Direktni pretvorniki - lrtme.fe.uni-lj.silrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/ener_elek/Direktni pretvorniki_st1.pdf · Energetska elektronika Direktni pretvorniki Pretvorniki brez galvanske

Energetska elektronika Direktni pretvorniki

Pretvorniki brez galvanske ločitve med vhodom in izhodom:

• direktni enosmerni pretvorniki za eno in večkvadrantno obratovanje• lastno vodeni usmerniki in razsmerniki

Prednosti:

• majhna teža, volumen• dobro razmerje med instalirano preklopno močjo in maksimalnopreneseno močjo

Direktni pretvorniki

Pri tem je: n število stikalnih ventilovUpν teoretično maksimalna napetost na ventilu νIpν teoretično maksimalen tok ventila ν

= ∙


Slika 11.1: Enosmerni nastavljalnik

Vezja za enokvadrantno delovanje

ENOSMERNISISTEM

NAPAJALNIK

ENOSMERNISISTEM

PORABNIK

==

Direktni enosmerni presmernik

(DC-DC pretvorniki)

- pretvornik navzdol (nem. Tiefsetzsteller, angl. Buck converter)

- pretvornik navzgor (nem. Hochsetzsteller, angl. Boost converter)

- zaporni pretvornik ali pretvornik dol-gor (nem. Sperrsteller ali Hochund Tiefsetzsteller, angl. Flyback ali Buck-Boost-Converter)


Slika 11.2: Shema pretvornika navzdol

iU

L

=

iV iE

iL

uL

V

DUe E

U > E

vhod Uizhod E

=

t0

iL

it

ib

Tg T0

Tg Tg + T0

t

L bt 0

1i i (U E)dtL

g

t

L tt T

1i i ( E)dtL

mine e 0

e = emax = U

Slika 11.3: Časovni potek toka


Slika 11.4: Nastavitveno območje (za iL IL in îV îV,max)

0

0 ≤ IU ≤ IU,MAX

iV,max iU

U

E

0

0 ≤ IE ≤ IE,MAX

iV,max iE

E

U

Območje vhoda Območje izhoda


Slika 11.5: Pretok energije v odprtem in zaprtem stanju ventila

NAPAJALNISISTEM

NAPAJANSISTEM

NAPAJALNISISTEM

NAPAJANSISTEM

odprt ventil

zaprt ventil

DUŠILKA

DUŠILKA

Krmiljenje enosmernega presmernika

Pri pulzno-širinskem načinu proženja stikal (ang. PWM -Pulse-Width Modulation) je stikalna frekvenca fS konstantna. Topomeni, da je perioda enaka TS = tvkl + tizkl.

Delovno razmerje določimo kot:S

vkl

T

t



Princip pulzno-širinskega proženja stikal

žag

krm

S

vkl

U

u

T

tˆ

vhvhs

vkl

T

t

t

vhs

T

izhs

izh UUT

tdtdtU

Tdttu

TU

s

vkl

vkls

01)(1

00

žag

vhkrmkrm

žag

vhizh

U

UKuKu

U

UU ˆ;ˆ


V praksi se izkaže, da ima predstavljeno vezje dve pomembnipomanjkljivosti:

• Breme je največkrat induktivnega značaja. To pomeni, da se nastikalu sprošča induktivna energija, kar bi povzročilo uničenje.

• Izhodna napetost zavzema dva nivoja (0 V in Uvh), kar povzročavisoko vsebnost višjih harmonskih komponent v napetosti nabremenu.



Vsak pol: -6 dB/oktavo-20 dB/dekado

Vsaka ničla: +6 dB/oktavo+20 dB/dekado

Delovanje pretvornika pri zveznem toku skozi dušilko

izhvhL UUu


Ko stikalo izklopimo, teče tok zaradi inducirane napetosti še naprej v isti smeri in velja:

izhL Uu

V ustaljenem stanju je srednja vrednostnapetosti na dušilki enaka nič:

s vkl S

vkl

T t T

t

LLL dtudtudtu0 0

0

To pomeni, da sta površiniA in B enaki:

vklSizhvklizhvh tTUtUU

S

vkl

vh

izh

T

t

U

U


V tem načinu delovanja je izhodna napetost premosorazmernadelovnemu razmerju pri konstantni vhodni napetosti Uvh. Ostaleveličine torej ne vplivajo na izhodno napetost, zato lahkozapišemo:

S

izklvklvhizh T

ttUU

0

S

vkl

vh

izh

T

t

U

U

Če zanemarimo izgube v elementih vezja, je vhodna moč vezjaenaka izhodni:

izhvh PP

izhizhvhvh IUIU

1

izh

vh

vh

izh

U

U

I

I


Razmere v vezju na meji med zveznim in nezveznim delovanjem

V tem primeru je srednja vrednost toka skozi dušilko enaka:

mejniizhizhvhS

izhvhvkl

LmejniL IUUL

TUU

L

tII ,, 22ˆ

21


Delovanje vezja v področju trganega tokaV mnogih tehniških rešitvah je vhodna napetost konstantna,izhodno pa spreminjamo z delovnim razmerjem .

Na meji med zveznim in nezveznim delovanjem je srednjavrednost toka skozi dušilko:

12, L

UTI vhS

mejniL

Izhodni tok, ki ga moramo zagotoviti za zvezen načindelovanja pretvornika je največji pri = 0,5:

L

UTI vhS

mejniL

8

ˆ,

1ˆ4 ,, mejniLmejniL II


Tudi v tem primeru je integral napetosti na dušilki prekoene periode enak nič:

01 SizhSizhvh TUTUU

1

vh

izh

U

U

pri čemer velja: 0,11

Sizh

L TL

UI 1ˆ


1,

1

111

ˆ4

2

22ˆ

mejniL

Svh

SizhSLizh

I

L

TU

L

TUTII

Če iz zgornje enačbe izrazimo 1:

L

izh

I

Iˆ41

Če zgornjo enačbo vstavimo v enačbo1

vh

izh

U

U


mejniL

izhvh

izh

I

IU

U

,

2

2

ˆ4

Na spodnji sliki vidimo krivulje odvisnosti Uizh/Uvh od Iizh/IL-maks.,mejni. ,ki so posnete pri konstantni vhodni napetosti Uvh in za različnevrednosti delovnega razmerja .Meja med zveznim in nezveznim delovanjem pretvornika jeprikazana s črtkano črto.


Delovanje pretvornika pri trganem toku skonstantno izhodno napetostjo

Pri delovanju pretvornika, kjer se vhodna napetostspreminja, dosežemo konstantno izhodno napetost znastavitvijo ustreznega delovnega razmerja .

Ker velja enačba Uvh = Uizh/, je srednja vrednost tokaskozi dušilko pri delovanju pretvornika na meji medzveznim in nezveznim delovanjem določena z enačbo:

12, L

UTI izhS

mejniL

Iz enačbe je razvidno, da pri konstantni vrednosti izhodne napetosti Uizh,dosežemo maksimalno vrednost

mejniLI ,ˆ pri = 0:

L

UTI izhS

mejniL

2

ˆ,


V praksi je delovanje pri = 0 nemogoče, saj bi potrebovalineskončno visoko vhodno napetost Uvh

Iz zadnjih dveh enačb lahko dobimo:

1ˆ,, mejniLmejniL II

vh

izh

mejniL

izh

vh

izh

U

U

I

I

U

U

1

ˆ,

Za delovanje pretvornika, kjer je Uizh konstantna, je dobro poznati odvisnostdelovnega razmerja od

mejniLizh II ,ˆ/

Če uporabimo enačbi in , ki veljata za nezvezno

delovanje ne glede na to katera napetost je konstantna (Uvh ali Uizh), potem lahkoizračunamo:

1

vh

izh

U

U1,

ˆ4 mejniLizh II


Karakteristike pretvornika navzdol pri konstantni izhodni napetosti Uizh.


Valovitost izhodne napetostiValovitost napetosti na kondenzatorju oziroma na izhodupretvornika (Umaks – Umin) lahko izračunamo s pomočjo enačbe:

22211 SL

izh

TI

CC

QU

Za čas tizkl zapišemo:

Sizh

L TL

UI 1

Če vstavimo IL iz druge enačbe v prvo enačbo, dobimo:

SizhS

izh TL

U

C

TU 1

8


Valovitost napetosti na izhodupretvornika navzdol

222

12

181

S

CS

izh

izh

f

f

LC

T

U

U

kjer fS stikalna frekvenca, fC pa je:

LCfC 2

1

Iz zgornje enačbe je razvidno, da lahkovalovitost izhodne napetosti zelozmanjšamo, če izberemo lastnofrekvenco nizkopasovnega filtra tako,da je

SC ff



Slika 11.6: Shema pretvornika navzgor

iE

=

L

=

iL iU

iV

V

D

UeE

U > E

vhod Eizhod U

Pretvornik navzgor



t0

iL

it

ib

Tg T0

Tg Tg + T0

t

Lt 0

1i . EdtL

t

L bt 0

1i i . EdtL

g

t

L tt T

1i i . (E U)dtL


Slika 11.8: Nastavitveno območje (za iL IL in îV îV,max)

0

0 ≤ IU ≤ IU,MAX

iV,max iU

U

E

0

0 ≤ IE ≤ IE,MAX

iV,max iE

E

U

Vhodno nastavitveno območje Izhodno nastavitveno območje



NAPAJALNISISTEM

NAPAJANISISTEM

DUŠILKA

NAPAJALNISISTEM

NAPAJANISISTEM

DUŠILKA

Odprt ventil

Zaprt ventil

Pretvornik navzgor

Principialna shema pretvornika navzgor


Pretvornik navzgor v zveznem načinu delovanja

Srednja vrednost napetosti na dušilki preko ene periode je enaka nič.

0 izklizhvhvklvh tUUtU

11

izkl

S

vh

izh

t

T

U

U

izhizhvhvh IUIU

1vh

izh

I

I

Če zgornjo enačbo preuredimo:

Če je vezje brez izgub, velja:

oziroma


Meja med zveznim in nezveznim načinom delovanja

Tok iL je na koncu stikalne periode TS enak nič. Srednja vrednosttoka skozi dušilko je enaka:

122

1ˆ21

, L

UT

L

UII izhSvh

LmejniL


Pri tem pretvorniku vidimo, da je iL = ivh. Srednja vrednost toka na izhodu je:

2, 12

L

UTI izhS

mejniizh

Tok skozi dušilko IL,mejni dosežemaksimalno vrednostpri = 0,5:

L

UTI izhS

mejniL

8

ˆ,

Maksimalno vrednost izhodnega mejnega toka Iizh,mejni dobimo pri = 0,33:

L

UT

L

UTI SizhS

mejniizh0

, 074,0272ˆ


Odvisnost mejne srednje vrednosti toka skozi dušilko in mejnesrednje vrednosti izhodnega toka od njunih maksimalnih vrednostije enaka:

mejniLmejniL II ,,ˆ14

mejniizhmejniizh II ,2

,ˆ1

427

in


Pretvornik navzgor v nezveznem načinu delovanja

Ponovno izračunajmo integral napetosti na dušilki preko ene periode:

01 SizhvhSvh TUUTU

1

1

vh

izh

U

U

oziroma:izhvh

vh

izh PPI

I

jeker1

1


Pri trganem toku skozi dušilko je njegova srednja vrednost enakasrednji vrednosti vhodnega toka:

12

S

vhvhL T

L

UII

12

L

UTI vhS

izh

mejniizh

izh

vh

izh

vh

izh

I

I

U

U

U

U

,ˆ1

274


Karakteristike pretvornika navzgor pri konstantni izhodni napetosti Uizh.

Energija, ki se v eni periodi prenese iz vhoda v izhodni kondenzatorin breme je enaka:

L

TUI

L SvhL

2ˆ

2

22


Vpliv parazitnih elementov na delovanje vezja


Valovitost izhodne napetosti (pri zveznem toku)

Če predpostavimo, da teče srednja vrednost toka skozibreme, izmenični del pa teče skozi izhodni kondenzator,potem je sprememba napetosti na kondenzatorju:

C

T

R

U

C

TI

C

QU SizhSizh

izh

RCT

RC

T

U

U SS

izh

izh

jekjer

Valovitost izhodne napetostipretvornika navzgor



Slika 11.10: Shema zapornega pretvornika

iE

= L =iL

V D

U

E

iU

E U

Zaporni pretvornik



t0

iL

it

ib

Tg T0

Tg Tg + T0

t

t 0

1i . UdtL

t

L bt 0

1i i . UdtL

g

t

L tt T

1i i ( E)dtL


Slika 11.12: Nastavitveno območje (za iLIL in îV = îV,max )

0 iV,max iE

E

U

0 iV,max iU

U

E

Vhodno nastavitveno območjeIzhodno nastavitveno območje



NAPAJALNISISTEM

NAPAJANISISTEM

DUŠILKA

NAPAJALNISISTEM

NAPAJANISISTEM

DUŠILKA


Slika 11.14: Kaskada pretvornika navzgor in pretvornika navzdol

=

L

=VU

UE

VE

Kaskadna vezava (Buck-Boost)


Slika 11.15: Shema pretvornika navzdol s spremembo smeri napetosti

=

L=U

VU 2

U 2D

e

UL

iL iE

E

vhod Uizhod E

Pretvornik navzdol s spremembo smeri napetosti

V prevaja (Tg): Tokovna veja : maxUe e2

V zaprt (To): Tokovna veja: minUe e2


Slika 11.15: Shema pretvornika navzdol s spremembo smeri napetosti

=

L=U

VU 2

U 2D

e

UL

iL iE

E

vhod Uizhod E

Pretvornik navzdol s spremembo smeri napetosti

maxUe e2

minUe e2

τg = 1:

τg = 0: V ustaljenem stanju je UL=0

E = e - uL

U UE2 2


Slika 11.16: Izhodno nastavitveno stanje sistema

iV,maxIE

E

U/2

-U/2


Slika 11.17: Shema pretvornika navzgor

izhod Uvhod E

LU

VU 2

U 2 De

UL

iLIE

=

= E

tokovna veja mora biti vzpostavljena

Pretvornik navzgor s spremembo smeri napetosti

minUe e2

maxUe e2

V prevaja (Tg): Tokovna veja

V zaprt (To): Tokovna veja;


Slika 11.18: Vhodno nastavitveno območje

iV,maxIE

E

-U/2

U/2


Slika 11.19: Shema nastavljalnika

L

VHU

e

UL

iL

IE

=

E

VT

Pretvornik navzdol Pretvornik navzgor

Možnosti delovanja:

a) Brez uporabe prostotečnih tokokrogov

b) Ločeno pokrivanje prvega in četrtega kvadranta

Enosmerni nastavljalnik v obliki asimetričnega polmostiča


Slika 11.20: Nastavitveno območje

iV,maxIE

E

-U

U


Slika 11.21: Shema pokrivanja

iV,max IE

E

U


Slika 11.22: Celotno nastavitveno območje

iV,maxIE

E

-U

U Napajanje / prosti tek (bI)

Prosti tek / Vračanje (bII)


Slika 11.23: Shema nastavljalnika

L

VH

U

IE=

E

VT

L

Dvokvadrantni nastavljalnik z obračanjem smeri toka


Slika 11.24: 1. Kvadrant

UL

VH

U

IE

E

VT

L

e

iL=


Slika 11.25: 2. Kvadrant

UL

VH

U

IE

E

VT

L

e

iL=

iV,max IE

E

U


Slika 11.26: Krmilno območje

iV,maxIE

EU

-iV,max


Slika 11.27: Shema nastavljalnika, delovanje v 1. in 4. kvadrantu

VH

=

L

=U

VT U 2

U 2DT

e

ULiE

E

iL

DH

Štirikvadrantni nastavljalnik s spremembo smerinapetosti s srednjim odcepom

VH

=L

=U

VTU / 2

U /2DT

e

ULiE

E

iL

DH

Slika 11.28: Delovanje v 2. in 3. kvadrantu

1. IL>0 → Pripadajoče nastavitveno območje za E: 1. in 4. kvadrant

2. IL < 0 → Pripadajoče nastavitveno območje za E: 2. in 3. kvadrant


Slika 11.29: Skupno nastavitveno območje

iV,max IE

E

-U/2

U/2

-iV,max


Slika 11.30: Shema vezja (tokovne veje niso vrisane)

VIV

=L

U

VI

e

ULIE

E

iL

VII

VIII

Vroča veja


Slika 11.31: Nastavitveno območje za E

iV,max IE

E

+U

-U


Slika 11.32: Nastavitveno območje

iV,max IE

E+U

-U

-iV,max


Slika 11.33: Shema vezja

VU

=

L

=U

V0 U 2

U 2

e

iL iE

ei


Slika 11.34: Nastavitveno (delovno) področje

iE

+U/2

-U/2

e Razsmerniško delovanje

Usmerniško delovanje


Razsmerniško delovanje


Slika 11.35: Izvedba s kapacitivnim srednjim odcepom

VU

L

U

V0 U 2

U 2

e

iL iE

ei

= U



VIV

=L

U

VI

e

ieei

iL

VII

VIII

Enofazni usmernik (razsmernik) v mostični vezavi


Slika 11.37: Oznaka v kvadrantih za kvazistacionarno delovanje

iE

+U

-U

e

Razsmerniško delovanje



Razsmerniško delovanjeiV,max-iV,max



V4

=

R

U

V1

eR

R

L

iRV6

V3

V2

V5

=+U/2

=-U/2

eiR

S

eS

S

L

eiS

T

eT

T

L

eiT

iS iT

Trifazni usmernik (razsmernik) v mostični vezavi



=

U

iR iS iT

eR eS eT

Trojni enofazni usmernik (razsmernik) v mostični vezavi

Energetska elektronika Osnovni principi modulacije

Slika 12.1

i,IRALAV

e

Ui

E = ē

i,I

Osnovni modulacijski principi - PŠM


Slika 12.2t

t

t2Tp 3TpTp

TpT0

Tgûref

e

U

0

i

uref ukr

Tp 2Tp 3Tp


Slika 12.3

t

t

e

UT0 Tg

Tp

i

iŽ

Ploščini = veliki

½Δi½Δi


Slika 12.4

1

p TI

+

+

ižižel

+

-

idej


Slika 12.5

takt

e

USS

ŽSS

i

iž

10

01

T0 Tg

t

t

t

t

U

TA - perioda povpraševanjaTA

Časovno-diskretni način spreminjanja stikalnih stanj


Slika 12.6

TP

takt

t

t

t

Tg

T0

e

i

iž

U

“Current mode”


Slika 12.7

0

U

e

T0

Tg

t

t

takt

i

iž

TP

t


Slika 12.8

VZ

U E

RLi

e

VS

akumulator

vzbujalno navitje nekega magneta


Slika 12.9

R

L

TN

TP 2TP

Δe

t

t

T=i

e

-U

+U

ûref

uref ukr

0

0

››› TP

napajanje vračanje

TV

TN - napajanjeTV - vračanjeTN+ TV - čas pulzne periode (TP)=konst

T

=


Slika 12.10

R

L

21

Δ e

2TpTp

2TpTp

Tg

Tg

T0

T0

+U

e

-ukr

ukr

ûref

uref ukr -ukr

t

t

t

t

t

iTp

0

-U

napajanje

napajanje

prostitekzgoraj

prostitekspodaj

VZ-prevaja

T=

›››T=

Documents

Direktni pretvorniki - lrtme.fe.uni-lj.silrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/ener_elek/Direktni pretvorniki_st1.pdf · Energetska elektronika Direktni pretvorniki Pretvorniki brez galvanske