Pulsní usměrňovače Siemens

Pulsní usměrňovače Siemens

Ve výkonové elektronice a regulovaných pohonech se v 90. letech ve světovém měřítku prosazovaly tři hlavní trendy:

• přechod od stejnosměrných regulovaných pohonů ke střídavým (zejména frekvenčně regulovaným) pohonům,

• použití plně řiditelných polovodičových součástek (nyní zejména tranzistorů IGBT) a s tím související přechod na vyšší stupeň řízení měničů – na pulsně šířkové řízení (dále jen PWM),

• osazení mikroprocesorů v regulačních obvodech měničů (které je v současné době v podstatě ukončeno) vedlo k rozsáhlým inovacím a novým řešením v komunikaci mezi měniči a nadřazenými řídicími automaty. Polovodičové měniče jako součásti rozsáhlejších automatizačních celků jsou nyní decentralizovány tak, že množství úkolů, dříve svěřených nadřazeným automatům, je plněno přímo měniči (tzv. směr decentralizace). Vznikají např. inteligentní pohony, které plní i náročné technologické a další úkoly, dříve vyhrazené řídicím počítačům.

1. Úvod
Poskytnutí možnosti všem významným světovým výrobcům pohonů po roce 1989 dovážet své produkty do tehdejšího Československa postavilo do kontrastu moderní měniče, motory, projektová řešení a stávající (nyní již hodně zastaralou) techniku, která byla před tímto rokem charakterizovaná převáž regulovanými stejnosměrnými pohony s řízenými tyristorovými usměrňovači s fázovým řízením. Z vlastní zkušenosti dlouholetého technického pracovníka bývalého předního čs. výrobce pohonů a výkonové elektroniky ČKD Polovodiče dobře vím, jak po všech stránkách zakořeněná (vývoj, výroba, projektování, údržba) byla právě technika regulovaných stejnosměrných pohonů.

Tento příspěvek o pulsních usměrňovačích firmy Siemens volně navazuje na článek Usměrňovače s pulsním řízením, uveřejněný v ELEKTRO č. 2/1998. Ohlas na něj poukázal na velkou společenskou aktuálnost tohoto tématu ve spojení s rekonstrukcí stávajících regulovaných stejnosměrných pohonů, popř. při použití frekvenčních měničů v čtyřkvadrantovém provozu s omezenými zpětnými vlivy na síť. Naproti tomu však ukázal, jak nová problematika (použití tranzistorů IGBT –tedy plně řiditelných součástek, dále PWM usměrňovačů oproti klasickému fázovému řízení, odlišné vlastnosti pulsního klasického usměrňovače) zastihla do jisté míry nepřipravené projektanty a uživatele, kteří neumějí po všech stránkách využít technické i ekonomické výhody pulsních usměrňovačů. V předcházejícím článku jsem se proto soustředil na vysvětlení principu pulsního usměrňovače a jeho základní vlastnosti a souvislost s tradičními řízenými usměrňovači.

Úkolem dnešního článku je představit konkrétní výrobek firmy Siemens, který je v oblasti nn (do 690 V) ve světovém měřítku předním představitelem tohoto moderního směru v usměrňovačích.

2. Použití pulsních usměrňovačů AFE jako součást řady frekvenčních měničů MASTER DRIVES
Řada frekvenčních měničů MASTER DRIVES je nosným programem firmy Siemens v oblasti střídavých pohonů nízkého napětí od roku 1994. Je to vlastně velká stavebnice měničů, jež je přístupná i postupným inovacím. Odrážejí se v ní všechny moderní směry střídavých elektrických pohonů a koncepčně je řešena pro globální trh i pro co neširší použití. Jedním ze základních úkolů technické realizace stavebnice MASTER DRIVES je zvolit vhodný usměrňovač pro vytvoření konstantního stejnosměrného napětí v napěťovém meziobvodu pro napájení jednoho nebo více střídačů s transistory IGBT a PWM.

Projektant může volit z celého rozsahu výkonů (od kilowattů do megawattů) těchto usměrňovačů:

• diodové usměrňovače (tzv. E – EINHEIT),
• tyristorové usměrňovače pro obousměrný přenos energie (tzv. E/R EINHEIT),
• pulsní usměrňovače (AFE – Active Front End) s obousměrným přenosem energie a výrazně lepšími vlastnostmi oproti tyristorovému usměrňovači.

Pulsní usměrňovač (viz podrobné vysvětlení koncepce v ELEKTRO 2/1998) je vlastně napěťový střídač, svou střídavou stanou „přifázovaný“ k síti a připojený stejnosměrnou stranou k filtračnímu kondensátoru a zátěži. V případě MASTER DRIVES je zátěží střídač (nebo více střídačů). Z principu funkce pulsního usměrňovače vyplývají výrazně odlišné vlastnosti tohoto usměrňovače oproti tyristorovému usměrňovači (viz opět ELEKTRO 2/1998):

• pulsní usměrňovač „neumí“ řídit napětí pod určitou hranici, teoreticky pod hodnotu U Ö2(U je hodnota sdruženého napájecího napětí). Pro vytvoření konstantního napětí v stejnosměrném meziobvodu pro střídače PWM to nijak nevadí, jiné je samozřejmě použití pro stejnosměrné motory, popř. další zátěže s regulací výstupního napětí od nuly;

• z principu funkce pulsního usměrňovače (zvyšovací puslní měnič) nejsou problémy se stabilizací výstupního napětí i při mimotolerančních hodnotách napájejícího napětí, krátkodobých poklesech atd. Lze konstatovat, že pulsní usměrňovač je současně výborným stabilizátorem. Z hlediska dosažení reálného pracovního bodu (pro reálné nosné frekvence PWM řízení) mají pulsní usměrňovače Siemens nastavenu hladinu stejnoměrného výstupního napětí o 12 % nad max. hodnotu napájecího sdruženého napětí (jmenovitá hodnota);

• dynamicky je (jak známo) metoda PWM výrazně rychlejší než klasické fázové řízení. U běžného šestipulsního řízeného usměrňovače je doba taktování (mezi komutacemi v ustáleném stavu) 3,3 ms, u pulsního usměrňovače (nosná frekvence několik kilohertzů) řádově kratší (stovky µs);

• pulsní usměrňovač je z principu energeticky dvojsměrný a usměrňovač pracuje se stejným výkonem i jako střídač (což je jeho nejrozšířenější použití: střídač pro frekvenční řízení střídavých motorů). Při střídačovém režimu pulsního usměrňovače (při použití u řady MASTER DRIVES vracení energie ze stejnosměrného meziobvodu do napájecí sítě – generátorický režim regulovaných motorů) z principu neexistuje negativní jev známý ve střídačovém provozu tyristorových usměrňovačů se síťovou komutací – totiž tzv. prohoření invertoru. To je třeba zdůraznit, neboť projektanti a provozovatelé klasických regulovaných stejnosměrných pohonů dovedou tuto přednost náležitě ocenit;

• zcela zásadní jsou vlivy pulsního usměrňovače na napájecí síť (generace harmonických, účiník, zobecnělý účiník, možnost volby cos j₁ v kapacitní nebo indukční oblasti). Stručně lze konstatovat, že dlouho známé, hluboce zažité a v praxi s obrovskými problémy zvládané (kompenzátory, filtračně – kompenzační obvody atd.) zpětné vlivy fázově řízených tyristorových usměrňovačů jsou zásadním způsobem redukovány a pulsní usměrňovač může dokonce (např. při vhodné rezervě v instalovaném výkonu) kompenzovat induktivní jalový výkon jiných spotřebičů (motory, transformátory).

Na závěr o použití pulsních usměrňovačů pro napájení stejnosměrných napěťových meziobvodů střídačů, tak jak je to např. u řady frekvenčních měničů MASTER DRIVES, lze konstatovat: Tato moderní varianta usměrňovače, v současné době dodávaná pro napětí 380 až 690 V, o výkonu 37 až 1 500 kW a ve více než padesáti napěťově-proudových variantách, se využívá tam, kde je třeba zajistit energeticky obousměrné napájení střídačů (např. zdvihací a dopravní zařízení) a vyloučit havarijní stavy při případném prohoření invertoru. Významným „vedlejším produktem“ jsou minimální zpětné vlivy na napájecí síť, zejména možnost nastavit hodnotu cos j 1 pulsního usměrňovače (využít jej i pro kompenzaci). Podrobné technické údaje o pulsních usměrňovačích pro řadu MASTER DRIVES jsou v základním katalogu těchto měničů DA65.10, popř. v dalších materiálech Siemens.

3. Pulsní usměrňovače Siemens pro všeobecné použití
V předcházejícím článku (ELEKTRO 2/1998) byla podrobně vysvětlena základní funkce pulsního usměrňovače. Přestože použití jednotky AFE pro napájení stejnosměrného meziobvodu střídačů MASTER DRIVES je velmi významné a bylo původním záměrem, od začátku bylo zřejmé, že použití pulsních usměrňovačů bude daleko širší. Základní teorie je dlouho známa; moderní frekvenční měniče pro střídavé motory jen urychlily technickou bázi, na které lze pulsní usměrňovače rozvíjet.

Možné směry:

• Pulsní usměrňovač nepřenáší činný výkon a slouží jen ke kompenzaci (generace jalového proudu základní harmonické v kapacitní nebo induktivní oblasti), popř. generuje vyšší harmonické proudy, příp. napětí tak, že vylepšuje tvar odebíraného proudu sítě zatížené nelineárními spotřebiči nebo „dorovnává“ poklesy napětí u výrazných pulsních zátěží (kompenzuje tzv. flicker-efekt, příp. síťové napětí komutační propady). Takto „degenerovaný“ usměrňovač se nazývá aktivní filtr a firma Siemens jej vyrábí jako „odštěpný produkt“ pulsních usměrňovačů AFE z řady MASTER DRIVES pod obchodním názvem SIPCON P a SIPCON S. Firemní literatura (katalog SIPCON), popř. další materiály o aktivních filtrech je možné si vyžádat u Siemens s. r. o. Praha.

• Pulsní usměrňovač tvoří energeticky obousměrné napájení stejnosměrného napěťového obvodu, který slouží pro další měniče, popř. spotřebiče. Nabízí se srovnání např. s měnírnami pro napájení trolejbusových a tramvajových trakčních sítí, popř. stejnoměrné trakce obecně. Z obecných úvah, které o více než dvacet let předstihly technickou realizaci, vyplývá, že přestože jde o dvoustupňovou přeměnu elektrické energie (pulsní usměrňovač – stejnosměrný obvod, měnič pro motor, např. střídač nebo pulsní měnič pro stejnosměrný motor) jsou pro vyspělou výkonovou elektroniku a rozsáhlejší provozy (např. kombinace střídavých a stejnosměrných pohonů) takovéto stejnosměrné sítě velmi efektivní. Navíc pulsní usměrňovač na vstupu těchto stejnosměrných sítí kromě svého energeticky dvousměrného působení samozřejmě může i kompenzovat, popř. filtrovat napájecí síť.

K popsanému využití pulsních usměrňovačů mimo původní určení ještě poznámka o aktuální aplikaci v našich podmínkách  (popř. jiných zemích východní Evropy a SNS). Při úvahách o rekonstrukci stávajících stejnosměrných pohonů (od původních čs. výrobců již nejméně deset let starých) lze využít dvě základní varianty:

• rekonstrukce při zachování stejnosměrných pohonů (většinou zůstávají napájecí soustavy, kabelové rozvody, motory), kdy hlavní investicí je nový polovodičový měnič;

• náhrada stávajících stejnosměrných pohonů střídavými pohony (většinou se zachová pouze napájecí soustava – např. měničové transformátory), kdy většina komponent, včetně frekvenčních měničů, je nová.

1. síťový přívod (380 až 690 V) 2. hlavní stykač s přednabíjecím zařízením 3. síťový filtr definující impedančně funkci střídače na obecné síti 4. napěťový střídač s regulátorem CUSA (třífázový napěťový střídač v můstkovém provedení s IGBT tranzistory 5. ss výstup – připojení k filtračnímu kondenzátoru a spotřebičů

Při cenových rozvahách se ukazuje, že pro menší a střední rekonstrukce je zachování stejnosměrných pohonů s výměnou usměrňovače výrazně levnější variantou (pouze 30 až 50 % střídavé varianty). To není samo o sobě překvapivé. Velmi často se však zapomíná na to, že nový řízený tyristorový usměrňovač s fázovým řízením, koncepčně shodný se starým, bude vyžadovat stejnou kompenzaci, popř. filtraci jako původní a že původní filtračně-kompenzační zařízení, většinou ze stejné doby, dožívá stejně rychle jako měniče stejnosměrných pohonů. Zde jako příklad mohu uvést měniče PLYCOS z bývalého MEZ Postřelmov, které se často používaly a dosud pracují jako filtračně-kompenzační stanice pro regulované stejnosměrné pohony u menších a středních zakázek. Tady se ukazuje jako velmi ekonomická varianta rekonstrukce zachování stejnosměrných pohonů s pulsním usměrňovačem a pulsními měniči pro pohony jednotlivých stejnosměrných motorů (jednokvadrantní nebo čtyřkvadrantní pulsní měniče). Je zde sice použit pulsní usměrňovač jako dražší zařízení oproti klasickému usměrňovači a navíc ještě pulsní měniče pro stejnosměrné motory, ale zcela odpadá náhrada původních filtrů a kompenzátorů, popř. rezervou ve výkonu napájecího pulsního usměrňovače lze kompenzovat další spotřebiče, které původně byly filtrovány a kompenzovány dosluhujícím zařízením.

4. Technické řešení a parametry pulsních usměrňovačů Siemens
Jak již bylo řečeno, jsou pulsní usměrňovače AFE pro napájení stejnosměrného meziobvodu střídačů MASTER DRIVES i pulsní usměrňovače pro jiné použití konstrukčně a ideově začleněny do výrobkové řady frekvenčních měničů MASTER DRIVES. Tomu odpovídají i obecné technické podmínky této řady, uvedené v základním katalogu DA 65.10 a v navazujících propagačních materiálech, popř. v dokumentaci. Principiální schéma pulsního usměrňovače je na obr. 1.

Jelikož jde o velké množství technických údajů, uvedu pouze ty základní: (viz tabulka)

– AFE pro frekvenční měniče MASTER DRIVES:

– AFE pro obecný pulsní usměrňovač (vestavné provedení)

Vestavné provedení je v krytí IP00 a skládá se ze tří dílů (střídač, síťový filtr, tlumivka L2 síťového filtru). Toto provedení lze vestavit do vlastních skříní nebo rozváděčů.

Další důležité technické údaje:
účinnost h = 0,98
nastavení cos j vůči síti: –0,8 až +0,8 (kapacitní až indukční)

Pozn.: Stávající skříňové provedení kompletních frekvenčních měničů do 1 500 kW lze vypuštěním vlastního střídače dodat i jako obecný pulsní usměrňovač.

5. Závěr
Pulsní usměrňovače jsou v současné době jedním z nejdynamičtějších směrů výkonové elektroniky a v našich podmínkách umožňují projektantům navrhnout zajímavá technická, ale i cenově velmi příznivá řešení ve spojení s rekonstrukcí stávajících regulovaných stejnosměrných pohonů s tyristory a s fázovým řízením. Technický popis a kompletní technické údaje jednotky AFE jsou velmi obsáhlé a vymykají se obsahu článku (jen dokumentace – návod k použití má 180 stran), který má vzbudit u technické veřejnosti zájem o popsané moderní a někdy až překvapivě hospodárné řešení. Veškeré technické podklady v němčině, angličtině a částečně i v češtině jsou k dispozici u Siemens s. r. o. Praha, divize elektrické pohony a výkonová elektronika.

Nová adresa: SIEMENS, spol. s r. o.
Evropská 33a
Praha 6
tel.: 02/33 03 3303, 33 03 1111