Energetska Elektronika - Skripta-predobro

Energetska elektronika 1

ENERGETSKA ELEKTRONIKA ver. 1.

pripremio: Doc. dr. sc. Danko Kezić

1. UVOD

Definicija Energetska elektronike glasi: «Energetska elektronika je dio elektronike koji se koristi za pretvorbu parametara električne energije i za upravljanje tokom električne energije».

U gornjoj definiciji se javljaju dva ključna pojma: «elektronika» i «parametri

električne energije». Elektronika je grana znanosti i tehnike koja obuhvaća izučavanje i primjenu onih

pojava povezanih s gibanjem slobodnih elektrona i električki nabijenih čestica u vakuumu, plinovima, tekućinama i poluvodičima. Gibanja čestica se ostvaruje u komponentama elektroničkih uređaja. Dakle, ako neki sklop sadrži elektroničku komponentu, onda je to elektronički sklop i pripada grani znanosti koja se naziva elektronika. Parametri električke energije su: valni oblik napona, valni oblik struje, frekvencija i broj faza.

Sl. 1. Proizvodnja, prijenos, distribucija, razdioba i potrošnja električne energije Na slici 1 prikazana je blokovska shema na kojoj se vidi proces proizvodnje, prijenosa, distribucije i potrošnje električne energije na kopnu.


Proizvodnja električne energije počinje u indirektnom ili direktnom pretvaraču energije. Primarna energija uskladištena u ugljenu, nafti, vodi, izotopima ili suncu se u ovim pretvaračima pretvara u električnu energiju. Indirektni pretvarači generiraju električku energiju na način da se primarni oblik energije pretvori u mehaničku energiju, a potom se ta mehanička energija u generatoru pretvara u električnu. Primjer može biti potencijalna energija vode ili kemijska energija nafte, koja se prvo pretvara u mehaničku energiju u turbini ili dizel motoru, da bi se tek tada mehanička energija u generatoru pretvorila u električnu energiju. S druge pak strane direktni pretvarači izravno pretvaraju primarni oblik energije u električnu energiju. Primjer su solarni, paneli koji direktno pretvaraju energiju sunca u električnu energiju u poluvodičkim solarnim ćelijama. Napon generatora električne struje (indirektnog pretvarača energije) je nedovoljan za prijenos energije na velike udaljenosti. Stoga je potrebno napon generatora transformirati na veći napon (sa 10 kV na 400 kV izmjenične struje), i s tako visokim naponima dalekovodima prenositi električnu energiju na velike udaljenost. Na mjestu gdje se namjerava potrošiti električna energija, izmjenični napon se ponovo transformira na niže napone te distributivna mreža takovu energiju distribuira trošilima. To je normalni tijek električne energije. Uređaji energetske elektronike su sadržani u izmjeničnom generatoru (tiristorski ispravljači struju uzbude generatora), također u pretvaračima za pogon pojedinih trošila (regulatori brzine elektromotora, regulatori rasvjete i slično), te u dinamičkim kompenzatorima jalove snage koji se mogu javiti na strani potrošnje. U slučaju da na izmjeničnu mrežu želimo priključiti direktni pretvarač energije koji u pravilu generira istosmjernu električnu energiju, potrebno je koristiti još jedan uređaj energetske elektronike koji pretvara istosmjernu u izmjeničnu energiju, a koji se zove izmjenjivač ili invertor. Pored toga, u zadnje vrijeme se uređaji energetske elektronike koriste u prijenosu energije na velike udaljenosti ( vidi sliku 1 ). Pri tome se koriste veoma visoki istosmjerni naponi ( reda veličine 400 kV) radi manjih gubitaka. Izmjenična energija se pretvara u istosmjernu prije prijenosa na veliku udaljenost pomoću ispravljača, da bi se potom invertorima istosmjerna energija pretvorila u izmjeničnu. Ova konverzija se vrši pomoću poluvodičkih elemenata, dioda i tiristora. Do prije desetak godina je bilo nezamislivo da poluvodički elementi mogu podnositi tako velike napone i snage, no danas smo svjedoci proizvodnje novih, vrlo moćnih poluvodičkih elemenata. Uređaji energetske elektronike se na strani potrošnje električne energije koriste u regulaciji istosmjernih i izmjeničnih elektromotornih pogona, elektrotermiji (zagrijavanje visokofrekventnom električnom strujom ), elektokemiji ( galvanizacija ). Također se koriste za neprekinuto napajanje izmjeničnim i istosmjernim naponom. Uklapanju trošila ( softstart ), u sustavima klimatizacije, rasvjete, računalne opreme, dizalima i slično. Brojne su primjene na brodu i iz dana u dan su sve brojnije i brojnije. Primjer su


regulacija brzine vrtnje crpki, uređaj za stabilizaciju frekvencije izmjenične energije osovinskog generatora, pogon brodskih dizalica, punjači baterija i slično. 2. ELEKTRIČKA ENERGETSKA PRETVORBA Električka energetska pretvorba odvija se u uređajima energetske elektronike koji mijenjaju jedan ili više parametara električne energije bez značajnog gubitka snage uporabom elektroničkih komponenti. Elektronički pretvarači spajaju dva, po nekom od parametara električne energije, različita električka sustava. Funkcije pretvarača mogu se objasniti slikom 2.

Sl. 2. Funkcije pretvarača

Izmjenična i istosmjerna pretvorba može biti izravna ili neizravna. Ulazna istosmjerna ili izmjenična energija se u izravnim pretvaračima odmah pretvara u odgovarajući oblik energije na izlazu pretvarača. Kod neizravnog pretvaranja se vrši dvostruka pretvorba ulazne energije da bi se na kraju dobio željeni oblik energije. Izravni pretvarači koji pretvaraju izmjeničnu u istosmjernu energiju nazivaju se ispravljači (AC/DC pretvarači). Izravni pretvarači koji pretvaraju istosmjernu energiju ponovo u istosmjernu energiju ( ali promijenjenih električnih parametara, npr. napona ) nazivaju se istosmjerno- istosmjerni pretvarači ili DC /DC pretvarači. Izravni pretvarači koji pretvaraju istosmjernu energiju u izmjeničnu energiju nazivaju se izmjenjivači ili

ISTOSMJERNAPRETVORBA

IZRAVNA IZRAVNA

NEIZRAVNANEIZRAVNA

~ =

~ =

= ~

tok energije

ISPRAVLJANJE

IZMJENJIVANJE

ISTOSMJERNAPRETVORBA

IZMJENIČNA PRETVORBA

IZMJENIČNA PRETVORBA


invertori ) (DC /AC pretvarači). Izravni pretvarači koji pretvaraju izmjeničnu energiju u izmjeničnu energiju nazivaju se izmjenični pretvarači (AC /AC pretvarači). Izmjenično-izmjenična pretvorba se u neizravnom pretvaraču vrši tako da se prvo ispravljačem izmjenična struja pretvori u istosmjernu, a zatim istosmjerna struja u izmjeničnu. Također je moguće obaviti i istosmjerno-istosmjernu pretvorbu u neizravnom pretvaraču na način da se odgovarajući istosmjerni napon izmjenjivačem prvo pretvori u izmjenični, a zatim ispravljačem vrati u odgovarajući istosmjerni). Energetska elektronika ne izučava neizravne pretvarače koji se sastoje od motora i generatora, nego isključivo od poluvodičkih elemenata. Na slici 3 prikazan je cilj koji se želi postići električkim pretvaračem i način na koji je to moguće postići.

Sl. 3. Cilj i način ostvarivanja pretvorbe

Osnovni cilj je promijeniti određene parametre električnu energije. Na sl. 3a je prikazan primjer izmjeničnog ili istosmjernog napona na ulazu koji se pretvara u manji ili veći napon koji na izlazu iz pretvarača. Način ostvarenja cilja uporaba pretvarača koji je prikazan na sl. 3b, a koji se sastoji isključivo od kapacitivnih, magnetskih i sklopnih elemenata. Pored toga, pretvarač koristi senzore koji mu omogućavaju da nadgleda


parametre električne energije na ulazu i izlazu, te u slučaju bilo kakovih iznenadnih promjena, korigira svoj rad. Elektronički energetski pretvarač može se definirati kao operativna jedinica za elektroničku energetsku pretvorbu koja sadrži jedan ili više elektroničkih ventila, te transformatore, kondenzatore, filtere i upravljačke sklopove, te ako je potrebno i ostale pomoćne sklopove ako ih ima. Struktura elektroničkog energetskog pretvarača prikazana je na slici 3a.

Sl 3a. Struktura pretvarača Pretvarač na slici 3a mijenja električne parametre sustava A u odgovarajuće parametre sustava B. Informacijski dio se sastoji od sklopova analogne i digitalne elektronike. Zadatak informacijskog dijela je da pomoću senzora skuplja odgovarajuće informacije iz sustava A i sustava B, te na temelju tih podataka i informacije o željenim izlaznim veličinama pretvarača, upravlja energetskim dijelom pretvarača. Kao primjer prikažimo strukturu elektroničkog energetskog pretvarača za napajanje istosmjernog motora (vidi sliku 3b).

Sustav AU1, I1, f1, P1

Sustav BU2, I2, f2, P2

Energetski dio(energetski krug)

Informacijski dio

Tok energije

Informacija o željenim izlaznimveličinama pretvarača

Pretvarač


Sl 3b. Struktura elektroničkog energetskog pretvarača za napajanje motora. Na slici 3b prikazana je struktura pretvarača koji regulira brzinu vrtnje istosmjernog motora. Kao izvor napajanja koristi se izmjenična mreža 3x380 V, 50 Hz. Pretvarački sklop se sastoji od upravljivog ispravljača kojim se može mijenjati izlazni istosmjerni napon. Istosmjerni napon se dovodi na istosmjerni motor. Brzinu vrtnje motora određuje istosmjerni napon iz pretvarača. Zadatak informacijskog dijela uređaja je da na temelju informacije o željenoj brzini motor (referentni signal) i stvarnoj brzini motora dobivene preko povratne veze, upravlja okidnim uređajem. Okidni uređaj će u sinkronizaciji sa naponom napajanja upravljati poluvodičkim ventilima unutar pretvaračkog sklopa i na taj način upravljati izlaznim naponom. Na taj će se način brzina istosmjernog motora održavati konstantnom neovisno o promjenama momenta opterećenja istosmjernog motora. Na slici 3c prikazana je razlika informacijske elektronike i energetske elektronike (pretvarački sklop).

Izmjenična mreža3 x 380 V, 50 Hz

Regulirani objekt(motor)

Pretvarački sklop

Referentni signal

Okidniuređaj

Upravljanje,regulacija,

zaštita,signalizacija i

mjerenje

Odgovor

Sinkronizacija

INFORMACIJSKIDIO

Povratne veze

ENERGETSKI DIO


Sl 3c. Usporedba informacijske i energetske elektronike Uređaji informacijske elektronika procesiraju informaciju. Oni dakle obrađuju ulaznu informaciju da bi na izlazu dobili obrađenu izlaznu informaciju. U svome radu naravno troše električnu energiju. Primjer je informacijski dio pretvarača, ali i ostali slabostrujni elektronički uređaji ( mobiteli, TV, kompjuteri …). Uređaji energetske elektronike procesiraju energiju, a da bi to procesiranje uspješno izveli moraju primati informacije koje daje informacijska elektronika. Na gornjim slikama je prikazano da informacijska elektronika koristi komponente kao što su otpori, kondenzatori i poluvodiči koje rade u linearnom i prekidačkom načinu rada. Informacijska elektronika ne koristi magnetske elemente radi njihovih velikih dimenzija. S druge pak strane, energetska elektronika u pretvaračkim sklopovima ne koriste otpornike i poluvodiče u linearnom modu rada radi disipacije snage na tim elementima (pretvarački sklopovi moraju raditi sa malim gubitcima energije). Predmet proučavanja energetske elektronike su:

- komponente sklopova energetske elektronike (elektronički učinski ventili, poluvodički učinski ventili, magnetske komponente – transformatori i prigušnice, kondenzatori, ostale komponente – osigurači, prigušni članovi i slično),

- sklopovi (za ispravljanje, za izmjenjivanje, za istosmjernu pretvorbu, za izmjeničnu pretvorbu),

- komponente uređaja i uređaji energetske elektronike ( regulacijski krugovi, krugovi upravljanja, signalizacije i zaštite, filtri, titrajni krugovi …)


- upotreba uređaja u postrojenjima ( djelovanje na izvore električne energije, djelovanje na trošila, ostali problemi elektromagnetske kompatibilnosti …).

U daljnjim razmatranjima izučavat će se komponente sklopova te pretvarački sklopovi raznih vrsta pretvarača. 2.1 Ispravljači Primjer ispravljača (AC/DC pretvorbe) prikazan je na slici 4.

Sl. 4. Trofazni ispravljač

Na slici 4 prikazan je trofazni ispravljač. Ispravljač se sastoji od trofaznog transformatora trokut-zvijezda i tri prekidača V1, V2 i V3. Napon svake od faza je sinusoidalan i pomaknut 120 stupnjeva. U ispravljaču u jednom trenutku može biti uključena samo jedan sklopka. Pravilo uključivanja sklopki je da se uključuje samo ona sklopka čija faza je na najvećem naponu. Tako sklopka V1 uključuje prvih 120 stupnjeva, jer je faza R na većem potencijalu od faze S i T. Sklopka V2 će uključiti, a sklopka V1 isključiti u trenutku kada faza S bude na većem potencijalu od faze R i T. Analogno tome će se sklopka V3 uključiti kada napon faze T bude najveći. Svaka sklopka vod 120 stupnjeva. Izlazni napon je tropulsni istosmjerni napon.


2.2 Izmjenjivači Primjer izmjenjivača (DC/AC) pretvorbe prikazan je na slici 5.

Sl. 5. Rezonantni istosmjerno-izmjenični pretvarač Slika 5 prikazuje tkz. rezonantni pretvarač. Pretvarač pretvara istosmjernu energiju dvaju istosmjernih izvora napona dcV u izmjenični sinusni napon koji je stvara na potrošaču (otpornik R ). Pretvarač osim izvora istosmjerne struje i potrošača ima induktivitet i kondenzator koji su zajedno sa potrošačem vezani u serijski titrajni krug, te prekidače P i N koji naizmjenično ukapčaju periodom. Kad je P ukopčan, tada je N nužno iskopčan i obratno. Napon 0v je pravokutan, dok je napon acv sinusoidalan radi djelovanja serijskog titrajnog kruga. Frekvencija preklapanja sklopki jednaka je rezonantnoj frekvenciji titrajnog kruga. Jedino u tom slučaju se dobije najveći iznos izmjeničnog napona na potrošaču. Ukoliko se frekvencija prekapčanja sklopki razlikuje od rezonantne frekvencije, napon na potrošaču je manji, a time je manja i snaga trošila. Dakle mijenjanje frekvencije ukapčanja prekidača moguće je mijenjati izlaznu snagu na trošilu. Pretvarač na slici 5 se koristi kod visokofrekventnog zagrijavanja.


2.3. Izmjenično – izmjenični pretvarači Primjer izravne izmjenično-izmjenične pretvorbe (AC/AC) prikazana je na slici 6:

Sl. 6. Izmjenično izmjenična pretvorba

Na slici 6 prikazan je pretvarač frekvencije koji višu ulaznu frekvenciju izmjenične energije pretvara u nižu izlaznu frekvenciju. Pretvarač se sastoji od četiri sklopke koji se naizmjenično preklapaju (dvije sklopke P i dvije sklopke). U vremenu kada su uključene sklopke P , sklope N su isključene i obratno. Na slici 5 se vidi kako se odgovarajućim preklapanjem sklopki može sintetizirati valni oblik izlaznog napona iz sinusoidalnog oblika ulaznog napona. Srednja vrijednost valnog oblika izlaznog napona ( na slici prikazano crtkano) je sinusoida manje frekvencije nego što je frekvencija ulaznog napona ( jedna perioda sinusoide izlaznog napona je veća od jedne periode sinusoide ulaznog napona).

Sl. 7. Valni oblici napona na ulazu i izlazu pretvarača sa slike 6


Na slici 7 prikazani su valni oblici ulaznog i izlaznog napona pretvarača. Gornja slika prikazuje sinusoidalan ulazni napon u pretvarač. Srednja i donja slika prikazuju izlazni napon iz pretvarača u slučaju kada se prikapčanje sklopki odvija nastupanjem svake nove poluperiode ulaznog napona. Redoslijed uključivanja pojedinih sklopki prikazan je na slici 7. Kao rezultat dobije se izlazni napon frekvencije tri puta manje od ulazne frekvencije (srednja slika). Pored mijenjanja frekvencije pomoću ovog pretvarača moguće je i mijenjati srednju vrijednost izlaznog napona ukoliko prekidače uklapamo s izvjesnim zakašnjenjem u odnosu na početak poluvala sinusoidalnog napona (donja slika). Pretvarač na slici 6 koristi se za regulaciju brzine vrtnje asinkronog i sinkronog motora. Još jedan primjer izmjenično-izmjenične pretvorbe prikazan je na slici 8.

Sl 8. Izmjenično-izmjenični pretvarač napona

Pretvarač na slici 8 vrši pretvorbu izmjeničnog napona određene frekvencije u niži napon iste frekvencije. Sklopka S uključuje svaku poluperiodu izmjeničnog napona, no sa određenim kašnjenjem u odnosu na početak sinusoide ulaznog napona. Na taj se način «odsijecaju» dijelovi poluvala sinusoidalnog napona. Kao rezultat dobije se izlazni napon smanjene vrijednosti. Ovakvi pretvarači koriste se kod regulacije rasvjete. 2.4. Istosmjerno-istosmjerni pretvarači Načelo rada istosmjerno istosmjernih pretvarača zasniva se na brzom prekapčanju sklopki koje velikom brzinom prekidaju istosmjernu energiju izvora. Ovi pretvarači služe da smanje ili povećaju istosmjerni napon na ulazu. Da bi se objasnilo načelo rada istosmjerno – istosmjernog pretvarača, potrebno je prethodno objasniti najjednostavniji način izvedbe takovog pretvarača. Pretpostavimo da želimo realizirati istosmjerno-istosmjerni pretvarač koji pretvara 100 V DC napona (istosmjernog napona) na 50 V DC napona. Neka je izlazna snaga trošila 500 W. Otpor trošila je 5 Ω , a izlazna struja je 10 A (vidi sliku 9 ).


Sl. 9. Primjer DC-DC pretvarača

Pretvarač na slici 9 može se ostvariti pomoću jednog otpornika iznosa 5 Ω koji je u seriju vezan sa trošilom. Slika 10 prikazuje takav pretvarač sa disipativnom komponentom – otpornikom.

Sl. 10. Pretvarač realiziran disipativnom komponentom


Za pretvarač na slici 10 je lako izračunati snagu koja se razvija (disipira) na otporniku unutar pretvarača lossP . Ukoliko se pomnoži napon i struja kroz otpornik dobije se da je snaga disipirana na otporniku 500 W , dakle jednaka snaga koja se troši u trošilu disipira se na otporniku unutar pretvarača. Izvor prema tome mora davati snagu od

1000inP = W , jer je in out lossP P P= + . Ovih 500 W gubitaka snage unutar pretvarača u vidu topline predstavlja čisti gubitak, stoga je ovakav pretvarač neprihvatljiv za iole veće snage trošila. Potrebno je realizirati pretvarač u kojem neće biti gubitaka snage, dakle u kojem je 0lossP = , in outP P= . Takav pretvarač može se realizirati uporabom brzog prekidača prikazanog na slici 11.

Sl. 11. Pretvarač sa brzim prekidačem Pretvarač napona na slici 11 koristi prekidač koji prekida frekvencijom od nekoliko tisuća puta u sekundi (nekoliko kHz). Pretpostavimo da je frekvencija prekidanja prekidača sf =10 kHz. Tada se lako može izračunati period prekidanja:

1s

s

Tf

= =0,1 ms

Prekidač ima dva položaja, položaj 1 (izvor priključen na trošilo) i položaj 2 (izvor nije priključen na trošilo) – vidi sliku 11. U periodu sT prekidač je jedno vrijeme u položaju 1 (vrijeme sDT ) a ostatak vremena u položaju 2 (vrijeme (1 ) sD T− ). Parametar


D je između 0 i 1. Kada je D=0 prekidač se stalno nalazi u položaju 2 i izlazni napon jednak je 0. Kada je D=1 prekidač se stalno nalazi u položaju 1 i izlazni napon jednak je naponu izvora. Na slici 11 prikazana je situacija kada je D=0,6. To znači da je sklopka u položaju 1 točno 0,06 ms, a u položaju 2 točno 0,04 ms. Srednja vrijednost izlaznog napona može se dobiti iz formule:

0

( )sT

s s gV v t dt DV= =∫

Dakle, ukoliko je ulazni napon 100 V, izlazni napon će uz D=0,6 biti 60 V. Pri tome nema gubitaka snage na prekidaču pa možemo smatrati da je 0lossP = . 3. STUPANJ DJELOVANJA I FAKTOR SNAGE PRETVARAČA U ovom poglavlju će se kratko opisati neki pokazatelji koji pokazuju na kvalitetu pretvarača. Ako se sa inP označi ulazna snaga u pretvarač, outP izlazna snaga iz pretvarača, a lossP snaga koja se gubi u pretvaraču u vidu topline, onda se može definirati stupanj djelovanja pretvarača η . Na slici 12 je prikazan način na koji je definiran stupanj djelovanja.

Sl. 12. Stupanj djelovanja pretvarača


Na slici 12 se također vidi krivulja koja pokazuje kako se mijenja stupanj

djelovanja η u funkciji omjera loss

out

PP

. Idealni pretvarač ima faktor η jednak jedinici, što

znači da mu je snaga gubitaka lossP =0, a out inP P= . Pored stupnja djelovanja postoji i faktor snage koji se definira kao:

in

in

PS

λ = .

gdje je:

inP - djelatna snaga pojne mreže

inS - prividna snaga pojne mreže Faktor snage pretvarača «govori» koliko se prividne snage pojne mreže angažira u djelatnoj snazi koja se predaje trošilu u pretvaraču. Faktor snage λ je uvijek negdje između 0 i 1. Ako je λ =1, tada je in inS P= , nema jalove snage u mreži, sva prividna snaga generatora izražena u VA pretvara se u djelatnu snagu trošila izraženu u W. S druge pak strane, ako je npr.λ =0,8 tada je za dobivanje npr. inP =1000 kW djelatne snage na trošilu potrebno inS =1250 kW prividne snage generatora. Razlika od 750 kW predstavlja jalovu snagu koja titra između trošila i izvora (vidi osnove elektrotehnike – trokut snaga). 4. KOMPONENTE U ENERGETSKOJ ELEKTRONICI Komponente koje se primjenjuju u energetskoj elektronici možemo općenito podijeliti ne aktivne i pasivne. Pasivne komponente su otpornik, kondenzator, prigušnica i transformator. Aktivne komponente predstavljaju poluvodički ventili kao dioda, tranzistori, tiristori … 4.1 Pasivne komponente Otpornik je osnovna pasivna komponenta. Otpornik ima dva električna izvoda koja su povezana materijalom koji predstavlja otpor protjecanju struje (detalje vidi u osnovama elektrotehnike). Parametri koji karakteriziraju otpornik su :

- nominalni otpor otpornika (izražen u ohmima Ω ), - maksimalna snaga otpornika (izražena u W – umnožak napona na otporu i

struje koja kroz njega prolazi), - maksimalni napon (izražen u V – najveći dopušteni napon bez obzira na struju

otpornika),


- temperaturni koeficijent (izražen u postotcima promjene otpora sa temperaturom – otpor otpornika se povećava sa temperaturom)

- tolerancija otpornika – (postotno dozvoljeno odstupanje od nominalne vrijednosti otpora npr. 20%± ).

Postoje više vrsta otpornika – žičanih, metal film, ugljenih …Na slici 13 prikazane su različite vrste otpornika:

Sl.13. Otpornici Kondenzator je pasivna komponenta koja se sastoji od dva izvoda. Izvodi su povezani sa metalnim pločama između kojih se nalazi dielektrik (detalje vidi u osnovama elektrotehnike). Kondenzator karakteriziraju slijedeći parametri:

- nominalni kapacitet kondenzatora (izražena u dijelovima Farada npr. Fµ ) - radni i maksimalni napon (izražen u V) - kut gubitaka tgϕ (izražava kvalitetu kondenzatora – što manji to bolji)

Postoje više vrsta kondenzatora – elektrolitski, papirni, strirofleksni, keramički … Na slici 14 prikazane su različite vrste kondenzatora:


Sl. 14 Kondenzatori

Prigušnica je komponenta koja se sastoji od vodiča namotanog oko magnetskog materijala (detalje vidi u osnovama elektrotehnike). Prigušnicu karakteriziraju slijedeći parametri:

- induktivitet prigušnice ( izražen u dijelovima Henrija npr. mH) - maksimalna struja i napon prigučnice.

Na slici 15 prikazana je prigušnica

Sl. 15. Prigušnica

Jednofazni transformator sačinjavaju dvije zavojnice (primar i sekundar) povezane magnetskim materijalom. Transformator pretvara jednu vrijednost izmjeničnog napona i struje primarne zavojnice u neku drugu vrijednost napona i struje sekundarne zavojnice. Frekvencija struje ostaje nepromijenjena. Prilikom transformacije snaga na


primaru mora biti jednaka snazi na sekundaru. Trofazni transformatori se sastoje od tri para primarnih i sekundarnih zavojnica, svaki za svoju fazu (više o transformatorima u osnovama elektrotehnike). Slika 16 prikazuje transformator.

Sl. 16. Trofazni transformatori 4.1.1. Modeli pasivnih komponenti Model otpornika, prigušnice i kondenzatora može se prikazati na slikama 16, 17 i 18.

Sl 16. Model otpornika

Na slici 16 se vidi simbol otpornika te relacija koja povezuje struju i napon kroz otpornik (ohmov zakon). Za otpornik je karakteristično da se na njemu troši eklektična energija RW P t= ⋅ (u vidu topline) koja je proporcionalna snazi RP (umnošku napona


( )Rv t na otporu i struji ( )Ri t koja prolazi kroz njega) te vremenu t . Otpornik ne može uskladištiti energiju, može je samo potrošiti.

Sl 17. Model prigušnice

Na slici 17 se vidi simbol prigušnice te relacija koja povezuje struju ( )Li t i napon

( )Lv t kroz prigušnicu. Idealnu prigušnicu definira induktivitet prigušnice L . Za idealnu prigušnicu je karakteristično da ne troši energiju, nego je pohranjuje u vidu magnetske

energije (energija induktiviteta određena je relacijom ( )2LL i tW ⋅

= - vidi osnove

elektrotehnike). Induktivitet ( često tako nazivamo idealnu prigušnicu ) dakle u određenim periodima uskladištava električnu energiju – kažemo da se puni energijom, a u narednim periodima prazni energiju magnetskog polja i pretvara je u odgovarajuću električnu energiju. Uvjet periodičnog načina rada sklopa sa induktivitetom određen je relacijom na slici 17. – za vrijeme ustaljenog rada električnog sklopa za vrijeme perioda T srednja vrijednost napona na induktivitetu ( )Lv t mora biti jednaka 0.

Sl 18. Model kondenzator

Na slici 18 se vidi simbol kondenzatora te relacija koja povezuje struju ( )Ci t i napon ( )Cv t kroz kondenzator. Idealan kondenzator definira kapacitet kondenzatora C . Za idealan kondenzator je karakteristično da ne troši energiju, nego je pohranjuje u vidu

električne energije (energija kapaciteta određena je relacijom ( )2

CC u tW ⋅= - vidi osnove

elektrotehnike). Kapacitet ( često tako nazivamo idealan kondenzator ) dakle u određenim periodima uskladištava električnu energiju – kažemo da se puni energijom, a u narednim


periodima prazni energiju električnog polja i pretvara je u odgovarajuću električnu energiju. Uvjet periodičnog načina rada sklopa sa kapacitetom određen je relacijom na slici 18. – za vrijeme ustaljenog rada električnog sklopa za vrijeme perioda T srednja vrijednost struje kroz kapacitet ( )Cv t mora biti jednaka 0. Model jednofaznog transformatora i pripadajuće relacije koje povezuju struje i napone primarne i sekundarne strane prikazane su na slici 19 (detalji su objašnjeni u osnovama elektrotehnike).

Sl. 19. Model trafa i pripadne relacije

Iz relacija na slici 19. mogu se dobiti transformatorske jednadžbe koje glase:

1 2v N v= ⋅

1 21i iN

= −

gdje je:

N - omjer broja zavoja između primara i sekundara ( 1

2

nn

)

4.2 Aktivne komponente


Aktivne komponente u energetskoj elektronici su poluvodički energetski ventili. Danas postoje više vrsta poluvodičkih ventila koji se koriste u energetskoj elektronici kao što su dioda, tiristor, GTO tiristor, MCT tiristor, bipolarni tranzistor, IGBT tranzistor, MOS tranzistor, diak, triak …Poluvodički ventili u pretvaračkim sklopovima predstavljaju poluvodičke sklopke, a to su ujedno i osnovne komponente pretvaračkih sklopova. Prije nego se pristupi proučavanju karakteristika poluvodičkih ventila, potrebno je analizirati rad idealne mehaničke sklopke. Idealna mehanička sklopka prikazana je na slici 20.

Sl. 20. Idealna sklopka

Idealna sklopka je dvopolni element koji služi prekidanju i uspostavljanju strujnog kruga. Sklopka se može nalaziti u dva stanja: sklopka uključena i sklopka isključena. Kada je sklopka isključena (kao na slici 21) struja kroz sklopku ( )i t jednaka je nuli, a napon između kontakata ( )u t jednak je naponu izvora U . Kada je sklopka

uključena struja kroz sklopku ( ) Ui tR

= , a napon na kontaktima sklopke ( ) 0u t = . U oba

slučaja snaga koja se disipira (razvija) na sklopki je ( ) ( ) ( ) 0p t u t i t= ⋅ = , dakle nema gubitaka u vidu zagrijavanja sklopke kada dolazi do prekapčanja. Realna elektronička sklopka (poluvodički ventil) naravno nema karakteristike idealne sklopke. Kod realne sklopke u stanju uključenosti nije napon ( )u t jednak nuli, već tipično iznosi 1 – 2 V, pa je prema tome i snaga gubitaka ( ) ( ) ( ) 0p t u t i t= ⋅ ≠ . Za realne elektroničke sklopke posebno je izražena snaga gubitaka prilikom faze uključenja i isključenja sklopke, tako da se sklopke više zagrijavaju kod većih frekvencija prekapčanja sklopke. Dok je za idealnu sklopku svejedno kojim smjerom kroz nju prolazi struja i kakav je polaritet napona na kontaktima sklopke, realne elektroničke sklopke u pravilu mogu voditi struju samo u jednom smjeru i podnositi napone samo jednog polariteta.


Sl. 21. Sklopka u strujnom krugu.

4.2.1 Podjela električkih ventila i njihovi modeli Podjela električkih ventila prikazana je na slici 21.

Sl. 21. Podjela elektroničkih ventila

Električki ventili se dijele na neupravljive i upravljive, a upravljivi se dijele na one koji se samo mogu uklopiti i one koji se mogu uklopiti i isklopiti. Neupravljive ventile može uklapati i isklapati samo glavni tok napona i struje koji kroz njih prolazi. Upravljive ventile moguće je uklapati pomoću kontrolnog sklopa slabim naponskim ili strujnim signalom. Neke od upravljivih ventila moguće je samo uklopiti, ali ne i isklopiti (primjer je tiristor). Zbog toga je za isklapanje tiristora potrebno isključiti glavni strujni krug. Druge upravljive ventile moguće je i uklopiti i isklopiti pomoću kontrolnog sklopa. Na slici 22 prikazane su vrste današnjih poluvodičkih ventila i njihova usporedba sa idealnom sklopkom prikazanom na slici 20.


Sl. 22. Vrste poluvodičkih ventila

Slika 22 prikazuje usporedni prikaz svih mogućih stanja idealne sklopke i stanja u kojima se mogu naći pojedine realne električke sklopke (poluvodički ventili). Postoje stanja blokiranja, vođenja, uklapanja, isklapanja i zapiranja sklopke. Struja teče kroz sklopku u direktnom smjeru , a ponekad i u obratnom, inverznom smjeru. Sklopka je u stanju blokiranja kada se na nju postavi napon koji želi protjerati struju kroz sklopku u direktnom smjeru. Kada na takovu električku sklopku pošaljemo električni signal za uklapanje, sklopka uklapa i prelazi u stanje vođenja (sklopka se zatvara). Neke sklopke se mogu isklopiti također pomoću kontrolnog signala, te nakon isklapanja sklopka prestaje voditi struju. Sklopka se nalazi u zapiranju kad se na nju postavi napon koji ne dozvoljava uključenje sklopke (sklopka je otvorena bez mogućnosti uklapanja). Na dnu slike 22 se vidi da idealna sklopka može biti u svim mogućim stanjima, te da podnosi tijek struje u oba smjera (direktnom i inverznom). S druge pak strane dioda može biti u stanju vođenja kada provodi struju u direktnom smjeru i u stanju zapiranja kad je na nj narinut inverzni napon. Na slici 22 moguće je vidjeti koji se poluvodički električki ventili mogu naći u kojim stanjima. Vidljivo je da ne postoji niti jedan električki ventil koji pokriva sva stanja idealne sklopke.


Dioda i tiristor Na slici 23 prikazani su modeli polivodičke diode i tiristora, te njihove pripadjuće naponsko-strujne karakteristike. Naponsko-strujne karakteristike prikazuju napone na komponentama i struje kroz njih za različita stanja u kojima se elementi mogu naći.

Sl. 22. Modeli diode i tiristora Dioda (na gornjem dijelu slike 22) ima dva izvoda – gornja anoda i donja katoda. Struja kroz diodu prolazi isključivo iz smjera anode prema katodi (u smjeru strelice). Kada je dioda propusno polarizirana (na anodi je + potencijal, a na katodi - potencijal ), dioda se nalazi u stanju vođenja, napon na diodi 0Dv ≈ ( kod realnih dioda 0,7 – 1,2 V), a struju kroz diodu Di ograničava samo vanjski strujni krug (teoretski može narasti do ∞ ). Kada je dioda reverzno (inverzno) polarizirana (na anodi je – potencijal, a na katodi + potencijal), dioda se nalazi u stanju zapiranja, napon na diodi Dv je jednak naponu izvora, a struja 0Di ≈ (realne diode imaju vrlo malu reverznu struju). Diodu je moguće ispitati pomoću ohmmetra mjereći otpor između anode i katode. Ako ohmmetar priključimo na diodu tako da + pol priključka ohmmetra priključimo na anodu, a – pol priključka ohmmetra na katodu, moramo izmjeriti mali otpor ( u uputstvu instrumenta naznačeno je koji pol ohmmetra je +, a koji -). Ako priključke ohmmetra obratno spojimo na diodu, ohmmetar mora prikazivati veliki otpor. Ako su oba testa


ispravna najvjerojatnije je da je dioda ispravna (postoji mala vjerojatnost da dioda probija na visokom naponu i da ipak nije ispravna). Tiristor (na donjem dijelu slike 22) ima tri izvoda – gornja anoda, donja katoda i sa strane kontrolna elektroda «gate» (gejt). Razlikujemo glavni i upravljački krug tiristora. Kroz glavni krug tiristora (anoda – katoda) prolazi velika struja koja se upravlja. Upravljački krug tiristora sačinjava krug gejt – katoda, i kroz taj krug se dovodi kratkotrajni strujni impuls upravljačkog sklopa koji dovodi tiristor u stanje vođenja. Upravljana velika struja prolazi kroz glavni krug tiristora isključivo iz smjera anode prema katodi (u smjeru strelice). Kada je tiristor propusno polariziran (na anodi je + potencijal, a na katodi - potencijal ), tiristor se nalazi u stanju blokiranja, napon na tiristoru Tv jednak je naponu izvora , a struju kroz diodu Di jednaka je 0. Otpor između anode i katode je ∞ , sklopka je otvorena. Tiristor može preći u stanje vođenja (otpor između anode i katode pada na vrlo malu vrijednost – sklopka je zatvorena) samo ako su u određenom trenutku zadovoljena oba osnovna uvjeta:

a) da se tiristor nalazi u stanju blokiranja (na anodi je + potencijal, a na katodi - potencijal),

b) da se u krugu gejt - katoda tiristora dovede kratkotrajni strujni impuls –

impulse generira kontrolni sklop koji upravlja tiristorom. Kada tiristor jednom započne vođenje, nastavlja voditi sve dok struja kroz glavni krug (krug anoda – katoda) ne padne na nulu. Nakon toga se tiristor mora jedno kratko vrijeme odmoriti prije nego što bude sposoban ponovo preći u stanje blokiranja. Tiristor se nalazi u reverznom stanju kada je na katodi + potencijal, a na anodi – potencijal. Tada tiristor nikako ne može doći u stanje vođenja bez obzira na kontrolni strujni signal na gejtu. Na sl. 22 sva tri stanja vidljiva su iz strujno naponske karakteristike tiristora. Na slici 23 prikazan je napon na tiristoru i struja kroz tiristor u fazi njegovog iskapčanja.


Sl. 23. Iskapčanje tiristora i vrijeme odmaranja.

Na slici 23 se vidi da je u nultom trenutku napon Tv ≈ 0, a struja 0Ti > , što znači da se tiristor nalazi u stanju vođenja. U trenutku 1t narine se reverzni napon na tiristor i struja Ti počinje padati, te padne na nulu u trenutku 2t . Tek tada tiristor prestaje voditi i prelazi u stanje zapiranja, napon 0Tv < (vidi sliku). Stanje zapiranja tiristora mora trajati jedno određeno vrijeme dok tiristor ponovno ne poprimi svojstva potrebna da bi mogao doći u stanje blokiranja ( podnjeti propusni napon a da ne pređe u stanje vođenja sam od sebe). To vrijeme se naziva «vrijeme oporavka» i jedan je od parametara koji se daje u katalogu za određeni tiristor (što je manje vrijeme oporavka to je bolje). Bitno je da tiristor u sklopu «odmara» ( nalazi se u stanju zapiranje ) barem onoliko vremena koliko iznosi vrijeme oporavka. Ako se na tiristor dovede blokirni napon prije nego što istekne vrijeme oporavka, tiristor prelazi u stanje vođenja bez kontrolnog signala na gejtu ( neregularno i može biti opasno ). Tiristor je moguće ispitati koristeći shemu na slici 24.

Sl. 24. Ispitivanje tiristora


Ako spojimo bateriju i žaruljicu (od recimo 4,5 V) u krug na slici, te pri tom ne spojimo vodič koji spaja + pol baterije sa gejtom (crtkani vodič), tiristor se nalazi u stanju blokiranja, žaruljica ne smije svijetliti jer tiristor ne vodi. Ako sada spojimo crtkanu žicu (+ pol baterije sa gejtom), tiristor prelazi u stanje vođenja, žarulja se mora upaliti. Ako sada odspojimo gejt i + pol baterije (skinemo crtkani vodič), žarulja i dalje mora svijetliti jer se tiristor nalazi i dalje u stanju vođenja. Ako sada odspojimo bateriju, prekinemo glavni strujni krug, žarulja se naravno mora ugasiti, Ako okrenemo bateriju ( + dole a – gore ), žaruljica niti u kojem slučaju se ne smije upaliti. Ako su svi ovi testovi zadovoljili kako je gore ispravno tada je tiristor najvjerojatnije ispravan. Hidraulička analogija diodne i tiristorske strukture prikazana je na slici 25. Ovdje je tok struje zamijenjen sa tokom vode u cijevi, a napon struje sa pritiskom koji tjera struju kroz cijev.

Sl 25. Hidraulička analogija diode i tiristora

Na gornjoj slici je hidraulička analogija diode. Vidljivo je da voda kroz cijev može proći samo ako se giba sa desna na lijevu stranu u propusnom smjeru (tok vode diže zaporku). Ako se napon promjeni, pa pritisak vode pokuša protjerati struju vode u


suprotnom smjeru – zaporni smjer (od lijeva ka desno), zaporka pada i nema toka vode kroz cijev. Na donjoj slici je prikazana hidraulička analogija tiristora. Voda ima šanse proći kroz cijev jedino ako pritisak vode pokušava tjerati vodu u propusnom smjeru (od desna ka lijevo). Međutim, voda neće moći proći kroz cijev jer nije izvučen izvlačivi zapor pa je klapna ostala zatvorena iako bi pritisak vode rado otvorio klapnu. Govorimo da je tiristor u blokirnom stanju. Tek ako sada izvučemo zaporku (impuls struje na gejtu), klapna se diže i struja vode prolazi kroz cijev. Tiristor se nalazi u stanju vođenja struje. Kada klapna ponovo može zatvoriti cijev???? Tek tada kada se zaustavi struja vode u propusnom smjeru i kada se pričeka «vrijeme oporavka» dok klapna ne padne i ponovo ne zakvači za zapor. Tek tada možemo ponovo doći u blokirno stanje. Ako ne pričekamo vrijeme odmaranja (ne pričekamo da se klapna zakvači za zapor), dovođenje propusnog napona (pritiska vode) automatski prebacuje tiristor u vođenje (cijev propušta vodu bez obzira na stanje zaporke. Gejtom isklopivi tiristor (GTO – gate turn off) Gejtom isklopivi tiristor i njegova pripadajuća karakteristika prikazan je na slici 26.

Sl. 26. Gejtom isklopivi tiristor

Gejtom isklopivi tiristor je posebna vrsta tiristora koja se može isklopiti dovođenjem negativnog impulsa na gejt tiristora – negativni strujnio impuls u upravljačkom krugu gejt – katoda. Ukapčanje GTO tiristora se obavlja na isti način kao i kod običnog tiristora – dovođenjem pozitivnog naponskog impulsa na gejt tiristora koji protjera strujni impuls u upravljačkom krugu gejt-katoda. GTO je prema tome potpuno upravljiva sklopka koja može isklopiti ili isklopiti pomoću signala upravljačkog kruga. Tranzistori Tranzistori su potpuno upravljive električne sklopke . Osnovna razlika između tranzistora i tiristora je što se kod tranzistora kontrolni signal na upravljačku elektrodu mora dovoditi cijelo vrijeme dok traje vođenje tranzistora, dok se kod tiristora kontrolni


signal za uključenje dovodi u vidu kratkotrajnog impulsa, nakon čega tiristor trajno ostaje u stanju vođenja. Na slici 27 su prikazani osnovne vrste tranzistora i njihove strujno naponske karakteristike.

Sl. 27. Vrste tranzistora

Na gornjem dijelu slike 27 prikazan je bipolarni (BJT) tranzistor NPN tipa, i njegova strujno naponska karakteristika. Tranzistor ima tri elektrode (gornja - kolektor, srednja – baza, i donja emiter). Glavni krug tranzistora kroz koji prolazi struja koja se upravlja su krug katoda-emiter. Krug baza-emiter čini upravljački krug kroz kojeg prolazi upravljačka struja. Dok prolazi upravljačka struja kroz bazu tranzistora, otpor između kolektora i emitera tranzistora je mali – tranzistor se ponaša kao zatvorena sklopka – propusno stanje, 0CEv ≈ ( kod realnog tranzistora 0,3CEv = V), a kolektorsku struju Ci >0 određuje vanjski izvor napona u glavnom krugu kolektor emiter. Ukoliko se prekine dovod upravljačke struje, otpor između kolektora i emitera postaje ∞ - tranzistor se ponaša kao otvorena sklopka, nalazi se u stanju blokiranja, CEv je jednak naponu izvora koji je priključen u glavnom krugu, a kolektorska struja Ci =0. Ako između kolektora i


emitera priključimo negativan napon, tranzistor je zaporno polariziran i ne može provoditi struju. Nisu preporučljivi veći zaporni naponi – mogućnost uništenja tranzistora. Na srednjem dijelu slike 27 prikazan je MOSFET (metal oxid semiconductor field efect transistor - N kanalni obogaćenog tipa), i njegova strujno naponska karakteristika. Tranzistor ima tri elektrode (gornja - drain, srednja – geit, i donja source). Glavni krug tranzistora kroz koji prolazi struja koja se upravlja su krug drain-source. Krug gejt-source čini upravljački krug kroz kojeg prolazi upravljačka struja. Dok prolazi upravljačka struja kroz gejt tranzistora, otpor između kolektora i emitera tranzistora je mali – tranzistor se ponaša kao zatvorena sklopka – propusno stanje, 0DSv ≈ ( kod realnog tranzistora

1 2CEv = − V), a kolektorsku struju Ci >0 određuje vanjski izvor napona u glavnom krugu drain s source. Ukoliko se prekine dovod upravljačke struje, otpor između draina i sourca postaje ∞ - tranzistor se ponaša kao otvorena sklopka, nalazi se u stanju blokiranja, DSv je jednak naponu izvora koji je priključen u glavnom krugu, a struja draina Ci =0. Ako između draina i sourca priključimo negativan napon, tranzistor je zaporno polariziran i ne može provoditi struju. Nisu preporučljivi veći zaporni naponi – mogućnost uništenja tranzistora. Glavna razlika između BJT i MOSFET tranzistora je u upravljanju. BJT tranzistor je strujno upravljan – potrebna je određena jakost struje baze za uključenje tranzistora što zahtjeva jake upravljačke strujne izvore i komplicira upravljanje, dok se MOSFET upravlja naponskim signalom – upravljački sklopovi jednostavniji ne zahtijevaju strujne signale. BJT ima prednosti pred MOSFETOM što može izdržati veća strujna i naponska opterećenja. Prednosti i jednog i drugog tranzistora iskorišteni su u IGBT ( insulated gate bipolar tranzistoru ), svojevrsnom «križancu» BJT i MOSFET tranzistora. IGBT se upravlja kao MOSFET, a podnosi jake struje kao BJT tranzistor. Izvodi IGBT tranzistora su kolektor, gejt i source. Princip rada je sličan kao u gornja dva tranzistora. Hidraulička analogija tranzistora prikazana je na slici 28.


Sl. 28. Hidraulička analogija tranzistora

Rad tranzistora se može shvatiti ako se načini hidraulička analogija. Tok vode kroz cijev se može regulirati pomoću zaklopke koja se može otvoriti ili zatvoriti. Zaklopka ima oprugu koja je stalno vraća u zatvoreno stanje. Dovođenjem upravljačke struje baze ( napona na gejtu) , zaklopka otvara, protječe struja vode ( struja od kolektora – draina ka emiteru – sourcu ). Prekidanjem upravljačke struje, zaklopka se zatvara, i prestaje teči struja u propusnom smjeru. Ispitivanje BJT NPN tranzistora može se obaviti uz pomoć ohmmetra. NPN tranzistor se ispituje na slijedeći način:

1. Stavi + ohmetra na bazu tranzistora a – ohmmetra na emiter tranzistora (rezultat mora biti mali otpor),

2. Stavi + ohmetra na bazu tranzistora a – ohmmetra na kolektor tranzistora (rezultat mora biti mali otpor),

3. Stavi - ohmetra na bazu tranzistora a + ohmmetra na emiter tranzistora (rezultat mora biti veliki otpor),

4. Stavi - ohmetra na bazu tranzistora a + ohmmetra na kolektor tranzistora (rezultat mora biti veliki otpor),

5. Stavi + ohmetra na emiter tranzistora a – ohmmetra na kolektor tranzistora (rezultat mora biti veliki otpor),

6. Stavi - ohmetra na emiter tranzistora a + ohmmetra na kolektor tranzistora (rezultat mora biti veliki otpor),

Za PNP tranzistor vrijede slični testovi (samo treba u testovima od 1 do 4 zamijeniti + sa – ohmmetra i obratno).


5. ISPRAVLJAČI 5.1 Razvoj topologija jednofaznih diodnih ispravljačkih spojeva U ovom poglavlju će se razmatrati razvoj topologije jednofaznih diodnih ispravljača os najjednostavnijih poluvalnih sa jednom diodom, do složenijih punovalnih sa dvije i četiri diode. Razmatrat će se valni oblik izlaznog napona, i srednja vrijednost izlaznog napona (parametri važni za kvalitetu ispravljača). Najjednostavniji poluvalni ispravljač (tkz. polumosni spoj) opterećen induktivnim trošilom je prikazan na slici 29.

Sl 29. Jednofazni polumosni spoj

Sa slike 29 vidljivo je da se ispravljač dade realizirati pomoću jedne dvopoložajne preklopke. Kada je na sekundaru transformatora pozitivan poluval izmjeničnog napona, preklopka je u gornjem položaju, napon sekundara se prenosi na trošilo. Kada je na sekundaru transformatora negativan poluval izmjeničnog napona, preklopka prebacuje u donji položaj i «kratko spaja teret (serijski spoj induktiviteta i otpora). Sama izvedba ovog ispravljača, kao i valni oblici napona i struje su prikazani na slici 30.

Sl. 30. Poluvalni ispravljač sa porednom diodom.

Na slici 30 je vidljivo da u ispravljaču ulogu dvopoložajne sklopke imaju diode. Kada je ( )Sv t pozitivan, vodi dioda 1D , a dioda 2D je u zapiranju. Kada je

( )Sv t negativan, vodi dioda 2D , a dioda 1D je u zapiranju. Valni oblik izlaznog napona Dv , te struja potrošača Di je prikazana na slici 30. Treba uočiti da je struja


potrošača Di kontinuirana i malo valovita (struja kroz potrošač se ne može od kuta π do 2π brzo promijeniti). Srednja vrijednost izlaznog poluvalnog napona ispravljača se dobije iz izraza:

[ ] ( )00

1 sin( ) ( ) cos( ) cos cos0 0,322 2 2

S S Sd S S

V V VV V t d t t Vπ

πω ω ω ππ π π π

= ⋅ = − = − + = = ⋅∫

Gdje je: SV - maksimalna vrijednost sinusnog napona izvora dV - srednja vrijednost napona na izlazu ispravljača

U prethodnom primjeru vidljivo je da ispravljač koristi energiju samo jedne poluperiode ulaznog izmjeničnog napona. Ukoliko želimo koristiti obje poluperiode izmjeničnog napona, valja koristiti dva polumosna spoja na slici 30. Punovalni ispravljač je prikazan na slici 31.

Sl. 31. Jednofazni ispravljač sa srednjom točkom.

Na slici 31 se vidi da se sekundar transformatora mora rasdjeliti na dva dijela. Dvopoložajna preklopka prebacuje iz gornjeg u donji položaj. Kada je preklopka u gornjem položaju. pozitivni poluval izmjeničnog napona se generira na gornjem dijelu sekundara i protječe struju kroz trošilo. Za vrijeme negativnog poluvala izmjeničnog napona sekundara, preklopka prebacuje u donji položaj i struja protječe iz donjeg dijela sekundara kroz trošilo. Bitno je uočiti da je smjer struje kroz trošilo uvjek isti, neovisno o tome radi li se o pozitivnoj ili negativnoj poluperiodi izmjeničnog napona. Na slici 32 prikazana je izvedba ispravljača sa slike 31 i pripadajući naponi i struje u sklopu.


Sl. 32. Izvedba punovalnog ispravljača sa srednjom točkom

Srednja vrijednost izlaznog napona može se dobiti iz relacije:

0

21 sin( ) ( ) 0,64Sd S S

VV V t d t Vπ

ω ωπ π

= ⋅ = = ⋅∫

Vidljivo je da je srednja vrijednost napona punovalnog ispravljača dvostruko veća od srednje vrijednosti napona poluvalnog ispravljača. Ispravljač na slici 31 koristi transformator sa srednjim izvodom na sekundaru. Za ispravljanje pozitivne poluperiode izmjeničnog napona koristi se samo gornji dio sekundara, a za ispravljanje donjeg poluvala izmjeničnog napona koristi se samo donji dio sekundara. Vidljivo je da sekundar transformatora nije odgovarajuće iskorišten (potrebno je dvostruko više namota i željeza nego je uistinu potrebno). Zbog toga se je prišlo izradi ispravljača kod kojeg će cijeli sekundar biti iskorišten za ispravljanje i pozitivne i negativne poluperiode izmjeničnog napona i kod kojega neće biti srednjeg izvoda. Cijena toga je još jedna dodatna dvopoložajna preklopka. Na slici 32 prikazana je izvedba ispravljača sa preklopkama i diodama – jednofazni ispravljač u mosnom spoju. Jednofazni mosni spoj je sastavljen od dva jednofazna spoja sa srednjom točkom (paralelni spoj na strani mreže, a serijski spoj na strani trošila).


Sl 32. Jednofazni ispravljač u mosnom spoju

Danas se u energetskoj elektronici isključivo ovaj spoj u slučaju kada nam je dostupna jednofazna struja. U narednom poglavlju bit će izvršena komparativna usporedba ovog ispravljača i prethodno opisanih ispravljača, iz koje će se vidjeti njegova komparativna prednost u odnosu na punovalni ispravljač sa srednjom točkom – manja tipna snaga transformatora, manje naponsko naprezanje sklopki, bolji faktor snage. 5.2 Razvoj topologija trofaznih diodnih ispravljačkih spojeva Trofazne ispravljače možemo slično kao i jednofazne podijeliti na trofazni spoj sa srednjom točkom (3 diode) i trofazni mosni spoj (6 dioda). Trofazni mosni spoj je kombinacija dvaju trofaznih spojeva sa srednjom točkom (paralelni spoj na strani mreže i serijski spoj na strani trošila. Trofazni spoj sa srednjom točkom prikazan je na slici 33.


Sl. 33. Trofazni spoj sa srednjom točkom

Srednja vrijednost napona dv za trofazni spoj sa srednjom točkom je:

3 3 0,83

2S

d SVv V

π⋅

= = ⋅

Trofazni spoj u mosnom spoju prikazana je na slici 34.

Sl. 34. Trofazni mosni spoj


Srednja vrijednost napona dv za trofazni mosni iznosi:

6 3 1,662

Sd S

Vv Vπ⋅

= = ⋅

Kao i kod jednofaznih ispravljača, komparativne prednosti su na strani trofaznog spoj u mosnom spoju u odnosu na trofazni spoj sa srednjom točkom. 5.3 Usporedbe ispravljačkih sklopova U gornjem poglavlje usporedili smo ispravljače na način da smo izračunali srednju vrijednost dobivenog napona na izlazu iz ispravljača (što je veći napon to bolje). Lako je uočljivo da trofazni ispravljači imaju veću srednju vrijednost napona na izlazu od jednofaznih. No postoje i drugi kriteriji usporedbe ispravljača kao što su:

a) Pulsnost istosmjernog napona ispravljača b) Faktor snage λ c) Tipna snaga transformatora TRS

a) Pulsnost istosmjernog napona ispravljača se definira kao broj pulseva osnovnog harmonika izlaznog napona ispravljača u jednoj periodi izmjeničnog napona na ulazu u ispravljač. Kao primjer, na slici 35 je prikazan izlazni napon jednofaznog ispravljača u mosnom spoju (gornji dio slike) i ispravljača u trofaznom spoju sa srednjom točkom (donji dio slike). Izlazni napon jednofaznog ispravljača u mosnom spoju je dvopulsan (p=2) jer postoje dva pulsa istosmjernog napona u jednom periodu T izmjeničnog napona na ulazu u ispravljač. Izlazni napon ispravljača u trofaznom spoju sa srednjom točkom je tropulsan (p=3), jer postoje tri pulsa istosmjernog napona u jednom periodu T izmjeničnog napona na ulazu u ispravljač.

Sl. 35. Pulsnost istosmjernog napona


b) Faktor snage je veličina koja je definirana u poglavlju 3.

Sl. 36. Faktor snage ispravljača

Na slici 36 se vidi da je faktor snage odnos radne snage SP i prividne snage SS izvora. Također je iz slike vidljivo da ukoliko je napon mreže sinusoidalan, a potrošač radno-induktivni, te postoji kut između napona i struje ϕ , faktor snage je proporcionalan cosϕ .

d) Tipna snaga transformatora je koja izražava potrebnu snagu transformatora, i obično se normira na snagu trošila. Normirana tipna snaga transformatora je broj koji govori za koliko puta mora biti veća snaga transformatora u odnosu na snagu potrošača. Normirana tipna snaga je veća od 1, no bolje je ako je što bliže jedinici. Na slici 37 se vidi kako je definirana tipna snaga i normirana tipna snaga transformatora.

Sl. 37. Tipna snaga transformatora


5.3.1 Broj pulzacija, faktor snage i tipna snaga transformatora jednofaznog poluvalnog ispravljača Na slici 38 prikazani su jednofazni poluvalni ispravljači i pripadajući valni oblici napona i struje na izlazu iz ispravljača. Proračun faktora snage i tipne snage transformatora je složen za ispravljač sa jednom diodom (bez poredne diode), pa se nije ni vrijedno pomučiti za analizirati ovaj ispravljač. jer je njegova osnovna mana «regulacija napona trošilom» tj. izlazni napon ovisi o vrijednosti induktiviteta i otpora trošila – negativna pojava.

Sl. 38. Jednofazni poluvalni spojevi Valni oblici izlaznog napona Dv , struja dioda Di i Vi , te struje primara transformatora Si , te proračun faktora snage i normirane tipne snage transformatora je prikazana na slici 39.


Sl. 39. Broj pulzacija, faktor snage i normirana tipna snaga transformatora jednofaznog spoja s porednom diodom

Vidljivo je da ispravljač ima broj pulzacija p =1, faktor snage λ =0,9, a da je normirana tipna snaga transformatora TRnS =1,34 (loše!!).

5.3.2 Broj pulzacija, faktor snage i tipna snaga transformatora ispravljača u jednofaznom spoju sa srednjom točkom Na slici 40. prikazani su valni oblici napona i struja za jednofazni spoj sa srednjom točkom, te proračun normirane tipne snage transformatora TRnS i faktora snage λ . Vidljivo je da ispravljač ima broj pulzacija p =2, faktor snage λ =0,9, a da je normirana tipna snaga transformatora TRnS =1,34 (i dalje loše!!).


Sl. 40. Broj pulzacija, faktor snage i normirana tipna snaga transformatora jednofaznog

spoja sa srednjom točkom


5.3.3 Broj pulzacija, faktor snage i tipna snaga transformatora ispravljača u mosnom spoju Na slici 41. prikazani su valni oblici napona i struja za jednofazni mosni spoj, te proračun normirane tipne snage transformatora TRnS i faktora snage λ . Vidljivo je da ispravljač ima broj pulzacija p =2, faktor snage nepromijenjenλ =0,9, a da je normirana tipna snaga transformatora TRnS =1,11 (bolje od spoja sa srednjom točkom).

Sl. 41. Broj pulzacija, faktor snage i normirana tipna snaga transformatora jednofaznog mosnog spoja


5.3.4 Broj pulzacija, faktor snage i tipna snaga transformatora trofaznog spoja sa srednjom točkom Na slici 42. prikazani su valni oblici napona i struja za trofazni spoj sa srednjom točkom, te proračun normirane tipne snage transformatora TRnS i faktora snage λ . Vidljivo je da ispravljač ima broj pulzacija p =3, faktor snage lošijiλ =0,83, a da je normirana tipna snaga transformatora TRnS =1,35.

Sl. 42. Broj pulzacija, faktor snage i normirana tipna snaga transformatora trofaznog spoja sa srednjom točkom


5.3.5 Broj pulzacija, faktor snage i tipna snaga transformatora trofaznog mosnog spoja Na slici 43. prikazani su valni oblici napona i struja za trofazni mosni spoj, te proračun normirane tipne snage transformatora TRnS i faktora snage λ . Vidljivo je da ispravljač ima broj pulzacija p =6, faktor snage lošijiλ =0,955 (odlično), a da je normirana tipna snaga transformatora TRnS =1,05 (odlično).

Sl. 43. Broj pulzacija, faktor snage i normirana tipna snaga transformatora trofaznog

mosnog spoja


5.4. Fazno upravljivi ispravljački spojevi Najvažnija mana diodnih ispravljača je njihova neupravljivost, odnosno nemogućnost regulacije izlaznog napona. Međutim, ukoliko koristimo fazno upravljanje te tiristore (poluupravljive ventile) umjesto dioda (neupravljivih ventila), moguće je smanjivati izlazni napon ispravljača do 0 V. Kao primjer možemo navesti najjednostavniji jednofazni tiristorski ispravljač te na slici 45 prikazati valne oblike napona na ispravljaču za slučaj kada je kut okidanja tiristora 45α = .

Sl. 45. Poluvalni fazno upravljivi ispravljač opterećen otpornim trošilom i pripadajući

valni oblici Da bi smo do kraja razumjeli ovaj primjer, potrebno je definirati kut upravljanja α (engl. fire angle). Kut upravljanja α je kut pri kojem se na tiristor dovodi okidni strujni impuls koji prebacuje tiristor iz stanja blokiranja u stanje vođenja. Na slici 45 se vidi da je do kuta α tiristor u blokirnom stanju (tiristor je spreman za vođenje, ali još uvijek ne vodi – čeka impuls okidanja na gejtu). Tiristor je do kuta α «otvoren prekidač» i prekida strujni krug od izvora ( )Sv t ka trošilu. Napon na trošilu ( )Dv t i naravno struja trošila ( )Di t jednaka je nuli. Kada se dostigne kut α , između gejta i katode tiristora se narine okidni naponski impuls, koji protjera okidni strujni impuls kroz upravljački krug tiristora gejt-katoda


(vidi srednji diagram na sl 45). Posljedica toga je trenutno prebacivanje tiristora iz stanja blokiranja u stanje vođenja – tiristor se ponaša kao «zatvorena preklopka» i zatvara se strujni krug od izvora ka trošilu. Od kuta α do kuta π na trošilu imamo puni napon izvora – na trošilu imamo «dio sinusoide izvora» od kuta α do kraja pozitivne poluperiode (kuta π ). Što se događa od kuta π do kuta 2π ? Pa vidljivo je da je u kutu π napon i struja kroz tiristor pala na 0, te da od se kuta π do kuta 2π tiristor nalazi u stanju zapiranja (tiristor je inverzno polariziran), nema uvjeta za vođenje tiristora i tiristor se ponaša kao «otvoren prekidač», nema napona na trošilu jer je prekinut strujni krug od izvora ka trošilu. Cijela se priča ponavlja nastupom nove periode izmjeničnog napona ( od kuta 2π na dalje ). Sada se može izvesti relacija koja povezuje kut upravljanja α i srednja vrijednost izlaznog napona ispravljača dU α (koji je funkcija kuta upravljanja α ):

[ ] [ ]1 sin( ) ( ) cos( ) cos( ) (1 cos )2 2 2 2

S S Sd S

V V VV V t d t t tπ

π πα α α

α

ω ω ω ω απ π π π

= ⋅ = − = − = +∫ Ako se definira srednja vrijednost izlaznog napona ispravljača 0dV za α =0 kao:

sdO

VVπ

=

tada se može napisati:

01 cos

2d dV Vαα+

=

Ako se gornja relacija grafički prikaže dobije se upravljačka karakteristika ispravljača za otporno trošilo koja je prikazana na slici 46 ( na osi ordinati se nalazi omjer srednje vrijednosti napona na izlazu ispravljača dV α (može i oznaka dv< > ) i srednje vrijednosti izlaznog napona ispravljača 0dV za α =0. Ovaj omjer jednak je 1 zaα =0, a daljnjim povećanjem kuta α pada na 0.


Sl. 46. Upravljačka karakteristika ispravljača za otporno trošilo. Postavlja se pitanje kako izgledaju upravljačke karakteristike ostalih ispravljača za slučaj radnog opterećenja. Odgovor je – slično kao karakteristika na slici 46, samo što napon trofaznih ispravljača pada na nulu na 120 – 150 a ne na 180 (π rardijana ) kao na slici 46. U svakom slučaju, povećanjem kuta upravljanja α ruši se izlazni napon ispravljača.

Pored upravljačke karakteristike ispravljača, postoji i izlazna karakteristika ispravljača koja prikazuje odnos srednje vrijednost izlaznog napona ispravljača dV α kao funkcija srednje vrijednosti struje trošila dI . Kod idealnog ispravljača srednja vrijednost napona na izlazu ispravljača ostaje konstantna neovisno o srednjoj vrijednosti struje kroz trošilo. Kod realnog ispravljača nije tako. Srednja vrijednost napona na izlazu pada s povećanjem izlazne struje (crtkane linije) radi gubitaka naponu unutar ispravljača (uzrokuju ga pad napona na radnim i induktivnim otporima, pad napona na poluvodičkim ventilima i pad napona uslijed komutacije).


Sl. 47. Izlazna karakteristika ispravljača sa slike 46 za otporno trošilo.

U nastavku naših razmatranja proučit će se jednofazni mosni spoj koji se sastoji od dva tiristora i dvije diode. Takav se ispravljač često naziva poluupravljivi jer se reguliranjem kuta upravljanja tiristora omogućuje se reguliranje srednje vrijednosti izlaznog napona dV α ( može i oznaka dv< > ) od 0 do punog napona trošila koji bi bio na izlazu iz ispravljača kod kuta 0α = ( kao da su umjesto tiristora diode). Na slici 48 prikazan je mosni spoj sa dva tiristora u katodnoj grupi i dvije diode u anodnoj grupi. ( Napomena: katodnoj grupi pripadaju svi poluvodički ventili kojima su katode zajednički spojene, a anodnoj grupi pripadaju ventili kojima su anode zajednički spojene). Slični rezultati se dobiju kada su tiristori u anodnoj grupi, a diode u katodnoj grupi. Isto se dobije kada je po jedan tiristor i jedna dioda u anodnoj i u katodnoj grupi (mogu biti kombinacije 1Q i 4Q tiristori a 2Q i 3Q diode ili 1Q i 4Q diode a 2Q i 3Q tiristori). Iz slike 48 se vidi razlika u valnim oblicima izlaznog napona kada je opterećenje radno i kada je opterećenje ispravljača pretežno induktivno. Radno opterećenje predstavljaju radna trošila (rasvjeta, grijaća tjela i slično), dok induktivna opterećenja predstavljaju elektromotori i slična trošila koja u sebi posjeduju induktivne komponente.


Sl. 48. Induktivno i radno opterećenje poluupravljivog ispravljača u mosnom spoju. Kad je ispravljač opterećen radnim trošilom, trenutna vrijednost izlaznog napona ispravljača ( )dv t može biti samo pozitivna, tako da je izlazni napon jednak 0 od kuta 0 do kuta α (vodi tiristor 1Q i dioda 2Q ). Nakon okidanja tiristora 1Q , izlazni napon ispravljača ( )dv t slijedi ( )Sv t od kuta α do kuta π (vodi tiristor 1Q i dioda 2Q ). Za vrijeme negativne poluperiode napona ( )Sv t , od kuta π do kuta α π+ ne vodi niti jedan poluvodički ventil, napon na trošilu ( )dv t jednak je 0. U trenutku α π+ okida

3Q , (vodi tiristor 3Q i dioda 4Q ). Napon ( )dv t na trošilu je pozitivan. Za slučaj radnog opterećenja vrijedi već poznata relacija za srednju vrijednost izlaznog napona:

[ ] [ ] 01 (1 cos )sin( ) ( ) cos( ) cos( )

2S S

d S dV VV V t d t t t V

ππ π

α α αα

αω ω ω ωπ π π

+= ⋅ = − = − =∫

gdje je:

2 sdO

VVπ⋅

=


Za slučaj induktivnog opterećenja vidljivo je da trenutna vrijednost izlaznog napon ispravljača ( )dv t postaje negativna. Kako je to moguće? Razlog je induktivitet koji se za vrijeme pozitivnog napona na trošilu (od kuta α do kuta π ) puni energijom. U tom periodu vode tiristor 1Q i dioda 2Q . No što će se desiti od kuta π do kuta π α+ ?? Odgovor je slijedeći: nagomilana energija u induktivitetu se prazni od kuta π do kuta π α+ - tada induktivitet nastavlja i dalje tjerati struju kroz tiristor 1Q i diodu 2Q makar je ulazni napon ( )Sv t promijenio smjer. Induktivitet tjera struju u + pol napona ( )Sv t - dakle induktivitet «vraća» energiju izvoru. Radi toga što tiristor 1Q i dioda 2Q vode od kuta π do kuta π α+ napon na trošilu ( )dv t je negativan. Naravno da to smanjuje srednju vrijednost napona na izlazu ispravljača dV α . Iz ovog izlaganja je vidljivo da je najveći mogući kut upravljanja za induktivno trošilo 90α = jer je tada površina pozitivnog dijela napona na trošilu jednaka površini negativnog dijela napona na trošilu pa je srednja vrijednos napona na trošilu 0dV α = V. Treba napomenuti da se struja trošila vrlo se malo mijenja radi velikog induktiviteta – trošilo je moguće promatrati i kao strujni izvor konstantne struje. Za slučaj induktivnog opterećenja vrijedi slijedeća relacija za srednju vrijednost izlaznog napona:

01 sin( ) ( ) cosd S dV V t d t V

π α

αα

ω ω απ

+

= ⋅ =∫

Na slici 49 se vidi upravljačka karakteristika sa slučaj radnog tereta (puna crta) i za slučaj induktivnog tereta (crtkano)

Sl. 49. Upravljačka karakteristika


Na kraju treba napomenuti da su ispravljačke karakteristike i trofaznih ispravljača jednake onima za jednofazne ispravljače za slučaj induktivnog trošila, dok se za slučaj radnog trošila malo razlikuju ( kut α kod kojeg je 0dV α = je manji od π (120-130 . Na slici 50 prikazan je valni oblik izlaznog napona i struje tiristora 1T za trofazni spoj sa srednjom točkom (isti kao na slici 42, samo su diode zamijenjene tiristorima ) za kut 30α = . Treba primijetiti da se kut α kod trofaznih sustava mjeri od sjecišta faznih napona – vidi sliku ).

Sl. 50. Izlazni napon i struje tiristora 1T za trofazni spoj sa srednjom točkom uz 30α = .

7. MREŽOM VOĐENI IZMJENJIVAČI I USMJERIVAČI

Prije nego objasnimo pojam usmjerivač potrebno je objasniti pojam izmjenjivač ili invertor. Izmjenjivač ili invertor je energetski pretvarač koji pretvara istosmjernu energiju u izmjeničnu energiju, dakle izmjenjivač ima obratnu funkciju od ispravljača (pretvara izmjeničnu energiju u istosmjernu energiju). Uređaje koji u jednom režimu rada mogu raditi kao ispravljači, a u drugom kao izmjenjivači nazivamo jednom riječju usmjerivačima. Topologija usmjerivača se može općenito prikazati shemom na slici 51.


Sl. 51. Toplologija usmjerivača

Usmjerivač na slici 51 može u jednom režimu rada ispravljati izmjeničnu energiju izvora ( )av t u istosmjerni napon dV kojeg predaje trošilu (ovdje prikazanog kao strujni izvor konstantne struje dcI ) – tok energije sa lijeve na desnu stranu. Taj način rada usmjerivača detaljno je obrađen u poglavlju «ispravljači». Međutim, ukoliko na istosmjernoj strani postavimo aktivni strujni izvor ( ne potrošač), postavlja se pitanje: «Kako treba upravljati preklopkama da uređaj na slici 51 pretvara istosmjernu energiju aktivnog strujnog izvora u izmjeničnu i preda je izmjeničnoj strani – tok energije sa desne na lijevu stranu. Pogledajmo prvo ispravljački režim rada sklopa na slici 51 .Ako naizmenično ukapčamo P pa onda N preklopke na slici 51, sa kutom upravljanja α između 0 i 90 govorimo o ispravljačkom režimu rada. Valni oblici istosmjernog napona ( )dv t , izmjeničnog napona izvora ( )av t i struje ( )ai t za 0α = i 30α = prikazani su na slici 52.

Sl. 52. Valni oblici napona ( )dv t i struje ( )ai t za 0α = i 30α =


Ako se pogledaju valni oblici izmjeničnog napona na izvoru ( )av t i struje izvora

( )ai t uočava se da većinu vremena pozitivan poluval napona izvora ( )av t generira pozitivnu struja izvora ( )ai t , a negativan poluval napona ( )av t negativnu struju ( )ai t , što znači da izmjenični izvor većinu vremena predaje energiju trošilu. Uočimo da je srednja vrijednost napona ( )dv t ( označava se kao dV α ) pozitivna (veći je dio pozitivne površine ispod krivulje ( )dv t od dijela negativne površine). Promotrimo sada izmjenjivački režim rada sklopa na slici 51 .Ako naizmenično ukapčamo P pa onda N preklopke na slici 51, sa kutom upravljanja α između 90 i 180 govorimo o izmjenjivačkom režimu rada. Valni oblici istosmjernog napona ( )dv t , izmjeničnog napona ( )av t i struje ( )ai t za 130α = i 180α = prikazani su na slici 53.

Sl. 53. Valni oblici napona ( )dv t i struje ( )ai t za 130α = i 180α = Ako se pogledaju valni oblici izmjeničnog napona ( )av t i izmjenične struje ( )ai t uočava se da je za većinu većinu vremena vrijedi da za vrijeme pozitivanog poluvala izmjeničnog napona ( )av t teče pozitivnu struju na izmjeničnoj strani ( )ai t , a za vrijeme negativnog poluvala napona ( )av t teče negativna struja ( )ai t na izmjeničnoj strani, što znači da izmjenični izvor većinu vremena prima energiju od nekog vanjskog aktivnog izvora. Uočimo da je srednja vrijednost napona na istosmjernoj strani dV α negativna (veći je dio negativne površine ispod krivulje ( )dv t od dijela pozitivne površine). (Objašnjenje: Izmjenični izvor možemo shvatiti kao istosmjerni izvor koji periodički mijenja polaritet napona. Struja izvora može teći iz izvora ili u izvor. Struja teče iz izvora kada iz + stezaljke izvora izlazi struja u vanjski strujni krug (izvor tjera struju u vanjski strujni krug) – tada kažemo da je izvor struje uistinu izvor, odnosno generator električne energije. S druge pak strane, struja teče u izvor, ako u + stezaljku izvora ulazi struja iz vanjskog kruga. To znači da u vanjskom krugu postoji izvor većeg


napona. U tom slučaju naš izvor u stvari postaje trošilo i energija se prenosi u sam izvor. Ukratko: Ako struja teče iz izmjeničnog izvora, tada izvor predaje energiju istosmjernom vanjskom krugu – ispravljački režim rada. Ako struja teče u izvor, tada istosmjerni vanjski krug predaje energiju izmjeničnom izvoru – izmjenjivački režim rada). Na slici 54 prikazani su jednofazni ispravljači u mosnom spoju koji izmjeničnu energiju pretvaraju u istosmjernu. Desna slika prikazuje napajanje pasivnog trošila ( serijski spoj induktiviteta i otpora), a lijeva slika napajanje trošila koje u sebi ima istosmjerni izvor napona – recimo akumulatorska baterija ili istosmjerni motor u pogonu. Ovdje je bitno uočiti da struja na istosmjernoj strani ulazi u + pol baterije na istosmjernoj strani, što znači da se baterija puni, odnosno da se energija daje istosmjernoj strani.

Sl. 54. Ispravljački režim rada – na istosmjernoj strani može biti aktivno ili pasivno

trošilo

Na slici 55 prikazani su jednofazni izmjenjivači realizirani tranzistorskim preklopkama koji istosmjernu energiju baterije na desnoj strani pretvaraju u izmjeničnu – tok energije sa desne na lijevu stranu. Desna slika prikazuje napajanje pasivnog trošila izmjeničnom strujom. Takav se izmjenjivač naziva i autonomni izmjenjivač. Autonomnim izmjenjivačem možemo generirati bilo koji izlazni napon izmjenične struje bilo koje frekvencije – on je potpuno autonoman. Primjena – Elektrotermija. Lijeva slika prikazuje priključenje izmjenjivača na aktivnu izmjeničnu mrežu kojoj se predaje električna energija (aktivna mreža u sebi ima jedan ili više generatora izmjenične struje, takva mreža ima fiksnu frekvenciju struje). Takav se izmjenjivač naziva mrežom vođeni izmjenjivač jer mu je izlazni izmjenični napon i frekvencija strogo diktirana naponom i frekvencijom izmjenične mreže. Frekvencijom i fazom uključivanja tranzistora isključivo diktira izmjenična mreža (inače bi došlo do pregaranja sklopa). U oba slučaja na slici 54 istosmjerna baterija se prazni i njena se energija predaje izmjeničnoj strani.


Sl. 55. Izmjenjivački režim rada – na izmjeničnoj strani može biti aktivna mreža (mrežom vođeni izmjenjivač) ili pasivno trošilo (autonomni izmjenjivač)

7.1 Jednofazni mrežom vođeni usmjerivač u mosnom spoju

U podpoglavlju 5.4 detaljno je opisan jednofazni poluupravljivi ispravljač u mosnom spoju, te je izvedena relacija koja povezuje kut upravljanja tiristora α sa srednjom vrijednosti izlaznog napona dV α (upravljačka karakteristika ispravljača). Za taj ispravljač smo nacrtali upravljačku karakteristiku (vidi sliku 49). Iz karakteristike je vidljivo da je maksimalni kut upravljanja 90α = za induktivni potrošač. Postavlja se pitanje, što bi se dogodilo ako bi kontrolna elektronika generirala impulse okidanja tiristora za kutove upravljanja 90 180α< < ?? Ništa naročito! Napon na izlazu ispravljača bi i dalje bio 0dV α = . Međutim što bi se desilo ako bi naš ispravljač imao sva 4 tiristora, te ako bi na istosmjernoj strani ispravljača dodali istosmjerni izvor napona i podesili kutove upravljanja 90 180α< < ?? Tada bi naš ispravljač prešao u izmjenjivački režim rada. Budući da isti sklop može uz promjenu kuta upravljanja i dodavanje aktivnog izvora može biti i ispravljač i izmjenjivač, sklop se jednom riječju naziva usmjerivač. Ovakvi uređaji se koriste u istosmjernim elektromotornim pogonima promjenjive brzine. Istosmjerni motori se još uvijek koriste zbog odličnog poteznog momenta koji je nužan u elektromotornoj vuči. Napajanje motora osigurava usmjerivač koji pretvara izmjeničnu energiju brodske mreže u istosmjernu energiju za napajanje motora (ispravljački režim rada usmjerivača). Međutim, usmjerivač ne samo da omogućava napajanje motora, već također omogućava i električno kočenje motora. Kod električkog kočenja motor prelazi u generatorski način rada, istosmjerni napon generatora se u usmjerivaču pretvara u izmjenični i vraća se u brodsku mrežu (izmjenjivački režim rada). Kako je to moguće? Pa razlike u konstrukciji između istosmjernog elektromotora i generatora u biti i nema. Samo je stvar u tome da se kod motora dovodi električna energija na priključke motora, a kao rezultat se dobije rotirajuća mehanička energija, a kod generatora obratno – mehanička energija se pretvara u električnu. Stoga prijelaz između motorskog i generatorskog režima rada istosmjernog stroja ovisi samo o tome da


li je motor opterećen momentom tereta (recimo dizalica diže teret – ispravljač napaja motor) ili moment tereta okreće rotor (dizalica spušta teret – izmjenjivač pretvara istosmjerni napon generatora u izmjenični napon i vraća u mrežu). Kao što u ispravljačkom režimu rada dovođenjem veće električne snage na priključke motora dobivamo sve veću mehaničku snagu na rotoru motora (snaga dizanja tereta brodske dizalice), tako u izmjenjivačkom režimu rada odvođenjem veće električne snage sa stezaljki istosmjernog generatora ujedno i odvodimo mehaničku energiju sa rotora – kočimo generator i time usporavamo spuštanje tereta brodske dizalice (mehanička snaga spuštanja tereta brodske dizalice se pretvara u izmjeničnu energiju koja se vraća u brodsku mrežu). Na ovaj način su moguće uštede električne energije i na taj način potrebnog goriva za pogon izmjeničnih generatora. Princip rada jednofaznog mrežom vođenog usmjerivača u mosnom spoju prikazan je na slici 56.

Sl. 56. Jednofazni usmjerivač u izmjenjivačkom režimu rada


Na slici 53 prikazani su valni oblici izmjeničnog napona ( )Sv t i izmjenične struje ( )Si t - (na slici 52 i 53 ulazni napon i struja se označavaju kao ( )av t i ( )ai t ), te valni

oblici napona na istosmjernoj strani ( )dv t . Vidljivo je da je u izmjenjivačkom režimu rada srednja vrijednost istosmjernog napona dV α negativna i njezina veličina ovisna o kutu α . Ako negativan napon kojeg generira izmjenjivač dV α prikažemo na shemi kao istosmjerni izvor dobije se nadomjesna shema izmjenjivača (slika 57).

Sl. 57. Nadomjesna shema izmjenjivača

Na slici 57. pored napona izmjenjivača dV α (koji je funkcija kuta α ) postoji i napon istosmjernog izvora dE . Ako je napon d dE V α> , tada struja dI teče kao na slici 57 i iznosi (induktivitet dL je «nevidljiv» za istosmjernu struju):

d dd

E VIR

α−=

Vidi se da je iznos struje dI , a time i snage koja se iz istosmjernog izvora dE predaje istosmjernom izvoru dV α (izmjenjivaču) ovisna o kutu naponu dV α koji je opet funkcija kuta α . Na taj način se može regulirati snaga kočenja istosmjernog generatora. Upravljačka karakteristika mrežom vođenog usmjerivača Ako se sada nacrta zajednička upravljačka karakteristika ispravljača opterećenog induktivnim teretom i izmjenjivača, dobije se upravljačka karakteristika usmjerivača (sl. 58).


Sl. 58. Upravljačka karakteristika i kvadranti rada jednofaznog usmjerivača u mosnom

spoju Upravljačka karakteristika usmjerivača (sl. 58 a) je za kutove upravljanja 0 90α< < ista kao ispravljačka karakteristika za induktivni teret koja je nacrtana na slici 49. Usmjerivač radi kao ispravljač, električna energija teče od izmjenične ka istosmjernoj strani, srednja vrijednost izlaznog napona dv< > ( ili dV α ) je pozitivna, struja trošila dI je također pozitivna i kažemo da usmjerivač radi u prvom kvadrantu koordinatnog sustava dv< > : dI (vidi sliku 58 b). Za kutove upravljanja usmjerivača 90 180α< < i uz uvjet da je na izlazu usmjerivača priključen istosmjerni naponski izvor

dE , srednja vrijednost istosmjernog napona dv< > ( ili dV α ) je negativna, struja trošila

dI je pozitivna, pa električna energija teče od istosmjernog izvora dE ka izmjeničnoj strani - kažemo da ispravljač radi u četvrtom kvadrantu koordinatnog sustava. Upravljačka karakteristika usmjerivača je dakle:

0 cosd dV Vα α= gdje je:

2 sdO

VVπ⋅

=

Faktor snage usmjerivača pk se također mijenja po zakonu kosinusa i ovisi o kutu α te je dat na slici 59.


Sl. 59. Faktor snage usmjerivača

Pozitivan faktor snage znači da je je izmjenična mreža izvor, a negativni faktor snage da je izmjenični izvor postao trošilo. Izlazna karakteristika usmjerivača Izlazna karakteristika mrežom vođenog usmjerivača prikazana je na slici 60.

Sl. 60 Izlazna karakteristika usmjerivača Na slici 60 se vidi idealna (puna linija) i realna (crtkano) izlazna karakteristika izmjenjivače za različite kutove upravljanja α . Za idealni usmjerivač vrijedi da


napon dV α ostaje konstantan neovisno o struji dI , međutim kod idealnog usmjerivača to nije tako iz razloga objašnjenih u prethodnom poglavlju. 8. AUTONOMNI IZMJENJIVAČI

Do sada smo opisivali fazno upravljive izmjenjivače koji pripadaju kategoriji mrežom vođenih izmjenjivača. Mrežom vođeni izmjenjivač može prenositi energiju samo u aktivnu mrežu (radnu frekvenciju određuje aktivna izmjenična mreža). Upoznali smo se i sa rezonantnim izmjenjivačem koji je opisan u uvodnom poglavlju. I kod rezonantnog izmjenjivača frekvenciju preklapanja preklopki određuju titrajni krug u samom izmjenjivaču. Rezonantni izmjenjivači mogu prenositi energiju samo u pasivnu mrežu. Autonomni izmjenjivači mogu prenositi energiju i u aktivnu i u pasivnu mrežu. Ukoliko prenose energiju u pasivnu mrežu, mogu biti podešeni na bilo koju frekvenciju izlaznog napona (zato se zovu autonomni – prev: samostalni, nezavisni). 8.1 Izmjenjivač sa utisnutom strujom Na slici 61 prikazan je autonomni tranzistorski izmjenjivač koji je priključen na aktivnu izmjeničnu mrežu. Frekvencija izmjenične struje aktivne mreže određuje frekvenciju prekapčanja tranzistorskih sklopki (da na strani trošila nije priključena aktivna mreža, već pasivna mreža, ovaj izmjenjivač bi mogao generirati izmjenični napon bilo koje frekvencije-bio bi autonomni izmjenjivač).

Sl. 61. Izmjenjivač s utisnutom strujom

Izmjenjivač s utisnutom strujom napaja se istosmjernim strujnim izvorom (serijski spoj istosmjernog naponskog izvora i induktiviteta). Strujni izvor tjera istosmjernu


struju kroz tranzistorske sklopke koje naizmjenično preklapaju. Uvijek rade dvije po dvije preklopke u paru. Kada uklope preklopke 1T i , 4T , tada preklopke 2T i 3T moraju biti isključene. Istosmjerna struja ulazi u izmjenični izvor s lijeve na desnu stranu. Nakon jedne poluperiode izmjeničnog napona, uklope preklopke 2T i 3T , a preklopke 1T i 4T se isključuju. Istosmjerna struja ulazi u izmjenični izvor s desne na lijevu stranu izmjeničnog izvora. Valni oblici napona i struje izmjenične strane prikazani su na slici 62.

Sl. 62. Valni oblici na izmjeničnoj strani izmjenjivača

Ako postoji fazni pomak napona i struje na izmjeničnoj strani tada je moguće proračunati snagu isporučenu izmjeničnoj mreži:

1 cos2

ac aac

V IP ⋅= Θ

gdje je:

14 dc

aIIπ⋅

=

Faktor snage izmjenične mreže iznosi:

1

112 cos cos2 2

2

ac a

a

ac adc

V II

V IIλ

⋅

= Θ = Θ⋅⋅

Iz gornje relacije se može zaključiti da što je Θ veći, λ je manji. Smanjenje snage povećanjem Θ baš i nije poželjno !


8.2 Izmjenjivanje na principu širinsko impulsne modulacije Na slici 63 prikazan je tranzistorski autonomni izmjenjivač vrlo sličan izmjenjivaču na slici 61. Razlika je što izmjenjivač na slici 63 napaja pasivno trošilo, a ne aktivnu mrežu, pa ovaj izmjenjivač spada u kategoriju autonomnih izmjenjivača – moguće mu je po volji odabrati izlaznu frekvenciju. Druga je razlika u načinu uključivanja tranzistorskih sklopki.

Sl. 63. Shema i valni oblici autonomnog izmjenjivača upravljanog pulsno-širinskom modulacijom

Način rada ovog tipa izmjenjivača može se shvatiti iz slike 63. Da bi izmjenjivač generirao pozitivnu i negativnu periodu sinusne izmjenične struje kroz trošilo, potrebno je generirati 6 pozitivnih pulseva i 6 negativnih pulseva pravokutnog napona av , koji se dovodi na trošilo. Pozitivni pulsevi napona av generiraju se na način da se uključi tranzistor 4Q za vrijeme trajanja cijele pozitivne poluperiode, a tranzistori 1Q i 2Q


naizmjenično uklapaju i isklapaju (kad je jedan uključen, drugi je isključen). U slučaju kad su uključeni 1Q i 4Q , tada je napon a dcv V= , a kad su uključeni 2Q i 4Q , tada je napon 0av = . Negativni pulsevi napona av generiraju se na način da se uključi tranzistor

3Q za vrijeme trajanja cijele negativne poluperiode, a tranzistori 1Q i 2Q naizmjenično uklapaju i isklapaju (kad je jedan uključen, drugi je isključen). U slučaju kad su uključeni

3Q i 2Q , tada je napon a dcv V= − , a kad su uključeni 3Q i 1Q , tada je napon 0av = . Iz slike je vidljivo da širina impulsa nije jednaka, tj. impulsi su uži na početku i kraju poluperiode, a najširi su na sredini poluperiode. To je zbog toga jer se želi dobiti sinusni oblik struje kroz trošilo (trošilo se sastoji od serijskog spoja otpornika i induktiviteta) koja je nužna za pogon određenih vrsta pogona. Jačina struje kroz otporno-induktivno trošilo ovisi o širini pravokutnog impulsa. Što je impuls uži, srednja vrijednost struje kroz trošilo je manja, a što je impuls širi, struja je veća. Sužavajući i šireći impulse, možemo dobiti otprilike sinusni oblik izlazne struje. Ovaj izmjenjivač ne generira 3 harmonik struje, što znači da osim sinusoidalne struje osnovne frekvencije (osnovni harmonik) ne generira smetnje u obliku sinusoidalne struje manje amplitude i 3 puta veće frekvencije od frekvencije osnovnog harmonika. Treći harmonik struje izaziva niz problema u elektromotorima (dodatna zagrijavanja namota i slično) i valja ga eliminirati ili svesti na najmanju moguću mjeru. 8.3 Trofazni autonomni izmjenjivači Trofazni autonomni izmjenjivači su uređaji koji pretvaraju istosmjernu energiju u trofaznu izmjeničnu energiju. Trofazni izmjenjivač se može dobiti pomoću tri jednofazna izmjenjivača koji generiraju tri jednofazna sinusna napona koji su međusobno pomaknuti za 120 . Izmjenjivač na slici 64 generira tri napona av , bv i cv .


Sl. 64. Trofazni izmjenjivač i izlazni naponi iz izmjenjivača

Na slici 65 prikazana je izvedba izmjenjivača sa slike 64.

Sl. 65. Izvedba izmjenjivača sa slike 64

Na slici 65 se vidi da je izmjenjivač izveden sa 12 preklopnika. Preklopke 1 4a aS S− odgovaraju prvom jednofaznom izmjenjivaču koji generira izmjenični napon

av . Na sličan način preklopke 1 4b bS S− i 1 4c cS S− pripadaju drugom i trećem izmjenjivaču koji generiraju napone bv i cv . Fazni pomak napona av , bv i cv su 120 . Da bi se to postiglo, bitno je da preklopke 1aS i 2aS , 1bS i 2bS te 1cS i 2cS preklapaju u protutaktu. Nadalje bitno je da sklopni trenutci preklopi 1aS - 1bS - 1cS i preklopki 2aS - 2bS -

2cS budu pomaknuti za 120 .


Na slici 66 prikazan je trofazni izmjenjivač koji generira tri linijska napona abv ,

bcv i cav . Ovaj izmjenjivač je pogodan za trošila za čiji pogon ne trebaju fazni naponi av ,

bv i cv , nego linijski naponi (trošila su spojena u trokut). Prikazani izmjenjivač je pri tome jednostavniji nego izmjenjivač na slici 65 jer se sastoji samo od 6 preklopki. Uočite da izlazni naponi nisu sinusni već pravokutni (nalikuju na sinusni signal). No prvi harmonici ovih napona koji se dobiju nakon filtriranja su čisti sinusni naponi. Na desnoj strani slike 66 prikazan je redoslijed ukapčanja i iskapčanja pojedinih preklopki, te valni oblik izlaznih napona.

Sl. 66. Trofazni izmjenjivač koji generira linijske napone abv , bcv i cav .

I na kraju priče o trofaznim izmjenjivačima prikažimo trofazni izmjenjivač sa srednjom točkom u istosmjernom naponskom izvoru i njegove pripadajuće valne oblike. Ovaj izmjenjivač se napaja s dva istosmjerna naponska izvora. Trošilo je trofazno i spojeno je u zvijezdu ( npr. trofazni asinkroni elektromotor). Izmjenjivač pretvara istosmjernu energiju baterija u izmjeničnu energiju potrebnu za pogon motora.


Sl. 77. Trofazni izmjenjivač sa srednjom točkom na u istosmjernom naponskom izvoru

Ovaj izmjenjivač generira fazne napone i može koristiti samo kod izmjeničnih trošila spojenih u spoju zvijezda. Preklopke spajaju u protutaktu i uključene su 180 . No naravno, postoje i drugi sklopni rasporedi, primjerice takovi koji daju kvazi-pravokutni fazni napon.


9. Istosmjerno – istosmjerni pretvarači Istosmjerno-istosmjerni pretvarači su uređaji energetske elektronike koji pretvaraju istosmjernu električnu energiju jednih parametara u istosmjernu energiju drugih parametara. U uvodnom poglavlju su objašnjena načela rada istosmjerno-istosmjernog pretvarača. Radi toga će se u ovom poglavlju izvršiti podjela pretvarača i izvesti transformatorske jednadžbe pretvarača. Istosmjerne pretvarače dijelimo na pretvarače bez galvanskog odvajanja (bez transformatora) i na pretvarače s galvanskim odvajanjem (s transformatorom). Mi ćemo se baviti načelima rada pretvarača bez galvanskog odvajanja, a na kraju ćemo spomenuti jednu vrstu pretvarača s transformatorom. Istosmjerno – istosmjerni pretvarači bez galvanskog odvajanja su:

a) silazni pretvarači (buck converter) b) uzlazni pretvarači (boost converter) c) silazno – uzlazni pretvarač (buck-boost converter)

9.1 Silazni istosmjerno-istosmjerni pretvarač Osnovno načelo rada silaznog pretvarača objašnjen je u uvodu. Rad pretvarača zasniva se na brzom preklapanju preklopke u strujnom krugu prikazanom na slici 78 (brzina rada preklopke je reda veličine nekoliko kHz). Pri tome je trošilo na slici predstavljeno s strujnim izvorom konstantne struje dI (već prije je objašnjeno da se struja velikih, pretežno induktivnih trošila ne može promijeniti za vrijeme brzog prekapčanja preklopke, pa ih možemo shvatiti kao izvori koji tjeraju konstantnu struju).


Sl. 78. Principijelna shema silaznog pretvarača

Na slici 78 se vidi principijelna shema silaznog istosmjerno-istosmjernog pretvarača. Na donjem dijelu slici prikazani su pravokutni naponi na trošilu ( )dv t i struja

baterije ( )Bi t . Preklopka S prekapča periodom 1

prekapčanja

Tf

= . Jedan dio vremena

ukupnog perioda T sklopka je uključena i to vrijeme nazivamo «vrijeme vođenja sklopke» ( vt ). Ostatak vremena je sklopka isključena pa to vrijeme nazivamo «vrijeme pauze» ( pt ) . Uvijek mora biti zadovoljeno:

v pt t T+ =

Već u samom uvodnom dijelu je definiran faktor vođenja D . Faktor vođenja sklopke je veličina koja definira odnos vremena vođenja sklope ( vt ) i perioda T , pa vrijedi:

vtDT

=

gdje je: D - faktor vođenja 0 1D≤ ≤


Iz gornje jednadžbe proizlazi da je vrijeme vođenja vt D T= ⋅ , a vrijeme pauze (1 )pt D T= − ⋅ . Srednja vrijednost napona na trošilu dV može se dobiti ako odredimo

površinu ispod krivulje valnog oblika napona ( )dv t u jednom periodu T i to podijelimo s jednim periodom T :

0

( )T

d d BV v t dt DV= =∫

Na taj način smo dobili prvu transformatorsku jednadžbu pretvarača koja povezuje ulazni i izlazni napon pretvarača. Faktor koji ih povezuje je faktor vođenja D . Budući da uvijek mora biti zadovoljeno da je srednja snaga na ulazu u pretvarač jednaka srednjoj snazi na izlazu iz pretvarača može se napisati:

B B d dV I V I= Iz gornje jednadžbe proizlazi druga transformatorska jednadžba pretvarača (transformatorske jednadžbe se zovu jer neodoljivo podsjećaju na osnovne jednadžbe jednofaznog transformatora):

1Bd B B

d

VI I IV D

= ⇒

Na slici 79 prikazana je kompletna shema silaznog pretvarača. Shema se razlikuje od slike 78 po tome što su na izlazu dodani induktivitet i kapacitet, te se na taj način omogućuje spajanje i otpornog trošila na izlazu pretvarača.

Sl. 79. Silazni pretvarač

Ukoliko je kapacitet C jako velik, izlazni napon ( )dv t je konstantan. Kako izvesti transformatorske jednadžbe za ovaj sklop ? Naravno, one moraju izgledati isto kao i za pretvarač na slici 78 jer su oba silazni pretvarači. Dakle kad u igri imamo kapacitet i


induktivitet, transformatorska jednadžba se izvodi na način da se primjene jedno od slijedećih pravila:

1) srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti jednaka nuli,

2) srednja vrijednost struje kroz kapacitet u periodu T mora uvijek biti jednaka

nuli. Ako pretpostavimo da silazni pretvarač radi u neisprekidanom režimu rada (izlazna struja nikad ne pada na nulu – struja trošila je neisprekidana) mogu se nacrtati valni oblici napona i struje kroz induktivitet (slika 79). Rad pretvarača moguće je opisati na slijedeći način. Dok je sklopka S zatvorena (vrijeme DT ) iz izvora teče struja Bi , prolazi kroz sklopku S , induktivitet L , kondenzator C i trošilo R . Dioda D ne vodi struju jer je zaporno polarizirana. Struja kroz induktivitet L linearno raste. Napon na induktivitetu jednak je ( B dV V− ). Induktivitet L se «nabija» magnetskom energijom. Kapacitet C se puni i napon se na njemu povećava. Dok je sklopka S otvorena (vrijeme (1 )D T− ) iz izvora prestaje teći struja Bi . Dioda D vodi struju jer je propusno polarizirana. Struja kroz induktivitet L linearno pada. Napon na induktivitetu jednak je ( dV− ). Magnetska energija induktiviteta L se «izbija». Kapacitet C se prazni i napon se na njemu smanjuje.

Sl. 80. Valni oblici napona i struje induktiviteta za neisprekidani rad pretvarača


Ako se primjeni pravilo da srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti jednaka nuli, iz slike 80 proizlazi:

( ) (1 )B d dV V DT V D T− = −

Uređivanjem gornje jednadžbe dobije se prva transformatorska jednadžba.

d BV DV=

Strujna jednadžba dobiva se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage što je već objašnjeno u prethodnom primjeru pa je:

1

d BI ID

= ⋅

Silazni tiristorski pretvarač (čoper) Na slici 81 prikazan je tiristorski silazni istosmjerni pretvarač popularno zvan

čoper (chopper).

Sl. 81. Tiristorski silazni pretvarač (čoper)

Ova shema u potpunost odgovara shemi na slici 78, samo što je trošilo prikazano

serijskim spojem induktiviteta dL i otpora dR . Sklopka S u shemi 78 je zamijenjena sklopom na slici 81 koja se sastoji od dva tiristora 1T , 2T , diode D , kapaciteta C i induktiviteta L . Postavlja se pitanje: «Zar je moguće da je potrebno tako puno komponenata da zamjeni jednu običnu sklopku?!». Razlog je u tome što je tiristor poluupravljiva komponenta koja se lako može uklopiti, međutim za isklapanje tiristora u


istosmjernom krugu potrebno je «srušiti» glavnu struju tiristora na nulu (struja anoda-katoda). Upravo komponente 2T , C , D i L predstavljaju sklop koji omogućava isključivanje tiristora na način da «ruše» glavnu struju na nulu. Takav skup komponenti se nazivaju komutacijski sklop tiristora.

Na slici 82 prikazan je izlazni napon iz čopera sa slike 81.

Sl. 82. Izlazni napon iz čopera.

Rad čopera se može opisati na slijedeći način. Pretpostavimo da niti jedan tiristor

ne vodi struju do trenutka 0t . Kada želimo uključiti sklopku (tiristor) potrebno je u trenutku 0t dovesti okidni impuls na gejt tiristora 1T (master tiristor) koji se nalazi u stanju blokiranja i trenutno prelazi u stanje vođenja te provodi struju od izvora E , preko

1T , trošila, nazad u izvor. Dioda 1D ne vodi. Istovremeno se kondenzator C nabija na napon izvora E , jer provođenjem tiristora 1T poteče sinusna struja titrajnog kruga

, ,L D C . Kondenzator se nabije na napon E nakon jedne poluperiode sinusne struje kroz titrajni krug, tako da mu je + na donjoj elektrodi. Takvo stanje traje do trenutka 1t , kada se dovodi impuls na gejt tiristora 2T , koji ovdje služi samo zato da bi isključio glavni tiristor 1T . Uključenjem tiristora 2T , na tiristor 1T dolazi reverzni napon koji u periodu od

1t do 2t ruši njegovu struju na nulu. U trenutku 2t , tiristor 1T iskapča, te od 2t do 3t ne teče struja kroz trošilo, napon na izlazu čopera jednak je nuli. To traje sve do trenutka 3t kada se cijeli proces ponavlja. Mijenjanjem vremena dovođenja impulsa na tiristore 1T i

2T mogu se mijenjati vremena vođenja vt i vremena pauze pt sklopke na slici 78, i na takav način regulirati srednju vrijednost izlaznog napona čopera.


9.2 Uzlazni istosmjerno-istosmjerni pretvarač

Pored silaznog pretvarača koji na svom izlazu uvijek «daje» manji izlazni napon od ulaznog, postoji i istosmjerni uzlazni pretvarač koji na svom izlazu daje veći napon od ulaznog napona. Na slici 83. prikazan je uzlazni pretvarač. Izlazni napon se može teoretski mijenjati od BV do ∞ (pretpostavka je da je vrijednost kapaciteta C tako velika da je dv = konstantno).

Sl. 83. Uzlazni pretvarač

Valni oblici napona i struje kroz induktivitet prikazana je na slici 84.

Sl.84. Valni oblici napona i struje induktiviteta


Rad uzlaznog pretvarača može se objasniti na slijedeći način. Dok je sklopka S zatvorena (vrijeme DT ) iz izvora teče struja Bi , prolazi kroz sklopku S i induktivitet L . Napon na induktivitetu jednak je ( BV ). Induktivitet L se «nabija» magnetskom energijom. Struja kroz induktivitet Li linearno raste (vidi sliku 84). Dioda D ne vodi struju jer je zaporno polarizirana. Kondenzator C (koji je bio prethodno nabijen) se prazni i tjera struju di kroz trošilo R . Dok je sklopka S otvorena (vrijeme (1 )D T− ) struja izvora Bi koja je jednaka struji induktiviteta Li počinje linearno padati (vidi sliku 84). Uzrok tome je negativni napon na induktivitetu ( d BV V− ) ; uočite da je izlazni napon dV veći od napona baterije

BV . Magnetska energija induktiviteta L se «izbija». Upravo pad struje kroz induktivitet

izaziva negativni napon samoindukcije LdiV Ldt

= ( u odnosu na referentno postavljeni

napon kojeg određuje smjer strelice napona na induktivitetu), a koji nastaje radi toga što se induktivitet opire smanjivanju struje. Taj napon samoindukcije se zbraja sa naponom baterije (istog su predznaka), dioda D vodi struju jer je propusno polarizirana, kapacitet C se nabija na viši napon od napona izvora BV . Budući da je otpor R paralelno spojen kapacitetu C , napon na otporu R jednak je naponu na kapacitetu C . Transformatorske jednadžbe ovog pretvarača se mogu izvesti iz poznatog uvjeta da srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti jednaka nuli, iz slike 84 proizlazi:

( )(1 )B d BV DT V V D T= − −


(1 )B dV V D= − ili 1

1d

B

VV D

=−

Iz gornje jednadžbe se vidi da je za 0D = izlazni napon d BV V= . Ako je 0 1D< < , tada je izlazni napon d BV V> , i dV je to veći što je D bliže jedinici.

Strujna jednadžba dobiva se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage:

1d B

B d

I V DI V

= = −


9.3 Istosmjerni silazno-uzlazni pretvarač

Treća vrsta istosmjernih pretvarača bez galvanskog odvajanja su istosmjerni silazno uzlazni pretvarači. Na slici 85. prikazan je silazno - uzlazni pretvarač. Izlazni napon se može teoretski mijenjati od 0 do ∞ (pretpostavka je da je vrijednost kapaciteta C tako velika da je dv = konstantno). Treba napomenuti da je izlazni napon obrnuto polariziran ( + je na donjem kraju otpora R , a – je na gornjem kraju otpora).

Sl. 85. Silazno - uzlazni pretvarač

Valni oblici napona i struje kroz induktivitet prikazana je na slici 86.

Sl.86. Valni oblici napona i struje induktiviteta

Rad uzlaznog pretvarača može se objasniti na slijedeći način. Dok je sklopka S zatvorena (vrijeme DT ) iz izvora teče struja Bi , prolazi kroz sklopku S i induktivitet L . Napon na induktivitetu jednak je ( BV ). Induktivitet L se «nabija» magnetskom energijom. Struja kroz induktivitet Li linearno raste (vidi sliku 86). Dioda D ne vodi struju jer je zaporno polarizirana. Kondenzator C (koji je bio prethodno nabijen) se prazni i tjera struju di kroz trošilo R .


Dok je sklopka S otvorena (vrijeme (1 )D T− ) dioda D otvara, struja induktiviteta Li se zatvara kroz kapacitet, trošilo i diodu i počinje linearno padati (vidi sliku 86). Uzrok tome je negativni napon na induktivitetu ( dV− ). Magnetska energija induktiviteta L se «izbija». Upravo pad struje kroz induktivitet izaziva negativni napon

samoindukcije LdiV Ldt

= (u odnosu na referentni napon kojeg označava strelica), a koji

nastaje radi toga što se induktivitet opire smanjivanju struje. Kapacitet C se nabija na napon LV . Budući da je otpor R paralelno spojen kapacitetu C , napon na otporu R jednak je naponu na kapacitetu C . Transformatorske jednadžbe ovog pretvarača se mogu izvesti iz poznatog uvjeta da srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti jednaka nuli, iz slike 86 proizlazi:

(1 )B dV DT V D T= −


1d

B

V DV D

=−

Iz gornje jednadžbe se vidi da je za 0D = , izlazni napon 0dV = . Ako je 0 1D< < , tada je izlazni napon d BV V> , i dV je to veći što je D bliže jedinici.

Strujna jednadžba dobiva se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage:

1d

B

I DI D

−=


9.4 Istosmjerni pretvarač s galvanskim odvajanjem Na kraju izlaganja o istosmjernim pretvaračima razmatrat će se i drugi pretvarač koji također postiže viši izlazni napon kao i uzlazni pretvarač. Na slici 87. prikazan je silazni pretvarač koji koristi transformator za podizanje napona. Izlazni napon se može

teoretski mijenjati od 0 do 2

1

N DN

(pretpostavka je da je vrijednost kapaciteta C tako

velika da je dv = konstantno).

Sl. 87. Galvanski odvojen istosmjerni pretvarač

Valni oblici napona dv na trošilu pretvarača sa slike 87 (bez induktiviteta L i kapaciteta C ) bez i sa transformatorom su prikazani na slici 88.

Sl.88. Valni oblici napona na trošilu dv sa i bez transformatora


Na slici 88 a) prikazani je valni oblika napona na induktivitetu Lv za pretvarač sa slike 87.

Sl. 88 a. Valni oblici napona sa i bez transformatora i napona na induktivitetu

Princip rada ovog pretvarača je vrlo sličan silaznom pretvaraču, uz dopunu da se pravokutni napon na primaru transformira u viši sekundarni napon preko transformatora, što se jasno vidi na slici 88. Transformatorske jednadžbe ovog pretvarača se mogu izvesti iz poznatog uvjeta da srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti jednaka nuli, iz slike 88 proizlazi:

2

1

( ) (1 )B d dNV V DT V D TN

− = −


2

1

d

B

V N DV N

=

10. Izmjenični pretvarači

Izmjenični pretvaraču su uređaji energetske elektronike koji pretvaraju izmjeničnu energiju jednih parametara električne energije u izmjenični energiju promijenjenih parametara. Izmjenični pretvarači dijele se na pretvarače napona i pretvarače frekvencije. Mogli bi smo i transformator svrstati u izmjenične pretvarače, jer i on pretvara jedan iznos izmjeničnog napona i struje primara u neki drugi iznos izmjeničnog napona i struje sekundara (ne može pretvarati jednu frekvenciju u drugu frekvenciju). No, transformator spada u električne strojeva, a ne u izravne izmjenične pretvarače, jer koristi elektromagnetski princip pretvorbe, a ne preklapanje poluvodičkih ventila.


10.1 Izmjenični pretvarač napona (izmjenični regulator napona) Izmjenični regulator napona koristi preklapanje poluvodičkih preklopki za pretvorbu izmjeničnog napona jedne efektivne vrijednosti u izmjenični napon neke druge manje efektivne vrijednosti. Načelo rada se vidi iz slike 89.

Sl. 89. Načelo rada izmjeničnog pretvarača napona

Na slici 89 a) prikazan je sklop koji se sastoji od jednog izmjeničnog izvora napona sinsU tω , jedne preklopke S i radnog trošila R . Preklopka S otvara i zatvara jednom u pozitivnoj poluperiodi izmjeničnog napona i jednom u negativnoj poluperiodi izmjeničnog napona. Mogući valni oblici izlaznog napona prikazani su na slici 89 b/1, b/2 i b/3. Za slučaj prikazan na slici 89 b/1, preklopka S je otvorena do kuta α . Za to vrijeme je napon na trošilu 0Ru = . Nakon kuta α zatvara se sklopka S i ostaje zatvorena sve dok se ne dosegne kut π (kut vođenja preklopke traje π α− ). Napon na trošilu je sinR Su U tω= . Od kuta π do kuta π α+ sklopka S je ponovo otvorena, a od kuta π α+ do kuta 2π sklopka zatvara. Ako se izračuna efektivna vrijednost napona prikazanog na slici 89 b/1 može se vidjeti da je ona manja od efektivne vrijednosti ulaznog sinusnog napona sinsU tω . Daljnjim povećavanjem kuta α smanjuje se kut vođenja preklopke π α− , te se i nadalje smanjuje efektivna vrijednost napona na trošilu. Slučajevi prikazani na slici 89 b/2 i b/3 se mogu opisati na sličan način kao i slučaj b/1. I za njih je karakteristično da se smanjenjem kuta vođenja preklopke S , smanjuje efektivna vrijednost izlaznog napona. Pretvarač koji daje valni oblik napona na slici 89 b/1 može se dobiti koristeći shemu na slici 90.


Sl. 90. Izmjenični pretvarač napona za slučaj 89 b/1

Funkciju preklopke S na slici 90 preuzimaju tiristori 1T i 2T . Do kuta α gornji tiristor 1T nalazi se u blokirnom stanju, a donji tiristor 2T u stanju zapiranja. Dakle, dovođenjem impulsa na gejtu, samo tiristor 1T može doći u stanje vođenja. Kad se dosegne kut α , okida tiristor 1T i tiristor vodi do trenutka kada struja kroz njega ne padne na nulu. Budući da je trošilo radno, struja pada na nulu u trenutku kada i napon Ru padne na nulu ( kod kuta π ). Od kuta π do kuta π α+ niti jedan tiristor ne vodi, tiristor 1T se sada nalazi u stanju zapiranja, a tiristor 2T u stanju blokiranja. Okidanjem tiristora 2T u trenutku π α+ , počinje vođenje tiristora 2T koje traje do kuta 2π . Vidimo da ova dva tiristora zamjenjuju funkciju sklopke na slici 89 za pretvarač koji daje valni oblik izlaznog napona kao na slici 89 b/1. Na slici 91 prikazan je pretvarač opterećen radno-induktivnim teretom te pripadajući valni oblici napona na trošilu.


Sl. 91. Pretvarač sa slike 90 opterećen radno – induktivnim teretom

Iz valnih oblika na slici 91 lako je vidljivo da je okidanje tiristora 1T moguće za kut α u rasponu od ϕ α π< < (kut ϕ je kut faznog pomaka napona i struje), jer se tek tada tiristor 1T nalazi u blokirnom stanju i moguće mu je na gejt dovesti impuls okidanja. Slično vrijedi i za tiristor 2T (okidanje moguće tek iza kuta ϕ π+ do kuta 2π ). Ovo za posljedicu ima da se opseg regulacije izlaznog napona smanjuje za slučaj radno induktivnog tereta (za radni teret kut α se može mijenjati u rasponu od 0 α π< < ). Izmjenični regulatori napona mijenjaju efektivnu vrijednost napona. Frekvencija ulaznog sustava jednaka je frekvenciji izlaznog sustava.

10.2 Izmjenični pretvarač napona i frekvencije Opisani sklop na slici 90 se može uz drugačiji sklopni raspored upotrijebiti za izravnu pretvorbu napona i frekvencije. Na slici 92 može se vidjeti načelo rada pretvarača frekvencije.


Sl. 92. Pretvarač napona i frekvencije Pretvarač na slici 92 a), jednak je pretvaraču na slici 90. Razlika između njih je samo u redoslijedu okidanja pojedinih tiristora. Valni oblik napona na izlazu iz sklopa za slučaj pretvarača frekvencije koji na svom izlazu daje frekvenciju napona 5 puta manju od ulazne frekvencije prikazan je na slici 92 b). Rad pretvarača frekvencije može se opisati na slijedeći način. Pretpostavimo da je ulazni sinusni izmjenični napon prikazan na slici 92 a) doveden na ulaz sklopa. Neka

duljina poluperiode izmjeničnog napona iznosi 12

T . Ako sada okidamo samo tiristor 1Tr


tri puta uzastopno, uvijek na početku triju pozitivnih poluperioda sinusnog signala, te izostavimo okidanje tiristora 2Tr za dvije negativne poluperiode izmjeničnog signala, pa zatim okidamo tri puta uzastopce tiristor 2Tr na početku negativnih poluperioda da bi izostavili okidanje tiristora 1Tr za dvije pozitivne poluperiode, dobit će se na trošilu R valni oblik napona prikazan na slici 92 b). Valni oblik napona sastoji se od 3 pozitivna pulsa i 3 negativna pulsa. Na istom grafikonu crtkano je prikazan pravokutni napon koji predstavlja srednju vrijednost pulzirajućeg napona 2T . Ako se pogleda duljina poluperiode srednje vrijednosti izlaznog

pravokutnog napona 2T , vidljivo je da je 2 152 2T T= ⋅ . Ako je poluperioda (a time i

perioda) izlaznog napona 5 puta dulja od poluperiode (periode) ulaznog napona, onda je

frekvencija izlaznog napona 12 5

ff = ( 1f je frekvencija ulaznog napona). Ovo proizlazi iz

jednostavne relacije koja povezuje period izmjeničnog napona i njegovu frekvenciju 1fT

= .

Ovaj pretvarač može istodobno smanjivati i frekvenciju i ulazni napon (slika 92 c). Sve što je potrebno jest da se okidanje tiristora vrši nakon određenog kuta kašnjenja α . Na taj način se smanjuje površina pozitivnih i negativnih poluperioda izlaznog napona, a time i srednja vrijednosti izlaznog napona (crtkani pravokutni napon) biva manja. Na slici 92 c prikazan je valni oblik na izlazu pretvarača koji smanjuje frekvenciju i napon (frekvencija a izlazu se smanjuje za 5 puta u odnosu na ulaznu frekvenciju).

10.3 Ciklopretvarači Ciklopratvarači su izmjenični pretvarači napona i frekvencije bez istosmjernog međukruga koji se primjenjuju kod većih izlaznih snaga (100 kW i više). Tipična primjena im je u regulaciji broja okretaja propulzijskog sinkronog motora na brodovima s elektropropulzijom. Topologija ciklopretvarača prikazana je na slici 93.

Sl. 93. Topologija ciklopretvarača


Ciklopretvarač se može prikazati kao mosni spoj od četiri preklopke 1S - 4S . Sklopke 1S , 4S te sklopke 2S , 3S preklapaju istovremeno i u protutaktu. Da bi se iz napona av dobio sinusni izmjenični napon acv na izlazu ciklopretvarača , napon av se filtrira u izlaznom filteru. Valni oblici napona na pojedinim dijelovima sklopa prikazani su na slici 94.

Sl. 94. Valni oblici napona ciklopretvarača sa slike 93. Gornji grafikon na slici 94 prikazuje ulazni izmjenični napon iv duljine perioda

2

i

T πω

= . Srednji grafikon prikazuje valni oblika napona av na ulazu u filtar. Redoslijed

preklapanja sklopki 1S , 4S i 2S , 3S također je prikazan na srednjem grafikonu. Treba ponovo napomenuti da sklopke 1S , 4S uklapaju i isklapaju zajedno, baš kao i sklopke

2S , 3S . Sklopke 1S , 4S preklapaju u protutaktu sa sklopkama 2S , 3S . Kada su sklopke

1S , 4S uključene, a sklopke 2S , 3S isključene tada je a iv v= . Kada su sklopke 2S , 3S uključene, a sklopke 1S , 4S isključene tada je a iv v= − (reverzira se ulazni napon).


Donji grafikon prikazuje izlazni napon iz filtera acv . Napon acv jednak je filtriranom naponu av ( iz napona av je izdvojena samo frekvencija osnovnog harmonika napona, dok su ostale više frekvencije potisnute). Na slici 95. prikazan je način na koji se može dobiti sinusni izlazni napon bez upotrebe izlaznog filtera (koji izdvaja osnovni harmonik napona av ).

Sl. 95. Ciklopretvarač s faznim upravljanem Ovaj ciklopretvarač snižava frekvenciju ulaznog napona za 12 puta (duljina poluperiode izlaznog napona je 12 puta veća od duljine poluperiode ulaznog napona). Na slici 95 se vidi da ciklopretvarač na svom izlazu generira 12 poluperioda pozitivnog napona, pa zatim 12 poluperioda negativnog napona. Pri tome koristi i fazno upravljanje, pa pozitivne poluperiode počinje propuštati s kutom upravljanja 130α ≈ , te ih postupno smanjuje na 30α ≈ (maksimalna pozitivna vrijednost izlaznog sinusoiudalnog napona), da bi ponovo do kraja pozitivne poluperiode izlaznog sinusnog napona kut upravljanja povećao na 130α ≈ . Slična razmatranja vrijede i za negativne poluperiode izlaznog napona. Na slici 96 prikazan je ciklopretvarač realiziran s dva punoupravljiva jednofazna mosna spoja, pomoću kojeg se mogu realizirati valni oblici napona na slici 95 (uvjet je da je trošilo otporno).


Sl. 96. Ciklopretvarač sa otpornim trošilom Ciklopretvarač na svojem izlazu mora davati oba polariteta napona i oba smjera struje (karakteristika izmjenično-izmjeničnog pretvarača), s tim da struja mora moći teći u bilo kojem smjeru za bilo koji polaritet izlaznog napona. To se može ostvariti, primjerice, antiparalelnim spojem dva tiristorska usmjerivača sa srednjom točkom koji je prikazan na slici 97. No, u tom slučaju, valni oblik izlaznog napona ovisi o faznom položaju izlazne struje.

Sl. 97. Ciklopretvarač s antiparalelnim spojem tiristora

Na slici 98 prikazani su valni oblici izlaznog napona i struje kroz trošilo (trošilo je radno-induktivno).


Sl. 98. Valni oblici struje i napona ciklopretvarača s antiparalelnim spojem tiristora

Na slici 98 prikazani su trofazni naponi sekundara, te izlazni napon 2u (debela crta ) i izlazna struja iz ciklopretvarača 2i ( crtkano ). Ako želimo kroz trošilo protjerati izlaznu struju 2i oblika kako je prikazana na slici 98 (crtkana krivulja), tada do trenutka

1t katodna grupa tiristora (1,2,3) mora raditi u ispravljačkom režimu rada – struja 2i teče od desna na lijevo prema srednjoj točki izvoda transformatora i postepeno raste. Trošilo se puni magnetskom energijom. Od trenutka 1t do trenutka 2t struja trošila 2i je i dalje pozitivna (zadržava isti smjer) i pada na nulu. U ovom periodu srednja vrijednost napona na izlazu pretvarača je negativna, struja je ostala pozitivna, katodna grupa tiristora radi u izmjenjivačkom režimu rada, trošilo vraća energiju u mrežu. Nakon pauze od trenutka 2t do trenutka 3t , izlazna struja 2i mijenja smjer. Od trenutka 3t struja trošila 2i je negativna i raste – struja ide od srednje točke transformatora s lijeva na desno kroz trošilo. U ovom periodu srednja vrijednost napona na izlazu pretvarača je negativna. anodna grupa tiristora (4,5,6) radi u ispravljačkom režimu rada, trošilo se nabija energijom. Na sličan se način može nastaviti priča o radu ciklopretvarača. Fazni pomak između izlaznog napona 2u i izlazne struje 2i mijenja valni oblik izlaznog napona. Energija akumulirana u trošilu mora se moći vračati u pojnu mrežu. Zato svaki usmjerivač mora moći raditi i u ispravljačkom i u izmjenjivačkom načinu


rada. Zapamtite da i katodna i anodna grupa tiristora moraju omogućavati oba polariteta izlaznog napona uz oba smjera izlazne struje kroz trošilo. Ukoliko se želi dobiti sinusoidalniji oblik izlaznog napona, treba koristiti složenije pretvaračke spojeve. Primjerice, umjesto dva antiparalelna tiristora mogu se upotrijebiti dva antiparalelna mosna spoja, koja su prikazana na slici 99.

Sl. 99. Ciklopretvarač sa dva antiparalelna mosna spoja

Ovaj ciklopretvarač se može rastaviti na usmjerivač A i usmjerivač B . Na slici 99 prikazan je usmjerivača A te valni oblici napona dv (prije prigušnice L ), i 'dv (poslije prigušnice L ). Na slici 100 prikazano je isto za usmjerivač B .


Sl. 99. Usmjerivač A ciklopretvarača sa slike 99.


Sl. 100. Usmjerivač B ciklopretvarača sa slike 99. Na slici 101 prikazan je rad ciklopretvarača sa slike 99. Izlazna struja i izlazni napon su fazno pomaknuti.


Sl. 101. Valni oblici izlaznog napona i struje.

Na slici 101 se vidi da usmjerivači A i B nekada rade u ispravljačkom, a nekada u izmjenjivačkom modu rada, što ovisi o polaritetu i smjeru izlazne struje. I na kraju ove skripte spomenimo da postoji još niz vrsta ciklopretvaračkih sklopova. Ciklopretvarači su općenito vrlo komplicirani uređaji energetske elektronike sa kompleksnim upravljačkim uređajima, i nezamjenjivi su za pogone većih snaga.

Documents

Energetska Elektronika - Skripta-predobro