Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Nový vysokonapěťový měnič frekvence pro regulaci motorů na 6 kV

číslo 8/2006

Nový vysokonapěťový měnič frekvence pro regulaci motorů na 6 kV

Ing. Naděžda Pavelková, ABB s. r. o.

Firma ABB s více než pětatřicetiletými zkušenostmi v oblasti střídavých pohonů vyvinula na základě rostoucích požadavků trhu v oblasti regulovaných pohonů nový typ vysokonapěťového měniče frekvence, který je určen pro elektromotory s napětím 6 až 6,9 kV. Tento měnič nese označení ACS 5000 a pokrývá výkonovou oblast středních a velkých výkonů 1,7 až 24 MW. Je vhodný pro standardní asynchronní a synchronní motory, včetně motorů s permanentními magnety. Díky otáčkové nebo momentové regulaci nachází uplatnění v mnoha nejrůznějších aplikacích (viz tabulka).
Měnič frekvence ACS 5000 v sobě kombinuje několik osvědčených technologií ve zdokonalené podobě, které vyvinula firma ABB. Tím získává vysokou kvalitativní úroveň parametrů, jako jsou účinnost, spolehlivost, provozní vlastnosti a zastavěný prostor. K těmto technologiím patří víceúrovňový napěťový střídač bez tavných pojistek, polovodičové prvky IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor, obousměrně propustný tyristor), DTC (Direct Torque Control, přímé řízení momentu) a funkční výkonové bloky, včetně řízení PEBB (Power Electronic Building Block, blok výkonové elektroniky). Všechny tyto technologie jsou v další části článku stručně popsány s uvedením výhod, které přinášejí.

Tabulka aplikačních oblastí měniče ACS 5000

Aplikační oblast

Zařízení

cementárny, doly, těžba nerostů

drtiče, dopravníky, ventilátory a čerpadla

chemický průmysl, petrochemie, plyn

kompresory, extrudéry, čerpadla

loďařství

lodní šrouby

metalurgie

válcovny, dmychadla vysokých pecí, ventilátory a čerpadla

papírenství a celulóza

ventilátory a čerpadla

výroba elektrické energie

rozběhy plynových turbín, ventilátory kotlů, napáječky

vodní hospodářství, čistírny vod

čerpadla

ostatní

zkušební stolice, větrné tunely

Víceúrovňový napěťový střídač

ABB používá u měničů frekvence princip napěťových střídačů s kondenzátory ve stejnosměrném meziobvodu. Ten umožňuje použití jednoduchých diodových vstupních usměrňovačů s vysokým účiníkem, který je konstantní v celém otáčkovém rozsahu a má hodnoty větší než 0,95. Tím je zaručen účinný a spolehlivý provoz v širokém otáčkovém rozsahu bez momentových rázů; plný moment je k dispozici i v nulových otáčkách. Použité kondenzátory jsou moderní samoopravné fóliové kondenzátory, které nezatěžují životní prostředí. Mají podstatně delší životnost ve srovnání s elektrolyty a také menší náklady během životnosti zařízení. Velkou předností tohoto typu měniče frekvence je návrh optimálního počtu spínaných úrovní – generované výstupní napětí je tedy víceúrovňové (obr. 1).

Obr. 1.

Obr. 1. Víceúrovňové výstupní napětí

Pokud bychom chtěli dosáhnout čistě sinusového napájecího napětí motoru, blížil by se počet spínaných úrovní nekonečnu. Velký počet těchto spínaných úrovní by však vedl ke snížení spolehlivosti a účinnosti, neboť by vyžadoval podstatný nárůst počtu konstrukčních prvků. ACS 5000 však tento problém řeší optimalizovaným počtem spínaných úrovní, který je dostatečný na to, aby mohl být pro napájení z měniče frekvence připojen standardní motor bez speciálních úprav. Současně je u měniče ACS 5000 snížen počet prvků na minimum (obr. 2).

Přímé řízení momentu

Měnič frekvence ACS 5000 používá osvědčený způsob řízení motoru DTC, stejně jako měnič ACS 800 nn a ACS 1000 vn. Sledovanými proměnnými veličinami jsou u tohoto způsobu řízení moment a magnetický tok motoru. DTC zajišťuje přesnou a rychlou regulaci od nuly do maxima otáček, plný moment při optimální přesnosti regulace otáček v celém rozsahu otáček, zanedbatelné zvlnění momentu, minimalizaci ztrát ve střídači. Není přitom nutná otáčková zpětná vazba.

Obr. 2.

Obr. 2. Topologie víceúrovňového střídače s vodním chlazením
Obr. 3. Bloky PEBB
Obr. 4. Vývoj technologie

Další přednosti jsou:

  • překonání výpadku napájení (jednosekundová schopnost překonat výpadek napětí až k nule, tj. 50, popř. 60 period),

  • letmý start a automatický restart (rychlá synchronizace s otáčejícím se motorem a beznárazový návrat na žádané otáčky),

  • kritické otáčky (pásmo kritických otáček je možné s hysterezí přeskočit).

Obr. 3.

Výkonové polovodičové prvky

Prvky IGCT použité v měniči představují nejmodernější polovodičové výkonové spínací prvky, které v sobě kombinují dvě tradiční technologie – rychlost a spolehlivost prvků IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, bipolární tranzistor s izolovaným hradlem) a nízké ztráty tyristorů GTO (Gate Turn Off, vypínaný hradlem). Použitím prvků IGCT se významně snižuje počet součástek a maximálně se zvyšuje účinnost měniče. Není zde použito sériové řazení těchto prvků, což opět zvyšuje spolehlivost zařízení. Celková účinnost měniče, včetně chlazení a pomocných obvodů, přesahuje 98 %. Prvky IGCT jsou zabudovány do funkčních výkonových bloků PEBB, jež obsahují i řízení (obr. 3).

Bloky PEBB nahrazují složité výkonové a řídicí obvody jedním multifunkčním zařízením, a velikost celého měniče se tak zmenší až o 50 % oproti standardním řešením. Je zde koncentrován velmi vysoký výkon na jednotku objemu – měrný výkon je až 1 MV·A·m–3. Tím je míněn kompletní měnič, včetně řízení, chlazení a pomocných obvodů. To je v oblasti vysokonapěťových měničů na trhu nevídané. PEBB obsahuje spolehlivé a vyzkoušené součástky. Výsledkem minimalizace počtu součástek je vysoká spolehlivost a snadná údržba. Byla prodloužena střední doba mezi poruchami a roční využití zařízení je vyšší. Fázové moduly střídače jsou umístěny na lyžinách a připojeny konektory, takže je lze snadno vyjmout. Na obr. 4 je znázorněn přehled vývoje použité technologie a konstrukčních prvků měničů frekvence ABB.

Obr. 4.

Bezpojistkové řešení

ACS 5000 na vstupu měniče nepoužívá klasické síťové tavné pojistky vn. Mnohem rychlejší a bezpečnější ochrana výkonových prvků je realizována polovodičovými prvky IGCT. Malá cívka detekuje poruchu a zareaguje při nadproudu do 25 ; navíc prvky IGCT absorbují všechnu energii způsobenou daným nadproudem. Díky koncepci bezpojistkové ochrany ABB nedochází k následnému poškození dalších zařízení v měniči. Pro srovnání: Při ochraně klasickými pojistkami trvá asi 5 ms, než pojistka vybaví a je přerušen obvod. Během této doby může snadno dojít k tzv. domino efektu a poškození dalších součástek měniče.

Obr. 5. Vodou chlazený ACS 5000
Obr. 6. Vzduchem chlazený ACS 5000
Obr. 7. Vzduchem chlazený ACS 5000 s integrovaným transformátorem
Obr. 8. Měniče frekvence vn

Obr. 5. Obr. 6. Obr. 7.

Vynikající kompatibilita vůči napájecí síti

U měniče ACS 5000 dochází k potlačení harmonických generovaných do sítě v důsledku 36pulsního zapojení vstupního diodového usměrňovače a je zaručeno splnění požadavků všech dotyčných norem IEEE, IEC i EN. Není třeba proto provádět složité výpočty vlivu harmonických na síť a odpadá instalace jakýchkoliv síťových filtrů. Vstupní diodový usměrňovač v 36pulsním zapojení přináší oproti aktivnímu usměrňovači AFE (Active Front End) tyto výhody:

  • větší účinnost (diody produkují méně ztrát v porovnání se spínacími prvky),

  • větší spolehlivost (v důsledku jednoduššího zapojení),

  • úplné galvanické oddělení (odstraňuje se působení souhlasného napětí na motor oproti řešení AFE bez transformátoru),

  • úspora filtrů harmonických (u AFE se vždy používají pro filtraci spínacích harmonických),

  • neexistence problémů s možnou rezonancí mezi filtrem a sítí.

Obr. 8.

Základní technické parametry

Měniče frekvence ACS 5000 se začaly vyrábět před dvěma roky jako vodou chlazené (obr. 5) a nově od dubna t. r. také vzduchem chlazené (obr. 6). Výkonový rozsah vzduchem chlazených měničů je 1,7 až 7 MW a vodou chlazených 5 až 24 MW. Měniče jsou dodávány s externím transformátorem. Podle přání zákazníka jsou vzduchem chlazené měniče pro výkony do 3,7 MW dodávány jak s externím, tak s integrovaným transformátorem (obr. 7).

Závěr

Měnič frekvence ACS 5000 výrazně rozšiřuje nabídku vysokonapěťových měničů frekvence firmy ABB (obr. 8).

Další informace mohou zájemci získat na adrese:

ABB s. r. o.
Sokolovská 84–86, 186 00 Praha 8
tel.: 234 322 110
fax: 243 322 310
e-mail: motors&drives@cz.abb.com
http://www.abb.cz