PRETVARAČ FREKVENCIJE

Zdravko Borić, prof.

)4(

)3(

)2(

)1()2(

22

1

1

11

11111

skM

fk

E

fkE

fLjRIEU

s ⋅⋅Φ⋅=

⋅=Φ

⋅Φ⋅=++=

ω

πω σ

2

1

13

⋅≈

fk

EkM

Uvrštenjem (3) u (4) dobije se približan iznos momenta za odreñeno klizanje

2

1

≈f

UM

Asinkroni motor - Upravljanje - izvod za moment motora

M

Uf

M

Uf

1

212

=

≈

Struja rotora koja poteče kroz štapove kaveznog motora ili kroz namot rotora (kliznokolutni AM) kada se namot kratko spoji, iznosi:

( )22

22

202

σsXR

EsI

+

⋅=( ) 2

22

2

202

σXsR

EI

+=

/

Moment motora iznosi:

22 ϕcosIkM em ⋅Φ⋅= Radna komponenta struje statora

2

⋅≈f

UkM em Drugi oblik izraza za moment motora, M=f(U,f)

s

ssω

ωω −=p

fs

πω 2= fp

n ss

60

260 ==

πω

• Trofazni simetričan namot na statoru A. M. napajantrofaznim simetričnim sustavom napona rezultira SIMETRIČNIM OKRETNIM POLJEM

• Promotrimo položaje i iznose rezultirajućeg protjecanja R u prostoru za trenutke kada je vremenska os t u položajima 1 do 7:

Prostorna raspodjela 3-faznih namota:

Fazorska slika struja kroz namote:

Trofazna okretna protjecanja (polja),prikaz rotirajućim vektorima

os fa

ze A • θA – protjecanje faze A

• θB – protjecanje faze B• θC – protjecanje faze C• θR – rezultantno

protjecanje

23π

23π

23π

0tω = 3t

πω =

2

3t

πω = tω = π

4

3t πω = 5

3t

πω = 2t πω =

Sljedećitrenutak

Korištenje pretvara ča frekvencije

Općenito – asinkroni motor

• Brzina vrtnje asinkronog trofaznog motora zavisi o frekvenciji napona napajanja asinkronog motora.

• Pri čvrstoj frekvenciji mreže brzina vrtnje asinkronog motora je konstantna.

• Pri mnogim primjenama potrebna je promjenjiva, podesiva brzina vrtnje!

Pretvara č frekvencije: Asinkroni motor napajan naponom promjenjiva iznosa i frekvencije.

Pretvara č frekvencije: Asinkroni motor napajan naponom promjenjiva iznosa i frekvencije.

Čvrsta frekvencija => konstantna brzina

Frekvencija mreže:

f = 50HzTolerancija: +/- 0,3%

f = 49,85 ... 50,15Hz

Napon mreže:

U = 230 / 400VTolerancija: +/- 10%

U = 207 ... 256 / 360 ...440V

U V W

L1

L2

L3

Podesiva frekvencija => podesiva brzina

Ulazne stezaljke pretvara ča:

Ujednofazno = 180 ... 264VUtrofazno = 320 ... 550V(bez tolerancije)

f = 45 ... 65Hz(bez tolerancije)

U V W

L1

L2

L3

U V W

Izlazne stezaljke pretvara ča:

U = 0 ... 230 / 400V (promjenjivo)f = 0 ... 480Hz (promjenjivol)

U V W

L1

L2

L3

U V W

U V W

L1

L2

L3

U V W

AC

DC

DC

AC

DC

Graña pretvara ča frekvencije

1. Ispravljač:

2. DC-Meñukrug:

3. Izmjenjivač:

L1

L2

L3

UAC,in,1

UAC,in,2 UAC,in,3

UDC,in

oblik mrežnog napona :

UA

C,in

t

Obliknapona UDC,in izmeñu UG+ i UG-):

IDC,in

UD

C,in

t

UG+

UG-

+

-

interna shema:

Vršna vrijednost ispravljanog napona:ÛDC,in = UAC,in

. √2 == 400V . √2 == 565,7V DC

Srednja vrijednost napona:Udc= 1.35 ×Uac =400×1.35 =540 V

Ispravljač:Neupravljani, šest pulsni, mosni, diodni ispravljač

INetz

Istosmjerni meñukrugKondenzatorski slog

UDC,in

Oblik napona UDC,in bez ( ) i sa ( ) kondenzatorom:

UD

C,in

t

+

-

Shema:

Namjena kondenzatora meñukruga:

- Glañenje (filtriranje) napona- Spremnik energije

UG+

UG-

CDC

IDC,in IDC,out

Izmjenjivač:Najosjetljiviji energetski dio pretvarača je slog šest IGBTa („Insulated Gate BipolarTransistor“) s povratnim diodama

Shema s IGBT elementima:

U

V

W

UAC,out,1

UAC,out,2 UAC,out,3

UDC,in

UG+

UG-

T1

T4 T6 T2

T5T3IDC,out

Sklopke T1 i T4 za oba poluvala sinusnog napona i promijenjivi odnos modulacije mogu dati sinusni osnovni harmonik napona i struje

UUDC,in

UG+

UG-

T4

T1UDC

UDCRstator

Lµ

IDC

Faz

a m

otor

a

Ovdje kratko vrijeme teče struja koja je posljedica na induktivitetu inuciranog napona UF, AV.

Upravljanje sa 6 sklopki izmjenjivača treba biti pomaknuto za 60°kako bi se formirao simetrični trofazni sustav.

T1

U

V

W

UAC,out,1

UAC,out,2 UAC,out,3

UDC,in

UG+

UG-

T1

T4 T6 T2

T5T3

IDC,out

T2

T3

T4

T5

T6

0° 60° 120° 180° 240° 300° 360°

Sklopka Fazna struja

pozitivni poluval faze U

pozitivni poluval faze V

pozitivni poluvalfaze W

negativni poluval faze W

negativni poluval faze U

negativnipoluval faze V

L1

L2

L3

UDC

BR1

UG-

Graña pretvara ča frekvencije – energetski dio

CDC

RLade U

V

W

T1

T4 T6 T2

T5T3

Kočni krug

BR2

Rko

čnice

UG+

Ispr

avlja

č

Pre

napo

nska

za

štita

Ogr

anič

enje

st

ruje

pun

jenj

a

Kap

acite

t m

eñuk

ruga

Izm

jenj

ivač

Mje

renj

e iz

lazn

e st

ruje

Prik

ljuča

k m

otor

a

Mre

ažni

pr

iklju

čak

Koč

ni k

rug

1. Ispravljač: 2. DC-Meñukrug: 3. Izmjenjivač:

Tok energije – motorski rad

U V W

L1

L2

L3

m = 2000kg

U motorskom režimu rada pogona tok energije ( ) iz pojne mreže preko pretvarača dolazi umotor koji mehaničku energiju predaje teretu.

Tok energije – generatorski rad

U V W

L1

L2

L3

m = 2000kg

Pri prelasku u generatoski režim (npr pri spuštanju tereta potencijalna energija pretvara se u motoru u električnu)

Tok energije ( ) se mijenja te se javlja povratni tok energije u pretvarač.Postavlja se pitanje kamo s tom energijom?

?

L1

L2

L3

UDC

BR1

UG-

Tok energije u pretvaraču frekvencije

CDC

RLade U

V

W

T1

T4 T6 T2

T5T3

Brem

schopper

BR2

UG+

Auswertung Steuerkarte

Ispravljač

Prenaponska

zaštita

Ograničenje

struje pri uklapanju

Dc m

eñukrugt

Pretvara

čr

Mjerenje na

izlazu

Motorski

priključak

Mrežni priklju

čak

Ko

čni krug

Kretanje energije – generatorski režim rada

• Tok energije u suprotnom smjeru kroz diodni ispravljač nije moguć.

• Dio energije moguće je uskladištiti u kondenzatorima meñukruga povišenjem napona. No povišenje napona je ograničeno na maksimalni dopustivi radni napon kondenzatora (cca 850Vdc za pretvarače 400 Vac)

Problem :

Rješenje: potrebno je naći alternativni put toka energije u tim režimima rada!Rješenje: potrebno je naći alternativni put toka energije u tim režimima rada!

L1

L2

L3

UDC

BR1

UG-

Tok energije u pretvaraču

CDC

RLade U

V

W

T1

T4 T6 T2

T5T3

Brem

schopper

BR2

UG+

Auswertung Steuerkarte

Kretanje energije – Sklop za ko čenje

kočni krug

RB

rems

Kao opcijska moguć je kočni čoper i otpornik na kojem se disipira “višak” energije u meñukrugu. Kočni čoper kontrolira sklopnim radom tok i iznos struje kroz otpor. U nekim izvedbama pretvarača kočni je čoper integriran u standardnu isporuku.

Kao opcijska moguć je kočni čoper i otpornik na kojem se disipira “višak” energije u meñukrugu. Kočni čoper kontrolira sklopnim radom tok i iznos struje kroz otpor. U nekim izvedbama pretvarača kočni je čoper integriran u standardnu isporuku.

L1

L2

L3

BR1

UG-

Tok energije( )

CDC

RLade U

V

W

T1

T4 T6 T2

T5T3

KO

ČN

I ČO

PE

R

BR2

UG+

Auswertung Steuerkarte

kočni krug

Kamo s Energijom? U mrežu ili ...Kamo s Energijom? U mrežu ili ...

Spoj istosmjernog me ñukruga

Kretanje energije – spoj istosmjernog me ñukruga

Povezivanjem dva ili više pretvarača u istosmjernom krugu..

Povezivanjem dva ili više pretvarača u istosmjernom krugu..

U V W

L1

L2

L3

m = 2000kg

U V W

m = 2000kg

UG-

UG+

Pogon 1: generatorki režim rada (spuštanje tereta)

Pogon2: u motorskom režimu(dizanje tereta)

Rekapitulacija preko maturalnih pitanja koja smo do sada obradili

1. Osnovni dijelovi EMP-a i koji momenti djeluju u EM P-u i njihova me ñusobna ovisnost?

• Osnovni dijelovi EMP-a su:– radni mehanizam - stroj koji obavlja radni proces – elektromotor - daje mehaničku energiju radnom mehanizmu– spojni elementi - spajaju radni mehanizam i elektromotor (spojke,

remenice, zupčanici)– priključni i upravljački elementi - pomoću njih se EMP priključuje na

izvor el. energije• Momenti koji djeluju u EMP-u su:1. moment motora Mm2. moment tereta Mt3. moment ubrzanja (usporenja) Mu4. ΣM = 05. Mm = Mt + Mu

2. Osnovna stanja EMP-a (generatorsko i motorsko pogonsk o stanje)?

• Motorsko pogonsko stanje (3 slu čaja):• brzina vrtnje raste (n) raste

Mm>Mt Mm=Mt+Mu Mu=Mm-Mt>0- Moment motora nadvladava moment tereta- Moment ubrzanja Mu ubrzava pogon

• n-konstantanMm = Mt Mu = 0

- motorski moment Mm jednak je momentu tereta Mt, po gon je u stacioniranom stanju (Mu=0)

• n - opadaMm<Mt pa je Mu<0-što zna či da moment ubrzanja usporava teret ili ga ko či, moment tereta nadvladava moment motora

2. Generatorsko pogonsko stanje• n raste

Mt>Mm (moment tereta nadvladava moment motora) i Mu koči ali nedovoljno uspješno

• n-konst Mt=Mm Mu=0 - moment tereta i moment motora su jed nakog iznosa.pogon je u stacioniranom pogonskom stanju

• n padaMt<Mm i Mu uspješno ko či

3. Mehaničke karakteristike radnih mehanizama ?• - ovisnost momenta tereta svih radnih mehanizama o brzini vrtnje

može se prikazatiMt=M0+(ΨΨΨΨMTN-Mo) (ωωωω/ωωωωn)γγγγ

M0-vlastiti moment teretaΨ-faktor opterećenjaMTN-nazivni moment radnog mehanizma ω-trenutna brzina vrtnjeωn-nazivna kutna brzina

• Razlikujemo 4 slučaja:1. Mt ne ovisi o brzini motora (γ = 0)2. Mt linearno ovisi o brzini vrtnje (γ = 1)3. Mt nelinearno ovisi o brzini vrtnje (γ = 2)4. Mt obrnuto proporcionalan brzini vrtnje (γ =-1)

4. Mehaničke karakteristike elektromotora!Služe kao osnovni kriterij u izboru motora za radni mehanizam

• oblici mehaničkih karakteristika motora:

• Razlikujemo:• a) motori s krutom (apsolutno tvrdom) mehaničkom karakteristikom

krivulja 1-brzina vrtnje ostaje konst. kada se mijenja vanjski moment tereta (pr. Sinkroni motori)b) motori s tvrdom mehaničkom karakteristikom brzina vrtnje se neznatno mijenja sa promjenom opterećenja (krivulja 2 i 3) u linearnom području) (pr. Istosmjerni poredbeni motor i asinkroni motori)c) mekana mehanička karakteristika brzina vrtnje se mijenja s promjenom opterećenja (krivulja 5) pr. Serijski uzbuñeni motorid) ovo cijelo područje izmeñu 3 i 5 označeno sa brojem 5 pripada istosmjernim kompaudnim motorima

5. Osnove dinamike EMP-a-U svakom elektromotornom pogonu pojavljuju se odreñene veličine:a)mehani čke (brzina vrtnje, moment tereta, moment motora)b) elektri čne (struje, naponi,otpori,induktiviteti)c)magnetske (mag. tokovi, mag.indukcija)d)toplinske (temp. zagrijavanje, količina topline)Dinami čki pogon je kada se mijenjaju neke ili čak sve fizikalne veličine. Te promjene karakteriziraju odreñene vremenske konstante i postoje 3 tipa konstanti:

R

LTel = (s)

2.toplinska

sh

mcTt =

m - masa (kg)c - specifična toplina (Ws/ockg)s - površina (m2)h - koeficijent odvoñenja topline tijela(Ws/oCm)

n

n

MJTm

ω=

J - moment inercije EMP (moment tromosti (kgm2)ωn - nazivna kutna brzina vrtnje(s-1)Mn - nazivni moment motora (Nm)

(s)

3.mehani čka(s)

1. elektri čna ili elektromagnetska

6. Reduciranje mehani čkih veli čina!

Kad su elektromotor i radni mehanizam spojeni na istoj osi vrtnje onda je i cijeli moment inercije koncentriran na toj osi vrtnje. Ako je motor preko neke transmisije (zupčani prijenos, remenice) pokreće radni mehanizam dio zamašne mase vrti se brzinom el.motora, a njegovi dijelovi nekom drugom brzinom vrtnje. Tada se moraju svezamašne mase svesti ili reducirati na osovini motora.tj. izračuna se kakve bi bile da se vrte brzinom vrtnje motora, a da pri tom imaju jednako djelovanje.

mD2EP=m Dm 2 +ΣΣΣΣmDi 2 (ωωωωi /ωωωωm)2

mD2EP - ukupna zamašna masa na osovini motoram Dm 2 - zamašna masa elektromotoramDi 2 - zamašna masa i-tog zup čanikaωωωω i - - kutna brzina i-tog zup čanikaωωωω m - kutna brzina elektromotora

• Ukoliko su brzine zadane u o/min formula je sli čna:mD2EP=m Dm 2 +ΣΣΣΣmDi 2 (n i/nm)2

7. Napišite formulu za brzinu vrtnje i objasnite kako možemo regulirati brzinu vrtnje kod istosmjernih motora?

U - napon na koji je priključen armaturni krug [V]Ia - struja armature [A]Ra - otpor armaturnog namota [Ω]ke - konstanta motora

Φ - uzbudni magnetski tok [Wb]Promjena brzine vrtnje može se vršiti na slijedeće načine:a) promjenom priklju čenog napona

• - motor se prekapčanjem priključuje na razne napone. Na ovaj način moguće je podešavati brzinu od 0 do nn. b) promjenom otpora u armaturnom krugu

• - vrši se na način da se u armaturni krug dodaju otpornici, tada se u gornjoj formuli umjesto Ra uvrštava ukupna vrijednost otpora (R = Ra + Rdod) [min-1].

• Isključivanjem pojedinih otpornika pomoću paralelno postavljenih sklopki se ukupni otpor smanjuje, a na taj način se brzina vrtnje povećava. Na ovaj način se podešava brzina vrtnje od 0 do nn.c) promjenom uzbudnog magnetskog toka

• U uzbudni strujni krug uključi se promjenjivi otpornik Ri, kojim se može smanjivati uzbudna struja, odnosno magnetski tok Φ. Brzina vrtnje se prema formuli

• povećava ukoliko se magnetski tok Φ smanjuje. Na ovaj način moguće je dobiti brzine vrtnje koje su veće od nazivne.

Φ⋅⋅−

=e

aa

k

RIUn

Φ⋅+⋅−

=e

dodaa

k

RRIUn

)(

Φ⋅⋅−

=e

aa

k

RIUn

8. Napišite formulu za brzinu vrtnje i objasnite ka ko možemo regulirati brzinu vrtnje kod asinkronih motora?ns - sinkrona brzina vrtnje [min-1]s - klizanje asinkronog motoraf - frekvencije [Hz]p - broj pari polova.

• Brzinu vrtnje asinkronog motora moguće je mijenjati na slijedeće načine:1) promjenom frekvencije - Regulacija se na ovaj način vrši pomoću ispravljačkog sklopa koji pretvara napon i frekvenciju mreže u pogonski napon i frekvenciju i to tako da se oni podešavaju ili reguliraju prema potrebi elektromotornog pogona. Takvi se sklopovi zovu ispravljački pretvarač ili konverter frekvencije ili napona.2) regulacija promjenom pari polova - broj pari polova odreñen je statorskim namotom, pa motor treba imati takav statorski namot koji će omogućiti takvu promjenu. Postoje dva načina:

• da statorski namot ima dva odvojena namota, svaki s drugim brojem polova

• prespajanjem jednog statorskog namota 3) Promjenom klizanja s - izvodi se:

• dodavanjem otpornika u strujni krug rotora (samo kod klizno-kolutnih asinkronih motora)

• smanjenjem napona napajanja (time se ujedno povećava i klizanje)4) Kaskadnim spojem - izvodi se mehaničkim spajanjem dva ili više asinkronih motora na zajedničkoj osovini.

p

sfsnn s

)1(60)1(

−⋅⋅=−=

Zaključak!

Nadam se da ovi i ovakvi materijali mogu pomoći učenku u savladavanju gradiva. Za izradu ove prezentacije koristio sam materijale sa FER-a, Veleučilišta u Zagrebu i Srednje škole u Požegi. U materijalima ima i dijelova koji su navedeni i u knjizi koju koriste učenici.

Ovaj materijal je prvi materijal sa maturalnim pitanjima i odgovorima.