Študenta: Predavatelj:

Marko Pajk ,Jošt Kova čič prof. doc.dr. Peter Zajec, univ.dipl.inž.el.

Maj 2011

Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko

ŠTUDIJSKO LETO 2010 - 2011

Seminarska naloga pri predmetu Merilni pretvorniki

FREKVENČNO NAPETOSTNI PRETVORNIKI

- 1 -

Kazalo

1. UVOD ...............................................................................................................................2 2. DELOVANJE IN UPORABA ..................................................................................3 3. SPLOŠNE ZNAČILNOSTI ......................................................................................4 4.NAČINI DELOVANJA FREKVEN ČNIH PRETVORNIKOV ...................7 4.1. PRETVORNIK S PRAVOKOTNIM SIGNALOM .................................................8 4.2. PULZNO ŠIRINSKI (PWM) REŽIM .......................................................................8 4.2.1. URAVNAVANJE NAPETOSTI NA ENOFAZNEM PRETVORNIKU Z UPORABO PWM .........................................9 4.2.1.1. ENOPULZNA ŠIRINSKA MODULACIJA ........................................................9 4.2.1.2. VEČPULZNA ŠIRINSKA MODULACIJA .......................................................10 4.2.1.3. SINUSNO MODULIRANI PWM REŽIM .........................................................10 4.2.2. TRIFAZNI PRETVORNIK ...................................................................................11 4.2.3. TRIFAZNI RAZSMERNIKI S PULZNO ŠIRINSKO MODULACIJO ..............11 5. ZAKLJU ČEK ................................................................................................................12 6. VIRI IN LITERATURA ............................................................................................13

- 2 -

1. UVOD V tej seminarski nalogi bova predstavila frekvenčno napetostne pretvornike (V/f in f/V converters) ter podrobneje opisala pulzno širinsko modulacijo in enega izmed načinov delovanja pretvornikov, in sicer tehniko uravnavanja naboja (charge balancing technique). Najprej pa nasplošno o V/f pretvornikih. V/f in f/V pretvorniki spadajo med tipe A/D, D/A pretvornikov, vendar jih obravnavamo kot svojo skupino. Na tržišču jih dobimo v obliki integrirano modeliranih enot (čipi). Njihova vsestranskost se kaže v zmožnosti opravljanja mnogih funkcij predvsem kot vmesnik med analognim in digitalnimi vezji. Uporabljajo se tudi za spreminjanje hitrosti vrtenja motorjev, vgajeni so v osciloskopih in v mnogih drugih aplikacijah. Med največje proizvajalce frekvenčnih pretvornikov sodijo Analog Devices, Texas Instruments, National Semiconductor, Microchip, Burr-Brown, Mitsubishi Electrics, Danfoss, Simens, Toshiba, cene pa se gibajo od nekaj 10 pa do nekaj 1000 eur, kar je odvisno od zmogljivosti, predvsem pa od dodatne opreme (display, kontrolna plošča, itd.).

Slika 1.0 Frekvenčni pretvornik Slika 1.1 Vezje frekvenčnega pretvornika

- 3 -

2. DELOVANJE IN UPORABA

Frekvenčni pretvornik preko vhodne enote (usmernika) usmeri izmenično vhodno napetost. Enosmerna napetost se preko močnostne izhodne enote razsmeri na ustrezno napetost za motor. Z ustrezno regulacijo obratov motorja se veča prihranek energije tudi v primeru, ko se obratov motorja ne sme zmanjšati, obremenitev motorja pa ni trajna ali se pojavlja sunkovito. Vektorski model v vsakem trenutku spremlja obrate motorja, tudi v primeru, da obrati ne zaostajajo za vrtilnim poljem statorja več kot je njegov »slip«, ostaja tok pod nazivnim. Če pretvornik zazna preobremenitev oz. zmanjšanje obratov, se preobremenitev rešuje s povečanjem izhodne napetosti in toka ter s tem momenta motorja. V primeru, da tok v določenem času ne pade pod dovoljeno mejo, frekvenčni pretvornik javlja preobremenjenost in kasneje izklopi motor. S tem se varuje tako motor kot tudi pretvornik ter celoten sistem pred okvaro. Poleg krmiljenja motorja ga uporabljamo še pri merjenju obratov, temperature, itd.

V/f pretvornikom rečemo tudi: regulatorji, frekvenčni regulatorji, inverterji, pretvorniki, frekvenčniki.

Slika 1.2 Shema vezja za merjenje obratov Slika 1.3 Shema vezave za regulacijo hitrosti vrtenja motorja

Slika 1.4 Merjenje temperature Slika 1.5 13 bitni A/D pretvornik

- 4 -

3. SPLOŠNE ZNAČILNOSTI Frekvenčni pretvorniki so naprave, ki pretvarjajo električno energijo ene frekvence v izmenično napetost druge frekvence. Pri tem je možno drugačno ali enako število faz in različno fazno zaporedje. Najpogosteje se uporabljajo za krmiljenje vrtljajev izmeničnih trifaznih elektromotorjev. Frekvenčni pretvorniki delujejo na principu večih tehnologij. Podrobneje bova opisala tehniko uravnavanja naboja (charge balancing technique), ki je najpogosteje uporabljana tehnika v komercialnihV/f pretvornikih. Osnova te tehnike je generator tokovnih inpulzov, katerega nadzira PTRC (precision timing reference circuit) oziroma vezje z natančno nastavitvijo reference časa. Generator proži pulze konstantne vrednosti z frekvenco, ki jo določa zunanje sinhronizacijsko vezje. Ta sklop (generator + sinhronizator), skupaj z integratorjem tvorita f/V pretvornik iz spodnje slike:

Slika 1.6 Frekvenčno-napetostni pretvornik

Če zgornje elemente uporabimo v obratni smeri, dobimo V/f ( voltage to frequency) ali I/f ( current to frequency) pretvornik:

Slika 1.7 Napetostno-frekvenčni pretvornik

- 5 -

Vsakič, ko izhodna napetost integratorja doseže referenčno vrednost, PTRC odda tokovni impulz konstantnega naboja Q, ki resetira integrator. Rezultat periodičnega resetiranja je žagasti signal, katerega amplituda je enaka razmerju Q/C, frekvenca pa Vin/QR. Prednost tega pretvornika je, da med nižanjem rampe proti 0 ne pride do izgube časa, saj se kondenzator C stalno polni z signalom iz PTRC-ja. Oblika tokovnega impulza generiranega s PTRC-jem je praktično nepomembna, dokler je naboj konstanten. V praksi lahko en modul nastopa kot V/f ali f/V odvisno od načina priključitve. Ta tehnika kaže dve pomembni lastnosti, povezani z načinom delovanja pretvornika. Je enakomerna (monotonic) in linearnost ne pada proti nič, kot pri A/D pretvornikih s tehniko linearne rampe. Po načinu delovanja lahko frekvenčne pretvornike razdelimo na tiste z vmesnim napetostnim oz. tokovnim regulatorjem in direktne pretvornike. Tokovni pretvornik (CSI) je napajan s tokovnim virom, ki ima visoko notranjo impedanco. Sestavljen je iz tokovnega omejevalnika in njemu zaporedno vezanega enosmernega vira, zato se vhodni tok ne sme oz. ne more spremeniti v trenutku. Bremenski tok se lahko nastavlja s spreminjanjem vhodne DC napetosti.

Slika 1.8 Enofazni tokovni pretvornik

Slika 1.9 Impulzi na vratih in oblita izhodnega toka pretornika

- 6 -

Napetostni pretvornik (VSI) pa je napajan z enosmernim napetostnim virom nizke notranje impedance. Glede na AC stran ostaja napetost s pomočjo kondenzatorja skoraj konstantna ne glede na obremenitev.

Slika 2.0 Enofazni polmostični napetostni pretvornik

Napetostne regulatorje ločimo na pretvornike s pravokotnim signalom (Square-Wave Inverters) in pretvornike s pulzno-širinsko modulacijo (Pulse-Width Modulated Inverters). Pri relativno širokem razponu izhodne frekvence se mora v smislu doseganja enake moči na elektromotorju prilagajati tudi efektivna vrednost izhodne napetosti. S frekvenco se namreč bistveno spreminja tudi induktivna upornost navitja, ki neposredno vpliva na velikost toka. Pri nižjih frekvencah je nižja tudi induktivna upornost navitja, zato mora biti napetost nižja, da ni tokovne prekoračitve. Nasprotno je potrebno za doseganje ustreznega toka pri višjih frekvencah napetost zvišati zaradi zvišane induktivne upornosti. Ta odvisnost je določena z ustrezno U/f karakteristiko.

Slika 2.1 Dva načina izvedbe vmesnega regulatorja DC napetosti

- 7 -

4. NAČINI DELOVANJA FREKVEN ČNIH PRETVORNIKOV

Frekvenčni pretvorniki so v izvedbah z bipolarnimi tranzistorji, MOSFET-ti, IGBT komponentami ali tiristorji, ki so lahko v posameznih ohišjih ali pa v novejšem času pogosteje v obliki inteligentnih modulov. Sinteza izmenične napetosti je možna s pomočjo PAM oz. PWM moduliranih krmilnih signalov. V tem smislu so značilni sledeči režimi delovanja. PAM - blokovni režim delovanja zahteva relativno enostavno krmiljenje, vendar pa predstavljajo problem izrazite višje harmonske komponente na izhodu. Zato je ta način v uporabi predvsem za male moči bremen, kjer segrevanje zaradi harmonskih komponent ne predstavlja večjega problema. V smislu krmiljenja glede na U/f karakteristiko mora biti usmernik krmiljen, kar pa povzroča frekvenčno odvisnost cosφ na vhodu. Tak način se uporablja pri krmiljenju elektromotorjev za male moči in visoke vrtljaje npr. pri gravirni, zobotehniški in podobnih tehnologijah.

Slika 2.2

- 8 -

4.1 Pretvornik z pravokotnim signalom: V splošnem bi morali na izhodu pretvornika dobiti sinusni signal, vendar temu ni tako zaradi prisotnosti višjih harmonikov. Pretvornik v splošnem opišemo z naslednjimi parametri zmogljivosti: a.) Harmonski faktor n-tega harmonika je merilo prispevka posamezne harmonske komponente k izhodni napetosti. Definiran je kot HFn=Vn/V1 , kjer je Vn srednja vrednost n-te harmonske komponente, V1 pa srednja vrednost izhodne napetosti. b.) Celotno harmonično popačenje (THD) je merilo približevanja dejanske oblike izhodne napetosti proti osnovni obliki. Definirano je kot razmerje med srednjo vrednostjo vseh višjih harmonskih komponent in srednjo vrednostjo osnovnega signala. c) Faktor popačenja (DF) kaže vsebnost višjih harmonikov v signalu izhodne napetosti po drugem slabljenju (deljenje z n2). Faktor popačenja za posamezno višjo harmosko komponento: DFn=Vn/V1n

2

Slika 2.3 Spekter višje harmonskih komponent napetosti pravokotne oblike

4.2 Pulzno širinski (PWM) režim ne potrebuje krmiljenega usmernika, saj je možno z razmerjem impulz/pavza direktno vplivati na povprečno vrednost napetosti na motorju. Pri tem ostane perioda izhodne napetosti hranjena. V tem primeru znaša cosφ na vhodu 1 in je neodvisen od izhodne frekvence. Seveda pa po drugi strani pulzni način prilagajanja napetosti vodi v povečanje stikalnih izgub, ki s frekvenco še naraščajo.

Slika 2.4

- 9 -

Slika 2.5 Pojasnitev blokovnega režima delovanja frekvenčnega pretvornika

4.2.1 Uravnavanje napetosti na enofaznem pretvorniku z uporabo PW PWM V mnogih industrijskih procesih je nujna kontrola izhodne napetosti pretvornikov zaradi:

1. obvladovanja nihanj vhodne enosmerne napetosti 2. napetostne regulacije pretvornikov 3. zahtev po konstantnem V/f razmerju

Za doseganje zgoraj opisanih zahtev poznamo več metod, ki uporabljajo pulzno-širinsko modulacijo:

1. enopulzna širinska modulacija 2. večpulzna širinska modulacija 3. sinusna pulzna širinska modulacija 4. nadgrajena sinusna pulzno širinska modulacija

4.2.1.1 Enopulzna širinska modulacija Enopulzna širinska modulacija vsebuje samo en impulz na polperiodo. Izhodno napetost pretvornika določamo s spreminajnjem širine pulzov. Širino impulza spreminjamo med 0 in 1800.

- 10 -

4.2.1.2 Večpulzna širinska modulacija Vsebnost harmonikov lahko zmanjšamo z uporabo večih pulzov v eni polperiodi. S širinskim krmiljenjem teh kratkih napetostnih impulzov krmilimo efektivno vrednost izmenične napetosti. Če je pulzna frekvenca mnogo večja od frekvence izhodne napetosti, se v izhodni napetosti poleg osnovne harmonske komponente nahajajo samo še višjeharmonske visokega reda n z majhnimi amplitudami Uan.

4.2.1.3 Sinusno modulirani PWM režim Sinusno modulirani PWM režim omogoča, da se tok skozi navitje spreminja kolikor je mogoče po sinusni obliki. Bolj ko je tok sinusne oblike, večji je delež željene osnovne frekvence in manjši je delež neželjenih višjih harmonskih komponent, ki motor dodatno segrevajo in povzročajo motnje. Priprava krmilnih impulzov za sinusno PWM je komplicirana in je največkrat izvedena z mikroprocesorjem oz. je »vzorec« shranjen v spominskem vezju. Več kot je impulzov v periodi, tem manj so zastopane višje harmonske frekvence.

Slika 2.6

Slika 2.7 Poenostavljen prikaz sinteze sinusno modulirane PWM napetosti

- 11 -

4.2.2 Trifazni pretvornik Razsmernik je sestavljen iz šestih polprevodniških stikal, katerim so dodane še prostotečne diode. Polprevodniška stikala morajo omogočati krmiljenje vklopa in izklopa toka skozi ventil. Vsaka razsmerniška veja deluje z 1200 faznim zamikom, medtem ko vsako stikalo prevaja 1800. Medfazna izhodna napetost je pravokotne oblike. V eni periodi se stikalna frekvenca šestkrat spremeni. 4.2.3 Trifazni razsmerniki s pulzno širinsko modulacijo Zgoraj opisani razsmernik ima pregrobo obliko toka (ni sinusen). To lahko izboljšamo tako, da uporabimo eno od metod modulacije izhodne napetosti razsmernika. Najbolj pogosta je metoda pulzno-širinska modulacija. Razsmernik s pulzno-širinsko modulacijo pri svojem delovanju kombinira napetostno in frekvenčno krmiljenje. Napajan je z izvorom konstantne enosmerne napetosti. Prevajalno razmerje se nenehno spreminja, običajno sinusno, kar povzroči približen sinusni potek toka skozi breme. Z višanjem frekvence se tok bliža k popolni sinusni obliki. Frekvence moduliranja so od 500 do 2500 Hz za razsmernike s tiristorji ter nad 10kHz pri tranzistorskih razsmernikih.

Slika 2.8 Oblike tokov motorja pri različnih modulacijskih frekvencah

- 12 -

5. ZAKLJU ČEK V tej seminarski nalogi sva opisala frekvenčne pretvornike, njihovo zgradbo in delovanje. Podrobneje sva opisala pulzno širinsko modulacijo (PWM) ter eno od tehnik delovanja pretvornikov. Ugotovila sva, da ne obstajajo samo pretvorniki napajani iz napetostnega vira (VSI), temveč tudi taki z napajanjem iz tokovnega generatorja (CSI). Nadalje sva ugotovila, da so frekvenčniki vsestransko uporabni, predvsem zaradi svoje hitrosti in preciznosti. Največ težav sva imela pri zbiranju literature, ker je bila vsa v angleščini, pa tudi te ni bilo prav veliko. Veliko težavo sva imela pri prevajanju nekaterih strokovnih izrazov, zato so možna napačna poimenovanja npr. tehnika uravnavanja naboja (charge balancing technique) in podobno. Na splošno pa je bila izdelava seminarske naloge zanimiva, saj sva se naučila precej o načinu regulacije preko frekvence, predvsem z PWM-jem.

Slika 2.9 Čip frekvenčnega pretvornika Slika 3.0 Uporaba frekvenčnikov v energetiki

Slika 3.1 Osciloskop

- 13 -

6. VIRI IN LITERATURA Literatura: http://books.google.com/books?id=V4c6AAAAIAAJ&pg=PA 253&dq=voltage+to+frequency+converter&hl=sl&ei=moOZTa3lLMfbsgbe3sjJCA&sa=X&oi=book _result&ct=result&resnum=2&ved=0CC0Q6AEwAQ#v=onepage&q=voltage%20to%20frequency%20 converter&f=false (str 253-257) http://www.electronics-manufacturers.com/RF_and_microwave_electronics/Freq uency_converters/ http://www.globalspec.com/LearnMore/Data_Acquisitio n_Signal_Conditioning/Signal_Converting/Voltage_to_Frequency_Converters http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/0079 5a.pdf Rastko Fišer: Delitev pretvornikov močnostne elektronike-študijsko gradivo. S.C. Tripathy: Power Electronics; 2008, (14. Poglavje) Slike: http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRmld_PvelLXs0JaJOsR8FjIk2_hOLO6Adl_XnbyFTIqy9-8MS1QA http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSHEpGj1xN09IPy1BbEb9IhEAdIsv6t20oFA4u8JuqDoeHXlnQH http://t3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQ28jKSHxXh2N73Sa-GNW31HnZr_1iTPLjDh7f4bvgphZCsOeqBrw http://t3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSYkwFxR_BsaK8i-abh5lPkTZ-QFzMLxygQYH_dKhsEG7npVs2b http://t3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRj7qJX5VfuwTNfxWMd0nuJH24me6xEzTAy6OVD2DCGme-M7cM-Lw ter skenirane slike iz zgoraj navedenih knjig.