Poluprovodničke komponente koje se koriste u energetskim

Poluprovodničke komponente koje se koriste

u energetskim pretvaračima

SW-kontrolisani prekidački element (tranzistor ili tiristor)

D-dioda

L-induktivnost

C-kapacitivnost

F1,F2-zaštitni elementi

(ultra brzi osigurači)

Prekidački elemenat - SW

TIRISTORI: SCR (Silicon Controlled Rectifiers)

MCT (Mos Controlled Thyristor)

GTO (Gate Turn- Off)

TRANZISTORI: BJT (Bipolar Junction Transistor)

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor

Podsećanje...

TIRISTORI - SCR

IGBT tranzistor 150A/600V(danas najčešće korišćen

poluprovodnički prekidač snage)

OPSEZI PRIMENE KONTROLISANIH

PREKIDAČKIH ELEMENATA-SW

Podsećanje...

Podela oblasti primene energetskih prekidača po snazi i radnoj učestanosti

Podsećanje...

AKTUATORI U JEDNOSMERNOM POGONU Pojačivači snage

Uređaji za napajanje električnom energijom jednosmernih motora u pogonima,

pre svega regulisanim.

ENERGETSKI

ULAZ

AKTUATOR UPRAVLJAČKI

ULAZ Puu

Peu

+

ua

+

e M

Ld

+ ia

a

aa

a

aeu

aauu

iuPP

iuP

a

caa uku

Vrste aktuatora

Elektromehanički:

1. Generator jednosmerne

struje

2. Amplidin

Statički (konvertori) aktuatori

1. Ispravljači (AC/DC)

2. Čoperi (DC/DC)

3. Magnetni pojačivači

Snaga na upravljačkom ulazu ima isključivo električnu prirodu.

ccuu iuP

Napon uc – KOMANDNI NAPON, može biti znatno manji od napona ua.

U najvećem broju slučajeva:

gde je ka – konstanta pojačanja aktuatora.

Snaga na energetskom ulazu može biti (u zavisnosti od vrste aktuatora)

mehanička ili električna (u naizmeničnom ili jednosmernom obliku).

Jednačine

Diferencijalne: Algebarske:

GENERATOR JEDNOSMERNE STRUJE

“DINAMIČKI SISTEM”

aaaa

a

fff

f

f

iRuedt

diL

iRudt

dN

afg

aaa

ff

gf

icm

tiuu

if

ce

?;;

+

uf

if Rf

Lf

Nf f

+ e

G mg, g =const.

+

+

Ra La

ua

ia

NORMALIZACIJA:

Sistem baznih vrednosti bira se u zavisnosti od toga:

• da li je posmatrani dinamički sistem nezavisan,

tada se bira isto kao kod motora;

ili

• posmatrani aktuator je podsistem u nekom složenom sistemu,

tada se mora voditi računa o kompatibilnosti baznih vrednosti

u celom dinamičkom sistemu.

1

fb f fb

ab ab ab fb b

fb fb

u R i

u R i c

i f

Usvajanjem sledećih

baznih vrednosti:

N:

** *

** * *

* * *

* * *

* * * *

* * *

,? ,

f b ff f

fb

a a a aa a

a ab ab

f g

f f

a a a

g f a

N du i

u dt

L R di Re u i

R R dt R

e

f i

u u i t

m i

f f f f

a a a a a a

T p u i

T R pi e u R i

Možemo sprovesti

postupak normalizacije

uf=uc +

if f -1()

1

pTf f

ωg

ua

e +

1

Ra +

ia

1

pTa

BLOK DIJAGRAM:

N:

Kod ovog aktuatora važi: uu f f

a a a

eu g g g f a

P u i

P u i

P m i

Ako se zanemare gubici na trenje, ventilaciju i u gvožđu, važi:

1a aR

Vezu između ulaznog signala i izlaza aktuatora ovde nije moguće odrediti

jednoznačno jer je sistem složen i nelinearan!!!

Potrebno je aktuator integrisati u konkretan dinamički sistem, naime odrediti relaciju

ua (ia,?,t), zatim linearizovati model i tek tada se mogu određivati funkcije prenosa i

pojačanja.

Vard Leonardova grupa

PM G M

Uc=Uf

Ua

Iz perspektive danas aktuelnih ispravljača za pogone sa jednosmernim

motorom treba govoriti samo o poluprovodničkim ispravljačima, sa

tiristorima i diodama, pri tome rešenja sa diodama, neregulisane ispravljače

(samo diode) i poluupravljive ispravljače (razne kombinacije tiristora i dioda)

treba samo pomenuti.

Delimično ćemo proučiti, pre svega sa stanovišta elektromotornog pogona,

dve vrste regulisanih ispravljača:

- monofazni mosni ispravljač;

- trofazni mosni ispravljač.

Detaljno proučavanje ovih ispravljača radi se u okviru predmeta Energetski

pretvarači.

ISPRAVLJAČI

Strukturna šema ispravljača:

JEDNOSMERNI

IZLAZ (Pa;ua;ia)

MREŽA

Peu= V~ I~ cos

Peu = V~ I~

cos ()

TIRISTORSKI

MOST

IMPULSI

POJAČAVAČ

IMPULSA

(“TESTERE”)

SINHRONI-

ZACIJA

GENERATOR

OKIDNIH

IMPULSA

UGAO PALJENJA

uc

Simulacioni blok dijagram

Pojačanje generatora impulsa: min max max min

max min max

/ V0

gic c c

ku u u

Dijagram pretvaranja komandnog napona uc u ugao paljenja

Ω∙t

uc

uc max

2

min

max uc min

Sprega monofaznog mosta i jednosmernog motora

ip is

Ekvivalentna šema pomoću koje se može objasniti rad ovog ispravljača

iGA - ~ +

- ~ +

- +

N

A

B

vAN

vBN

Ea

- + vR

Ra

ua

iA

iB

La

eL

ia

-

-

+

+

vAKA

vAKB

iGB

QA

QB

Analizom rada ovoga ispravljača može se utvrditi da postoji više različitih režima

rada koji se mogu podeliti na dve osnovne grupe:

- režime prekidnih struja, i

- režime neprekidnih struja.

tVv pp sin2

Np Ns

vs

ia

if

Q1

Q3

Q4

Q2

ua

Monofazni punoupravljivi most

Režim prekidnih struja Male brzine, mala

elektromotorna sila i mala opterećenja.

o o1 1 0.0260 , 0.02s s

50 360T

f

vAN vBN vAN

Ea

Ea

2 0 t

t

il

ia

ua

Za sve prekidne režime važe sledeće analitičke relacije:

arcsin arcsin2 2

za

2 sin za

fa

a a

a

E

V V

u E t

u V t t

Jednačina naponske ravnoteže je:

aa a a a a

diL u E R i

dt

čijim se rešavanjem dobija:

/

2, , sin

2sin

fa

a

f t tg

a

Vi t t

Z R

Vt e

R Z

gde je:

2 2

a a

a

a

Z L R

Larctg

R

U prekidnom režimu važi:

, , 0ai

Rešavanjem ove jednačine po dobija se:

,

Zbog svoje složenosti i transcendentne prirode ova jednačina se može rešiti samo

numerički.

Maksimalna vrednost za ugao je:

max

- Granica prekidnog režima, posle koje nastaje neprekidni

režim (sa kontinualnom strujom). max

Srednja struja u prekidnom režimu je:

1

,a aI i d t

ili

fa

aa

aaa U

RR

EUI

,

1,

Srednja vrednost ispravljenog (jednosmernog) napona je:

coscos21

, VU fa

Zbog vremenski promenljive struje pri stalnom fluksu

ima se i promenljiv momenat, njegova srednja vrednost

je:

, ,e f aM I

Poslednji izraz predstavlja MEHANIČKU KARAKTERISTIKU

u prekidnim režimima, koja je očigledno nelinearna.

Režimi sa neprekidnim strujama Veće brzine, veliko

operećenje. o o1 1 0.02

36 , 0.02s s50 360

Tf

vAN vAN vBN

Ea

2 t

t

ia

ua

Analitičke relacije koje važe u režimu neprekidnih struja.

Srednja vrednost ispravljenog napona je:

2 2

cosaV

U

Takođe važi i relacija:

a a a a f a aU E R I R I

Sada se može izvesti statička karakteristika:

2 2cos a

af f

RVI

Dok je MEHANIČKA KARAKTERISTIKA linearna i glasi:

0

2

2 2cos a

ef f

RVM

[o/min]

Memin Granica

prekidnosti

Ld=0

o

0

30

45

60

60 75 40 30 20

1000

800

600

400

200

-200

-400

-600

-800

90

105

120

135

150

180

prekidni režim

grafegr

gr

IM

,

,max

Me[Nm]

neprekidni režim

Funkcija prenosa mosta

Most je nelinearan sistem! Pojačanje se određuje linearizacijom.

0 0cos30 cos1502 20,013 V/

30 150

amos

U Vk V

( )aU

V

[ ]

U dinamičkim režimima most unosi transportno kašnjenje, međutim, zbog

pojednostavljenja analize most se može predstaviti kao član sa kašnjenjem

prvog reda:

1

mosmos

d

kG p

pT

Gde je: Td – srednje vreme kašnjenja koje je za monofazni most napajan

iz naizmenične mreže sa 50Hz: 1 1 1

5 ms2 2 2 2

dT

Tf

Promena ugla paljenja se može dogoditi bilo kada, dok promena napona

nastaje tek nakon uključenja odgovarajućeg tiristora.

ua

Ua1

0

Ua2

4 3 1 2

2

Td

1

Ukupno pojačanje ispravljača

max minmax

0,013 /ois gi mos

c

Vk k k

u

U praksi je: min

max

10 30

150 160

Funkcija prenosa ispravljača:

1

isis

d

kG p

pT

Trofazni tiristorski most

Ova konfiguracija ispravljača danas se najčešće koristi u praksi.

Principijelna šema trofaznog mosta data je na slici.

ua

-

-

-

+

+

+

van

vbn

vcn

isa

isb

isc

a

b

c

Q1 Q3 Q5

Q6 Q4 Q2

i3

i6

i1

i4

i5

i2

iG3

iG6

iG1 iG5

iG2 iG4

ia

n

0

V2v vab vbc vca

2

t

Kod ovog načina ispravljanja takođe postoje režimi sa prekidnom i neprekidnom

strujom.

Režim PREKIDNIH STRUJA nećemo proučavati iz dva razloga:

•zbog višefaznog ispravljanja ovaj režim se ne javlja često;

•analiza režima prekidnih struja je u principu ista kod svih vrsta ispravljanja.

Simulacioni blok dijagram

va vc vb vb vc va vb

vab vac vbc vba vca vcb vab vac

Ea

V2

ua

ia

isa

vb

i6 i1 i2

vcb

0

vcb vab vac vbc vba vca vcb vab

i6 i5 i1 i2 i3 i4 i5 i6

i3 i4 i5 i6 i1

2 t

t

Režim neprekidnih struja

ispravljački režim rada

vca

ua

-

-

-

+

+

+

van

vbn

vcn

isa

isb

isc

a

b

c

Q1Q3 Q5

Q6Q4 Q2

i3

i6

i1

i4

i5

i2

iG3

iG6

iG1 iG5

iG2iG4

ia

n2

6

1 3 2

3

/

a ab linijsko/

U ( ) v d( t ) V cos/

Srednja struja je:

a

fa

aR

UI

,

Mehanička karakteristika, koja je linearna je:

e

f

a

f

MRV

2cos

23

Familije mehaničkih karakteristika za različite uglove

paljenja date su na slici.

[o/min]

1500

1000

500

0

-500

-1000

-1500

50 100 150 200 250

=180o

=150o

=135o

=120o

=105o

=90o

=75o

=60o

=45o

=30o

=0o

Granica prekida Ld=0

Prekidni režim

Neprekidni režim

Me [Nm]

Menom

Funkcija prenosa mosta

Most je nelinearan sistem! Pojačanje se određuje linearizacijom.

( )aU

V

[ ]

3 2

3 2

U dinamičkim režimima most unosi transportno kašnjenje, međutim, zbog

pojednostavljenja analize most se može predstaviti kao član sa kašnjenjem

prvog reda:

1

mosmos

d

kG p

pT

Gde je: Td – srednje vreme kašnjenja koje je za trofazni most napajan iz

naizmenične mreže sa 50Hz:

Promena ugla paljenja se može dogoditi bilo kada, dok promena napona

nastaje tek nakon uključenja odgovarajućeg tiristora.

ua

Ua1

0

Ua2

4 3 1 2

2

Td

1

1 1 11,66ms

2 6 2 6d

TT

f

Ukupno pojačanje ispravljača

max minmax

0,0195 /ois gi mos

c

Vk k k

u

U praksi je: min

max

10 30

150 160

Funkcija prenosa ispravljača:

1

isis

d

kG p

pT

Pojačanje trofaznog mosta je:

o ocos30 cos1503 20,0195 V/

30 150

amos

U Vk V

ČETVOROKVADRANTNI POGON

Važno je istaći da jedan punoupravljivi most obezbeđuje rad pogona samo

u dva kvadranta. Rad u četiri kvadranta može se ostvariti:

- prevezivanjem jednog ispravljača, u slučajevima kada se ne zahteva brzi

prelazak iz jedne u drugu poluravan;

- antiparalelno povezivanje sa odvojenim upravljanjem (bez kružne struje),

kod brzih prelazaka (najčešće u praksi);

- antiparalelno povezivanje sa saglasnim upravljanjem (sa kružnom

strujom), kod vrlo brzih prelazaka iz jedne u drugu poluravan. Kod rada sa kružnom

strujom važi:

1 2

C1 C2

C1 C2( ) ( )

U U

u t u t

Četvorokvadratni rad sa preklopnikom

Regulacija brzine za male brzine reversa!

Logičko kolo: - promena stanja prekidača samo kada je ia = 0

- položaj prekidača u funkciji od znaka ia*

ML1L2

L3

6xReg. struje

Reg. brzine

*

ai

ai

cu*

DB

Logičko kolo

Ld

* 0

0

a

a

i

i

Četvoro-kvadratni rad sa dva anti-paralelna

mosta (razdeljeno upravljanje)

ML1 L2L3

6xReg. struje

Reg. brzine

*

ai

ai

cu

*

DB

Logičko kolo

Ld

* *0 0

0

a a

a

i i

i

6x

isti hladnjak

Četvoro-kvadrantni rad sa kružnom strujom

1L11L2

1L3

Ld

M

DB

Lc

2L12L2

2L3

Lc

{

{

ia

C1

C2

i1

i2

Četvoro-kvadrantni rad sa kružnom strujom (saglasno upravljanje)

me

C1 – ISP.

C2 – INV.

C1 – INV.

C2 – ISP.

C1 – INV.

C2 – ISP.

C1 – ISP.

C2 – INV.

o

1 2 180

Koristi se za ostvarivanje brzih reversa

(promene znaka) momenta.

C1 1 C2 2( ) ( )U U C1 C2( ) ( )u t u t kružna struja

samo za

C1( )u t

C2 ( )u t

o

C1 135

o

C2 45

o

C1 C2 90

C1 C2( ) ( )u t u t

Dijagram trenutnih vrednosti napona

C1 C2 C1 C290 ( ) ( )u t u t

o

C2 135

o

C1 45

t s

t s

G PM

A Reg Ref. Vc

ia

if

g

zamajac

Vard Leonardova grupa

M DB

ČOPERI

U ZAVISNOSTI U KOJIM KVADRANTIMA

JE MOGUĆ RAD, DELIMO IH NA KLASE:

A, B, C, D i E

Ua

Ia 0

Klasa A

Ua

Ia

0

Klasa B

Ua

Ia

0

Klasa D

Ua

Ia 0

Klasa C

Ua

Ia

0

Klasa E

Na slici je prikazana šema ovog čopera i dijagrami karakterističnih veličina

u režimu sa prekidnom strujom i u režimu sa neprekidnom strujom.

ona

tU V

T

Ia

Ua

0 Ea

+ -

+ - V

is

ia iG1

vAK1

Q1

iD Ua D1

La Ra + - - +

vR eL

ČOPER KLASE A

(spuštač napona)

ona

p

tU V

T

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

0

0.5

1

t = Vreme [s]

i g1(t

)

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

0

20

40

t = Vreme [s]

i a(t

)

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

0

50

100

t = Vreme [s]

ua(t

), e

(t)

100V, 40V

1 , 1mH

0,002 500Hz

a a

p p

V e

R L

T s F

ČOPER KLASE A

Režim sa

prekidnom

strujom

ČOPER KLASE A

Režim sa neprekidnom strujom

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

0.5

1

t = Vreme [s]

i g1(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

5

10

15

t = Vreme [s]

i a(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

50

100

t = Vreme [s]

ua(t

), e

(t)

Ia1

Ia2

100V,

40V

1 ,

10mH

0,002

500Hz

a

a

p

p

V

e

R

L

T s

F

Tper= Tp

TsTper/10

Šema i dijagram karakterističnih veličina u režimu sa neprekidnom strujom je data

na slici.

Ua

Ia

0

+ -

+ - V

is

ia

iG2 vAK2

Q2

iQ

Ua

D2

La Ra +

- - +

vR

(a)

eL

Ea

+

ČOPER KLASE B

(podizač napona)

p ona

p

T tU V

T

100V, 110V

1 , 1mH

0,002 500Hz

a a

p p

V e

R L

T s F

ČOPER KLASE B

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

0.5

1

t = Vreme [s]

i g2(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04-100

-50

0

t = Vreme [s]

i a(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

50

100

t = Vreme [s]

ua(t

), e

(t)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

-100

-50

0

t = Vreme [s]

i s(t

)

iD2=is

Ia1

Ia2

ČOPER KLASE B

Režim sa neprekidnom strujom

Ovaj čoper omogućava rad u dva kvadranta i predstavlja kombinaciju prethodna

dva. Šema i karakteristični dijagrami dati su na slici.

Ua

Ia

0

+ -

+ -

is

ia

iG2

Q1

iQ1

Ua

D2

La Ra +

- - +

vR eL

Ea

V

Q2

iQ2

iG1

iD2

iD1

D1

ČOPER KLASE C

ona

p

tU V

T

100V, 40V

1 , 1mH

0,002 500Hz

a a

p p

V e

R L

T s F

ČOPER KLASE C

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

0.5

1

t = Vreme [s]

i g1(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04-20

0

20

40

t = Vreme [s]

i a(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

50

100

t = Vreme [s]

ua(t

), e

(t)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04-20

0

20

40

t = Vreme [s]

i s(t

)

Ia1

Ia2

iQ1 iD1

iD2 iQ2

Čoper klase C

Režim rada sa neprekidnom strujom

Šema čopera:

Ua

Ia

0

+ -

is

Q1

Ua

D2

L R + - - +

vR eL

E

+

V iG1

ia

D1

Q2

iG2

ČOPER KLASE D

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

0.5

1

t = Vreme [s]

i g1(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

5

10

15

t = Vreme [s]

i a(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

50

100

t = Vreme [s]

ua(t

), e

(t)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

5

10

15

t = Vreme [s]

i s(t

)

100V, 40V

1 , 10mH

0,002 500Hz

a a

p p

V e

R L

T s F

ČOPER KLASE D

Režim rada sa neprekidnom strujom

Kombinacija dva čopera

klase C omogućava

četvoro-kvadrantni rad.

Šema čopera je na slici.

+ - + -

is

ia

Q1

Ua

D2 La Ra +

- - +

vR eL

Ea

V

Q2 D1

D4

D3

Q3

Q4

-

+

vD

Ua

Ia

0

Q1 - Q4 - ON

Q2 - Q3 - ON

D1 - Q4 - ON

D1 - Q4 - ON

D1 - D4 - ON Q2 - D3 - ON

D2 - Q3 - ON

D2 - D3 - ON

ČOPER KLASE E

100V, 40V

1 , 10mH

0,002 500Hz

a a

p p

V e

R L

T s F

ČOPER KLASE E

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

0.5

1

t = Vreme [s]

i g1(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

5

10

15

t = Vreme [s]

i a(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

50

100

t = Vreme [s]

ua(t

), e

(t)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

5

10

15

t = Vreme [s]

i s(t

)

Čoper klase E

Režim rada sa neprekidnom strujom

Predstavljanje čopera funkcijom

prenosa

1

1d

čč

d

pT čč

d

kG p

pT

kk e

pT

- Energetski pretvarači se za potrebe upravljanja elektromotornim pogonom

mogu predstaviti funkcijom prenosa sa kašnjenjem prvog reda, što važi i za čoper.

1 p

V

pT

d Ua

; ;onč d p

p

td k V T T

T

/

1

p

p

V T

pT

ton Ua

;č d pp

Vk T T

T

Savremeni elektromotorni pogon sa

motorom jednosmerne struje

napajanim iz čopera

L

M DB

ia

udc ua

Čoper

CRk