Proudové generátory

Úvod

K praktickým aplikacím výkonové elektroniky patří mimo měničů pro řízení pohonů a měničů pro napájecí účely i řízené generátory proudu. Pod tímto označením rozumíme řiditelné zdroje umožňují do uzlu, ke kterému jsou připojeny injektovat proud žádaného průběhu (Iref). S injektováním proudu může být spojena dodávka či naopak odběr činného výkonu.

Typickými aplikacemi generátorů jsou:

• aktivní filtry
• elektronické zátěže
• speciální laboratorní sestavy jako kombinace výše uvedených aplikací

Aktivní filtr

Častou aplikací generátorů proudu jsou aktivní filtry používané jako součást filtračně kompenzačních zařízení pro omezení nežádoucích vlivů nelineárních zátěží na síť. Z hlediska připojení k napájecí síti se jedná o paralelní aktivní filtru. V aglicky psané literatuře je můžeme setkat s označením Shunt Active Power Filter. Jejich úkolem je generovat proud takového průběhu, aby s místě připojení zátěže na síť došlo k potlačení harmonických složek proudu zátěže. Tím dojde k potlačení rušivého zpětného vlivu nelineární zátěže na síť. Zároveň je stejným způsobem možné, v případě, že filtr generuje i základní harmonickou, kompenzovat i jalový výkon. To vše s odezvou v řádu periody frekvence napájecí sítě. Z uvedeného vyplývá, že je-li aktivní filtr použit také jako kompenzátor jalového výkonu, není dimenzován na celkový potřebný kompenzační výkon, ale jen na jeho část rychle proměnnou v čase. Pomalé změny obvykle řeší "klasické" kompenzační stupně sestavené z kompenzačních kondenzátorů. Na tomto místě je vhodné připomenout, že pro spolehlivou a bezpečnou součinnost aktivních filtrů s kondenzátorovými kompenzačními stupni je nutné, aby kondenzátorové stupně byly vybaveni ochrannými, tzv. hradicími, tlumivkami. Obrázek ilustruje konfiguraci aktivního filtru, kdy řídicí systém aktivního filtru injektuje pomocí generátoru proudu do obvodu proud Ifilt takového průběhu, aby byly vykonpenzovány vyšší harmonické proudu zátěže Izátěž.

Elektronická zátěž

Další aplikací generátoru proudu je elektronická zátěž schopná realizovat libovolný typ zátěže. Takové zařízení se uplatní např. při zkouškách napájecích zdrojů, kdy je možno sledovat zpětný vliv různých typů zátěží na stabilitu zkoušeného zdroje. U napájecích zdrojů se zpětnovazební regulací je tímto způsobem možno ověřit chování regulační smyčky ve všech režimech provozu a odhalit případné problémy s její stabilitou nebo odhalit její nevhodné dynamické chování. Změna typu a chrakteru elektronické zátěže je realizována parametrizací elektronické zátěže bez nutnosti změny zapojení či obvodových změn. Takové uspořádání zkoušebního pracoviště lze tak snadno zautomatizovat a začlenit do většího celku automatizovaných testů. V současné době lze v oblasti zkušebnictví sledovat trend automatizace zkoušek včetně automatikého řízení zkoušky a automatického zpracování. Je patrná i snaha o optimalizace zkoušek z hlediska potřebných manipulačních úkonů, což přináší úsporu času i obsluhy. Činný výkon odebíraný elektronickou zátěží ze svorek připojených ke zkoušenému obvodu je možno v případě malých výkonů a občasného provozu mařit v odpornících, stejně tak je technicky možné jej rekuperovat zpět do napájecí sítě.

Speciální laboratorní sestavy

Speciálním případem je kombinace obou aplikací, kdy je možno vytvořit laboratorní pracoviště sloužící ke zkouškám a měření aktivních filtrů kompenzujících zpětné vlivy různých typů zátěží. Celé laboratorní pracoviště je přitom sestavené z generátorů proudu. K tomuto účelu vyvinula naše firma modulární systém umožňující jednoduché testy a zkoušky zpětných vlivů zátěží na síť a zkoušky aktivních filtrů. Základní stavební jednotkou systému je jednofázový generátor proudu, který v závislosti na konfiguraci zkoušky může simulovat zátěž nebo sloužit jako výkonový stupeň aktivního filtru.

Realizace

Podíváme-li se blíže na základní stavební prvek vyvinutého modulárního systému - modul generátoru proudu GENAC, zjistíme, že z obvodového hlediska se jedná o napěťový měnič se stejnosměrným meziobvodem. Injektovaný proud je do uzlu přiváděn přes vazební indukčnost. Polovodičové spínací prvky jsou typu IGBT (bipolární tranzistor s izolovanou řídící elektrodou) a topologicky tvoří jednofázový můstek. Použité IGBT jsou moderní konstrukce, použitelné pro spínací frekvence až 50 kHz. Takto vysoká spínací frekvence umožňuje dosáhnout nízkého zvlnění injektovaného proudu. Druhá cesta ke snížení zvlnění proudu - vysoká hodnota vazební indukčnosti - by neúnosně omezila nejvyšší dosažitelnou frekvenci injektovaného proudu a tím šířku pracovního pásma generátoru. Řídící obvody měniče regulují injektovaný proud podle požadovaného průběhu proudu. Aby byla možná injektáž proudu nezávisle na napětí v připojovacím uzlu, musí být stejnosměrné napětí v meziobvodu vyšší, než špičková hodnota napětí v uzlu. Toho je možné dosáhnout doplněním malého činného proudu do injektovaného generátorem, o což se postarají regulační algoritmy generátoru proudu. Obvody měření a řízení jsou klíčovou součástí zařízení, uplatní se zde moderní prostředky elektroniky včetně výkonných mikroprocesorů a programovatelných logických obvodů.

Shrnutí

Generátory proudu patří mezi základní aplikace výkonové elektroniky. V modulárním provedením jsou tak záklaním kamenem pro realizaci aktivních filtrů, zkušebních pracovišt a laboratorních sestav. Základními parametry jsou jmenovitý proud, který je filtr schopen dodat při jmenovitém svorkovém napětí a pracovné šířka pásme - tedy nejvyšší frekvence proudu při které lze ještě dodat jmenovitý proud.