solarna struja (5)
56 1-2/14
Sklop za napajanje kunih troila
IZMJENJIVAZanimanje itatelja za struju iz fotonapona sasvim je prirodno. U naim krajevima s mnogo sunanih dana to je optimalan put prema visokoj energetskoj autonomiji vlastitog doma, poslovnog prostora, pa ak i radionice. Pritom su mnogima najprivlaniji tzv. otoni sustavi, gdje je sve napravljeno kao na pustom otoku, bez elektrine mree, bez birokracije i bez stalnih promjena raznih tarifa. Meutim, ma kako nam fotonaponski sustavi izgledali jednostavni, za siguran i uinkovit rad vani su meusobni odnosi svih elemenata postrojenja. Kvalitetan sustav koji odgovara stvarnim potrebama i mogunostima kupca ne moe se nai u trgovini. tovie, za njegovo oblikovanje nuna je pomo strunjaka koji e izraditi projekt i sastaviti optimalnu kombinaciju svih dijelova.Na osnovi golemog asortimana koji na naem tritu nudi tvrtka Schrack, u prethodna dva nastavka o otonim fotonaponskim sustavima obradili smo baterije, punjae i nadzornik baterija. Sljedea kljuna komponenta je izmjenjiva.
Slika 1. Osnovne komponente otonog sustava
Izmjenjiva je ureaj energetske elek-tronike koji povezuje istosmjerni i izmjenini elektriki sustav. U fotonaponskim modulima nastaje
istosmjerna struja koju za svakodnevnu primjenu treba pretvoriti u izmjeninu. Pritom se energija iz istosmjernog dijela sustava prenosi prema izmjeninom, a izmjenjiva moe proizvesti potrebni napon odgovarajue frekvencije.
Izmjenjiva na slici 1 stvara u oto-nom sustavu vlastitu autonomnu izmje-ninu mreu napona 230 V i frekvencije 50Hz. Stoga se naziva i autonomni izm-jenjiva.
No, izmjenjiva moe biti spojen i na postojeu javnu mreu, ali tada mora imati sklopove za sinkronizaciju s tom mreom i sklopove za automatsko od-vajanje u sluaju kvara na javnoj mrei. Takav izmjenjiva vie nije autonoman, ve postaje mreom voeni izmjenjiva.
U ovom nastavku rije je iskljuivo o jednofaznom autonomnom izmjenjiva-u koji se ne spaja na postojeu javnu mreu, ve stvara vlastitu mreu 230V / 50 Hz koja odgovara svim troilima u naem domu.
U otonom fotonaponskom sustavu izvor istosmjerne struje je baterija kon-stantnog napona, a izlazni izmjenini napon izmjenjivaa u vrstom je odnosu s ulaznim istosmjernim naponom. Kako
prikljuena troila gotovo i ne utjeu na izmjenini napon, takav ureaj se najee opisuje kao izmjenjiva s na-ponskim ulazom.
Postoje i izmjenjivai sa strujnim ula-zom, gdje su ulazna istosmjerna struja i izlazna izmjenina struja u vrstoj vezi, pri emu napon troila znaajno ovisi o karakteru troila, no takvim se izmjenji-vaima neemo baviti.
Poluvodike sklopkeU ovom nastavku objasnit emo
kako izmjeniva djeluje u sustavu, bez tehnikog opisa njegove konstrukcije i primijenjene tehnologije - osim najnu-nijeg opisa poluvodike sklopke koja je njegov najvaniji dio.
Slika 2 prikazuje tri najee poluvo-dike sklopke:
o Bipolarni transistor, o MOSFET (Metal Oxide Semicon-
ductor Field Effect Tranzistor) i o IGBT (Insulated Gate Bipolar Tran-
sistor).Sve tri poluvodike sklopke imaju po
tri elektrika izvoda. Jedan je upravlja-ki, a preostala dva vode struju preko sklopke prema troilu.
Poeljno je da zatvorena sklopka kroz koju prolazi struja ne izaziva znaajniji pad napona, a u otvorenom stanju mo-e na sebi izdrati veliki napon. U ideal-
Foto
: Vic
tron
solarna struja (5)
571-2/14
Slika 2. Tri najee poluvodike sklopke: Bipolarni tranzistor, MOSFET i IGBT.
Slika 3. Grana izmjenjivaa s dvije poluvodike IGBT-sklopke. (Foto: Semikron)
nom sluaju, provoenje ili zapiranje ne smije zagrijavati sklopku.
Toplinu ne stvaraju ni napon ni struja, ve snaga - tj. umnoak napona i struje.
Razvijanje topline u sklopci nije poeljno, jer u krajnjem sluaju moe otetiti poluvodie. Stoga se toplinu sa sklopke odvodi prikladnim sustavom hlaenja.
Bipolarni tranzistor je povijesno naj-starija poluvodika sklopka.
Pri prolazu struje kroz tu sklopku pad napona je vrlo mali, to znai da se energija ne gubi na zagrijavanje.
Bipolarni tranzistor je strujno uprav-ljani element koji je zbog toga relativno spor, pa teko zadovoljava zahtjeve izmenjivaa.
Kad kaemo spor, misli se na proces uklapanja i isklapanja tranzistora. Kako se tada u njemu istodobno pojavljuje i napon i struja, razvija se toplina.
U pravilu, izmjenjiva funkcionira uz visoku frekvencija rada sklopke (uklop - isklop), a mnogo topline zahtijeva vei i sloeniji sustav hlaenja. Poveanje dimenzija i sloena odvodnja topline ne idu u prilog primjeni bipolarnog tranzi-stora u izmjenjivaima.
MOSFET je poluvodika sklopka upravljana naponom koja savreno odgovara visokim frekvencijama uprav-ljakih signala (do 20 kHz).
MOSFET-sklopke mogu brzo uklopiti i isklopiti struju, a zbog brzine tih pro-mjena razvijaju bitno manje topline od bipolarnih tranzistora.
No, dok provode struju, MOSFET-sklopke imaju malo vii napon na sebi, pa ni one nisu optimalne za primjenu u izmjenjivaima. Zbog razvijanja topline i MOSFET-sklopka treba djelotvoran i velik sustav za odvoenje topline....
IGBT je poluvodika sklopka koja u sebi objedinjuje samo dobra svojstva bipolarnog tranzistora i MOSFETA. Dok provodi struju, u njoj se pojavljuje manji pad napona, kao i u bipolarnom tranzi-storu.
Kako je upravljanje sklopkom napon-sko, preko upravljakog ulaza, kao kod MOSFET-a, s vrlo brzim uklapanjem i isklapanjem, od 20 do 30 nanosekundi
(ns), zagrijavanje je bitno manje. IGBT je brzo upravljiva komponenta
izmjenjivaa, s malim gubicima, po-djednako tijekom provoenja struje kao i tijekom uklapanja i isklapanja.
Zbog toga je pogodna za primjenu u izmjenjivaima.
Slika 3 prikazuje jedno od moguih rjeenja, s dvije IGBT-sklopke u kuitu.
solarna struja (5)
58 1-2/14
Kako radi izmjenjiva?Na slici 4 je struktura izmjenjivaa. U njemu su etiri sklopke: T1, T2, T3,
i T4. Sklopke T1 i T4 ine jednu granu izm-
jenjivaa, a sklopke T3 i T2 tvore drugu. Troila su spojena izmeu te dvije grane.
Jasno je da se nipoto ne smije isto-dobno zatvoriti sklopke T1 i T2, kao ni-ti T3 i T4, jer bi to proizvelo kratki spoj baterije. Svakoj sklopki u izmjenjivau pridruena je povratna dioda.
Da bismo na prikljuenom troilu koje crpi pohranjenu energiju iz istosmjernih baterija dobili izmjeninu struju tono odreenog napona i frekvencije (220 V / 50 Hz), treba nam irinsko-impulsna modulacija (Pulse Width Modulation).
O emu je rije? Slika 5 prikazuje trenutak kad struja
protjee kroz sklopku T1 (T4 je otvore-na) i sklopku T2 (T3 je otvorena).
Po zatvaranju sklopke T1 struja raste (gornji dio slike), a po otvaranju sklop-ke T1 (donji dio slike), struja jednos-tavno nastavlja tei zbog prisustva in-duktiviteta.
Meutim, bez aktivnog izvora, struja opada.
Vidljivo je da su otvorene (isklopljene) sve sklopke osim sklopke T2, pa jedini preostali put za zatvaranje strujnog kru-ga vodi kroz povratnu diodu u sklopki T4.
Zbog bolje preglednosti, na slici 6 su uklonjeni svi elementi koji na slici 5 ne sudjeluju u prolazu struje (plava linija). Tako dolazimo do uklopa/isklopa otpor-no-induktivnog (R-L) tereta na izvoru istosmjernog napona (bateriji).
Naponsko-strujne karakteristike za vrijeme uklopa i isklopa sklopke T pri-kazuje slika 7.
Dok je sklopka T uklopljena, napon na izlazu je, napon baterije (Uo).
Struja raste.
Slika 4. Jednofazni autonomni izmjenjiva s naponskim ulazom.
Slika 5. Proputanje struje u troilo. irinsko-impulsna modulacija.(LIJEVO)
Slika 6. Pojednostavljena slika 5. (DOLJE)
solarna struja (5)
591-2/14
Slika 7. Napon i struja uz konstantan odnos trajanja uklopljenosti sklopke u odnosu na period rada sklopke.
Kada je sklopka T otvorena, struja pro-lazi diodom D pa je napon Uo zapravo napon na diodi tijekom voenja struje, a to je priblino 0 V. Zato struja slabi i pada prema nitici.
Jasno se vidi da srednji napon Uosr ovisi o trajanju uklopa sklopke tijekom jednog radnog ciklusa sklope.
Ako je sklopka T ukljuena 100% tijekom cijelog Tciklusa, onda je srednji
napon za vrijeme Tciklus jednak napo-nu baterije, Uosr = Ubat.
Ako je za vrijeme Tciklus sklopka T ukljuena 0% onda je Uosr = 0 V.
Trajanjem ukljuenosti sklopke T u odnosu na period rada sklopke Tciklus moe se upravljati srednjim naponom Uosr.
Na slici 7 prikazan je sluaj kad je konstantan odnos ukljuenosti sklop-ke T u odnosu na period rada sklopke Tciklus. Naravno, uz konstantan odnos ukljuenosti sklopke T unutar perioda rada sklopke i struja kroz troilo I po-prima neku srednju vrijednost u perio-du rada sklopke Isr.
Sad smo vrlo blizu ideji - da se po nekom zakonu, zavisno o vremenu, naprimjer sinusnom, mijenja stanje ukljuenosti tranzistora T. to se tada zbiva vidi se na slici 8.
Period rada sklopke Tciklus je uvijek konstantan, ali se mijenja trajanje uklo-pljenosti sklopke T.
Mijenjanjem irine impulsa napona Uo unutar perioda Tciklus prema troilu se, po odsjecima, alje po sinusnom zakonu promjenjivi srednji napon.
Dodatno struja e zbog utjecaja in-duktiviteta malice kasniti za naponom. Imat e karakteristian upavi valni oblik.
Slika 8. irinsko-impulsna modulacija- pozitivna poluperioda.
Slika 9. Proputanje struje u troilo - u negativnom smjeru (plava linija sa strelicom).Na sljedeoj stranici je detaljniji opis ovih dvaju primjera...
solarna struja (5)
60 1-2/14
Time smo objasnili kako nastaje po-zitivna poluperioda napona. Na slian nain oblikuje se i negativna poluperi-oda, a koje sklopke pritom vode struju prikazuje slika 9.
Pri stvaranju negativne poluperiode na troilu, upravlja se sklopkom T3. Struja se tada zatva
