Současné trendy rozvoje elektrických pohonů napájených z polovodičových měničů

Současné trendy rozvoje elektrických pohonů
napájených z polovodičových měničů

Rozvoj elektrických pohonů a výkonové elektroniky je určován zejména rychlým tempem pokroku ve dvou souvisejících odvětvích: zdokonalování technologie a zlepšování parametrů výkonových polovodičových součástek a zvyšování výkonnosti prostředků mikroprocesorové řídicí techniky. Vývoj v oblasti výkonových polovodičových součástek vede k tvorbě nových zapojení měničů, ke zvýšení jejich spolehlivosti a účinnosti, zmenšování rozměrů a k omezování jejich nepříznivých vlivů z hlediska elektromagnetické kompatibility. Zdokonalování prostředků řídicí techniky je podmínkou pro aplikace nových regulačních struktur a zkvalitňování pohonu z hlediska diagnostiky, vazby na nadřazený řídicí systém a komfortu obsluhy.

Předkládaný článek si klade za cíl postihnout současný stav a rozvojové trendy v oblasti elektrických pohonů a výkonové elektroniky zejména v kontextu s vývojem ve jmenovaných souvisejících technických disciplínách.

1. Krátký pohled do historie

1.1 Pohony se stejnosměrnými motory
Zásadním mezníkem, který byl popudem ke kvalitativním změnám v rozvoji regulovaných elektrických pohonů a k zahájení etapy nahrazování rotačních měničů měniči statickými v elektrických pohonech, bylo zavedení sériové výroby řízených výkonových polovodičových součástek s velkou napěťovou i proudovou zatížitelností – křemíkových tyristorů – v průběhu šedesátých let. Vzhledem ke svým vlastnostem, tj. zejména řízení okamžiku sepnutí prvku bez možnosti vypnutí zásahem v řídicí elektrodě, našel klasický tyristor uplatnění zejména v usměrňovací technice.

Stejnosměrné motory nacházely dominantní uplatnění v regulovaných pohonech již v éře rotačních měničů a rtuťových usměrňovačů, a po sestrojení relativně jednoduchého a provozně nenáročného řízeného tyristorového usměrňovače se jejich postavení v této oblasti dočasně ještě upevnilo. Stejnosměrný elektrický pohon napájený z tyristorového usměrňovače ve své řídicí části využíval analogovou řídicí elektroniku, nejčastěji na bázi operačních zesilovačů. Kromě funkce generátoru řídicích impulsů pro tyristory často zabezpečovala analogová řídicí elektronika u stejnosměrných pohonů s tyristorovými usměrňovači automatické zpětnovazební regulace.

Typická konfigurace regulovaného průmyslového pohonu se stejnosměrným motorem s cizím buzením, jehož kotva je napájena z tyristorového usměrňovače, se využívá v podstatě v nezměněné podobě i nyní – obr. 1. V průmyslových aplikacích se téměř výhradně uplatňuje trojfázový, popř. jednofázový můstkový usměrňovač s fázovým řízením. Tyristorový usměrňovač se používá plně řízený i půlřízený, přičemž část jeho tyristorů je nahrazena diodami a je vyloučen střídačový režim. Často se lze setkat s reverzačními pohony, jejichž motor je napájen z reverzačního usměrňovače, tj. ze dvou antiparalelně řazených usměrňovačů.

Nevýhodou tyristorových usměrňovačů je generování harmonických a odběr jalové energie. Proto je nutné připojovat na vstup pohonů větších výkonů filtračně-kompenzační zařízení.

Popisovaný pohon bývá nejčastěji vybaven zpětnovazební regulací otáček s podřízenou proudovou regulační smyčkou. Při použití stejnosměrného motoru s cizím buzením zabezpečuje podřízená regulační smyčka regulaci momentu a její význam spočívá v omezení rázů momentu a kotvového proudu. Přestože tyristorový usměrňovač je z regulačního hlediska nelineární člen s proměnným dopravním zpožděním, používají se v obou regulačních smyčkách lineární PI regulátory, neboť necitlivost celé regulace vůči změně parametrů soustavy je v tomto případě dosti velká.

Specifickou skupinou stejnosměrných pohonů, které doznaly velkého rozšíření díky tyristorům s dostatečnými parametry zejména v trakční oblasti, jsou aplikace s pulsními měniči. Pulsní měniče mění ve funkci spínače střední hodnotu stejnosměrného napětí a v době, kdy byly k dispozici pouze klasické tyristory, šlo o poměrně složitá zařízení. Složitost byla dána přítomností speciálních tzv. komutačních obvodů, zabezpečujících vypínání hlavního tyristoru. Tyto obvody byly konstruovány na bázi kmitavých obvodů LC a většinou obsahovaly ještě další tzv. zhášecí tyristor, kterým se aktivoval proces vypnutí hlavního tyristoru. Zhášecí obvody zvětšovaly rozměry, zvyšovaly hmotnost zařízení a snižovaly jeho účinnost. Pulsní měniče se používají ve spojení se stejnosměrnými motory s cizím buzením i se sériovými motory. Regulační struktury pohonů s pulsními měniči jsou analogické strukturám používaným u pohonů s usměrňovači, rozdíl je v přenosových vlastnostech akčního členu. Kromě toho se však někdy s výhodou využívá dvouhodnotový regulátor kotvového proudu, jehož výstup přímo ovládá spínací prvky pulsního měniče.

1.2 Pohony s motory na střídavý proud
Přestože v si oblasti střídavých pohonů udržel dominantní postavení neregulovaný pohon, začaly výkonové polovodičové měniče na bázi klasických tyristorů od šedesátých let pronikat i do pohonů s asynchronními a synchronními motory.

Nejjednodušším typem měniče pro asynchronní motory, který je vyráběn mnoha výrobci i v současné době, je střídavý měnič napětí, někdy nazývaný softstartér. Motor je připojen na trojfázovou soustavu, přičemž v každé napájecí fázi je zařazena antiparalelní kombinace tyristorů. Tyto tyristory jsou fázově řízeny, čímž se mění efektivní hodnota napětí na svorkách motoru. U některých typů měničů se vkládá antiparalelní dvojice tyristorů pouze do jedné nebo dvou fází. Přestože je při fázovém řízení do značné míry zatížen proud i napětí harmonickými, je tento měnič díky své jednoduchosti často využíván pro měkké rozběhy asynchronních motorů se sníženým napětím. Nevýhodou tohoto způsobu je skutečnost, že při sníženém napětí se snižuje i moment motoru, a tudíž je tento měnič použitelný jen pro pohony s malým zátěžovým momentem při rozběhu.

S nástupem klasického tyristoru v aplikacích výkonové elektroniky se začala rozvíjet i technika statických střídačů a frekvenčních měničů. Největšího rozšíření doznal nepřímý frekvenční měnič. V tomto případě je vstupní střídavé napětí nejprve usměrněno, nejčastěji diodovým usměrňovačem, poté následuje stejnosměrný meziobvod buď napěťového typu s filtračním kondenzátorem, nebo proudového typu s filtrační tlumivkou a poté je ve střídači formována trojfázová soustava s proměnnou frekvencí a efektivní hodnotou napětí. Vzhledem k nemožnosti vypnout klasický tyristor zásahem do řídicí elektrody musely být střídače s těmito prvky vybavovány vypínacími obvody, obdobně jako pulsní měniče. To pochopitelně zvětšovalo jejich složitost, rozměry, zvyšovalo hmotnost, cenu, snižovalo jejich spolehlivost a účinnost a bylo brzdou hromadného použití frekvenčně řízených pohonů s asynchronními motory. Typů vypínacích obvodů pro střídače bylo vyvinuto a používáno značné množství. Ve velké míře se využívaly střídače se vstupním obvodem proudového typu, neboť se vyznačovaly jednodušší koncepcí vypínacích obvodů.

V době, kdy byly dostupné pouze složité a drahé frekvenční měniče s klasickými tyristory, byly v regulovaných pohonech používány i další typy polovodičových měničů, nejčastěji ve spojení s kroužkovými asynchronními motory.

Pro zpětnovazební regulaci otáček se používala např. metoda, která vycházela ze struktury užívané ve stejnosměrných pohonech, tj. nadřazená regulační smyčka otáček a podřazená regulační smyčka statorového proudu. Akčním členem byl střídavý měnič napětí, přičemž motor měl do rotorového obvodu trvale zařazen přídavný rezistor, čímž se dosáhlo změkčení momentové charakteristiky a otáčky se měnily změnou skluzu.

Jiné řešení využívalo tzv. pulsně řízený odpor v rotorovém obvodu. Šlo o zapojení, kdy trojfázové rotorové napětí bylo vyvedeno přes kroužky a usměrněno diodovým usměrňovačem. Tento usměrňovač byl zatížen přes vyhlazovací tlumivku do paralelní kombinace rezistroru a pulsního měniče. Změnou poměrného sepnutí pulsního měniče se měnil i proud tekoucí rotorem a moment. Otáčky se tedy měnily vlivem změny tvrdosti momentové charakteristiky opět změnou skluzu. Obě jmenované metody měly tu nevýhodu, že šlo o ztrátové řízení.

Dalším řešením pro regulaci otáček kroužkových motorů byla tzv. ventilová kaskáda, která se používala u pohonů větších výkonů. V tomto případě bylo rotorové napětí usměrněno polovodičovým usměrňovačem, jehož výstupní proud byl vyhlazen tlumivkou. Na tento stejnosměrný obvod byl svým výstupem připojen tyristorový usměrňovač pracující ve střídačovém režimu, který do stejnosměrného obvodu vnucoval protinapětí. Na střídavé straně byl tento usměrňovač připojen na síť. Změnou protinapětí se měnil i proud stejnosměrného obvodu a tím i rotorový proud a moment. Motor tedy mohl pracovat s nulovým rotorovým proudem a nulovým momentem i při nenulovém skluzu. Regulační smyčce stejnosměrného proudu byla nadřazena smyčka otáčková, což je opět koncepce vycházející ze stejnosměrných pohonů. Nevýhodou ventilových kaskád byla dosti úzká oblast regulace otáček, obvykle nanejvýš od poloviny jmenovitých otáček do jmenovitých otáček.

Měniče s klasickými tyristory byly využívány i v pohonech se synchronními motory, přičemž šlo o pohony výkonů řádově megawattů. Kromě frekvenčních měničů s vypínacími obvody se u synchronních pohonů často používaly tzv. cyklokonvertory. Jednofázový cyklokonvertor je tvořen antiparalelním zapojením dvou tyristorových usměrňovačů. Tyto usměrňovače se periodicky střídají ve funkci, takže polarita usměrněného napětí se periodicky mění. Trojfázový cyklokonvertor je tvořen třemi jednofázovými cyklokonvertory. Nevýhodou cyklokonvertoru je velké množství použitých tyristorů a malá výstupní frekvence, maximálně do třetiny vstupní frekvence cyklokonvertoru.

V technice pohonů velkých výkonů se synchronními motory našel poměrně velké uplatnění tzv. ventilový pohon. V tomto případě je motor napájen přes nepřímý frekvenční měnič proudového typu. Vstupní usměrňovač je tyristorový a je řízen v proudové smyčce, kterou se reguluje proud ve stejnosměrném meziobvodu a tím i moment motoru. Proudové smyčce je nadřazena opět smyčka otáčková. Střídač je tvořen tyristorovým usměrňovačem, který pracuje ve střídačovém režimu trvale s úhlem fázového řízení blízkým 180° a který je střídavou stranou připojen na motor. Vypínání tyristorů v měniči na straně motoru je zajištěno indukovaným napětím synchronního motoru. Aby byla zabezpečena synchronizace řídicích impulsů tohoto měniče, je nutné vyhodnocovat průběh napětí motoru snímáním tohoto napětí nebo vyhodnocováním polohy rotoru. Nevýhodou ventilového pohonu je nemožnost rozběhu z nulových otáček, což bylo třeba řešit pomocnými technickými opatřeními.

2. Výkonové polovodičové součástky
Jak již bylo uvedeno, součástkou, která zahájila novou éru regulovaných pohonů, byl výkonový tyristor. Tyto prvky se dodnes využívají zejména v řízených usměrňovačích a střídavých měničích napětí. Jsou k dispozici pro proudy řádově kiloampérů a napětí řádově kilovoltů.

Další hojně využívanou součástkou je výkonová dioda. Byla používána v usměrňovací technice již od padesátých let. Výkonové diody byly nejprve germaniové, poté křemíkové. Nyní jsou k dispozici výkonové diody s napěťovými a proudovými hladinami obdobnými jako tyristory.

Nemožnost řízeného vypnutí tyristoru a možnost práce pouze při frekvencích do stovek hertzů byly okolnosti, které nutily výrobce výkonových součástek k vývoji nových prvků, nejčastěji na bázi tranzistoru. Zejména ve střídačích a pulsních měničích se začaly využívat výkonové bipolární tranzistory ve spínacím režimu pro proudy řádově stovek ampérů a napětí do 1 000 V. Kromě možnosti řídit vypnutí a pracovat při frekvencích do 20 kHz se však vyznačovaly malým proudovým činitelem zesílení (přibližně 10 až 20), což vyžadovalo složité řešení řídicích obvodů.

Tato nevýhoda byla odstraněna vývojem výkonového polem řízeného tranzistoru (FET). Značnou nevýhodou obou těchto součástek však byla možnost mnohem nižšího proudového a napěťového namáhání oproti tyristoru. Ve výkonových měničích menších výkonů (přibližně do 100 A a do 1 000 V) jsou však výkonové FET hojně využívány a pro tuto oblast se jeví jako nejperspektivnější součástka i do budoucna.

Pro měniče, kde je nutné použít vypínatelné prvky s parametry srovnatelnými nebo jen o málo nižšími ve srovnání s klasickým tyristorem, byly vyvinuty tyristory označované GTO, které je možné vypnout zásahem do řídicí elektrody. Nevýhodou těchto prvků je nutnost realizovat značně velký záporný vypínací puls do řídicí elektrody (přibližně třetina velikosti vypínaného proudu). To velmi komplikuje řídicí obvody těchto tyristorů. Frekvenční vlastnosti GTO jsou obdobné jako u klasických tyristorů. Součástky GTO dovolily značně zjednodušit konstrukci střídačů a pulsních měničů a používají se i nyní. V budoucnosti však lze očekávat, že budou vytlačovány modernějšími prvky.

V současné době je ve výkonových měničích jednoznačně nejpoužívanějším prvkem IGBT – bipolární tranzistor s izolovanou řídicí elektrodou. Jde o složitou polovodičovou strukturu, která v principu pracuje jako kaskádní zapojení bipolárního a unipolárního tranzistoru. Koncový stupeň tvořený bipolárním tranzistorem je buzen unipolárním tranzistorem, přičemž energie pro řídicí elektrodu koncového tranzistoru je odebírána přímo z výkonového obvodu. IGBT již jednoznačně ovládl oblast střídačů pro nízké napětí, ale vlivem neustále se zvyšujících parametrů těchto prvků se rychle rozšiřuje pole jejich využití v i měničích pro napětí nad 1 000 V (např. běžně v trakčních pohonech vozidel MHD, ale i v trakčních pohonech drážních vozidel s napětím 3 000 V). Pro výborné frekvenční vlastnosti IGBT a díky neustálému vývoji směřujícímu ke zvyšování proudových a napěťových hladin lze nyní tento prvek považovat pro výkonovou elektroniku za nejperspektivnější.

Ve snaze odstranit nevýhody GTO byl vyvinut a v poslední době se v sériově vyráběných měničích začal používat nový prvek IGCT – tyristor řízený integrovanou řídicí elektrodou. Je to v podstatě GTO s integrovanými obvody řídicí elektrody, přičemž energie pro zapínání a zejména pro vypínání prvku je odebírána z výkonového obvodu a součástka je navenek řízena pouze napěťovými pulsy. Rovněž se oproti GTO zlepšily frekvenční vlastnosti a mezní spínací frekvence těchto prvků se pohybuje okolo 1 kHz. Nakolik se tato součástka uplatní a rozšíří, ukáže budoucnost, ale nelze pravděpodobně očekávat, že IGCT ohrozí ve výkonových měničích dominantní postavení IGBT.

3. Současné trendy v oblasti pohonů s komutátorovými stroji
Ještě v nedávné době, kdy byl zaznamenán radikální pokles cen výkonových elektronických měničů, se předpokládalo, že levný, spolehlivý a jednoduchý asynchronní motor s frekvenčním řízením do značné míry vytlačí z mnoha aplikací složitější komutátorové stroje. V současné době se však ceny v odvětví výkonové elektroniky dosti stabilizovaly a v mnoha případech je ekonomicky výhodnější použít komutátorový stroj bez zpětnovazební regulace, s měničem na bázi klasických tyristorů či s pulsními měniči, než asynchronní motor s frekvenčním měničem. To v některých oblastech stabilizovalo postavení pohonů se stejnosměrnými i střídavými komutátorovými stroji.

3.1 Současnost a perspektivy stejnosměrných pohonů
Éra hromadného zavádění frekvenčně řízených asynchronních motorů zahájila radikální ústup regulovaných stejnosměrných pohonů v průmyslových a do značné míry i v trakčních aplikacích. I přesto však zůstává v průmyslu v provozu množství stejnosměrných hnacích jednotek a rozhodně nelze v blízké době očekávat jejich nahrazení střídavými pohony. Řada renomovaných výrobců dodává pro tuto oblast výkonové měniče. Současná podoba stejnosměrného pohonu zachovává strukturu znázorněnou na obr. 1. Usměrňovače jsou však vybavovány mikroprocesorovým regulátorem, čímž se dosahuje značného komfortu obsluhy, je zabezpečena velká variabilita použití měniče a samozřejmostí je možnost připojit tato zařízení na nadřazený řídicí systém či možnost součinnosti několika zařízení téhož typu.

Na rozdíl od průmyslových aplikací existuje mnoho oblastí, kde si dominantní postavení zachovává stejnosměrný pohon. Velké množství stejnosměrných motorů s permanentními magnety pro regulované i neregulované pohony menších výkonů nachází uplatnění v automobilovém průmyslu, v menších dopravních zařízeních a mnohdy i v domácích spotřebičích (např. pohony praček). Pro svou jednoduchost se stejnosměrný pohon často uplatňuje v zařízeních napájených z akumulátorů, kdy se pro řízení využívá pulsní měnič osazený vypínatelným prvkem, nejčastěji FET. V pulsních měničích pro větší pohony, nejčastěji trakční, se nyní využívají pouze vypínatelné prvky IGBT či GTO.

3.2 Pohony s jednofázovými komutátorovými motory
S těmito pohony se lze nejčastěji setkat v domácích spotřebičích.  Co se týče pohonů s proměnnými otáčkami, ve většině případů se k řízení využívá střídavý měnič napětí tvořený antiparalelní kombinací tyristorů či triakem s fázovým řízením. Tyto pohony jsou převážně vybavovány jednoduchými analogovými řídicími obvody bez zpětnovazební regulace.

4. Současný stav a hlavní směry rozvoje pohonů s asynchronními motory

4.1 Regulované pohony bez frekvenčního řízení
V současné době se kromě frekvenčních měničů v pohonech s asynchronními motory ve větší míře využívá pouze střídavý měnič napětí – softstartér. Tento typ měniče je dodáván množstvím výrobců a je určen pro měkké rozběhy se sníženým napětím při malých momentech zátěže. Stejně jako moderní tyristorové usměrňovače jsou nyní tyto měniče vybavovány mikroprocesorovým řídicím systémem s vysokým komfortem obsluhy, velkou variabilitou použití a možností připojení na nadřazený řídicí systém. Přestože se stále více využívá frekvenční řízení, lze očekávat, že díky příznivější ceně budou tyto měniče v určitém spektru aplikací využívány i v budoucnosti.

4.2 Standardní pohony s frekvenčně řízenými asynchronními motory
Frekvenčně řízený pohon s asynchronním motorem dosáhl v oblasti průmyslových pohonů v současné době jednoznačně dominantního postavení. Rovněž v oblasti trakčních pohonů je velmi rozšířen a jeho použití je možné zaznamenat i v mnoha dalších aplikacích. Tato pohonná jednotka ve většině případů vyhovuje náročným požadavkům na kvalitu regulace, dynamiku, robustnost, nenáročnost na údržbu, diagnostiku a v neposlední řadě jde o cenově dostupné zařízení. Zároveň lze v této oblasti sledovat rychlý technický pokrok a velkou dynamiku rozvoje.

U současných běžných frekvenčních měničů se ustálilo jednotné řešení výkonového obvodu. Standardně je použita koncepce nepřímého měniče frekvence se stejnosměrným napěťovým meziobvodem. Vstupní usměrňovač je diodový, můstkový, jednofázový nebo trojfázový. Pro měniče menších výkonů výrobce často nabízí verzi pro jednofázové i trojfázové napájení. Při použití neřízeného diodového vstupního usměrňovače není možné do sítě vracet energii, nachází-li se pohon v oblasti generátorového brzdění. Frekvenční měniče téměř vždy umožňují nastavit režim brzdění motoru stejnosměrným proudem. Kromě toho, je-li vyžadována možnost brzdění s velkými výkony po delší dobu, nabízí výrobce velmi často možnost doplnit brzdné jednotky s brzdným rezistorem. Toto je řešení, kdy je paralelně k filtračnímu kondenzátoru ve stejnosměrném meziobvodu pulsním měničem připínán brzdný rezistor tak, aby napětí v meziobvodu nepřekročilo nastavenou mezní hodnotu. Při generátorovém brzdění se činná energie motoru maří v brzdném rezistoru a jalová energie se vyměňuje mezi motorem a kondenzátorem ve stejnosměrném meziobvodu.

Ve frekvenčních měničích se používá výhradně trojfázový můstkový střídač, výkonové spínače jsou realizovány pomocí IGBT. Celkové zapojení silové části je na obr. 2.

Výstupní trojfázové napětí střídače je formováno pomocí šířkově pulsní modulace. Šířkově pulsní modulace umožňuje realizovat téměř spojitou změnu frekvence a efektivní hodnoty první harmonické výstupního napětí. Modulační frekvence je použitím IGBT dosti vysoká a u měničů bývá nastavitelná plynule nebo v několika stupních zpravidla v rozmezí 2 až 16 kHz. Díky poměrně vysoké modulační frekvenci je průběh proudu, který je filtrován indukčnostmi motoru, přibližně sinusový.

Při frekvenčním řízení asynchronního motoru je snahou přiblížit vlastnosti asynchronního pohonu vlastnostem stejnosměrného motoru s cizím buzením. Chod motoru se tedy omezuje pouze na stabilní části mechanických charakteristik asynchronního motoru. Je vyvíjena snaha o to, aby momentové charakteristiky motoru při různých frekvencích statorového napětí byly rovnoběžné, tj. aby byla zachována jejich tvrdost. Toho je možné dosáhnout pouze v případě, kdy se kromě statorové frekvence mění i statorové napětí tak, aby byl zachován konstantní spřažený magnetický tok motoru. U většiny frekvenčně řízených pohonů není použita zpětnovazební regulace a řízení se uskutečňuje bez stabilizace otáček, přičemž napětí se mění s frekvencí podle pevně zadané, přibližně přímkové závislosti tak, aby byl zachován stálý magnetický tok statoru. Tato řídicí metoda v popisovaných pohonech převažuje a bývá označována U/f = konstanta.

Je-li nutné pracovat v oblastech nad jmenovitou frekvencí, při které je hodnota statorového napětí rovna hodnotě jmenovité, a tudíž nejvyšší dosažitelné, nastává tzv. odbuzování, kdy statorové napětí zůstává konstantní a mění se pouze frekvence. Tento režim vlastně představuje relativní pokles napětí vůči statorové frekvenci a v důsledku toho klesá moment zvratu s rostoucí frekvencí s druhou mocninou. Skluz zvratu však zůstává konstantní, a tudíž klesá tvrdost mechanických charakteristik.

Postup ovládání a diagnostiky frekvenčních měničů je v podstatě ustálený a uskutečňuje se pomocí sady parametrů. Důsledkem toho je velká variabilita použití daného měniče. Diagnostika pohonu zahrnuje možnost zobrazovat provozní údaje a rovněž rozsáhlý soubor softwarových i obvodových ochran motoru i měniče před přetížením a zničením.

Ovládání měniče obvykle konfiguruje uživatel. Měniče umožňují ovládání buď z vestavěného terminálu, nebo externími signály, popř. přes průmyslovou sběrnici.

Frekvenční měniče pro nízké napětí dodává velké množství výrobců. Obvodové řešení je velmi ustálené, odlišnosti lze očekávat spíše v konstrukčním provedení a programovém vybavení, kterým je určena zejména variabilita použití, komfort obsluhy a diagnostické možnosti.

4.3 Problematika vysokonapěťových frekvenčně řízených pohonů
Díky zdokonalování technologie polovodičových prvků pro měniče velkých výkonů s napětími nad 1 000 V – zejména prvků GTO, IGBT a IGCT – se ve velké míře začíná uplatňovat frekvenčně řízený pohon s asynchronním motorem i v této oblasti. Přesto se však u měničů pro napětí nad 1 000 V vyskytují určitá specifika. Z hlediska zákazníka je nepříznivá především jejich vysoká cena. Tato skutečnost vede k zjištění, že vysokonapěťový frekvenční měnič je efektivní použít až pro pohony s výkony nad 1 MW. Zatímco dříve se běžně využívaly vysokonapěťové pohony s výkony řádově stovek kilowattů, při použití frekvenčně řízeného pohonu o tomto výkonu je cenově podstatně příznivější využít nízkonapěťový měnič pro velké proudy.

Rozšíření frekvenčních měničů v oblasti nad 3 000 V však bránily i technické problémy se sériovým řazením prvků GTO a IGBT. Současně se zvyšováním napěťové zatížitelnosti součástek se hledají cesty, jak toto sériové řazení obejít.

Východiskem se jeví upravit zapojení střídače. Jednou z možností je sériové zapojení dvou střídačů podle obr. 3. Toto zapojení se využívá v některých trakčních pohonech. Každý ze střídačů napájí jedno statorové vinutí speciálního motoru s dvojím vinutím. Nevýhodou tohoto řešení je nemožnost použít motor běžné konstrukce.

Zapojení, které uvedený nedostatek odstraňuje, se nazývá vícehladinový střídač. Standardní zapojení střídače podle obr. 2 má v jedné větvi dva polovodičové prvky a okamžitá hodnota napětí na výstupní fázi může nabývat tří hodnot – kladné či záporné napětí dané velikostí vstupního stejnosměrného napětí nebo nula. Vícehladinový střídač je napájen z kapacitního děliče. Je tvořen opět třemi větvemi s polovodičovými prvky, avšak struktura větve je složitější, podle obr. 4.

V tomto případě může nabývat napětí na výstupní fázi pěti hladin. Kromě úrovní shodných s úrovněmi na výstupu fáze střídače podle obr. 2 se přidává ještě kladné a záporné napětí, jehož velikost je poloviční oproti hodnotě vstupního stejnosměrného napětí. Mimo menší napěťové namáhání prvků vícehladinového střídače je přínosem i vyšší počet hladin napětí, což dovoluje realizovat lepší modulování průběhu na výstupu střídače.

Vícehladinové střídače se konstruují i s větším počtem hladin, kdy je např. kapacitní dělič tvořen čtyřmi kondenzátory a v jedné větvi je osm výkonových prvků.

Popisované vysokonapěťové pohony s frekvenčně řízenými asynchronními motory začínají stále více vytlačovat vysokovýkonné pohony se synchronními motory.

4.4 Efektivní řešení kompatibility měniče se sítí
Většina používaných frekvenčních měničů je koncipována jako výkonový obvod podle obr. 2. Při provozu je měnič zdrojem rušení na straně sítě, na straně motoru i rušení v podobě elektromagnetických vln. Příčinou posledních dvou jmenovaných typů rušení je zejména šířkově pulsní modulace. Tyto jevy se minimalizují zejména připojováním LC filtrů a používáním stíněných vodičů.

Nepříznivé vlivy na vstupní straně jsou dány především tvarem proudu, který odebírá diodový vstupní usměrňovač napájející zátěž s velkou kapacitní složkou. V tomto případě se filtrace opět řeší pomocí LC filtrů.

Jinou možností je náhrada diodového usměrňovače tzv. čtyřkvadrantovým měničem, někdy označovaným také pojmem kompatibilní usměrňovač. Je to v podstatě střídač pracující se šířkově pulsní modulací převážně v usměrňovačovém režimu. Výhodou tohoto měniče je nejen možnost vracet energii do sítě, ale zejména velké omezení jalového výkonu tohoto usměrňovače a velmi příznivý průběh proudu, který je odebírán ze sítě. Proud odebíraný ze sítě je totiž díky šířkově pulsní modulaci jen velmi málo zatížen harmonickými. Cena frekvenčního měniče se zmiňovaným vstupním usměrňovačem je však podstatně vyšší než cena měniče se vstupním diodovým usměrňovačem.

4.5 Nové směry na cestě k minimalizaci rozměrů frekvenčních měničů
Zmenšování rozměrů frekvenčních měničů je podmíněno minimalizací obvodů řídicí elektroniky, ale zejména zmenšováním a integrací výkonových polovodičových prvků. Výkonová část měničů pro nízké napětí je standardně tvořena jedním integrovaným modulem, který obsahuje vstupní usměrňovač, střídač a budicí a ochranné obvody střídače s IGBT. Rozměry těchto modulů se stále zmenšují, avšak mnohdy i za cenu snižování napěťové a proudové rezervy měniče.

Minimalizace rozměrů dovolila u pohonů do výkonu přibližně 2 kW integrovat měnič do zvětšené svorkovnice motoru. Tato zařízení jsou již na trhu běžně dostupná.

Zcela nový směr v koncepci frekvenčních měničů představují tzv. maticové měniče. Jsou to přímé frekvenční měniče, kde je výstupní napětí formováno šířkově pulsní modulací tak, že průběh výstupního napětí je skládán z úseků napětí vstupního. Principiální schéma maticového měniče je na obr. 5.

Problémem u maticových měničů je realizace zdárné komutace, tj. převod vedení proudu z jednoho spínače na druhý tak, aby nebyly zkratovány vstupní přívody a zároveň nebylo přerušeno vedení proudu zátěže.

Nelze očekávat, že by byly nepřímé frekvenční měniče zásadním způsobem vytlačeny maticovými měniči, jejichž nespornou předností je absence rozměrného filtračního kondenzátoru ve stejnosměrném meziobvodu. To umožňuje výrazně zmenšit rozměry a dává dobré předpoklady pro využití u měničů integrovaných ve svorkovnici motoru. Další předností je odběr síťového proudu s minimálním obsahem harmonických s téměř jednotkovým účiníkem.

4.6 Zpětnovazební regulační struktury pro pohony s asynchronními motory
Pro dynamicky náročné pohony s asynchronními motory s vysokými požadavky na přesnost regulace byla vyvinuta řada regulačních struktur. V současné době se pro vysoce kvalitní regulaci momentu používají v podstatě dva principy.

První, historicky starší a častěji používaná metoda je označována názvem vektorové řízení. Rozšíření této metody, jež je známa od sedmdesátých let, do běžné pohonářské praxe bylo umožněno až výkonnou mikroprocesorovou řídicí technikou.

Principy vektorového řízení byly mnohokrát publikovány, a proto zde budou popsány jen ve stručnosti. V nejhrubším přiblížení lze říci, že má-li se zabezpečit oddělené řízení spřaženého magnetického toku motoru a jeho momentu, je nutné odděleně řídit činnou neboli momentotvornou a jalovou neboli tokotvornou složku statorového proudu. Jalová složka je svázána s magnetickým tokem, činná složka s momentem. Spolehlivé nastavení nejen obou složek proudu, ale i spřaženého magnetického toku na požadovanou hodnotu zabezpečí zpětnovazební regulace, která vyžaduje zjišťování skutečných hodnot velikosti a polohy magnetického toku a obou složek proudu. Ty musí být měřeny a vypočítávány v reálném čase a pro jejich zjištění je nutné znát velikost magnetického toku a úhel, který svírá jeho vektor s vektorem proudu. Skutečné hodnoty regulovaných veličin se zjišťují výpočtem soustavy diferenčních rovnic, které představují matematický model asynchronního stroje, v reálném čase. Vstupními hodnotami výpočtu jsou změřené hodnoty (nejčastěji) elektrických veličin stroje. Při regulaci momentu se odděleně reguluje momentotvorná a magnetizační složka statorového proudu lineárními regulátory.

Měnič s vektorovým řízením je možné provozovat zpravidla buď pouze s regulací momentu, což je v podstatě analogie provozu stejnosměrného motoru s cizím buzením s proudovou regulační smyčkou, nebo s nadřazenou regulací otáček.

Velmi dobré dynamické vlastnosti pohonu s asynchronním motorem a s vektorovým řízením vedly mnoho výrobců k využití tohoto principu v servosystémech. Regulaci rychlosti je v tomto případě nadřazena zpětnovazební regulační smyčka polohy, a asynchronní motor s frekvenčním měničem se tím stává akčním členem v zařízeních, kde je třeba zabezpečovat nejrůznější sekvence pohybů po definovaných trajektoriích.

Vektorové řízení je založeno na lineárních regulacích vnitřních veličin asynchronního stroje a výpočtu jeho matematického modelu v reálném čase. Nevýhodou tohoto postupu je závislost kvality regulace na parametrech motoru. Při chodu motoru se mění sycení magnetického obvodu, a tudíž se mění i hodnota magnetizační indukčnosti. Citelná je však zejména změna rotorového odporu vlivem proměnného zatížení motoru. Zároveň je chování celé soustavy měnič – motor – zátěžné zařízení ovlivněno nastavením parametrů regulátorů. Zmíněné nedostatky v principu odstraňuje dvouhodnotová regulace.

Dvouhodnotové regulace bylo využito v tzv. přímém řízení momentu asynchronního motoru, označovaném také někdy, zejména v německé literatuře, DSR. Tento způsob tvoří úzkou vazbu mezi regulací momentu a toku a generováním spínacích pulsů pro tranzistory střídače. Principy metody zde budou uvedeny jen zkráceně.

Při formování výstupního napětí střídače nabývá vektor statorového napětí pouze sedmi diskrétních poloh, přičemž šest poloh je dáno vrcholy šestiúhelníku a sedmá poloha je jeho středem. Střed šestiúhelníku odpovídá stavu, kdy jsou svorky motoru střídačem zkratovány. Uvažujeme-li tzv. obdélníkové řízení, tedy režim, kdy vektor napětí směruje do každého z vrcholů šestiúhelníku šestinu periody výstupního napětí, mění se pouze frekvence, nikoliv však efektivní hodnota výstupního napětí, a jde vlastně o řízení odbuzováním. Budou-li v tomto režimu ve sledovaném časovém intervalu konstantní otáčky motoru, změní se magnetizační proud a tím i spřažený magnetický tok motoru v závislosti na rychlosti přepínání jednotlivých stavů střídače, tj. v závislosti na frekvenci statorového napětí. Tento princip lze uplatnit v oblastech, kde s dostatečnou přesností platí, že spřažený magnetický tok je integrálem svorkového napětí motoru, tzn. nejde o oblast nízkých otáček. Metoda DSR využívá kombinaci právě popsaného řízení toku s dvouhodnotovou regulací momentu tak, že v dané šestině periody výstupního napětí je střídán stav, kdy jsou svorky motoru připojeny ke stejnosměrnému meziobvodu takovým způsobem, jak by odpovídalo obdélníkovému řízení, se stavem, kdy jsou svorky motoru střídačem zkratovány. O tom, který ze dvou jmenovaných stavů je nastaven, rozhoduje výstup dvouhodnotového regulátoru momentu – je-li skutečná hodnota momentu vyšší než žádaná, jsou svorky motoru zkratovány.

Nevýhodou přímého řízení momentu je nemožnost regulace při nízkých otáčkách. Pro rozběh asynchronního motoru se proto musejí uplatňovat postupy vycházející z vektorového řízení. Další nevýhodou je dosti široké spektrum harmonických složek proudu.

V současné době jsou rozvíjeny jak metody vektorového řízení, tak i metody vycházející z přímého řízení momentu. Vhodnost dané metody závisí na konkrétní aplikaci, ale často jsou pro daný účel velmi dobře použitelné oba způsoby. Co se týče velkosériově dodávaných měničů, přímé řízení momentu zatím nedosáhlo zdaleka tak velkého rozšíření jako vektorové řízení.

4.7 Zvyšování inteligence elektrického pohonu
Regulované pohony s asynchronními motory jsou oblastí, v níž se výrazně uplatňují nové metody automatického řízení. Vektorové řízení je založeno na lineárních regulacích a výpočtu přesného matematického modelu stroje v reálném čase. Ve spojení s touto strukturou se proto rychle rozvíjejí metody automatické identifikace parametrů pohonu s následnou samooptimalizací a adaptací parametrů regulátorů. Kromě zdokonalování výpočtů modelu vycházejícího z diferenciálních rovnic se vyvíjejí modely na principu neuronových sítí. Přesně pracující matematický model poskytuje z naměřených hodnot proudů a napětí i hodnotu otáček. Tato hodnota skutečných otáček se u moderních měničů využívá ke zpětnovazební regulaci otáček, při které tudíž není třeba čidlo otáček.

Přímé řízení momentu je nelineární regulací. Tato metoda je dále rozpracovávána tak, že často využívá při regulaci toku i moment principů fuzzy řízení. Přednosti fuzzy řízení aplikovaného na přímé řízení momentu vynikají zvláště ve spojení s vícehladinovými střídači.

5. Pohony pro průmyslovou automatizaci a robotiku

Rozvoj výkonových polovodičových měničů znamenal zásadní zvrat i v technice elektrických servopohonů. V době, kdy byly polovodičové měniče stavěny na bázi klasických tyristorů, se nejvíce rozšířily servopohony se stejnosměrnými motory s permanetními magnety napájené z řízených usměrňovačů či pulsních měničů. Při regulaci polohy šlo o klasickou kaskádní regulaci, kdy regulační struktuře podle obr. 1 byla nadřazena ještě polohová smyčka. Tyto pohony, nejčastěji napájené z pulsních měničů, se využívají i v současné době, avšak je patrný jejich ústup v důsledku stále širšího využívání pohonů s bezkomutátorovými motory.

Velkého rozšíření v technice servopohonů doznaly krokové motory. Tyto pohony vynikají relativní jednoduchostí motoru i polovodičového napáječe a dodnes jsou využívány až do výkonů řádu kilowattů. Jejich nevýhodou je však provoz bez zpětné kontroly vykonané trajektorie pohybu a nepříznivý průběh momentové charakteristiky. Proto si tyto pohony uchovávají dominantní postavení v oblastech výkonů do přibližně 100 W a pro vyšší výkony se stále více využívají jiná řešení.

Uplatnění v servotechnice v aplikacích především s výkony nad 10 kW našel i asynchronní motor s frekvenčním řízením, jak bylo uvedeno v předchozích odstavcích.

5.1 Servopohony se synchronními motory s permanentními magnety
Ve srovnání s asynchronním a stejnosměrným motorem má synchronní motor s permanentními magnety při srovnatelném jmenovitém momentu podstatně menší rozměry, hmotnost a moment setrvačnosti a zároveň vyšší momentovou přetížitelnost. To jej předurčuje pro dynamicky náročné aplikace. Zároveň je však třeba upozornit na nižší účinnost, větší složitost a vyšší materiálové náklady při výrobě rotoru, což má za následek vyšší cenu oproti asynchronnímu motoru s kotvou nakrátko. Synchronní servomotory jsou zpravidla dodávány pro jmenovité výkony od stovek wattů do maximálně 10 kW. Momentové charakteristiky frekvenčně řízených pohonů jsou podobné charakteristikám stejnosměrných strojů s cizím buzením. Proto jsou popisované servopohony často dodávány i pod označením stejnosměrné elektronicky komutované motory.

Řešení výkonové části napáječe servopohonu je identické s běžnými frekvenčními měniči pro asynchronní motory. Ze sítě je napájen přes diodový usměrňovač stejnosměrný napěťový meziobvod s vyhlazovacím kondenzátorem. Výstupní trojfázová soustava napětí s proměnnou frekvencí a efektivní hodnotou je formována ve střídači s IGBT pomocí šířkově pulsní modulace. Při vykonávání trajektorií pohon často pracuje v režimu generátorového brzdění. Proto je v meziobvodu vždy zapojena brzdná jednotka s brzdným rezistorem.

Řídicí struktura servopohonu se synchronním motorem má několik úrovní. Nejnižší úrovní je regulace proudu a realizace šířkově pulsní modulace. Tyto úlohy jsou náročné na rychlost regulace a v některých měničích jsou vykonávány analogovou řídicí elektronikou.

Struktura regulace momentu je odvozena z principů vektorového řízení. V převážné části rozsahu otáček je motor řízen tak, aby vyvíjel maximální moment, tzn. fázory magnetického toku ĆF a statorového proudu I₁ jsou na sebe kolmé. Při tomto režimu regulace je moment motoru úměrný součinu magnetického toku ĆF a statorového proudu I₁. Za předpokladu konstantního toku ĆF je velikost momentu dána velikostí proudu I₁.

Žádanou hodnotu úhlu natočení, popř. otáček zadává generátor trajektorie. Tento blok vypočítává průběh okamžité žádané polohy a rychlosti při vykonávání pohybu z výchozí do cílové polohy na základě uživatelsky zadaných parametrů trajektorie.

Generátoru trajektorie je u většiny napáječů pro synchronní servopohony nadřazen uživatelský program, neboť tyto napáječe zpravidla vykonávají i funkci programovatelného řídicího automatu (PLC). Proto bývají napáječe vybaveny i programovatelnými logickými a analogovými vstupy a výstupy. Uživatelský program realizuje s velkou variabilitou spouštění pracovních cyklů servopohonu, definuje parametry trajektorie pohybu a obsluhuje vstupy a výstupy. Využitím uživatelského programu lze zpravidla částečně měnit i strukturu regulace, zejména v souvislosti s volbou provozu pohonu v režimu regulace polohy, otáček či momentu. Komunikace s okolními zařízeními je zabezpečena buď pomocí zmiňovaných analogových a logických vstupních a výstupních signálů, nebo prostřednictvím standardní průmyslové sběrnice.

Pohony se synchronními motory s permanentními magnety se stávají v oblasti výkonů od stovek wattů do desítek kilowattů dominantním řešením v servotechnice, jsou běžně dodávány mnoha výrobci a nahrazují pohony s krokovými motory a stejnosměrnými servomotory.

Pro oblasti výkonů do přibližně 100 W se ve většině aplikací jeví výhodnější krokové motory, pro výkony od řádově desítek kilowattů se nejčastěji používají asynchronní servopohony.

Určitým konkurentem synchronního motoru s permanentními magnety se může díky jednodušší stavbě rotoru stát reluktanční motor.

Velmi zajímavým technickým řešením, které nyní výrobci začínají nabízet, je lineární pohon vycházející z principu popisovaných synchronních servopohonů. V současné době je cena lineárního pohonu dosti vysoká, avšak vzhledem ke zvyšující se nabídce lze v určité oblasti aplikací očekávat uplatnění tohoto řešení.

6. Závěr
Informace uvedené v předloženém článku vycházejí ze současného pohledu na techniku pohonů. Jde o oblast, která se velmi rychle a dynamicky vyvíjí. Na závěr shrňme několik bodů, které naznačují trendy určující směr vývoje regulovaných pohonů s polovodičovými měniči:

1. IGBT se jeví jako zřejmě nejperspektivnější součástka v technice frekvenčních a pulsních měničů.
2. Dominantní postavení v průmyslových aplikacích budou mít frekvenčně řízené pohony s asynchronními motory.
3. V jednodušších pohonech menších výkonů budou mít široké uplatnění komutátorové motory.
4. Poroste variabilita velkosériově dodávaných měničů s výkonem do desítek kilowattů.
5. Budou se zlepšovat vlastnosti frekvenčních měničů s řízením U/f, s vektorovým řízením a přímým řízením momentu.
6. Bude se zvyšovat inteligence pohonu.
7. Širší uplatnění naleznou kompatibilní usměrňovače.
8. Rozměry měničů se budou zmenšovat a více se uplatní měniče ve svorkovnici motoru, zejména v souvislosti s používáním maticových měničů.
9. Poroste míra uplatnění frekvenčního řízení ve vysokonapěťových pohonech v důsledku zvyšování parametrů polovodičových prvků a v důsledku rozvoje techniky vícehladinových střídačů.
10. Značně se rozšíří servopohony se synchronními motory s permanentními magnety v oblasti výkonů do 10 kW.

Tento příspěvek vznikl v rámci Výzkumného záměru číslo 212200008.