3. Regulacija struje armature i brzine istosmjernog stroja s nezavisnom uzbudom s pomou sklopova energetske elektronike

3.1. Uvod

Kako je spominjano u prethodnim poglavljima, struja armature i brzina vrtnje istosmjernog stroja s nezavisnom pobudom se mogu mijenjati promjenom iznosa narinutog napona na armaturne stezaljke, odnosno stezaljke uzbudnog kruga. U dosadanjim razmatranjima koristio se predotpor za reguliranje armaturne struje i brzine motora. Takva izvedba regulacije je relativno uinkovita, ali izrazito neekonomina, zbog gubitaka koji se disipiraju na predotporima (toplina koja nepotrebno zagrijava elektromotorni pogon te koja se ne moe iskoristiti). Zbog toga , ali razvojem energetske elektronike, danas se armaturna struja i brzina istosmjernog motora uspjeno regulira promjenom napona napajanja. Energetski pretvarai osiguravaju napon i struju istosmjernom stroju pravilan rad u razliitim pogonskim stanjima. Zadaa energetski pretvaraa jest da omogui brzo, uinkovito, tono i pouzdano upravljanje istosmjernim strojem. Naravno, s ekonomskog aspekta, oekuje se i upravljanje uz to niu cijenu realizacije takvog energetskog sklopa. Za ostvarivanje reguliranog elektromotornog pogona potreban je sustav koji sadri energetski pretvara, digitalni sustav na kojem se realiziraju upravljako-regulacijske strukture, sustav za mjerenje i prikupljanje podataka o reguliranim varijablama elektromotornog pogona, i naravno, istosmjerni stroj.

Slika 3.1. Sustav regulacije armaturne struje i brzine istosmjernog stroja s nezavisnom uzbudomEnergetski pretvara se moe staviti u armaturni ili uzbudni krug. Ulazne veliine u reguliranom sustavu prema slici su naponi ua, odnosno uu. Kada se sustav zatvori povratnom vezom (negativnom), ulazne veliine su ujedno i referentne veliine armaturne struje, odnosno brzine stroja. Negativnom povratnom vezom mogu se poboljati dinamika svojstva reguliranog sustava, a mogu se kompenzirati i poremeaji koji se mogu pojaviti tijekom upravljanja sustavom (npr. poveanje momenta tereta). Mjerni lanovi slue za ostvarenje povratne veze. Na slici 3.1. mjerne veliine (lanovi) su ia, ua, uu te i . Realizacije mjernih lanova mogu biti razliite, npr. tahogenerator na osovini stroja za brzinu, ampermetar za struju, voltmetar za napon, itd. Zadavanjem referentne veliine i pravilnim odabirom regulatora na ulazu, dobivaju se eljene vrijednosti na izlazu. Prema shemi na slici 3.1. zakljuuje se da energetski pretvara mora imatati sposobnost mijenjanja parametara, odnosno posredstvom mijenjanja parametara mora omoguiti promjenu napona. Energetski pretvarai koji se koriste su: usmjerivai (AC/DC) i istosmjerni pretvarai, tzv. operi (DC/DC).

3.2. Mreom voeni usmjerivai

Usmjerivai se koriste za upravljanje istosmjerni strojem, kada je na raspolaganju izmjenini izvor elektrine energije. Usmjerivai se mogu koristiti i na trofaznoj i monofaznoj mrei. Princip rada je isti, ali je broj komponenti vei kod trofaznog usmjerivaa za razliku od monofaznog usmjerivaa. Trofazni usmjerivai se koriste za vee snage. Usmjeriva moe raditi kao ispravlja i kao izmjenjiva, ovisno o tome, je li potrebno da se istosmjerni stroj napaja iz mree, ili da istosmjerni stroj napaja mreu. Postoje razliite vrste usmjerivaa, koji se razlikuju po realizaciji, namjeni, snazi za iji su rad predvieni te mogunostima rada istosmjernog pogona.

Slika 3.2. Pogonska stanja istosmjernog elektromotornog pogonaReimi rada istosmjernog nezavisno uzbuenog stroja su jednokvadrantni, dvokvadrantni i etverokvadrantni pogon. Jednokvadrantni pogon jest kada istosmjerni stroj radi kao motor te se vrti u jednom smjeru vrtnje. To su I. i III. kvadrant na slici 3.2. U tim kvadrantima stroj stvara moment koji djeluje sukladno smjeru vrtnje stroja, a razlika izmeu I. i III. kvadranta jest u smjeru vrtnje, odnosno stroj e prijei iz jednog kvadranta u drugi ako mu se promjeni polaritet narinutog napona na armaturu ili na uzbudu. Dvokvadrantni pogon karakterizira motorski i generatorski rad stroja u jednom smjeru. To su I. i II. te III. i IV. kvadrant na slici 3.2. Smjer vrtnje stroja se ne mijenja, a stroj stvara moment koji djeluje sukladno vrtnji (motorski rad) ili stroj stvara moment koji se opire vrtnji (generatorski rad regenerativno koenje). etverokvadrantni pogon jest kada stroj moe raditi kao motor i generator u oba smjera. To su I., II., III. i IV. kvadrant na slici 3.2.Ako se eli realizirati etverokvadrantni rad elektromotornog pogona, energetski pretvara mora omoguiti izlazni napon oba polariteta i struju u oba smjera, odnosno napon oba polariteta za II-kvadrantni rad (ako se eli samo motorski nain rada u oba smjera). Energetski pretvara mora ograniavati armaturnu struju za vrijeme prijelazne pojave, jer struja za vrijeme prijelazne pojave, koja nastupa npr. kada se motor zalee, moe porasti i na vrijednosti nekoliko puta vee od ustaljene vrijednosti. Regulacijski sustav, za ograniavanje takvog nadvienja struje, esto koriste regulatore (sa odabranim parametrima) koji kompenzira dinamiku samog sustava. Dalje, srednja vrijednost izlaznog napona treba linearno ovisiti o ulaznom upravljakom naponu. Linearni sustavi se lake matematiki opisuju, te su metode za njihovo upravljanje razraene. Kada se radi o nelinearnom sustavu, potrebno je provesti proces linearizacije. Energetski pretvara mora osigurati to manju valovitost struje armature, odnosno faktor oblika. Valovita armaturna struja moe dovesti do valovitosti momenta, a toje najee nepoeljna pojava. Izlaz iz pretvaraa mora to bre slijediti signal na ulazu kako bi se pretvara mogao nadomjestiti elementom s konstantnim pojaanjem.

Slika 3.3. Trofazni tiristorski usmjeriva u mosnom spoju; simbol tiristoraNa slici 3.3. prikazan je primjer trofaznog usmjerivaa, odnosno energetskog pretvaraa. Smjer struje ia i napona ua ukazuju da se radi o motorskom nainu rada istosmjernog stroja, odnosno izmjenina trofazna mrea napaja armaturu istosmjernog stroja posredstvom energetskog pretvaraa. Energetski pretvara ostvaren je s 6 komponenti ije realizacije su tiristorske poluvodike sklopke. Tiristore karakterizira visoka strujna i naponska opteretljivost pa se stoga esto koriste u energetskoj elektronici. Na slici 3.3. prikazan je simbol tiristora. Prikljunice su: anoda (A), katoda (K) i gejt (G). Struja koja prolazi tiristorom oznaena je s iV, a napon na tiristoru uV. Struja iG predstavlja strujni impuls doveden na gejt. Tiristor je strujno jednosmjerna sklopka, a moe biti poluupravljiv i punoupravljiv. Poluupravljiv tiristor uklapa (vodi) kada mu je napon vei od 0 (uV > 0), pod uvjetom da je dobio pozitivni strujni impuls na gejt (iG > 0), a isklapa (prijelazi iz stanja voenja u nevoenje) kada mu struja padne na vrijednost 0 (iV = 0). Odabirom trenutka davanja impulsa na gejt poluupravljivog tiristora, tiristor se moe zadrati u stanju nevoenja, iako je napon na tiristoru vei od 0. To vrijeme, odnosno kut trajanja pozitivnog napona na tiristoru naziva se vrijeme (kut) voenja ili kut okidanja tiristora (). Poluupravljivi tiristor ne moe isklopiti u eljenom trenutku, nego u trenutku kada struja tiristora padne na 0. Za isklapanje u bilo kojem trenutku koristi se punoupravljivi tiristor. Razmatranja za punoupravljivi tiristor (uvjeti nastanka voenja\nevoenja) su ista, osim to se isklapanje punoupravljjivog tiristora moe provesti u eljenom trenutku negativnim impulsom na gejt (iG < 0).Tiristorski usmjeriva u trofaznom mosnom spoju sastoji se od dvije grupe ventila. To su katodna grupa (ventili V1, V3 i V5) te anodna skupina (ventili V2, V4 i V6). Pretpostavlja se da je mreno napajanje ini sustav simetrinih trofaznih napona (e1, e2, e3). Trofazni sustav napona prikazan je na slici 3.4. U anodnoj skupini vodi uvijek ventil koji je na pozitivnijem naponu, a u anodnoj skupini vodi ventil koji je na negativnijem naponu. Intervali voenja pojedinih ventila prikazani su na slici 3.4. (za =0), odnosno na slici 3.5. (za =450). Ako se primjeni Kirchohoffov zakon za napone dobiva se sljedei izraz:

(3-1)gdje je uoK napon katodne skupine ventila, a uoA napon anodne skupine ventila. Iz izraza (3-1) odredi se valni oblik izlaznog napona usmjerivaa, odnosno armaturnog napona. Takoer se iz dobivenog valnog oblika napona armature moe izraunati njegova srednja vrijednost koja je dana sljedeim izrazom:

(3-2)gdje je Ua srednja vrijednost ispravljenog napona, a UL efektivna vrijednost izmjeninog napona. Ako se umjesto tiristora stave energetske diode tada e, trofazni mosni spoj na slici 3.3., biti neupravljiv. Na izlazu e biti napon ija se vrijednost ne moe mijenjati te e iznositi (uz =0): Ua = 1.34 UL.

Slika 3.4. Prikaz izlaznog izlaznog valnog oblika napona trofaznog tiristorskog usmjerivaa za kut okidanja jednak 0 ( =0)Ako se kut okidanja poveava, mijenjat e se i valni oblik izlaznog napona, a tako i njegova srednja vrijednost. To se vidi iz izraza (3-2) gdje se poveanjem kuta okidanja smanjuje srednja vrijednost napona armature. Grafiki se to vidi usporedbom valnih oblika napona armature te srednjih vrijednosti napona armature na slikama 3.4. i 3.5.

Slika 3.5. Prikaz izlaznog izlaznog valnog oblika napona trofaznog tiristorskog usmjerivaa za kut okidanja jednak 450 ( =450)U prethodnim grafikim prikazima valnih oblika napona armature nije uzet u obzir komutacijski induktivitet koji je u stvarnosti neizbjean. To je parazitni induktivitet koji ne doputa trenutni prijelaz struje s jednog ventila na drugi. Posljedica komutacijskog induktiviteta jest smanjenje srednje vrijednosti napona na izlazu usmjerivaa zbog tzv. induktivnog pada napona koji ovisi o broju pulzacija (pulsnosti), frekvenciji rada usmjerivaa, iznosu komtacijskog induktiviteta te iznosu struje na izlazu usmjerivaa, armaturne struje (u primjeru usmjerivaa na slici 3.3. induktivni pad napona iznosi: Dx = 6*f*Lk*Id). Kako je induktivni pad napona posljedica parazitnog induktiviteta, koji se moe kompenzirati, njegova vrijednost nee uvelike utjecati na srednju vrijednost izlaznog napona usmjerivaa.

Slika 3.6. Blokovski prikaz usmjerivaaPomou impulsnog sklopa se upravlja radom usmjerivaa, na nain kako je objanjeno u prethodnom tekstu. Impulsni sklop omoguuje da tiristori rade u skladu s frekvencijom mree, te tako svode valovitost izlaznog (armaturnog) napona na najmanju vrijednost, kako bi se valovitost struje smanjila. Promjenom napona uul mijenja se vrijeme davanja impulsa tiristorima, odnosno mijenja se kut voenja, a time i izlazni napon Ua prema izrazu (3-2). Ako kut okidanja ovisi o naponu uul funkcijom arccos tada je prijenosna funkcija usmjerivaa u Laplaceovoj transformaciji dana izrazom:

(3-3)gdje je KTy pojaanje usmjerivaa, mrtvo vrijeme usmjerivaa. Usmjeriva je karakteriziran prijenosnom funkcijom koja predstavlja tzv. Tt vladanje (lan s transportnim kanjenjem ili mrtvim vremenom). To znai da se signal (napon) na ulazu usmjerivaa nee trenutno pojaviti na izlazu usmjerivaa, odnosno proi e odreeno vrijeme () nakon kojega se napon na izlazu poinje mijenjati. Razlog tome jest to da tiristor ne poinje voditi u istom trenutku kada dobije impuls, nego u nekom trenutku kasnije. Naravno napon na izlazu e se razlikovati od napona na ulazu ovisno o pojaanju usmjerivaa KTy. Mrtvo vrijeme ili transportno kanjenje se odredi iz sljedeeg izraza:

(3-4)gdje je m broj pulzacija (za usmjeriva na slici 3.3. m = 6), a f je frekvencija mree (najee 50 Hz). Prijenosna funkcija usmjerivaa prema izrazu (3-3) moe se aproksimirati PT1 vladanjem (vladanje s usporenjem prvog reda) te tada izraz (3-3) prijelazi u:

(3-5)Ako se uvrste podaci koji su uobiajni za trofazni usmjeriva, dobiva se da je mrtvo vrijeme prosjeno jednako: = 2ms. Iz prijenosne funkcije (3-5) vidljivo je da prijenosna funkcija usmjerivaa ima pol u toki sp = -1/, a taj pol je, u odnosu na druge polove sustava koji opisuje elektromotorni pogon, nedominantan. To znai da e utjecaj dinamike usmjerivaa na proces regulacije istosmjernog elektromotornog pogona biti zanemariv. Vremenska konstanta usmjerivaa (mrtvo vrijeme) je puno manje od vremenskih konstanti ostalih polova prijenosne funkcije koja karakterizira regulirani elektromotorni pogon, s obzirom na brzinu ili armaturnu struju kao izlaznu veliinu.

-vrste i podjela usmjerivaa (tablica 1046.str), treba staviti sliku ili tablicuAko se stavi slika treba korigirati slike koje slijede-

3.3. Vanjska karakteristika usmjerivaa

Vanjska karakteristika usmjerivaa prikazuje ovisnost izlaznog napona usmjerivaa Ua o izlaznoj struji Ia. To su zapravo napon i struja armature.

Slika 3.7. Vanjska karakteristika usmjerivaa za razliite vrijednosti kuta okidanja ; prikaz armaturne struje u podruju isprekidane i neprekidne strujeNa vanjskoj karakteristici usmjerivaa (slika 3.7.) uoavaju se dva karakteristina podruja. Kada je motor slabo optereen, usmjeriva se nalazi u podruju isprekidane struje. U tom podruju struja je diskontinuirana. Ako je istosmjerni stroj optereen optereen isprekidanom strujom, mijenja mu se matematiki opis, koji ovisi o broju pulzacija m:

(3-6)

(3-7)

(3-8)

(3-9)

(3-10)Ako se izrazi (3-7), (3-8), (3-9) i (3-10) uvrste u izraz (3-6), dobiva se izraz koji daje opis ponaanja istosmjernog stroja napajanog iz usmjerivaa u podruju isprekidane struje:

(3-11)Prema izrazu (3-11) moe se zakljuiti da e u podruju isprekidane struje struja pratiti promjene napona armature, zato to nema induktiviteta La. Prema tome, vremenska konstanta armaturnog kruga je jednaka 0 (Ta = 0). Ako se po tehnikom optimumu biraju parametri regulatora koji e prilagoditi sustav regulacije ovakvoj prijenosnoj funkciji istosmjernog stroja, izabrat e se I regulator, odnosno regulator sa samo integralnim djelovanjem. Odabire se integralno djelovanje jer nema potrebe za kompenzacijom polova procesa (jer je Ta = 0). Prijenosna funkcija PI regulatora za regulaciju u podruju isprekidane struje ima sljedei oblik:

(3-12)U podruju neisprekidane struje, struja nije diskontinuirana (nikada ne pada na 0), te vanjska karakteristika ima blag i konstantan nagib. U idealnom sluaju karakteristika bi bila pravac parelelan s ia-osi, ali kako postoje padovi napona na polovodikim sklopkama, usmjerivakom transformatoru i spojnim vodovima, karakteristika ima nagib. Fizikalno, nagib karakteristike znai da e za vea optereenja istosmjernog stroja (vea Ia) izlazni napon usmjerivaa (Ua) biti manji. Naravno to vrijedi pod pretpostavkom da je kut okidanja konstantan. Izraz koji opisuje vanjsku karakteristiku u podruju neisprekidane struje je:

(3-13)gdje je Us pad napona na poluvodikim sklopkama, RT otpor namota transformatora, Rv je otpor spojnih vodova, a Rk je otpor komutacijsog kruga. Otpor komutacijskog kruga ovisi o frekvenciji, komutacijskom induktivitetu i broju pulzacija usmjerivaa. Regulator u podruju neisprekidane struje je PI regulator, iji su parametri odabrani po tehnikom optimumu, odnosno nula regulatora kompenzira dominantan pol procesa (TRi = Ta):

(3-14)Kako stroj moe raditi u podruju isprekidane (diskontinuirane) i neisprekidane (kontinuirane) struje, regulator armaturne struje mora biti adaptivan, odnosno parametri mu se moraju mijenjati, kako bi se dobile iste karakteristike sustava za ta dva podruja rada stroja. Regulatoru se mora mijenjati struktura (PI u podruju kontinuirane struje, a I u podruju diskontinuirane struje).Vanjska karakteristika se mijenja za razliite vrijednosti kuta okidanja . Poveanjem kuta okidanja karakteristika se sputa, odnosno smanjuje se izlazni napon usmjerivaa, odnosno armaturni napon. Za kutove okidanja vee od 900 polaritet armaturnog napona se mijenja te se daljnim porastom poveava, ali sa obrnutim polaritetom. Na ovaj nain omoguen je dvokvadrantni rad usmjerivaa, odnosno motorski rad istosmjernog stroja za oba smjera vrtnje.

3.4. Regulacija brzine vrtnje i struje armature nezavisno uzbuenog istosmjernog stroja s dvokvadrantnim usmjerivaem

Slika 3.8. Shema upravljanja armaturnom strujom i brzinom vrtnje istosmjernog nezavisno uzbuenog stroja s dvokvadrantnim usmjerivaemTiristorski usmjeriva je realiziran upravljivim trofaznim mosnim spojem koji omoguuje dvokvadrantni rad istosmjernog stroja. Sustav regulacije na slici 3.8. sastoji se od unutarnjeg i vanjskog kruga. Unutarnji krug rsustava slui za regulaciju armaturne struje, a sastoji se od regulatora armaturne struje struje, mjernog lana armaturne struje te okidnog sklopa. Vanjski krug regulacije sastoji se od regulatora brzine te mjernog lana brzine. Regulator struje i regulator brzine ostvareni su najee PI vladanjem. PI regulator s okidnim sklopom upravlja armaturnom strujom, odnosno poveava ili smanjuje struju kako bi brzina vrtnje stroja poprimila referentni iznos (nref). Kako se tijekom prijelazne pojave (dinamikog stanja) koja nastaje zbog promjene brzine, struja moe poveati i na vrijednosti vee od vrijednosti struje u stacionarnome stanju, tada se struja mora ograniiti na referentnu vrijednost. Zadavanjem referentne vrijednosti brzine vrtnje, automatski se zadaje referentna vrijednost struje (iaref). Ulaz u unutarnji regulacijski krug jest regulacijsko odstupanje vrijednosti struje koja se dovodi povratnom vezom pomou mjernog lana, i referentne struje (e = iaref - ia ). Kada regulacijsko odstupanje poprimi vrijednost 0, armaturna struja se izjednaila s referentnom vrijednosti struje, odnosno postigla se eljena vrijednost struje. Ako vrijedi da je:

(3-15)moe se smatrati da je prijelazno stanje (dinamika sustava) zavrilo, te je postignuta eljena vrijednost struje, a posredno i brzine vrtnje. Uloga PI regulatora jest da ubrza prijelaznu pojavu te da sprjeava tetna nadvienja struje, ali i da sprijei pogreke u stacionarnome stanju u odnosu na referentne vrijednosti. Metode za odreivanje parametara PI regulatora su razraene, a esto koritene metode za odreivanje parametara su tehniki i simetrini optimum. Da se ne koriste regulatori prijelazne pojave bi trajale dugo, a esto i titrajnim valnim oblicima s velikim nadvienjima, a moe se dogoditi da sustav, zatvoren povratnom vezom, postane nestabilan. Zbog toga se prilikom sinteze regulatora mora paziti na uvjete nestabilnosti zatvorenog regulacijskog kruga. Takoer postoje metode ispitivanja nestabilnosti sustava (grafike i analitike).

3.5. Regulacija brzine vrtnje i struje armature nezavisno uzbuenog istosmjernog stroja s etverokvadrantnim usmjerivaem

Slika 3.9. Shema upravljanja armaturnom strujom i brzinom vrtnje istosmjernog nezavisno uzbuenog stroja s etverokvadrantnim usmjerivaemTrofazni usmjeriva je realiziran s dva antiparalelno spojena tiristorska mosta koji omoguuje etverokvadrantni rad istosmjernog stroja. Mogua je promjena oba polariteta napona, ali i oba smjera struje. Kada istosmjerni stroj radi kao motor, napaja se iz mree preko tiristorskog mosta kojim upravlja okidni sklop 1. Struja (energija) tada tee prema motoru. Antiparalelnim spojem omogueno je da motor predaje energiju mrei kada je stroj u generatorskom reimu rada. Tada stroj stvara struju koja tee prema mrei preko tiristorskog mosta kojim upravlja okidni sklop 2. Radi lakeg razlikovanja tiristorskih mostova uvodi se naziv M1 za most kojim upravlja okidni sklop 1, a M2 za most kojim upravlja okidni sklop 2. Nuna je upravljaka jedinica koja e upravljati radom oba usmjerivaa koja mora osigurati vremensku pauzu kod izmjene rada usmjerivaa. Upravljaka jedinica ne smije dopustiti istovremeni rad oba mosta (M1 i M2) jer bi se tada dogodio kratki spoj na mrenoj strani. Princip regulacije je slian kao u primjeru prema slici 3.8., a razlika je u tome da se stroj moe dovoditi u razliite reime pogona. Ako se eli pogonom usporiti zadaje se referentna brzina vrtnje koja je manja od trenutne (nref < n). Tada e i referentna vrijednost armaturne struje biti manja od trenutne (iaref < i), te e regulator s okidnim sklopom smanjivati izlazni napon iz usmjerivaa (armaturni napon). Rezultat toga bit e smanjivanje brzine vrtnje (i armaturne struje) do eljene vrijednosti nref, odnosno iaref. Ako se zada brzina vrtnje suprotnog smjera od trenutnog, tada e i referentna struja biti negativna. To e dovesti do odreenog trenutka (tk) u kojemu je armaturna struja jednaka 0 (ia = 0). U tom trenutku upravljaka jedinica mora poeti upravljati drugim mostom. Ako je do trentka tk radio most M1, od tog trenutka mora raditi most M2 da bi se postigla referentna vrijednost struje, odnosno brzine vrtnje. Iz sigurnosnih razloga most M2 nee odmah, u trenutku tk, zapoeti s voenjem, nego e proi odreeno vrijeme u kojem se dogaa prelazak voenja s mosta M1 ni most M2. To vrijeme se naziva bezstrujna pauza. U tom vremenu upravljaka jedinica mora prilagoditi upravljake impulse tiristorskog usmjerivaa M2 na takav kut upravljanja da se napon armature motora izjednai s naponom na izlazu tiristorskog usmjerivaa M2. Most M2 poinje s voenjem u trenutku tk+Tp. Vrijeme Tp traje u prosjeku 2-5 ms (maksimalno 10 ms). Poeljno je da vremenska pauza traje to krae. Da nema vremenske pauze izmeu voenja mostova M1 i M2 dogodio bi se kratki spoj na mrenoj strani, kako je ranije spomenuto. Struju kratkog spoja ne bi mogao ograniavati strujni regulator unutar petlje regulacije istosmjernog stroja, pa se koriste osigurai na mrenoj strani usmjerivaa ija je zadaa sprjeavanje struje kratkog spoja. Treba voditi rauna i o kumutacijskom induktivitetu koji sprjeava trenutni prelazak struje s jedne poluvodike komponente na drugu. To takoer moe dovesti do struje kratkog spoja. Kako je struja kratkog spoja osnovni nedostatak sustava upravljanja s dva antiparalelno spojena mosna spoja, potrebno je ostvariti mjerni lan koji e tono i precizno detektirati pribliavanje armaturne struje vrijednosti 0, odnosno trenutak kada je armaturna struja jednaka 0. Zbog toga se koriste dva senzora koji realiziraju mjerni lan armaturne struje za pogone veih snaga. Jedan senzor je linearan u itavom radnom podruju i slui kao povratna veza sustavu regulacije struje armature. Drugi senzor slui za precizno odreivanje kada je armaturna struja jednaka 0. Taj senzor je vaan jer daje informacije upravljakoj jedinici koja na temelju tog senzora pravilno ukljuuje, odnosno iskljuuje, most M1 ili M2.Ovakav sustav regulacije upotrebljava se za istosmjerne elektromotorne pogone u rasponu snage od nekoliko kW do 10MW.

3.6. Istosmjerni pretvarai napona (operi)

Istosmjerni pretvarai napona (operi) su energetski pretvarai koji povezuju istosmjernu pojnu mreu (DC) i istosmjerno troilo (DC). Njihova zadaa je poveati ili smanjiti istosmjerni napon. To je ujedno i njihova namjena u regulaciji brzine vrtnje i armaturne struje nezavisno uzbuenog istosmjernog stroja. Razlika izmeu usmjerivaa i istosmjernih pretvaraa jest u tome to usmjerivai koriste izmjeninu pojnu mreu za napajanje istosmjernog stroja (AC/DC), a istosmjerni pretvarai koriste istosmjernu pojnu mreu (DC/DC). Zbog toga se na ulazu istosmjernog pretvaraa stavlja usmjeriva koji radi kao ispravlja. Vrste istosmjernih pretvraraa su: silazni (eng. step down (buck)), uzlazni (eng. step up (boost)) te silazno-uzlazni istosmjerni pretvara (eng. buck-boost). Kod silaznog pretvaraa, napon na ulazu je manji od napona na izlazu. Kod uzlaznog pretvaraa, napon na ulazu je vei od napona na izlazu. Kod silazno-uzlaznog pretvaraa, napon na ulazu moe biti manji ili vei od napona na izlazu, ovisno o parametrima pretvaraa. Za upravljanje istosmjernim strojem potrebna je mogunost i poveavanja i smanjivanja napona pa se je zbog toga najbolji izbor pretvaraa silazno-uzlazni ili kombinacija silaznog i uzlaznog pretvaraa. Istosmjerni pretvarai realiziraju se s pomou poluvodikih komponenti. To su neupravljii ventili (energetska dioda) te punoupravljivi ventili (GTO tiristor, serijski spoj diode i bipolarnog tranzistora). U tablici 3.2. upravljivi ventili se nalaze na poloajima sklopki Si.

Slika 3.10. Prikaz modela poluvodikih komponenti koji se upotrebljavaju u istosmjernim pretvaraimaTablica 3.2. Istosmjerni pretvarai napona koriteni u elektromotornim pogonima

Princip rada istosmjernih pretvaraa napona pokazat e se silaznom istosmjernom pretvarau napona.

Slika 3.11. Analiza rada silaznog istosmjernog pretvaraaAnaliza rada istosmjernog pretvaraa napona provodi se za dva intervala: interval A (vodi ventil V1, a ventil V2 ne vodi) te interval B (vodi ventil V2, a ventil V1 ne vodi). Drugi intervali nisu doputeni jer bi naponski izvor moga biti kratko spojen u intervalu u kojemu bi vodila oba ventila. Najprije je potrebno postaviti Kirchohoffove zakone. Moe se, prema shemi na slici 3.11., pisati:

(3-16)

(3-17)

(3-18)U intervalu A vrijedi da je uV1 = 0, a iV2 = 0, a u intervalu B vrijedi da je uV2 = 0, a iV1 = 0. Dobivaju se valni oblici izlaznog napona i struje prema slici 3.12.

Slika 3.12. Valni oblik napona i struje troila Interval A traje do trenutka t1, a zatim traje interval B do trenutka T koji je ujedno i period rada istosmjernog pretvaraa. Vrijednost izlaznog napona odreuje vrijeme trajanja intervala A, odnosno vrijeme voenja ventila V1. Srednja vrijednost izlaznog napona rauna se prema sljedeem izrazu:

(3-19)gdje je U iznos istosmjernog napona na ulazu, a t1 trajanje voenja ventila V1. Ovakva vrsta upravljanja pretvaraem napona, koja se ostvaruje mijenjanjem irine impulsa, naziva se pulsno irinska modulacija (PWM). U ovom primjeru radi se o unipolarnoj pulsno irinskoj modulaciji. U valnom obliku struje ia primjeuje se valovitost. Valovitost struje moe tetno. utjecati na rad stroj te uzrokovati pulazacije momenta. Valovitost se moe smanjiti poveanjem sklopne frekvencije istosmjernog pretvaraa, ali time se poveavaju i sklopni gubitci te se elementi pretvaraa zagrijavaju. Problem istosmjernih pretvaraa su, kao i kod usmjerivaa, podruje isprekidane struje koje naruava linearnost karakteristike istosmjernog pretvaraa. Takoer vrijede zakljuci doneseni za odabiranje regulatora u krugu regulacije armaturne struje, koji su izneseni prilikom opisivanja vanjske karakteristike usmjerivaa. To znai da regulator struje, prilikom upravljanja istosmjernim strojem posredstvom istosmjernog pretvaraa, mora biti adaptivan (prilagodljiv). U podruju isprekdane struje mora biti I vladanja, au podruju neisprekidane struje mora biti PI vladanja.

3.13. Vanjska karakteristika istosmjernog pretvaraaKao i kod usmjerivaa potrebno je odrediti prijenosnu funkciju istosmjernih pretvaraa kako bi se odredio utjecaj istosmjernog pretvaraa na sustav regulacije istosmjernim strojem posredstvom istosmjernog pretvaraa. Prijenosna funkcija istosmjernog pretvaraa u Laplaceovoj transformaciji dana je izrazom:

(3-20)gdje je Ksp pojaanje istosmjernog pretvaraa, mrtvo vrijeme istosmjernog pretvaraa, a uul je napon kojim se odreuje faktor voenja D. Istosmjerni pretvara je, kao i usmjeriva, karakteriziran prijenosnom funkcijom koja predstavlja tzv. Tt vladanje (lan s transportnim kanjenjem ili mrtvim vremenom). Mrtvo vrijeme ili transportno kanjenje se odredi iz sljedeeg izraza:

(3-21)Prijenosna funkcija pretvaraa prema izrazu (3-21) moe se aproksimirati PT1 vladanjem (vladanje s usporenjem prvog reda) te tada izraz (3-22) prijelazi u:

(3-22)Vremenska konstanta pretvaraa je zanemariva u odnosu na vremenske konstante koje karakteriziraju dinamiku istosmjernog stroja. Razlog tome je vrlo velika sklopna frekvencija pretvaraa pa je i samao mrtvo vrijeme pretvaraa zanemarivo ( = T/2 = 1/(2*f)0). Sada se pretvara moe opisati samo pojaanjem, odnosno izraz (3-22) prelazi u:

(3-23)

3.7. Istosmjerni etverokvadrantni pretvara

etverokvadrantni istosmjerni pretvarai imaju najveu primjenu u sustavu regulacije istosmjernih elektromotornih pogona jer omoguuju etverokvadrantni rad elektrinog pogona (motorski i generatorski rad). etverokvadrantni istosmjerni pretvarai ostvareni su s mosnim spojem dva silazno-uzlazna dvokvadrantna istosmjerna pretvaraa (IP1 i IP2) koji omoguuju napon i struju troila (istosmjerni stroj) oba smjera, pa prema tome i etverokvadrantni rad.

Slika 3.14. etverokvadrantni istosmjerni pretvaraetverokvadrantni istosmjerni pretvara sastoji se od dviju grana. Jednu granu ine upravljivi ventili V1 i V2 te njima antiparalelno spojeni neupravljivi ventili V11 i V22. Ta grana je ujedno i silazno-uzlazni pretvara IP1. Drugu granu ine upravljivi ventili V3 i V4 te njima antiparalelno spojeni neupravljivi ventili V33 i V44. Ta grana je ujedno i silazno-uzlazni pretvara IP2. Ventili Vi (i = 1, 2, 3, 4) su realizirani punoupravljivim poluvodikim komponetama (bipolarni tranzistor, IGBT, MOSFET), a ventili Vii (i = 1, 2, 3, 4) su energetske diode. Prilikom upravljanja ventilima moraju ostati zadovoljena dva pravila. Ventili jedne grane nikada ne smiju biti istovremeno uklopljeni. Da se dogodi takav interval, naponski izvor na ulaz bio bi kratko spojen, a to je izrazito nepoeljno pogonsko stanje. Drugo pravilo jest da upravljivi ventili jedne grane ne smiju biti istovremeno isklopljeni. Da se dogodi takav interval, napon na troilu bi ovisio osmjeru struje troila i upravljanje izlaznim veliinama pretvaraa postalo bi nemogue. Iz ova dva pravila slijedi pravilo na kojemu se temelji analiza rada pretvaraa. Upravljivi ventili jedne grane upravljaju se protutaktno. -slike 3.15,16,17,18Motorski i generatorski reim rada-Pretvaraem se upravlja pulsno irinskom modulacijom (PWM). Kako je spomenuto u poglavlju 3.7. pretvaraem se pomou PWM upravlja mijenjanjem irine impulsa. PWM se koristi radi smanjenje harmonike distorzije napona troila. Razllikuju se dvije vrste PWM-a, unipolarna pulsno-irinska modulacija i bipolarna pulsno-irinska modulacija. Ako se pretvaraem upravlja unipolarnom pulsno-irinskom modulacijom, tada se na izlazu pojavljuju impulsi napona koji su istog predznaka. Kod upravljanja pretvaraem bipolarnom pulsno-irinskom modulacijom, na izlazu se pojavljuju impulsi napona koji mogu biti razliitog predznaka. Izraz (3-19) pokazuje kako se upravlja srednjom vrijednou izlaznog napona pretvaraa upravljanog unipolarnom PWM, a izlazni napon pretvara upravljan bipolarnom PWM odreuje se iz sljedeeg izraza:

(3-24)gdje je D faktor optereenja sklopke. Frekvencija sklapanja kod PWM je odreena i ne mijenja se (red veliine 1 kHz).

3.8. Regulacija brzine vrtnje i struje armature nezavisno uzbuenog istosmjernog stroja s etverokvadrantnim pretvaraem

Sustav regulacije istosmjernim strojem posredstvom istosmjernog pretvaraa ostvaruje se na slian nain kao kod upravljanja usmjerivaem. Ako je na raspolaganju istosmjerna mrea (baterije, akumulatori) tada nije potreban ispravlja izmeu mree i pretvaraa. Ako je dostupna samo izmjenina mrea tada se koristi ispravlja. To moe biti jednofazni neupravljivi mosni spoj, ako je pojna mrea jednofazna, ili neupravljivi trofazni mosni spoj, ako je pojna mrea trofazna. Upravljanje pretvaraem vri se s pomoi PI regulatora s pulsno irinskom modulacijom ili s histereznim regulatorom. Na slici 3.19. prikazana je shema upravljanja istosmjernim strojem istosmjernim pretvaraem i histereznim regulatorom. Prikazan je samo unutarnji krug regulacije (po armaturnoj struji). Vanjski regulacijski krug (po brzini vrtnje) ne razlikuje se od vanjskog regulacijskog kruga sustava upravljanja istosmjernim strojem pomou usmjerivaa. Prema tome, razlika u upravljanju pomou usmjerivaa ili pretvaraa ima u unutarnjem regulacijskom krugu.

Slika 3.19. Upravljanje istosmjernim strojem istosmjernim pretvaraem i histereznim regulatoromUlazni napon trofazne mree ispravlja se s pomou neupravljivog trofaznog mosnog spoja. Ispravljeni napon se poveava ili smanjuje s pomou istosmjernog etverokvadrantnog pretvaraa. Na izlazu ispravljaa, odnosno ulazu pretvaraa, nalaze se reaktivni elementi te elementi konog sklopa. Prigunica (induktivitet L) slui za smanjenje valovitost struje, dok kondenzator (kapacitet C) slui za smanjenje valovitosti napona. Koni sklop ini upravljivi ventil T5 i otpornik otpora Rk. Pomou konog sklopa mogue je ostvariti elektrodinamiko (otporsko) koenje istosmjernog pogona kako je objanjeno u poglavlju 2.3. Koni sklop ima i funkciju zatite kondenzatora od naponskog naprezanja. Kada je istosmjerni stroj u generatorskom reimu rada, struja tee prema mrei, a to uzrokuje poveavanje napona nakondenzatoru. Ukljuivanjem sklopke T5 dio struje se odvodi na otpor Rk..Mjerna veliina sustava regulacije je armaturna struja koja se dovodi negativnom povratnom vezom na ulaz sustav regulacije. Referentnu vrijednost struje armature (iaref) jest ulazna veliina regulacijskog sustava. A odstupanje mjerene veliine od referentne vrijednosti armaturne struje jest upravo ulazna veliina histereznog regulatora struje. Histerezni regulator struje upravlja frekvencijom rada sklopki i alje impulse voenja pojedinom upravljivom ventilu (T1, T2, T3 ili T4). Isklapanjem i uklapanjem ventila upravlja se izlaznim naponom pretvaraa (napon armature), kako je prikazano u prethodnim poglavljima. Histerezni regulator s pretvaraem napona mijenja iznos napona kako bi se dostigla referentna (eljena) vrijednost struje armature. Kod upravljanja strujom pomou histereznog regulatora, mijenja se frekvencija rada pretvaraa ovisno o definiranom pojasu histereze . Pojasom histereze odreene su pulzacije struje. Ako se povea pojas histereze, poveat e se i valovitost struje.

Slika 3.20. Valni oblik struje i napona armature s histereznim regulatorom armaturne strujeAko je vrijednost armaturne struje vea od zbroja referentne vrijednosti armaturne struje i pojasa histereze (ia > iaref + ), tada histerezni regulator upravlja ventilima tako da se smanji armaturni napon. Na slici 3.20. to je interval u kojemu je napon negativan (Ua = -U). Smanjenje napon direktno utjee na smanjenje armaturne struje. Armaturna struja u tom intervalu pada do vrijednosti iaref + , te kada postane manja od te vrijednosti (ia < iaref + ), regulator povea vrijednost napona na +U. Na valovitost struje se, dakle, moe utjecati promjenom pojasa histereze. Ako je pojas histereze konstantnog iznosa, tada histerezni regulator mijenja sklopnu frekvenciju pretvaraa za razliite vrijednosti referentne vrijednosti armaturne struje.

Slika 3.21. Upravljanje istosmjernim strojem istosmjernim pretvaraem i PI regulatorom struje s pulsno-irinskom modulacijomZa razliku od upravljanja pretvaraem histereznim regulatorom, upravljanje pretvaraem PI regulatorom struje s pulsno-irinskom modulacijom ima fiksnu frekvenciju rada sklopki u pretvarau, kako je vidljivo na slici 3.22.

Slika 3.22. Upravljanje PI regulatorom struje s pulsno-irinskom modulacijomNa regulator struje se negativnom povratnom vezom dovodi odstupanje mjerene veliine od referentne vrijednosti armaturne struje. PI regulator struje s PWM alje impulse za voenje upravljivim sklopkama pretvaraa. Sklopna frekvencija je fiksna, kako je reeno, a armaturni napon se mijenja pomou faktora optereenja sklopki D. Prema tome, PI regulator struje s PWM e upravljati radom pretvaraa, poveavati ili smanjivati armaturni napon s ciljem ostvarivanja referentne vrijednosti struje.