Embed Size (px)
Citation preview
SVEUČILIŠTE U SPLITU POMORSKI FAKULTET U SPLITU
Prof. dr. sc. Danko Kezić
ENERGETSKA ELEKTRONIKA
PRIRUČNIK ZA SIMULACIJU PRETVARAČKIH SKLOPOVA
Split, 2007.
Autor: Prof. dr. sc. Danko Kezić Recenzenti: Prof. dr. sc. Ante Munitić Prof. dr. sc. Josip Kasum Izdavač: Pomorski fakultet u Splitu Za izdavača: Prof. dr. sc. Ante Munitić Urednik edicije: Prof. dr. sc. Ante Munitić
Tiskanje izdanja odobreno je na sjednici Povjerenstva za izdavačku djelatnost Pomorskog fakulteta u Splitu srpanj, 2007 godine. Priručnik je prihvaćen odlukom Senata Sveučilišta u Splitu na 25. sjednici pod brojem 01-1-25/21d-2008 koja je održana 5.svibnja.2008. godine
web: www.pfst.hr Naklada: elektronička Sva prava pridržana. Ni jedan dio ovog izdanja ne smije se preslikavati, snimati ili na drugi način umnožavati, spremiti u obliku pogodnom za umnožavanje ili prenositi u bilo kojem obliku, elektroničkim ili mehaničkim putem, bez prethodne dozvole autora.
CIP-Katalogizacija u publikaciji Sveučilišna knjižnica u Splitu KEZIĆ, Danko Energetska elektronika: Priručnik za simulaciju pretvaračkih skolopova : elektronički oblik / Kezić Danko. – Split : Pomorski fakultet Sveučilišta, u Splitu, 2007. Bibliografija. ISBN 978-953-6655-41-0 ISBN 978-953-6655-41-0
PREDGOVOR: Priručnik za simulaciju sklopova energetske elektronike namijenjen je studentima preddiplomskog studija «Pomorske elektrotehničke i informatičke tehnologije» Pomorskog fakulteta u Splitu za kolegij «Energetska elektronika». U priručniku je opisan veći broj sklopova energetske elektronike koji se zatim simuliraju uz pomoć programskog paketa PowerSim (PSIM), specijalnog alata prikladnog za simulaciju sklopova energetske elektronike kojeg je razvila francuska tvrtka POWERSYS. Na taj način studenti na relativno lagan način mogu razmatrati kompleksne strujno naponske promjene u ovim sklopovima i detaljno se upoznati sa funkcioniranjem energetskih elektroničkih pretvarača. Razlog koji je autora motivirao na izradu ovog priručnika može se objasniti u nekoliko rečenica. Naime sklopovi energetske elektronike su projektirani za relativno visoke napone i struje, te su komponente ovih sklopova u pravilu veoma skupe. Iz tog razloga često nije pogodno da studenti izučavaju rad realnih sklopova, već je prikladnije simulirati rad sklopova uz pomoć profesionalnih programa strogo namijenjenih za ovakve sklopove. Na taj se način studenti mogu lakše upoznati sa teorijom rada sklopova i predvidjeti njihovo ponašanje u različitim režimima eksploatacije uređaja. Mogu se simulirati različiti scenariji koji su iz sigurnosnih razloga teško izvodljivi u praksi (mogućnosti oštećenja sklopova, opasnosti od strujnog udara). Stoga je računarska simulacija danas nezamjenjiv alat koji se sve više koristi prilikom učenja i projektiranja sustava energetske elektronike. Naravno, vježbe s realnim sklopovima su također nezaobilazan dio edukacije studenata elektrotehničkih fakulteta, no ovakovi simulacijski programi su vrijedna i nezaobilazna nadopuna. Ovaj priručnik je obuhvatio sve najvažnije tipove statičkih energetskih pretvarača koji se detaljno razmatraju u teorijskom dijelu kolegija «Energetska elektronika» i predstavlja neophodnu prateću literaturu za izvođenje vježbi.
Priručnik je podijeljen na sedam poglavlja. Prvo poglavlje «Simulacijski program Powersim» je uvodno poglavlje i razmatra osnove rada s programom Powersim. Drugo i treće poglavlje razmatraju jednostavne RLC sklopove u spoju s poluvodičkim ventilima, te komutaciju u jednostavnom ispravljačkom sklopu. Poglavlja četiri, pet, šest i sedam razmatraju pretvaračke sklopove koji se koriste u energetskoj elektronici. Svako poglavlje počinje s kratkim repetitorijem i pripremnim pitanjima, nakon kojih slijede simulacijske vježbe s opisom sklopova koje treba simulirati tijekom izvođenja vježbi. Dio sklopova razmatranih u ovom priručniku su djelo autora, a dio sklopova su preuzeti od proizvođača simulacijskog programa. Autor je preuzete sklopove teoretski obradio i simulirao. U priručniku su točno definirani zadaci koji se moraju obaviti, te način na koji se simulacija izvodi. Nakon obavljene vježbe, student sačinjava izvještaj i pristupa kolokviranju vježbe. Studentima se nadalje preporuča da, koristeći ovaj priručnik i primjere zadane u njemu, samoinicjativno proučavaju sklopove na način da pokušaju mijenjati parametre danih sklopova i snimati strujno-naponske odzive sklopova, jer će na taj način «kroz igru» u potpunosti razumjeti rad ovih, inače vrlo kompleksnih, sklopova. Sve vježbe pripremljene za simulaciju u programu PSIM i koje su opisane u ovom priručniku mogu se naći na web stranicama autora www.pfst.hr/~danko u *.sch formatu. Priložene datoteke *.sch formata su namjenjene prvenstveno za Studentsku verziju PSIM-a, koja se nalazi instalirana na računalima Pomorskog fakulteta u Splitu. No, vježbe je također moguće izvoditi i na besplatnoj DEMO verziji istog programa koji se može naći na web stranicama proizvođača programa http://www.powersys.fr/. Naravno, DEMO verzija ima određena ograničenja koja se odnosi na broj komponenata i na broj strujno naponskih valnih oblika koja se mogu istodobno pratiti, no sve vježbe će besprijekorno raditi i na ovoj besplatnoj verziji programa. Bilo bi mi izuzetno drago da ovaj priručnik posluži i studentima elektrotehnike srodnih fakulteta. Za svaku korisnu primjedbu autor će biti vrlo zahvalan. Prof. dr. sc. Danko Kezić
SADRŽAJ:
1. SIMULACIJSKI PROGRAM POWERSIM .................................................................. 1 1.1 UVOD.................................................................................................................. 1 1.1.1 Struktura uređaja energetske elektronike ................................................ 2 1.1.2 Definiranje parametara komponenata sklopa .......................................... 3 1.1.3 Simulacija sklopa .................................................................................... 4 1.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI ................................................................... 5 1.3 SIMULACIJA JEDNOSTAVNOG SKLOPA .................................................... 6 Vježba 1.1 - Poluvalni ispravljač s RC filtrom .............................................. 6 2. OTPORNIK PRIGUŠNICA I KONDENZATOR U KRUGU S ELEKTRIČNIM
VENTILOM ................................................................................................................... 8 2.1 UVOD.................................................................................................................. 8 2.1.1 Temeljne relacije pasivnih komponenata ................................................ 8 2.1.2 Pojave u RC, RL i LC sklopovima........................................................ 10 2.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI ................................................................. 12 2.3 SIMULACISKE VJEŽBE ................................................................................. 13 Vježba 2.1 - RC sklop .................................................................................. 13 Vježba 2.2 - RL sklop .................................................................................. 14 Vježba 2.3 - Poluvalni ispravljač s RL opterećenjem.................................. 16 Vježba 2.4 - Poluvalni ispravljač s istosmjernim protunaponom ................ 18 Vježba 2.5 - Poluvalni ispravljač s RLC opterećenjem ............................... 19 3. KOMUTACIJA NAPONSKIM IZVOROM................................................................. 21 3.1 UVOD................................................................................................................ 21 3.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI ................................................................. 24 3.3 SIMULACIJSKE VJEŽBE................................................................................ 24 Vježba 3.1- Komutacija naponskim izvorom .............................................. 24 4. OSNOVNI SPOJEVI ISTOSMJERNIH PRETVARAČA ........................................... 27 4.1 UVOD................................................................................................................ 27 4.1.1 DC/DC pretvarači u propusnom spoju................................................ 27 4.1.2 DC/DC pretvarači u blokirnom spoju ................................................. 29 4.1.2.1 DC/DC pretvarači u blokirnom spoju bez invertiranja napona. 29 4.1.2.2 DC/DC pretvarači u blokirnom spoju s invertiranja napona..... 30 4.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI ................................................................. 31 4.3 SIMULACIJSKE VJEŽBE................................................................................ 32 Vjezba 4.1 - Osnovni tipovi DC/DC pretvarača .......................................... 32 Vjezba 4.2 - Automatska regulacija napona DC/DC pretvarača.................. 34 Vjezba 4.3 - DC/DC pretvarač sa galvanskim odvajanjem ......................... 36
5. ISPRAVLJAČI I REGULATORI ................................................................................. 39 5.1 UVOD................................................................................................................ 39 5.1.1 Jednofazni poluvalni upravljivi ispravljač .......................................... 39 5.1.2 Jednofazni punovalni ispravljač u mosnom spoju .............................. 43 5.1.3 Trofazni ispravljač u mosnom spoju................................................... 44 5.1.4 Utjecaj komutacije na izlazni napon ispravljača................................. 46 5.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI ................................................................. 50 5.3 SIMULACIJSKE VJEŽBE................................................................................ 50 Vjezba 5.1 - Jednofazni poluvalni ispravljač ............................................... 50 Vjezba 5.2 - Jednofazni ispravljač u mosnom spoju.................................... 54 Vjezba 5.3 - Trofazni poluupravljivi ispravljač u mosnom spoju................ 56 Vjezba 5.4 - Automatska regulacija napona trofaznog ispravljača.............. 59 Vjezba 5.5 - Trofazni poluvalni ispravljač sa srednjom točkom ................. 61 Vjezba 5.6 - Serijski regulator napona......................................................... 64 Vjezba 5.7 - PWM ispravljač....................................................................... 66 6. IZMJENJIVAČI I USMJERIVAČI 6.1 UVOD................................................................................................................ 69 6.1.1 Mrežom vođeni usmjerivač................................................................. 69 6.1.2 Jednofazni mrežom vođeni usmjerivač u mosnom spoju ................... 71 6.1.2.1 Ispravljački režim rada.............................................................. 71 6.1.2.2 Izmjenjivački režim rada........................................................... 73 6.1.3 Upravljačka karakteristika usmjerivača .............................................. 73 6.1.3.1 Faktor snage usmjerivača.......................................................... 75 6.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI ................................................................. 76 6.3 SIMULACIJSKE VJEŽBE................................................................................ 76 Vjezba 6.1 - Jednofazni mrežom vođeni usmjerivač ................................... 76 Vjezba 6.2 - Autonomni izmjenivač u sklopu DC/DC pretvarača............... 79 Vjezba 6.3 - Trofazni autonomni PWM izmjenjivač ................................... 82 7. IZMJENIČNI PRETVARAČI I REGULATORI NAPONA........................................ 85 7.1 UVOD................................................................................................................ 86 7.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI ................................................................. 90 7.3 SIMULACIJSKE VJEŽBE................................................................................ 90 Vjezba 7.1 - Izmjenični regulator napona.................................................... 90 Vjezba 7.2 - Izmjenični pretvarač opterećen asinkronim motorom............. 92 Vjezba 7.3 - Ciklopretvarač ......................................................................... 95 8. LITERATURA.............................................................................................................. 99
1
1. UVOD U SIMULACIJSKI PROGRAM POWERSIM 1.1 UVOD PowerSim (PSIM) je program koji je namijenjen simuliranju elektroničkih sklopova energetske elektronike i različitih elektroničkih sustava za upravljanje električnih strojeva. Pomoću ovog programa moguće je simulirati rad većine analognih i digitalnih elektroničkih sklopova. Takođe je moguće simulirati različita trošila i na taj način unaprijed razmotriti većinu problema koji nastaju kod projektiranja i realizacije sklopa. Program radi u Windows okruženju i koristi SPICE modele za modeliranje linearnih i nelinearnih komponenata. Korisnik programa može birati između idealnog i realnog modela elektroničke komponente ili pak može sam kreirati svoj model. Program PSIM se sastoji od tri osnovna modula. Prvi se modul naziva «Motor Drive Module» i sadrži modele svih električnih strojeva, te omogućuje modeliranje različitih mehaničkih i električkih opterećenja strojeva. Drugi modul «Digital Control Module» sadrži modele sklopova za digitalno upravljanje sklopova energetske elektronike. Ovaj modul sadrži diskretne funkcijske blokove kao digitalne filtre, sklopove za uzorkovanje signala, i slično. Treći modul se naziva «SimCoupler Module», omogućava povezivanje modela sklopova razvijenih u PSIM-u s programskim paketom Matlab/Simulink. Matlab/Simulink predstavlja jedan od najmoćnijih i najkompleksnijih simulacijskih paketa i omogućuje simulaciju najrazličitijih tehničkih sustava. Povezivanjem modela razvijenih u PowerSimu s Matlabom moguće je dobiti cjeloviti alat pogodan za simulaciju i najsloženijih sustava energetske elektronike. PowerSim program se sastoji od tri podprograma:
• Potprogram za crtanje sheme (PSIM Shematic), • Potprogram za simulaciju (PSIM Simulator), • Potprogram za prikaz valnih oblika napona i struja sklopa (SIMVIEW).
Simulacija sklopova se izvodi redoslijedom koji je prikazan na slici 1.
2
Slika 1: Redoslijed simulacije sklopa 1.1.1 Struktura uređaja energetske elektronike Uređaji energetske elektronike mogu se funkcionalno rastaviti na četiri dijela: Energetski sklop (Power circuit), Sklop senzora (Sensors), Upravljački sklop (Control circuit) i Sklop za pobudu poluvodičkih ventila (Switch kontroler). Funkcijski blokovi su povezani na način koji je prikazan na slici 2.
Slika 2: Sklop energetske elektronike rastavljen na funkcijske blokove
Energetski sklop se sastoji od različitih poluvodičkih ventila ili prekidača (dioda, tiristora, bipolarnih tranzistora, IGBT tranzistora, MOS tranzistora…), RLC komponenata, transformatora. Upravljački sklop može sadržavati funkcijske blokove za transformaciju signala u « s » i « z » domeni, logičke sklopove, bistabile, nelinearne sklopove kao npr. množila i dijelila, te sve ostale slične sklopove. Sklop senzora mjeri napone i struje energetskog dijela sklopa i prosljeđuje izmjerene vrijednosti upravljačkom sklopu. Upravljački signali za pobudu poluvodičkih ventila se generiraju u upravljačkom sklopu te se priključuju na poluvodičke ventile isključivo preko sklopova za pogon poluvodičkih ventila.
3
1.1.2 Definiranje parametara komponenata sklopa Prilikom crtanja elektroničkog sklopa vrlo je važno znati pravilno definirati parametre elektroničke komponente u sklopu. Parametri komponente se podešavaju preko dialog boxa «Parametar» (dvostruki klik na komponentu). Iznos parametara može biti brojna vrijednost ili matematički izraz. Iznos otpora nekog otpornika se, na primjer, može izraziti na slijedeći način:
U PSIM-u su također dozvoljene slijedeće kratice kojima se definira vrijednost parametara:
Također su dozvoljene i slijedeće matematičke funkcije:
4
Sve komponente koje se koriste u PSIM-u su svrstane u tri grupe:
a) Energetski elementi - «Power circuit components» b) Elementi upravljačkih sklopova - «Control circuit components» c) Ostale komponent – «Others components».
Energetski elementi – «Power circuit components» sadržava pasivne komponent (otpornike, induktivitete, kondenzatore), aktivne komponente (diode, zener diode, diake, triake, BJT, MOS IGBT tranzistore i slično), jednofazne i trofazne punoupravljive mostove, sve vrste transformatora, različite električne strojeve (istosmjerne, asinkrone, sinkrone …), različite vrste opterećenja strojeva i slično. Elementi upravljačkih sklopova – «Control circuit components» sadržava sve elemente i sklopove upravljačkog dijela energetskih pretvarača kao što su sklopovi digitalne elektronike (logički sklopovi, bistabili ..), blokovi prijenosnih funkcija, matematički blokovi, sklopovi za obradu signala i slično. Ostale komponente – «Other components» sadržava elemente kao što su najrazličitiji izvori (naponski i strujni, izmjenični i istosmjerni, izvori najrazličitijih valnih oblika), strujni i naponski senzori, mjerači snage, te sklopovi za pogon poluvodičkih ventila ( α - kontroler …). Detaljan opis svih ovih komponenata dat je u dokumentu PSIM User manual.pdf . 1.1.3 Simulacija sklopa Simulacija sklopa počinje startanjem programa PSIM. Program može otvoriti neku već postojeću shemu koja je pohranjena na disku u fajlu oblika *.sch (naprimjer shema istosmjernog pretvarača - chop.sch). Također se u PSIM editoru može nacrtati elektronička shema novog sklopa. Nakon toga pokreće se simulacija naredbom Simulate → Run PSIM. Prije simulacije potrebno je podesiti parametre simulacije kao što su vremenski korak simulacije « _Time step » i ukupno vrijeme simulacije « _Total time » uz pomoć naredbe «Simulate → Simulation Control». Rezultati simulacije biti će pohranjeni u fajl *.txt, a eventualne greške u fajl message.doc. Nakon što program izvrši simulaciju sklopa, automatski se pokreće program SIMVIEW (ukoliko je u «Option menu» izabrana opcija «Auto-run Simview»). U programu SIMVIEW nadalje je potrebno odabrati ispis željenih napona i struja sklopa, nakon čega se dobije grafički prikaz odabranih strujno naponskih valnih oblika.
5
1.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI Kao uvijet za pristupanju prve vježbe potrebno je proučiti uvodni dio vježbe. Ova vježba izuzetno je značajna kako bi studenti stekli elementarno iskustvo u korištenju PSIM programskog alata, a što je nužan preduvjet za uspješno samostalno obavljanje svih ostalih simulacijskih vježbi ovog praktikuma. 1.3 SIMULACIJA JEDNOSTAVNOG SKLOPA Svrha ove vježbe je upoznavanje sa osnovama rada programa PSIM koji će se koristiti tijekom svih simulacijskih vježbi. Studenti će se tijekom ove vježbe upoznati sa osnovnim elementima programa, modelima komponenata i mjernih instrumenata koji se u njemu koriste. Studenti se posebno moraju upoznati s načinima podešavanje parametara komponenata, te grafičkog ispisa pojedinih električnih veličina.
Vježba 1.1 - Poluvalni ispravljač s RC filtrom Vježba se izvodi na način da nastavnik studentima prezentira cijeli postupak simulacije sklopa na slici 3. Studenti, uz pomoć nastavnika i jednog demonstratora, samostalno kreiraju sklop na laboratorijskim računalima, te izvode simulaciju.
Slika 3. Simulacija ispravljača s RC filterom
Na slici 3 prikazan je jednofazni poluvalni ispravljač s RC filtrom te sa diodom kao ispravljačkim elementom. Na ulazu sklopa priključen je izmjenični sinusni napon amplitude 12izvU = V i frekvencije 50f = Hz . Vrijednost kapaciteta kondenzatora je 100C = Fµ , a otpora 100R = Ω . Dioda D vrši poluvalno ispravljanje ulaznog napona, a RC filtar dodatno «gladi» izlazni napon dU . U simulaciji se zanemaruje pad napona između anode i katode diode u propusnom stanju, tako da za propusno stanje diode vrijedi 0AKU = V . Prilikom definiranja parametara komponenata, potrebno je postaviti vrijednost «Current flag=1» za svaku komponentu, jer se nakon simulacije žele promatrati i valni oblici struja kroz komponente.
6
Nakon što se kreira sklop prikazan na slici 3, potrebno je pomoću naredbe «Simulate → Simulation Control» odredit ukupno vrijeme simulacije «Total time=80 ms » i vremenski korak simulacije «Time step=10 sµ ». Pokretanje simulacije izvesti naredbom «Simulate → Run Simulation», nakon čega se automatski aktivira program «Simview» u kojemu treba definirati slijedeće napone i struje sklopa se želi promatrati:
1) graf: izvU - napon izvora 2) graf: dU - napon na trošilu 3) graf: ri - struja kroz otpornik 4) graf: di - struja kroz diodu 5) graf: ci - struja kroz kondenzator
Na slici 4 prikazani su snimljeni valni oblici. Vrijednosti napona i struja na ordinatama su izražene u V i A , a vrijeme u ms .
Slika 4. Valni oblici u sklopu na slici 3.
Nakon što se prikažu grafikoni, moguće je koristiti funkcije programa «Simview» za određivanje srednje vrijednosti snimljenog valnog oblika ( x ), zatim efektivne ( rms ) i apsolutne srednje vrijednosti valnog oblika ( x ), te izvršiti mjerenja na valnim oblicima dobivenim na slici 4. Na taj način izmjerena srednja
7
vrijednost izlaznog napona na grafu 2 iznosi 0 6,84dU = V , a srednja vrijednost struje kroz diodu 0dI = 7,2 mA . Nadalje je moguće izvršiti precizna vremenska mjerenja na dobivenim valnim oblicima. Primjerice, moguće je odrediti kut vođenja diode mjerenjem vremena vođenja diode koristeći relaciju:
360 vtT
β ⋅= (1)
gdje je:
vt [s] – vrijeme vođenja diode T [s] – trajanje periode napona izvU β [ ] – kut vođenja diode izražen u stupnjevima. Mjereći vt iz valnog oblika struje di prikazane na slici 4, moguće je odrediti
5, 2vt = ms , pa je iz relacije (1) kut 93,6β = . Nadalje, zadatak studenata je izvršiti simulaciju sklopa sa slike 3 kojemu je u seriju s diodom D dodan induktivitet 10L = mH . Za taj sklop potrebno je:
- snimiti sve valne oblike kao na slici 4, - odrediti srednju vrijednost struje doI , - odrediti kut vođenja diode β - odrediti vrijeme porasta struje kroz diodu D 1
1 Vrijeme porasta se mjeri od trenutka kada struja postigne 10% maksimalne vrijednost u stacionarnom stanju do trenutka kada postigne 90% maksimalne vrijednost u stacionarnom stanju.
8
2. OTPORNIK PRIGUŠNICA I KONDENZATOR U KRUGU S ELEKTRIČKIM VENTILOM
2.1 UVOD Energetski sklopovi uređaja energetske elektronike, kako je rečeno u prethodnom poglavlju, su djelovi uređaja energetske elektronike koji se u osnovi sastoje iz naponskih izvora, pasivnih komponenata (transformatora, prigušnica, kondenzatora) i aktivnih komponenata - električnih ventila. Osnovna namjena energetskih sklopova je povezivanje dvaju električnih sustava različitih električkih parametara (napona, struje, frekvencije, broja faza), te pretvorba parametara jednog električnog sustava u drugi . Prigušnice i kondenzatori služe u svrhu “uskladištavanja” energije, dok električki ventili vrše prekapčanje strujnih krugova unutar sklopa. Energetski sklopovi uređaja energetske elektronike su električne nelinearne mreže. Nelinearnost uzrokuju električni ventili u sklopovima. Primjerice dioda se u energetskoj elektronici može promatrati kao elemet sa dva stabilna stanja: stanje vođenja i stanje zapiranja. Idealna dioda ima u stanju vođenja pad napona između anode i katode jednak nuli kod bilo koje struje, a u stanju zapiranja struju jednaku nuli kod bilo kojeg reverznog napona. Energetski sklopovi će u ovom praktikumu biti u fokusu razmatranja. Da bi se moglo shvatiti osnovna načela rada ovih sklopova potrebno se u ovoj vježbi prisjetiti temeljnih zakona i pojava u RLC sklopovima. 2.1.1 Temeljne relacije pasivnih komponenata Otpornik R je pasivna komponenta u kojemu se električna energija pretvara u toplinsku energiju. Korištenje otpornika se u načelu izbjegava u energetskim sklopovima radi velike disipacije snage, koja je posljedica velikih struja i koja se na otpornicima nužno razvija. No, ponekad nije moguće izbjeći primjenu otpornika u energetskim sklopovima. Međusobnu ovisnost napona i struje otpornika R određuje Ohmov zakon:
[ ]ui AR
= (2)
Snaga toplinske disipacije na otporniku R na kojemu je narinut napon u jednaka je:
[ ]2uP W
R= (3)
9
Prigušnica induktiviteta L predstavlja skladište električne energije. Energija se skladišti u magnetskom polju prigušnice protjecane strujom. Međusobnu ovisnost napona i struje na prigušnici određuje jednadžba:
[ ]diu L Vdt
= (4)
U prigušnici protjecanom strujom “ i ” uskladištena je energija iE :
[ ]2
2iLiE Ws= (5)
Ako se integrira jednadžba (4) dobije se struja kroz prigušnicu:
0
01( )
t
t
i t udt IL
= +∫ (6)
Iz jednadžbe (6) slijedi da se struja kroz prigušnicu ne može trenutno promijeniti. Ako bi željeli trenutno promijeniti struju kroz prigušnicu za i∆ , onda bi trebali na prigušnicu narinuti napon čiji integral u beskonačno kratkom vremenu iznosi L i∆ (tj. napon oblika Diracove delta-funkcije). Kondenzator kapacitivnosti C takođe predstavlja skladište električne energije. Energija se skladišti u električnom polju kondenzatora. Međusobnu ovisnost napona i struje određuje jednadžba:
i C dudt
= (7)
U kondenzatoru C nabijenom na napon u uskladištena je energija cE :
2
2cCuE = (8)
Ako se integrira jednadžba (7) dobije se napon na kondenzatoru:
0
0
1)( UidtC
tut
t
+= ∫ (9)
Iz (9) slijedi da se napon na kondenzatoru ne može trenutno promijeniti. Ako bi željeli trenutno promijeniti napon na kondenzatoru za u∆ , onda bi trebali narinuti struju čiji je integral u beskonačno kratkom vremenu iznosi C u∆ (tj. struju oblika Diracove delta-funkcije).
10
Iz prethodnih relacija proizlaze dva osnovna pravila koja se ne smiju narušiti prilikom preklapanja električkih ventila (jedno ime za uklapanje i isklapanje električnih ventila):
1.U trenutku preklapanja, struja kroz prigušnicu ne može se trenutno promjeniti. 2.U trenutku preklapanja, napon na kondenzatoru ne može se trenutno promijeniti.
2.1.2 Pojave u RC, RL i LC sklopovima Zadatak ove vježbe je upoznavanje studenata sa radom sklopova sastavljenih od otpornika, kondenzatora i induktiviteta s ili bez električkih ventila. Sklopovi su priključeni na istosmjerni izvor i promatraju se prelazne pojave koje nastaju u tim sklopovima. Razumijevanje prijelaznih pojava je preduvijet za razmatranje kompleksnijih sklopova energetske elektronike. Električna shema RC sklopa (serijski spoj otpornika i kondenzatora) dana je na slici 5.
Slika 5. RC sklop priključen na istosmjerni napon
Kad se RC spoj priključi na istosmjerni napon napajanja U , kroz sklop protječe struja nabijanja kondenzatora i . Nakon prijelaznog procesa, kondenzator se «nabije» na puni iznos napona napajanja cU U= , a struja nabijanja i u tom trenutku prestane teći. Prijelazni proces završava, sklop postiže stacionarno stanje. Zakon promjene napona cU te struje i za vrijeme prijelaznog procesa opisane su relacijama:
(1 )t
cU U e τ−
= ⋅ − (10)
11
tUi e
Rτ
−= ⋅ (11)
gdje je: R Cτ = ⋅ [s] – vremenska konstanta sklopa. Električna shema RL sklopa dana je na slici 6.
Slika 6. RL sklop priključen na istosmjerni napon
Za RL sklop vrijede slijedeće relacije:
(1 )tUi e
Rτ
−= ⋅ − (12)
t
LU U e τ−
= ⋅ (13)
gdje je:
LR
τ = [s] – vremenska konstanta sklopa.
Iz relacija (10), (11), (12) i (13) vidljivo je da prijelazni procesi u sklopovima na slikama 5 i 6 traju do vremenskog trenutka 5st τ= . Nakon vremenskog trenutka st nastupa stacionarno stanje sklopova na slikama 5 i 6, kada se naponi i struje više ne mijenjaju. Na slici 7 prikazan je LC sklop spojen na istosmjerni napon U :
12
Slika 7: LC sklop spojen na istosmjerni naponski izvor U
S obzirom da se radi o neprigušenom titrajnom krugu, nakon priključenja napona U struja ( )i t će se mijenjati po zakonu:
( ) sinUi t tL
Cω= (14)
gdje je:
1LC
ω =
Analizom sklopa na slici 7 napon kondenzatoru se može opisati izrazom: ( ) ( )1 coscu t U tω= ⋅ − (15) 2.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI Na osnovu teoretskih razmatranja koja su dana u uvodu vježbe, prije pristupanja simulacijskim vježbama potrebno je pismeno riješiti slijedeća 3 zadatka. 1. U trenutku 0t =0 priključi se istosmjerni napon 100U = V na serijski spoj kondenzatora 10C = Fµ i otpornika 100R = Ω (sl. 5). Napisati izraz za struju kruga, te izraze za napon na otporniku R i napona na kondenzatoru C . Na milimetarskom papiru nacrtati valni oblik napona na kondenzatoru i struje kroz sklop u ovisnosti od vremena t . Kolika je energija pohranjena u kondenzatoru C u trenutku t = ∞ . Pretpostavljaju se nulti početni uvjeti.
2. U trenutku 0t =0 priključi se istosmjerni napon 100U = V na serijski spoj induktiviteta 100L = mH i otpornika 1R = Ω (sl. 6). Napisati izraz za struju kruga, napon na otporniku R i za napon na induktivitetu L . Na milimetarskom papiru nacrtati napon na induktivitetu L i struju sklopa u ovisnosti od vremena t . Kolika je
13
energija pohranjena u induktivitetu L u trenutku t = ∞ . Pretpostavljaju se nulti početni uvjeti.
3. U trenutku 0t =0 priključi se istosmjerni napon 100U = V na serijski spoj induktiviteta 10L = mH i kondenzatora 10C = Fµ (sl. 7). Kolika će biti frekvencija f sinusoidalne struje i te njena maksimalna amplituda? Za koliko će se vremena
kondenzator «nabiti» na iznos napona od 200 V ? Pretpostavljaju se nulti početni uvjeti.
2.3 SIMULACIJSKE VJEŽBE:
Vježba 2.1 – RC sklop Zadatak ove vježbe je simulacija sklopa na sl. 5. Potrebno je snimiti napon na kondenzatoru cU te struju kroz sklop i u prijelaznom stanju neposredno nakon uključivanja napona napajanja. Na slici 8 su prikazani valni oblici napona na kondenzatoru cU te struje i kroz sklop neposredno nakon uključenja napona napajanja. Pri tome je napon izvora
100U = V , a vrijednosti komponenata 10R = Ω i 100C Fµ= .
Slika 8. Valni oblici napona cU i struje i za sklop na slici 5.
Poznavajući vrijednosti komponenata može se izračunati RC vremenska konstanta 610 100 10 1R Cτ −= ⋅ = ⋅ ⋅ = ms . Prijelazno stanje sklopa traje 5 5τ⋅ = ms , i do tog perioda traje nabijanje kondenzatora. Nakon 5 ms nastupa stacionarno stanje
14
sklopa kada je napon na kondenzatoru dostigao stacionarno stanje 100cU = V , a struja 0i = A . Vrijednosti napona cU i struje i za vremena t τ= , 2t τ= , 3t τ=
4t τ= i 5t τ= prikazane su na pripadajućim grafikonima na slici 8 u obliku [x,y], gdje x predstavlja vremenski trenutak, a y vrijednost prikazanog grafikona u tom vremenskom trenutku.
Zadatak studenata je da izmjere vrijednosti napona na kondenzatoru cU i struje i za različite vrijednosti otpora R i kapaciteta C i za različita vremena t prema Tablici 2.1. Upisati izmjerene vrijednosti u Tablicu 2.1.
Vrijeme 100R = Ω 10C Fµ=
10R = Ω 10C Fµ=
100R = Ω 100C Fµ=
cU i cU i cU i t τ=
2t τ= 3t τ= 4t τ= 5t τ=
Tablica 2.1
Grafički prikazati krivulje ( )cU f t= i ( )i f t= za različite vrijednosti otpora R i kapaciteta C prema rezultatima dobivenim u Tablici 2.1. Pismeno obrazložiti dobivene rezultate.
Vježba 2.2 – RL sklop Simulirati rad sklopa na sl. 6 pomoću programa PSIM. Snimiti napone na induktivitetu L i struje i kroz sklop u prijelaznom stanju neposredno nakon uključivanja napona napajanja.
Na slici 9 su prikazani valni oblici napona na induktivitetu LU te struje i kroz sklop neposredno nakon uključenja napona napajanja. Pri tome je napon izvora
100U = V , a vrijednosti komponenata 1R = Ω i 50L = mH . Poznavajući vrijednosti komponenata može se izračunati RL vremenska
konstanta 350 10 50
1LR
τ−⋅
= = = ms . Prijelazno stanje sklopa traje 5 0,25τ⋅ = s , i do
tog perioda traje akumuliranje energije u induktivitetu. Nakon 0,25 s nastupa stacionarno stanje sklopa kada je napon na induktivitetu L dostigao stacionarno
stanje 0LU = V , a struja 100UiR
= = A .Vrijednosti napona LU i struje i za vremena
t τ= , 2t τ= , 3t τ= 4t τ= i 5t τ= prikazane su na pripadajućim grafikonima na slici 9.
15
Slika 9. Valni oblici napona LU i struje i za sklop na slici 6
Zadatak studenata je da izmjere vrijednosti napona na induktivitetu LU za različite vrijednosti otpora R i induktiviteta L i za različita vremena t . Rezultate prikazati u Tablici 2.2.
Vrijeme 0,5R = Ω
100L = mH 1R = Ω
100L = mH 0,5R = Ω
50L = mH LU i LU i LU i
t τ= 2t τ= 3t τ= 4t τ= 5t τ=
Tablica 2.2
Grafički prikazati krivulje ( )LU f t= i ( )i f t= za različite vrijednosti otpora R i induktiviteta L prema rezultatima dobivenim u Tablici 2.2. Objasniti dobivene rezultate.
16
Vježba 2.3 – Poluvalni ispravljač s RL opterećenjem U vježbi se razmatra rad jednostavnog poluvalnog neupravljivog ispravljača opterećenog omsko-induktivnim opterećenjem. Teoretsko razmatranje dinamike promjene struje i kroz sklop te napona trošila dU podrobno je objašnjeno na predavanjima. U uvodnom dijelu vježbe 5 , koja razmatra ispravljače i regulatore, detaljno su objašnjeni valni oblici sličnog sklopa kao na slici 10 (umjesto diode u sklopu se nalazi tiristor). S obzirom da je dioda ustvari tiristor koji ima kut upravljanja 0α = , teoretska razmatranja su slična tako da se studenti upućuju na uvodni dio vježbe 5. U ovoj vježbi potrebno je simulirati rad sklopa na sl. 10 pomoću programa PSIM, te zatim snimiti valne oblike napona dU te struje i kroz RL opterećenje za vrijednosti otpora 1R = Ω i inuktiviteta 50L = mH . Postaviti vršnu vrijednost napona izvora 100U = V , frekvenciju 50f = Hz . Podesiti parametre simulacije
_ 10Time step = sµ , _ 40Total time = ms .
Slika 10. Serijski spoj diode sa omsko - induktivnim teretom
Na slici 11 prikazani su valni oblici napona dU te struje i kroz omsko – induktivno RL opterećenje za vrijednosti otpora 1R = Ω i inuktiviteta 50L = mH . Analizom grafikona na slici 11 moguće je odrediti:
- srednju vrijednost napona i struje tereta 0 5, 4dU = V - srednju struju tereta 0 5, 4I = A - kut vođenja diode 309,6β =
17
Slika 11. Napon dU i struje i kroz omsko – induktivno RL opterećenje Studenti moraju samostalno izvršiti simulacije sklopa na slici 10 za razne vrijednosti iznosa otpora i induktiviteta tereta. Pokus A u Tablici 2.3 prestavlja čisto omsko opterećenje, pokusi B-D omsko-induktivno opterećenje, a pokus E skoro čisto induktivno opterećenje poluvalnog ispravljača. Pokus [ ]R Ω [ ]L mH [ ]0dU V= [ ]0I A= β Tip opterećenja
A 10 1 Približno omsko B 10 10 Omsko-indukt. C 1 50 Omsko-indukt. D 0,1 50 Omsko-indukt. E 0,01 50 Približno indukt.
Tablica 2.3
Nadalje, zadatak je nacrtati snimljene valne oblike za pokuse A-E. Izmjeriti kutove vođenja diode β , srednju vrijednost napona i struje tereta 0dU i 0I , te upisati u Tablicu 2.2. Nadalje treba objasniti dobivene rezultate i fizikalno objasniti razlog zbog čega dioda vodi i za vrijeme negativne poluperiode izmjeničnog signala u slučaju omsko induktivnog tereta? Što se dešava naponom 0dU i 0I kada se tip opterećenja mijenja (pokusi A-E)?
18
Vježba 2.4 - Poluvalni ispravljač s istosmjernim protunaponom U vježbi 2.4 se simulira poluvalni neupravljivi ispravljač opterećen serijskim spojem otpornika R i istosmjernog naponskog izvora (akumulatora) napona aU prikazanog na slici 12. Ovo je tipični spoj ispravljača za punjenje akumulatora.
Slika 12. Serijski spoj diode, otpornika i istosmjernog naponskog izvora
Na slici 13 prikazani su valni oblici napona izvora izvu , napona akumulatora
aU te struje i kroz sklop. Vrijednost otpora 1R = Ω , a istosmjerni napon akumulatora 12aU = V . Efektivna vrijednost izmjeničnog naponskog izvora
12izvu = V , što daje vršnu vrijednost napona izvora 2 12 17izvU = ⋅ ≈ V . Iz slike 13 se vidi da struja i može teći samo za vrijeme pozitivne poluperiode u intervalu
2,5 7,5t∆ = − ms . Vršna struja kroz diodu iznosi 5ppI = mA , a srednja struja diode
iznosi 0,826sredI = mA . Kut vođenja diode 90β = . Zadatak vježbe je da studenti simuliraju sklop na slici 12 i da pri tome promatraju kako se mijenja kut vođenja diode β , vršna struja ppI te srednja struja
sredI kroz diodu. Pri tome je potrebno mijenjati napon baterije aU prema Tablici 2.4. Potrebno je snimiti oscilograme napona prema slici 13 i objasniti dobivene rezultate.
Pokus aU sredI ppI [ ]radβ a 9V b 10V c 11V d 13V
Tablica 2.4
19
Slika 13. Valni oblici napona i struje kroz sklop na slici 12
Vježba 2.5 – Poluvalni ispravljač s RLC opterećenjem Na slici 14 prikazan je sklop koji omogućava iskapčanje energetske diode priključene na istosmjerni naponski izvor izvU pomoću LC titrajnog kruga. Razumjevanje ovog sklopa je bitno za razmatranje teorije istosmjerno istosmjernih pretvarača realiziranih tiristorima (čoperi).
Slika 14. Serijski spoj diode i RLC kruga
Na slici 15 se vide valni oblici napona izvora izvU , napona na kondenzatoru
CU , napona na diodi dU , te struje kroz sklop i . Parametri sklopa su 100izvU V= , 1R = Ω , 10L = mH i 20C = Fµ . Nakon uključenja izvora izvU , dolazi do
protjecanja pozitivnog sinusnog poluvala struje i u trajanju vt kroz sklop prema relaciji (14). Nakon isteka vremena vt dioda prestaje voditi, a napon na diodi
20
100dU = − V . Obratite pažnju na činjenicu da bi nakon priključenja napona izvU i bez LC titrajnog kruga dioda trajno ostala uključena bez mogućnosti iskapčanja.
Slika 15. Valni oblici sklopa na slici 14
Iz slike 15 je vidljivo da je vršna vrijednost struje max 4, 4I = mA , a vrijeme vođenja diode 1,4vt = ms , što je u skladu s relacijom (14). Zadatak ove vježbe je snimiti valne oblike kao na slici 15. Nacrtati valne oblike uz vrijednosti induktiviteta L i kapaciteta C dane u Tablici 2.5. Izmjeriti vremena vođenja diode i maksimalnu struju diode maxI . Napon izvora je 100izvU V= . Provjeriti da li se rezulati slažu s relacijama (14) i (15).
[ ]R Ω [ ]L mH [ ]C Fµ Vrijeme vođenja diode vt [ ]s 1 10 100 1 50 100 1 10 50
Tablica 2.5
Nadalje, odspojiti diodu D iz sklopa, postaviti 1L = mH , 20C = Fµ , te snimiti i nacrtati valne oblike napona cU te struje i . Kako se mijenjaju valni oblici ako se odstrani otpornik 1R = Ω iz sklopa? Pismeno obrazložiti dobivene rezultate.
21
3. KOMUTACIJA NAPONSKIM IZVOROM 3.1 UVOD Definicija komutacije u sklopovima energetske elektonike glasi: «Prijelaz struje s jedne grane sklopa na neku drugu granu sklopa naziva se komutacija struje, a trajanje prijelaza naziva se vrijeme komutacije kt ». Na slikama 16 i 17 prikazana je shema sklopa s pripadajućim valnim oblicima napona i struje kroz sklop. Vremenska konstanta τ trošila RL je vrlo velika u usporedbi sa vremenom komutacije kt , tako da se trošilo RL u razmatranjima procesa komutacije može slobodno promatrati kao istosmjerni strujni izvor konstantne struje
dI . Struja trošila dI se ne može promijeniti za relativno kratko trajanje vremena komutacije kt . Ako se izvrši analiza sklopa na sl. 16 mogu se provesti slijedeća razmatranja. Uz pretpostavku da je do trenutka 0t napon izvora 2 0( ) 0u t = , tada struja trošila dI teče od naponskog izvora 1( )u t , preko induktiviteta 1kL i diode 1D . Struja 1 0( ) di t I= , a struja i t2 0 0( ) = (vidi sliku 17). Nadalje, ako se pretpostavi da je od trenutka 0t napon izvora 2 1( ) ( )u t u t> , od trenutka 0t počinje se odvijati proces komutacije – prelaska struje sa strujnog kruga
1 1 1( ) ku t L D RL→ → → na strujni krug 2 2 2( ) ku t L D RL→ → → . Pri tom se struja trošila dI praktički ne mijenja i jednaka je sumi struja 1i i 2i .
Slika 16: Primjer komutacije naponskim izvorom
22
Slika 17: Naponsko strujni odnosi u sklopu na sl. 10 Za vrijeme trajanja komutacije u vremenskom intervalu [ ]0 kt t− , diode 1D i
2D vode, razlika napona 2 1( ) ( )u t u t− uzrokuje porast struje 2i i istovremeno opadanje struje 1i . Jednadžbe krugova u vremenskom intervalu [ ]0 kt t− za vrijeme komutacije su: i1 + i2 = dI (16)
u t Ldidt
u t Ldidtk k2 2
21 1
1( ) ( )− = − (17)
Iz relacija (16) i (17) mogu se izvesti relacije (18) i (19) za struje 1i i 2i :
i1 = dI − ( )0
2 11 2
1 ( )t
k k t
u t u t dtL L
− + ∫ (18)
i2 = ( )0
2 11 2
1 ( )t
k k t
u t u t dtL L
− + ∫ (19)
23
Nakon isteka vremena kt završava komutacija, struja 1( ) 0ki t = i 2 ( )k di t I= . Daljnji rast struje 2i odnosno pad struje 1i nije moguć, jer dioda 1D ne dozvoljava promjenu smjera struje 1i . Nakon uvrštenja u relaciju (19) dobije se:
Id ( )L Lk k1 2+ = ( )0
2 1 ( )kt
t
u t u t d t − ∫ (20)
Iz jednadžbe (20) slijedi da je za komutaciju struje s jedne grane na drugu
potrebno da naponski integral ( )0
2 1 ( )kt
t
u t u t d t − ∫ bude jednak umnošku struje
trošila Id i sume induktiviteta grana L Lk k1 2+ . Dakle, trajanje komutacije je to kraće
što je struja trošila Id manja, što su induktiviteti grana Lk manji i što je veća razlika napona u t u t2 1( ) ( )− . Ukoliko je napon u trenutku ( )1 0 1u t U= , a napon ( )2 2ku t U= , tada se može napisati relacija za izračun vremena komutacije kt :
( )1 2
2 1
d k kk
I L Lt
U U+
=−
(21)
Napon na trošilu dU jednak je naponu u t1 ( ) do trenutka t0 . U intervalu
[ ]0 kt t− , tj. za vrijeme komutacije, napon dU jednak je:
dU = 1( )u t +[ 2 1( ) ( )u t u t− ]L
L Lk
k k
1
1 2+ (22)
ili
dU = 2 ( )u t - [ 2 1( ) ( )u t u t− ]L
L Lk
k k
2
1 2+ (23)
Nakon završetka komutacije napon dU jednak je naponu u t2 ( ) . S obzirom da je čest slučaj da su induktiviteti grana jednaki i tada se može napisat:
dU =12 [ 2 1( ) ( )u t u t− ] (24)
24
3.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI: a) U sklopu na slici 16 naponski izvor 2 ( )u t se uključuje u strujni krug u trenutku 0t . Ako je 1 0( ) 200u t V= , a 2 ( ) 320ku t V= , 1 30kL Hµ= , 2 60kL Hµ= i 100dI A= potrebno je: - nacrtati valni oblik napona dU te struje 1i i 2i . - izračunati trajanje komutacije kt b) Zadatak a) riješiti za slučaj kada je: - prigušnica 1kL kratko spojena - prigušnica 2kL kratko spojena 3.3 SIMULACIJSKE VJEŽBE:
Vježba 3.1 – Komutacija naponskim izvorom Simulirati rad elektroničkog sklopa na slici 18 pomoću programa PSIM. Sklop se sastoji od dvaju istosmjernih izvora 1inU i 2inU koji napajaju trošilo konstantnom strujom 100dI A= . Parametri sklopa su: naponi 1 100inU = V , 2 120inU = V ,
1 1 1k kL L= = mH , diode su idealne.
Slika 18. Komutacijski sklop s diodom i tiristorom
25
Analizom valnih oblika na slici 19 može se zaključiti da se trošilo u početku napaja s naponskog izvora 1inU . Nakon vremena od 2 ms, okida tiristor T , struja trošila komutira sa strujnog kruga 1 1in kU L D trošilo→ → → na strujni krug
2 2in kU L T trošilo→ → → . Za vrijeme komutacije struja dI pada na nulu, a struja tI raste do iznosa struje trošila outI (suma struja dI i tI uvijek je jednaka struji trošila
100outI = A ). Nakon komutacije, struja trošila outI u potpunosti prelazi na strujni krug 2 2in kU L T trošilo→ → → . Na slici 19 prikazani su valni oblici napona trošila
outU , te struja dI i tI .
Slika 19. Valni oblici napona trošila i struja kroz diode
Zadatak studenata je snimiti valne oblike napona i struja sklopa za vrijednosti
komponenata sklopa navedenih u Tablici 3.1. Pri tome izmjeriti vremena komutacije kt . Snimiti 5 zasebnih grafikona s valnim oblicima kako slijedi:
1) graf: 1inU i 2inU - naponi izvora 2) graf: dU - napon na diodi 3) graf: tU - napon na tiristoru 4) graf: outU - napon na trošilu 5) graf: 1dI , 2dI , dI
26
Pokus [ ]1inU V [ ]2inU V [ ]1kL mH [ ]2kL mH [ ]dI A [ ]kt s a 100 120 0,1 0,1 100 b 100 120 1 1 100 c 100 150 1 1 100 d 100 150 1 1 500
Tablica 3.1
Pismeno prokomentirati rezultate dobivene u pokusima.
27
4. OSNOVNI SPOJEVI ISTOSMJERNIH PRETVARAČA 4.1 UVOD Istosmjerni pretvarači (DC/DC pretvarači) su uređaji energetske elektronike koji pretvaraju parametre istosmjerne energije jednog električnog sustava u istosmjernu energiju nekog drugog elekrtičnog sustava. Prema načinu prijenosa energije iz izvora u trošilo osnovna podjela istosmjernih pretvarač je na :
- istosmjerne pretvarače u propusnom spoju, - istosmjerne pretvaraču u blokirnom spoju.
Rad istosmjernih pretvarača koji se razmatra u ovoj vježbi podrazumjeva kontinuiranu i neprekinutu struju potrošača uz zanemarljivu valovitost izlaznog napona. Razmatrani su samo najosnovniji tipovi pretvarača. 4.1.1 DC/DC pretvarači u propusnom spoju Na slici 21. prikazan je shema DC/DC pretvarača u propusnom spoju, gdje je elektronička sklopka realizirana uz pomoć IGBT tranzistora:
Slika 21. DC/DC pretvarač u propusnom spoju
Kod DC/DC pretvarača u propusnom spoju izlazni napon dU uvijek je manji od ulaznog napona izvU i može se odrediti iz slijedeće relacije: d izvU Uδ= ⋅ (25) gdje je : dU - napon na trošilu izvU - napon izvora
28
vtT
δ = - faktor vođenja
vt - vrijeme vođenja sklopke
T- period prekapčanja sklopke ( )v pt t+
pt - vrijeme nevođenja sklopke Rad sklopa na slici 21 može se ukratko opisati na slijedeći način. U vremenskom periodu vt tranzistor IGBT vodi struju, izvor izvU predaje energiju trošilu R , a energija se skladišti u prigušnici induktiviteta L i kondenzatoru kapaciteta C . Struja kroz induktivitet L linearno raste i energija se uskladištava u magnetskom polju prigušnice. U vremenskom periodu kad IGBT tranzistor ne vodi ( )pt , energija uskladištena u magnetskom polju prigušnice se predaje trošilu, struja
kroz induktivitet linearno opada. Tranzistor prekapča frekvencijom 1fT
= , gdje je
v pT t t= + . Struja kroz prigušnicu na taj način neprestano raste i opada iznad i ispod struje potrošača koja varira oko konstantne vrijednosti. Kondenzator C je također spremište energije u sklopu i omogućava da izlazna struja sklopa bude približno konstantna i neovisna o promjeni struje kroz induktivitet L . Valni oblici napona izvU
dU i ctrlU ( ctrlU je napon na upravljačkoj elektrodi IGBT tranzistora) u stacionarnom stanju pretvarača za frekvenciju prekapčanja 5000f Hz= i faktor vođenja 0,5δ = su prikazani su na slici 22. Vrijednosti komponenata sklopa su pri tome 100izvU V= ,
1L = mH , 1000C = Fµ , 5R = Ω .
Slika 22. Naponi sklopa izvU dU i ctrlU na slici 21 u stacionarnom stanju za
5000f Hz= i 0, 25δ =
29
4.1.2 DC/DC pretvarači u blokirnom spoju DC/DC pretvarači u blokirnom spoju se djele na: - DC/DC pretvarače u blokirnom spoju bez invertiranja napona - DC/DC pretvarače u blokirnom spoju s invertiranjem napona 4.1.2.1 DC/DC pretvarači u blokirnom spoju bez invertiranja napona Na slici 23 prikazan je spoj DC/DC pretvarača u blokirnom spoju bez invertiranja napona realiziranog s IGBT tranzistorom.
Slika 23. DC/DC pretvarač u blokirnom spoju bez invertiranja napona
Kod DC/DC pretvarača u blokirnom spoju bez invertiranja napona (slika 23) izlazni napon pretvarača dU veći je od ulaznog napona izvU i može se odrediti iz relacije:
1
1d izvU Uδ
= ⋅−
(26)
Rad sklopa na slici 23 može se ukratko opisati na slijedeći način. U vremenskom periodu kada je IGBT tranzistor zatvoren , kroz induktivitet L struja linearno raste. Energija se akumulira u magnetskom polju prigušnice L , a kondenzator C se u tom periodu prazni i predaje energiju trošilu R . U vremenskom periodu kad IGBT tranzistor ne vodi struju, energija izvora zajedno sa uskladištenom energijom u induktivitetu L se predaje trošilu R i kondenzatoru C . U tom periodu struja kroz induktivitet L linearno opada. Valni oblici napona izvU dU i ctrlU u stacionarnom stanju pretvarača za 5000f Hz= i 0,5δ = prikazani su na slici 24. Pri tome su veijednosti komponenata identične onima na slici 22.
30
Slika 24. Naponi sklopa izvU dU i ctrlU na slici 23 u stacionarnom stanju za
5000f Hz= , 0, 25δ = 4.1.2.2 DC/DC pretvarači u blokirnom spoju s invertiranjem napona Na slici 25. prikazan je spoj DC/DC pretvarača u blokirnom spoju s invertiranjem napona.
Slika 25. DC/DC pretvarač u blokirnom spoju s invertiranjem napona
Kod DC/DC pretvarača u blokirnom spoju s invertiranjem napona izlazni napon dU je obrnutog polariteta od ulaznog napona izvU . Napon dU može biti veći ili manji od ulaznog napona izvU , te se može odrediti po relaciji:
31
1dU Eδδ
= − ⋅−
(27)
Rad sklopa na slici 25 može se ukratko opisati na slijedeći način. U vremenskom periodu kada IGBT tranzistor provodi struju, struja kroz induktivitet L linearno raste te se akumulira energija u magnetskom polju induktiviteta. Kondenzator kapaciteta C se u tom periodu prazni i predaje energiju trošilu R . U vremenskom periodu kada IGBT tranzistor ne vodi, magnetska energija uskladištena u induktivitetu L predaje se trošilu R i kondenzatoru C . U tom periodu struja kroz induktivitet L linearno opada. Valni oblici napona izvU dU i ctrlU u stacionarnom stanju pretvarača za 5000f Hz= i 0,5δ = prikazani su na slici 26. Pri tome su veijednosti komponenata identične onima na slici 22.
Slika 26. Naponi sklopa izvU dU i ctrlU na slici 25 u stacionarnom stanju
za 5000f Hz= i 0, 25δ = 4.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI: a) Izračunati izlazni napone dU u stacionarnom stanju sklopova na slici 21, 23 i 25 ako su vrijednost elemenata sklopova 100izvU V= , 10L mH= , 10C Fµ= , 5R = Ω . IGBT tranzistor prekapča frekvencijom 5000f Hz= . Vrijeme vođenja 50vt sµ= .
32
4.3 SIMULACIJSKE VJEŽBE:
Vježba 4.1 – Osnovni tipovi DC/DC pretvarača U ovoj vježbi je potrebno simulirati sve vrste DC/DC pretvarača opisane u uvodu ( slika 21, 23 i 25 ). Pri tome su zadane slijedeće vrijednosti komponenata sklopa: 100izvU V= , 10L mH= , 10C Fµ= , 5R = Ω (za pretvarače na slikama 16 i 18 postaviti 100R = Ω ). IGBT tranzistor prekapča frekvencijom 5000f Hz= . Pri tome je potrebno mijenjati faktor δ , te mjeriti izlazni napon dU . Podešavanje frekvencije preklapanja IGBT tranzistora i faktora δ vrši se podešavanjem sklop za upravljanje koji generira pravokutni napon i spojen je na vrata IGBT tranzistora (vidi slike 21, 23 i 25). Frekvencija prekapčanja sklopa za upravljanje podešava se parametrom Frequency , broj točaka prekapčanja unutar jedne periode pravokutnog napona parametrom ._ ._No of points , a točke prekapčanja definiraju se parametrom
_Switching points . Na slici 27 prikazan je pravokutni napon upravljačkog sklopa sa podešenim parametrima 5000Frequency Hz= , ._ ._ 2No of points = , _ 0,90.Switching points = Iz slike se vidi da je period pravokutnog signala 0,2T ms= ( )5000f Hz= . Periodu
0,2T ms= odgovara kut od 360Tα = . Unutar perioda T postoje dvije točke preklapanja, jedna je 1 0α = kada pravokutni napon mijenja stanje iz 0 u 1, i druga
2 90α = kada pravokutni napon mijenja stanje iz 1 u 0 . Iz slike 27 se vidi da je tada vrijeme vođenja 50vt sµ= , a vrijeme nevođenja 150pt sµ= , pa je prema tome
0,25δ = .
Slika 27. Pravokutni napon sklopa za upravljanje
Za DC/DC pretvarač prikazane na slici 21, 23 i 25 snimiti i nacrtati valne oblike napona izvora izvU , napona na vratima IGBT tranzistora i izlaznog napona dU u prijelaznom i stacionarnom režimu rada. Za svaki pretvarač potrebno je ispuniti
33
Tablicu 4.1. Izmjerene rezultate iz Tablice 4.1 treba zatim usporediti s računski dobivenim vrijednostima prema relacijama (25), (26) i (27).
Pokus δ vt pt izmjereno dU izračunato dU a 0 b 0,2 c 0,4 d 0,6 e 0,8 f 1
Tablica 4.1
Na slici 28 prikazani su valni oblici napona izvora izvU i izlaznog napona dU za DC/DC pretvarač u propusnom spoju sa slike 25. Vrijednost komponenata pretvarača su date na početku vježbe. Faktor 0,4δ = . Sklop za upravljanje treba podesiti da generira upravljački signal sa dvije preklopne točke. Prva preklopna točka je u kutu 0 , a druga preklopna točka je u kutu 360 144δ⋅ = .
Slika 28. Naponi izvU i dU za DC7DC pretvarač u propusnom spoju uz 0,4δ =
Iz slike 28 se vidi da je vrijednost izlaznog napona dU nakon prijelaznog procesa od 10 ms točno jednaka 40% vrijednosti napona izvora izvU , što se poklapa sa relacijom (25).
34
Vježba 4.2 – Automatska regulacija napona DC/DC pretvarača Na slici 29 prikazan je DC/DC pretvarač u propusnom spoju realiziran pomoću IGBT tranzistora. U pretvaraču je ostvarena automatska regulacija izlazne struje trošila. Pretvarač osigurava podešavanje konstantne srednje izlazne struje trošila R neovisno o promjeni otpora opterećenja na način da se neprestano regulira faktor vođenja δ upravljačkog naponskog signala koji se dovodi na upravljačku elektrodu IGBT tranzistora. Parametri komponenata sklopa su 50izvU V= , 1L mH= , 47C Fµ= ,
1carr ppU V= , 20carrf KHz= , 1gainPI = , _ 1Time ConstantPI ms= . _ 2Time step sµ= , _ 2Total time ms= . Na slici 30 prikazani su slijedeći valni oblici.
- gornji grafikon prikazuje napon dU i struju trošila RI - srednji grafikon prikazuje pilasti napon carrU i napon pulseU - donji grafikon prikazuje pobudni signal gateU
Iz slike 30 se vidi da je faktor vođenja napona gateU dostiže 0,5δ = nakon
1,25t = ms što daje vrijednost izlaznog napona 25dU = V . Napon 25dU = tjera kroz tošilo 5R = Ω struju 5RI = mA , kako je podešeno naponom refU .
Slika 29. DC/DC pretvarač u propusnom spoju s povratnom vezom po struji trošila RI
35
Slika 30. Valni oblici napona i struja na slici 29
Regulacija izlazne struje trošila RI pretvarača vrši se na način da se uspoređuje razlika napon senzora izlazne struje sklopa senU s naponom referentnog napona refU . Iznos referentnog napona od refU u V definira željenu vrijednosti izlazne struje trošila RI u mA . Razlika napona senzora senU i referentnog napona
refU dovodi se na ulaz PI regulatora s podešenim pojačanjem G i vremenskom integracijskom konstantom iT . Napon na izlazu PI regulatora pulseU dovodi se na + ulaz komparatora, dok se na − ulaz dovodi pilasti napon carrU frekvencije 20KHz . Rezultat komparacije na izlazu iz komparatora je pravokutni napon gateU fiksne periode od 50T sµ= , ali promjenjivog trajanja pozitivnog i negativnog dijela pravokutnog napona. Napon gateU se dovodi na upravljačku elektrodu IGBT tranzistora preko pojačala za prilagodbu signala upravljanja, te se na taj način automatski mijenja vrijeme vođenja tranzistora vt odnosno faktor δ ovisno o željenoj izlaznoj struji trošila. Faktor δ utječe na izlazni napon dU , a time i na izlaznu struju trošila RI . Vidljivo je da je na ovaj način ostvarena negativna povratna veza po struji trošila RI . Primjerice, povećanje struje RI kroz trošilo R povećava napon senzora
senU , što rezultira smanjenjem faktora vođenja δ IGBT tranzistora, a što direktno utječe na smanjenje struje izlaznog napona dU i struje trošila RI .
36
Zadatak vježbe je snimiti karakteristične valne oblike struje i napona za DC/DC pretvarač prikazan na slici 21. Potrebno je nacrtati valne oblike napona i struja te odrediti vrijeme vođenja vt i faktore δ za pokuse prikazane u Tablici 4.2: 1) graf: izvU , dU , RI 2) graf: refU , pulseU , senU 3) graf: pulseU , carrU , gateU
Pokus [ ]R Ω [ ]reffU V [ ]vt ms δ a 2 2,4 b 5 2,4 c 10 2,4 d 5 5
Tablica 4.2
Pismeno obrazložiti dobivene rezultate.
Vježba 4.3 – DC/DC pretvarač sa galvanskim odvajanjem Na slici 30 prikazan je DC/DC pretvarač realiziran s transformatorskom vezom pomoću MOSFET tranzistora. Pomoću ovog pretvarača moguće je ostvariti bilo koji izlazni istosmjerni napon dU jer on ovisi ne samo o faktoru δ , već i o omjeru broja namotaja primara i sekundara. Pretvarač radi na frekvenciji 100f KHz= . Parametri transformatora su
0,1p sR R m= = Ω , 10p SL L Hµ= = , / 100 / 8p sN N = . Napon izvora 100izvU V= , kondenzator 47C Fµ= . Parametri simulacije su _ 0,2Time step sµ= ,
_ 500Total time sµ= .
Slika 30. DC/DC pretvarač s transformatorskom vezom
37
Na slici 31 prikazani su grafovi napona i struja sklopa na slici 30. Gornji grafikon prikazuje napon sekundara transformatora sU i izglađeni napon potrošaća
dU Srednji grafikon prikazuje pravokutni napon gateU , frekvencije 100 kHz uz faktor vođenja 0,5δ = . Donji grafikon prikazuje struju uvoda MOSFET tranzistora. Za DC/DC pretvarač prikazan na slici 30 potrebno je snimiti slijedeće valne oblike za pokuse prikazane u Tablici 4.3. Pri tome mijenjati otpor potrošaća R , omjer broja zavoja primara i sekundara /p sN N te faktor vođenja δ MOSFET tranzistora. Grafički prikazati slijedeće valne oblike: 1) graf: izvU 2) graf: sU , dU 3) graf: MOSI , DI (postaviti _current flag na MOSFET-u i diodi) 3) graf: gateU
Slika 31. Valni oblici napomna i struja sa sklopa 30
38
Pokus [ ]R Ω δ /p SN N dU
a 5 0,5 100/8 b 5 0,5 100/20 c 5 0,75 100/8 d 5 0,75 100/20 e 10 0,5 100/8 f 10 0,5 100/20 g 10 0,75 100/8 h 10 0,75 100/20
Tablica 4.3
Pismeno obrazložiti dobivene valne oblike i rezultate mjerenja Tablice 4.3.
39
5. ISPRAVLJAČI I REGULATORI
5.1 UVOD Ispravljači su elektronički pretvarački sklopovi koji pretvaraju izmjeničnu energiju u istosmjernu, odnosno međusobno povezuju izmjenične i istosmjerne električne sustave. Ispravljačke sklopove možemo podijeliti prema načinu spajanja s izmjeničnom mrežom, načinu korištenja energije iz izmjenične mreže, karakteru izlaznog napona i stupnju upravljivosti. Prema načinu spajanja ispravljača na izmjeničnu mrežu, razlikujemo jednofazne, trofazne i višefazne ispravljačke spojeve. Prema načinu korištenja energije izmjenične mreže, ispravljački spojevi mogu biti poluvalni i punovalni. Kako prilikom ispravljanja na opterećenju nastaje pulzirajući napon, koji u sebi sadrži istosmjernu komponentu, osnovni harmonik i više harmoničke komponente, ispravljačke spojeve razlikujemo prema broju pulzacija. Broj pulzacija predstavlja odnos frekvencije osnovnog harmonika i frekvencije izmjenične mreže. U tom smislu postoje jednopulsni i višepulsni ispravljački sklopovi. Prema stupnju upravljivosti, razlikujemo neupravljive ispravljačke sklopove u kojima su poluvodičke sklopke (ventili) diode, poluupravljive s diodama, tiristorima i drugim upravljivim ventilima i upravljive samo sa upravljivim ventilima. Kod neupravljivih ispravljača promjena izlaznog napona se može ostvariti promjenom ulaznog izmjeničnog napona ili promjenom opterećenja. Kod poluupravljivih ispravljača izlazni napon se podešava promjenom kuta upravljanja elektroničkih ventila. Potpuno upravljivi ispravljači imaju mogućnost promjene polariteta izlaznog napona promjenom kuta upravljanja tiristora samo ako na izlazu imaju priključen aktivni istosmjerni izvor. Takvi uređaji mogu pretvarati istosmjernu energiju aktivnog izvora u izmjeničnu i vraćati energiju u mrežu. O ovim uređajima će biti više riječi u narednom poglavlju. 5.1.1 Jednofazni poluvalni upravljivi ispravljač
Razmatranje ispravljača treba početi s najjednostavnijim primjerom jednofaznog upravljivog poluvalnog ispravljača opterećenog omskim teretom koji je prikazan na slici 32. Tiristor povezuje izmjenični izvor sU s radnim otporom R . Za vrijeme trajanja pozitivne poluperiode izmjeničnog napona, struja je jednaka nuli do kuta okidanja tiristora α . Nakon što se na upravljačkoj elektrodi tiristora za kut okidanja
tα ω= narine kratak pozitivan strujni impuls, tiristor provede, napon dU na otporniku R prati napon sU po amplitudi i po fazi ( uz zanemaritivanje pada napona na tiristoru koji kod realnih tiristora iznosi 1 2V− ). Kada nakon kuta π završi pozitivna poluperioda, struja i pada na nulu. Tiristor ne vodi za vrijeme trajanja
40
negativne poluperiode. Napon potrošača za vrijeme negativne poluperiode je 0dU = . Za vrijeme cijele negativne poluperiode te dijela pozitivne poluperiode struja i ostaje nula do kuta π α+ , kada se ponovo dovodi impuls okidanja i počinje slijedeći ciklus vođenja tiristora.
Slika 32. Jednofazni poluvalni upravljivi ispravljač s omskim teretom
Podešavanjem kut upravljanja α može se regulirati srednja vrijednost napona potrošača. Napon izvora može se napisati kao: ( ) 2 sins su t U tω= (28) gdje je: sU - efektivna vrijednos sinusnog napona ( )su t Za slučaj kada je kut upravljanja α = 0 (slučaj kada tiristor radi kao dioda), vrijede slijedeće relacije:
0 2 0,45sd s
UU Uπ
= ≈ (29)
gdje je: 0dU - srednja vrijednost napona za 0α =
( )0 2 sd avg
UIRπ
= (30)
gdje je: ( )0d avgI - srednja vrijednost struje tereta za 0α =
( )0 2s
d efUI
R= (31)
41
gdje je: ( )0d effI - efektivna vrijednost struje tereta za 0α =
Za slučaj kada je kut upravljanja α ≠ 0 vrijede slijedeće relacije: ( )( ) 0 1 cosd avg dU U α= + (32) gdje je: ( )d avgU - srednja vrijednost napona
( ) ( )0 1 cosdd avg
UIR
α= + (33)
gdje je: ( )d avgI - srednja vrijednost struje tereta
( )1 1 sin 2
2 2s
d effUIR
π α απ
= − +
(34)
gdje je: ( )d effI - efektivna vrijednost struje tereta Na slici 33 prikazan je jednofazni upravljivi poluvalni ispravljač opterećen omsko induktivnim opterećenjem ( RL optetrećenjem ). Takovo opterećenje je karakteristično za trošila koji u sebi imaju magnetske komponente (elektromotori, elektromagnetski releji i slično). Razmatranje rada ovog ispravljača počinje od kuta 0tω = do kuta okidanja α , u kojem periodu je izlazni napon trošila 0dU = . Nakon dovođenja impulsa okidanja na upravljačku elektrodu tiristora, počinje vođenje tiristora. Napon na RL trošilu je ( ) ( )d su t u t= , a za napon na induktivitetu se može napisati relacija:
( ) ( ) ( )L s Rdiu t u t u t Ldt
= − = (35)
gdje je: ( ) ( )Ru t R i t= ⋅ - napon na otporu R Iz relacije (35) proizlazi da struja i kroz sklop raste od kuta 1α θ− jer je
( ) ( )s Ru t u t> . Prigušnica induktiviteta L se nabija magnetskom energijom, izvor tjera struju u potrošač, energija se prenosi od izvora ka potrošaću.
42
U periodu 1θ π− struja kroz sklop počinje padati jer je ( ) ( )s Ru t u t< . U trenutku tω π= napon ( ) ( ) 0s du t u t= = , no struja kroz sklop i dalje nastavlja teči sve do kuta 2θ . U tom trenutku se površina 2A izjednačila sa površinom 1A (te površine predstavljaju vremenski integral napona LU koji mora biti nula nakon jednog perioda u stacionarnom stanju rada sklopa). Drugim riječima, površina 1A predstavlja energiju koju je induktivitet «uzeo» od izvora i pohranio je u obliku magnetske energije (u ovom periodu stuja i raste). Površina 2A predstavlja energiju koju je induktivitet vratio izvoru (u ovom periodu struja i opada). Tiristor ne može prestati voditi dokle god struja i ne padne na nulu. Posljedica toga je da struja kroz sklop teče neko vrijeme (u periodu 2π θ− ) i nakon što ( )su t postane negativan. Dio energije se uzima iz izvora sU , a dio se vraća u izvor sU . U periodu 2π θ− snaga izvora je negativna (umnožak iU d ⋅ ima negativni predznak).
Slika 33. Jednofazni poluvalni upravljivi ispravljač s omsko induktivnim teretom
Iz ovih razmatranja vidljivo je da srednja vrijednost izlaznog napona ispravljača s RL trošilom (slika 33) mora biti manja od srednje vrijednosti izlaznog napona opterećenog samo radnim trošilom R (slika 32) za isti kut upravljanja α . Naime u primjeru na slici 33 vidljivo je da napon ( )du t na RL trošilu ima jedan negativan dio, dok to nije slučaj sa naponom trošila na slici 32. Da bi se izbjeglo smanjenje srednje vrijednosti ispravljača u praksi se često paralelno RL opterećenju spaja energetska dioda D (nul dioda) prema slici 34.
43
Slika 34. Jednofazni poluvalni upravljivi ispravljač s nul diodom
Zadatak nul diode je sprječavanje otjecanja jednog dijela energije natrag u izvor, te sprječavanje vođenja tiristora nakon kuta π . Kako uslijed djelovanja nul diode D struja kroz trošilo ne pada na nulu, protjecanje struje kroz trošilo je produženo a valovitost struje je smanjena. Pored toga, nul dioda D spriječava pojavu napona samoindukcije koji nastaje kao posljedica naglog prekida struje kroz trošilo. 5.1.2 Jednofazni punovalni ispravljač u mosnom spoju Na slici 35 prikazan je jednofazni punovalni ispravljač u mosnom spoju realiziran s dva tiristora 1T , 3T i dvije diode 2D , 4D , te opterećen omsko-induktivnim RL teretom. Ovaj tip ispravljača naziva se i poluupravljivi, jer mu se izlazni napon
dU može mijenjati o nule do maksimalnog iznosa doU (kada je kut upravljanja 0α = ).
Slika 35. Jednofazni punovalni upravljivi ispravljač u mosnom spoju opterećen omsko
induktivnim teretom
Ako se razmatra čisto radni teret R i ako se napon izvora izvu može se napisati kao:
44
( ) 2 sinizv su t U tω= (36) gdje je: sU - efektivna vrijednos sinusnog napona ( )izvu t Regulacija izlaznog napona dU ovog ispravljača se vrši regulacijom kuta upravljanja α obaju tiristora. Kut α se može mijenjati od 0° do 180° (u idealnom slučaju). Ako je kut upravljanja tiristora α = 0 (slučaj kada tiristori rade kao diode), mogu se izvesti slijedeće relacije:
0 2 2 0,9sd s
UU Uπ
= ≈ (37)
gdje je: 0dU - srednja vrijednost napona neopterećenog ispravljača
( )0 2 2 sd fullavg
UIRπ
= (38)
gdje je: 0( )d fullavgI - srednja vrijednost struje tereta Za slučaj kada je kut upravljanja α ≠ 0 vrijede slijedeće relacije: ( )0 1 cosd dU U α= + (39) gdje je: dU - srednja vrijednost napona neopterećenog ispravljača
( )0 1 cosdd
UIR
α= + (40)
gdje je: dI - srednja vrijednost struje tereta
5.1.3 Trofazni ispravljač u mosnom spoju Na slici 36 prikazan je trofaznji punovalni ispravljač u mosnom spoju opterećen omsko-induktivnim RL teretom realiziranog sa tri tiristora 1T , 3T , 5T te s tri diode 2D , 4D , 6D . Ovaj tip ispravljača naziva se i poluupravljivi, jer mu se izlazni napon dU može mijenjati o nule do maksimalnog iznosa doU ( kada je kut upravljanja
0α = ).
45
Slika 36: Trofazni poluupravljaivi ispravljač u mosnom spoju opterećen omsko induktivnim teretom
U trofaznom poluupravljivom ispravljaču u mosnom spoju na slici 36 tri su tiristora spojena u katodnu grupu, a tri diode u anodnu grupu. Pri radu sklopa struju uvijek propuštaju jedan od tiristora iz katodne grupe i jedna od dioda iz anodne grupe. U bilo kojem trenutku u katodnoj grupi uključi se onaj tiristor čija je anoda na višem potencijalu od anoda drugih tiristora u grupi, a u anodnoj grupi ona dioda kojoj je potencijal katode niži od potencijala katoda drugih dioda u grupi. Kad je kut upravljanja tiristora 0α = , i ako je ispravljač opterećen čistim radnim opterećenjem R , srednja vrijednost ispravljenog napona iznosi:
03 6 2,34d s sU U Uπ
= = ⋅ (41)
Za ovaj ispravljač postoje dva pudručja upravljanja:
područje upravljanja a) - kut upravljanja 0 60α< < područje upravljanja b) - kut upravljanja 60 120α< <
Maksimalni kut upravljanja iznosi max 120α = . Srednja vrijednost ispravljenog napona za područje upravljanja od 0° do 60° iznosi: 0 cosd dU U α= (42) Srednja vrijednost ispravljenog napona za područje upravljanja od 60° do 120° iznosi:
0 1 cos3d dU U π α = + +
(43)
46
5.1.4 Utjecaj komutacije na izlazni napon ispravljača U ovom potpogalvlju razmatrat će se utjecaj komutacije na izlazni napon jednofaznog isparavljača u mosnom spoju. (komutacija je podrobno teoretski opisana u vježbi 3). Slična razmatranja mogu se provesti i na primjeru trofaznih ispravljača. Na slici 37 prikazan je idealni jednofazni punoupravljivi ispravljač u mosnom spoju s četiri tiristora opterećen pretežno induktivnim trošilom. Takovo opterećenje može se u prvoj aproksimaciji zamjeniti istosmjernim strujnim izvorom konstantne struje, jer kratkotrajni procesi komutacije ne mogu utjecati na izlaznu struju trošila.
Slika 37. Idealni jednofazni punoupravljivi ispravljač u mosnom spoju opterećen
induktivnim trošilom Na slici 38 prikazani su valni oblici napona izvora su , napona potrošača du te struje izvora si pri kutu upravljanja 0α = .
Slika 38. Valni oblici napona izvora su , napona potrošača du te struje izvora di pri
kutu upravljanja 0α = . Ukoliko se kut upravljanja α poveća na 45 valni oblici napona se mijenjaju kako je prikazano na slici 39. Iz slike je vidljivo da tiristori nastavljaju voditi struju i za vrijeme negativne poluperiode ulaznog napona, dakle i za vrijeme kada su reverzno polarizirani. Uzrok ove pojave je što trošilo nastavlja «gurati» struju kroz tiristore i oni ne mogu isklopiti iako je na njima prisutan reverzni napon. Do komutacije struje
47
može doći jedino okidanjem narednog para tiristora. Komutacija struje sa jednog para tiristora na drugi par tiristora je trenutačna, vrijeme komutacije 0kt = . Kao što je istaknuto u relaciji (42) izlazni napon ovog ispravljača ovisi o kutu upravljanja α i može se dobiti rješavanjem slijedeće relacije:
Slika 39. Valni oblici napona izvora su , napona potrošača du te struje izvora si pri
kutu upravljanja 45α = . Realni jednofazni ispravljač u mosnom spoju ima konačno vrijeme komutacije
0kt > radi induktivnosti vodova i transformatora, pa se nadomjesna shema realnog ispravljača može prikazati kao na slici 40. Na slici 41 prikazani su valni oblici napona izvora su , napona potrošača du te struje izvora di pri kutu upravljanja 45α = ako je u sklopu prisutan induktivitet L . Iz slike 41 je vidljivo da komutacija struje sa jednog na drugi par tiristora nije trenutna nego se odvija za kut ku tω= ⋅ Za vrijeme trajanja komutacije sva četiri tiristora su u stanju vođenja. Dok struja kroz par tiristora 1T i 2T opada, struja kroz drugi par tiristora 3T i 4T raste i obratno. Zbroj struja kroz sva četiri tiristora uvijek mora biti jednak struji trošila dI .
02 2 21 2 sin( ) ( ) ((cos cos( )) 0,9 coss s
d s sU UU U t d t U
π α
α
ω ω α π α απ π π
+
= = − + = =∫
48
Slika 40. Jednofazni ispravljač u mosnom spoju sa serijski spojenim induktivitetom L izvoru su
Slika 41. Valni oblici napona izvora su , napona potrošača du te struje izvora si pri
kutu upravljanja 45α = uz induktivitet L . Kut komutacije u se može odrediti ako se postavi uvijet da se za vrijeme komutacije 0 t uω< < sav napon izvora nalazi na induktivitetu L . Tada je moguće iz slijedeće relacije napisati izvod:.
2 sin ( )( )
ss s
diu U t L d td t
ω ω ωω
= = (44)
49
Množenjem lijeve i desne strane s ( )d tω dobije se:
2 sin ( )u
s sU t d t Ldiα
α
ω ω ω+
⋅ = ∫ (45)
Ukoliko se lijeva i desna strana integrira dobije se površina uA :
( )2 sin ( ) ( ) 2s d
s d
i It u
s s d d d ut i I
U t d t L di L I I LI Aω α
ω α
ω ω ω ω ω== +
= =−
⋅ = = − − = =∫ ∫ (46)
Ako se uredi lijevi dio jednadžbe (46) dobije se:
[ ] ( )( )2 sin ( ) 2 cos 2 cos cost u
t us s st
t
U t d t U t U uω α
ω α
ω αω α
ω ω ω α α= +
= +
==
⋅ = − = − +∫ (47)
Ako se jednadžba (47) uvrsti u (46) može se napisati:
( )( )2 cos cos 2s dU u LIα α ω− + = (48) Iz relacije (48) proizlazi relacija za određivanje kuta komutacije:
2arccos cos d
s
LIuUωα α
= − −
(49)
Iz relacije (49) se vidi na koji način kut komutacije ovisi o frekvenciji struje ω , induktivitetu L i struji dI . Na osnovu gornjeg razmatranja može se napisati izraz za srednju vrijednost napona na izlazu ispravljača uz komutacijski induktivitet L kao:
1 1 12 sin( ) ( ) 2 sin( ) ( ) 2 sin( ) ( )u
dk s s su
U U t d t U t d t U t d tπ α π α α
α α α
ω ω ω ω ω ωπ π π
+ + +
+
= ⋅ = ⋅ − ⋅ =∫ ∫ ∫
20,9 cos ddk s
LIU U ωαπ
= − (50)
Iz realcije (50) se vidi da je izlazni napon ispravljača dkU jednak izlaznom naponu idealnog ispravljača 0,9 cossU α⋅ umanjenom za pad napona zbog
komutacijskog induktiviteta 2 dLIωπ
. Pad napona je veći što je veća frekvencija
ulaznog napona ω , induktivitet L i jakost izlazne struje dI .
50
5.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI: 1. Za ispravljač na slici 35 odrediti srednju i efektivnu vrijednost struje opterećenja, te srednju vrijednost izlaznog napona dU za slučaj kada je 0,60,90,120,180α = . Pretpostaviti da je ispravljač čisto omski opterećen 500optR = Ω . Ostali parametri su:
220izvU = V , 1 2/ 10 /1N N = . 2. Nacrtati vremenske dijagrame napona i struja trofaznog mosnog ispravljača s omskim opterećenjem na slici 36. Analizirati njegov rad za različite kutove upravljanja. Nacrtati valne oblike za slučaj omsko-induktivnog opterećenja. 5.3 SIMULACIJSKE VJEŽBE:
Vježba 5.1 – Jednofazni poluvalni ispravljač Za potpuno razumijevanje rada sklopa ovoj vježbi potrebno je najprije objasniti rad alfa-kontrolera koji je prikazan na slici 42.
Slika 42. Alfa kontroler
Alfa kontroler je sklop koji generira okidačke impulse koji se dovode na tiristor ili grupe tiristora u ispravljačkim mostovima. Za svaki alfa kontroler potrebno je definirati slijedeće parametre: «Frequency» - frekvencija generiranih okidnih impulsa [ ]Hz
«Pulse Width» - širina generiranih impulsa [ ]stupnjevi Da bi se dobili odgovarajući okidni impulsi na izlazu Gate , potrebno je na alfa kontroler narinuti tri ulazna napona:
1. Sinkronizacijski napon sinU 2. Signal naponskog izvora Kut koji određuje željeni kut okidanja α 3. Naponski signal Omoguci - logički signal koji omogućava rad alfa kontrolera
51
Alfa kontroler je omogućen ako je visoki naponski nivo na ulazu Omogući (logički 1), a onemogućen ukoliko je na ulazu niski naponski nivo (logička 0). Prolaz sinkronizacijskog napona sincu kroz nulu (s nižeg na viši napon) određuje trenutak koji odgovara kutu 0α = . Od tog trenutka se mjeri kut (definiran naponskim signalom Kut ) nakon kojega nastupa generiranje okidnog impulsa na izlazu Gate . Na slici 43. prikazani su valni oblici napona sincu i gateU alfa kontrolera. Vrijednosti napona su 50sincu = Hz , 5 ppV , 90kutU = V . Parametri alfa kontrolera su:
50Frequency = Hz , _ 20Pulse width = . Iz slike 43 je vidljivo da se generirani naponski impuls gateU pojavljuje fazno pomaknut za 90 od ishodišta, te da njegova
širina iznosi 20 .
Slika 43. Valni oblici napona sincu i gateU alfa kontrolera
Na slici 44 prikazan je jednofazni poluvalni upravljivi ispravljač s omsko - induktivnim opterećenjem koji će se razmatrati u ovoj vježbi. Pomoću ovog ispravljača moguće je kontinuirano mijenjati napon na potrošaču dU od nule do maksimalnog napona reguliranjem kuta upravljanja α. Parametri alfa kontrolera su 50Frequency = Hz , _ 20Pulse with = . Napon izvora 2 220 ,50izvu V= ∗ Hz . Parametri napona Omogući su 1stepU = , 0stepT = , što znači da se naponski signal od 1V generira u ishodištu sinusoide (alfa kontroler je odmah omogućen prilikom uključenja sklopa). Parametar simulacije
_ 0,01Time step = ms .
52
Slika 44. Jednofazni poluvalni ispravljač
Na slici 45 prikazani su valni oblici napona izvora izvu , napona upravljačke elektrode gateU , napona potrošača dU i struje kroz RL potrošač ( )RLI koji su poredani
odozgo prema dole uz kut okidanja 90α = . Parametri trošila su 5R = Ω , 10L = mH .
Slika 45. Naponi i struje u sklopu na slici 40
Iz slike 45 je vidljivo da je kut vođenja tiristora 115β ≈ , te da je srednja vrijednost izlaznog napona ( ) 43d sredU = V . Za ispravljač na slici 44 potrebno je snimiti slijedeće valne oblike:
53
1) graf: izvU
2) graf: gateU 3) graf: dU , DI (postaviti _current flag na RL trošilu)
za kuteve upravljanja 60α = i 120α = te za trošila prikazana u Tablici 5.1.
Pokus RL trošilo Karakter trošila a 5 / 0,1 HµΩ omski b 5 /10mHΩ omsko-induktivni c 0,01 /10mHΩ induktivni
Tablica 5.1
Potrebno je zatim odrediti srednju vrijednost napona na trošilu ( )d sred dU U= , te kut vođenja tiristora β za različite kutove upravljanja α i karakter RL trošila prema tablici Tablici 5.2.
Kut upravljanja
5 / 0,1 HµΩ 5 /10mHΩ 0,01 /10mHΩ
0α = ( )d sredU , β
60α = 90α =
120α = 150α = 180α =
Tablica 5.2
Nadalje je potrebno postaviti trošilo na 0,5 /10RL mH= Ω te dodati nul diodu D . Skicirati kako se mijenjaju valni oblici kada se mijenja kut upravljanja 1 45α = ,
2 90α = , 3 135α = ? Što se događa sa strujom RL potrošača? Pismeno obrazložiti dobivene valne oblike i rezultate mjerenja.
54
Vježba 5.2 – Jednofazni ispravljač u mosnom spoju Na slici 46 prikazan je jednofazni punoupravljivi ispravljač u mosnom spoju koji se sastoji od 4 tiristora. Pomoću ovog ispravljača moguće je kontinuirano mijenjati napon na potrošaču od nule do maksimalnog napona izlaza reguliranjem kuta upravljanja α. Ukoliko se na izlaz umjesto trošila postavi aktivni istosmjerni naponski izvor i kut upravljanja tiristora postavi na 90α > , moguće je postići invertorski režim rada. U invertorskom režimu rada se istosmjerna energija pretvara u izmjeničnu i vraća u izvor (mrežom vođeni izmjenjivač), no o tom sklopu bit će riječi u narednoj vježbi, a zasada ćemo se koncentrirati na ispravljače. Parametri alfa kontrolera su 50Frequency = Hz , _ 20Pulse with = . Alfa kontroler 1 generira okidne impulse za tiristore 1T i 2T a alfa kontroler 2 generira
okidne impulse za tiristore 3T i 4T . Napon izvora je 2 220 ,50izvu V= ∗ Hz . Parametri signala Omogući su 1stepU = , 0stepT = . Parametar simulacije
_ 0,01Time step = ms .
Slika 46. Jednofazni poluupravljivi punovalni ispravljač u mosnom spoju
55
Na slici 47 prikazani su valni oblici napona izvora izvu , napona upravljačkih elektroda 1gateU i 2gateU , napona potrošača dU i struje kroz RL potrošač ( )RLI koji su
poredani odozgo prema dole uz kut okidanja 90α = , 5R = Ω , 10L = mH . Iz slike 47 je vidljivo da je kut vođenja svakog para tiristora 1,2 3,4 115β β= ≈
što daje ukupni kut vođenja sva četri tiristora 1,2,3,4 2 115 230β ≈ × = . Srednja vrijednost izlacnog napona ( ) 86d sredU = V .
Slika 47. Naponi i struje u sklopu na slici 46 Za ispravljač na slici 47 snimiti i nacrtati slijedeće valne oblike
1) graf: izvU 2) graf: 1gateU , 2gateU 3) graf: dU , DI
Grafove iscrtati za kuteve upravljanja 60α = i 120α = te za trošila prikazana u Tablici 5.3
56
Pokus RL trošilo Karakter trošila
A 5 / 0,1 HµΩ omski B 5 /10mHΩ omsko-induktivni C 0,01 /10mHΩ induktivni
Tablica 5.3
Potrebno je nadalje odrediti srednju vrijednost napona na trošilu ( )d sredU i kut vođenja 1,2,3,4β sva četiri tiristora 1T za različite kutove upravljanja i karakter trošila prema Tablici 5.4.
Kut okidanja
5 / 0,1 HµΩ 5 /10mHΩ 0,01 /10mHΩ
0α = ( )d sredU , 1,2,3,4β
60α = 90α =
120α = 150α = 180α =
Tablica 5.4
Nadalje je potrebno postaviti trošilo 0,5RL = Ω / 10 mH i dodati nul diodu D paralelno trošilu. Skicirati kako se mijenjaju valni oblici kada se mijenja kut upravljanja 1 45α = , 2 90α = , 3 135α = ? Što se događa sa strujom RL potrošača. Pismeno obrazložiti dobivene valne oblike i rezultate mjerenja.
Vježba 5.3 - Trofazni poluupravljivi ispravljač u mosnom spoju Na slici 48 prikazan je trofazni poluupravljivi punovalni ispravljač u mosnom spoju koji se sastoji od 3 tiristora u anodnoj grupi i 3 diode u katodnoj grupi. Ovaj ispravljač omogućuje promjenu izlaznog napona dU u rasponu kuteva upravljanja
0 120α = − za čisto ohmsko opterećenje te za 0 90α = − za čisto induktivno opterećenje. Parametri alfa kontrolera su 50Frequency Hz= , _ 20Pulse with = . Alfa kontroler 1 generira okidne impulse za tiristor 1T , alfa kontroler 2 generira okidne impulse za tiristor 3T , a alfa kontroler 3 generira okidne impulse za tiristor 5T . Napon
izvora je 3 2 220izvu = ∗ ⋅ V , 50 Hz . Parametri napona Omogući su 1stepU = , 0stepT = . Parametar simulacije _ 0,01Time step ms= .
57
Na slici 48 prikazani su valni oblici napona izvora ru , su , tu , r tu u− , napona upravljačkih elektroda 1gateU , 2gateU , 3gateU , napona potrošača dU i struje dI kroz otporno trošilo 5R = Ω . Valni oblici su poredani odozgo prema dole uz kut okidanja
0α = . Na slici 48 se vidi šesteropulsni izlazni napon srednje vrijednosti 0 723,6dU = V .
Slika 48. Trofazni poluupravljivi ispravljač u mosnom spoju
Zadatak studenata je da za ispravljač na slici 48 snimiti i nacrtati slijedeće valne oblike:
1) graf: RU , SU , dU 2) graf: R TU − 3) graf: 1gateU , 2gateU 4) graf: DI
Za pokus A (Tablica 5.5) postaviti kuteve upravljanja 30,60,90,110α = . Za pokuse B i C (Tablica 5.5) postaviti kutove upravljanja 30,60,90α = .
58
Slika 49. Valni oblici trofaznog poluupravljivog punovalni ispravljač
Pokus RL trošilo Karakter trošila A 5 / 0,1 HµΩ omski B 5 /10mHΩ Omsko-induktivni C 0,01 /10mHΩ induktivni
Tablica 5.5
Potrebno je nadalje odrediti srednju vrijednost napona na trošilu ( )d sredU i kut vođenja tβ sva 1T za različite kutove upravljanja i karakter trošila prema Tablici 5.6. Odrediti srednju vrijednost napona na trošilu ( )dAVG U i kut vođenja
1Tβ tiristora 1T za različite kutove upravljanja i karakter trošila prema Tablici 5.6. Pismeno obrazložiti dobivene valne oblike i rezultate mjerenja.
59
Kut okidanja
5 / 0,1 HµΩ 5 /10mHΩ 0,01 /10mHΩ
0α = ( )d sredU , tβ
60α = 90α =
110α =
Tablica 5.6
Vježba 5.4 – Automatska regulacija napona trofaznog ispravljača Na slici 50 prikazan je trofazni punoupravljivi tiristorski ispravljač kojemu se automatski vrši podešavanje kuta upravljanja α prema postavljenom referentnom naponu STEPU . Na izlazu iz sklopa dobije se konstantan željeni istosmjerni napon dU koji odgovara referentnom naponu STEPU i neovisan je o struji trošila dI . Kut upravljanja α generira se u alfa kontroleru ACTRL . Kut upravljanja α se podešava na način da se izlazni napon dU (koji se dobije pomoću naponskog senzora 2SEN ) uspoređuje s naponom referentnog naponskog izvora STEPU , te se njihova razlika dovodi na ulaz PI regulatora. Ako izlazni napon dU padne ispod referentnog napona STEPU (npr. zbog pada napona na izlazu sklopa ili zbog promjene referentnog napona STEPU ), izlazni napon PI regulatora piU postaje pozitivan u rasponu od 0 do 1V . Ako se izlazni napon dU poveća iznad referentnog napona refU ,
napon piU postaje negativan (od 0 do -1V ). Funkcijski blok 1cos− pretvara napon
piU (od -1 do 1V ) u odgovarajući napon upravljanja alfaU koji se dovodi na alfa kontroler ACTRL i time određuje kut upravljanja α u opsegu od 0° do 180°. Na taj se način, neprestanim reguliranjem kuta upravljanja α , izlazni napon dU održava konstantnim i neovisnim o iznosu opterećenja te jednak zadanom naponu STEPU . Važno je napomenuti da se kut upravljanja α u trofaznom sustavu mjeri od točke kada sinusni napon R TU U− prelazi iz negativnog u pozitivni poluval. Za detekciju točke sinkronizacije alfa kontrolera korist se senzor razlike napona 1SEN i konparator COMP .
60
Slika 50. Regulacija izlaznog napona trofaznog ispravljača
Alfa kontroler ACTRL generira okidne impulse za upravljanje tiristorskog mosta. Parametri alfa kontrolera su 50Frequency = Hz , _ 120Pulse width = . Napon izvora je 3 380izvu = ∗ V , 50 Hz . Referentni naponski izvor treba definirati na način
1 400stepU = V , 2 50stepU = V , 200STEPT = ms što znači da će u trenutku uključenja referentni napon biti 1 400stepU = V da bi nakon 200STEPT = ms referentni napon pao na 2 50stepU = V . Parametri pasivnih komponenti su 100L = mH , 400C = Fµ ,
2R = Ω . Parametri napona Omogući su 1stepU = , 0stepT = . Parametri PI regulatora su 0,01Gain = , 0,01TimeConstant = . Limiter koji slijedi iza PI regulatora ograničava napon u rasponu od -0,99 V do 1 V. Parametri simulacije su
5_ 5 10Time step s−= ⋅ . ¸ Na slici 51 prikazani su valni oblici napona izvora ru , su , tu , r tu u− , napona upravljačkih elektroda 1gateU , 2gateU , 3gateU , te napona piU , alfaU , 0U , dU . Također je prikazana struja kroz trošilo RI . Simulirati sklop te na temelju snimljenih valnih oblika pismeno opisati rad ispravljača za slijedeće vremenske periode:
a) 0 80− ms b) 80 200− ms c) 200 230− ms d) 230 350− ms
61
Slika 51. Valni oblici napona i struja na 51.
Izmjeriti kutove upravljanja α za svaki od ovih vremenskih perida. Ponoviti simulaciju i snimiti iste valne oblike za slučaj kad se vrijednost induktiviteta L poveća za 50 %. Koliki je prijelazni period potreban da se stabilizira izlazni napon i izlazna struja?
Vježba 5.5 – Trofazni poluvalni ispravljač sa srednjom točkom Zadatak vježbe 5.5 je prikazati utjecaj komutacije na srednju vrijednost izlaznog napona outU trofaznog poluvalnog neupravljivog ispravljača sa srednjom točkom prikazanog na slici 52 koji u sebi sadrži trofazni transformator u spoju zvijezda-zvijezda. U vježbi se mijenjaju linijska vrijednost ulaznog napona rstu i izlazna struja trošila outI , te induktivnost primara pL i sekundara sL transformatora.
62
Slika 52. Trofazni poluvalni ispravljač sa srednjom točkom
Srednja vrijednost izlaznog napona ispravljača se može napisati kao:
( )3 cos2rst
out comuU Uα
π⋅
= ⋅ − ∆ (51)
gdje je: α - kut upravljanja ispravljača comU∆ - pad napona uslijed komutacije rstu - linijska vrijednost ulaznog napona Nadalje se može napisati da je:
2out com
comrst
I XUu
∆ = (52)
gdje je: ( )com p sX L Lω= ⋅ + - induktivni otpor primara i sekundara
Za idealni transformator bez induktivnosti primara i sekundara 0comU∆ = , dok je za realni transformator 0comU∆ ≠ .
63
Slika 53. Valni oblici napona i struja na slici 52
Na slici 53 prikazani su valni oblici napona izvora ru , su , tu , napona outU na trošilu koji se simulira strujnim izvorom konstantne struje, te valni oblici struja kroz diode rD , sD i tD . Pri tome je ulazni linijski napon trofaznog izvora 110rstu = V , induktivnosti transformatora 1p sL L= = mH , te struja 5outI = A . Iz grafikona je vidljivo da je srednja vrijednost napona 72,76outU = V . Vrijeme komutacije može se odrediti iz srednjeg i donjeg grafikona i iznosi 0,9kt = ms . Studenti trebaju simulirati sklop na slici 52 te snimiti slijedeće valne oblike: 1) ru , su , tu - naponi izvora 2) rI , sI , tI - struje kroz diode i struju tereta 3) outU , - izlazni napon Skicirati snimljene oscilograme, odrediti srednje vrijednosti izlaznog napona
( )outAVG U , izmjeriti vremena komutacije kt za vrijednosti komponenata sklopa prikazane u Tablici 5.5:
64
Pokus [ ]rstU V [ ]p sL L mH= [ ]outI A [ ]kt s ( )outAVG U a 110 1 10 b 110 1 20 c 100 5 10 d 220 1 10
Tablica 5.7
Pismeno prokomentirati razlike u izmjerenim vremenima komutacije kt . Zašto se struje rI , sI , tI ne mijenjaju linearno za vrijeme komutacije? Kako se mijenja srednja vrijednost izlaznog napona promjenom frekvencije f ulaznog napona? Usporediti vrijednost dobivene mjerenjem na grafovima nakon izvršene simulacije sa vrijednostima dobivenim računskim putem koristeci relacije (51) i (52).
Vježba 5.6 – Serijski regulator napona Na slici 54 prikazan je serijski regulator napona realiziran uz pomoć bipolarnog tranzistora 1Q . Regulator napona održava konstantan izlazni napon dU neovisno o promjeni ulaznog napona izvU . i struje potrošaća dI . U ovom sklopu napon izvU predstavlja serijski spoj istosmjernog i izmjeničnog napona ( izvU je istosmjerni izvor sa superponiranom vrijednošću izmjeničnog napona). Ovakvi regulatori napona koriste se samo u uređajima manjih snaga. Razlog tomu je što tranistor 1Q radi u linearnom režimu rada a ne u sklopnom režimu kao što obično rade aktivne komponente energetske elektronike. Naime, u linearnom režimu rada je disipacija snage tranzistora povećana. Napon izvora sklopa na slici 54 je 12izvU V= . Ostali elementi su:
1 2 5R R= = KΩ , 3 4 20R R= = KΩ , 5 10R = KΩ , 50R = KΩ , 10C = nF 100tR = Ω , 2,5Z = V . Napajanje operacijskog pojačala 12SV + = V , 0SV − = V .
Strujno pojačanje tranzistora 1Q je 100β = , a naponi 0,7BEU = V , 0, 2CEsatU = V . Parametar simulacije 5_ 5 10Time step s−= ⋅ . Na slici 55 prikazani su valni oblici napona i struja na komponentama serijskog regulatora napona prikazanog na slici 54. Iz slike se vidi da regulator osigurava stabilan iznos izlaznog napona 5dU = V i izlazne struje 50RtI = mA , bez obzira što ulazni napon varira 12 2izvU = ± V . Treći grafikon na slici 55 prikazuje snagu disipacije tranzistora što odgovara umnošku pada napona i struje kroz tranzistor
t ce RtP U I= ⋅ [ ]W . Srednja snaga disipacije tranzistora iznosi 0,362t ce RtP U I W= ⋅ =
65
Slika 54. Serijski regulator napona
Slika 55. Valni oblici serijskog regulatora napona
Za regulator napona na slici 55 potrebno je snimiti i nacrtati slijedeće valne oblike:
1) graf: izvU , dU 2) graf: zU , BU 3) graf: ( )izv d RtU U I− ⋅ - grafički prikaz trenutne snage disipacije 4) graf RtI
66
za slijedeće slučajeve:
a) 12izv DCU V= b) 12 4izv DC ppU V V= ± , 50f = Hz c) 12 8izv DC ppU V V= + , 50f = Hz
U kojem je slučajevima poremećena stabilnost izlaznog napona i u kojem vremenskom periodu? Odrediti kolika je maksimalna vrijednost izmjenične komponente ulaznog napona za koju je zagarantirana stabilnost izlaznog napona? Za slučajeve a, b i c odrediti srednju snagu disipacije tranzistora t ce RtP U I= ⋅ Pismeno obrazložiti dobivene valne oblike i rezultate mjerenja, te objasniti rad sklopa.
Vježba 5.7 - PWM ispravljač Na slici 56 je prikazan trofazni ispravljač koji radi na principu pulsno širinske (PWM modulacije – pulse width modulation). Upravljački sklop ispravljača generira pravokutni pulsno širinski modulirani signal koji se dovodi na vrata MOS tranzistora i na taj se način uključuje i isključuje brze MOSFET tranzistore (frekvencija prekapčanja je tipično 1 kHz ). Tranzistorske MOSFET sklopke 1S - 3S su upravljane pravokutnim naponom s faktorom vođenja δ koji je upravo proporcionalan naponu faze na koju su priključeni. Tranzistori 4S - 6S su upravljani na način na način da imaju faktor vođenja δ obrnuto proporcionalan naponu faze na koju su priključeni. Faktor vođenja δ se definira kao omjer između vremena vođenja tranzistora i perioda prekapčanja tranzistora prema relaciji (25). Posljedica toga je impulsno nabijanje kondenzatora 2C na otprilike konstantn napon dU . Na slici 57 prikazani su valni oblici sklopa na slici 56. Pri tome je linijski napon izvora 3*110izvu = V , 50f = Hz . Ostali elementi su: 0,5RL = Ω /1 mH ,
5R = Ω , 2C = mF . Naponski senzori VSEN imaju pojačanje 0,01Gain = . Proporcionalni blokovi K imaju pojačanje 0,6Gain = . Parametri generatora pilastog napona carrU su slijedeći: 2peak to peakV − − = V , 1Frequency = kHz , _ 0,5Duty cycle = ,
1offsetDC V= − . Parametar simulacije 6_ 1 10Time step s−= ⋅ .
67
Slika 56. Ispravljač koji radi na načelu pulsno širinske modulacije Na slici 57 prikazani su grafikoni napona ru , su i tu . Nakon komparacije napona carru i napona mru dobije se upravljački napon koji se dovodi na upravljačke elektrode MOSFET tranzistora. Na grafu je prikazan napon gru koji se dovodi na par tranzistora 1S i 4S . Također su prikazane struje ri si i ti kroz prigušnice RL . Struje su međusobno fazno pomaknute za 120 . Na grafu se vidi izlazni napon dU . Da bi studenti u potpunosti razumjeli rad sklopa, potrebno je izvršiti simulaciju sklopa i nacrtati slijedeće grafove:
1) graf: ru , su i tu 2) graf: carru , mru
3) graf: ri , si , ti 4) graf: dU
Pismeno obrazložiti rad sklopa. Što se dešava ukoliko se smanji frekvencija napona carru za 50% .
68
Slika 57. Valni oblici ispravljača na slici 56
69
6. IZMJENJIVAČI I USMJERIVAČI 6.1 UVOD Izmjenjivači (invertori) su elektronički pretvarači koji omogućavaju pretvorbu istosmjerne elekrične energije u izmjeničnu. Usmjerivači su elektronički pretvarači koji omogućavaju i ispravljanje i izmjenjivanje, tj. pretvorbu izmjenične električne energije u istosmjernu i istosmjerne u izmjeničnu. Dakle, dok je kod izmjenjivača tok energije moguć isključivo u jednom smjeru (od istosmjerne ka izmjeničnoj strani), usmjerivači mogu pretvarati energiju u oba smjera, kao što je prikazano na slici 58. Kada usmjerivač pretvara izmjeničnu energiju u istosmjernu govorimo o ispravljačkom režimu rada usmjerivača, a kada isti sklop pretvara istosmjernu u izmjeničnu energiju govorimo o izmjenjivačkom ili invertorskom režimu rada.
AC DC
izmjenična strana istosmjerna strana
tokenergije
Slika 58. Tok energije u usmjerivačkim sklopovima Izmjenjivači mogu biti priključeni na aktivnu ili pasivnu mrežu. Aktivna električna mreža u sebi posjeduje barem jedan aktivni izmjenični izvor koji diktira frekvenciju mreže, dok se pasivna mreža sastoji samo od pasivnih tošila. Ukoliko frekvenciju električne energije koju izmjenjivač generira određuje isključivo frekvencija prekapčanja sklopki unutar takvog izmjenjivača govorimo o autonomnom izmjenjivaču. Autonomni izmjenjivači su jednostavniji za razumijevanje i biti će opisani i razmatrani u vježbama 6.2, 6.3, 6.4. U nastavku uvoda pažnja će se posvetiti isključivo mrežom vođenim usmjerivačima, jer je studentima teže razumijeti načela rada ovih sklopova. 6.1.1 Mrežom vođeni usmjerivači Na slici 59a) prikazana je načelna blok shema mrežom vođenog usmjerivača. Mrežom vođeni usmjerivač priključen je s jedne strane na aktivnu izmjeničnu mrežu - AC strana, te s druge strane na istosmjernu mrežu. U AC mreži nalazi se jedan ili više izmjeničnih izvora koji diktiraju frekvenciju aktivne mreže. Slika 59)b prikazuje d dU I− diagram koji označava ispravljački i izmjenjivački (invertorski) režim rada usmjerivača. Za danu vrijednost napona izmjenične mreže može se kontinuirano mijenjati srednja vrijednost napona dU na istosmjernoj strani. Istosmjerna struja usmjerivača dI ne može mijenjati svoj smjer tako da usmjerivač
70
može raditi samo u dva kvadranta d dU I− dijagrama – prvom ili ispravljačkom kvadrantu i trećem ili izmjenjivačkom kvadrantu, što se vidi iz slike 59b).
Slika 59. Blok shema mrežom vođenog usmjerivača.
Ukoliko je napon dU i struja dI pozitivna, mrežom vođeni izmjenjivač je u ispravljačkom režimu rada, kada tok energije ide od izmjenične ka istosmjernoj strani. Ukoliko napon dU postane negativan, a struja dI ostaje i dalje pozitivna, na istosmjernoj strani mora postojati aktivni izvor (baterija ili istosmjerni generator dE ) koji «gura» struju kroz sklop unatoč negativnom naponu dU . Tada sklop radi u izmjenjivačkom režimu rada i tada tok energije ide od istosmjerne ka izmjeničnoj strani. Energija se crpi iz istosmjernog izvora i predaje se izmjeničnoj mreži. Pri tome frekvencija rada izmjenjivača mora biti strogo usklađena ili vođena od strane aktivne izmjenične mreže, pa su po tome ovi izmjenjivači i dobili ime. Vrijednost napona dU je limitirana konfiguracijom sklopa i ulaznim izmjeničnim naponom (oznaka «1» na d dU I− dijagramu), a vrijednost struje dI je ograničena samim strujnim karakteristikama poluvodičkih ventila u usmjerivaču koji u načelu mogu voditi struju samo u jednom smijeru (oznaka «2» na d dU I−
dijagramu). U kojem će se režimu rada usmjerivač nalaziti određuje postavljeni kut upravljanja tiristora α , te postojanje i iznos napona aktivnog izvora dE na istosmjernoj strani. Mrežom vođeni usmjerivači rade u izmjenjivačkom režimu primjerice kod električnog kočenja istosmjernih strojeva koji se koriste u elektromotornim vučnim pogonima. Naime, istosmjerni motor u motorskom režimu rada se napaja istosmjernom energijom iz mrežom vođenog usmjerivača, koji tada radi u ispravljačkom režimu rada. Međutim, ukoliko se motor želi električki kočiti, motorski režim rada se «prekrene» u generatorski režim rada. Mrežom vođeni izmjenjivač pretvara istosmjerni napon motora koji se sada nalazi u generatorskom režimu rada u izmjenični napon. Mehanička energija kočenja motora se pretvara u izmjeničnu električnu energiju, te se vraća u mrežu (ukoliko u mreži postoji potrošač koji tu energiju može apsorbirati). Pri tome se vrši električno kočenje istosmjernog stroja.
71
6.1.2 Jednofazni mrežom vođeni usmjerivač u mosnom spoju
Mrežom vođeni usmjerivač prikazan na slici 60 je priključen na jednofaznu izmjeničnu mrežu napona izvu . Sklop se sastoji od četiri tiristora 1 4T T− koji su spojeni u mosnom spoju. Mosni spoj se najčešće koristi u praksi, jer su reverzni naponi tiristora u mosnom spoju dvostruko manji nego u spoju sa srednjom točkom.
Slika 60. Jednofazni usmjerivač u mosnom spoju
U narednim podpoglavljima bit će podrobno opisan ispravljački i izmjenjivački režim rada usmjerivača. 6.1.2.1. Ispravljački režim rada ( 0dE = , 0 90α< < )
Razmatranje rada usmjerivača treba početi za ispravljački režim rada. Valni oblici napona izvU , dU , te struje trošila dI za radno opterećenje R prikazani su na
slici 61. Parametri sklopa su 2 220izvu = ⋅ V 50f = Hz , kut okidanja 45α = , 5R = Ω 0L = (otporno trošilo). Iz slike se vidi da je napon na trošilu 0 V do
trenutka 1 2,5t ms= (vrijeme početka pozitivne poluperiode napona izvU ). U trenutku
1t dovodi se upravljački impuls na upravljačke elektrode tiristora 1T i 2T . Od trenutka
1t oba tiristora provode, struja dI protječe kroz radno opterećenje R i po obliku slijedi napon izvU do trenutka 2 10t ms= kada završava pozitivna poluperioda napona izvora. U trenutku 2 10t ms= struja dI pada na nulu, tiristori isključuju. U vremenskom intervalu od 2 10t ms= do 3 12,5t ms= ne vodi niti jedan tiristor. U trenutku 3t dovodi se upravljački impulsi na drugi par tiristora 3T i 4T koji okidaju i vode u periodu od 3 12,5t ms= do 4 20t ms= .
72
Slika 61. Valni oblici napona izvU , dU , te struje trošila dI za radno opterećenje i za
45α =
Za izračun struja i napona usmjerivača u ispravljačkom režimu rada za kuteve upravljanja 0 180α< < vrijede iste relacije kao i za poluupravljivi mosni ispravljač (relacije 36 – 40).
Na slici 62 prikazani su valni oblici napona dU i struje trošila dI nakon
prijelazne pojave u ispravljačkom režimu rada usmjerivača. Usmjerivač je opterećen pretežno induktivnim teretom 1R = Ω , 100L = mH , kut upravljanja je 45α = . Ako se analizira slika 62, vidi se da je vrijeme vođenja tiristora 1T i 2T produljeno i za vrijeme trajanja negativne poluperiode napona izvu , te traje od trenutka 1t (kada se dovode upravljački impulsi na upravljačke elektrode tiristora 1T i 2T ) do trenutka 2t . U trenutku 2t dovodi se upravljački impulsi na drugi par tiristora, 3T i 4T koji okidaju i vode u periodu od 2t do 3t . Srednja vrijednost napona dU je pozitivna i pada na nulu kod kuta upravljanja 90α = , tako da vrijedi relacija:
0 cosd dU U α= (53) gdje je: 0dU - srednja vrijednost izlaznog napona pri 0α =
73
Slika 62. Valni oblici izvU , dU , dI za induktivno opterećenje usmjerivača za 45α =
6.1.2.2. Izmjenjivački režim rada ( d izvE U> , 90 180α< < ) Na slici 63 prikazani su valni oblici napona izvU , dU i struje trošila dI nakon
prijelazne pojave u izmjenjivačkom režimu rada usmjerivača kada je uključen istosmjerni izvor dE . Usmjerivač je opterećen pretežno induktivnim teretom 1R = Ω ,
100L = mH , kut upravljanja 135α = . Ako se analizira slika 63, vidi se da je vrijeme vođenja tiristora 1T i 2T traje od trenutka 1t (kada se dovode upravljački impulsi na upravljačke elektrode tiristora 1T i 2T ) do trenutka 2t . U trenutku 2t dovodi se upravljački impulsi na drugi par tiristora 3T i 4T koji okidaju i vode u periodu od 2t do 3t . Iz slike 63 je vidljivo da je srednja vrijednost napona dU negativna i maksimalna je za kut upravljanja 180α = (samo u idealnom slučaju) jer vrijedi relacija 53.
6.1.3. Upravljačka karakteristika usmjerivača
Upravljačka karakteristika usmjerivača je krivulja koja pokazuje odnos
normaliziranog napona na izlazu usmjerivača 0
d
d
UU
u ovisnosti od kuta upravljanja α .
74
Odnos 0
d
d
UU
nazivamo se faktorom upravljanja uF , tako da upravljačka karakteristika
predstavlja ovisnost faktora upravljanja uF od kuta upravljanja α. Na slici 64 se vidi upravljačka karakteristika usmjerivača za čisto induktivan
teret.
Slika 63. Valni oblici izvU , dU , dI za induktivno opterećenje usmjerivača za
135α =
Slika 64. Upravljačka karakteristika usmjerivača
75
Iz slike 64 se da zaključiti kako je srednja vrijednost izlaznog napona ( )d sredU
pozitivna i maksimalna pri kutu upravljanja 0α = , a vrijednost napona ( )d sredU
jednaka je nuli pri kutu upravljanja 90α = . Kad je kut upravljanja veći od 90°, srednja vrijednost napona izmjenjivača ( )d sredU je negativna i izmjenjivač vraća snagu u izmjeničnu mrežu, uz uvjet da je priključen izvor dE na istosmjernoj strani. 6.1.3.1. Faktor snage usmjerivača
Faktor snage usmjerivača može se definirati kao:
SP
=χ (54)
gdje je: S - prividna snaga izmjenižne mreže [VA] P - radna snaga izmjenične mreže [W]
Ako je cosP S θ= ⋅ gdje je kut θ faznog pomaka između struje i napona potrošača, faktor snage je jednak cosχ θ= .
Na slici 65 prikazana je ovisnost prividne, jalove i radne (aktivne) snage o
kutu upravljanja α .
Slika 65. Ovisnost radne i prividne snage o kutu upravljanja
U ispravljačkom režimu rada, radna snaga P je najveća pri kutu upravljanja
0α = , i smanjuje se kako se kut upravljanja bliži 90α = . Za kut 90α = radna snaga (aktivna snaga) jednaka je nuli. Prividna snaga S ostaje uvijek ista, kao i njezin
76
prvi harmonik 1S i ne ovise o kutu α . Jalova snaga Q raste pri povećanju kuta upravljanja α , te pri 90α = postiže svoj maksimum. U toj točki nema protoka radne snage s izmjenične na istosmjernu stranu i obratno. Povećava li se kut upravljanja, radna snaga P postaje negativna a jalova snaga Q pada. Negativna radna snaga znači da se snaga crpi iz istosmjernog izvora i vraća u izmjeničnu mrežu. Teoretski bi pri
180α = radna snaga P bila najveća, a jalova snaga Q pala na 0. U praksi kut od 180° je nemoguće postići jer postoji granični kut izmjenjivanja, kojeg se ne smije preći jer bi usmjerivač mogao naglo preći iz izmjenjivačkog u ispravljački režim rada – opasnost od uništenja tiristora.
6.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI 1. Za usmjerivač na slici 60 odrediti i nacrtati valni oblik napona te odrediti srednju vrijednost izlaznog napona ( )d sredU za slučaj kada je 0,60,90,120,180α = .
Pretpostaviti da su tiristori idealni. Napon izvora je 2 220izvu = ⋅ V 50f = Hz . Pretpostavite da je izlazna struja konstantna i jednaka 100dI = A . 6.3 SIMULACIJSKE VJEŽBE
Vježba 6.1 – Jednofazni mrežom vođeni usmjerivač
U ovoj vježbi se razmatra jednofazni mrežom vođeni usmjerivač (prikazan na slici 66) u ispravljačkom i izmjenjivačkom režimu rada. Ispravljački režim rada je kada se kut upravljanja tiristora postavi na 0 90α< < , a izmjenjivački za kuteve 90 180α< < (u realnom izmjenjivaču je max 170α ≈ jer tiristori nisu idealni kao u ovom sklopu). Kada se usmjerivač nalazi u ispravljačkom režimu rada trošilo se može modelirati kao kao RL trošilo bez aktivnog naponskog izvora na izlazu. Kada se usmjerivač nalazi u izmjenjivačkom režimu rada, potrebno je dodati aktivni naponski izvor E kao na slici 66. Energija aktivnog istosmjernog izvora se tada pretvara u izmjeničnu energiju i vraća u mrežu ukoliko je 90 180α< < . Da bi se jasno vidjela snaga i smjer toka energije, neposredno iza izmjeničnog izvora umetnut je watmetar koji mjeri iznos i smjer radne snage. Napon izvora je 2 220izvu = ⋅ V , 50f = Hz . Parametri napona Omogući su
1stepU = , 0stepT = . Naponski signal 180Pomak = V određuje fazni pomak između okidnih impulsa tiristora u sklopu, a napon Kut određuje kut upravljanja α . Naponski izvor 500E = V . Iznos otporno induktivnog trošila iznosi 2R = Ω ,
100L = mH . Alfa kontroler 1 generira okidne impulse za tiristore 1T i 2T , alfa kontroler 2 generira okidne impulse za tiristore 3T i 4T . Parametri alfa kontrolera su
50Frequency = Hz , _ 20Pulse width = . Parametar simulacije je _ 0,01Time step = ms .
77
Slika 66. Jednofazni mrežom vođeni usmjerivač Na slici 67 prikazani su valni oblici napona sklopa za kut upravljanja 90α = Grafikoni su poredani odozgo prema dole. Prvi grafikon predstavlja sinusni napon izvu i pravokutnu struju izvi na ulazu sklopa. Drugi grafikon prikazuje izlazni napon na izlazu sklopa dU i njegovu srednju vrijednost ( )dAVG U . Treći i četvrti grafikon pokazuju izlaznu stuju dI sklopa te snagu koju mjeri watmetar na ulazu sklopa W . Iz slike 67 je vidljivo da je srednja vrijednost izlaznog napona ( )dAVG U te snaga mjerena na ulazu u sklop približno jednaka nuli. Zadatak studenata je da za usmjerivač na slici 66 snime i nacrtataju slijedeće grafove za kuteve upravljanja usmjerivača 45α = , 135α = .
1) graf: izvu , izvi 2) graf dU , ( )dAVG U 3) graf: dI
4) graf: 1gateU , 2gateU
78
Slika 67. Valni oblici usmjerivača sa slike 66 za 90α =
Obratiti pažnju da se izvor E nalazi priključen samo ako se usmjerivač nalazi u izmjenjivačkom režimu rada.
Nadalje je potrebno odrediti srednju vrijednost napona na trošilu ( )dAVG U i srednju vrijednost radne snage mjerene na izmjeničnoj strani ( )AVG W za različite kutove upravljanja (okidanja) prema Tablici 6.1.
Kut okidanja
( )dAVG U ( )AVG W
0α = 30α = 60α = 90α =
120α = 150α = 175α =
Tablica 6.1.
79
Grafički prikazati rezultate mjerenja. Na temelju Tablice 6.1 nacrtati upravljačku karakteristiku, te ovisnost radne snage o kutu upravljanja. Pismeno obrazložiti sve dobivene rezultate mjerenja, valne oblike i grafičke prikaze.
Vježba 6.2 – Autonomni izmjenivač u sklopu DC/DCpretvarača Na slici 68 prikazan je jedan istosmjerno-istosmjerni pretvarač (DC-DC pretvarač) s galvanskim odvajanjem koji pretvara ulazni napon izvU u izlazni napon druge naponske razine dU . Pri tome napon dU može biti veći ili manji od napona
izvU , što ovisi o omjeru broja namotaja između primara i sekundara transformatora. Razlog zbog čega se ovaj istosmjerni pretvarač razmatra u poglavlju posvećenom izmjenjivačima je što je autonomni izmjenjivač sastavni dio ovog pretvarača. Pretvarač se naime sastoji od dva dijela. Prvi dio sačinjava jednofazni autonomni izmjenjivač koji pretvara istosmjerni napon u izmjenični napon pravokutnog oblika. Nakon što se izmjenični napon transformira pomoću transformatora sa srednjom točkom, ispravlja se pomoću jednofaznog neupravljivog ispravljača sa srednjom točkom. Jednofazni autonomni izmjenjivač je realiziran s dva IGBT tranzistora u push-pull spoju. Na baze IGBT tranzistora se dovode pravokutni impulsi frekvencije od 10 kHz. Trazistori naizmjenično prekapčaju i uzrokuju promjenu smjera primarne struje kroz primarne namote transformatora. Omjer broja namotaja primarnih i sekundarnih svitaka je / 5 /1p sN N = . Izmjenični impulsni pravokutni napon primara transformatora amplitude 300pU = V se smanjuje na impulsni pravokutni napon sekundara amplitude 60sdU = V , koji se nadalje pretvara u istosmjerni napon pomoću punovalnog ispravljača realiziranog sa 2 diode i LC filtrom. Napon izvora je 300izvU = V . Naponi 1mU = V i 2,5refU = V . Pilasti napon
pilaU ima iznos amplitude 5ppU = V i frekvencije 10f = kHz . Limiter LIM ograničava na maksimalni napon max 2,5U = V . Parametri transformatora Trafo s dva primarna i dva sekundarna namota su 1p sR R= = mΩ , 0,1p sL L= = mH ,
/ 5 /1p sN N = . Parametri filtera i trošila su 0,5L = mH ; 5R = Ω ; 50C = Fµ . Parametar simulacije _ 0,2Time step sµ= .
80
Slika 68. DC/DC pretvarač s galvanskim odvajanjem
Na slici 69 prikazani su valni oblici napona sklopa na slici 68 na grafikonima poredanim odozgo prema dole. Prvi grafikon prikazuje tri napona: pilasti napon pilaU , te napone koji se dovode na minus ulaze obaju komparatora 1cU i 2cU . Drugi grafikon prikazuje napone 1gU i 2gU koji se dovode na upravljačke elektrode IGBT tranzistora. Treći grafikon prikazuje napon polunamota sekundara transformatora sU , a četvrti grafikon prikazuje napon ispravljačke diode sdU , te izlazni napon na trošilu
dU . Zadatak studenata je simulirati rad sklopa i snimiti slijedeće valne oblike:
1) graf: 1cU , 2cU , pilaU 2) graf: 1gU , 2gU 3) graf: sU 4) graf: sdU , dU
Zadatak vježbe je mijenjati napon mU prema Tablici 6.2. i izmjeriti 1gatet (trajanje impulsa na vratima tranzistora 1IGBT ) te izlazni napon dU nakon prijelaznog perioda od 1ms . Napon 2,5refU V= . Objasniti dobivene rezultate.
81
Slika 69. Valni oblici DC-DC pretvarača s galvanskim odvajanjem
mU 1gatet dU 0,5V 1V
1,5V 2V
Tablica 6.2
Nadalje, potrebno je mijenjati napon refU prema Tablici 6.3 i izmjeriti 1gatet na
1IGBT i 2gatet na 2IGBT . Napon 1mU V= . U kojim slučajevima sklop radi stabilno ? Pismeno obrazložiti rezultate mjerenja u Tablici 6.2 i 6.3
refU 1gatet 2gatet 1,5V 2V
3,5V
Tablica 6.3
82
Vježba 6.3 – Trofazni autonomni PWM izmjenjivač
Na slici 70 prikazan je trofazni autonomni izmjenjivač koji radi na načelu
pulsno širinske modulacije (PWM - puls width modulation) i koji se može opisati na slijedeći način.
Trofazni sinusoidalni napon rstu se pomoću dvaju komparatora uspoređuje sa
trokutastim naponom 1500carru Hz= , te se na njihovom izlazu generiraju pravokutni signali sinusoidalno modulirane širine impulsa koji upravljaju preklapanjem 6 MOSFET tranzistora. Trazistori 1S i 4S naizmjenično prekapčaju i generiraju pravokutni pulsno širinski modulirani napon ru amplitude 450 V. Na sličan način tranzistori 2S , 3S i 5S , 6S generiraju napone su i tu . Naponi ru su i tu su fazno međusobno pomaknuti za 120 . Takovi naponi generiraju približno sinusoidalne struje kroz RL trošilo. Napon izvora je istosmjeran i iznosa 450izvU = V . Napon 0,9rstu = V , frekvencije 50f = Hz . Trokutasti napon carru ima iznos amplitude 2ppU = V , frekvencije 1500f = Hz , 1offsetDC = − V , _ 0,5Duty cycle = . Parametri trošila su
4optL = mH , 0,1optR = Ω . Parametri simulacije su _ 1Time step = sµ , _ 100Total time = ms .
Slika 70. Trofazni PWM autonomni izmjenjivač
83
Na slici 71 prikazani su valni oblici napona sklopa na grafikonima poredanim odozgo prema dole. Prvi grafikon prikazuje sinusni napon ( )r refu i pilasti napon carru koji se kompariraju na gornjem operacijskom pojačalu. Rezultat komparacije ovih dvaju napona daje napon 14gateU koji se preko pobudnih stupnjeva dovodi na vrata
MOSFET tranzistora 1S i 4S . Donji grafikon prikazuje pravokutni napon faze ru i sinusoidalnu struju faze ri koja je fazno pomaknuta u odnosu na napon faze za kut
74Θ ≈ .
Slika 71. Valni oblici trofaznog PWM autonomnog izmjenjivača
Zadatak koji trebaju izvršiti studenti na vježbama je simulirati rad sklopa na slici 70 i snimiti slijedeće valne oblike:
1) graf: carru , ( )r refu , ( )s refu , ( )t refu 2) graf: 14gateU 3) graf: 25gateU 4) graf: 36gateU 5) graf: ru , ri 6) graf: su , si 7) graf: tu , ti
Obrazložiti rad sklopa na temelju dobivenih valnih oblika. Nadalje je potrebno promatrati valne oblike napona carru za: 1 500carrf = Hz , 2 1500carrf = Hz i
84
3 3000carrf = Hz . Pismeno obrazložiti razlike u valnim oblicima napona i struje trošila?
Slijedeći zadatak je da se načini novi simulacijski sklop na način da se izmjenjivaču sa slike 70 izbaci trošilo optRL i umjesto njega priključi trofazni 6-polni asinkroni motor opterećem konstantnim momentom tereta od 40 Nm. Parametri 6-polnog asinkronog motora su 0,294sR = Ω ; 1,39sL = mH ; 0,156rotR = Ω ;
0,74rotL = mH ; 41mL = mH ; 0, 2inertiaM = 2kgm . Napon izvora iznosi 500izvU = V . Parametri simulacije su _ 10Time step sµ= , _ 0,5Total time s= .
Ovakav pogon je karakterističan za primjerice liftove. Slika 72 prikazuje trofaznoi 6-polni asinkroni motor opterećen konstantnim momentom tereta od 40 Nm, koji na sebi ima priključen senzor broja okretaja.
Slika 72. Trofazni asinkronim motor opterećen konstantnim momentom tereta
Potrebno je simulirati rad sklopa i snimiti valne oblike struje ri , si , ti te brzinu motora rpm za dvije frekvencija napona 1 50carru Hz= i 2 60carru Hz= . Kako se mijenjaju valni oblici kad se promjeni moment tereta s 40 na 80 Nm ? Izmjeriti vrijeme zaleta motora za oba slučaja?
85
7. IZMJENIČNI PRETVARAČI I REGULATORI
NAPONA 7.1 UVOD Izmjenični pretvarači su uređaji energetske elektronike čija je namjena pretvorba izmjenične energije jednih parametara u izmjeničnu električnu energiju drugih parametara. Ukoliko izmjenični pretvarači reguliraju samo izlazni napon električne energije, a time i izlaznu izmjeničnu snagu, govorimo o regulatorima napona. Ukoliko pak pretvaraju neke druge parametre, kao primjerice frekvenciju struje, govorimo o izmjeničnim pretvaračima. U praksi izmjenični pretvarači istodobno pretvaraju više parametara električne energije, primjerice pretvarači frekvencije koji reguliraju broj okretaja asinkronih ili sinkronih izmjeničnih motora su istodobno regulatori napona i pretvarači frekvencije.
Kao primjer regulatora napona bit će teoretski razmatran pretvarač s triakom koji se tipično primjenjuje u regulaciji jačine rasvjete i grijanja. Primjena triaka u upravljanju snage trošila jedna je od njegovih najvažnijih funkcija. Najčešći i najučinkovitiji način ovog upravljanja je fazno upravljanje.
Kod faznog upravljanja pomoću triaka, snaga izmjenične struje propušta se na
trošilo u određenim dijelovima periode izmjenične struje. Na ovaj način triak isključuje trošilo iz strujnog kruga određeni dio pozitivne i negativne poluperiode. U trenutku okidanja, triak prelazi u stanje vođenja, te uključuje strujni krug. Strujni krug ostaje uključen za vrijeme trajanja preostalog dijela pozitivne ili negativne poluperiode bez obzira na prisutnost napona na upravljačkim vratima trijaka. U stanju vođenja, struja kroz triak ograničena je isključivo vanjskim elementima kruga, tj. opterećenjem koje je priključeno na mrežu napajanja. Na slici 73 prikazan je način faznog upravljanja triakom. Kut upravljanja, koji se često naziva i kutem kašnjenja αd (kut okidanja ili kut upravljanja), je kut za kojega triak ne propušta napon mreže na trošilo. Za kuta vođenja trijaka αc napon trošila jednak je naponu izvora.
Slika 73. Princip faznog upravljanja triacom
86
Na slici 74 prikazan je jedan sklop za fazno upravljanje snagom grijača s realnim elementima koji će se nadalje podrobno razmatrati.
R2
R1
R4
R5
R3
RH
2 kΩ
0÷500 kΩ
20 kΩ
17 Ω
20 kΩ
50 Ω
D3
D4
D1
C
uC
D2
BA GP157
0,18 µF
BA GP157
BA GP157
BA GP157
1N57558a
2N5446 220 V50 Hz
unTrDi
A1
G
A2
unn
Ru
Slika 74. Sklop za fazno upravljanje snagom grijača pomoću triaka
Dio sklopa za okidanje triaka čine otpornici R1 ÷ R5, kondenzator C, diode D1 - D4 i diak Di. Uvjet da bi triak proveo je da napon između njegovih izvoda G i A1 dosegne pobudni napon UGT, kao i da struja upravljačke elektrode G dosegne vrijednost pobudne struje IGT. No, kako je u krugu upravljačke elektrode triaka spojen diak Di, potrebno je da najprije provede diak. Dijak provede kada napon na njegovim izvodima dosegne napon praga provođenja US. U periodu kada nije dosegnut napon US, kroz diak teče samo mala struja zasićenja IS. Ista struja teče i kroz otpornik R5 (stvarajući na njemu pad napona 55
RIU SR = ), te kroz dio G–A1 triaka. Iz tog razloga prije provođenja nije niti napon na upravljačkoj elektrodi triaka GDU jednak nuli, već ima određeni iznos manji od pobudnog napona trijaka GTGD UU < . Otpornik R5 je zaštitni otpornik, tj. njegova je uloga ograničenje struje kroz diak i upravljačku elektrodu triaka.
Uvijet za provođenje diaca Di ispunjen je kad napon na kondenzatoru C dosegne
vrijednost 5C CT S S GDu U I R U U= = ⋅ + + . Primjerice realni diak 1N57588a ima električne parametre VU S 20= , AIS
5105,2 −⋅= , dok je napon VUGD 78,0≅ . Stoga se može napisati:
32,5 10 17 20 0,78 20,78CTU −= ⋅ ⋅ + + = V (55)
Na slici 76. prikazan je tok struja u sklopu za slučaj kad napon na kondenzatoru C
još nije dostigao vrijednost UCT, tj. uC < UCT, i to za pozitivnu poluperiodu napona napajanja un.
87
2 kΩ
0÷500 kΩ
20 kΩ
17 Ω
20 kΩ
D3
D4
D1
C uC
ic=iRu
D2
BA GP157
0,18 µF
BA GP157
BA GP157
BA GP157
1N57558a
2N5446 220 V50 Hz
TrDi
A1
G
A2
UR5
+
+-
-
X Y
I IX R=3
U UX D=2
RH
50 Ωuss
u I R U U VCT S S GD = + + 20,785 ≅
u < UC CT
t
R2
R1
R4
R5
R3
un
unn
Ru
UV
GD
≅ 0,78
U VS =20 = *=25 *17=425
I RA
V
S 5
µ Ωµ
Slika 76. Tijek struja u sklopu za slučaj uC < UCT, za pozitivnu poluperiodu napona un
Neka je u trenutku t = 0 kondenzator C prazan, tj. uC (0) = 0 V, i neka je u tom trenutku vrijednost izmjeničnog napona napajanja un (0) = 0 V. Porastom mrežnog napona un (pozitivna poluperioda) zatvaraju se dva strujna kruga: jedan kojim struja teče preko RH (trošilo), R2, R1 i C; i drugi kojim struja teče preko RH, R3 i D2. Strujni krug ne može se zatvoriti ni preko D3, ni preko D4, jer su obje diode nepropusno polarizirane. Uz zanemarivu pogrešku smatrat će se da je pad napona na diodi u stanju vođenja konstantan, tako da je u ovom slučaju napon u točki X jednak padu napona na diodi D2: VUU DX 7,0
2== . U tom slučaju dioda D1 propusno je polarizirana samo
u trenutku kad je uC = 0 V. Punjenjem kondenzatora, odnosno porastom napona uC iznad 0 V, i dioda D1 postaje nepropusno polarizirana. Kako je uC = 0 V samo u trenutku t = 0, to se može smatrati da je D1 praktički čitavo vrijeme nepropusno polarizirana dok je uC < UCT , odnosno kroz nju ne teče nikakva struja. Dioda D2 osigurava da se kondenzator C ne može nabijati za vrijeme pozitivne poluperiode mrežnog napona preko diode D1. Diode D3 i D4 su nepropusno polarizirane i niti jedna od dioda nema utjecaja na proces nabijanja kondenzatora C. Tijek struja u sklopu nakon provođenja triaka prikazan je na slici 77. Na slici se vidi da se kondenzator C prazni preko tri strujna kruga: preko otpornika
21 RRRu += i triaca Tr (dok je uC > UT); preko diode D3, otpornika R4 i triaka Tr (dok je uC > UD+UT); te preko otpornika R5, diaca Di, i diode G–A1 triaca Tr (dok je uC > UFG = 0,25 V). Slično razmatranje može se provesti za negativnu poluperiodu mrežnog napona.
88
2 kΩ
0÷500 kΩ
20 kΩ
17 Ω
20 kΩ
D3
D4
D1
C uC
ic
D2
BA GP157
0,18 µF
BA GP157
BA GP157
BA GP157
1N57558a
2N5446 220 V50 Hz
unTrDi
A1
G
A2
UFG
= V0,25
U VFDi ≅ 0uR5
= - ( += ,25
u U UV
C FDi FG) - 0 uC
+
-
X
Z
Y
i iY R=4
iG
iH
iT
iRu
iRR+iR4
+-
RH
50 Ω
unn= =0,035U VT
uss
UT
t
R2
R1
R4
R5
R3
Ru
Slika 77. Tijek struja za pozitivnu poluperiodu napona un nakon provođenja triaca Pri upravljanju pomoću diaka i triaka javlja se u sklopu određena histereza, tj. nakon isključenja triaka (kut αc = 180°), kut ponovnog okidanje triaka αd se mijenja i više ne odgovara kutu koji je postavljen pomoću promjenljivog otpornika R1. Kako bi se to izbjeglo, uporabljene su diode D1 - D4, čime se osigurava potpuno pražnjenje kondenzatora C. Na taj način je znatno smanjena (praktički uklonjena) histereza, odnosno omogućeno upravljanje snage praktički od nule do maksimuma.
Prije nego se nastavi sa razmatranjem snage, potrebno se potsjetiti osnovnih definicija snage. Trenutna vrijednost snage ( )p t p= dana je umnoškom trenutnih vrijednosti napona ( )u t u= i struje ( )i t i= :
p = u ⋅ i (56)
dok je srednja vrijednost snage P dana izrazom:
∫ ⋅=T
0
d1 tiuT
P (57)
S obzirom da se ovdje radi o sinusnom valnom obliku (simetrične poluperiode),
jednaku srednju vrijednost snage daje i slijedeći izraz:
∫ ⋅=
2T
0
d2 tiuT
P (58)
Kod fazne regulacije, struja kroz trošilo ne teče od početka poluperiode (uz
zanemarenu struju iC koja kroz RH teče dok je triak blokiran), tako da se mijenja donja
89
granica integriranja u izrazu (58) koja sada nije više t = 0 , već t = tT. Sada se može napisati izraz za snagu:
∫ ⋅=
2
d2 T
tH
T
tiuT
P (59)
S obzirom da je trošilo HR omsko (grijač), struja i napon su u fazi. Uz mrežni
napon ( ) ( )tUtuu mn ω== sin , bit će ( ) ( ) ( )tRUtItii
H
mmn ω=ω== sinsin , tako da izraz
(59) prelazi u:
( ) ( )∫∫ ω=ω=
22
222
2
dtsin2dtsin2 T
tH
mT
t H
mH
TT
tRU
Tt
RU
TP (60)
Integral na desnoj strani (60) rješava se s pomoću supstitucije
( ) ( )[ ]tt ω−=ω 2cos121sin 2 :
( ) [ ] ( )
ω
ω−=
ω−= ∫∫
22
2222
2sin211d2cosd1
T
t
Tt
H
mT
t
T
tH
mH
T
T
TT
ttRU
Tttt
RU
TP
( ) ( )( )
ω−π
ω−
−= TT
H
mH ttT
RU
TP 2sin2sin
21
21 2
( )
ωω
+−=22sin
21 2
TT
H
mH
ttTRU
TP
( )
πω
+−=42sin
212
TT
H
mH
tTt
RUP (61)
Ukoliko se želi snagu na trošilu računati pomoću kuta upravljanja αd izraženog u
radijanima, potrebno je u (61) uvrstiti supstituciju [ ]
πα
=2
raddT Tt , tako da će biti:
[ ] [ ]( )
π
α+
πα
−=4
2sin22
1 radrad2
dd
H
mH R
UP (62)
Ako se želi računati s kutom upravljanja αd izraženim u stupnjevima, izraz glasi:
[ ] [ ]( )
πα
+°
α−= °°
42sin
360212
dd
H
mH R
UP (63)
90
Maksimalna snaga na trošilu postiže se za kut kašnjenja αd = 0° (kut vođenja αc = 180°) i tada uzimajući u obzir vrijednost komponenata sklopa prema (63):
( ) ( ) WVRU
RUP
H
m
H
mH 968
502202
21
21
40sin
3600
21
222
=Ω
⋅==
π
°+
°°
−=
Kao zaključak uvodnog dijela može se izreći da ovdje prikazano fazno
upravljanje, osim dobrih osobina, ima i svojih nedostataka. Jedan od glavnih nedostataka faznog upravljanja triakom je stvaranje elektromagnetskih smetnji. Svaki put kada triak uključi trošilo, struja trošila naglo raste od nule do maksimalne vrijednosti ograničene otporom trošila. Nastala nagla promjena di/dt stvara širok spektar električnih smetnji koji zračenjem mogu ometati rad okolnih elektroničkih uređaja, ako se ne primjene odgovarajuće metode zaštite. Kada se radi o regulaciji snage grijača, ovaj nedostatak mogao bi se izbjeći i na taj način da se triak uključuje pri prolasku mrežnog napona kroz nulu. Snagom trošila može se upravljati pomoću omjera broja cijelih perioda vođenja, odnosno nevođenja triaka. No, ovakva izvedba zahtijeva dosta složeniji sklop od ovdje uporabljenog. 7.2 PRIPREMNA PITANJA I ZADACI: 1. Za sklop na slici 74 odrediti srednju snagu HP na radnom trošilu 5HR = Ω ako je
2 220 , 50izvu V f= ⋅ = Hz i 0,60,90,120,180dα = . Nacrtati valne oblike napona na trošilu za odgovarajuće kuteve upravljanja. 7.3 LABORATORIJSKE VJEŽBE:
Vježba 7.1 – Izmjenični regulator napona
Na slici 78 prikazan je pretvarač napona realiziran uz pomoć trijaka. Podešavanjem potenciometra 2R moguće je regulirati efektivnu vrijednost napona na trošilu hR .
Napon izvora je 2 220izvu = ⋅ V , 50f = Hz . Otpori 10hR = Ω ; 1 100R = Ω ; 10gR = Ω a kondenzator 20C = Fµ . Reostat 2R može mijenjati otpor u rasponu
0 6− KΩ što se regulira parametrom _ 0 1Tap position = − (položaj klizača). Preklopni napon diaka je 15diacU = V . Parametri simulacije su _ 10Time step sµ= ,
_ 60Total time ms= . Na slici 79 prikazani su valni oblici napona i struja u sklopu na slici 78 uz
_ 0,5Tap position = .
91
Slika 78. Izmjenični regulator napona
Slika 79. Valni oblici napona i struja u sklopu na slici 78
92
Iz grafikona na slici 79 vidi se da su kutevi kašnjenja uklapanja trijaka (kut okidanja) dα i kut vođenja triaka cα jednaki i iznose 90d cα α= = za pozitivnu periodu. Isto vrijedi i za negativnu. Efektivna vrijednost struje kroz trošilo je
( ) 15,51eff rhI = A . Poznavajući kut dα moguće je izračunati snagu grijača HP prema formuli (63).
Zadatak studenata je simulirati rad sklopa i snimiti slijedeće valne oblike:
1) graf: izvU , tU 2) graf: izv tU U− napon na trošilu hR
2) graf: cU , gU 3) ( )rhI - struja kroz trošilo hR
4) cU 5) gU
Kut upravljanja triaka mijenja se promjenom otpora 2R kako je prikazano u Tablici 7.1. Nacrtati snimljene oscilograme i prikazati pripadne efektivne vrijednost struje trošila ( )eff rhI te snage disipacije na trošilu za pojedine kutove upravljanja αd, odnosno kutove vođenja triaca αc = 180° – αd. Nacrtati graf ( )H dP f α= .
R2 [Tap] kut upravljanja αd [°]
Kut vođenja αc [°]
( )eff rhI PH [W] postotak od PHMAX [%]
0,5 1 2 3 4 5 6
Tablica 7.1 Kutovi upravljanja αd, kutovi vođenja αc, i pripadne snage disipacije
Vježba 7.2 – Izmjenični pretvarač opterećen asinkronim motorom Na slici 80 prikazan je izmjenično-izmjenični pretvarač koji se satoji od dva dijela. Prvi dio je trofazni neupravljivi ispravljač u mosnom spoju s LC filterom koji ispravlja izmjenični napon izvora izvu konstantne frekvencije u istosmjerni napon dcU . Drugi dio pretvarača je trofazni autonomni izmjenjivač koji koristi PWM modulaciju i detaljno je razmatran u vježbi 6. Ovaj tip pretvarača se često koristi na brodu za regulaciju brzine vrtnje asinkronog motora. Ovaj pretvarač se sastoji od ispravljača i izmjenjivača - pretvarača koje smo izučavali u prethodnim vježbama. Pretvaraču na slici 80 može se podesiti željena frekvencija faznih struja elektromotora, a time i broj okretaja podešavanjem frekvencije upravljačkog signala
93
refu . Također, ukoliko se umjesto neupravljivog ispravljača koristi upravljiv ispravljač, moguće je podešavati i napon dcU , a time i izlazne struje motora ri , si i ti . Amplituda izlaznih struja direktno utiče na moment motora što omogućava upravljanje momentom motora.
Slika 80. Izmjenično-izmjenični pretvarač
Napon izvora u sklopu je 600izvu = V , frekvencija 60f = Hz . Naponi
0,9refu = V , 50f = Hz . Induktivnost 1L = mH , a kapacitet 500C = Fµ . Trokutasti napon carru ima iznos amplitude 2ppU = V , frekvencije 1500f = Hz ,
1offsetDC = − V , _ 0,5Duty cycle = . Parametri 6-polnog asinkronog motora su 0,294sR = Ω ; 1,39sL = mH ; 0,156rotR = Ω ; 0,74rotL = mH ; 41mL = mH ;
0, 4inertiaM = 2kgm . Motor je opterećen konstantnim momentom opterećenja 64tM = Nm , te momentom inercije 0, 4iM = 2kgm . Parametri simulacije su _ 10Time step = sµ , _ 0,5Total time = s .
Na slici 81 prikazani su valni oblici sklopa na slici 80. Grafikoni poređani odozgo prema dolje prikazuju napone izvora izvu , napon na izlazu ispravljača dcU , zatim struje faza motora ri , si i ti . Struje motora su posljedica PMW napona kojeg generiraju tranzistori 1IGBT - 6IGBT , a koji su detaljno prikazani na slici 71. Predzadnji i zadnji grafikoni na slici 80 prikazuju promjenu broja okretaja rpm i momenta motora tM .
94
Slika 80. Izmjenično-izmjenični pretvarač sa slike 81
Potrebno je simulirati rad sklopa i snimiti slijedeće valne oblike:
1) graf: izvu , 2) graf: dcU 3) graf: ri , si , ti 3) graf: rpm
4) graf tM - brzina i moment tereta motora Uz napon izvora 600izvu = V , povećavati moment tereta motora i odrediti moment tereta tM kada nije više moguć zalet motora. Na taj način je moguće odrediti i početni potezni moment motora, jer je uvijet zaletanja motora m tM M> . Nadalje postaviti 200tM = Nm i povećavati ulazni napon izvu dok se ne postigne zaletanje motora. Odrediti struje ri , si i ti te vrijeme zaleta zt u prvom i u drugom slučaju. Nadalje postaviti 64tM = Nm , te mijenjati moment inercije motora
1 0, 2inertiaM = 2kgm i 2 0,6inertiaM = 2kgm . Usporediti razliku u vremenu zt za prvi i
95
drugi slučaj. Kako se mijenja brzina motora ako se frekvencija napona refU mijenja sa
1 60f = Hz na 2 50f = Hz ?
Vježba 7.3 - Ciklopretvarač Poslijednja vježba iz područja izmjenično-izmjeničnih pretvarača posvećena je ciklokonvertorima – uređajima koji se koriste za upravljanje brzinom vrtnje najjačih elektromotornih pogona (primjerice sinkronih elektromotora snaga reda veličine nekoliko desetaka MW za propulziju velikih putničkih brodova). Naime, brzina vrtnje izmjeničnih motora direktno ovisi o frekvenciji izmjenično napona na stezaljkama motora. Ciklokonverter je izmjenično–izmjenični pretvarač koji iz trofaznog izmjeničnog napona sintetizira kvazi sinusoidalni izmjenični napon niže frekvencije. Frekvencija izlaznog napona koji se dovodi na motor regulira se podešavanjem kuta upravljanja tiristora. Ciklokonvertor se sastoji od velikog broja tiristora ( 6 tiristora po fazi, što daje ukupno 18 tiristora). Sklopovi za upravljanje ovolikim brojem tiristora ciklokonvertora su vrlo kompleksni.
Na slici 81 prikazana je električna shema ciklokonvertora. Jedna faza ciklokonvertora sastoji se od dva trofazna mosta koja su prikazana kao „bridge A“ i „bridge B“. Oba mosta mogu raditi u izmjenjivačkom i ispravljačkom režimu radu pa prema tome mogu generirati i pozitivan i negativan napon na zavojnici motora. Naravno, svaki od mostova propušta struju samo u jednom smjeru (smjer struje diktiraju tiristori u mostovima). Na slici 82 prikazani su valni oblici napona i struje jedne faze na izlazu iz ciklopretvarača koja se dovodi na jednu od tri zavojnice motora. Vidljivo je da izlazni napon sliči sinusoidalnom valnom obliku pa možemo reći da je «kvazisinusnog» oblika i da je nastao sintetiziranjem odnosno «kombiniranjem» anvelopa trofaznog ulaznog napona. Struja kroz zavojnicu nije toliko nazubljena radi induktivnosti zavojnice. Takođe su na slici vidljivi periodi invertorskog i ispravljačkog režima rada mostova A i B.
U ovoj će se vježbi opisati način rada sklopa za generiranje napona samo jedne faze ciklokonvertora. Upravljanje ostalih tiristora u drugim fazama je slično, jer su valni oblici sinusnih napona ostalih faza identični ali i međusobno pomaknuti za 120 . Na slici 83 prikazan je ciklokonvertorski sklop za generiranje jedne faze kvaz-sinusnusoidalnog napona za napajanje jednog statorskog namota asinkronog ili sinkronog izmjeničnog motora. S obzirom da izmjenični motori imaju 3 statorska namota, potrebna su tri ovakva sklopa koji generiraju tri kvazi-sinusoidalna napona pomaknuta u fazi za 120 .
Rad sklopa se može opisati na slijedeći način. Referentni naponski izvor refu određuje frekvenciju izlaznog napona du tako da upravljaju alfa kontrolerima koji generiraju kutove upravljanja za mostove 1DM i 2DM . Dva punoupravljiva tiristorska mosta 1DM i 2DM mogu generirati pozitivan ili negativan napon napajanja du na zavojnici elektromotora ovisno o kutu upravljanja koje generiraju
96
alfa-kontroleri 1alfaU i 2alfaU . S obzirom da napon i struja potrošaća RL ne moraju biti u fazi, potrebno je da strujni transformator snima izlaznu struju trošila di i uključuje mostove 1DM i 2DM ovisno o trenutnom smjeru struje (most 1DM generira pozitivnu struju trošila, a most 2DM generira negativnu struju trošila).
Slika 81. Ciklokonvertor
Slika 82. Vremenski dijagrami napona i struje jedne faze ciklopretvarača
97
Napon izvora je 3 2 220izvu = ⋅ ⋅ V , frekvencije 50f = Hz . Induktivnost
pos negL L= = 3 4 1L L= = mH . Parametri transformatora su 0,1_mL H= 1p sR R= = mΩ , 10p sL L= = Hµ ,. Trošilo 1RL = Ω ,10 mH . Parametri
alfakontrolera 1ACTRL i 2ACTRL su 60frequency = Hz , _ 80pulse with = . Pojasni filter signala napona izvora je podešen na _ 60center frequency = Hz ,
20passing_band = Hz . Pojasni filter signala struje trošila di je podešen na _ 10center frequency = Hz , 10passing_band = Hz . Naponi 0,8refu = V ,
10f = Hz , _ 90Phase angle = . Napon koji određuje fazni pomak je 180Pomak = V . Parametri simulacije su _ 50Time step sµ= , _ 400Total time ms= ,
Print_time = 50ms , Print_step = 2 .
Slika 83. Sklop za generiranje jedne faze ciklopretvarača
Na slici 83 prikazani su valni oblici sklopa na slici 82. Grafikoni poređani odozgo prema dolje prikazuju napone izvora ru , su i tu . Drugi grafikon prikazuje sinusoidalni signal frekvencije 10f = Hz koji je fazno pomaknut za 90 i koji određuje frekvenciju izlaznog napona ciklopretvarača. Funkcijski sklop 1cos− vrši pretvorbu naponskog signala u kutove upravljanja koji se dovode na ulaze alfa kontrolera 1ACTRL i 2ACTRL , koji zatim upravljaju tiristorskim mostovima 1DM i
2DM . Poslijednja dva grafikona prikazuju izlazni napon du i struju kroz trošilo ( )RLi
koja je fazno pomaknuta za naponom du za 22 .
98
Slika 83. Valni oblici napona i struja sa slike 82
Zadatak studenata je simulirati rad sklopa i snimiti slijedeće valne oblike:
1) graf: ru , su , tu , du
2) graf: refu 3) graf: 1kut , 2kut - kutevi upravljanja alfa-kontrolera 4) graf: du , ( )RLi
Objasniti kako se mijenjaju valni oblici ako se frekvencija napona refU promjeni na 1 5f = Hz i 2 15f = Hz (pri tome je istodobno promijeniti parametar pojasnog filtera signala struje trošila _center frequency )? Vratiti frekvenciju napona refu na 10f = Hz te postaviti 1RL = Ω , 1 mH na pretežno omsko opterećenje. Pismeno obrazložiti dobivene valne oblike. Odrediti u kojem točno periodima mostovi 1DM i 2DM rade u ispravljačkom i izmjenjivačkom režimu rada?
99
8. LITERATURA: [1] T. Brodić, Osnove energetske elektronike I dio – Poluvodički energetski ventili, Školska knjiga, Zagreb, 2002. [2] G. Kassakian, F. Shelecht, C. Verghese, Osnove energetske elektronike I dio – Topologije i funkcije pretvarača, Graphis Zagreb, 2000. [5] D. Kezić, Energetska elektronika, Interna skripta, Pomorski fakultet sveučilišta u Splitu, 2006. [3] I. Kuzmanić, Brodska elektrotehnika i elektronika, Pomorski fakultet sveučilišta u Splitu, 2007. [4] N. Mohan, M. Underland, P. Robbins, Power electronics – Converters, Applications and Design, John Willey & Sons, 2000. [5]... PSIM User's Guide, Powersim Inc, 2003, www.powersimtech.com
