Měniče napětí

Z hlediska funkce můžeme měniče dělit následovně:

• Usměrňovač (AC/DC měnič) převádí střídavé vstupní napětí a proud na stejnosměrné výstupní napětí a proud.

• Střídač (DC/AC měnič) převádí vstupní stejnosměrné napětí na výstupní střídavé napětí.

• Měnič frekvence (AC/AC měnič) mění vstupní střídavé napětí jedné frekvence na výstupní střídavé napětí jiné frekvence.

• Transformátor převádí vstupní střídavé napětí na výstupní střídavé napětí jiné velikosti a stejné frekvence.

• DC-DC měnič převádí vstupní stejnosměrné napětí na výstupní stejnosměrné napětí jiné velikosti.

V praxi se často setkáváme s kombinací různých druhů měničů.

Z hlediska technologie můžeme rozdělit měniče napětí na dvě skupiny:

• klasické měniče - pracují na elektromagnetickém nebo elektromechanickém principu

• elektronické měniče - pracující na principu polovodičů

Klasické měniče

prakticky vždy používají magnetické komponenty.

Transformátory převádějí elektrickou energii na magnetický tok a ten poté zpátky na elektrickou energii.

Rotační měniče (např. kombinace motor-generátor) využívají navíc při změně parametrů elektrické energie ještě točivý pohyb.

Jedním z nejjednodušších a nejstarších měničů napětí je transformátor. Ten umí pracovat pouze se střídavým proudem.

Pro přeměnu stejnosměrného proudu lze použít rotační měnič, což je elektrický stroj složený ze stejnosměrného elektromotoru a generátoru na společné ose. Problémem rotačních měničů je, že pohybující se součásti způsobují hluk a snižují jejich spolehlivost.

Běžné transformátory a rotační měniče pracující s běžným napájecím napětím o frekvenci 50Hz bývají velmi rozměrné a těžké.

Elektronické měniče

Je možné dělit podle funkce na:

• usměrňovače

• pulsní měniče

• spínané zdroje

• střídače

• střídavé frekvenční měniče

Usměrňovače jsou probírány v samostatné kapitole.

Pulzní měniče mění plynule a s malými ztrátami vstupní hodnotu stejnosměrného proudu a napětí na jinou hodnotu výstupní. Princip činnosti je v tom, že se zátěž střídavě připojuje a odpojuje na napětí hlavním tyristorem T₁. Problém je v tom, že tyristor ve vodivém stavu není možné vypnout v obvodě stejnosměrného zdroje řídícím obvodem, ale jen působením zvláštních, tzv. komutačních obvodů, které vyvolávají vlastní nebo také nucenou komutaci proudu v měniči.

Schéma zapojení tyristorového pulzního měniče a princip pulzní regulace stejnosměrného proudu jsou znázorněny na obr.1.

Obr. 1: Tyristorový pulzní měnič

Popis funkce tyristorového pulzního měniče

Sepnutím hlavního tyristoru T₁ se uzavře obvod baterie. Když chceme vypnout T₁, zapneme pomocný tyristor T₂. Komutační kondenzátor C musí být nabitý na napětí U_C označené polarity (bez závorek). Sepnutím T₂ se toto napětí připojí na T₁ v jeho závěrném směru, takže T₁ nemůže vést proud, ale obnovuje svoji blokovací schopnost. Proud z baterie teče stále do motoru, ale přes kondenzátor C a T₂. Kondenzátor C se tedy vybíjí zátěžným proudem. Součet napětí baterie a U je nulový, proto vypínacím tyristorem T₂ přestane téct proud a zátěž je odpojena od napájecího zdroje. V tomto okamžiku se ale otevře nulová dioda D₀, protože napětí, které na ní bylo v závěrném směru, kleslo na nulu. Proud motoru se uzavírá obvodem motor M - nulová dioda D₀ - tlumivka L M, přičemž zdrojem proudu je magnetická energie tlumivky. Při následujícím sepnutí hlavního tyristoru T₁ se současně otevře přepólovací obvod komutačního kondenzátoru (C - T₁ - přepólovací dioda D_p - přepólovací tlumivka L_p). V kmitavém obvodě L-C proběhne jeden zákmit, C se vybíjí a proud obvodem roste.

Přepólovací proud má nejvyšší hodnotu v okamžiku, když na C je nulové napětí. Indukčnost tlumivky nutí proud téct nadále v původním směru a magnetická energie tlumivky se odevzdává do kondenzátoru. C se tímto proudem nabije na napětí se stejnou polaritou, jakou měl při prvém sepnutí T₁, C je tedy připravený na další vypínání hlavního tyristoru. Dalšímu zákmitu proudu v přepólovacím obvodě zabraňuje přepólovací dioda D_p. Periodickým zapínáním a vypínáním pulzního měniče se reguluje napětí a proud motoru. Po dobu sepnutí t_s je na motor připojený napěťový impuls, rovný napětí baterie U_B. V době vypnutí je vodivá nulová dioda D₀, kterou se uzavírá proud motoru, protože proud nesmí být přerušený kvůli vzniku přepětí.

Střední hodnotu proudu I_BS odebíraného z měniče určíme ze skutečnosti, že energie odebraná ze zdroje za jednu periodu se musí rovnat energii dodané do motoru při zanedbání ztrát.

Proud je možné regulovat regulací šířky impulsů při stálé frekvenci časovým posunem zapínacích impulzů hlavního tyristoru. Dalším způsobem je regulace frekvence impulzů, kdy je šířka impulzu stálá. V poslední době se nejčastěji používá frekvenčně-šířková regulace (PWM).

Spínané zdroje byly probrány v samostatné kapitole

Střídače jsou polovodičové bezkontaktní měniče stejnosměrného napětí na střídavé, kdy změna se děje plynule a prakticky bez časového zpoždění.

Obr. 2: Jednofázový střídač

Popis funkce jednofázového střídače

Střídač se napájí stejnosměrným napětím U, proud do zátěže R teče střídavě tyristory T₁, T₂ kladné napětí nebo T₃, T₄ záporné napětí. Tak se střídavým spínáním tyristorů ze stejnosměrného napětí získá střídavé. Tyristory regulující střídavý proud vypínají při průchodu proudu nulou - nastává síťová komutace tyristorů. Spínacími prvky mohou být i diody, nebo výkonové tranzistory. Pokud střídač napájí induktivní zátěž, jsou k tyristorům zapojeny antiparalelně diody. Když jsou sepnuté, např. T₁, T₂, proud teče zátěží v kladném směru. Po vypnutí T₁, T₂ a sepnutí T₃, T₄ se nezmění směr proudu vlivem indukčnosti zátěže. Nemůže téct proti směru vodivosti tyristorů, ale poteče přes diodu D₃ do napájecího zdroje a odtud přes D₄ zpět do zátěže. Proud Iz teče proti napájecímu napětí, takže magnetická energie indukčnosti zátěže se vrací do napájecího zdroje. Proud I_Z rychle klesá na nulu a až potom mohou začít vést proud T₃, T4. Frekvenci spínání T₁ až T₄ je možné měnit, a tak měnit i frekvenci výstupního napětí střídače.

V praxi se pro regulaci otáček asynchronních motorů často používají třífázové můstkové střídače se 6-ti spínači zapojenými do můstku a 6-ti antiparalelními diodami, napájené ze stejnosměrného zdroje:

Obr. 3: Třífázový střídač

Zdroje

• BRINDL, Pavel. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_08_Měniče napětí . Přerov, 2013.

Obrázky

• Obr. 1: BRINDL, Pavel. Tyristorový pulzní měnič. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_08_Měniče napětí . Přerov, 2013.
• Obr. 2: BRINDL, Pavel. Jednofázový střídač. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_08_Měniče napětí . Přerov, 2013.
• Obr. 3: BRINDL, Pavel. Třífázový střídač. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_08_Měniče napětí . Přerov, 2013.