UNIVERZITET U TUZLI FAKULTET ELEKTROTEHNIKE TEHNIČ TEHNIČKA INFORMATIKA ENERGETSKA ELEKTROTEHNIKA
ENERGETSKA ELEKTRONIKA (PREDAVANJA)
Autorskih prava nema pa ko ho će BUJRUM!!!
ŠG 2008 / 2009
Senad S
ENERGETSKA ELEKTRONIKA (EE) Glavni zadatak EE je upravljanje tokom električ elektri čne energije putem napona i struje, svodeć svode ći ih na optimalnu formu koju zahtjeva potrošač potrošač. EE se bavi prouč prou čavanjem: - sklopova sa električ elektri čnim ventilima - komponenti sklopova sa električ elektri čnim ventilima (prigušnice, trafoi, kondenzatori i sl) - uređ uređaja (pretvarač (pretvarači) i komponenti (regulaciono zaštitni strujni krugovi, krugovi za mjerenje i signalizaciju i sl) - korištenje sklopova i uređ uređaja (međ (međusobni uticaj sa potrošač potrošačem) Podjela uređ aja aja energetske elektronike 3
3
3
3
3 3
tok energije
ispravljač ispravljač
invertor
istosmjerni pretvarač pretvarač
izmjenič izmjenični pretvarač pretvarač
izmjenič izmjenični prekidač prekidač
istosmjerni prekidač prekidač
usmjerivač usmjerivačka tehnika
pretvarač pretvaračka tehnika
energetska elektrotehnika (EE) Blok šema EE u principu sastoji se iz sledeć slede ćih elemenata Izvor energije
U 1 , I 1 , f 1 , P 1
Energetski dio
U 2 , I 2 , f 2 , P 2
Pretvarač Pretvarač
Informacija u energetskom dijelu
Informacioni dio
Informacija u željenim izlaznim velič veli činama
1
Senad S U principu uvijek imamo dva dijela: - energetski i - informacioni U energetskom dijelu obavljaju se energetske transformacije, to je zapravo izvršni organ u koga se uvodi energija na ulazu, a na izlazu je spojen potrošal (motor ili nešto drugo). U informacionom dijelu dolaze sve informacije o željenim izlaznim velič veli činama i na osnovu obrađ obrađenih informacija informacioni dio upravlja radom energetskog dijela. Primjena uređ aja aja energetske elektronike U uređ uređajima EE preoblikovanje energiej se obavlja sa vrlo malim gubicima, tj sa vrlo dobrom dinamikom te se zbog toga ovi uređ ure đaji primjenjuju u raznim djelatnostima: - procesna industrija industrija (EMP elektromotorni pogoni, pogoni, elektrotermija, elektrohemija elektrohemija i sl) - proizvodnja i prenos električ električne enrgije (uzbuda sinhronog generatora, kompenzacija jalove energije, uključ uključenje i isključ isključenje električ električnih krugova i sl) - besprekidno napajanje napajanje (istosmjerno i naizmjeni naizmjeniččno) - transport (el vuč vuča, željeznice, vozila, dizalice i sl) - kuć kućanski aparati i priruč priručni alati (regulirani mali pogoni, grijanje, rasvjeta, upravljanje i sl) - komunikacije
DIODA Dioda je ne upravljivi ventil i predstavlja ne linearnu otpornost. katoda K
N A
Ns P
oklop
anoda
P + i N + su jako dotirani slojevi a Ns i Ps su slabo dotirani slojevi.
2
Senad S Stati čk a karakteristika diode
propusna karakteristika Δ I
ΔU
zaporna karakteristika
Statičke karakteristike diode su strujno – naponske karakteristike tj predstavljaju zavisnost: - propusne struje diode u zavisnosti od propusnog napona If = f(Uf) - zaporne struje od zapornog napona Ir = f(Ur) Karakteristika svake diode je da pri određenoj vrijednosti zapornog napona struja naglo poraste i nastaje proboj PN spoja, a taj napon se zove probojni napon Uprob. Strujno – naponske karakteristike su zavisne od temperature okoline, sa pove ćanjem temperature raste zaporna struja uz neznatno pove ćanje zapornog napona, a pad napona je manji u propusnom područ ju. Nominalni parametri diode -
nominalna propusna struja If je maximalna dozvoljena struja diode pri kojoj se ne premašuje dozvoljena radna temperatura. Si diode se rade za struje 1000 – 1500 A a Ge za nešto niže nominalni propusni napon Uf je pad napona na propusno polarizovanoj diodi pri nominalnoj propusnoj struji. Si diode imaju Uf = 1 – 1.4 V a Ge nešto niže napon početka vođenja Us je napon pri kojem dioda počinje voditi struju. Za Si diode 0.4 – 0.8 V a Ge nešto niže nominalni zaporni napon Ur je maximalni napon koji dioda može podnijeti u ne propusnom područ ju a da ne dođe do proboja. Za Si diode 4 – 5 kV a za Ge nešto niže nominalna zaporna struja Ir je struja koja teče kroz diodu pri nominalnom zapornom naponu 3
Senad S ΔU predstavlja otpornost propusno polarisane diode Δ I
-
dinamička otpornost r D =
-
nominalna temperatura je temperatura pri kojoj snaga disipacije (gubitaka) Pr, pri proticanju If ne prelazi dopuštenu vrijednost.
Dinami čk e osobine diode Proces preklapanja diode iz propusnog u zaporno stanje i obrnuto je takav da se stacionarno stanje ne ostvaruje trenutno. Kada se preklapa dioda u propusno stanje (kada napon izvora promjeni polaritet) potrebno je izvjesno vrijeme da bi nosioci naboja stigli u središte i preplavili ga. Važi i obrnuto kada se dioda isključi zbog promjene polariteta potrebno je i nakon vremena kada je struja nula da se nosiocinaboja vrate u jako dotirano područ je. Upravo zbog toga da bi se dioda mogla ponovo uključiti potrebno je obrzbjediti vrijeme oporavka ''top''. Uključenje
UAK
Zaporno stanje
Isključenje
Propusno stanje
t
i
t
Pri procesu uključenja i isključenja javljaju se gubici koji su srazmjerni frekvenciji (manipulaciji) uključenja – isključenja. Pri projektovanju električnih sklopova sa diodama pored nominalnih veoma su važni i eksplatacioni parametri kao što su: - sposobnost podnošenja preopterećenja tj udarne struje koja zapravo predstavlja sinusni poluval struje u trajanju 10ms pri frekvenciji 50Hz. Poslije cirka 100 – 150 udaraca dolazi do uništenja diode
4
Senad S -
opteretna sposobnost diode je dopuštena vrijednost propusne opteretne struje pri trajnom radu i nominalnim uslovima hlađenja dopuštena temperatura okoline. Za Si diode – 40 – 140°C mehanička čvrstoća je sposobnost diode na vibracije, udarce i sli čno. To je sposobnost da može izdržati određene udarce bez oštećenja i ovo je vrlo važno za mjesto ugradnje uređaja.
BIPOLARNI TRANZISTOR Tranzistor je troslojna upravljačka struktura koja može biti PNP ili NPN tipa.
N
P
E
P
E
B
B
P
N
E
C
C
N
E
C
C
B
B
Stati čk e karakteristike tranzistora
Ic Ic=
Ucc Rc B
Ib5
Ib4 Karakteristično opterećenje
Ib3 Ib2 Ib1 Ib=0
A
Uce Ucc Uccmax
Tranzistor ima tri elektrode: - E – emiter - C – kolektor - B – baza Najčešće se koristi spoj sa zajedničkim emiterom (ZE). Zavisno od načina polarizacije E i C prelaza, rad tranzistora se odvija u tri karakteristi čna područ ja:
5
Senad S
I je tzv aktivno područ je i u tom područ ju uglavnom rade linearni pojačavački sklopovi, tj svuda tamo gdje za male signale između napona i struje vladaju linearni odnosi. U ovom područ ju je emiterski prelaz PN polarisan propusno.
II u ovom područ ju i emiterski i kolektorski PN prelaz mora biti polarisan ne propusno. To je tzv područ je odreza u kome tranzistor ne vodi, zakočen je.
III u ovom područ ju moraju oba prelaza biti propusno polarisana i tada je tranzistor u zasićenju. Ako se radna tačka tranzistora pomjera iz tačke A u tačku B po karakteristici opterećenja i obrnuto iz tačke B u tačku A onda tranzistor radi kao prekidač. Područ je odreza (tačka A) i područ je zasićenja (tačka B) su najvažniji parametri tranzistora u prekidačkoj tehnici. Dinami čk e karakteristike tranzistora Kada tranzistor radi kao prekidač njegove osobine su određene promjenom odnosno brzinom preklapanja iz vodljivog u ne vodljivo i obrnuto, kao i disipacijom snage (gubicima) koji se pri tome javljaju. ib UKLJUČENJE Ib1 t uce, i, p
p = uce * ic
100% 90% ic uce 10%
t tuk
tup tuključ
Vrijeme uključenja, preklapanja tranzistora iz ne vodljivog u vodljivo stanje ne odvija se trenutno. To je zato što je potrebno izvjesno vrijeme za preklapanje i otpuštanje nosioca naboja u bazi. Pri ovom procesu javljaju se gubici izraženi kao p = U ce ⋅ ic Vrijeme uključenja t uklju = t uk + t up č
6
Senad S t uk - vrijeme kašnjenja uključenja t up - vrijeme porasta struje kolektora Vrijeme kašnjenja uključenja je vrijeme potrebno da kolektorska struja naraste na 10% svoje konačne vrijednosti. Vrijeme porasta struje kolektora računa se ono vrijeme potrebno da struja naraste od 10% svoje vrijednosti na 90% svoje konačne vrijednosti.
ib ISKLJUČENJE ib1 t uce, i, p
p = uce * ic
100% 90% uce ic 10%
t tio
tip tisključ
Vrijeme isključenja t isklju = t io + t ip t io - vrijeme odgađanja isključenja t ip - vrijeme pada kolektorske struje Vrijeme odgađanja isključenja je vrijeme potrebno da kolektorska struja padne na 90% svoje početne vrijednosti. Vrijeme pada kolektorske struje je vrijeme potrebno da se ona smanji na 10% po četne vrijednosti. Kao što se vidi gubici su p = U ce ⋅ ic proporcionalni naponu i struji u posmatranom periodu. Smanjenje gubitaka može biti jedino izborom tranzistora sa kratkim vremenom uklju čenja i isključenja. č
7
Senad S
DINISTOR Dinistor je elektronička struktura sastavljena od četiri sloja silicija koji se međusobno izmjenjuju.
Od katode prema anodi izmjenjuju se slojevi silicija N1, P2, N3, P3 tako da dinistor ima tri PN prelaza. Ovakva četveroslojna struktura može se predstaviti i najčešće predstavlja kombinacijom dva komplementarna tranzistora tipa NPN i PNP.
šema dinistora
šema dinistora zamijenjena sa dva komplementarna tranzistora
α 1 , α 2 - faktori strujnog pojačanja
Očigledno je da važi da je I II = I I ⋅ α 1 + I III ⋅ α 2 + I CO I CO - inverzna struja zasićenja kolektora Kako je I I = I II = I III = I onda je I = I ⋅ (α 1 + α 2 ) + I CO => I [1 − (α 1 + α 2 )] = I CO Poslednji izraz predstavlja ravnotežu struja u dinistoru. U određenom trenutku kada se ispostavi da je α 1 + α 2 = 1 tada je I CO = 0 i tada dinistor provede (vodi).
8
Senad S Stati čk e karakteristike dinistora
propusna karakteristika blokirna karakteristika
zaporna karakteristika
Dio karakteristike 0A predstavlja blokirno stanje dinistora, teče vrlo mala struja a diferencijalna otpornost dinistora dotiče nekoliko MΩ. U tački A diferencijalna otpornost pada na nulu, struja naglo raste pri neznatnom povišenju napona. U tački A ima se tzv preklopni napon i preklopna struja. Na dijelu AB struktura ima negativnu otpornost i u tom područ ju dinistor ima nestabilan rad. Zbog toga se radna tačka vrlo brzo premješta na karakteristiku BC koja odgovara propusnom stanju dinistora. Diferencijalna otpornost je ponovo pozitivna, vrlo male vrijednosti, nekoliko desetinki Ω. Zbog toga je pad napona dinistora veoma mali. Da bi dinistor ostao u propusnom stanju, struja kroz njega mora uvijek biti ve ća od struje držanja I H .
9
Senad S
TIRISTOR Prema konsultivnoj izvedbi tiristor od dinistora se razlikuje po tome što ima izvedenu upravljačku elektrodu iz baze do katode, za zajednički izvod za katodni upravljački krug.
Stati čk e osobine glavnog kruga tiristora
propusna karakteristika blokirna karakteristika
zaporna karakteristika
Ako tiristor spojima na izvor istosmjernog napona čiji polaritet se može mijenjati onda se dobiju sledeće statičke karakteristike: - Propusna I f = f (U f ) - Blokirna I BL = f (U BL ) - Zaporna I R = f (U R ) Propusna statička karakteristika predstavlja zavisnost trenutne vrijednosti struja propusno polarisanog tiristora u odnosu na padove napona u tiristorima.
10
Senad S Karakteristika se može aproksimirati pravcima čiji nagib zavisi od temperature u kojoj radi ΔU F tiristor, zapravo od diferencijalne otpornosti tiristora R D = , ako je temperatura θ> Δ I F slijedi R D >. Zaporna karakteristika ima dva područ ja, srednji gdje se struja vrlo mijenja pri povećanju napona tj ima karakter zasićenja. Pri postignutoj vrijednosti probojnog napona zaporna struja naglo poraste (drugi dio karakteristike), ovo zbog naglog povećanja nosilaca naboja. I ova karakteristika je temperaturno ovisna. Blokirna karakteristika predstavlja zavisnost pozitivnog napona između anode i katode U AK . Kao što se vidi sa dijagrama struja u srednjem naponskom područ ju neznatno raste sve dok se ne postigne vrijednost preklopne struje I PR kada tiristor preklopi u propusno područ je. Na blokirnu karakteristiku može se uticati upravljanjem strujom I UEF na taj način što se povećanjem ove struje zapravo smanjuje vrijednost potrebnog preklopnog napona i tiristor brže provede. Stati čk a karakteristika upravlja č kog kruga tiristora granične propusne karakteristike
propusne karakteristike
zaporne karakteristike normalno područ je rasipanja
granične zaporne karakteristike Kao što se vidi sa dijagrama obje karakteristike propusna i zaporna imaju veliko rasipanje. Zbog toga je vrlo važno da sen e prekora či vrijednost upravljačkog napona. Ono što je posebno važno je to da se ne prekorači brzina promjene upravljačkog napona i upravljačke du di struje i , kako bi se izbjegle pojave prenapona što može izazvati ošte ćenje tiristora. dt dt Dakle, potrebno je ostvariti provođenje tiristora sa minimalnom upravljačkom strujom i naponom. Pri svemu ovome važno je razlikovati područ je mogućeg i sigurnog vođenja tiristora.
11
Senad S
područ je mogućeg vođenja
područ je sigurnog vođenja područ je mogućeg vođenja
U ovom slučaju kako bi tiristor bio u područ ju sigurnog vođenja treba strogo voditi računa o opteretnoj upravljačkoj struji koja ne smije prolaziti u obliku pikova (šiljaka). Nekoliko uzastopnih ovakvih udara može uništiti tiristor.
NAČINI UKLJUČIVANJA TIRISTORA Uključ ivanje preko anode
I AK =
U AK R
Pri postepenom povećanju napona izvora Uo radna tačka prolazi desno po karakteristici 0R. Kada se u toj tačci napon izvora izjednači sa preklopnim naponom radna tačka (recimo R0 ) skokovito prelazi u tačku R3 .
12
Senad S Efekat du/dt
tiristor predstavljen sa dva komplementarna tranzistora Uključenje tiristora može nastati ako se na njegovu anodu dovede pozitivan napon velike du brzine porasta zbog čega se i ovaj način tako naziva. Treba naglasiti da uzastopna dt uklapanja tiristora na ovaj način nisu poželjna jer može doći do toga da tiristor ne provede, ovo zbog toga što se u tiristoru javlja ne kontrolisani prelazni proces. Pri naglom porastu anodnog napona poteče struja kroz BE prelaz svakog tranzistora odnosno kroz kapacitet C j 2 . Kako sa porastom struje raste i strujno pojačanje od oba tranzistora u određenom trenutku kada je α 1 + α 2 = 1 tiristor preklopi tj provede. Uključ enje upravljač kom strujom
Za ovaj način uključenja tiristora potrebno je pored glavnog kruga na jedno od baznih područ ja spojiti izvod za upravljački krug. Na taj način je omogućeno dovođenje nosilaca naboja u P bazu nezavisno od struja u krugu opterećenja. Dakle, moguće je povećanjem struje I UE dovesti tranzistor u zasićenje kada je I CO = 0 odnosno u područ je velike vodljivosti. Na ovaj način se pri manjim vrijednostima struje kroz strukturu postiže brže polarisanje kolektorskog prelaza a cijela NPNP struktura u podru č je visoke vodljivosti.
13
Senad S
VRSTE UPRAVLJANJA TIRISTORIMA Uključenje tiristora upravljačkom strujom može biti izvedeno na dva načina: pomoću istosmjerne struje tzv vertikalno upravljanje i pomoću impulsa tzv horizontalno upravljanje. Vertikalno upravljanje se ostvaruje pomoću različitih vrijednosti upravljačkog napona dovedenog između anode i katode. Kod ovog načina koristi se zavisnost napona tiristora od upravljačke struje, dakle pri porastu upravljačke struje tiristor provede pri nižim preklopnim naponima. U AK IF U AK IF
ωt UUEF
ωt Kao što se vidi sa dijagrama promjenom upravljačkog napona ugao početka vođenja tiristora može se mijenjati od 0 ÷ 90° električnih. Upravljanje iznad 90° električnih nije moguće a u okolini ugla 90° upravljanje je nestabilno. Obzirom da se ne može vršiti upravljanje po cijeloj periodi izmjeničnog napona ovaj način se u praksi i ne primjenjuje. Kod horizontalnog upravljanja tiristor provede zbog djelovanja upravljačkog impulsa koji se može fazno pomjerati.
14
Senad S U AK IF
U AK IF U AK
U AK
IF IF
ωt UUEF
ωt
UUEF
ωt
ωt
Impuls mora biti dovoljno ''visok'' da i kod malih napona izme đu anode i katode nastane sigurno uključenje tiristora. Kao što se vidi ugao upravljanja α može se pomjerati po cijeloj poluperiodi izmjeničnog napona tako da se ovaj način u praksi isključivo i koristi.
DINAMIČKE OSOBINE TIRISTORA Proces uklječ enja tiristora U AK
0,9
0,1
t t z
t pr
IUEF
t
15
Senad S Ako u blokirnom stanju tiristora poslije vremena t z - vrijeme odgode uključenja tiristora koje je reda 1.5 ÷ 300 μs, dovede upravljački impuls nastaje prelom njegove naponske karakteristike. Realno preklapanje se odvija u vremenu t pr = 0.2 ÷ 5 μs tako da je ukupno vrijeme uključenja tiristora t uklju = t z + t pr Vrijeme odgode uključenja t z smanjuje se sa povećanjem visine i brzine promjene upravljačke struje. č
U AK
U AK
t IUEF
t
IUEF
t a) blagi uspon upravljačkog impulsa
t b) strmi uspon upravljačkog impulsa
Preklopno vrijeme t pr se povećava sa povećanjem strmine opteretne struje I F a smanjuje sa povećanjem brzine uspona upravljačke struje.
16
Senad S U AK
IF
t U AK
a) mala strmina opteretne struje I F (malo t pr )
IF
t b) velika strmina opteretne struje I F (veliko t pr ) Proces isključ enja tiristora u,i t op t V
I AK UF 0
dU AK U AK dt
t
IPV IINV povratna inverzna struja
Pri isključenju tiristora nastaju dva procesa u komutacionom krugu. Jedan je ponovno postizanje zapornih osobina nakon zapornog vremena kašnjenja t V , a drugi je ponovosticanje osobina blokiranja nakon značajno dugog vremena oporavka tiristora t op . Pri strmom opadanju opteretne struje I F kroz nulu nosioci naboja su još uvijek uskladišteni u pločici. Upravo zbog toga struja još izvjesno vrijeme (nekoliko μs) raste ali u negativnom 17
Senad S smjeru. Čim nosioci naboja iz odgovarajućeg PN spoja budu povučeni onda elemenat na sebe preuzima zaporni napon a povratna struja lagano opada na vrijednost zaporne struje. Vrijeme prolaska struje kroz nulu i preuzimanje zapornog napona zove se zaporno kašnjenje t V . Ovo vrijeme zavisi od strmine prolaska struje kroz nulu, praktično od veličine njene efektivne vrijednosti. Stati čk a strujno – naponska karakteristika DIAC – a Diak je diodni izmjenični prekidač, koji se može realizirati sa dva antiparalelno spojena dinistora, koji propuštaju struju jedan u jednom a drugi u drugom smjeru. Nažalost takva struktura je skupa za praktičnu upotrebu pa je razvijena petoslojna struktura NPNPN tipa nazvana DIAK. I A A1
A2
IH -U A1,A2
U A1,A2
-UPR0 UPR0 -IH
-I A
Kao što se vidi kod ove strukture postoji potpuna simetri čnost statičkih karakteristika koji se dobijaju za oba polariteta kritičnog napona. Upravo zbog toga se koristi u prekidačkoj tehnici. Ova struktura nije upravljiva.
18
Senad S
Stati čk a strujno – naponska karakteristika TRIAC – a I A A2
A1 UE
IUE2
IH -U A1,A2
IUE1 IUE0
-UPR0 -UPR1 -UPR2
U A1,A2
UPR2 UPR1 UPR0
-IUE0 -IUE1 -IUE2
-IH
-I A
Triak je petoslojna upravljiva struktura tj troelektrodni poluvodički izmjenični prekidač struje. Može propuštati struju u oba smjera. Preklopni napon može se posti ći pri različitim vrijednostima upravljačke struje I UE , a upravljačkim naponom može se uticati na smjer proticanja struje. Važno je napomenuti da propusna struja ne smije biti manja od I H struje držanja. Kada je ova struja manja zapravo struktura ne vodi.
SPAJANJE TIRISTORA Serijsko spajanje tiristora Tiristori se spajaju u seriju da bi se postigla veća vrijednost radnog napona pretvarača. Pri tome treba uzeti u obzir: - neravnomjernu raspodjelu propusnog i zapornog napona zbog neravnomjernih propusnih i zapornih struja - neravnomjernu raspodjelu napona na tiristorima za vrijeme prelaznog procesa (komutacije) - nejednakost upravljačkih struja tiristora
19
Senad S
IF 1
Th1
Uf1
Th2
Uf2
Th3
Uf3
2
3
Ith
Ith
UF Uf1 Uf2 Uf3
Da ne bi pojedinačno tiristori bili ugroženi neophodno je da se napon izvora ravnomjerno raspodjeli na svaki tiristor. Ukoliko su naponi različiti na tiristorima onda se vrši šentiranje tiristora otporima.
Us U1 Th1
U2 Th2
Un Th3
Šentiranjem tiristora vrši se zapravo smanjenje napona tiristora za odgovaraju ću vrijednost. Ako je smanjenje napona za α% onda je ukupni napon serijske veze U S =
α
⋅ n ⋅ U gdje je 100 U – propusni napon jednog tiristora. Recimo da je α = 90% onda je U S = 0.9 ⋅ n ⋅ U Svakako najnepovoljniji slučaj se ima kada jedan tiristor ima odvodnu struju 0 a ostalih n – 1 U tiristora maximalnu odvodnu struju I OMAX . Kroz šentirajuću otpornost teče struja jer je RŠ U − U napon jednak nominalnoj vrijednosti. Na ostalih n – 1 tiristora vlada napon S odnosno n −1 U S − U U kroz njih teče struja . Zbir svih struja jednak je pa je RŠ (n − 1) ⋅ RŠ U S − U α U = I OMAX + ⋅ n ⋅ U U S = . Kako je => RŠ (n − 1) ⋅ RŠ 100 U (100 − α ) ⋅ n U 100 ⋅ (n − 1) ⋅ = RŠ = gdje je K 1 = 100 ⋅ (n − 1) I OMAX K 1 ⋅ I OMAX (100 − α ) ⋅ n
20
Senad S
U praksi se ponekad šentiranje vrši i sa kondenzatorom kapaciteta 0.01 ÷ 0.05 μF a kapacitet I se računa C = 10 ⋅ F gdje je I F − struja kroz tiristor pri komutaciji a U V − vršni napon koji U V je dopušten za odgovarajući tiristor. Paralelno spajanje tiristora Kada je opteretna struja veća od nominalne struje tiristora tada se vrši paralelno spajanje tiristora. Vrlo je teško odabrati tiristore istih karakteristika tako da se skoro redovno javlja problem nejednake raspodjele struje na pojedinim tiristorima. To se donekle može eliminisati na dva načina: - selekcijom tiristora po propusnim okolnostima - serijskim spajanjem sa tiristorima otpornosti ili induktivnosti za izjednačenje struje
IF 1
2
1’
If1’
2’
Th1’
R
Th2’
R
If1 If1’ If2’ If2
If2’ UF Očito je da korištenjem otpora R u seriju sa tiristorima smanjuje se razlika propusnih struja pri istom propusnom naponu. U praksi se često za izjednačenje struja paralelno spojenih tiristora koriste prigušnice za izjednačenje koje se spajaju na sledeći način
Th1
Th2
Th3
Na istom jezgru prigušnice namotana su dva namotaja, jedan u seriju sa tiristorom prve grane a drugi (suprotno namotan) sa drugom paralelnom granom. Ako nema struje za izjedna čenje, ili ako su one jednake nuli magnetni tokovi se kompenziraju i na krajevima nema ems.
21
Senad S Takođe ako su struje za izjednačenje jednake onda nema razlike struja na kraju tj ta je razlika jednaka nuli. Ako struje u granama za izjednačenje nisu jednake onda nastaje ems različitog polariteta. U grani sa najmanjom strujom polaritet ems se podudara sa polaritetom napona izvora, dok u grani sa najvećom strujom ne podudara. Zbog uticaja indukcije, samoindukcije u namotajima prigušnice nastaje izjednačenje struja u svim paralelnim granama.
ISPRAVLJAČI Ispravljači su elektronički pretvarački sklopovi koji pretvaraju izmjeničnu energiju u istosmjernu, odnosno povezuju izmjeničnu i istosmjernu električnu mrežu. Podjela ispravljač a 1. Prema načinu spajanja na izmjeničnu mrežu dijele se na jednofazne, trofazne i višefazne 2. Prema načinu korištenja izmjenične mreže dijele se na poluvalne i punovalne 3. Prema karakteru izlaznog napona dijele se na jednopulsne i višepulsne 4. Prema stepenu upravljivosti dijele se na neupravljive(sa diodama), poluupravljive (sa diodama i tiristorima) i upravljive (sa tiristorima). Strukturna blok šema ispravljač a Ispravljački transformator
Upravljivi ventil
Um
Filter za glačenje
Potrošač
Uopt
Signalizacija i zaštita
US Upravljački sistem
Ispravljački transformator prilagođava ulazni i izlazni napon i galvanski odvaja električnu mrežu od opterećenja. Ventil (dioda), upravljački ventil (tiristor) ostvaruje funkciju ispravljanja izmjenične u istosmjernu energiju. Filter smanjuje pulsacije ispravljenog napona i struje. Upravljački sistem upravlja radom upravljivih ventila. Blok za zaštitu i signalizaciju ostvaruje zaštitu cijelog sistema i prima informacije o radnim i havarijskim stanjima.
22
Senad S Srednja i efektivna vrijednost funkcijje Srednja vrijednost funkcije i = I m cos nϑ u intervalu 0 ÷ α je I m
α
sin nα α 0 nα Srednja vrijednost funkcije i = I m sin nϑ u intervalu 0 ÷ α je
I SR =
∫ cos nϑ d ϑ = I m
1 − cos nα nα α 0 Efektivna vrijednost funkcije, struje u intervalu 0 ÷ α je I m 1 α 2 sin 2α = − ϑ ϑ I ef = I n d sin 1 m α ∫0 2α 2 Općenito efektivna vrijednost izmjenične struje u intervalu α 1 ÷ α 2 je I SR =
I ef =
I m
α
∫ sin nϑ d ϑ = I m
1 α 2 − α 1
α 2
2 ∫ I m sin nϑ d ϑ =
α 1
I m sin 2α 2 − sin 2α 1 1− 2α 2 − 2α 1 2
Razlaganje periodi č nih funkcija – Furyeov red Peridočna funkcija f (ϑ ) u Furyeovom redu je jednaka ∞ ∞ 1 f (ϑ ) = F 0 + ∑ f n (ϑ ) = a0 + ∑ (a n cos nϑ + bn sin nϑ ) za n = 1, 2, 3, ... 2 n =1 n =1 1 1 2π Za period T = 0 ÷ 2π je F 0 = a 0 = f (ϑ )d ϑ odnosno 2 2π ∫0 1 T 1 2π 1 2π F 0 = ∫ f (ϑ )d ϑ a n = ∫ f (ϑ ) cos nϑ d ϑ , a bn = ∫ f (ϑ ) sin nϑ d ϑ T 0 π 0 π 0 ∞
Efektivna vrijednost funkcije f (ϑ ) je data kao F = F 0 + ∑ F n F n = 2
n =1
2
a n 2 + bn 2
2
23
Senad S Jednofazni poluvalni upravljivi ispravljač U AK Th
Tr UP
US
U AK IR=Iopt Ropt
UR
IR
a) Radno optereć enje Dok tiristor ne provede napon na njemu je jednak sekundarnom naponu transformatora U S . Kada tiristor provede, napon određene vrijednosti ugla α, napon na njemu je jednak padu napona odnosno propusnom naponu U f , koji je u idealnom slučaju jednak 0. Zbog svega ovog tiristor mora biti dimenzioniran na maximalnu vrijednost sekundarnog napona transformatora tj na vrijednost U S max = 2U S . Kod radnog opterećenja struja na potrošaču I R srazmjerna je naponu potrošača odnosno padu napona i R ⋅ Ropt , koji je u fazi sa naponom U sekundara U S tj i R ⋅ Ropt = u s = 2U S sin ϑ ⇒ i R = 2 S sin ϑ za u F = 0 i ϑ > α . Ropt u Kada tiristor provede onda je i R = i F za ϑ = α => i F (ϑ =α ) = 2 s sin α Ropt ϑ = α = π ⇒ u s = 0 ⇒ i R = 0 Srednja vrijednost struje na potrošaču u periodu trajanja ugla prethođenja β = π − α je + 2u s 2u s 1 α β 2u s ⋅ = ⋅ − + = ⋅ (1 + cos α ) I Rsr α = ϑ d ϑ π α sin ( cos cos ) Ropt 2π α ∫ Ropt 2π ⋅ Ropt Za α = 0 kada je neupravljivi ispravljač (nema tiristora) dobija se I Rsr 0 =
2u s π ⋅ Ropt
24
Senad S Efektivna
vrijednost
ispravljene
struje
dobija
se
iz
izraza
2
α + β u s 2u s 1 T 2 1 1 1 = ϑ ϑ = − − I Rα = i dt d I π α ( sin ) ( sin 2α ) R α T ∫0 Ropt 2π 2π α ∫ Ropt 2 1 u s za α = 0 => I R 0 = 2 Ropt Srednja vrijednost ispravljenog napona je analogna struji, napon je proizvod struje i otpora. Pa 2u s 2 ⋅ u s ⋅ (1 + cos α ) za α = 0 => U R 0 = = 0.45 ⋅ u s je U Rsr α = π 2π Odnos efektivne vrijednosti struje i srednje vrijednosti struje kod neupravljivog ispravlja ča I π (α=0) zove se faktor oblika F = R 0 = = 1.57 I sr 0 2
b) Induktivno optereć enje
U AK Th
Tr UP
US
U AK
IL=I opt Lopt 2 UL
IL
1
2
3
Sekundarni napon i napon na induktivitetu su u odnosu ( čine ravnotežu) di ω L L = 2 ⋅ U S ⋅ sin ϑ . Za ϑ > α i u F = 0 ima se dt 2 ⋅ u s ϑ 2 ⋅ u s = ⋅ (cos α − cos ϑ ) ϑ ϑ i L = i F = d sin ω Lopt α ∫ ω Lopt Za ϑ = α ⇒ i L = i F = 0 . Za ϑ > α => i L raste. Za ϑ = π kada je u L = 0 struja dostiže maximalnu vrijednost, zatim se smanjuje a napon u L postaje negativan i ponovo za ϑ = 2π − α dostiže vrijednost nula. 25
Senad S
JEDNOFAZNI PUNOVALNI UPRAVLJIVI ISPRAVLJAČ SA SREDNJIM IZVODOM SEKUNDARA TRANSFORMATORA T h1
IP
Uopt Iopt
Tr US Ropt
UP
U,I
Lopt
Iopt -US
P
Usr 2 Uth
Th2
IP
URmax
Kada je preklopnik P zatvoren onda kao opterećenje na ispravljaču je samo radni otpor Ropt . U tom slučaju srednja vrijednost ispravljenog napona je u sr α =
1 π
∫
π 0
2 ⋅ u s ⋅ sin ϑ d ϑ
1 + cos α 2 2 u s (α = 0) gdje je u sr 0 = π π 2 Izraz u sr α = f (α ) predstavlja upravljačku karakteristiku ispravljača odakle se vidi da za u sr α =
2
⋅ u s ⋅ (1 + cos α ) = u sr 0
α = π ⇒ u sr α = 0 .
Za α < π 2 ima se maximalni zaporni napon u R max koji je jednak
amplitudi sekundarnog linijskog napona tj u R max = 2 2 ⋅ u s Maximalni propusni napon na tiristoru je u F max = 2 ⋅ u s ⋅ sin α (α < π 2 ) Za α = π 2 zaporni napon ima maximalnu vrijednost jednak je amplitudi faznog napona. u sr α u sr 0 1 + cos α = ⋅ Ropt Ropt 2 I Srednja vrijednost struje kroz jedan tiristor jednaka je I Fsr = sr α 2
Srednja vrijednost ispravljene struje I sr α =
26
Senad S Primarna struja transformatora i P =
i F gdje je N tr - propusni odnos transformatora N tr
2 1 2π 2 1 π i F i d ϑ = d ϑ 2 Efektivna vrijednost primarne struje je I P = 2π ∫0 P 2π α ∫ N tr 2
2 1 π 2 2 I P = i d = ⋅ I ϑ N tr 2π α ∫ F N tr F I P =
2 2 ⋅ I F = ⋅ I N tr N tr S
( I F = I S )
JEDNOFAZNI PUNOVALNI UPRAVLJIVI ISPRAVLJAČ U MOSNOM SPOJU U,I Th1 IP UP
Th2
Uopt Iopt
Ropt
Tr IS
Uopt US
Lopt Th4
P
Th3
2 Uth
URmax I
IP,I S
Pretpostavimo da je gornji izvod sekundara pozitivan i da se prvo dovede napon na upravljačku elektrodu tiristora Th1 i Th3 koji provedu odnosno protekne struja kroz opterećenje Ropt , a zatim se dovede napon na Th2 i Th4 koji vode ali fazno pomaknuti za π. Maximalni popusni napon na tiristoru isključivo zavisi od napona sekundara transformatora i 2 ⋅ u ⋅ sin α ugla upravljanja tj u F max = 2 s 27
Senad S Oblik primarne i sekundarne struje je jednak a efektivna vrijednost primarne struje iznosi I 2 I F I P = S = N tr N tr
TROFAZNI UPRAVLJIVI ISPRAVLJAČ SA SREDNJIM IZVODOM SEKUNDARA Uopt USA
IPA
ISA
IPB
ISB
IPC
ISC
Th1
A
<
USB
USC
USA
6
Th2
B
Th3
C
Lopt Ropt
P
Iopt
=
6
Uth
URmax
Ako je opterećenje radno (preklopnik zatvoren) i za slučaj da je α = 0 tiristori rade sukcesivno svaki jednu trećinu periode. Vodi onaj tiristor čija je anoda na višem potencijalu u odnosu na nul tačku prema drugom tiristoru. Srednja vrijednost napona na opterećenju tada je π
U sr 0
3 = 2π
6
∫ −
π
2 ⋅ U S ⋅ cos ϑ d ϑ =
3 6 u = 1.17 ⋅ u s 2π s
6
Maximalni zaporni napon na tiristoru jednak je amplitudi linijskog sekundarnog napona odnosno u R max = 2 ⋅ 3 ⋅ u s = 6 ⋅ u s = 2.45 ⋅ u s
28
Senad S Kako se radi o radnom opterećenju struja na opterećenju ima isti oblik kao i napon za slučaj kada je α ≠ 0. Dakle kada imamo upravljanje tiristora uglom α tada nastaju dva karakteristična slučaja: 1) π 6 > α > 0 ima se neprekinuta struja kroz tiristor. 2) α > π 6 ima se prekid struje kroz tiristor Za prvo područ je srednja vrijednost ispravljenog napona je π
U sr α =
3 2π
6
+α + 2π 3
∫ π
6
2 ⋅ u s ⋅ sin ϑ d ϑ = U sr 0 ⋅ cos α
+α
Tada svaki tiristor propušta struju po jednu trećinu periode 2π 3 = 120 . U drugom područ ju imamo prekid struje pri prolasku ispravljenog napona kroz nulu. Trajanje proticanja struje kroz tiristor je manje od 2π 3 i iznosi π − α − π 6 pa je srednja vrijednost ispravljenog π
π
napona U sr α =
3 2π π ∫ 6
+α
1 + cos( + α ) 6 2 ⋅ u s ⋅ sin ϑ d ϑ = U sr 0 ⋅ 3
Očito za α = 150° => U sr α = 0 Maximalni propusni napon na tiristoru je U F max = 3 ⋅ U S ⋅ sin α za α < π 6 odnosno U F max = 2 ⋅ U S ⋅ sin α za α > π 6 .
Ako je pretežno induktivno opterećenje svaka faza trofaznog ispravljača vodi u vremenu t = 2π/q pri čemu je 'q' broj komutacija (uključenja i isključenja tiristora). Ukoliko se zanemare rasipanja ispravljačkog transformatora onda tiristori jedan od drugog preuzimaju vođenje struje trenutno. Posljedica toga je da imamo struju pravougaonog oblika. Ako imamo 'g' komutacionih sistema onda tiristori vode 1/g-ti dio struja potrošača. Struja u ventilskoj π
strani
ispravljačkog
trafoa
(srednja
vrijednost)
iznosi
I sr α =
1 2π
q
+α
∫
π
I optsr d ϑ g
− +α
q
1 I optsr π π ( + α + − α ) 2π q q q Efektivna vrijednost ventilske
I sr α =
π
I α =
1 2π
q
I I I optsr Za trofazni sistem I sr α = optsr = optsr g ⋅ q 1⋅ 3 3 strane ispravljačkog trafoa prema definiciji je I sr α =
+α
I optsr I optsr 1 I optsr 1 I optsr 2 = ⋅ d ϑ I ( ) Za trofazni ispravljački spoj = ⋅ = α ∫ g q g 3 1 3 π − +α q
29
Senad S
Uopt USA
USB
USC
USA
Ith IF1
IF2
IF3
Uth UFmax URmax
Vidi se da za α > π/6 (a na slici α = π/3) nastupaju periodi negativnih napona na opterećenju. π
Srednja vrijednost ispravljenog napona iznosi U sr α =
3 2π
6
+α +
∫ π
6
2π 3
2 ⋅ U S ⋅ sin ϑ d ϑ = U sr 0 ⋅ cos α
+α
Za α = 90° => U sr α = 0 Maximalni zaporni napon iznosi U R max = 2 ⋅ 3 ⋅ U S = 6 ⋅ U S = 2.45 ⋅ U S Maximalni propusni napon iznosi U F max = 2 ⋅ 3 ⋅ U S ⋅ sin α = 6 ⋅ U S ⋅ sin α
TROFAZNI UPRAVLJIVI ISPRAVLJAČ U MOSNOM SPOJU Th1 ISA A B
Th2 IF1
Th3 IF2
IF3 Lopt
ISB
P Ropt
ISC
C Th4
Th5
IF4
Th6
IF5
Iopt IF6
30
Senad S
U
2
1
USA
USB
USC
3
USA
USB
USC
Uopt
Kao što se vidi sa slike kod ovog spoja tri su tiristora spojena u katodnu grupu a tri u anodnu. Uvijek propuštaju dva tiristora, jedan iz anodne i jedan i katodne grupe. Ako nema upravljanja uglom α tj α = 0 i za slučaj čistog omskog opterećenja (preklopnik P uključen) srednja vrijednost ispravljenog napona za period ponavljanja π/3 je jednak 3 6 ⋅ U S = 2.34 ⋅ U S Maximalni zaporni napon tiristora jednak je amplitudi U sr 0 = π
sekundarnog linijskog napona transforamtora tj U R max = 2 ⋅ 3 ⋅ U S = 6 ⋅ U S = 2.45 ⋅ U S Za slučaj pretežno induktivnog opterećenja srednja i efektivna vrijednost struje kroz tiristor su I I 2 I Fsr = optsr a I F = optsr Efektivna fazna struja kroz transformator je I S = I optsr 3 3 3 1 2 I odnosno primara I P = Kao što se vidi sa slike za uglove upravljanja α od 0÷60 N tr 3 optsr napon i struja su ne prekinuti, a za ugao α > 60° struja i napon imaju prekid ( α 3 ) i tada imamo sva slučaja: 3
1) 0 < α < π/3 => U sr α =
π
2π +α 3
∫
π
3
2) α > π/3 => U sr α =
6 ⋅ U S ⋅ sin ϑ d ϑ odnosno U sr α = U sr 0 ⋅ cos α
+α
π
3
∫
π π 3
+α
6 ⋅ U S ⋅ sin ϑ d ϑ
⎡ ⎛ π ⎞⎤ U sr α = U sr 0 ⋅ ⎢1 + cos⎜ + α ⎟⎥ odnosno ⎝ 3 ⎠⎦ ⎣
za α = 120° => U sr α = 0
31
Senad S
PROCES KOMUTACIJE STRUJE U ISPRAVLJAČIMA Uopt , Iopt
Th1
Ls E1 E2
IF1 Lopt
Ropt Iopt
Isr
IK IF1,I F2
Ls
IF2 IF2
Th2
IF1 Isr
IF2
IF1
1
U realnim slučajevima (ne idealnim) preuzimanje struje jednog od drugog tiristora nije trenutno, odnosno komutacija se odvija sa vremenskim pomakom. Ovo je uvijek prisutno a posljedica je postojanja induktivnosti u komutacionom krugu (induktivnost mreže sistema na sekundarnoj strani trafoa i induktivnost namotaja). Ovo vrijeme za koje nastaje preuzimanje struje jednog tiristora od drugog izražava se u ugaonoj mjeri i naziva se ugao komutacije γ. Ovaj proces bitno utiče na karateristiku i rad realnih ispravljačkih sklopova, na oblik struje i napona, te pojavi viših harmoničnih komponenti u naponu i opteretnoj struji. Ovaj proces komutacije posmtrat će mo u slučaju jednofaznog punovalnog ispravljača sa srednjim izvodom sekundara trafoa. Induktivnost mreže primarnog namota svedeni na sekundarnu stranu su objedinjene rasipnom induktivnošću LS . Napon sekundara odvojeno je predstavljen izvorima e1 i e2 . Uz pretpostavku da je u periodu 0 ÷ ϑ 1 ( ϑ 1 = α ) uključen tiristor Th2 u trenutku ϑ 1 na tiristor Th1 se dovodi upravljački impuls i počinje proces komutacije struje sa tiristora Th2 na Th1 . U trenutku preuzimanja struje javlja se struja i K - struja prelaznog procesa, tako da se ima da je i F 1 = 0 + i K odnosno i F 2 = I sr α − i K ... (*) Očigledno je da struja prelaznog procesa (komutaciona struja i K ) zavisi od elektromotornih sila e1 , e2 odnosno njihove razlike e1 − e2 = e K gdje e K je komutaciona ems. U našem slučaju je e K = e1 − e2 = 2 ⋅ 2 ⋅ U S ⋅ sin(ϑ + α ) . Sa druge strane ovoj ems se suprostavlja pad napona na obje konture, pa je ravnoteža napona di X S = LS izražena kao 2 ⋅ 2 ⋅ U S ⋅ sin(ϑ + α ) = 2 ⋅ X S ⋅ K odavde je d ϑ 2U S 2U S 2U S + = [− cos(ϑ + α )] + C di L = ϑ α d ϑ sin(ϑ + α )d ϑ odnosno i K = sin( ) X S X S ∫ X S 2U S Konstanta C se dobija iz početnih uslova tj da je i K = 0 za ϑ = 0 C = cos α odnosno X S 2U S [cos α − cos(α + ϑ )] za 0 < ϑ < γ . Iz relacije (*) i F 1 = i K odnosno i K = X S
32
Senad S i F 2 = I sr α − i K = I sr α −
2U S [cos α − cos(α + ϑ )] . X S
Za
slučaj
da
je
ϑ = γ
2U S 2U S [cos α − cos(α + ϑ )] cos α − cos(α + γ ) = [cos α − cos(α + γ )] X S X S I X tj cos α − cos(α + γ ) = sr α S - jednačina komutacije 2U S Srednja vrijednost pada napona na induktivnosti je α +γ 2U S 1 [cos α − cos(α + γ )] ΔU X = ∫ 2U S sin ϑ d ϑ = odakle slijedi X S π 0 I X ΔU X π ΔU X π I sr α X S = cos α − cos(α + γ ) = odnosno => ΔU X = sr α S π 2U S 2U S 2U S Poslednja relacija povezuje induktivni pad napona sa opteretnom ispravljenom strujom I sr α . I X Srednja vrijednost ispravljenog napona je U sr α = U sr 0 cos α − sr α S . Dakle, ispravljeni i F 1 = i K = I sr α =
π
napon je umanjen za induktivni pad napona koji je isključivo posljedica komutacije.
UPRAVLJAČKA KARAKTERISTIKA ISPRAVLJAČA U sr α od ugla α naziva se upravljačka karakteristika U sr 0 U ispravljača. Faktor upravljanja F U = sr α . Za trofazni spoj ispravljača faktor upravljanja je U sr 0 π π ⎛ π ⎞ F U = cos α za 0 ≤ α ≤ , F U = 1 + cos⎜ + α ⎟ za α > . Npr kod jednofaznog 3 3 ⎝ 3 ⎠ 2 U S (1 + cos α ) poluvalnog ispravljača kada je broj pulzacija p = 2 a Lopt = 0 => U sr α = 2π U 2U S pa je f (α ) = sr α ⇒ U sr 0 = . Kako u realnim sistemima postoje uvijek određene U sr 0 2π vrijednosti induktivnosti stvarna upravljačka funkcija je uvijek negdje između nacrtanih za Lopt = ∞ i Lopt = 0 .
Funkcija koja povezuje zavisnost
Usr Usr0 P=2
Lopt=0
P=3 P=6
Lopt
P<
P=2 30
[°El] 60
90 120 150 180
33
Senad S
OPTERETNA KARAKTERISTIKA ISPRAVLJAČA Opteretna ili vanjska karakteristika ispravljača je zavisnost srednje vrijednosti ispravljenog napona od srednje vrijednosti ispravljene struje odnosno to je funkcija U sr α = f ( I sr α ) . Ova funkcionalna zaisnost znači praktično da sa porastom opteretne struje ispravljeni napon se smanjuje. Ovo prvenstveno zbog pojave padova napona koji se sastoje od: 1) pad napona zbog procesa komutacije ΔU X , 2) pad napona na realnim otporima ΔU r i 3) pad napona na tiristorima ΔU th Za jednofazni punovalni ispravljač sa srednjim izvodom sekundara imamo da je X ΔU α = I sr α S odnosno imamo U sr α = U sr 0 cos α − ΔU X − ΔU r − ΔU th π
ΔU r =
π − γ π
I sr α R F
R F - omski otpor faze ispravljačkog transformatora, ΔU th - ne zavisi
od opteretne struje nego od nominalne vrijednosti ispravljača i iznosi 1÷3 V.
Usr
=0° =30° =60°
Isr
VIŠI HARMONICI U ISPRAVLJAČIMA Ispravljeni napon kod svih ispravljača ima valovitost koja zavisi od broja pulzacija 'p'. Krivulja takvog napona sadrži dvije komponente: - istosmjernu U sropt i - izmjeničnu U ν opt tako da je ukupni napon na opterećenju U opt = U sropt + U ν opt . Za sve ispravljače sa trenutnim komutacijama je u opt (ν ) = U optm cos(ϑ −
π
+ α ) U optm = D FS 2U S D FS - faktor spoja. p Izmjenična komponenta je U ν opt = u opt (ν ) − U optm može se razviti u harmonijski red, zapravo to je u tri viših harmonika napona ∞
∞
uν opt = ∑ U opt (n) m sin(nϑ − ϕ n ) = ∑ A(n) 2 + B(n) 2 sin(nϑ + ϕ n ) n =1
gdje
je
n =1
34
Senad S
A(n) = U optm
p π
2π p
∫ cos(ϑ − 0
π
p
+ α ) cos npϑ d ϑ
Amplituda
B(n) = U optm
p
2π p
π
∫ cos(ϑ − 0
π
p
+ α ) sin npϑ d ϑ
harmonika sin
U opt (n) m = U optm
je
π
p
π
cos α
2 2
2
p n − 1
1 + p 2 n 2 tg 2α = U opt 0 cos α
2 2
2
p n − 1
1 + p 2 n 2 tg 2α
p
odnosno
U opt (n) = F W (n) U opt 0
F W (n) = cos α
2
naziva se valovitosti n – tog harmonika za α ≠ 0
1 + p 2 n 2 tg 2α a za α = 0 F W (n) =
2
. p n − 1 p n − 1 U zavisnosti od reda harmonika n, frekvencije f za α = 0 za prvi harmonik (osnovni) je 2
2
n/p f Fw
1/2 100 0.471
1/6 300 0.0404
2
2
1/12 600 0.0099
Oblik upravljanja primarne struje koju uzima ispravljač iz mreže je nesinusan. Sadrži osnovni harmonik mreže i spektar viših harmoničnih komponenata.
IP 1 Ntr Isr 2
Jednofazni punovalni spoj
IP 1 Isr Ntr 2 Trofazni mosni spoj
2 3
Za
prvi
dijagram struja se može predstaviti kao 4 I ⎡ 1 1 1 ⎤ i = sr α ⎢sin ϑ + sin 3ϑ + sin 5ϑ + ... + sin nϑ ⎥ krivulja sadrži neparne harmonike a n π N tr ⎣ 3 5 ⎦ 4 I 1 amplituda bilo kog harmonika je I nm = sr α π N tr n
35
Senad S Za
drugi
dijagram struja se 2 3 I sr α ⎡ 1 1 1 ⎤ − + − + i= cos ϑ cos 5 ϑ cos 7 ϑ cos 11 ϑ ... ⎥⎦ π N tr ⎢⎣ 5 7 11
može
harmonici djeljivi sa tri. Amplituda n – tog harmonika I nm =
predstaviti
kao
Iz izraza se vidi da nedostaju 2 3 I sr α 1 π N tr n
Ispravljač ki transformatori Jaram
UP
NP
Mag. Jezgro
NS
US
N P . Primarni izmjenični napon N S N 1 = U P S . Za u P = 2U P sin ω t . Inducirani napon na sekundaru je U S = U P N U N P I N neopterećeni transformator uz zanemarenje struje magnetiziranja važi odnos P = S . Izbor I S N P i proračun ispravljačkog transformatora je nešto specifičan u odnosu na klasične transformatore. Ovo zbog toga što sekundarom teku struje samo u jednom smjeru a oblik struje je po pravilu pravougaoni. Odnosi koji važe za jednofazni transformator važe i za trofazni s tim što se mora voditi računa o sprezi trofaznog transformatora. Pored odnosa I U N U = P postoji odnos struja N U = S koji ne odgovara uvijek odnosu napona N U . Zbog U S I P toga i prividna snaga primarnog i sekundarnog namota nije uvijek ista. Istosmjerna snaga P sr = U sr I sr . Za m P fazni primarni namot P P = m P U P I P = C P P sr . Za mS fazni sekundarni P + P namot P S = mS U S I S = C S P sr . Tipska snaga transformatora P T = P S = C T P sr 2
Prenosni odnos transformatora izražava se kao N U =
36
Senad S
SPOJEVI JEDNOFAZNIH TRANSFORMATORA Poluvalni spoj
U,I US IS
Th
Tr UP
IP
IR=Iopt Ropt
US
IP
Isrpr
Pri sinusnom sekundarnom naponu kod omskog optere ćenja ispravljena struja ima isti oblik kao i pozitivni naponski val. Zbog proticanja sekundarne struje primarni namot iz mreže povuče po fazi suprotnu primarnu struju. Pošto kroz mrežu ne može teći istosmjerna struja onda je drugi dijagram na slici pogrešan. Ovo zato što kroz primar teče struja suprotna po smjeru sekundarnoj čija je srednja vrijednost jednaka nuli i predstavlja izmjeničnu struju. Da bi odredili efektivnu vrijednost primarne struje poći će mo od trenutnih vrijednosti u 2 u S 1 I sr = = 0.45 S . Efektivna vrijednost sekundarne struje i P = (iS − I sr ) Ropt N u π Ropt 2
⎞ ⎛ π 2 I sr 2 ⎞ π U 1 ⎛ 1 S ⎜ ⎟ d ϑ = ⎟ = I sr = 1.57 I sr , a efektivna vrijednost primarne I S = π ⎜ ∫ ⎜ ⎜ ⎟ 2π 0 ⎝ Ropt ⎠ 2π ⎝ 2 ⎠⎟ 2 π
2π ⎤ 1.21 1 1 ⎡π 2 2 ( ) I − I d + I d I sr ϑ ϑ struje I P = ⎢ ⎥= S sr sr ∫0 N 2π N U 2 ⎣ ∫0 U ⎦
Od ranije je poznato U sr =
2 π
U S ⇒ U S = π
π
2
U sr N i = π
I S 1.57 I sr = = 1.3 N U I P 1.21 I N U sr
Snaga sekundarnog namota P S = I S U S = I sr U sr = 3.49 I sr U sr = 3.49 P sr 2 2
C S = 3.49
37
Senad S π 1.21 I sr N U U sr = 2.69 I sr U sr = 2.69 P sr N U 2 P + P 3.49 + 2.69 C P = 2.69 . Tipska snaga P T = P S = P sr = 3.09 P sr C T = 3.09 2 2 Vidimo da je prividna snaga transformatora kod ovog spoja približno tri puta veća od ispravljene snage. Znači da je transformator veoma slabo iskorišten. Takođe je ispravljena struja pulzirajuća tako da se u sekundarnom namotu transformatora stvara jako magnetno polje u željeznoj jezgri te brzo dolazi do zasićenja transformatora. Zbog toga se ovaj spoj ne koristi za ispravljanje napona za potrebe potrošača većih snaga.
Snaga
primarnog
namota
P P = I P U P =
je
PUNOVALNI MOSNI SPOJ (GRECOV SPOJ) U,I
Th1 IP
Th2
Ropt
IS
UP
US
Lopt Th4
Th3
P
IP IP,I S
Za razliku od poluvalnih spojeva u kojima struja kroz sekundar teče samo u jednom smjeru i u jednom dijelu periode, kod ovog spoja struja kroz sekundar teče u oba smjera. Dakle, teče izmjenična struja bez istosmjerne komponente. Kako primarna i sekundarna struja imaju isti oblik onda su snage primarnog i sekundarnog namotaja iste. Pri čisto omskom opterećenju (prekidač P zatvoren) na sekundaru teče struja uvijek oblika sinusnog poluvala. Efektivna vrijednost sekundarne struje je 2
⎞ 1 π ⎛ ⎜ 2U S sin ϑ ⎟ d ϑ = 1 2U S I S = ⎟ π ∫0 ⎜⎝ Ropt π Ropt ⎠
1 − cos 2ϑ 1 2U S π U S ϑ = = d ∫0 2 R π 2 Ropt opt
π
Srednja vrijednost ispravljenog napona je U sr = U sr =
2 2U S
⇒ U S =
1 π
2U S π
(cos 0 − cos π )
π
U sr 2 2 U π U sr π = I Struja sekundara I S = S = Ropt 2 2 Ropt 2 2 sr π 1 1 I sr = Primarna struja I P = ⋅ 1.11 ⋅ I sr N u 2 2 N u π
∫
π 0
2U S sin ϑ d ϑ =
I S = 1.11 ⋅ I sr
38
Senad S Kako je napomenuto zbog istog oblika primarne i sekundarne struje snage primarnog i sekundarnog namotaja su iste i iznose P S = I S U S =
π
2 2
I sr
π
2 2
U sr =
π 2
8
I sr U sr = 1.23 ⋅ P sr ⇒ C S = 1.23
π π 2 1 P P = I P U P = I sr N u U sr = I sr U sr = 1.23 ⋅ P sr ⇒ C P = 1.23 8 2 2 N u 2 2 P + P Tipska snaga transformatora P T = P S = 1.23 ⋅ P sr ⇒ C T = 1.23 2 Ovaj spoj je mnogo ekonomičniji, jer je iskorištenje transformatora dobro. Snaga transformatora je 1.23 puta veća od ispravljene snage. π
SPOJEVI TROFAZNIH ISPRAVLJENIH TRANSFORMATORA Spoj zvijezda – zvijezda (Y Y0 ) U 1
A
I A1 Ia1
B
IB1 Ib1
2
3
1
C
IC1 Ic1
Is
R
Isr
L V1
V2
V3
Ip
2 Isr 3
I A 1 Isr 3
Za ovaj slučaj može se pisati da je N S ia1 + N P i B1 − N P i A1 = 0 N P iC 1 − N P i B1 = 0 i A1 + i B1 + iC 1 = 0
Uz pretpostavku da je N P = N S i da je prenosni odnos N u = 2 2 jednačina daje i A1 = ia1 = I sr 3 3
1 i B1 = − I sr 3
N P = 1 rješenje prethodnih N S
1 iC 1 = − I sr 3
39
Senad S π
Srednja vrijednost ispravljenog napona U sr =
3
3
π ∫0
2U S cos ϑ d ϑ =
3 3 2U S = 1.17 ⋅ U S π 2
π
Efektivna vrijednost sekundarne struje I S =
I sr 1 3 2 = I d ϑ sr 2π ∫π 3 −
1 Efektivna vrijednost primarne struje I P = N i
3 2π 3
2π 3
2
2
1 ⎛ 2 ⎞ 3 ⎛ 1 ⎞ ⎜ I sr ⎟ d ϑ + ⎜ I ⎟ d ϑ ∫ 2π 0 ⎝ 3 ⎠ 2π ∫0 ⎝ 3 sr ⎠
I 2 1 I sr = 0.47 ⋅ sr N i 3 N i Snaga primarnog namotaja
I P =
I sr U = 3 sr 0.47 I sr = 1.21U sr I sr = 1.21P sr N u 1.17 U I Snaga sekundarnog namotaja P S = 3U S I S = 3 sr sr = 1.48 I sr U sr = 1.48P sr 1.17 3 1.21 + 1.48 P sr = 1.35P sr Tipska snaga P T = 2
P P = 3U P I P = 3 N uU S ⋅ 0.47 ⋅
Zvijezda – slomljena zvijezda Y Z0 U
A N I A1 Ia1 N
B
C
IB1
IC1
Ib1
Ic1
1
2
3
1
Is Ia1
R
Isr
N L Ip I A
V1
V2
V3
40
Senad S Pod pretpostavkom da su namotaji isti tj primara i oba sekundara (N) jednačina za magnetno pobudne sile dvije magnetne konture za slučaj da vodi ventil V 1 i pod pretpostavkom ia1 = ib1 je: − ia1 − ia1 + i B1 − i A1 = 0 − ia1 + iC 1 − i A1 = 0 i A1 + i B1 + iC 1 = 0 Rješenje ovih jednačina daje i A1 = −ia1 odnosno i B1 = ia1 , iC 1 = 0 Pretpostavljajući da je odnos faznih napona primara i sekundara jednak i da iznosi jedan, U odnosi drugih veličina kod ovog spoja su sledeći U S = U P = sr 1.17 I Efektivna vrijednost struje sekundara I S = sr 3 I Efektivna vrijednost struje primara I P = S 3 2
2
⎛ I ⎞ ⎛ I ⎞ 2 I P = ⎜⎜ sr ⎟⎟ + ⎜⎜ sr ⎟⎟ = I sr = 0.471 ⋅ I sr 3 ⎝ 3 3 ⎠ ⎝ 3 3 ⎠ U Snaga primarnog namotaja P P = 3U P I P = 3 sr 0.471 ⋅ I sr = 1.2 I sr U sr = 1.2 P sr
1.17 U 6 U sr I sr Snaga sekundarnog namotaja P S = 6 S I S = = 1.71U sr I sr = 1.71P sr 3 3 1.17 3 P + P 1.2 + 1.71 P sr = 1.46 P sr Tipska snaga transformatora P T = P S = 2 2
INVERTORI Invertori su elektronički uređaji koji povezuju istosmjernu sa izmjeničnom mrežom, odnosno pretvaraju istosmjernu energiju na izmjeničnu. Mogu se podijeliti prema: -
karakteru opterećenja: mrežom vođeni (zaisni) o autonomni nezavisni: o strujni naponski rezonantni
-
karakteru izlaznog napona: o jednofazni trofazni o višefazni o o
-
stepenu upravljivosti: o ne upravljivi upravljivi o
41
Senad S Mrežom vođ eni invertori Jednofazni invertor vo đ en strujom mreže Ova vrsta invertora se koristi za invertovanje većih istosmjernih snaga napona stalne frekvencije 50Hz. Promjena smjera predaje snage može se ostvariti promjenom smjera struje pri zadanom polaritetu napona ili promjenom polariteta napona pri zadanom smjeru struje. Ovaj drugi način može se ostvariti i krugovima sa ventilima dok se prvi način ne može ostvariti zbog vođenja struje ventila samo u jednom smjeru.
LD Th UD,U
US
UP
UD S2 S1
USmax UD
S’1 S’2
O1
O’1
0 1 2
I
G
IF3 IF2 IF1
Na sklop se dovodi napon U D (istosmjerni koji se injektira) čiji je izvor spojen u seriju sa tiristorom T h i induktivitetom L D a zatim sa sekundarnim namotajem transformatora. Transformator je na primaru spojen na mrežu. Za tiristor T h sekundarni napon U S se periodično mijenja tako da je u jednom dijelu istofazan sa istosmjernim naponom U D a u drugom nije. Invertor predajeenergiju u izmjeničnu mrežu kada su smjerovi struje (invertirajuće) i F i izmjeničnog napona sekundara U S suprotni odnosno kada su U S i U D istog znaka. Očito je (prema dijagramu) da invertiranje može nestati samo ako je U S max > U D a za invertovanje treba tiristor T h uključiti u trenutku O1 kada je anodni napon još uvijek pozitivan tj kada je odnos između oglova α G < α < α 0 pri čemu je α G - ugao graničnog režima rada invertora. Uz zanemarenja gubitaka u sklopu ravnoteža napona je di di U D ± u S = X d F X d = L D Brzina promjene struje F srazmjerna je razlici napona d ϑ d ϑ U D − u S . Prema dijagramu invertovane struje postoje tri područ ja:
42
Senad S di F >0 d ϑ b) U D − u S = 0 struja potiče maximum c) U D − u S < 0 struja se smanjuje i održava se isključivo na osnovu nagomilane energije u induktivitetu L D Tiristor T h ne prestaje raditi sve dotle dok se ta nagomilana energija ne potroši. Nagomilana energija na induktivitetu L D srazmjerna je površinama S 1 i S 2 a otpuštena energija srazmjerna je površinama S '1 i S ' 2 . Kada su ove dvije površine jednake dolazi do prekida rada invertora odnosno prekida struje u tiristoru. Očito je sa dijagram ukoliko ugao α se smanjuje da se ove površine povećavaju. Ovaj porast površina je ogranične odnosom maximalnog sekundarnog napona U S max i dodatnog istosmjernog napona U D .
a) U D − u S > 0 tada je
Jednofazni punovalni invertor sa srednjim izvodom transformatora U US1
US2
UP US1 X A Th1
IF1
US2 IKS
ED
LD X A
Th2
I
ID IF2
ED
IF2
IF1
IF2
Ugao upravljanja u invertorskom režimu češće se naziva uglom prethođenja λ = π − α γ - ugao komutacije a δ - ugao koji ne smije biti manji od vremena oporavka tiristora. Za 2U S punovalni spoj invertora za m = 2 ulazni napon, struja kratkog spoja je i KS = pri čme X A je X A - induktivni otpor anodnog kruga tiristora. Ovaj otpor a samim tim i pad napona su zbog toga što komutacija nije trenutna. Kako je uklju čenje tiristora Th1 određeno uglom λ 2U S (cosϑ − cos α ) da bi na kraju procesa struja tiristora raste od nule i iznosi i F 1 = X A 2U S [cos(λ − γ ) − cos α ] . Iz zadnje relacije vidi invertiranja imala konačnu vrijednost I D = X A se ta veza između napona sekundara U S ugla λ i ugla γ . Ugao komutacije γ određuje se I D X A pomoću izraza za komutaciju neupravljivog ispravljača 1 − cos γ = . Ukupni π 2U SL sin m napon na invertoru je U D = U D 0 + ΔU X , U D 0 - srednja vrijednost ispravljenog napona u
43
Senad S praznom hodu, ΔU X - pad napona zbog komutacije. Srednja vrijednost ispravljenog napona u π
+α
π π 2π 1 m = U ϑ d ϑ U praznom hodu za ponavljanja iznosi U D 0 = 2 cos 2 sin cos α . S S 2π π ∫ m m m − +α m m Srednja vrijednost pada napona u periodu komutacije α + γ 2U S π m ΔU X = = ϑ ϑ U d 2 sin sin sin[cos α − cos(α + γ )] . Nakon sređivanja izraza S ∫ π 2 π m 2 α m 2 2U S ⎡ cos(λ − γ ) + cos λ ⎤ U D = U D 0 + ΔU X = dobija se Sa dijagrama je ⎥⎦ . π ⎢⎣ 2 λ = γ + δ → δ = λ − γ za δ ≥ t op pri čemu je t op vrijeme oporavka tiristora. Dolazi se do maximalne vrijednosti ulaznog napona invertora i maximalne opteretne struje invertora. 2 2U S ⎡ cos δ + cos λ ⎤ 2U S U D max = I , = (cos δ − cos λ ) ⎥⎦ D max π ⎢⎣ 2 X A UD UD Nagib zavisi od
ΔU X =
1
I D X A
Ulazne karakteristike zavise od
2
π
U
D0
ID
ID a) X D = ∞
b) X D - realna veličina
TROFAZNI INVERTOR SA ZVJEZDIŠTEM NA SEKUNDARNOJ STRANI TRANSFORMATORA A
B
US
C
USA
USB
USC
USA
UD I A1
IB1
IC1
USA
USB
USC
IF1
IF2
IF3
ED
Th2
Th3
Uth1
Uth2 IFA
UD LD
Th1
Uth ,IF
ID UR0
Pretpostavimo da vodi tiristor Th1 a nakon jedne trećine perioda respektivno Th2 i Th3 . Pretpostavimo da je istosmjerni napon invertora U D podudara se sa elektromotornom silom 44
Senad S radne faze ventilskog namota. Kao i kod jednofaznog invertora pretpostavimo da je istosmjerni napon negativan. Srednja vrijednost protu elektromotorne sile invertora u paznom hodu za I D = 0 i γ = 0 iznosi E D 0 = −U D 0 =
2π 3
3 ⎛ π ⎞ − U sin ⎜ ϑ + − λ ⎟d ϑ odnosno max 2π ∫0 S 6 ⎠ ⎝
3 3 3 3U S max cos λ = 3 2U S cos λ = 6U S cos λ . Kada je I D ≠ 0 i γ ≠ 0 2π 2π 2π protu elektromotorna sila se povećava zbog komutacije. Pretpostavimo komutaciju pri di ⎞ ⎛ di prelasku vođenja tiristora iz faze A u B. Tada je U SB − U SA = X A ⎜ FB − FA ⎟ . Ako vrijeme ⎝ d ϑ d ϑ ⎠ E D 0 =
računamo
od
početka
komutacije
tada
je
⎛ π ⎞ U SA = U S max sin⎜ϑ − − λ ⎟ , 6 ⎠ ⎝
⎛ 5π ⎞ − λ ⎟ , U SB − U SA = − 3U S max sin (ϑ − λ ) . Na početku komutacije U SB = U S max sin ⎜ϑ − 6 ⎝ ⎠ di i FA + i FB = I d = 0 pa je − 3U S max sin (ϑ − λ ) = 2 X A FB . Rješenje ove jednačine je d ϑ 3U S max 3U S max i FB = cos(ϑ − λ ) + C za i FB = 0 pri U = 0 → C = − cos λ , 2 X A 2 X A
3U S max [cos(ϑ − λ ) − cos λ ] . Za ϑ = γ tj kada je završen proces komutacije i kada je 2 X A 3U S max [cos(λ − γ ) − cos λ ] (*) i FB = I D , I D = 2 X A Na osnovu (*) može se naći ugao komutacije γ . Trenutna vrijednost pada napona na 3U S max di induktivitetu L D zbog komutacije je Δu X = X A FB = − sin (ϑ − λ ) . Srednja d ϑ 2 3 γ 3 ΔU X = − vrijednost pada napona odnosno U sin (ϑ − λ )d ϑ 2π ∫0 2 S max i FB =
3 3 3 U S max [cos(λ − γ ) − cos λ ] iz (*) ΔU X = X A I D . 4π 2π Srednja vrijednost protu elektromotorne sile invertora, kada se u obzir uzme proces 3 3 komutacije je U D = U D 0 + ΔU X = 6U S cos λ + X A I D . Odavde se vidi da je u odnosu 2π 2π 3 3 = 1.3 tj 1.3 puta veći odnosno ΔU X koji definiše nagib na jednofazni invertor U D 0 = 4 3 karakteristike je ΔU X = π = 1.5 . Početni skok napona određuje vjerovatnost HAVARIJE 2π ispravljača a ovo se definiše na osnovu pada napona ΔU R 0 = 3U S max sin (λ − γ ) odakle se vidi da smanjenjem ugla λ praktično se povećava vjerovatnost HAVARIJE ispravljača. ΔU X =
45
Senad S
Autnomni invertor struje Ovi invertori pretvaraju istosmjernu energiju u izmjeničnu i rade na autonomnom opterećenju. Frekvencija je određena frekvencijom sklopa i obično rade sa dopunskim komutacionim elementima (kondenzator, prigušnica). U,I Iopt
LD
ID
P1 ED
Zopt
P2
Uopt
ID ID
P4
P3 T
Ovi invertori se napajaju iz izvora istosmjerne struje preko zavojnice L D dakle induktivnosti tako da se struja invertora I D značajno mijenja zbog procesa komutacije. Invertovana struja I D nije valovita, na opterećenju se formiraju struje čiji oblik zavisi kao i fazni pomak od vrste opterećenja. Kod čisto omskog otpora struja i napon su u fazi a kod induktivnog nisu. Dakle na prigušnici uvijek vlada razlika stalnog napona izvora i pulsiraju ćeg napona invertora. Ova prigušnica istovremeno filtrira više harmonične komponente napona. Ova vrsta invertora se razlikuje obzirom na način spajanja komutacionih konvenzatora (kapacitivnosti) sa opterećenjem na paralelne i na serijske invertore i struje.
IF
Paralelni mosni invertor struje
Ith1,Ith2
Ith1,Ith2 Ith3,Ith4
Iizl
ID
ID
LD Th1
ED
Zopt
Th3
IC Th4
C
Th2
Iopt
46
Senad S Tiristori Th1 i Th2 , te Th3 i Th4 uključuju se naizmjenično. U strujnom kolu je uključena prigušnica L D velike induktivnosti koja omogućava idealno glačanje struje i D . Struja tiristora ima pravougaoni oblik. Kada vode Th1 i Th2 struja invertora jednaka je izlaznoj i grana se na struje iopt i iC . Za vrijeme druge poluperiode kada vode Th3 i Th4 kondenzator je premošten svim tiristorima te dolazi do prigušenja kondenzatora i njegova struja opada na nulu. Važno je di napomenuti da treba ograničiti promjenu struje u tiristorima i često se u rješenjima dt ovakvih invertora u anodne krugove tiristora u seriju vežu prigušnice, koje ograničavaju struju kratkog spoja. Kod ovog ivertora u svakom trenutku je izlazna struja iizl = iopt + iC = I D = const ali se omjer struja mijenja za vrijeme svake poluperiode, a struja kondenzatora iC od trenutka komutacije mijenja smjer. Zavojnica L D vrši ulogu filtera viših harmoničnih komponenata. Izlazni napon, napon na optere ćenju U opt slijedi napon na kondenzatoru čija je srednja vrijednost jednaka naponu izvora E D . U zavisnosti od parametara L D , Z opt , frekvencije izlaznog napona i vrijednosti kapaciteta kondenzatora kod ovog invertora mogu nastupiti tri slučaja: 1. ulazna struja i D ne prekinuta i ne valovita 2. ne prekinuta a valovita 3. prekinuta
SERIJSKI MOSNI INVERTOR UC
t UD 2
ID
Tk/2
Glavni
tp
iopt uopt
Th1
L
UL
Th1
Th1 t
UD
C
UC
Th2 Pomocni
Ropt
Th2
Th2
iF1
Uopt Th1
Th1 t
UL
t
Serijski invertor struje koristi se tamo gdje se zahtjeva primjena frekvencija u intervalu 3 ÷ 10 kHz. Pored serijski spojenog kondenzatora sa optere ćenjem spojen je i induktivitet L tako da kondenzator i induktivitet predstavljaju serijski oscilatorni krug. Kada je Th1 uključen 47
Senad S a Th2 isključen oscilatorni LC krug spojen je na napon izvora U D i nastaje proces punjenja kondenzatora i to na napon viši od napona U D . Za vrlo malu vrijednost Ropt struja na opterećenju se mijenja po izmjeničnom sinusnom zakonu. Na kraju poluperiode T K / 2 frekvencija kruga f K struji opterećenja iopt pada na nulu i glavni tiristor se isključuje. Ako se uključi u tom trenutku Th2 nastaje proces pražnjenja kondenzatora i to preko induktiviteta L, opterećenja Ropt i tiristora Th2 i tada strujnim krugom invertora protiče struja pražnejnja kondenzatora takođe sinusnog oblika ali suprotnog smjera. Kada se ova struja smanji na nulu nastaje ponovo prepolariziranje kondenzatora C na napon viši od U D i proces se nastavlja. Kada je potrebno obezbjediti rad invertora sa ferekvencijom većom ili jednakom od frekvencije kruga f K onda se induktivitet L spaja prema sledećoj šemi.
Th1 Glavni L1 L2 ED
C
Uth1 Iopt
Ropt
Th2 Pomocni
U ovom slučaju pomoćni tiristor Th2 uključuje se na induktivitet L2 , te zbog uticaja među induktiviteta pojavljuje se napon takvog polariteta da se tiristor Th1 isključi. Osnovni nedostatak ove vrste invertora je ne ravnomjerno optere ćenje napona izvora U D , zbog toga što ovi invertori uglavnom rade u prekidačkom režimu tako da se na kondenzatoru pojavljuje napon viši od napona izvora. Da bi se ovaj nedostatak otklonio u praksi se češće koristi modifikovano rješenje serijskog invertora kao na sledećoj slici.
Th1
ED
Lk/2 Lk/2 Th4
Th2 C Ropt
Lk/2
Lk/2 Th3
Ovaj spoj omogućava ujednačavanje opterećenja izvora i smanjenje napona na kondenzatoru. Takođe pri višim frekvencijama kod ovog spoja se poboljšava komutacioni režim zbog djelovanja elektromotornih sila koje nastaju u dvije sekcije komutacionih induktivnosti L K .
48
Senad S
AUTONOMNI INVERTOR NAPONA iu,i Iiopt iuopt
P1
Zopt
CD P4
P2
ED
P3
ED
Tt
Za razliku od invertora struje u ovom slučaju se opterećenje spaja neposredno na izvor napona a zatim se pomoću prekidačkih elemenata P 1 , P 2 , P 3 , P 4 ostvaruje promjena njegovog polariteta. Na opterećenju se formira napon koji isključivo zavisi od karaktera opterećenja. Ako se invertor spaja na napon ispravljača (a ne idealnog izvora) ubacuje se u strujni krug kondenzator C D velike kapacitivnosti da bi se obezbjedilo vo đenje izvora istosmjernog napona u suprtonom smjeru. Kondenzator C D istovremeno filtrira više harmonične komponente napona. Postoji nekoliko tipova ovih invertora. Jednofazni mosni spoj invertora napona sa tranzistorima uopt
T1,T2 ED
iD
T3,T4
D1
T1
ED D4
T4
Uopt Ropt Lopt
T3 T2
D3 i ioptR
T1,T2
Tt T3,T4
ioptL Tt
D2
iopt Tt
Napon na opterećenju U opt u invertoru kao što se vidi sa slike ima oblik pravougaonih impulsa, koji nastaju sukcesivnim uključivanjem tranzistora T 1 , T 2 , T 3 , T 4 . Za vrijeme radnog poluperioda T 2 napon ne zavisi od veličine opterećenja i iznosi E D . Za dobijanje sinusnog napona uključuju se filteri koji ne propuštaju više harmonične komponente. Struja na opterećenju je zbir struja na otporu R i induktivitetu L. 49
Senad S E D ima isti oblik kao napon na opterećenju a i L linearno raste za vrijeme Ropt poluperiode i zaostaje za ugao za naponom. Ukupna struja na opterećenju zaostaje za naponom opterećenja za ugao . Da bi struja kroz opterećenje mogla teći u periodu 0 ÷ ϕ u suprotnom suprotnom smjeru koriste se antiparalelno spojene diode D1 , D2 , D3 , D4 . Struja kroz invertor i D , struja koju troši invertor ima srednju vrijednost I D . I optR =
Jednofazni mosni spoj invertora sa triacima D1
Tc1
D4
Tc4
UD
Zopt Uopt
Tc3
D3
Tc2
D2
Kada se uključe triaci TC1 i TC2 nastaje na opterećenju napon jednog polariteta, a kada se uključe TC3 i TC4 napon suprotnog polariteta. Napon na izlazu invertora, napon na opterećenju je pravougaonog oblika i jednak je naponu U D . Obično se izlazni napon filtrira pomoću filtera koji omogućavaju da izlazni napon bude približno sinusoidalan.
Zopt L
C
Mosni invertor napona sa tiristorima iuopt,iopt
iD
ED
D1
Th1
D4
Th4
C
iopt Zopt
Th3 Th2
ith1 D3ith2
D2 iD1 iD2 iD
50
Senad S Pretpostavimo pretežno induktivno opterećenje i da su uključeni tiristori Th1 i Th2 i to u prvoj poluperiodi kada je 0 ≤ ϑ ≤ ϑ 2 , opterećenje priključujemo na izvor jednosmjerne struje (smjer struje opterećenja puna linija). Zbog prisutnog induktiviteta i elektromotorne sile samoindukcije za ugao ϑ 2 ≤ ϑ ≤ ϑ 3 struja zadržava prethodni smjer. Tada se energija nagomilana na induktivitetu vraća izvoru (crtkana linija), struja opterećenja teče kroz povratne diode D3 i D4 . Ovaj invertor napona kao i drugi invertori napona moraju imati komutirajuće elemente koji prisilno uključuju tiristore na osnovu zahtjeva iz upravljačkog sistema.
IZMJENIČ NI PRETVARAČI (KONVERTORI) Izmjenični pretvarači su električni uređaji koji povezuju izmjenične mreže različitih parametara odnosno pretvaraju izmjenični napon jednog nivoa u drugi odnosno napon jedne frekvencije u napon druge frekvencije. Dijele se na pretvarače napona i pretvarače frekvencije. Pretvarači frekvencije se dijele na direktne i indirektne (sa istosmjernim međukrugom). Direktni se dijele prema ulaznoj – izlaznoj frekvenciji, načinu isključenja tiristora i prema načinu upravljanja. Isključenje tiristora kod direktnih pretvarača može biti sa ili bez komutacionih krugova. Prema načinu upravljanja mogu biti anvelopni i fazno upravljivi. Kod indirektnih pretvarača vrši se dvostruka pretvorba energije, napon industrijske frekvencije (50 Hz) prvo se ispravlja, filtriraju više harmoničke komponente a zatim dobijeni istosmjerni napon invertuje u napon odgovarajuće frekvencije. Pretvarač napona Th1
Th1
D1
iopt iopt U
Th2
Ropt
Uopt
U
D2
Th2
Ropt
iopt U
Ropt
51
Senad S
uopt,iopt
uopt,iopt uopt,iopt
uopt iopt
c)
a) uth
uopt,iopt
vodi Th2 vodi Th1
b)
d)
Za pretvorbu izmjeničnog napona koriste se fazne metode, stepenaste, fazno stepenaste, širinsko impulsne i druge. Fazne metode upravljanja izmjeničnog napona zasnivaju se na upravljanju efektivnim vrijednostima napona na opterećenju, i to na taj način da se mijenja trajanje vođenja jednog od antiparalelnih tiristora (šenata). Fazno upravljanje moguće je ostvariti pri zaostavljanju ugla α (dijagram a) ili prednjačenju (dijagram c). Pri načinu vođenja i upravljanja (dijagram c,d) prestanak vođenja mora se završiti do zaustavljanja tekućeg poluvala. Zbog toga se primjenjuje prisilna komutacija. Efektivna vrijednost napona na opterećenju (čisto redno opterećenje)(dijagram a i c) je: U opt =
1 π
( π ∫
) sin ϑ d ϑ (dijagram a)
α U
2
2
α
U opt =
1 π −α π
∫(
) sin
α U
2
2
ϑ d ϑ (dijagram c)
α
Ili u relativnim jednačinama
U opt 1 ⎛ 1 ⎞ = ⎜ π − α + sin 2α ⎟ π ⎝ α U ⎠
Za dvostrano fazno upravljanje (dijagram d) U opt = Ili u relativnom odnosu
1 π −α π
∫(
) sin
α U
2
2
ϑ d ϑ
α
U opt 1 ⎛ 1 ⎞ = ⎜ π − 2α + sin 2α ⎟ π ⎝ α U ⎠
52
Senad S
uopt u 10
pri zaostajanju i prednja čenju 5 dvostrano fazno upravljanje [°el] 90
180
Efikasnost, potrošnja snage iz mreže definiše se parametrom δ = k cos ϕ gdje je k – faktor izoblič izobličenja sinusoide struje a ϕ - ugao pomaka prvog harmonika struje na optereć optere ćenju i napona mreže. Za sluč slu čaj da ugao α prethodi ili zaostaje (π − α )2 + (π − α )sin 2α + sin 2 α π − α + 0.5 sin 2α k = cos ϕ = 2 2 π (π − α + 0.5 sin 2α ) (π − α ) + (π − α )sin 2α + sin α Za sluč slučaj dvostranog upravljanja
= 0 ⇒ cos = 1 a k je k =
π − 2α + sin 2α π
Optereć Opterećenje pretežno induktivno
u uopt
Th1 iopt i
Lopt U
Th2
iopt
Uopt Ropt
Rad pretežno induktivnog optereć optere ćenja induktivnosti Lopt usporava porast struje iopt pri uključ uključenju tiristora i spreč sprečava njeno smanjenje pri smanjenju napona U. Period vođ vo đenja tiristora poveć povećava se za ugao δ .
53
Senad S Efektivna vrijednost napona na optereć optere ćenju je 2 1 π +δ ( ) U opt = α U sin 2 ϑ d ϑ ili u relativnim jednač jednačinama ∫ π
α
U opt 1⎡ 1 1 ⎤ ( ) = − + + − π α δ α sin 2 sin 2δ ⎥ ⎢ π ⎣ 2 2 U ⎦ Struje na optereć opterećenju u periodu vođ vođenja β , kao što se vidi sa dijagrama sastoji se iz dvije komponente: prisilna i slobodna. Lopt 2U ( ϑ − ϕ ) gdje je ϕ = arctg Prisilna komponenta je ioptpr = sin Ropt Ropt 2 + (ω Lopt )2 predstavlja ugao zaostajanja zaostajanja struje za naponom mreže mreže U. ϑ −α − L tg ϕ Slobodna komponenta je ioptsl = te ωτ , τ = opt = [ s ] - vremenska konstanta Ropt ω = α zbir prisilne i slobodne komponente struje jednak je nuli pa je U trenutku ϑ = 2U 2U ( α − ϕ ) + t = 0 ⇒ t = − sin sin (α − ϕ ) 2 2 2 2 Ropt + (ω Lopt ) Ropt + (ω Lopt )
Sada je struja optereć optere ćenja iopt =
2U Ropt 2 + (ω Lopt )2
ϑ −α − ⎡ ⎤ ⎢sin(ϑ − ϕ ) − sin (α − ϕ )e tg ϕ ⎥..(*) ⎢⎣ ⎥⎦
2ϕ sin ϑ Ropt Za sluč slučaj ϑ = π + δ ⇒ iopt = 0 te se može izrač izra čunati ugao δ iz relacije (*) tj Za sluč slučaj čisto radnog optereć opterećenja Lopt = 0, ϕ = 0, tg ϕ = 0 iopt =
−
π +δ −α
sin (δ − ϕ ) − sin (α − ϕ )e tg ϕ = 0 Pri pretežno induktivnom optereć opterećenju znač značajno pitanje je definisanje uglova tj: Lopt α = α kr = ϕ = δ = arctg tj kada je krivulja struje iopt ne prekinuta sinusna tj kada nema Ropt slobodne komponente. Tada je iopt =
2U R
2 opt
+ (ω Lopt )
2
sin (ϑ − ϕ )
U sluč slučaju da je α < α kr < δ da bi se ostvarila ne prekinuta struja na optereć optere ćenju potrebno je na tiristor dovesti dovoljno široke upravljač upravljačke impulse.
54
Senad S čnog og napona Stepenasta metoda metoda pretvaranja izmjeni izmjeni č n
Thn Tr
Th1 U -n
Thn-1
UUE
Th4
Th2 Th3
U1 U
-2
Uopt
Th2
U2-1 iopt U
-1
Th1
Ropt
Uopt
U UE - upravljač upravljački napon. Osobina stepenaste metode upravljanja je stepenasta promjena amplitude (efektivne vrijednosti) izmjenič izmjeničnog napona na optereć optere ćenju, bez promjene njegovog poč po četnog oblika. Poč Početak vođ vođenja tiristora je pri prolasku izmjenič izmjeni čnog napona kroz nulu. Prednost ove metode je što ne postoji izoblič izobličenje mrežnog napona i faznog izoblič izobli čenja struje u odnosu na fazni napon pri omskom optereć optere ćenju.
Fazno stepenasta metoda pretvaranja izmeni č nog nog napona Ova metoda je slič sli čna prethodnoj. U zavisnosti od stepena sekundarnog napona U α može biti dvo stepeno, tro stepeno i više stepeno regulirana. Suština ove metode svodi se na korištenje principa faznog upravljanja pri kontinuiranoj promjeni efektivnog napona na potrošač potrošaču u svakom dijelu stepena izlaznog napona. Uopt U
U
-2
-1
Uopt U U
-2
-1
55
Senad S
Na taj način pri kontinuiranom pravljenju iglom α , pretvarač ostvaruje promjene efektivne vrijednosti napona na opterećenju u područ ju U α −1 do U α −2 . Za dvo stepeno reguliranje efektivne vrijednosti napona na opterećenju je 2 2 1α 1 π 2 U opt = U d U α ϑ ϑ α ( ) ( ) + sin sin 2 ϑ d ϑ α −1 α − 2 ∫ ∫ π 0
π α
2 U α −1 2 ⎛ 1 1 ⎞ U α − 2 ⎛ ⎞ U opt = ⎜α − sin 2α ⎟ + ⎜ π − α + sin 2α ⎟ π ⎝ α π ⎝ α ⎠ ⎠
PRETVARAČI FREKVENCIJE Oni mogu biti direktni i indirektni Indirektni pretvarač i frekvencije
U1 A B C
U2
1 Upravljivi ispravlja č
Filter LC
Upravljački sistem ispravlja ča
x
Autonomni invertor
2 A1 B1 C1
Upravljački sistem invertora
UUE Izmjenični napon se ispravlja u upravljivom ispravljaču UI, zatim preko LC filtra F filtra i vodi u autonomni invertor AI i pretvara u izmjenični izlazni napon frekvencije f 2 koja se razlikuje od f 1 . Frekvenciuja reguliranja izlaznog napona ostvaruje invertor a ulaznog ispravljač. Pretvaranje frekvencije može se vršiti u širokim granicama a osnovni nedostatak je dvostruko pretvaranje energije čime je znatno smanjen faktor korisnog dejstva. Direktni pretvarač frekvencije
Uul
1
Ropt
Uizl
2
56
Senad S
Uul
T1/ Uizl
T2/ Ovi pretvarači frekvencije jednostepeno pretvaraju izmjeničnu energiju frekvencije f 1 u izmjeničnu energiju druge, obično niže frekvencije f 2 . Krivulja izlaznog napona je u djelovima napona mreže jer je opterećenje direktno preko tiristora vezano za izmjenični napon mreže. U seriju sa opterećenjem spojena su dva anti paralelna tiristora. Izborom zakonitosti upravljanja ovaj pretvarač napona postaje pretvarač frekvencije. Ako primjenimo kroz ''n'' perioda mrežnog napona frekvenciju f 1 upravljačke impulse samo na Th1 a zatim isti broj perioda na Th2 na potrošaču će se znati izmjenični napon frekvencije f 2 tj: T 2 T 1 1 = nT 1 + 1 , T 2 = 2nT 1 + T 1 = T 1 (2n + 1) , f = ⇒ f 2 = f 1 T 2 2 2n + 1 Odavde se vidi da je frekvencija f 2 niža od ulazne frekvencije f 1 . Efektivnu vrijednost izlaznog napona frekvencije f 2 možemo mijenjati regulisanjem ugla α . Direktno trofazni punovalni anvelopni pretvara č frekvencije
Uul
Ropt Uizl
1
2
57
Senad S Uiz Up
T1/2
T1/m1
T1/n1
T2/2
T 2 T 1 T = +n 1 , n = 0,1,2,3 m1 - broj faza m1 2 2 m1 3 − f 1 , m = 3 f 2 = − f 1 izmjeničnog sistema pa je f 2 = 2m + m1 7 Odavde se vidi da i ovaj frekventni pretvarač smanjuje ulaznu frekvenciju napona mreže. Ako se želi kontinuirana regulacija onda se uvodi pauza u radu ispravlja čkih krugova koja π − m1 f 1 odgovara uglu ϕ p pa je tada f 2 = π (2n + m1 ) + ϕ p m1
Frekvencija izlaznog napona se dobija kao
Direktni fazno upravljivi pretvarač frekvencije u mosnom spoju ul
1
A
L
L
L
L
B
Zopt Uizl
2
Direktni anvelopni pretvarač frekvencije daje na izlazu napon približno trapeznog oblika (veliki sadržaj visokih harmonika). Da bi se dobio približno sinusno izlazni napon koriste se ovi pretvarači. Opterećenje Z opt je pretežno induktivno (asinhroni motori malih brzina, mreža 58
Senad S izmjenične struje frekvencije f 2 i sl). Kod ovog spoja dok jedna grupa tiristora vodi druga je u blokirnom stanju. Što je broj pulzacija usmjerivača veći to je izlazni napon bliži sinusnom po obliku. Kao i kod anvelopnog i kod ovog pretvarača treba nakon smanjenja struje na potrošaču na nulu napraviti pauzu radi oporavka tiristora, tj blokirati obje grupe pretvara ča. Izlazni napon je sinusnog oblika i ako obje grupe rade istovremeno i ako su uglovi upravljanja takvi α A + α B = 180° . Srednja vrijednost izlaznog napona usmjerivača pojedinačno su uvijek jednake jer je cos α A = cos(180 − α D ) = − cos α B , ali trenutne vrijednosti izlaznih napona nisu iste. Da bi se izbjegao kratak spoj u mreži pri istovremenom vo đenju obje grupe tiristora ugrađuju se prigušnice L dovoljno velike induktivnosti koje reduciraju velike struje koje su reda čak struje kratkog spoja.
ISTOSMJERNI PRETVARAČI Istosmjerni pretvarači su sklopovi koji povezuju istosmjerne mreže odnosno pretvaraju jedan nivo istosmjernog napona, odnosno jednu jačinu struje u drugu. Mogu biti direktni i indirektni. Direktni se dijele prema načinu upravljanja na frekventno upravljive i frekventno i širinski upravljive. Također se dijele prema ostvarenoj vezi između ulaza i izlaza. Ovdje se misli na način ostvarivanja galvanske veze između ulaza i izlaza tj na pretvaraču sa ispravljačkim transformatorom ili bez njega. Indirektni istosmjerni pretvarač i ulaz
Invertor
Filter
Ispravlja č
izlaz
x Indirektni istosmjerni pretvarači sastoje se iz invertora, filtera za filtriranje invertiranog istosmjernog napona i ispravljača koji ispravlja ismjenični napon dobijen iz invertora. Osnovni nedostatak ovih pretvarača je dvostruka obrada energije, jedanput u invertoru a drugi put u ispavljačkom transformatoru. Zbog toga imaju relativno nizak stepen korisnog dejstva. Dobra osobina je što putem ispravljačkog transformatora obezbjeđuju galvansku izolaciju ulaza od izlaza i imaju mogućnost širokog spektra izlaznih napona u odnosu na ulazni.
59
Senad S Tranzistorski indirektni pretvara č istosmjernog napona UC Uc1 E T/2=tV
t
Uc2 LF max
-
t
Th1
Th2 CF
max
iC
Th4 IC’
t
iC IC’’
t t
-U2max
Uizl
Th3 opterećenje
N1B’ N1B’’
N1C’
U2 U2max
CF
N1C’’ R2 E
T1 C1
R1
T2
Uizl t
Sklop se sastoji iz dva NPN tranzistora T 1 i T 2 i transformatora sa dva primarna i jednim sekundarim namotom. Kolektorski namot N 1C ima srednji izvod a bazni N 1 B i dva u seriju spojena namota. Tranzistori naizmjenično propuštaju struju a aktiviraju se preko djelitelja napona R1 , R2 , C 1 . Uključenjem istosmjerng napona E poraste na otporu R1 pozitivan pad napona koji djeluje na baze tranzistora i uključi ih. Kada vodi T 1 cijeli napon E vlada na namotu N 1C " , pri tome ems namota N 1 B' stvara na bazi tranzistora T 1 pozitivan napon u odnosu na emiter i polarizira ga propusno. Istovremeno ems namota N 1 B" na bazi T 2 stvara negativan napon i polariše ga ne propusno. U namotu N 1C ' počinje rasti magnetni fluks Ф sve do zasićenja φ Z i kada nema više promjene fluksa zbog čega su u svim namotajima indukovane ems jednake nuli. Struja u namotajima naglo pada i po Lencovom zakonu nastoji podržati smanjenje struja i na taj način u namotajima izaziva ems suprotnih polariteta. Proces se dalje ponavlja na potpuno identičan način i na tranzistoru T 2 . Pošto je napon E konstantan na svakoj polovici namotaja N 1C onda se dobija pravougaoni oblik napona a magnetni fluks ima pravougaoni oblik. Struje kroz namot N 1C su također pravougaone, idealizirani sekundarni napon je također pravougaoni a izalzni napon istosmjerni. Da bi se utvrdilo tačno preklapanje tranzistora koristi se magnetna jezgra koja ima pravougaoni oblik histerezne petlje.
60
Senad S
B
Z
-H
H
-B Kada istosmjerni napon naizmjenično dovodimo na primarni namot trafoa magnetni fluks E 1 iznosi φ = − ∫ edt = t . Vrijeme da se magnetni fluks promjeni od − φ max do φ max iznosi N N 2 ⋅ Bmax ⋅ S ⋅ N C 2 ⋅ φ max ⋅ N C T 1 t v = = , t v = , f = odnosno frekvencija izlaznog napona E E T 2 E invertora je f = 4 ⋅ φ max ⋅ N 1C Direktni istosmjerni pretvarač i Kod ovih pretvarača se koriste impulsne metode pretvaranja i reguliranja istosmjernog napona IPIN.
P opt
Ropt
E
E tI
Ropt
Uopt
t T
opterećenje
Lopt
P
Uopt
Iopt E
D0 ID
Ropt
Iopt
E tI
t T
Pri periodičnom zatvaranju i otvaranju prekidača P na opterećenju se dobijaju pravougaoni impulsi čija je amplituda jednaka istosmjernom naponu E. Odnos između vremena trajanja t impulsa unutra jednog perioda je γ = I . Za t I = 0 ⇒ γ = 0 , za t I = T ⇒ γ = 1 . T Reguliranje izlaznog napona ostvaruje se širinsko impulsnom i frekventno impulsnom metodom.
61
Senad S Širinsko impulsna metoda (ŠIM) Ova metoda reguliranja ostvaruje se promjenom dužine (širine) izlaznih impulsa t I pri 1 konstantnoj frekvenciji. f = = const . Pri tome se dobija srednja vrijednost izlaznog napona T t t 1 T 1 I na opterećenju U optsr = ∫ U opt dt = ∫ Edt = E I = E ⋅ γ T 0 T 0 T Efektivna vrijednost napona na opterećenju t
t I 1 T 1 I 2 2 = = = E γ U optef = U dt E dt E opt T ∫0 T ∫0 T Kada imamo pretežno induktivno opterećenje zbog pojave prenapona pri prekidanju strujnog kruga opterećenje obavezno moramo šentirati diodom D0 . Upravo zbog toga na opterećenju imamo ne prekinutu struju jer pri isključenju prekidača struja teče iz diode zahvaljujući nagomilanoj energiji na zavojnici. Oblik struje je eksponencijalan a napona na optere ćenju L pravougaoni. Struja se mijenja u zavisnosti od vremenske konstante τ = opt [ s ] . Srednja Ropt U vrijednost struje na opterećenju je I optsr = optsr Ropt Razlikujemo dvije vrste impulsnih pretvarača sa širinsko impulsnom regulacijom a to su ne reverzibilni i revezibilni.
Ne reverzibilni impulsni istosmjerni pretvara č
uopt
D
P
Ropt
i E
E
Tt
D0 iD
Lopt iopt
iopt
Tt ŠIM
tI
UUE
T
U periodu između dva impulsa energija nagomilana na opterećenju Lopt prazni se preko diode D0 koja šentira opterećenje. Na opterećenju se dobijaju različite vrijednosti istosmjernog t
1 I napona čija je srednja vrijednost U optsr = ∫ Edt = E ⋅ γ T 0
62
Senad S Reverzibilni impulsni istosmjerni pretvarač uopt
P1 D1 ED
P2 Zopt
P4
D2
E
P3
-E
Tt
D4 D3
tI
T
iopt Tt
ŠIM
UUE
Kod ovog pretvarača cijelo vrijeme komutacije uključen je izvor energije kome se mijenja polaritet i to uključenjem u različitim intervalima. Pretvarač je mosnog tipa a uljučivanje prekidača u paru P 1 , P 3 odnosno P 2 , P 4 . Nagomilana energija na prigušnici L kada je Z opt pretežno induktivnog karaktera se vraća preko parazitnih dioda izvoru. Srednja vrijednost γ napona na opterećenju mijenja se promjenom faktora sprege tj I ⎤ 1 ⎡ I U optsr = ⎢∫ Edt − ∫ Edt ⎥ = E (2γ − 1) T ⎢⎣ 0 ⎥⎦ 0
t
T −t
Za γ = 0.5 => U optsr = 0 .
γ =
t I T
Frekventno impulsna metoda (FIM) Pomoću ove metode reguliranja izlaznog napona promjene napona se vrše na ra čun promjene frekvencije niza izlaznih impulsa f = 1/T u okviru jednog perioda pri čemu je f – varijabilna a t I − const . Regulacione mogućnosti pretvaranja predstavljaju se odnosom t 1 U optsr = I E = t I ⋅ f ⋅ E . Izlazni napon na opterećenju U optsr = E za f = a U optsr = 0 za T t I f = 0 . Komutacijom ŠIM i FIM reguliranja, reguliranje se ostvaruje promjenom dva parametra: - dužinom trajanja impulsa t I i - frekvencijom impulsa f Kao prekidački elementi kod impulsnih istosmjernih pretvarača uglavnom se koriste tiristori. Obzirom da se najčešće ne može ostvariti prirodna komutacija koriste se komutirajući kondenzatori za prisilnu komutaciju. Upravo zbog toga je osnovni krug pretvara ča oscilatorni u kome nastaje proces punjenja i pražnjenja kondenzatora.
63
Senad S Ne reverzibilni tiristorski istosmjerni pretvara č sa jednom komutacionom petljom uklj/isklj
C
LF
D Th1
Th2
L
iopt E
Lopt
CF Uopt
D0
M
Su
Preko filtera L F , C F na pretvarač se dovodi istosmjerni napon E čija se vrijednost ne mijenja ni kada je glavni tiristor Th1 uključen, a niti kada je isključen. Opterećenje pretvarača je istosmjerni motor sa serijskom uzbudom i prigušnicom velike induktivnosti Lopt . Opterećenje je šentirano diodom D. Prekidač zapravo čine Th1 , Th2 , C , L, D . Da bi se analizirao rad ovog istosmjernog pretvarača prethodnu šemu će mo pojednostaviti uz pretpostavku da su L F i C F filtri velike vrijednosti. UUE
t
UUE t UC
UC1=E
Th1
t
b
a
C
iC
Th2 d
D0
D c
L
t
Zopt Uth1
t
ith1 tI
Uopt
t
top E
E
t
iopt
t t1 t2
t3 t5 t4
t6
Kada upravljački sistem da pozitivan impuls na elektrodu pomoćnog tiristora Th2 počinje da se puni kondenzator C i na kraju ima vrijednost U C 1 ≈ E . Pretvarač je tada spreman za rad.
64
Senad S U trenutku t 1 dovodi se impuls na Th1 i struja na opterećenju iopt raste exponencijalno. Počinje proces ponovnog punjenja kapacitivnog kondenzatora C u strujnom krugu abcda. Struja kroz Th1 teče do trenutka t 3 kada nailazi impuls za uključenje Th2 čija je struja jednaka opteretnoj struji a struja Th1 je nula. Istovremeno kao rezultat započetog pražnjenja javlja se na Th1 zaporni napon. Ako je Δt = t 5 − t 3 dovoljno dugo onda Th1 obnovi svoje blokirne osobine. U periodu t 4 do t 5 kondenzator C se ponovo puni a u periodu t I do t 5 kroz opterećenje teče struja na račun nagomilane energije na induktivitetu L. Zatim se cijeli proces ponavlja. Proces punjenja i pražnjenja komutacionog kondenzatora može se prikazati nadomjesnim šemama.
P
P R0
C
E
C D0
Zopt
L0 a)
b)
Za šemu a) mogu se pisati jednačine ravnoteže napona i struja L0
diC + R0 iC + U C = 0..(*) dt
dU C pri čemu je L0 - induktivitet oscilatornog kruga, R0 - otpornost koja odgovara dt aktivnim gubicima oscilatornog kruga, C - kapacitet komutacionog kondenzatora. R0 d 2U C dU C 1 2 δ + + ω 0 U C = 0 . Rješenje ove Neka je δ 0 = i ω 0 = onda (*) glasi 2 0 2 2 L0 dt dt L0 C jednačine (Laplasove transformacije) je za: t 1 U C 1 = E , I C 1 = 0 iC =
t 2 U C 2 = − E ⋅ e
−
δ 0π ω 0
, I C 2 = 0
diC dU + RiC + U C = E ..(**) odnosno iC = C C . dt dt d 2U C dU C R 1 + + ω 1 2U C = ω 1 2 E δ Neka je δ 1 = i ω 1 = onda (**) dobija oblik 2 1 2 dt 2 Lopt dt Lopt C
t 3 do t 5 važi nadomjesna šema b) pa je Lopt
Rješenja prethodne jednačine za početne uslove su za: −
δ 1π
t 3 U C 3 = U C 2 − E ⋅ e ω 0 , I C 3 = I opt t 4 U C 4 = 0 t 5 U C 5 = E Vrijeme od t 3 do t 5 je vrijeme oporavka tiristora a u tom periodu se napon mijenja linearno tj δ π
− 0 I opt U C = t − E ⋅ e ω 0 . Za U C = 0 može se izraziti vrijeme oporavka tiristora kao C
65
Senad S −
δ 0π
E ⋅ e ω 0 t op = C , a za U C = E može se odrediti vrijeme ponovnog punjenja komutirajućeg I opt −
δ 0π
1 + e ω 0 kondenzatora kao t pp = E ⋅ C I opt top[ s]
Ioptsr [A] Istosmjerni pretvara č i višeg izlaznog od ulaznog napona Kada želimo ostvariti viši izlazni napon od ulaznog u seriju sa izvorom E treba spojiti dodatni izvor. To se može realizovati pomoću reaktivnih elemenata (prigušnica, kondenzator) koji predstavljaju skladište magnetne ili električne energije.
D
L E
P
C
Ropt
Očigledno kada je P zatvoren na prigušnici vlada napon E, struja raste linearno i u periodu vođenja t I akumulira se magnetna energija, za to vrijeme kondenzator C napaja potrošač a dioda D sprečava pražnjenje kondenzatora preko prekidača. Kada se P otvori magnetna energija sa prigušnice se prenosi na kondenzator i na potrošač. Dakle, prigušnica u seriju služi kao privremeni dodatni izvor energije. Za vrijeme perioda T srednja vrijednost napona na T
prigušnici mora biti jednaka nuli tj
∫0 u L dt = 0 .
Za vrijeme vođenja t I na prigušnici
voltsekunde su Et I a za vrijeme pauze voltsekunde su E − U optsr ⋅ t p ovo znači da je t + t T Et I + E − U optsr ⋅ t p = 0 . Odnosno U optsr = I p E = E t p t p Kako je t p < T onda je uvijek U optsr > E Srednju vrijednost struje izvora možemo odrediti na osnovu jednakosti ulazne i izlazne T prividne snage tj I Esr = I optsr . t p Drugi način dobijanja višeg izlaznog od ulaznog napona istosmjernog pretvara ča je pomoću transformatora. Pri tome treba voditi posebnu pažnju na problem koji se javlja pri prekidanju struje magnetiziranja i pojavu povećanih prenapona na prekidaču.
66
