Vyšší výkon
| Vyšší výkon Ing. Viktor Hašpl, Danfoss, s. r. o. Řídicí a výkonová elektronika umožňuje miniaturizaci měničů frekvence a integraci většího počtu funkcí při současném snižování výrobních nákladů. Vedle elektrických jsou důležité i mechanické vlastnosti. Navíc se do měničů frekvence přesouvá stále větší počet bezpečnostních funkcí. To vše klade neustále rostoucí požadavky na snižování tepelných ztrát elektroniky v kombinaci s inteligentními způsoby chlazení. Není pochyb o tom, že měniče frekvence, jako hlavní prvek regulovaných elektrických pohonů, jsou na postupu jak v průmyslu, tak i v technice budov (HVAC) a postupně i v domácnostech. Tento trend má několik důvodů. Především stále nižší jednotková cena při stále vyšší spolehlivosti, účinnosti a větší počet integrovaných funkcích jsou hlavní hnací silou růstu použití této techniky. I při vysoké účinnosti může enormní výkon „topit“, a odvod tepla tudíž získává na významu. Společnost Danfoss ve spolupráci s firmou Rittal proto realizovala koncepci efektivního chlazení. Praxe ukazuje, že základem miniaturizace i zvyšování spolehlivosti měničů frekvence není jen postup miniaturizace vlastních součástek, ale také zvyšování účinnosti výkonových obvodů ve spojení se stále lepšími metodami odvodu tepla z nich. Z žádané vyšší rychlosti, větší výkonnosti a kompaktnosti měniče frekvence vyplývají požadavky na integrované moduly střídače. Tyto moduly musejí poskytovat vysokou účinnost, mechanickou pevnost a dostatečnou kvalitu. Ze všech uvedených kritérií lze následně stanovit přesný profil požadavků na výkonové součástky ve statických měničích frekvence. Z mechanických vlastností je nejvyšší důraz kladen na vysokou mechanickou stabilitu, protože součástky jsou vystaveny vysokým výkyvům teploty a podléhají dilataci, která uvnitř součástek vede ke značnému mechanickému pnutí. Součástky rovněž musejí být mimořádně odolné proti namáhání v krutu. Požadavky na výkonovou elektroniku Výrobce výkonové elektroniky by měl použít co nejčistší vstupní materiál. Tato zásada zajistí optimální elektrické vlastnosti, bez nelinearit v materiálu, které jinak mohou zapříčinit průraz nebo vést ke zvýšení elektrického odporu a elektrických ztrát. Je také důležité, aby při pájení v žádném případě ve spoji nevznikaly vzduchové bublinky; ty rovněž negativně ovlivňují elektrické vlastnosti. Závěrná napětí použitých materiálů by měla být také co nejvyšší. Konstruktéři měničů frekvence, a tedy uživatelé výrobků výkonové elektroniky, se snaží stále zvyšovat kvalitu výstupního napětí při snižování energetické náročnosti a zmenšování rozměrů celého měniče. Žádají proto od součástek střídače stále kratší dobu spínání, a to při jeho menších rozměrech. Čím vyšší spínací frekvence, tím větší spínací ztráty, čím menší součástka, tím menší teplosměnná plocha pro odvod tepla a zároveň menší schopnost tepelné akumulace. Tyto na první pohled protichůdné požadavky vyústily do řešení, které je dnes trendem. Tranzistory ve střídačích měničů již dávno nejsou diskrétními výkonovými součástkami, lze zde nalézt výkonový integrovaný obvod (modul) plnící jak spínací, tak i ochranné a budicí funkce. Součástí modulů tedy jsou i obvody modelující a upravující průběh zapalovacího impulzu. Celý takovýto modul je cíleně navrhován se zvláštním zřetelem na odvod tepla. Malé, ale hezké Firma Danfoss Drives již před deseti lety pochopila význam výkonových integrovaných obvodů pro další rozvoj výroby měničů frekvence a založila továrnu na výrobu vlastních výkonových polovodičových modulů. Dnes je továrna Danfoss Silicon Power, nacházející se v severním Německu nedaleko Hamburku, nejrychleji rostoucí částí Danfoss Drives a významnou měrou přispívá k rozvoji celé divize elektrických pohonů Danfoss VLT. Danfoss Silicon Power vyvíjí a vyrábí integrované výkonové moduly pro použití v mnoha různých měničích elektrické energie v rozsazích od několika ampérů až po velké moduly na stovky ampérů pro trakční pohony. Již ve fázi návrhu integrovaného obvodu je uplatněna unikátní technologie tepelné simulace, umožňující zkoumat termické chování konečného produktu v různých situacích ještě před vyrobením vlastního prototypu. Danfoss u svých modulů využívá několik unikátních systémů odvodu tepla. Nejpokročilejší je systém pro vodou chlazené prvky s patentovaným chlazením Shower PowerTM, umožňující stejnoměrné chlazení celého objemu bez ohledu na umístnění prvku. Díky úzké spolupráci vývojářů polovodičových výkonových integrovaných modulů a konstruktérů měničů je nyní možné získávat poznatky z výrobků, které jsou energeticky úspornější, rozměrově stále menší a spolehlivější. Rozměry měničů všech výrobců jsou stále kompaktnější. Společnost Danfoss uvedla na trh např. měnič frekvence VLT AutomationDrive s výkonem 1 200 kW a rozměry jen 1 800 × 2 000 × 600 mm, který se tak řadí k nejmenším měničům své třídy. Speciální téma – chlazení Chlazení je velmi důležité zejména u měničů, které se pohybují v pásmu tisíců kilowattových výkonů a v dolním pásmu megawattových výkonů. Při vysoké účinnosti (měniče frekvence od společnosti Danfoss dosahují účinnosti 98 % a více) představují i 2 % ztrátového výkonu značné tepelné zatížení. Společnost Danfoss proto používá modernizovaný systém chlazení. Pro spolehlivý provoz je rozhodující efektivní odvod vznikajícího ztrátového tepla z měniče, z rozvodné skříně nebo, je-li třeba, z celé budovy. Inteligentní koncepce chlazení měničů frekvence řady VLT může chladicími kanály odvést 85 % ztrátového tepla ze skříně. Pro vestavbu do rozvodných skříní TS-8 od společnosti Rittal jsou k dispozici sady s výškou 1 800, 2 000 a 2 200 mm. Využití vnitřního větráku měniče VLT snižuje náklady na použití dalších větráků v rozvodné skříni. Vzduch uvnitř rozvodné skříně není ovlivňován okolím díky oddělenému vedení vzduchu pro výkonové komponenty. Chlazení jako funkce řídicí elektroniky Již byla zmíněna klíčová role návrhu vlastního střídačového modulu a dále metody chlazení skříně měniče. Jak k těmto veskrze hardwarovým opatřením může přispět elektronika? Vzhledem k tomu, že měniče jsou osazeny hlučnými výkonnými ventilátory o nezanedbatelné vlastní spotřebě, nabízí se možnost regulovat jejich otáčky v závislosti na požadavcích chlazení. Tuto metodu dnes využívají zejména měniče vyšších výkonů, např. Danfoss AutomationDrive FC300. Dále může řídicí elektronika ovlivňovat spínací frekvenci střídače, a tím i velikost spínacích ztrát vznikajících přímo v tranzistorech střídače. Obvykle je spínací frekvence nastavena na maximum pro danou aplikaci, aby modelované napětí pro motor mělo co nejlepší průběh, ale nestíhá-li se měnič při daném zatížení a teplotě okolí chladit, sám sníží spínací frekvenci, a tím i spínací ztráty a výrazně prodlouží dobu provozu za nepříznivých podmínek. Jestliže ani toto opatření nestačí, může měnič sám v některých úlohách omezit své zatížení snížením otáček. Jde zejména o úlohy s čerpadly a ventilátory, tedy s kvadratickou zátěžnou charakteristikou. Tuto možnost je však většinou třeba měniči dovolit, aby případným automatickým poklesem otáček nevznikly technologické problémy. Z uvedeného je zřejmé, že i řídicí elektronika může zásadně ovlivnit termální robustnost celého pohonu. Mocný řídicí mikroprocesor měniče nyní zvládá daleko více úloh než jen vlastní regulaci otáček motoru a ochranné funkce sebe sama a motoru. Strojní bezpečností funkce v měničích Stále více výrobců měničů frekvence, stejně jako firma Danfoss, přesouvá, popř. integruje další funkce do měničů jako důsledek zvyšování výkonu řídicí elektroniky a její další miniaturizace. Týká se to zejména bezpečnostních funkcí. V současnosti je poměrně rozšířena funkce bezpečného zastavení kategorie 3 podle normy EN 954-1. Energii do pohonu lze v souladu s požadavky normy EN 954-1 přerušit buď stykačem zařazeným mezi síťové napájení a střídač nebo střídač a motor, nebo bezpečným blokováním impulzů ze střídače. Integrovaná funkce bezpečného zastavení u měniče VLT AutomationDrive FC302 pracuje na druhém principu a zajišťuje splnění bezpečnostních požadavků podle normy EN 954-1 až pro kategorii 3. S využitím digitálního vstupu (svorka č. 37), který je speciálně navržen pro tuto funkci, je přitom přerušeno napájení řídicích signálů pro koncový stupeň střídače. Takto je zajištěna funkce bezpečného blokování impulzů podle požadavků normy EN 954-1 pro kategorii 3. Interně je řízení přepnuto na doběh a před restartováním je nutné příkaz potvrdit. Je třeba pamatovat na to, že definitivní přerušení energie do pohonu po doběhu motoru současně neznamená jeho odpojení od zdroje energie. Prostřednictvím funkce bezpečného blokování impulzů je zamezen následný rotační pohyb motoru, přičemž svorky motoru mohou být přesto pod vysokým napětím. Třífázový modul s plnými můstky pro mobilní měniče, zde je na příkladu uveden modul měniče s technologií MOSFET pro pohony vysokozdvižných vozíků, dodává proud 350 A při napětí 48 V. Někteří výrobci již nyní pracují na vývoji následujících bezpečnostních funkcí kategorie 4 a na příslušných modulech. Do měničů lze integrovat také další monitorovací funkce. Danfoss ve spolupráci s firmou Ziehl industrieelektronik ze Schwäbisch-Hallu vyvinul např. termistorový modul pro hlídání teploty (PTC), který sleduje motory ve výbušném prostředí (EX zóna) a při aktivaci pohon zastaví prostřednictvím funkce bezpečného zastavení, která je integrována v měniči VLT AutomationDrive FC302. Další informace lze nalézt na adrese: Celý příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde | |