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) egyenfeszültségű energiává alakítja át. Az egyenfeszültséget a dc/ac konverter (inverter) alakítja vissza háromfázisú változtatható frekvenciájú energiává. Az egyenirányító és az inverter között található a közbenső kör, melynek energiatárolója szűrőként szerepel. A gépoldali konverter és a váltakozó áramú motor az egyenáramú motor elektromechanikus ekvivalensének tekinthető. A szabályozó vagy vezérlő elektronika e hajtásoknak nélkülözhetetlen része.

1.2 ábra: Váltakozó áramú hajtás blokkvázlata.

Az egyenáramú energia átalakítását váltakozó áramú energiává inverziónak nevezzük, az átalakítást végző eszközt pedig inverternek. Az inverter a váltakozó áramú hajtásokban a változtatható frekvanciát állítja elő. Az inverterek kétfélék lehetnek: 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 időfüggvénye pedig a terheléstől függ. A VSI két fő csoportra osztható: hatlépcsős és impulzus szélesség modulált inverterré. Az inverterek másik fajtáját az áraminverterek alkotják, melyek a motor kapcsain meghatározott szekvenciájú kapcsolt áram jelalakot biztosítanak. A közbenső kör ez esetben induktivitás, és a feszültség időfüggvényét a terhelés határozza meg.

A hatütemű inverter működése.

A hatütemű feszültség inverter blokkvázlata az 1.3. ábrán látható. Az áramkör struktúrája megegyezik az 1.2 ábrán vázoltakkal. Az egyenirányító az egyenfeszültséget állítja elő, hasonlóan az egyenáramú motoros hajtások esetéhez. A viszonylag nagy értékű kapacitás az egyenfeszültséget állandó értéken tartja, és biztosítja az áramutat a hirtelen fellépő inverter áramoknak. A kapacitás mérete és ára az inverter méretét és árát jelentősen befolyásolja. Értéke 2000 és 20000 mF között van. A kapacitás és az egyenirányító közé általában induktív szűrőt 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 tetszőlegesen ki és be kapcsolható eszközökkel kell megvalósítani. A jelenleg lehetséges eszközök a következők lehetnek:

Tirisztorok kommutációs áramkörökkel

Bipoláris teljesítmény tranzisztorok

MOS FET tranzisztorok

IGBT-k.

GTO-k.

MCT-k.

Napjainkban tirisztorokat az inverter kapcsoló elemeként csak ritkán, elsősorban nagy teljesítményű 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 áramerősségig készülnek, de e határértékek gyorsan emelkednek. Legkorszerűbbek az IGBT-k, melyek egyesítik a FET és a bipoláris eszközök előnyös tulajdonságait.

Az inverter működésének megértéséhez tekintsük az 1.3 ábrának megfelelő 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 egyenfeszültségű sin közötti feszültségalakok láthatók. A vonali feszültség alap harmonikusának effektív értéke:

Ennek megfelelően, 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: Hatütemű feszültség inverter kapcsolási szekvenciája.

A következő, 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 hatlépcsős inverter elnevezést. A Fourier analízis szerint ezen fázisfeszültségnek megfelelő 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 időfüggvényei

Hatütemű inverteres fordulatszám és szlip frekvencia szabályozási módszerek.

A motor optimális működéséhez közel állandó légrés fluxust igényel. Mivel a légrés fluxus a mágnesező impedancián mérhető feszültség integrálja, feltételezve, hogy e feszültség szinuszos, a légrés fluxus a következő képlettel adható meg:

Azaz, a motort állandó feszültség/frekvencia viszonynak megfelelően kell táplálni, leszámítva az állórész ellenállás miatti korrekciót. A változtatható egyenfeszültség miatt vezérelhető egyenirányító kapcsolás szükséges. Az inverter a teljes frekvencia tartományban 6 lépcsős üzemmódban működik, amint az 1.6 ábrán látható.

 

1.6 ábra: A fázisfeszültségek jelalakjai különböző frekvenciák esetén.

A frekvencia csökkentésével egyidejűleg a feszültség amplitudóját is csökkenteni kell. A frekvencia változtatása gyakorlatilag késleltetés nélkül, az inverter kapcsolók kapcsolási szögének változtatásával lehetséges, a közbenső kör nagy kapacitása viszont a gyors feszültség amplitudó változtatást megakadályozza. Ezért általában a frekvencia változtatást alárendelik a feszültség változtatásnak. Az ennek megfelelő 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 megnő, ezzel együtt a motor árama is. E tulterhelést ezért gyorsan kell érzékelni, az inverter frekvenciát csökkenteni kell, hogy a terhelő áram csökkenjen. A túlterhelés a legegyszerűbben a közbenső kör áramának érzékelésével oldható meg. Hasonlóan problémás, ha a motor terhelése csökken, és visszatáplál az egyenáramú körbe, amely a közbensőkör 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 közbenső kör feszültsége és árama lényeges mért mennyiségek. A frekvencia változtatás legegyszerűbben feszültség vezérelt oszcillátorral oldható meg. A gyorsulás és lassulás korlátozása egyszerűen megoldható. Az 1.7 ábrán bemutatott rendszer nyilt hurkú fordulatszám szabályozásnak tekinthető, mivel nincs visszacsatolt fordulatszám jel. Az elérhető 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 elő. 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 érhető el. Ekkor a fordulatszám pontossága aVCO stabilitásától függ. Ilyen hajtásokat az ipar számos területén alkalmaznak.

1.8 ábra: fordulatszám visszacsatolással rendelkező szabályozás.

 

Blokk moduláció

A hajtás dinamikai tulajdonságai akkor javíthatók jelentősen, ha a közbenső kör feszültségét nem változtatjuk. Ez esetben a közbanső kör szűrőkondenzátor nagy időállandója nem jut szerephez. Ekkor a feszültség frekvenciáját és amplitudóját egyaránt az inverteren belül állítjuk be. A legegyszerűbb módja ennek az úgynevezett blokk moduláció. Az inverter egy vagy két kapcsolóelemét fix frekvencián kapcsolgatják, állandó közbensőköri 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 lehető legideálisabb szinuszos motor áram előállítása. Az impulzus szélesség modulált jel előállításának 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 jelentős amplitudóval a hordozó frekvenciának megfelelő, vagy ahhoz közeli frekvenciájú felharmonikusok jelentkeznek, melyeket azonban a motor aluláteresztő jellege (induktív reaktancia és mechanikai tehetetlenség) erősen csillapít. A moduláció elve az 1.10 ábrán látható. Ha a hordozó jel és a referencia jel között szinkronizáció van, szinkron ISZM-ről, egyébként aszinkron módszerről beszélünk. A hordozó jel és így az inverter kapcsolási frekvenciája a kapcsoló eszköztől függ, 1-25 KHz között van. Hátránya, hogy az inverter kapcsolási vesztesége a nagy kapcsolási frekvencia miatt megnő.

1.10 ábra: ISZM moduláció elve.

Áraminverteres aszinkron motoros hajtások

Az áraminverter működése

Az aszinkron motorokat hagyományosan feszültség generátoros táplálásra tervezték, ezért először feszültség invertereket használtak. Feszültség inverter esetén a feszültséget az inverter, az áramot pedig a terhelés, azaz a motor, határozza meg. Az áraminverterek koncepciója ettől eltérő. Áraminverteres hajtásokat körülbelül 20 éve használnak. Amint az elnevezése is jelzi, az áraminvertera motort állandó árammal táplálja. Ideális áramgenerátor nem készíthető, de közelíthető áramszabályozóval kiegészített vezérelt egyenirányítóval vagy szaggatóval, amelyeket nagy induktivitással szűrűnk. Ilyen áramkört mutat az 1.14 ábra.

1.14. ábra: Áraminverteres hajtás blokkvázlata.

Az áramot az inverter felső 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 időt 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 előnye, hogy a kommutációs hiba nem okozza a kapcsolóeszközök tönkremenetelét. Ennek oka, hogy összegyujtás esetén a szűrőkör induktivitása a zárlati áram kialalakulását megakadályozza.

Másik előnye, hogy az áraminverter a vezérelt egyenirányítón keresztül az egyenirányított feszültség piolaritásának megford1tásával egyszerű úton képes a hálózatba visszatáplálni. Feszültség inverter esetén ez csak egy mésodik, inverz paralell kapcsolt vezérelhető inverter segítségével oldható meg.

1.15 ábra: Áraminverterről táplált aszinkron motor jelalakjai.

Hátrányuk, hogy a feszültség inverternél megszokott nyílt hurkú működés 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 meredekségű stabil szakaszon és egy a pozitív meredekségű labilis szakaszon. (bár a stabilitást a terhelés jelleggörbéje is befolyásolja). A stabil szakaszon az üzemeltetés nem célszerű, mivel e szakaszon a fluxus nagy, és ez telítéshez vezet. A másik szakaszon viszont a fluxus közel névleges értékű, 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 közbenső körben megoldható, mivel a motor árama és az egyenáramú kör árama között egyértelmű az összefüggés. A rendszerben motor feszültség szabályozó kör található, amely a vezérelt egyenirányítón keresztül szabályozza a motor feszültségét. A belső áramszabályozó hurok referencia feszültségét a feszültség hibajel adja.

1.17 ábra: Áraminverteres aszinkron motoros hajtás motor állórész feszültség visszacsatolással.

A kommutációs kapacitások és a közbensőköri induktivitás szükségessége az áraminverterek legnagyobb hátránya. A kondenzátorok nagy méretűek, 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. Helyettesíthetők tranzisztorokkal vagy kioltható tirisztorokkal is, azonban ez nem befolyásolja a konverter minőségét. Ugyanis az áram változási sebességét és ezzel a motor tekercselésen létrejövő feszültségesést a kommutáló kondenzátorok határozzák meg. Ha azonban kikapcsolható eszközökből épül az inverter, a kondenzátorok nem szükségesek a kommutációhoz, és a motor kapcsaira helyezhetők 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 félvezetős kapcsoló eszközökkel (GTO).