Vedoucí laboratoře: Ing. Radko Semerád

V Laboratoři výkonové elektroniky jsou řešeny současné problémy spojené s obvodovými strukturami elektronických výkonových měničů, s algoritmy jejich digitálního řízení a diagnostikou těchto měničů. Je analyzováno vzájemné působení elektronických výkonových měničů jak se stroji, které jsou z nich napájeny, tak s napájecí sítí, ke které jsou připojeny.

Výsledky výzkumu jsou aplikovány v měničích zlepšujících kvalitu dodávky elektrické energie a řízení elektrických pohonů v průmyslových provozech, jako jsou např. čerpadla, ventilátory a kompresory v těžebním, metalurgickém a chemickém průmyslu a v energetice.

Průmyslový pohon s asynchronním motorem (AM).

Pro velké průmyslové pohony se často využívají trojfázové asynchronní a synchronní motory napájené vysokým napětím, např. 6kV. Regulaci momentu a otáček motorů umožňuje napájení motorů z frekvenčních měničů řízených pomocí sofistikovaných algoritmů. Pro regulaci AM napájeného z vícehladinového napěťového měniče byla modifikována, numericky namodelována a následně implementována vektorová regulace statorového magnetického toku (Stator Flux Vector Control). Funkce navržených algoritmů i řídicího hardwaru byly ověřeny nejprve v laboratoři ÚT na modelovém pohonu s nízkonapěťovým 4-hladinovým střídačem a poté na pohonu s prototypem střídače INVERT. Výsledky experimentů prokázaly plnou funkčnost navrženého zařízení.
Řešitel: Ing. P. Kokeš, Ing. R. Semerád
Spolupráce: ČKD elektrotechnika, a.s.

Vícehladinový měnič s plovoucími kondenzátory.

Na základě požadavků spolupracující firmy byly analyzovány různé topologie vícehladinových měničů vhodných pro vysokonapěťové napájení ze sítě 10kV a poté zvolena topologie 4-hladinového střídače s plovoucími kondenzátory a prvky IGCT. Bylo nutné navrhnout, simulacemi ověřit a do řídicího regulátoru implementovat vícehladinový vektorový modulátor a systém balancování napětí na plovoucích kondenzátorech střídače. Dále byl navržen a realizován systém měření napětí a proudů ve vysokonapěťovém měniči s přenosem po optických vláknech. Navazující výzkum se týká 7-hladinového měniče s výkonovými tranzistory IGBT. Měnič může plnit funkci střídače (VSI), PWM usměrňovače (AFE), kompenzátoru nebo i aktivního filtru (APF).
Řešitel: Ing. P. Kokeš, Ing. R. Semerád
Spolupráce: ČKD elektrotechnika, a.s.

Řídicí systém pro aktivní paralelní filtr (APF).

Pro použití v měniči APF byl upraven řídicí systém pro pulzně řízený usměrňovač (AFE), který využívá LQR regulátor proudu na střídavé straně s anti-windup členem a nadřazeným regulátorem stejnosměrného napětí. Regulátor LQR reguluje kromě první i vybrané vyšší harmonické složky vstupního proudu. V AFE musely být tyto vyšší harmonické složky nulové, v APF je naopak musí měnič do sítě dodávat a tím je v síti filtrovat. Současně je možné regulovat i jalový proud z měniče APF a tím kompenzovat účiník v síti. Regulační algoritmy byly implementovány do regulátoru Emadyn F a odzkoušeny na nn a vn měničích a jsou funkční. Se spínacím kmitočtem měniče 800Hz jsme dosáhli velmi dobrého potlačení lichých harmonických složek proudu sítě až do řádu 11. S omezením lze kompenzovat i nesymetrický odběr činného výkonu zátěží, APF pak musí dodávat i zpětnou 1. harmonickou složku činného výkonu.
Řešitel: Ing. P. Kokeš, Ing. R. Semerád
Partnerská organizace: ČKD ELEKTROTECHNIKA, a.s.

Pulzně řízený usměrňovač (AFE)

Diodové a tyristorové usměrňovače se vyznačují nevýhodnými vlastnostmi v oblasti elektromagnetické kompatibility s napájecí sítí a celkovou nehospodárností při přeměně elektrické energie. Novým typem měniče je pulzně řízený usměrňovač (AFE), kde na rozdíl od původního diodového můstku je ke každé diodě antiparalelně připojen IGBT tranzistor, který spíná s frekvencí v řádu 1-10kHz. Spínáním IGBT tranzistorů se řídí činnost usměrňovače tak, aby proud odebíraný ze sítě byl harmonický a účiník jednotkový. Tento typ měniče je rovněž schopen úspěšně reagovat na nesymetrii napětí v napájecí síti. K regulaci pulzně řízeného usměrňovače byl zvolen princip vektorového řízení. Zadávanými veličinami jsou požadovaný činný a jalový výkon, který má být odebírán ze sítě. Počítačový model obsahuje kompletní regulační algoritmus a také všechny hardwarové části zařízení. V další etapě se ověřují algoritmy v laboratoři na zmenšeném modelu měniče, včetně jeho napájení z nesymetrické sítě a včetně stejnosměrné zátěže.
Řešitel: prof. Ing. V. Valouch, CSc., Ing. J. Škramlík, CSc., Ing. M.Bejvl, Ing. P. Šimek.

Řídicí techniky měničů na síti v podmínkách síťových poruch

Elektrické výkonové měniče napěťového typu (VSC – Voltage Source Converter) jsou pro svou vysokou dynamiku a možnosti snadného řízení toku procházejících výkonů nejužívanějšími měniči při konverzích elektrické energie. Měniče na síti se musí mimo jiné vyrovnat i se síťovými poruchami, což je třeba reflektovat při návrhu jejich řídicích systémů.
Byla analyzována problematika moderních řídicích technik měničů připojených k sítím rozptýlených zdrojů energie. Analýza principů a porovnání hlavních řídicích struktur a pracovních režimů těchto měničů zahrnuje: synchronizační techniky „droop“ strategie, metody výpočtu referenčních proudových signálů pro měniče v podmínkách síťových poruch, topologie síťových filtrů a odpovídající strategie tlumení, struktury proudových regulátorů, techniky eliminace harmonických a postupy synchronizací pro připojování mikrosítí k sítím nadřazeným.
Řešitel: prof. Ing. V. Valouch, CSc. a kolektiv.