Lekcija 5Pojaala snage i upravljanje istosmjernim motorima

Doc.dr.sc. Jasmin VelagiElektrotehniki fakultet SarajevoKolegij: Aktuatori

Elektromotorni pogon s istosmjernim motorom

Mt Mm

r Dava referentne veliine

Regulator brzine vrtnje

Regulator struje

armature

Generator impulsa

Tiristorski usmjeriva

M

TG

Prilagodba mjernog signala brzine vrtnje i filter

Radni mehanizam

Prilagodba mjernog signala struje i filter

Mreni transformator

Mjerni strujni transformator

Iar Uup

r referentna vrijednost brzine vrtnje Iar referentna vrijednost struje armature Uup upravljaki napon

Upravljaki dio Energetski dio

Kaskadni sistem regulacije brzine vrtnje i armaturne struje s tiristorskim ispravljaem (usmjerivaem).

2/70

Koriste se za upravljanje. Prema tehnici izvedbe dijele se na: elektrika, pneumatska, hidraulika.

Elektrika pojaala prema izvedbi dijele se na: strujna (stroj kao pojaalo snage rotaciona), elektromehanika (sklopnici), magnetska (masovno su se koristili 50-60 godina prolog

stoljea), elektronika.

5.1. Pojaala snage3/70

Elektronika pojaala se dalje dijele na: pojaala s ivinim ventilom (40-50 godina prolog

stoljea), tiratroni (za manje snage), tiristori (od 60-tih godina prolog stoljea na ovamo), tranzistori snage (od 70-tih godina prolog stoljea).

Bez obzira na tehniku izvedbe pojaala snage, postavljaju se slijedei zahtjevi na: pojaanje snage, linearnost statike karakteristike, malu vremensku konstantu.

Pojaala snage4/70

Kao poluvodiki elementi (sklopke) u pojaalima snage se koriste: tiristori,GTO (Gate turn-off) tiristori, bipolarni tranzistori,MOSFET tranzistori, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors).

5.1.1. Poluvodiki elementi u pojaalima snage5/70

Tiristor je poluupravljivi poluvodiki ventil. Kada je potencijal anode manji od potencijala katode (zaporni smjer),

tiristor ne vodi struju. U propusnom smjeru (potencijal anode vei od potencijala katode, uAK > 0)

tiristor moe preuzeti blokirni napon manji od probojnog ukoliko na upravljakoj elektrodi (gate) nema pozitivnog napona.

Tiristor A Kg

iA

uAKblokiranje u zapornom smjeru

blokiranje u propusnom smjeru

uklapanje

stanje voenja

iA

uAKprobojni napon

blokiranje u propusnom smjeru

uklapanje

stanje voenjaIdealizirana ui

karakteristikaRealna uikarakteristika

6/70

Ukoliko se na tiristor dovede pozitivni napon (strujni impuls), tiristor e nakon regenerativnog procesa uklapanja prei u stanje voenja, u kojem je na njemu pad napona tipinog iznosa od 1 do 3 V. Jednom kad tiristor provede, upravljaki se impuls moe i ukloniti, a tiristor ostaje u samoodravajuem stanju.

Tiristor7/70

Preko upravljake elektrode isklopljivi tiristor ili GTO (eng. gate turn-off thyristor) je posebna vrsta tiristora, koja pripada potpuno upravljivim sklopkama.

Poput klasinog tiristora i GTO se iz stanja blokiranja dovodi u stanje voenja kratkim pozitivnim impulsom struje upravljake elektrode i ostaje u stanju voenja bez daljnjeg prisustva ove struje.

Meutim, za razliku od klasinog tiristora, GTO se moe isklopiti pomou kratkotrajnog ali snanog negativnog impulsa struje upravljake elektrode.

Amplituda negativnog strujnog impulsa tipino iznosi 1/3 struje koja se isklapa.

GTO tiristor8/70

A K

g

GTO tiristoriA

uAKblokiranje u zapornom smjeru

blokiranje u propusnom smjeru

uklapanje

stanje voenja

iA

uAKprobojni napon

blokiranje u propusnom smjeru

uklapanje

isklapanjeIdealizirana uikarakteristika

Realna uikarakteristika

isklapanje

9/70

IGBT tranzistori ujedinjuju dobre strane MOSFET i bipolarnih tranzistora.

Ova vrsta tranzistora dominira u pojaalima srednjih snaga.

Osnovne karakteristike IGBT tranzistora su MOS upravljaka elektroda, velika brzina preklapanja, mali pad napona u stanju voenja, sposobnost voenja velikih struja i visoki stupanj robusnosti.

Ove su sklopke po karakteristikama najblie idealnim sklopkama s tipinim rasponima napona od 600 - 1700 V, s padom napona tokom voenja od 1.7 - 2.0 V pri strujama do 1000 A i vremenima preklapanja od 200 - 500 ns.

Pojava IGBT tranzistora je doprinijela padu cijena pojaala snage te je poveala broj ekonomski isplativih industrijskih aplikacija.

IGBT tranzistori

E

C

G

10/70

IGBT tranzistori kombiniraju visoku ulaznu impedanciju i brzinu MOSFET tranzistora s visokom vodljivosti (visokom gustoom struje) bipolarnih Darlington tranzistora.

IGBT tranzistori pojednostavljuju projektiranje sklopovlja u odnosu na bipolarne tranzistora i omoguuju preklapanja visoke frekvencije uz reducirani um u pretvaraima te doprinose smanjenju veliine i teine pojaala snage kao ureaja u raznim primjenama.

Slika prikazuje nadomjesnu shemu IGBT tranzistora, gdje se ulazni dio predstavlja MOSFET tranzistorom, a izlazni dio bipolarnim tranzistorom.

IGBT tranzistoriC

E

G

11/70

Tiristorska pojaala napajaju se direktno iz mree i sjeckajumreni napon Umsinmt.

Osnovna zadaa tiristorskih pretvaraa je da se srednja vrijednost napona pojaala mijenja u skladu s vrijednosti upravljakog signala (izlaza iz regulatora).

Tiristorska pojaala razlikuju se od pojaala snage s tranzistorima i GTO tiristorima zbog svojstva poluupravljivosti tiristora kao elektronike sklopke.

Naime, gaenje tiristora nastupa kada struja kroz tiristor padne ispod struje dranja (IH) to znai da e u danim uvjetima za isti trenutak ukljuenja tiristora trenutak gaenja tiristora ovisiti o karakteru tereta pojaala, npr. teret moe biti tipa R, R+L ili R+L+E (istosmjerni motor).

5.2. Tiristorska pojaala12/70

Tiristorska pojaala se dijele na: ispravljae usmjerivae, izmjenjivae, pretvarae frekvencije (ciklokonvertori), pretvarae napona.

Ispravlja struja tee samo u jednom smjeru kroz teret (I ili IV kvadrant).

Usmjeriva pretvara izmjeninu u istosmjernu energiju. Predstavlja antiparalelni spoj dva ispravljaa (za rad u

sva etiri kvadranta). Postoje spojevi bez krune struje, s krunom strujom i krini spoj (s krunom strujom).

Tiristorska pojaala13/70

Usmjerivai se koriste kod upravljanja istosmjernim strojevima, punjenja akumulatorskih baterija, napajanja elektrolize, itd.

Izmjenjiva pretvara istosmjernu u izmjeninu energiju (akumulatorske baterije i istosmjerni generator izmjenina energija).

Pretvara frekvencija pretvara izmjeninu energiju jedne frekvencije u izmjeninu energiju druge frekvencije.

Upotrebljava se za upravljanje brzinom vrtnje asinhronog motora promjenom frekvencije napona napajanja.

Pretvara napona pretvara istosmjerni napon jednog iznosa u istosmjerni napon drugog iznosa.

Sastoji se od izmjenjivaa i usmjerivaa.

Tiristorska pojaala14/70

Koristi se za regulaciju brzine vrtnje istosmjernih motora u samo jednom smjeru jer daje struju armature koja moe tei samo u jednom smjeru.

Osnovni spojevi tiristorskog ispravljaa: jednofazni mosni spoj (poput Graez-ovog diodnog mosta)

m=2, trofazni zvijezda ili trokut spoj m=3, trofazni punoupravljivi mosni spoj m=6.

Oznaka m predstavlja broj pulzacija ispravljenog napona u periodu mrenog napona.

5.2.1 Tiristorski ispravlja15/70

Tiristorski ispravljauR uS uT

ua

ud

T1 T2 T3

Tr

Pr

M

T1T3

Tr

uR uS uT

Pr

M

ua

ud

T6

T5

T4

T2

Transformator

Prigunica

Trofazni zvijezda spojispravljaa (m=3).

Punoupravljivi spoj ispravljaa (m=6).

Prigunica smanjuje valovitost.

16/70

Na slijedeoj slici je prikazana principijelna (nadomjesna) shema upravljivog ispravljaa (prikazana je samo jedna faza zbog jednostavnosti).

Oznake na slici imaju slijedea znaenja:eR idealni naponski izvor,Rm, Lm ekvivalentni otpor i induktivitet mree,Rt, Lt ekvivalentni otpor i induktivitet transformatora,uF pad napona na tiristoru u stanju voenja,Rp, Lp otpor i induktivitet prigunice,Ra, La otpor i induktivitet armature,

U opem sluaju imamo m faza. Pretpostavit emo da su elementi idealni (otpori i induktiviteti).

Impulsni ureaj generira impulse sinhronizirane s napajanjem ispravljaa.

Ugao upravljanja je funkcija napona us: =f(us).

Tiristorski ispravlja17/70

Tiristorski ispravlja

uaud

Impulsni ureaj

Rt

Lt

Rm

Lm

Lp Rp

La

Ra

eR

uFu

()

e

Principijelna shema upravljivog ispravljaa

Impulsni ureaj generira impuls na tiristoru da bi on preao u stanje voenja.Generira upravljake impulse na upravljake elektrode tiristora u trenutku ovisnom o vrijednosti izlaza iz regulatora (ugao upravljanja ).Predstavlja vezu izmeu regulatora i tiristorskog ispravljaa.

uS

18/70

Impulsni ureaj

uF

Ulazno pojaalo

uS

uS0()

Filter

Generator impulsa

Pojaalo impulsa

Stabilizator izvora napajanja

um umMrea napajanja

up

urn

u ()

Generator referentnog

napona

Impulsni transformatorKomparator

19/70

Osnovni naini upravljanja tiristorom: Vertikalni generira se referentni napon urn koji je pilastog ili

sinusoidalnog oblika, te se usporeuje s naponom up. Kada je up+urn=0 tada se generira impuls. Horizontalni generira se urn, ija je faza funkcija up-a, tj. rn=f(up). Kada je urn=0 poinje generiranje impulsa. Generator referentnog napona (sinhronizira urn sa up, tj. rad

impulsnog ureaja sa naponom mree) je element za sinhronizaciju.

Filter izrauje se kao RC filter da se smanje izoblienja napona mree. U industriji se rade filteri s F = /3 (za 6-pulsne usmjerivae).

Ulazno pojaalo slui za prilagoenje regulatora i impulsnog ureaja (up= -us0- us ).

Impulsni ureaj20/70

Komparator odreuje poetak generiranja impulsa. Kada je urn+up=0 tada komparator mijenja stanje.

npr. za urn+up>0 uk=+5V (+10V),urn+up

Valni oblici napona ispravljaa i struje mree

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.040.035

0

ud

id

R

Luf

Jednofazni mosni spoj (m=2), teret tipa R+L

ugao upravljanja mjeren od prirodnog ugla voenja. ugao voenja tiristora.0=2/m= ugao pulzacije.=/2-/m=0 ugao prirodnog voenja. t [s]

0

1

-100

100

0

50

0

u

[

V

]

P

1

,

P

2

i

d

[

A

]

u1, u2, udf=50 Hz

T1

T2

T3

T4

22/70

Valni oblici napona ispravljaa i struje mree

uR uS uT

id

udT1 T2 T3

Tr

R

Lis1 is2 is3

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.040.035

0

t [s]

0

1

-100

100

0

50

0

uR, uS, uT, ud

ugao upravljanja mjeren od prolaska mrenog napona kroz nulu.

P1, P2, P3

id

Trofazni zvijezda spoj (m=3), teret tipa R+L

23/70

Treba uzeti u obzir da tiristor moe biti ukljuen (propaljen) samo jednom unutar pulzacije ispravljenog napona diskretno djelovanje unutar kontinuiranog sistema.

U nastavku se razmatra trofazni zvijezda spoj tiristorskog ispravljaa.

Ugao voenja tiristora je:

5.2.2. Statike karakteristike upravljivog ispravljaa

.2 starinovi += m Za kontinuirani reim voenja (struja stalno tee) = 0. Za diskontinuirani reim voenja (struja ima prekide) 0, =konst.

Ispravljaki reim energija iz mree u ispravlja.

Invertorski reim E|Ud|, dio energije se troi na otporimaarmaturnog kruga, a dio se vraa u mreu (stroj radi kao generator).motor. iistosmjern

napaja koji aispravlja tipu o ovisi Minimalni. tiristorasvojstavazapornih anjauspostavlj

vremenuodgovara koji ugao ,komutacije ugao.150)(180

0

0

+= om

26/70

Dinamike karakteristike tiristorskih ispravljaa vezane su uz: Diskretnost upravljanja tiristor moe doi u stanje voenja u

odreenom trenutku unutar pulzacije napona. Poetak voenja ovisi o brzini promjene upravljakog signala d/dt.

Nepotpunost upravljanja stvara problem ako je d/dt > m, jer se tada odzivi kod poveanja i smanjivanja upravljakog signala razlikuju.

Dinamika svojstva ovise o amplitudi i frekvenciji upr. signala nelinearan element.

Odziv na promjenu upravljakog signala nije jednoznaan (ovisi o reimu voenja).

Diskontinuirano voenje prijelazni proces zavrava unutar jedne pulzacije, tj. ne vidi se djelovanje armaturne vremenske konstante Ta = 0.

Dinamike karakteristike tiristorskog ispravljaa27/70

Koriste se za regulaciju brzine vrtnje istosmjernih motora (bez reverzije i koenja, onda se koristi ispravlja koji daje struju samo jednog smjera).

Ako se zahtijeva reverziranje i koenje onda se koristi usmjeriva koji se sastoji od dva ispravljaa. Ispravljai su spojeni paralelno pa imamo tri spoja: antiparalelni spoj bez krune struje (ukljuen samo jedan

ispravlja) antiparalelni spoj s krunom strujom (istovremeno

ukljuena oba ispravljaa, jedan u upravljakom, a drugi u inverznom reimu.

kruni spoj (istovremeno ukljuena oba ispravljaa).

5.2.3. Tiristorski usmjerivai28/70

5.3. Tranzistorski pretvarai

Ud0

D1 D3 D5

D2 D4 D6

U

T

r

a

n

z

i

s

t

o

r

s

k

i

p

r

e

t

v

a

r

a

(

o

p

e

r

)

L

UR

T

C

U UTiristorski ispravlja

Ispravlja Vezni filterSklop za koenje

29/70

Trofazni izmjenini napon se dovodi da diodni most koji vri punovalno ispravljanje.

Na izlazu mosta zahvaljui kondenzatoru, koji se nabija na vrnu vrijednost, uzrokuje pad napona Ud0.

Sklop za koenje slui za troenje energije koju ne vraamo u mreu. Energija se troi na otporu R.

Napon Ud0 dovodi se na tranzistorski pretvara (oper) koji taj napon (istosmjerni napon) pretvara u istosmjerni nivo.

Na slijedeoj je slici oper prikazan pomou sklopke koja je upravljana upravljakim naponom Uup koji ima logiko znaenje.

Ako se na oper prikljui teret, kroz njega e tei struja i na njemu e se stvarati pad napon Ud.

Za Uup=1 na teretu imamo napon Ud0, za Uup=0 na teretu je napon 0.

5.3.1. Tranzistorski pretvara (oper)30/70

operom se kontrolira viak energije koji se ne vraa u mreu nego se troi na potroau (R).

Tranzistorski pretvara (oper)

TeretUd0 Ud

Uup

oper

Tisk

TukUd

Ud0

Uup

operom se regulira dotok energije

31/70

Frekvencija prekidanja je definirana na slijedei nain:Tranzistorski pretvara (oper)

.T

Td uk=

,11TTT

fiskuk

c =+=

.0dd dUU =

gdje su Tuk i Tisk intervali ukljuivanja, odnosno iskljuivanja. Slijedei bitan parametar je popunjenost signala (duty cycle):

Izlazni napon Ud iznosi:

Promjena popunjenosti (pogodno za otvorene reg. krugove): fc=konst., Tuk promjenjivo, Tuk=konst., fc promjenjivo.

32/70

Tranzistorski pretvara (oper)

D1T1 D3T3

D4T4 D2T2

LaRaE

iaCUd0

L

ud

ud

ia

I

IV

II

IIIA B

33/70

Pretpostavke za analizu rada opera: sklopovi za upravljanje bazom tranzistora (ukapanje, iskapanje)

prenose djelovanje upravljakih signala, tranzistorske sklopke su idealne, atiparalelne diode su takoer idealne.

Rad u prvom kvadrantu T1, T2 ukljueni interval Tuk (ud=Ud0), ia>0, ud>0 (ia tee od A prema B), T1 ili T2 iskljuen interval Tisk (ud=0).

Rad u prvom kvadrantu

E

T2D4

ia

ud

LaRa

34/70

Rad u prvom kvadrantu

ia

Ud0

ud

t

t ia

Ud0

ud

t

t

T1T2 T2D4 T1 T2 T1D3

Kontinuirani reim voenja Diskontinuirani reim voenja

E

35/70

Tuk Tisk

Rad u drugom kvadrantu T1, T2 iskljueni D4, D3 vode, ia>0, ud

Povrat energije u izvor ili na troilo R. Valni oblici napona i struje

Rad u drugom kvadrantu

ia

-Ud0

ud

t

tT2D4 D3D4 T2D4 D3D4 T2D4 D3D4

37/70

Rad u treem kvadrantu T3, T4 ukljueni interval Tuk (ud=-Ud0), ia

Rad u etvrtom kvadrantu T3, T4 iskljueni D2, D1 vode, ia0 (ia tee od A prema B).

Rad u treem i etvrtom kvadrantu

ia

Ud0

ud

t

t

39/70

Prijenosna funkcija opera je oblika:Model opera

.21

2

,0

c

up

d

fTT

UU

K

==

=

,1

)(sT

KsG

+=

.)( KsG

Koeficijent pojaanja i vremenska konstanta opera iznose:

Kada je fc>> slijedi da je:

40/70

Razliiti tipovi izvedbi opera

ia

D1Ud0 C

E

La

Ra

T1

Ud

Ud

Ia

41/70

Razliiti tipovi izvedbi opera

LaRa

D1T1

D1T1E

CUd0Ud

Ia

ia

Ud

42/70

Pretpostavke: motor s nezavisnom i konstantnom uzbudom, brzina vrtnje je konstanta.

Uz ove pretpostavke slijede jednadbe za odreivanje statikih karakteristika:

Statike karakteristike tranzistorski napajanog EMP

).,()(

,,

,

0

0

dfR

KdUKM

KIMdUU

KRIERIU

a

dm

am

dd

aaaad

====

+=+=

43/70

Za kontinuirani reim voenja vrijedi:Kontinuirani reim voenja

.11ln0

+

= aT

T

d

agr eU

ETT

d

. ,0 b)

,0 , a) 0

TtdTdtdi

LRIE

dTtdtdi

LRIEUU

aaaa

aaaaad

Istosmjerni motor napajan je iz opera koji je vezan na izlaz mosnog spoja diodnog ispravljaa prikljuenog na mreu (3, 230 V, 50 Hz). Podaci o motoru i operu su:

Pn=15 kW, Uan=230 V, nn=500 min-1, Ra=0.04 , La=1.5 mH, K=4.172 Vs/rad, fc=2 kHz.

Motor se vrti brzinom od 300 min-1 uz popunjenost signala opera od 55 %. Odrediti srijednu vrijednost armaturne struje i momenta motora. Takoer, odrediti da li je struja motora kontinuirana.

Primjer 1

Rjeenje:Napon Ud0 rauna se na slijedei nain:

).6( V, 310.5323020cossin0 ===

= mmm

UU md o

45/70

Primjer 1 Brzina vrtnje motora iznosi:

rad/s. 31.4230

== n

A. 88.99104.0

42.31172.45.31055.00 ===a

da R

KdUI

.s 0375.004.0

0015.0 ===a

aa R

LT

Na temelju dobivenih vrijednosti slijedi da je struja armature jednaka:

Nm. 1.4138== am KIMMoment motora ima vrijednost:

Vremenska konstanta armaturnog kruga iznosi:

46/70

Primjer 1 Interval ukapanja + iskapanja iznosi:

0.0005s.10211

3 === cfT

V. 1.13142.31172.4 === KEVrijednost protuelektromotorne sile je:

.423.015.3101.1311ln7511 75

1

0

=

+=

+

= ee

UEln

TTd aT

T

d

agr

Granina vrijednost popunjenosti signala iznosi:

Budui da je d>dgr slijedi da je struja kontinuirana.

47/70

5.4. Upravljanje motorom koritenjem H-mosta Shema upravljanja istosmjernim motorom koritenjem H-mosta. Napon koji se dovodi je istosmjerni napon (napon baterije).

48/70

Upravljanje motorom koritenjem H mosnog spoja Prekapanje smjera upravljanja A prekidai zatvoreni tok

struje u smjeru kazaljke na satu. B prekidai zatvoreni tok

struje suprotan smjeru kazaljke na satu.

PWM za upravljanje brzinom Popunjenost (duty cycle) A-

ova za brzine u smjeru kazaljke na satu.

Popunjenost B-ova za brzine suprotne smjeru kazaljke na satu.

Moe se konfigurirati za koenje Donji B i A za koenje.

M

12V

A

A

B

B

49/70

Upravljanje motorom koritenjem H mosnog spoja Definicija popunjenosti

T

Tuk Tuk Tuk

T T

.T

TtPopunjenos uk=

50/70

Upravljanje motorom koritenjem H mosnog spoja Brzina motora je direktno proporcionalna primijenjenom naponu

(naponu napajanja). Ako se motor napaja iz baterija iji je napon konstantan i iznosi 12

V, kako taj napon smanjiti na 6 V.

51/70

5.4.1. PWM (Pulsno irinska modulacija) Na prethodnoj slici je prikazan nain upravljanja motorom

prekapanjem brzine. Kada je primijenjen napon od 12 V, brzina ima tendenciju

porasta. Kada se nakon nekog vremena iskljui napajanje, brzina

motora se poinje smanjivati. Ako bismo naizmjenino ukapali i iskapali napajanje

motora, pri emu su intervali kada je motor napajan jednakog trajanja, a takoer i intervali kada je napajanje iskljueno, dobili bi se signali prikazani na prethodnoj slici.

Sa ovih signala se vidi da je prosjean iznos brzine oko 150 obrtaja u minuti.

Ovakav oblik signala brzine motora dobiva se iz bloka za pulsno irinsku modulaciju (PWM).

52/70

PWM (Pulsno irinska modulacija) Frekvencija rezultirajueg PWM signala ovisi o frekvenciji

primijenjenog pulsnog signala. Postavlja se temeljno pitanje: Koliku frekvenciju signala elimo? Frekvencije izmeu 20 Hz i 18 kHz mogu proizvesti zvuni vrisak

iz kontrolera brzine i motora. RF interferencija emitirana elektrikim krugom bit e loa ako je

primijenjena visoka frekvencija prekapanja. Svako ukapanje i iskapanje MOSFET-a kontrolera brzine

rezultira u malom gubitku napajanja (snage). Za veliku frekvencija prekapanja, najstabilniji je valni oblik struje

motora. Ovaj valni oblik e biti iljast na niskim frekvencijama, ali e na visokim frekvencijama induktivitet motora izgladiti signal na srednju razinu istosmjerne struje proporcionalnu PWM zahtjevima.Zailjenost signala e prouzrokovati velike gubitke snage na otporu vodia, MOSFET-a i namota motora nego stabilni valni oblik istosmjerne struje.

53/70

PWM (Pulsno irinska modulacija) Na slijedeoj slici su prikazana dva signala koji imaju jednak

prosjean iznos struje. Kada se promatra disipacija snage na otporu R dobiva se za DC

sluaj: .2 RIP =

.22

02)2( 222 RIRRIP =+=

Za sluaj prekapanja prosjean iznos snage iznosi:

54/70

Izbor frekvencije PWM-a Izbor frekvencije na temelju karakteristika motora. Jedan od naina izbora frekvencije je da elimo takav valni oblik

struje koji e biti stabilan unutar p procenata. Zatim se matematiki proraunava minimalan iznos frekvencije za

koji se postie definirani cilj.

55/70

Izbor frekvencije PWM-a Na slici je prikazan najloiji sluaj, 50:50 PWM omjer, i porast

struje je prikazan za sluaj guenja motora, to je takoer najloiji sluaj.

Valni oblik struje u poluintervalu pada je dan sa:

.)100

1( 01 ipi =

,)( LtR

t

IeIeti ==

gdje je: vremenska konstanta kruga. Tako struja u trenutku T/2 (i1) ne smije biti manja od p% od

struje u trenutku t=0 (i1). Ovo znai da postoji slijedei uvjet ogranienja:

56/70

Izbor frekvencije PWM-a Uz navedene relacije i uvjet ogranienja imamo:

.100

1ln2100

1ln2

)100

1(

)100

1(

2

02

=

=

=

=

pRLT

pL

TR

pe

IepIe

LTR

LTR

Slijedi da je frekvencija prekapanja f=1/T jednaka:

.

1001ln2

=pL

Rf

57/70

Izbor frekvencije PWM-a Starter Ford Fiesta automobila ima slijedee aproksimativne

parametre:

Pri tome se takoer treba ukljuiti otpori na MOSFET-ovima, 2x10 m, to ukupno daje 0.06 .

U slijedeoj tabeli su dane izraunate frekvencije za zadani procenat.

H.70 ,04.0 == LR

610 Hz50

1900 Hz20

4 kHz10

8.2 kHz5

42 kHz1

Frekvencija Procenat

58/70

Izbor frekvencije PWM-a Na slijedeoj slici je prikazan grafikon frekvencije prekapanja u

ovisnosti od doputene valovitosti. Doputena, niska valovitost se postie za frekvencije ispod 5 kHz.

59/70

Krug upravljanja brzinom Na slijedeoj slici je prikazan jednostavan krug. Sa La je oznaena induktivnost uzbudnog i armaturnog kruga, dok za

daljnja razmatranja otpornosti armature i uzbudnog kruga nije vana, pa stoga na slici nisu ni prikazane.

Kada je MOSFET tranzistor Q1 otvoren, struja protie kroz uzbudni i armaturni namot i motor rotira.

Kada se MOSFET zatvori, struja istovremeno ne prestaje tei tako da napon na zavojnici tjera smanjenu struju u istom smjeru, koja sada tee kroz krug armature i nazad kroz diodu D1(prikazano crvenom bojom).

Kada ne bi bilo diode, tada bi se javio veliki napon na Q1 i MOSFET bi se zapalio.

60/70

M

Obnavljanje (regeneracija) U prethodno prikazanom krugu struja tee samo u jednom smjeru, od

baterije do motora. Kada eljena brzina motora naglo padne poeljno je da motor radi kao

generator, odnosno da tjera struju u bateriju (regenerativno koenje). Da bi se to postiglo treba dodati dodatne komponente (ne moe se postii

sa prethodnim krugom) slika ispod.

61/70

M

Obnavljanje (regeneracija) U ovom krugu, MOSFET Q1 i dioda D1 obavljaju istu funkciju

kao u prethodnom krugu. MOSFET Q2 je postavljen u suprotnoj fazi sa MOSFET-om Q1.

Ovo znai kada je Q1 otvoren (vodi), tada je Q2 zatvoren, i obratno.

Kada je Q1 zatvoren motor radi kao generator (reim koenja). Struja moe tei unazad kroz Q2 koji je otvoren. Kada se Q2 zatvori, ova struja se odrava sa induktivitetom, i struja e tei kroz diodu D2 i vraati se nazad u bateriju.

Graf struje motora kada je motor u reimu koenja je prikazan na slijedeoj slici.

Da bi motor radio kao generator on mora imati magnetsko polje generirano sa svitkom.

Tok struje ovisi o teretu, tako u reimu obnavljanja struja ovisi o bateriji, odnosno o tome koliko je baterija puna.

62/70

Reim koenja

Voenjeureaja D2 Q1 D1 Q2

Q1

Q2

ia

63/70

U svakom intervalu otvoren samo jedan od dva tranzistora

Krug sa punim H mosnim spojem Kada se eli pokrenuti motor tada je MOSFET Q4 otvoren i na Q1

se dovodi PWM signal. Tok struje je prikazan crvenom linijom. Dioda je postavljana u inverznom smjeru du namota polja. Na

ovaj nain je omogueno struji da tee kada su sva etiri MOSFET-a zatvorena.

64/70

Krug sa punim H mosnim spojem Ako se MOSFET Q4 dri otvorenim a iskljui PWM signal, tada

struja tee kroz donji dio kruga i diodu. Da bi se motor vrtio u suprotnom smjeru potrebno je MOSFET Q3

dri otvorenim i na MOSFET Q2 dovesti PWM signal.

65/70

Krug sa punim H mosnim spojem U sluaju da je MOSFET Q3 otvoren i da se iskljui PWM signal,

tada struja tee kao na slici. Za obnovu, kada se motor vrti unazad, na primjer, motor (koji sada

djeluje kao generator) tjera struju u desnom smjeru (crvena strelica) kroz armaturu, diodu MOSFET-a Q2, bateriju i nazad kroz diodu MOSFET-a Q3.

66/70

Generiranje PWM signala Generiranje PWM signala moe se ostvariti na razliite

naine, primjenom analogne elektronike, PWM ipom, digitalnom tehnikom, onboard mikrokontrolerom.

Upotreba analogne elektronike. PWM signal se generira na temelju usporedbe trokutastog i DC signala.

DC signal moe biti u intervalu izmeu minimalnog i maksimalnog napona trokutastog signala.

Generator trokutastog

signala

Istosmjerna razina

PWM izlaz

PWM

67/70

Generiranje PWM signala Kada je napon trokutastog signala vei od razine

DC signala, izlaz operacijskog pojaala je visoka razina, a kada je napon manji izlaz je niska razina.

Sa dijagrama se vidi da ako je DC razina vea, tada su impulsi kraeg trajanja.

Primjer kruga za generiranje PWM signala pomou elemenata analogne elektronike prikazan je na slijedeoj slici.

On koristi broja i teinski ljestvicu otpora za generiranje trokutastog signala.

68/70

Generiranje PWM signala Elektronika realizacija sklopa za generiranje PWM signala

69/70

Generiranje PWM signala Kod digitalne metode usporeuju se vrijednost iz brojaa i

prethodno pohranjena vrijednost u registru. Digitalna verzija prethodno opisane analogne metode je

prikazana na slijedeoj slici. Zahtijevana PWM razina se u registar upisuje pomou

mikrokontrolera.

Broja74HC161

klok

Registar74HC373

razina Ko

m

p

a

r

a

t

o

r

7

4

H

C

8

5

70/70