Jõuelektroonika põhifunktsioonid ja muundurite liigitus
Jõuelektroonika ja elektrienergia muundamise põhifunktsioonid on järgmised:
- Alaldamine, s.o. vahelduvvoolu muundamine alalisvooluks. Seejuures energia edastub
vahelduvvoolusüsteemist alalisvoolusüsteemi.
- Vaheldamine, s.o. alalisvoolu muundamine vahelduvvooluks. Seejuures energia edastub
alalisvoolusüsteemist vahelduvvoolusüsteemi.
- Alalisvoolu muundamine teise pinge või polaarsusega alalisvooluks.
- Vahelduvvoolu muundamine teistsuguse pinge, sageduse või faaside arvuga
vahelduvvooluks. Alaldite ja vaheldite korral on energia suund pidevalt ühesugune, alalis- ja
vahelduvvoolumuundurite puhul võib energiavoo suund ajaliselt muutuda.
Muundurite tähtsaimad komponendid on jõupooljuhtseadised ehk jõupooljuhid – jõudioodid, –
türistorid ja -transistorid. Jõupooljuhte lülitatakse vaheldumisi sisse ja välja, juhtides
(kommuteerides) voolu kord ühte, kord teise muunduri harusse. Voolu üleminekut muunduri
ühest harust teise nimetatakse kommutatsiooniks.
Muundurid sisaldavad lisaks jõupooljuhtidele hulgaliselt teisi seadmeid – toitetrafosid,
siludrosseleid, kondensaatoreid, elektromagnetiliste häirete filtreid, voolu- ja pingetrafosid,
tüürahelate impulsstrafosid jne. Muundurit juhib juhtsüsteem, mis on jõuahelatest
galvaaniliselt eraldatud. Juhtsüsteem peab lisaks optimaalse talitluse tagamisele teostama
muunduri väljundsuuruse mõõtmisi, reguleerimist, tagama liigpinge- ja liig¬koormuskaitse,
sünkronisatsiooni toitevõrguga, side juhtarvutiga jne. Keerulisemate muundurite juhtseadmed
sisaldavad mikroprotsessorit.
Vahelduvvoolu pooljuhtlülitid ja -regulaatorid
Vahelduvvoolu pooljuhtlüliteid kasutatakse elektriseadmete (elektriajami, kuumu¬tusseadme
jms.) jõuahelate kontaktivabaks lülitamiseks. Kui pooljuhtlüliti juh¬timissüsteemi täiustada
nii, et pooljuhtlüliteid, nt. türistore, saab sisse lülitada teatud viitega perioodi algusest, siis
saab viite muutmisega reguleerida väljundpinge ja -voolu parameetreid. Sellist seadet
nimetatakse vahelduvpinge regulaatoriks.
Alaldiga muundatakse vahelduvpinge alalispingeks. Voolu üleminek ühest alaldi harust teise
toimub sisendpingete mõjul e. loomuliku kommutatsiooniga. Alaldid võivad olla kas
mittetüüritavad – dioodlülitused – või tüüritavad, kus kasutatakse türis¬tore. Kasutatakse ka
osaliselt tüüritavaid alaldilülitusi, kus ainult pooled ventiilidest on türistorid ja ülejäänud
dioodid. Tüüritavate ja osaliselt tüüritavate alaldite väljundpinget saab reguleerida muutes
türistoride sisselülitamishetke alates türistoridel päripinge tekkimise hetkedest.
Kui tüüritava alaldi türistoride viide sisselülitamisel on suur ja väljundpinge osutub
madalamaks koormuse pingest, siis tagastatakse koormuses salvestunud energiat va-
helduvvooluvõrku. Seda nimetatakse vahelditalitlusesks ja vastavat seadet võr¬guga
sünkroniseeritud vaheldiks (inverteriks). Vaheldi saab energiat vahelduvoolu¬võrku anda
ainult siis, kui vahelduvvooluvõrgus on olemas vahelduvpinge ning energiat tarbida suutvad
toiteallikad või seadmed. Tüüritavad alaldid ja võrguga sünkroniseeri¬tud vaheldid
moodustavad duaalse süsteemi, st. ühed ja samad tüüritavad muundurilüli¬tused võivad
töötada nii alaldi kui vaheldina.
Selliseid seadmeid, mis muundavad toitevõrgu vahelduvpinge teise sageduse ja/või faaside
arvuga vahelduvpingeks seda vahepeal alaldamata, nimetatakse vahetuteks ehk võrguga
sünkroniseeritud sagedusmuunduriteks.
Koormusega sünkroniseeritud ja resonantsmuundurid
Koormusega sünkroniseeritud vaheldi koormuseks on LC-võnkering, mille koosseisu kuulub
vahelduvvoolu tarbija. Resonantsvaheldi koosseisu kuulub LC-võnkering, mille väljundist
saadakse vahelduvpinge koormuse toiteks. Kui resonantsvaheldi väljundisse lülitada alaldi,
siis saame resonants-alalispingemuunduri. LC-võnkeringi resonants-sagedus on mõlemal
muunduril ligilähedane vaheldi väljundsagedusele. Kasutades pooljuhtlülititena türistore on
võimalik saavutada selline olukord, kus türistorid sulgu¬vad väljundpinge mõjul loomuliku
kommutatsiooniga samuti kui võrguga sünkroni¬seeritud muundurites. Väljundpinge sagedus
on siis määratud võnkeringi resonants-sagedusega, mitte juhtsüsteemi etteandesagedusega.
Transistoride kasutamisel lülita¬takse neid nii, et LC-võnkering töötaks resonantsi läheduses.
Olenevalt sellest, kas võnkering on rööbitine (vooluresonants) või jadavõnkering
(pingeresonants), nimetatakse muundureid vastavalt kas rööpresonantsvahelditeks või
jadaresonantsvahelditeks.
Autonoomsed muundurid
Alalisvoolulülitid võimaldavad alalisvoolutarbijaid sisse ja välja lülitada. Kui alalisvoolu-
lülitit suure sagedusega sisse-välja lülitada, siis on võimalik tarbija pinget ja voolu
reguleerida. Sellist seadet, mis reguleerib pinget tarbijal alalisvoolulüliti suletud oleku kestuse
muutmisega lülitusperioodi suhtes, nimetatakse alalisvoolu regulaatoriks.
Kui lülitada alalispinge koormusele vaheldumisi päri- ja vastusuunas, siis saadakse koormusel
vahelduvpinge. Vastav seade on autonoomne vaheldi ehk autonoomne inverter. Vaheldi
üheks näiteks on katkematu toite allikas (UPS).
Kui vaheldi toiteallikaks on pingeallikas, näiteks võrguga sünkroniseeritud alaldi, mille
väljundis on rööbiti suur mahtuvus, siis nimetatakse seda vaheldit pingevaheldiks. Kui
toiteallikaks on vooluallikas, näiteks võrguga sünkroniseeritud alaldi, mille väljundahelas on
jadamisi suur induktiivsus, siis nimetatakse vaheldit vooluvaheldiks.
Alalisvoolu vahelüliga sagedusmuundurid koosnevad alaldist ja muudetava väljundsageduse
ja -pingega autonoomsest vaheldist. Tavaliselt mõistetakse sagedusmuunduri all sellist
seadet, mis muudab ühe sagedusega vahelduvpinge teise, muudetava sageduse ja pingega
vahelduvpingeks.
Muundurite kasutus- ja võimsusalad
Võrguga sünkroniseeritud muunduritest on kõige suurema võimsusega kõrgepingeliste
alalisvoolu-ülekandeliinide muundurid (alaldid ja inverterid), millede võimsus võib olla
mitmeid GW, pinged üle miljoni V ja vool mitmeid kA. Võimsuselt veidi väiksemad on
elektrolüüsi- ja galvaanikaseadmete alaldid. Sellesse muundurite gruppi kuuluvad ka
elektritranspordi alaldusalajaamad, alalisvoolu ventiilajamite muundurid, akulaadijad,
alalisvoolu toiteplokid ja stabiliseeritud voolu allikad.
Autonoomsetest muunduritest on tähtsaimad staatilised sagedusmuundurid, mida
kasutatakse üha laialdasemalt. Sagedusmuundureid kasutatakse elektritranspordi, tööpinkide,
pumpade, ventilaatorite, kompressorite, konveierite, tsentrifuugide, veskite, saagide,
segumasinate, kraanade, ekstruuderite, valtspinkide, kalandrite, kaevandus-, tekstiili-, paberi-
- masinate asünkroon- ja sükroonmootoritega ajamites. Neid toode¬takse pingeni kuni 10
kV, võimsusega mitmeid MW ja väljundsagedusega mitmeid kHz. Töömasina muutuva
koormusmomendi korral annab sagedusjuhtimisega ajami kasutamine teiste ajamitega
võrreldes suurt energia kokkuhoidu. Reguleeritava kiirusega ajamites saab kasutada
alalisvoolu mootorite asemel töökindlamaid asünkroon- ja sünkroonmootoreid.
Autonoomsete muundurite gruppi kuuluvad vahelduvvoolu asünkroon- ja sünkroonmootorite
ventiilajamid, mis juhivad nende kiirust muutuval või konstantsel toitesagedusel, staatori või
rootori pingel või voolul jne. Ventiilajamite üheks liigiks on ka staatilised sagedusmuundurid,
millest oli eespool juba juttu.
Arvutite laialdane levik esitab kõrgeid nõudmisi elektrienergia kvaliteedile. Järjest rohkem
kasutatakse staatilisi katkematu toite allikaid (UPS).
Alalisvoolu impulssmuundurite pingete ja võimsuste ala on kitsam ja nende kasutamine
alalisvooluajamites väheneb, kuid suureneb alalisvoolumuunduriga (DC-DC muunduriga)
toiteallikate osas.
Koormusega sünkroniseeritavate ja resonantsmuundurite tähtsaim kasutusala on elektrotermia
(induktiivne kuumutus, sulatus ja karastus). Neid kasutatakse ka mikrolaineahjude,
ultraheliseadmete muundurites ja luminestsentslampide pingemuundurites. Reso-
nantsmuundurid töötavad tavaliselt suurel sagedusel ja võimsused võivad ulatuda kümnete
MW-deni. Sagedusvahemik on türistoride kasutamisel 0,75 … 20 kHz, transistoride puhul 10
… ca 500 kHz ja võimsate elektronlampide kasutamisel kuni ca 100 MHz.
Lülitite ja regulaatorite grupis on kõige suurema võimsusega reaktiivvõimsuse
kompensaatorite muundurid. Sellesse gruppi kuuluvad ka vahelduvpinge regulaatorid ja
elektroonilised kaitselülitused. Vahelduvpinge regulaatoreid kasutatakse laialdaselt
kodumasinate mootorite kiiruse juhtimiseks (elektritrellid, pesumasinad, tolmuimejad jne.) ja
valgustite valgustugevuse regulaatorid.
Muundurite põhilised lülitused
Enamkasutatavad muundurite lülitused on standardiseeritud. Muundurite põhilised lülitused ja
tähistused vastavalt DIN standardile on kujutatud tabelis 1.1.[:]
