Napěťové měniče přikládají svoje výstupní napětí na přidružené motory. Výstupní napětí syntetizuje sinusovou vlnu za použití kvazi-pravoúhlých impulzů napětí se strmým sklonem a přibližně konstantní amplitudou (dvouúrovňové měniče přikládají mezivrcholovou hodnotu stejnosměrného napětí meziobvodu).
Kromě dobře známých ztrát vyvolaných základním napětím a proudem vytváří nesinusové napájení z měniče v motoru přídavné ztráty. Tyto přídavné ztráty závisejí na otáčkách, napětí a proudu, na tvaru vlny výstupního napětí měniče a na konstrukčním provedení a velikosti motoru. Nejsou-li zajištěny ani sériové indukčnosti ani filtry, mohou tyto ztráty dosáhnout až 10 % - 20 % základních ztrát u dvouúrovňových měničů, a tedy až asi 1 % až 2 % jmenovitého výkonu motoru, přičemž se zvětšující se velikostí motoru se ztráty snižují. U trojúrovňových měničů jsou přídavné ztráty vyvolané napájením z měničů nižší, v typickém případě 0,2 % až 1 % jmenovitého výkonu.
Velikost a charakteristické vlastnosti přídavných ztrát vyvolaných napájením z měničů závisejí na konstrukčním provedení motoru, na typu a parametrech měniče a na použití obvodů s filtry.
Lokalizace přídavných ztrát vyvolaných napájením z měničů a způsoby jejich omezení
Pro výstupní impulzy měniče se motor jeví jako impedance závislá na kmitočtu. Ztráty této impedance jsou většinou vyvolány skinefektem ve vodičích (hlavně u tyčí rotoru, v některých případech také u statorových vodičů) a vířivými proudy v cestách rozptylového toku (zejména u plechů).
Ze zkušeností vyplývá, že přídavné ztráty vyvolané napájením z měničů jsou nezávislé na zatížení. Vliv nasycení (v důsledku toku nebo proudu) je malý a přídavné ztráty vyvolané napájením z měniče mohou být minimalizovány různými opatřeními při návrhu, například:
- návrhem rotoru s menším skinefektem;
- návrhem statorového vinutí s menším skinefektem;
- otevřenými drážkami rotoru;
- zabráněním zkratům mezi plechy rotoru;
- tenčími statorovými a rotorovými plechy pro omezení ztrát vířivými proudy;
- sníženými ztrátami vířivými proudy v sériových tlumivkách nebo filtrech.
Legenda
A - ztráty při plném zatížení, napájení PWM
B - ztráty při plném zatížení, sinusové napájení
C - ztráty naprázdno, napájení PWM
D - ztráty naprázdno, sinusové napájení
Charakteristické vlastnosti měniče zaměřené na snížení ztrát motoru
Snížení základních ztrát
Na obr. 2 jsou příklady ztrát naprázdno a při plném zatížení pro motor 37 kW, 50 Hz napájený ze sinusového zdroje a z napěťového měniče 5,5 kHz. Je zřejmé, že přídavné ztráty vyvolané napájením s pulzně šířkovou modulací (PWM) jsou ve srovnání se základními ztrátami malé.
Nejvýznamnějších výhod napájení z měničů se dosáhne optimalizací toku motoru v závislosti na zatížení (například zmenšením toku při částečném zatížení), protože se tím sníží základní ztráty, které jsou podstatně vyšší než přídavné ztráty. Tato optimalizace toku se často používá v aplikacích u čerpadel a ventilátorů, kde je požadovaný moment úměrný čtverci otáček. Při nižších otáčkách se moment podstatně sníží a může být tedy vytvářen s nižším tokem a s nižšími ztrátami v motoru.
Tentýž princip se používá při „regulaci konstantního účiníku" v aplikacích, kde se zatěžovací moment mění (ne nutně otáčky) nastavováním toku motoru podle potřeby, takže účiník proudu motoru zůstává na optimální hodnotě.
Základní ztráty mohou být sníženy i změnou stejnosměrného napětí meziobvodu.
Snížení přídavných ztrát vyvolaných napájením z měničů
Přídavné ztráty vyvolané napájením z měničů mohou být sníženy omezením obsahu harmonických ve výstupním napětí měniče, například:
- optimalizací vzorků impulzů;
- zvýšením spínacího kmitočtu; v typických případech se přídavné ztráty vyvolané napájením z měničů v motoru značně snižují se zvyšujícím se kmitočtem impulzů až do několika kHz (viz obr. 3). Komutační ztráty v měniči se však s kmitočtem impulzů zvyšují s výsledkem, že součet ztrát je minimální při několika kHz. Pro měniče řízené hysterezí nebo náhodnou PWM platí průměrný spínací kmitočet, který může také záviset na napětí a proudu.
- konfigurací víceúrovňového měniče.
Použití filtru pro snížení přídavných ztrát motoru vyvolaných napájením z měničů
Pro snížení amplitudy a du/dt vysokofrekvenčního vypínacího napětí, bez nadměrného ovlivnění nízkofrekvenčního výsledného napětí na svorkách motoru, mohou být použity na výstupu z měniče filtry. Celkový vliv bude záviset na aplikaci a dimenzování motoru a filtru. Úbytek napětí na filtru sníží napětí na svorkách motoru a to je třeba vzít v úvahu, aby se v motoru zabránilo zvýšení základních ztrát způsobených proudem. Dojde také k určitým ztrátám ve filtru, ty však budou většinou nižší než snížení přídavných ztrát v motoru v důsledku napájení z měničů a celková účinnost PDS se tak zlepší.
Kromě snížení přídavných ztrát v motoru v důsledku napájení z měničů mohou mít filtry také příznivý vliv na omezení napěťového namáhání ve vinutích motoru, na snížení zvlnění momentu a na zlepšení vlastností týkajících se EMC. Dojde však ke zpomalení dynamické odezvy PDS
a v důsledku úbytku napětí na filtru mohou se vyskytnout jiná omezení.
Teplota a předpokládaná životnost
Součet základních a přídavných ztrát způsobených stavem zátěže a tvarem vlny napětí má za následek oteplení vinutí motoru. Oteplení bude v rámci stanoveného rozsahu otáček také ovlivněno změnou chlazení v pracovním bodu.
Tento jev je možné vzít v úvahu několika způsoby, například:
- použitím samostatného zdroje chlazení, jako je IC0A6 nebo IC1A7 (viz IEC 60034-6) pro motor chlazený vzduchem;
- použitím vyšší tepelné třídy izolace (viz IEC 60034-1);
- úplnou kompenzací pro stanovenou pracovní teplotu okolí (viz IEC 60034-1);
- použitím předimenzovaného motoru;
- optimalizací výstupního tvaru vlny měniče.
Vliv proměnného zatížení a otáček na teplotu vinutí je charakterizován druhem zatížení, jak je definován v IEC 60034-1. Nejvhodnějšími druhy zatížení pro motory napájené z měničů jsou S1 a S10. U druhu zatížení S1 se bere v úvahu maximální dovolená teplota, zatímco S10 (pro provoz při proměnném zatížení a otáčkách) umožňuje oteplení přesahující po omezenou dobu mezní hodnoty tepelné třídy. Mezní hodnoty oteplení jsou uvedeny v IEC 60034-1 a v její příloze A je uveden vzorec pro výpočet předpokládané tepelné životnosti.
Stanovení účinnosti motoru
Doporučené metody stanovení účinnosti motoru jsou uvedeny v IEC 60034-2, zatím však neexistuje standardní postup pro motory napájené z měničů. Kde je to požadováno, účinnost motoru se musí měřit se sinusovým napájením při jmenovitém kmitočtu, není-li stanoveno jinak po vzájemné dohodě mezi výrobcem a uživatelem. U motorů s výkonem vyšším než 150 kW se dává přednost metodě součtu ztrát.
Přichází-li to v úvahu, pro dosažení přesného stanovení ztrát naprázdno se ztráty naprázdno (včetně přídavných ztrát) mají měřit při stejném vzorku impulzů a frekvenci impulzů, které měnič bude vytvářet při jmenovitém zatížení.
