyszerü úton képes a hálózatba visszatáplálni. Feszültség inverter esetén ez csak egy mésodik, inverz paralell kapcsolt vezérelhetö inverter segítségével oldható meg.
1.15 ábra: Áraminverterröl táplált aszinkron motor jelalakjai.
Hátrányuk, hogy a feszültség inverternél megszokott nyílt hurkú müködés nem lehetséges. Az 1. 16 ábrán láthatók az aszinkron motor nyomaték-fordulatszám jelleggörbéi állandó feszültség (feszükltség inverter) és állandó áram (áram inverter) esetén.
1.16. ábra: Nyomaték-fordulatszám jelleggörbék feszültség és áram inverteres táplálás esetén.
Áraminverteres táplálásnál meredek csúccsal rendelkezik a görbe. Két lehetséges üzemi pont van: egy a negatív meredekségü stabil szakaszon és egy a pozitív meredekségü labilis szakaszon. (bár a stabilitást a terhelés jelleggörbéje is befolyásolja). A stabil szakaszon az üzemeltetés nem célszerü, mivel e szakaszon a fluxus nagy, és ez telítéshez vezet. A másik szakaszon viszont a fluxus közel névleges értékü, és a veszteségek kicsik. Az üzemelés itt azonban csak akkor oldható meg, ha a hajtás áramszabályozóval rendelkezik. Ilyen hajtás látható az 1.17. ábrán. Az áramszabályozás a közbensö körben megoldható, mivel a motor árama és az egyenáramú kör árama között egyértelmü az összefüggés. A rendszerben motor feszültség szabályozó kör található, amely a vezérelt egyenirányítón keresztül szabályozza a motor feszültségét. A belsö áramszabályozó hurok referencia feszültségét a feszültség hibajel adja.
1.17 ábra: Áraminverteres aszinkron motoros hajtás motor állórész feszültség visszacsatolással.
A kommutációs kapacitások és a közbensököri induktivitás szükségessége az áraminverterek legnagyobb hátránya. A kondenzátorok nagy méretüek, mivel a teljes szórt induktivitésban tárolt energia tárolására kell méretezni azokat. Ennek csökkentésére az áraminverteres hajtásokhoz tervezett motorokat kis szórási reaktanciával tervezik. Sajnos e követelményt csak túlméretezéssel lehet kielégíteni.
Végül meg kell említeni a kapcsolóelemeket. Az ábrákon tirisztorok szerepelnek. Helyettesíthetök tranzisztorokkal vagy kioltható tirisztorokkal is, azonban ez nem befolyásolja a konverter minöségét. Ugyanis az áram változási sebességét és ezzel a motor tekercselésen létrejövö feszültségesést a kommutáló kondenzátorok határozzák meg. Ha azonban kikapcsolható eszközökböl épül az inverter, a kondenzátorok nem szükségesek a kommutációhoz, és a motor kapcsaira helyezhetök át. Ez esetben elég, ha a felharmonikus áramokra méretezzük azokat, ami jóval kisebb méreteket és alacsonyabb árat jelent. Egy ilyen konfiguráció látható az 1.18 ábrán. A megoldást azonban ritkán alkalmazzák rezonanciára való hajlama miatt.
1.18 ábra: Áraminverter lekapcsolható félvezetös kapcsoló eszközökkel (GTO).
:
4055
