25. fejezet – Teljesítményelektronika és a frekvenciaváltós hajtás

25.1 Miért kell teljesítményelektronika? A kapcsolóelemek áttekintése és összehasonlítása

Mit akarunk elérni?

A 21. fejezetben megtanultuk, hogy a háromfázisú aszinkron motor forgó mágneses tere
n_s = 60 · f / p fordulatszámmal forog, és a forgórész ennél a szlippel kevesebbel. Ebben a
képletben a póluspárszám (p) a gép szerkezetéből adódik, azt utólag nem tudjuk megváltoztatni.
Egyetlen szabadon állítható mennyiség marad: a frekvencia. Ha a motorra nem az 50 Hz-es
hálózatot kapcsoljuk, hanem egy olyan készüléket, amely tetszőleges frekvenciájú háromfázisú
feszültséget állít elő, akkor a motor fordulatszáma folyamatosan, fokozatmentesen állíthatóvá
válik.

Pontosan ezt csinálja a frekvenciaváltó. Csakhogy a hálózatból kapott 50 Hz-ből nem lehet
transzformátorral vagy ellenállással másik frekvenciát „csinálni". Ehhez a villamos energiát
át kell alakítani: előbb egyenirányítani, majd a kívánt frekvenciájú váltakozó feszültséggé
visszaalakítani. Ez az átalakítás a teljesítményelektronika feladata.

Az energiaátalakítás négy alaptípusa

Az átalakítóknak négy alapesetük van aszerint, hogy a bemenetükön és a kimenetükön egyen- vagy
váltakozó mennyiség van. Ezt a négy nevet a fejezet során végig használni fogjuk, ezért érdemes
most megjegyezni – az angol megnevezésekkel együtt, mert a gépkönyvekben azok szerepelnek.

25.1. táblázat – Az energiaátalakítás négy alaptípusa

A frekvenciaváltó tehát nem egy önálló, ötödik eszközfajta: az első három sorba kapcsolásából
áll össze. Ezért kell előbb a részeket megérteni.

A kapcsolóüzem – a kis veszteség kulcsa

Miért nem lehet egy motor feszültségét egyszerűen egy nagy teljesítményű tranzisztorral, folyamatos
(lineáris) üzemben szabályozni, mint egy hangerőszabályzót? Azért, mert az elviselhetetlenül sok hőt
termelne. Az előadásanyag ezt így fogalmazza meg: lineáris üzemben „P = U_M × I_M állandó veszteség
=> hő => hűtés", kapcsolóüzemben viszont ideálisan P = U · I = 0, mert „vagy be: U = 0, vagy ki:
I = 0".

Ebből következik a fejezet egyik vezérgondolata: minden korszerű hajtás félvezetői kapcsolóként,
nem erősítőként dolgoznak. Ezért lehet egy 11 kW-os frekvenciaváltó akkora, mint egy vastagabb
könyv, és ezért elég neki egy hűtőborda meg egy kis ventilátor.

A három eszközcsoport – a fejezet rendszerező gondolata

Nagyon sok félvezetős kapcsolóelem létezik, és a nevük első hallásra összemosódik. Egyetlen kérdés
alapján viszont mindegyik azonnal a helyére kerül: mit tudunk vele megcsinálni a vezérlőelektródán
keresztül?

25.2. táblázat – A teljesítményelektronikai kapcsolóelemek három csoportja

A teljesítménydióda – ismétlés és kiegészítés

A diódát a 13. fejezetben már megismertük: a PN-átmenet nyitóirányban vezet, záróirányban nem. Itt
csak azt tesszük hozzá, ami teljesítményszinten számít.

Megegyezés szerint akkor beszélünk teljesítménydiódáról, ha a záróirányú feszültsége
U_R ≥ 250 V és a nyitóirányú árama I_F ≥ 1 A. A felépítése ennek megfelelően eltér a jeldiódáétól:
egyetlen, nagy felületű pn-átmenet, vastag, gyengén szennyezett középréteggel (drift-zónával),
amely a nagy zárófeszültséget elviseli.

A dióda nem vezérelhető: nincs vezérlőelektródája, sem be-, sem kikapcsolni nem tudjuk. Azt,
hogy mikor vezet, kizárólag a rákapcsolt feszültség polaritása – vagyis maga a hálózat – dönti el.

A dióda kikapcsolása nem pillanatszerű: tart, „ameddig az összes (kisebbségi) töltéshordozó
visszatér". Ezt hívjuk fordított visszaáramlásnak (angolul: reverse recovery), és ez határozza
meg, milyen gyors kapcsolásra alkalmas az adott dióda.

25.3. táblázat – Teljesítménydiódák és a kapcsolási sebességük

A dióda három tipikus szerepe az erősáramú gyakorlatban: egyenirányító híd eleme,
szabadonfutó dióda (angolul: freewheeling diode) induktív terhelés mellett (9. és 13.
fejezet), valamint antiparallel visszavezető dióda az IGBT vagy a MOSFET mellett – erre az
inverternél még visszatérünk.

⭐ A kapcsolóelemek összehasonlító táblázata

Ez a táblázat a fejezet gerince. Érdemes megtanulni – nem a számokat betű szerint, hanem a
nagyságrendeket és főleg a „vezérelhetőség" oszlopot.

25.4. táblázat – ⭐ A teljesítményelektronikai kapcsolóelemek összehasonlítása

25.2 Tirisztor (SCR): felépítés, gyújtás, kioltás, jellemző adatok

Felépítés

Hogyan működik? A kétszeres tranzisztoros modell

A PNPN rétegsort gondolatban két helyen kettévághatjuk, és akkor egy PNP és egy NPN
tranzisztort kapunk, amelyek egymásba vannak kapcsolva. A forrás szó szerint így írja le a
gyújtást: „Ha a tirisztor kapuelektródája (G) a katódhoz (K) képest pozitív feszültséget kap,
kinyitja a T2 NPN tranzisztort, melynek kollektorárama nyitja a T1 PNP tranzisztort."

A lényeg a folytatás: a két tranzisztor pozitív visszacsatolásban van egymással.
A T1 árama tovább nyitja a T2-t, a T2 árama tovább nyitja a T1-et, és ez a folyamat
lavinaszerűen, igen rövid idő alatt teljesen bekapcsolja az eszközt. Ezután viszont
a kapu elveszti a hatalmát az eszköz fölött: hiába vesszük el a vezérlőjelet, a
két tranzisztor egymást tartja nyitva.

Bekapcsolás: a gyújtás

A tirisztort gyújtani kell. Ez rendes körülmények között a kapura adott vezérlőáram-impulzussal
történik, feltéve, hogy az anód a katódhoz képest pozitív. Fontos tudni azonban, hogy a tirisztor
nemkívánatos módon is begyulladhat: „fény vagy feszültségnövekedés" hatására is. Ez utóbbi a
gyakorlatban azt jelenti, hogy egy túl meredeken növekvő anódfeszültség (nagy du/dt) magától
begyújtja az eszközt – ezért kell a tirisztorok mellé du/dt-védelem (lásd 25.4).

A gyújtóáramkör két gyakorlati követelménye:

• Galvanikus leválasztás. A vezérlőelektronika kisfeszültségű, az anódkör hálózati vagy
  nagyobb feszültségű, ezért a kettőt el kell választani. Erre két bevált megoldás van:
  optocsatoló („LED + fototranzisztor"), illetve gyújtótranszformátor („speciális porvasmagos
  kivitel").
• Elegendő hosszú vagy ismételt impulzus. Erősen induktív terhelésnél az áram lassan épül fel,
  és ha a gyújtóimpulzus véget ér, mielőtt az anódáram elérné a tartóáramot, a tirisztor
  visszazár. Ilyenkor impulzuscsomagot (hosszú impulzussorozatot) adnak a kapura, hogy az elem
  biztosan begyújtson, és bent is maradjon.

Kikapcsolás: csak a főkörből

A visszazárás sem pillanatszerű: a tirisztornak kikapcsolási időre van szüksége, amíg
záróirányban ismét terhelhetővé válik. Ez általános típusnál t_q = 100–200 µs nagyságrendű. Ez a
szám magyarázza a 25.4. táblázat „≪ 1 kHz" bejegyzését: egy olyan eszköz, amelynek 100 µs-nál is
több kell a visszazáráshoz, fizikailag képtelen néhány kHz-es kapcsolási frekvencián dolgozni.

A vezérlési mennyiség: a gyújtásszög

Ha α = 0°, a tirisztor a nullaátmenetnél begyújt, és úgy viselkedik, mint egy dióda: a teljes
félhullámot átengedi. Ha α = 90°, csak a félhullám második felét engedi át. Ha α = 150°, már csak
egy vékony szeletet. A gyújtásszöggel tehát a terhelésre jutó teljesítményt folyamatosan
állítjuk – anélkül, hogy bármit is ellenállásban elégetnénk.

Hol találkozunk tirisztorral?

• Vezérelt egyenirányítóban (25.5), ahol a kimenő egyenfeszültséget állítjuk vele;
• lágyindítóban, ahol fázisonként két antiparallel tirisztor csökkenti az indítási feszültséget
  (a lágyindító részletes tárgyalása a 24. fejezet anyaga);
• egyenáramú hajtásokban és nagy teljesítményű hálózati berendezésekben.

25.3 Diak és triak; fázishasításos teljesítményszabályozás

A diak

Az U_BO billenési feszültség nagyságrendje 30–40 V. A diak tehát önmagában semmit sem szabályoz:
a szerepe az, hogy egy adott feszültségszint elérésekor hirtelen, élesen bekapcsoljon.

Éppen ezért a diak jellegzetes helye a triak gyújtóáramköre. Egy RC-tag lassan feltölti a
kondenzátort a hálózati félperiódus alatt; amikor a kondenzátorfeszültség eléri az U_BO-t, a diak
átbillen, és a kondenzátort egyetlen éles impulzussal kisüti a triak kapujára. Az RC-tag
ellenállásának (potenciométerének) állításával a töltési sebesség, ezzel a gyújtás pillanata, tehát
az α gyújtásszög változik. Ez a fényerőszabályzók és a kisgépek fordulatszám-szabályzóinak
klasszikus kapcsolása.

A triak

A triak kikapcsolása ugyanolyan korlátozott, mint a tirisztoré: nem lehet kivezérelni, a
nullaátmenetnél záródik vissza. A nagyságrendje kb. 1,2 kV / 300 A, és hálózati frekvenciás
alkalmazásra készül.

25.5. táblázat – A tirisztor és a triak összehasonlítása

Fázishasításos teljesítményszabályozás

Az elv a 25.2-ben megismert gyújtásszög: minden félperiódusban késleltetve gyújtunk, így a
terhelésre csak a félhullám egy része jut. Két fontos következménye van.

1. A szabályozás veszteségmentes. Nem egy ellenállásban „nyeljük el" a felesleget, hanem be sem
engedjük a terhelésre. Ez a fázishasítás nagy előnye a régi, előtétellenállásos megoldásokkal
szemben.

2. A hálózati áram torzul. A hasított jelalak már nem szinuszos, tehát felharmonikusokat
tartalmaz, ráadásul a késleltetés miatt az áram alapharmonikusa fáziskésésbe kerül a feszültséghez
képest – ez pedig rontja a teljesítménytényezőt, meddő teljesítményt jelent. Ez a fázishasítás
ára, és ez az egyik oka annak, hogy a lágyindítót csak indításra, nem tartós üzemre használjuk.

25.4 GTO, teljesítmény-MOSFET, IGBT – hol melyiket használjuk

Ez a három eszköz alkotja a teljesen vezérelt csoportot: mindegyiket be és ki is tudjuk
kapcsolni a vezérlőelektródájával, tetszőleges pillanatban. Ezért csak ezekkel lehet
impulzusszélesség-modulációt megvalósítani.

GTO – a kikapcsolható tirisztor

Ennek ára van: a kikapcsoló kapuáram az anódáramnak nagyságrendileg az
egyharmada–egyötöde. Egy 1000 A-t vezető GTO kikapcsolásához tehát ebből az
arányból számolva 200–330 A körüli kapuimpulzus adódik – ehhez nagy, drága és
maga is jelentős teljesítményű meghajtó áramkör szükséges. Emiatt a kapcsolási
frekvenciája alacsony marad, kb. 1 kHz. Nagyságrendje viszont tekintélyes:
6 kV / 2,5 kA.

Alkalmazása ezért a nagy teljesítményű ipari és vontatási (villamos, vasúti) hajtások inverterei.
A mai új tervezésekben az IGBT és az IGCT szorítja ki.

Teljesítmény-MOSFET

Katalógusadatai közül a legfontosabbak:

• U_DS – a maximálisan kapcsolható feszültség;
• U_GSth – a küszöbfeszültség, amely fölött a MOSFET vezetni kezd; a meghajtófeszültség
  jellemzően „±10–30 V-ig terjedő feszültségérték";
• R_DSon – a bekapcsolt állapotú ellenállás, amelynek értéke „néhány mΩ-a néhány Ω-os
  tartományba esik". Ez határozza meg a vezetési veszteséget: P = I² · R_DSon;
• I_D – a megengedett áram, amely „nagyban függ a hőmérséklettől (jellemzően növekvő
  hőmérsékletre csökken az érték)".

Két jellegzetességét érdemes megjegyezni. Az egyik, hogy az R_DSon pozitív hőmérsékleti
együtthatójú: ha egy párhuzamosan kapcsolt MOSFET melegebb lesz, az ellenállása nő, tehát
kevesebb áramot vesz át – ezért a MOSFET-ek jól párhuzamosíthatók, maguktól kiegyenlítik a
terhelést. A másik, hogy „nincs másodfajú letörés" (a bipoláris tranzisztorok jellegzetes,
lokális túlmelegedéssel járó tönkremenetele), viszont „gond: elektrosztatikus kisülés" – a vékony
kapuszigetelést egy statikus kisülés átütheti.

IGBT – a hajtástechnika kulcseleme

Az IGBT mellé a gyakorlatban mindig antiparallel dióda kerül (a modulokban gyárilag benne van),
mert az induktív motorárama a kikapcsolás után is folytatódik, és utat kell neki adni.

Mikor melyiket? – kiválasztási szempontok

25.6. táblázat – MOSFET vagy IGBT? Kiválasztási szempontok

A modern inverterekben az IGBT mellett „egyre gyakrabban SiC (szilícium-karbid) vagy GaN
(gallium-nitrid) típusú félvezetők" jelennek meg. Ezek nagyobb kapcsolási frekvenciát és kisebb
veszteséget tesznek lehetővé – de a szerelő szempontjából ez azzal is jár, hogy a kapcsolási élek
még meredekebbek, tehát az EMC-szerelés még fontosabb lesz (25.12).

Védelmek a kapcsolóelemek körül

A teljesítményfélvezetőket önmagukban nem szabad a hálózatra kapcsolni: három tipikus védelem
tartozik hozzájuk.

25.7. táblázat – A teljesítményfélvezetők tipikus védelmei

A negyedik „védelem" a hűtés. A félvezető rétegének (a chipnek) a hőmérséklete a hőellenállás-lánc
mentén alakul ki:

Kidolgozott összefüggés – a réteghőmérséklet becslése

  θ_j = P · (R_th,jb + R_th,bc + R_th,ca) + θ_a

ahol
  θ_j              a réteg (junction) hőmérséklete            [°C]
  P                a félvezetőben keletkező veszteség         [W]
  R_th,jb          hőellenállás réteg → tok (junction-base)   [K/W]
  R_th,bc          hőellenállás tok → hűtőborda (base-case)   [K/W]
  R_th,ca          hőellenállás hűtőborda → környezet         [K/W]
  θ_a              a környezeti (ambient) hőmérséklet         [°C]

Következtetés: a lánc BÁRMELYIK tagjának romlása (leszáradt hővezető paszta,
poros hűtőborda, leállt ventilátor, magas szekrényhőmérséklet) ugyanúgy
megemeli a chip hőmérsékletét, mint a nagyobb veszteség.

25.5 Vezérelt egyenirányítók; egy- és háromfázisú kapcsolások

Ismétlés: a nem vezérelt (diódás) kapcsolások és a szorzótényezők

A 13. fejezetben az egyutas és a hidas egyenirányítást, valamint a háromfázisú egyenirányítás
alapjait már felépítettük. Itt most egy táblázatban összefogjuk a szorzótényezőket, mert a
fejezet további részében – és a vizsgán – ezekkel kell számolni.

25.8. táblázat – ⭐ Egyenirányító kapcsolások és a szorzótényezőik

A háromfázisú hídban „minden időpillanatban egy pár dióda vezet", ezért a kimeneti feszültség
egy hálózati periódus alatt hat szinuszdarabból tevődik össze – innen a 300 Hz-es lüktetés és
az, hogy a jel már szűrés nélkül is meglepően sima. Az egyfázisú hídnál „a pozitív félperiódusban a
D1-es és D2-es dióda vezet, a negatívban pedig a D3-as és D4-es dióda".

Mintapélda: az egyenirányított feszültség a szorzótényezőkkel

25.1. mintapélda – Egyenirányított feszültség négy kapcsolásban

FELADAT
  Mekkora egyenfeszültség középértéke jelenik meg a következő, terheletlen
  (illetve simítás nélküli) kapcsolások kimenetén, ha a hálózat 3 × 400/231 V, 50 Hz?
  (a) egyutas egyenirányító egy fázisról
  (b) egyfázisú hídkapcsolás egy fázisról
  (c) háromfázisú egyutas (csillagpontos) kapcsolás
  (d) háromfázisú híd

MEGOLDÁS

(a) Egyutas, a fázisfeszültségről:
    U_d = 0,45 · U_f = 0,45 · 231 V = 103,95 V ≈ 104 V
    lüktetés: 50 Hz

(b) Egyfázisú híd, a fázisfeszültségről:
    U_d = 0,9 · U_f = 0,9 · 231 V = 207,9 V ≈ 208 V
    lüktetés: 100 Hz

(c) Háromfázisú egyutas, a FÁZISfeszültségről:
    U_d = 1,17 · U_f = 1,17 · 231 V = 270,3 V ≈ 270 V
    lüktetés: 150 Hz

(d) Háromfázisú híd, a VONALI feszültségről:
    U_d = 1,35 · U_v = 1,35 · 400 V = 540 V
    ellenőrzés a fázisfeszültségről:
    U_d = 2,34 · U_f = 2,34 · 231 V = 540,5 V ≈ 540 V   (egyezik)
    lüktetés: 300 Hz

VÁLASZ
  (a) ~104 V   (b) ~208 V   (c) ~270 V   (d) 540 V

TANULSÁG
  A (d) pont kétféle úton is kiszámolható, és ugyanazt adja – EZ az ellenőrzés
  módja arra, hogy jó szorzót választottunk-e a jó feszültséghez.

Mintapélda: a DC-busz feszültsége 400 V-os hálózatról

25.2. mintapélda – A frekvenciaváltó egyenáramú köztes körének feszültsége

FELADAT
  Egy 400 V-os hálózatra kötött frekvenciaváltó bemenetén hat diódás híd van,
  a kimenetén nagy kapacitású köztes köri kondenzátor. Mekkora feszültség
  mérhető a köztes körben (a) terhelés alatt, a középérték szerint,
  (b) terheletlenül, amikor a kondenzátor a csúcsértékre töltődik fel?

ADATOK
  U_v = 400 V (vonali, effektív)      f = 50 Hz

MEGOLDÁS

(a) Az egyenfeszültség középértéke a háromfázisú hídon:
    U_d = 1,35 · U_v
    U_d = 1,35 · 400 V = 540 V

(b) A kondenzátor a vonali feszültség CSÚCSÉRTÉKÉRE töltődik:
    U_csúcs = √2 · U_v
    U_csúcs = 1,414 · 400 V = 565,7 V ≈ 566 V
    (a gyakorlatban terheletlenül ~560–565 V mérhető)

VÁLASZ
  A DC-köztes körben terhelés alatt kb. 540 V, terheletlenül kb. 560–565 V
  egyenfeszültség van.

⚠ BIZTONSÁGI KÖVETKEZTETÉS
  A hálózat lekapcsolása után ez a feszültség a kondenzátoron MEGMARAD,
  amíg ki nem sül. Több mint 500 V egyenfeszültség – életveszélyes.
  Lásd a 25.13 alfejezetet, a feszültségmentesítésre a 38. fejezetet,
  a kondenzátor energiájára és kisütésére a 9. és a 11. fejezetet.

  Innen érthető az is, miért kell a fékellenállás beavatkozási küszöbét
  ~700–800 V körül beállítani (25.11): ennyivel van a fékezéskor
  megemelkedő DC-feszültség az üzemi 540–565 V fölött.

Vezérelt egyenirányító – a diódák helyén tirisztor

Ha a hídban a diódákat tirisztorra cseréljük, a kimenő egyenfeszültség folyamatosan
állíthatóvá válik, mert a tirisztorokat nem a nullaátmenetnél, hanem α gyújtásszöggel
késleltetve gyújtjuk be.

Az alapösszefüggések:

25.9. táblázat – A vezérelt egyenirányító alapösszefüggései

A cos α tényező viselkedése három tartományra osztható:

• α = 0° → cos α = 1 → maximális egyenfeszültség (mint a diódás kapcsolásnál);
• α = 90° → cos α = 0 → U_d = 0, a kimeneten nincs egyenfeszültség;
• α > 90° → cos α negatív → U_d negatív, ekkor „inverter üzem lép fel (negatív
  teljesítmény)".

25.3. mintapélda – Vezérelt egyenirányító gyújtásszöge

FELADAT
  Egy 400 V-os hálózatról táplált, háromfázisú vezérelt (tirisztoros) híd
  egy egyenáramú motort táplál. (a) Mekkora egyenfeszültséget kapunk
  α = 0°, 30°, 60°, 90° és 120° gyújtásszögnél? (b) Mit jelent az utolsó eset?

MEGOLDÁS

Alapérték (α = 0-nál):
  U_d0 = 1,35 · U_v = 1,35 · 400 V = 540 V

(a) U_d = U_d0 · cos α

    α =   0°:  U_d = 540 V · cos 0°   = 540 V · 1,000  =  540 V
    α =  30°:  U_d = 540 V · cos 30°  = 540 V · 0,866  =  468 V
    α =  60°:  U_d = 540 V · cos 60°  = 540 V · 0,500  =  270 V
    α =  90°:  U_d = 540 V · cos 90°  = 540 V · 0,000  =    0 V
    α = 120°:  U_d = 540 V · cos 120° = 540 V · (−0,5) = −270 V

(b) α = 120°-nál az egyenfeszültség NEGATÍV: a híd inverter üzemben van,
    az energia a motor felől a hálózat felé áramlik – a hajtás FÉKEZ,
    és a fékezési energiát visszatáplálja.

VÁLASZ
  540 V / 468 V / 270 V / 0 V / −270 V; az utolsó eset visszatápláló
  (generátoros) üzem.

25.6 Egyenáramú szaggató (chopper) és alkalmazásai

Feladat és elv

Alaptopológiák

25.10. táblázat – A szaggató alaptopológiái

25.4. mintapélda – Szaggató kitöltési tényezője

FELADAT
  Egy 540 V-os egyenáramú köztes körről buck- (leszállító) szaggatóval táplálunk
  egy egyenáramú motort. (a) Mekkora kitöltési tényező kell 400 V motorfeszültséghez?
  (b) Mekkora lesz a motorfeszültség D = 0,25 esetén? (c) Mekkora a bekapcsolt idő
  10 kHz kapcsolási frekvencián a (a) esetben?

MEGOLDÁS

(a) U_ki = D · U_be   →   D = U_ki / U_be
    D = 400 V / 540 V = 0,741  →  74,1 %

(b) U_ki = D · U_be = 0,25 · 540 V = 135 V

(c) A periódusidő:
    T = 1 / f = 1 / 10 000 Hz = 0,0001 s = 100 µs
    A bekapcsolt idő:
    t_be = D · T = 0,741 · 100 µs = 74,1 µs
    (a kikapcsolt idő tehát 25,9 µs)

VÁLASZ
  (a) D = 74,1 %   (b) 135 V   (c) t_be = 74,1 µs

TANULSÁG
  A motorfeszültség a kitöltési tényezővel LINEÁRISAN, veszteségmentesen
  állítható – nincs előtétellenállás, nincs elégetett teljesítmény.

Alkalmazás a hajtástechnikában

Az egyenáramú motor armatúrakörében a szaggató veszteségmentesen állítja a motorfeszültséget –
ez váltotta fel a régi, előtétellenállásos fordulatszám-szabályozást, ahol a „felesleget" egy
ellenállás égette el.

Négynegyedes kivitelben (hídkapcsolású szaggatóval) mindkét forgásirányban lehetséges motoros
és generátoros (fékező) üzem is: a hídtopológia „négynegyedes üzemmódot támogat … ahol az energia
mindkét irányban áramolhat". Fékezéskor a szaggató az energiát visszatáplálja a köztes körbe.

A fejezet szempontjából a legfontosabb alkalmazás azonban a fékchopper: a frekvenciaváltó
köztes körébe épített szaggató, amely a fékezéskor felgyülemlő energiát egy fékellenállásra kapcsolja
(25.11).

25.7 ⭐ Inverter (váltóirányító) és a PWM (impulzusszélesség-moduláció)

Az inverter feladata

Az invertereket két nagy csoportra osztjuk: „közbenső egyenáramú körös (DC-link converter) és …
közvetlen átalakítós inverterekre (Matrix converter)". A gyakorlati megoldások túlnyomó
többsége az elsőbe tartozik – a mátrixkonverter (amely köztes kör nélkül, közvetlenül alakítja át a
frekvenciát) ma még ritkaság.

Aszerint, hogy a köztes kör feszültség- vagy áramforrásként viselkedik, „feszültséginverterekről
(Voltage Source Inverter, VSI) vagy áraminverterekről (Current Source Inverter, CSI)
beszélünk". A motorhajtásokban a feszültséginverter (VSI) az uralkodó – ezért van a köztes
körben nagy kapacitású kondenzátor.

A háromfázisú, kétszintű híd

Az inverter felépítése egyszerű: három ág, ágonként két kapcsolóelem (egy „felső" és egy
„alsó"), mindegyikkel párhuzamosan egy antiparallel dióda. A kapcsolóelemek IGBT-k (kisebb
teljesítményen MOSFET-ek).

Ez összesen hat IGBT és hat dióda – ez a mai frekvenciaváltók inverterének standard felépítése.
Egy ág működése annyi, hogy „a motor adott tekercselése vagy a pozitív sarokhoz, vagy a
negatív sarokhoz tud kapcsolódni". Egy ág két kapcsolója tehát mindig ellentétesen áll.

⭐ A PWM elve – a fejezet kulcsfogalma

Az inverter kapcsolói csak két állapotot ismernek: be vagy ki. Hogyan lesz ebből mégis szinuszos
motoráram? A válasz az impulzusszélesség-moduláció.

Ebből a rövid definícióból a PWM minden fontos fogalma levezethető.

25.11. táblázat – ⭐ A PWM fogalmai

Hogyan lesz ebből szinusz? A komparátor akkor kapcsol, amikor a háromszögjel metszi a szinuszos
alapjelet. Ott, ahol az alapjel a csúcsán jár, a metszéspontok messze kerülnek egymástól, tehát az
impulzusok szélesek; ahol az alapjel a nullaátmenetéhez közelít, ott az impulzusok keskenyek.
A kimeneten így egy olyan négyszögimpulzus-sorozat jelenik meg, amelynek impulzusai a szinusz
csúcsán a legszélesebbek, a nullaátmenetnél a legkeskenyebbek.

A motor tekercselése induktív, tehát aluláteresztő szűrőként viselkedik: az áram nem tudja
követni az egyes impulzusokat, csak az átlagukat – így az áram már közel szinuszos lesz.
Ugyanezt írja le a másik forrás is: „A kívánt hullámforma a kimeneti tranzisztorok (IGBT)
meghatározott frekvenciával (kapcsolási frekvencia) történő ki- bekapcsolásával hozható létre."

A vivőfrekvencia megválasztása – kompromisszum

Miért nem állítjuk mindig a maximumra, ha a nagyobb vivőfrekvencia simább áramot ad? Mert minden
egyes kapcsolás veszteséggel jár, és a veszteség a frekvenciaváltóban keletkezik.

25.12. táblázat – ⭐ A vivőfrekvencia hatásai

A készülékek ezt maguk is kezelik: a frekvenciaváltó „figyeli a hűtőbordák melegedését és
automatikusan csökkenti a vivőfrekvenciát szükség esetén". Ha tehát egy hajtás nyáron „másképp
zúg", mint télen, az nem hiba, hanem a beépített hővédelem működése.

A motor felől nézve ugyanez a kompromisszum a szigetelés kérdése is: nagyobb kapcsolási
frekvencián időegység alatt több feszültségimpulzus éri a tekercselést, ami fokozza a
részkisüléses öregedést; a kapcsolási frekvencia csökkentése ezzel szemben „csökkenti a túllövések
számát másodpercenként".

25.5. mintapélda – A kapcsolási veszteség és a vivőfrekvencia kapcsolata

⚠ FIGYELEM: az alábbi energiaértékek a FELADAT MEGADOTT MINTAADATAI, nem
   forrásból igazolt katalógusértékek. A példa célja az ARÁNYOSSÁG bemutatása.

FELADAT
  Egy frekvenciaváltó inverterében 6 db IGBT dolgozik. Egy kapcsolási ciklus
  (egy be- és egy kikapcsolás) vesztesége IGBT-nként E = 12 mJ. Mekkora a teljes
  kapcsolási veszteség (a) 2 kHz, (b) 4 kHz, (c) 8 kHz vivőfrekvencián?

MEGOLDÁS

  Egy IGBT másodpercenkénti vesztesége:   P_1 = f_c · E
  Hat IGBT esetén:                        P_kapcs = 6 · f_c · E

(a) f_c = 2 000 Hz:
    P_kapcs = 6 · 2 000 1/s · 0,012 J = 144 W

(b) f_c = 4 000 Hz:
    P_kapcs = 6 · 4 000 1/s · 0,012 J = 288 W

(c) f_c = 8 000 Hz:
    P_kapcs = 6 · 8 000 1/s · 0,012 J = 576 W

VÁLASZ
  144 W / 288 W / 576 W.

TANULSÁG
  A kapcsolási veszteség a vivőfrekvenciával EGYENESEN ARÁNYOS: a frekvencia
  megduplázása a veszteséget is megduplázza. Ez a hő a frekvenciaváltó
  hűtőbordáján jelenik meg, ezért kell 8 kHz fölött sok készüléket
  "leterhelni" (derating), azaz kisebb motorárammal üzemeltetni – a pontos
  értékeket MINDIG a gépkönyv leterhelési táblázata adja meg.

25.8 ⭐ A frekvenciaváltó felépítése: egyenirányító, közbenső kör, inverter, vezérlés

Most álljon össze a kép. Az előző alfejezetek minden építőeleme egyetlen készülékbe kerül.

A négy fő egység

Minden felhasznált forrás azonos felépítést ír le:

1. Egyenirányító (AC/DC). „A betáplált áramot diódás híd egyenirányítja és a közbensőköri
kondenzátorokat táplálja." Háromfázisú betáplálásnál ez a 25.5-ben megismert hat diódás híd,
egyfázisú készülékeknél négy diódás Graetz-híd. Feladata: „A hálózati váltakozó feszültséget (AC)
egyenfeszültséggé (DC) alakítja."

2. Egyenáramú köztes kör (DC-link). Kondenzátorokból – és gyakran egy fojtóból – álló
energiapuffer, amely „kisimítja az egyenfeszültséget"; a kondenzátorok „simítják a feszültség
hullámosságát és stabilizálják a feszültségszintet". Itt van a 25.2. mintapéldában kiszámolt
540–565 V.

3. Inverter (DC/AC). IGBT-s háromfázisú híd: „A közbensőköri egyenfeszültség
impulzusszélesség-moduláció segítségével ismét váltakozó feszültséggé alakul." Ez az egyetlen
egység, amely a kimeneti frekvenciát és feszültséget ténylegesen előállítja.

4. Vezérlő- és szabályozóelektronika. „A szabályozóelektronika biztosítja a motor fordulatszám-
és áramszabályozását, valamint a kapcsolási kép előállítását." Ide tartozik a kezelőfelület, a
paramétertár, a digitális és analóg be- és kimenetek, a buszkommunikáció és a védelmi funkciók.

Miért kell egyáltalán a köztes kör?

Azért, mert a hálózat frekvenciája és a motoré független egymástól. A köztes kör „választja el"
a két oldalt: a bemenet mindig 50 Hz-cel dolgozik, a kimenet meg annyival, amennyivel akarunk. A
kondenzátor egyúttal energiatárolóként is működik: rövid hálózati feszültségletörést áthidal, és
befogadja a motor felől visszaérkező fékezési energiát (25.11).

Miért energiatakarékos a frekvenciaváltós hajtás?

Két, egymástól független okból.

1. A fordulatszám-szabályozás veszteségmentes. A hagyományos megoldásokban a fordulatszámot
vagy fojtással (szivattyúnál szelep, ventilátornál csappantyú), vagy a forgórészkörbe iktatott
ellenállással (csúszógyűrűs motor) csökkentették – mindkettő elégeti a felesleget. A
frekvenciaváltó ezzel szemben a felhasznált forrás megfogalmazásában „a legkorszerűbb megoldás:
félvezető elemekből épített frekvenciaváltókkal veszteségmentes, folyamatos fordulatszám
változtatás érhető el". Ha a szivattyúnak kevesebbet kell szállítania, nem fojtjuk, hanem
lassabban forgatjuk.

2. Az indítási áramlökés elmarad. A frekvenciaváltós indítás áramfelvétele nagyságrendileg a
névleges áram körüli (szemben a közvetlen indítás 5–10-szeresével), és a hajtás a teljes
nyomatékot már nulla fordulatszámtól le tudja adni. Ez kíméli a hálózatot, a motort és a
mechanikát.

A frekvenciaváltó és a lágyindító elhatárolása

25.9 ⭐ Az U/f jelleggörbe, a vektorvezérlés alapjai, a fordulatszám-tartomány

A fizikai alap

A frekvenciaváltó nemcsak a frekvenciát, hanem a feszültséget is állítja. Miért? Mert az
állórész fluxusa közelítőleg

Φ ≈ U / (k · f)

vagyis a feszültség és a frekvencia hányadosával arányos. Ha csak a frekvenciát csökkentenénk,
és a feszültséget a névlegesen hagynánk, a fluxus – és vele az áram – megnőne, a vasmag
telítésbe menne, a motor pedig túlmelegedne, esetleg leégne.

A felhasznált forrás ezt szó szerint így mondja ki:

„Amennyivel csökkentjük a frekvenciát, kénytelenek vagyunk a motorra jutó feszültséget is
ugyanannyival csökkenteni, különben a motor fluxusa túl magas lenne."

Ebből következik a hajtástechnika egyik alapfogalma: ha U/f = állandó, akkor a nyomaték is közel
állandó a névleges frekvenciáig. Ezért hívjuk a névleges frekvencia alatti tartományt állandó
nyomatékú tartománynak.

Mintapélda: a fordulatszám a frekvenciából

25.6. mintapélda – Fordulatszám a frekvenciából (a 21. fejezet képletével)

FELADAT
  Egy négypólusú (p = 2) aszinkron motor adattáblája: 400 V, 50 Hz, 1455 1/min.
  A motort frekvenciaváltóról üzemeltetjük. Mekkora a szinkron fordulatszám és
  (a névleges szlippel számolva) a várható tengelyfordulatszám
  (a) 50 Hz, (b) 25 Hz, (c) 10 Hz és (d) 75 Hz kimeneti frekvencián?

MEGOLDÁS

A szinkron fordulatszám (21. fejezet):   n_s = 60 · f / p

  A névleges szlip 50 Hz-en:
  n_s = 60 · 50 / 2 = 1500 1/min
  s   = (n_s − n) / n_s = (1500 − 1455) / 1500 = 0,03  →  3 %

(a) f = 50 Hz:  n_s = 60 · 50 / 2 = 1500 1/min
                n  ≈ 1500 · (1 − 0,03) = 1455 1/min

(b) f = 25 Hz:  n_s = 60 · 25 / 2 =  750 1/min
                n  ≈  750 · (1 − 0,03) =  727,5 ≈ 728 1/min

(c) f = 10 Hz:  n_s = 60 · 10 / 2 =  300 1/min
                n  ≈  300 · (1 − 0,03) =  291 1/min

(d) f = 75 Hz:  n_s = 60 · 75 / 2 = 2250 1/min
                n  ≈ 2250 · (1 − 0,03) = 2182,5 ≈ 2183 1/min

VÁLASZ
  1455 / 728 / 291 / 2183 1/min

MEGJEGYZÉS
  A (d) eset már a névleges frekvencia FÖLÖTT van: itt a feszültséget nem
  lehet tovább emelni, ezért az U/f arány leesik – lásd a mezőgyengítésről
  szóló figyelmeztetést. A gép mechanikai fordulatszám-határát (csapágy,
  ventilátor, kiegyensúlyozottság) is figyelembe kell venni: a motor
  gépkönyve nélkül 50 Hz fölé menni nem szabad.

Mintapélda: az U/f arány tartása és a feszültségtartalék

25.7. mintapélda – Az U/f arány és a feszültségtartalék

FELADAT
  Egy 400 V / 50 Hz adattáblájú motort frekvenciaváltóról hajtunk, U/f = állandó
  szabályozással. (a) Mekkora az U/f arány? (b) Mekkora feszültséget kell adni
  40 Hz, 25 Hz és 10 Hz frekvencián? (c) Mekkora feszültség KELLENE 65 Hz-en az
  arány tartásához, és megvalósítható-e ez 400 V-os hálózatról?

MEGOLDÁS

(a) U/f = 400 V / 50 Hz = 8 V/Hz

(b) U = (U/f) · f

    f = 40 Hz:  U = 8 V/Hz · 40 Hz = 320 V
    f = 25 Hz:  U = 8 V/Hz · 25 Hz = 200 V
    f = 10 Hz:  U = 8 V/Hz · 10 Hz =  80 V

(c) f = 65 Hz:  U = 8 V/Hz · 65 Hz = 520 V

    A frekvenciaváltó kimeneti feszültsége azonban NEM lehet nagyobb, mint
    amennyit a köztes kör feszültsége megenged: 400 V-os hálózatról a kimeneten
    legfeljebb a névleges 400 V körüli érték állítható elő.
    Tehát 65 Hz-en:  U marad 400 V
    a tényleges arány: 400 V / 65 Hz = 6,15 V/Hz  (a 8 V/Hz helyett)

VÁLASZ
  (a) 8 V/Hz   (b) 320 V / 200 V / 80 V   (c) 520 V kellene, de csak 400 V van:
  nincs feszültségtartalék, az U/f arány szükségszerűen leesik.

TANULSÁG
  A névleges frekvencia FÖLÖTT a feszültség nem emelhető tovább, ezért az
  U/f arány – és vele a fluxus, tehát a nyomaték – csökken. Ez a
  MEZŐGYENGÍTÉSES tartomány (lásd a figyelmeztetést alább).

Az U/f-szabályozás korlátai

25.13. táblázat – Az U/f-szabályozás korlátai

Vektoros szabályozás – említés szintjén

Az U/f-szabályozás egyszerű és olcsó, de a nyomatékot nem szabályozza. Ahol ez kevés, ott
vektoros szabályozást használnak.

Ebből adódik a gyakorlati választási szabály, amelyet két független forrás is alátámaszt:

25.14. táblázat – U/f vagy vektoros szabályozás?

25.10 A frekvenciaváltó paraméterezése és üzembe helyezése; a motor adattáblájának bevitele

A paraméterezés logikája

A frekvenciaváltó szerelése önmagában nem elég: a készüléket paraméterezni kell. A paraméterek
száma több száz is lehet, de az üzembe helyezéshez szükséges alapkészlet néhány csoportba rendezhető,
és ezek minden gyártónál megvannak – csak más számon és más néven.

25.15. táblázat – A frekvenciaváltó paramétercsoportjai

Az üzembe helyezés lépéssora

A villamos berendezés üzembe helyezés előtti első felülvizsgálatának általános rendjét (a
szemrevételezés megelőzi a műszeres vizsgálatot, a hiba javítása után az érintett vizsgálatokat meg
kell ismételni, és minősítő iratot kell készíteni) a 24. fejezet és a felülvizsgálatokkal foglalkozó
fejezetek tárgyalják. Itt csak a frekvenciaváltós hajtásra jellemző többletlépéseket soroljuk fel.

1. Feszültségmentesítés, kizárás, a feszültségmentesség igazolása – a köztes köri kondenzátorok
   miatt a gyártó által előírt kivárási idő letelte után, méréssel (25.13).
2. Szemrevételezés: a rajz szerinti szerelés, a kábelkeresztmetszetek, a sorkapcsok
   meghúzottsága, a PE-vezető megléte, valamint az árnyékolás 360°-os földelése mindkét
   végén (25.12).
3. Beállítás feszültség alá helyezés előtt: motoradatok az adattábláról, vezérlési mód, rámpák,
   frekvenciahatárok, vivőfrekvencia.
4. A vezérlőjelek próbája: START/STOP, engedélyezés (enable), vészleállítás, a hibajel
   (fault) és a hibanyugtázás (fault reset) működése. A vészleállítás huzalozott megvalósítását
   a 23. fejezet tárgyalja.
5. Forgásirány-ellenőrzés rövid, kis frekvenciájú megpörgetéssel, lehetőleg terheletlenül.
6. Terhelt próba: áramfelvétel mérése mindhárom fázisban, a köztes köri feszültség és a
   hibalista (fault log) leolvasása, a melegedés és a felfutási idő ellenőrzése.
7. Dokumentálás: a beállított paraméterlista mentése vagy kinyomtatása, a mért értékek, a
   minősítő irat és az üzemeltetői oktatás.

⭐ Idegen nyelvű dokumentáció – angol–magyar szakszótár

A szakmai vizsga projektfeladatának 3. vizsgarésze (30 %) a képzési és kimeneti követelmény
szerint „motorvezérlés összeállítása idegen nyelvű dokumentáció alapján; villamos
alapmennyiségek mérése, dokumentálása". A frekvenciaváltók gépkönyve és paraméterlistája pedig
sokszor csak angolul (esetleg németül) áll rendelkezésre. Az alábbi szótár a leggyakoribb
kifejezéseket tartalmazza.

25.16. táblázat – ⭐ Angol–magyar (–német) szakszótár a frekvenciaváltós és motorvezérlési
dokumentációhoz

Tipikus üzembe helyezési hibák

25.17. táblázat – Tipikus frekvenciaváltós üzembe helyezési hibák

25.11 ⭐ Fékezés a frekvenciaváltós hajtásnál

Miért nehéz a fékezés?

Amikor a hajtást gyorsan lassítjuk – vagy amikor a terhelés „húzza" a motort (lejtmenet, süllyesztés,
nagy lendítőtömeg) –, a motor generátorrá válik, és energiát táplál vissza a köztes körbe. Ennek
az energiának mennie kell valahová. Ha nincs hova, akkor a DC-link kondenzátorát tölti fel: a
köztes kör feszültsége megemelkedik, és a hajtás túlfeszültség-hibával (OU, overvoltage)
leáll.

Az energia útja – három megoldás

1. Fékellenállás + fékchopper. A köztes körbe épített szaggató a beállított küszöbfeszültség
fölött egy külső fékellenállásra kapcsolja a többletenergiát, ami ott hővé alakul. A
kutatás forrásai ezt „ellenállásfékezés (fékchopper és fékellenállás)" néven említik; a fékellenállás
a gépkönyvek szerint „opcionális komponens a DC Bus kondenzátor kimeneti energiájának kezeléséhez",
és a készülékeken külön kapcsokra (pl. Rb1/Rb2, B+/B−) kell kötni. A beavatkozási küszöb – a
25.2. mintapéldából következően – a 540–565 V-os üzemi feszültség fölött, tájékoztató jelleggel
700–800 V körül van.

2. Egyenáramú (DC-) fékezés. A hajtás az állórészt egyenárammal gerjeszti; ez álló mágneses
mezőt hoz létre, amely lefékezi a forgórészt. A készülékeken beállítható a „kezdeti frekvencia,
várakozási idő, fékezési áram és időtartam". Álló helyzet közeli megállításra és a tengely
megtartására jó, de nem szabályozott lassítás, és a hő a motorban keletkezik.

3. Visszatáplálás a hálózatba (regeneratív hajtás, AFE). A bemeneti diódás hidat aktív, IGBT-s
egységre (active front end) cserélve az energia visszamehet a hálózatba. Elvi alapja azonos a
25.5-ben megismert α > 90° inverter üzemmel. Ott gazdaságos, ahol sok és nagy energiájú fékezés
van: felvonó, centrifuga, süllyesztés, nagy lendítőtömegű gépek.

A készülékek emellett gyakran kombinált fékezést is kínálnak gyári üzemmódként.

25.18. táblázat – Fékezési megoldások frekvenciaváltós hajtásnál

Mintapélda: a fékellenállásban keletkező energia

25.8. mintapélda – A fékezési energia és a fékellenállás

⚠ FIGYELEM: a tehetetlenségi nyomaték (J) a FELADAT MEGADOTT MINTAADATA.
   Valós esetben a hajtott gép és a motor gépkönyvéből kell kikeresni.

FELADAT
  Egy centrifuga hajtásának teljes, motortengelyre redukált tehetetlenségi
  nyomatéka J = 2,5 kg·m². A gépet 1450 1/min fordulatszámról kell megállítani
  4 s alatt. (a) Mekkora a forgó tömegek mozgási energiája? (b) Mekkora
  átlagteljesítményt kell a fékellenállásnak elnyelnie? (c) Mi történik, ha
  nincs fékellenállás?

MEGOLDÁS

(a) Előbb a szögsebesség:
    ω = 2 · π · n / 60
    ω = 2 · 3,1416 · 1450 / 60 = 151,8 1/s

    A forgó tömegek mozgási energiája:
    E = 0,5 · J · ω²
    E = 0,5 · 2,5 kg·m² · (151,8 1/s)²
    E = 0,5 · 2,5 · 23 043 = 28 804 J ≈ 28,8 kJ

(b) Ha ez az energia 4 s alatt szabadul fel:
    P_átlag = E / t
    P_átlag = 28 804 J / 4 s = 7 201 W ≈ 7,2 kW

    (A fékellenállást tehát erre a CSÚCSTELJESÍTMÉNYRE és a fékezések
     gyakoriságából adódó ÁTLAGTELJESÍTMÉNYRE is méretezni kell –
     a konkrét értékeket a hajtás gépkönyvének méretezési táblázata adja.)

(c) Fékellenállás nélkül ez a 28,8 kJ a köztes köri kondenzátort töltené fel:
    a DC-feszültség az 540–565 V-os üzemi értékről gyorsan a beavatkozási
    küszöb (~700–800 V) fölé emelkedne, és a hajtás
    TÚLFESZÜLTSÉG-HIBÁVAL (OU) leállna – vagy jóval hosszabb lassítási
    rámpát kellene beállítani.

VÁLASZ
  (a) ~28,8 kJ   (b) ~7,2 kW átlagteljesítmény
  (c) túlfeszültség-hiba, illetve kényszerűen lassabb megállás.

25.12 Hálózati visszahatás, felharmonikusok, EMC, árnyékolt motorkábel

A hajtás mint zavarforrás és mint zavarérzékeny berendezés

A frekvenciaváltó két irányban okoz elektromágneses összeférhetőségi (EMC) gondot:

• a bemenetén: a diódás híd nem szinuszos áramot vesz fel a hálózatból (az áram csak akkor
  folyik, amikor a hálózati feszültség pillanatértéke a köztes kör feszültsége fölé emelkedik),
  ezért felharmonikusokat juttat vissza a hálózatba;
• a kimenetén: az IGBT-k meredek kapcsolási élei (néhány száz nanoszekundum) nagyfrekvenciás
  zavart sugároznak és vezetnek szét a motorkábelen.

A frekvenciaváltókra vonatkozó EMC-termékszabvány az EN 61800-3. Egy gyártói kézikönyv szó
szerint: „A frekvenciaváltó az EN 61800-3 termékszabvány követelményei és határértékei szerint
készült ipari alkalmazásokban való üzemeltetésre megfelelő elektromágneses zavarvédettséggel (EMI)."
Az EMC-szűrő a készülékbe építve vagy külön rendelhető tartozékként érhető el; életvédelmi relés
(áram-védőkapcsolós) üzemnél csökkentett szivárgóáramú szűrő használata javasolt.

⭐ A hosszú motorkábel problémája: a visszavert hullám

Ez a fejezet egyik legfontosabb gyakorlati ismerete, mert közvetlenül a szerelés minőségén
múlik.

Miért lép fel? A motorkábel és a motortekercselés hullámellenállása (impedanciája) eltér
egymástól. Ahol egy meredek élű feszültséghullám impedanciaugráshoz ér, ott visszaverődik –
pontosan úgy, ahogy a hang visszaverődik a falról. A visszavert hullám a beérkezővel összeadódik,
és a motor kapcsain a köztes kör feszültségének közelítőleg a kétszerese jelenhet meg.

A források szó szerint: „When there is an impedance mismatch between the motor cable and the
motor windings, reflected waves can be created in the motor cable", illetve „Impedance
mismatches can result in voltage »ringing« at the point of connection to the motor."

A számok, amelyek megmutatják a nagyságrendet:

• egy 672 V-os köztes körű hajtásnál kb. 30 m (100 láb) kábelen a motorkapcson 1300 V
  csúcs mérhető;
• egy 480 V-os hajtásnál a csúcs „közel 1400 V" lehet – ami meghaladja a szokásos
  motorszigetelés terhelhetőségét.

Mitől lesz rosszabb?

• A felfutási idő: „A faster rise time on IGBTs will usually create a greater overshoot" –
  minél meredekebb az él, annál nagyobb a túllövés. (Ezért rontja a helyzetet a modern, gyorsabb
  félvezető is.)
• A kábel hossza és kapacitása: „The longer the cable is, the greater the impedance and
  capacitance the cable has, thus allowing the cable to store more energy." A hosszú kábel
  kapacitív árama okozza a hajtás földzárlat- és túláramhibáit, valamint a nagy szivárgóáramot.

⭐ A megoldások lépcsője

Mielőtt a lépcsőt megnéznénk, egy fontos elhatárolás: az árnyékolt, szimmetrikus
motorkábel és az árnyékolás 360°-os földelése minden kábelhossznál
alapkövetelmény (lásd az EMC-szerelési ökölszabályokat), nem a lépcső egyik foka.
A lépcső azt mondja meg, hogy e fölött milyen kiegészítő szűrő kell még.

A forrás a hosszhatárokat lábban adja meg (1 láb = 0,3048 m), ezért a méteres
értékek átszámítások, kerekítve – tájékoztató jellegűek.

25.19. táblázat – ⭐ A hosszú motorkábel megoldásainak lépcsője

A forrás szó szerint: „Up to 300 ft: Use a 3 % output load reactor;
300–1000 ft: Apply a dV/dt filter; Exceeding 1000 ft: Implement a
sine wave filter."

Egy konkrét gyártói mérés jól mutatja, mit ér a szűrő: a du/dt-szűrő a csúcsfeszültséget
1300 V-ról 920 V-ra csökkentette, a felfutási időt pedig 0,19 µs-ról 2,4 µs-ra növelte – vagyis
„lelassította" az élt, és ezzel megszüntette a túllövést.

EMC-szerelési ökölszabályok

Ezek a fogások nem „szépészeti" kérdések: a hajtás megbízható működésének feltételei.

1. Árnyékolt, szimmetrikus motorkábel használata, az árnyékolás mindkét végén, 360°-ban, nagy
   felületen földelve (EMC-bilinccsel vagy tömszelencével – nem „malacfarokkal", vagyis nem
   egyetlen vékony sodrattal!).
2. A motorkábel és a hálózati, illetve a jelkábelek fizikai szétválasztása – külön kábeltálca,
   vagy legalább távolságtartás; keresztezni lehetőleg derékszögben.
3. A jelkábelek külön árnyékolása, jellemzően egy ponton földelve.
4. Rövid, egyenes kábelnyomvonal; a köztes köri és a motorkábelek nem futhatnak együtt
   jelvezetékkel.
5. A hajtás, a szekrény és a motor gondos védőföldelése, nagy keresztmetszetű, rövid
   összekötésekkel.

25.13 ⚠⚠ Frekvenciaváltós hajtás és az áram-védőkapcsoló: B típus kell

Ez az alfejezet a jegyzet egyik legfontosabb életvédelmi tartalma. A benne szereplő fő állítást
a kutatás három, egymástól független forrásból igazolta.

A fizikai ok – miért nem elég az A típus?

A hagyományos, összegző áramváltós elven működő áram-védőkapcsoló (AC és A típus) egy
vasmagra tekercselt összegző transzformátorral érzékeli, hogy az odamenő és a visszatérő áram
különbözik-e. Ez az elv csak változó áramra működik, mert csak a változó fluxus indukál
feszültséget az érzékelőtekercsben.

Ha a hibaáramnak sima (nem lüktető) egyenáramú összetevője van, az a vasmagban állandó
mágneses fluxust hoz létre, és a vasmagot telítésbe viszi. Ekkor a következő történik:

1. az egyenáramú hibát a készülék eleve nem érzékeli;
2. ami ennél is súlyosabb: a telített vasmag a váltakozó áramú hibát sem tudja átvinni – vagyis
   a védelem nem csak nem old, hanem el is veszíti a védőképességét.

És miért van egyáltalán egyenáramú összetevő a frekvenciaváltónál? Mert a hiba a hajtás kimenetén
a köztes körig „átlátszik": a motorkábelen vagy a motorban keletkező zárlat a DC-köztes körrel áll
kapcsolatban, ezért a hibaáramnak lehet sima egyenáramú komponense.

Az áram-védőkapcsoló típusai

25.20. táblázat – ⚠⚠ Az áram-védőkapcsolók típusai és a felismert hibaáramok

Szivárgóáram és a téves kioldás

A frekvenciaváltós hajtásnak üzemszerűen is van szivárgóárama: a motorkábel és a szűrő
kapacitásain keresztül nagyfrekvenciás áram folyik a föld felé. Ez annál nagyobb, minél nagyobb a
vivőfrekvencia és minél hosszabb az árnyékolt kábel. Ha ez az áram eléri az áram-védőkapcsoló
kioldási küszöbét, a védelem üzemszerűen, ok nélkül kiold.

Egy gyártói kézikönyv ezért ≤ 10 m árnyékolt motorkábelt ajánl, hogy a 30 mA-es B típusú
védelem ne oldjon ki feleslegesen. Ez a szám készülékfüggő, de az elv általános:

⚠⚠ A köztes köri kondenzátor: feszültség a lekapcsolás után is

Ellenőrző kérdések

1. Mi a teljesítményelektronika tárgya, és miért kapcsolóüzemben dolgoznak a félvezetői?
   Vezesse le a veszteség szempontjából!
2. Nevezze meg az energiaátalakítás négy alaptípusát a be- és kimenetükkel, magyarul és angolul!
   Melyik hármat tartalmazza a frekvenciaváltó?
3. ⭐ Sorolja fel a teljesítményelektronikai kapcsolóelemek három csoportját, és mondjon
   mindegyikre két példát! Melyik csoport alkalmas PWM-re, és miért?
4. Írja le a tirisztor felépítését és a kétszeres tranzisztoros modelljét! Mi történik a
   kapuval a gyújtás után?
5. ⭐ Hogyan lehet egy tirisztort kikapcsolni? Miért nem elég ehhez a kapu? Melyik eszköz tud
   kapuimpulzussal kikapcsolni?
6. Mi a gyújtáskésleltetési szög, és mit szabályozunk vele? Mi a különbség a gyújtásszög és a
   kitöltési tényező között?
7. Hasonlítsa össze a tirisztort és a triakot négy szempont szerint! Mi a diak szerepe a triak
   gyújtóáramkörében?
8. Hasonlítsa össze a teljesítmény-MOSFET-et és az IGBT-t: felépítés, vezérlés,
   feszültség- és teljesítménytartomány, kapcsolási frekvencia, tipikus alkalmazás!
9. ⚠ Milyen két, látszólag ellentmondó adat szerepel az IGBT felső frekvenciahatárára, és hogyan
   oldható fel az ellentmondás?
10. ⭐ Adja meg az egyenirányító kapcsolások szorzótényezőit, és mondja meg mindegyiknél, melyik
    feszültségre vonatkozik! Mekkora a lüktetés frekvenciája az egyes kapcsolásoknál 50 Hz-en?
11. Mekkora feszültség van egy 400 V-os hálózatról táplált frekvenciaváltó köztes körében
    terhelés alatt és terheletlenül? Vezesse le mindkettőt!
12. Mit jelent a vezérelt egyenirányítónál az α > 90° tartomány? Mire használjuk?
13. Mi az egyenáramú szaggató feladata? Írja fel a buck- és a boost-kapcsolás kimeneti
    feszültségének képletét, és mondja meg, mi a vezérlési mennyiség!
14. ⭐⭐ Ismertesse a PWM elvét a vivőjel és az alapjel fogalmával! Miért lesz az áram közel
    szinuszos, ha a feszültség impulzussorozat?
15. ⭐ Mit befolyásol a vivőfrekvencia megválasztása? Sorolja fel, mi javul és mi romlik a
    növelésével!
16. ⭐ Rajzolja le a frekvenciaváltó blokkvázlatát, és mondja el mind a négy egység feladatát!
    Miért kell a köztes kör?
17. ⭐ Miért kell az U/f arányt állandóan tartani? Mi történne, ha csak a frekvenciát csökkentenénk?
    Mit jelent a nyomatékkiemelés (boost)?
18. Sorolja fel az U/f-szabályozás négy korlátját! Mikor kell vektoros szabályozást választani, és
    mikor nem használható a vektoros mód?
19. ⭐ Mi történik a frekvenciaváltós hajtás köztes körében fékezéskor? Ismertesse a három megoldást,
    és mondja meg mindegyiknél, hova kerül az energia!
20. ⭐ Miért verődik vissza a feszültséghullám a hosszú motorkábel végén, és mekkora feszültség
    jelenhet meg a motorkapcson? Sorolja fel a megoldások lépcsőjét!
21. ⚠⚠ Miért kell háromfázisú frekvenciaváltós hajtáshoz B típusú áram-védőkapcsoló? Mi történik
    fizikailag egy A típusú készülékkel, ha sima egyenáramú hibaáram éri?
22. ⚠⚠ Milyen munkabiztonsági szabályokat kell betartani egy frekvenciaváltó burkolatának
    megbontása előtt, és miért nem elég megvárni, amíg a kijelző kialszik?

Tudáspróba

1. Melyik eszköz nem kapcsolható ki a vezérlőelektródájával?
a) IGBT b) GTO c) teljesítmény-MOSFET d) tirisztor

2. Mekkora az egyenfeszültség középértéke egy 400 V-os hálózatról táplált, diódás háromfázisú
hídkapcsolás kimenetén?
a) 208 V b) 270 V c) 540 V d) 566 V

3. ⚠ Az 1,35-ös szorzótényező melyik feszültségre vonatkozik?
a) a fázisfeszültségre b) a vonali feszültségre c) a csúcsértékre d) a búgófeszültségre

4. Mit hasonlít össze (komparál) a szinuszos PWM?
a) a háromszög alakú vivőjelet és a szinuszos alapjelet
b) a motor áramát és a motorra jutó feszültséget
c) a hálózati frekvenciát és a kimeneti frekvenciát
d) a köztes köri egyenfeszültséget és a fékezési küszöbértéket

5. Mi következik be, ha a frekvenciaváltó vivőfrekvenciáját megnöveljük?
a) a motor halkabb lesz, a hajtás melegebb, a szivárgóáram nagyobb
b) a motor hangosabb lesz, a hajtás hidegebb, a szivárgóáram kisebb
c) a motor és a hajtás melegedése egyaránt csökken, és a zavarkibocsátás is
d) a kimeneti frekvencia is megnő, ezért a motor gyorsabban forog

6. Miért kell az U/f arányt állandó értéken tartani?
a) hogy a motor fordulatszáma a terheléstől függetlenül állandó maradjon
b) hogy a szlip a teljes fordulatszám-tartományban változatlan legyen
c) hogy a fluxus állandó maradjon, és a vasmag ne menjen telítésbe
d) hogy a köztes kör feszültsége fékezéskor se emelkedhessen meg

7. Több motort hajtunk egyetlen frekvenciaváltóról. Melyik vezérlési mód választható?
a) csak vektoros b) csak U/f c) bármelyik d) csak zárt hurkú vektoros jeladóval

8. Mi történik, ha egy nagy tehetetlenségű hajtást fékellenállás
nélkül, rövid rámpával lassítunk?
a) a köztes kör feszültsége megemelkedik, és túlfeszültség-hiba lép fel
b) a motor tekercselése túlmelegszik, és a hőkioldó leállítja a hajtást
c) a hálózatból felvett áram nullára csökken, a hajtás pedig szabadon kifut
d) a hajtás automatikusan átvált egyenáramú fékezésre

9. ⚠⚠ Milyen típusú áram-védőkapcsoló szükséges háromfázisú frekvenciaváltós hajtáshoz?
a) AC típus b) A típus c) F típus d) B típus

10. ⚠⚠ Miért veszélyes az A típusú áram-védőkapcsoló egy háromfázisú frekvenciaváltó előtt?
a) mert a hajtás üzemszerű szivárgóárama miatt indokolatlanul gyakran old ki
b) mert tartósan nem bírja a hajtás névleges áramát és az indítási lökőáramot
c) mert a sima egyenáramú hibaáram telíti a vasmagot, így semmilyen hibát nem érzékel
d) mert a nagy vivőfrekvencia zavara megzavarja a készülék belső elektronikáját

Források

A fejezet forrásjegyzékéhez tartozó megjegyzések – forráskritika, levezetett és ellenőrzésre váró tartalmak: