TIRISTORSKI USMJERIVAČKI SPOJEVI - riteh.uniri.hr · PDF filemože biti, primjerice, istosmjerni motor za vrijeme kočenja. Dakle, ... usmjerivača predstavlja za istosmjerni izvor

TIRISTORSKI USMJERIVAČKI SPOJEVI

1. UVOD 1.1. Cilj vježbe

Simuliranje ponašanja jednofaznih i trofaznih tiristorskih usmjerivačkih spjeva primjenom simulacijskog paketa Simplorer.

1.2. Opis vježbe

Vježba se sastoji u simuliranju električnog ponašanja tiristorskih usmjerivačkih spojeva u jednofaznom spoju sa srednjom točkom, jednofaznom mosnom spoju, trofaznom spoju sa srednjom točkom i trofaznom mosnom spoju. Simuliraju se spojevi opterećeni induktivnim trošilom, djelatnim trošilom i elektromotornom silom. Snimaju se valni oblici napona i struje na trošilu, napona i struje na tiristorima i struje kroz naponski izvor. Posebno se razmatra ispravljački i izmjenjivački način rada ovih spojeva.

Na početku se simulira ponašanje idealnih usmjerivačkih spojeva, tj. spojeva bez komutacijskog induktiviteta. Nakon simulacije idealnih usmjerivačkih tiristorskih spojeva promatra se utjecaj komutacijskog induktiviteta na ponašanje jednofaznog mosnog spoja.

2. TEORETSKI PRIKAZ

2.1. Tiristorski usmjerivač u jednofaznom spoju sa srednjom točkom

Slike 1. prikazuje jednofazni usmjerivač u spoju sa srednjom točkom. Srednja točka je zajednička točka sekundara usmjerivačkog transformatora. Razdvajanjem sekundarnog namota dobivaju se dva protufazna napona prema zajedničkoj točki. Trošilo je spojeno između “zajedničke katode” tiristora i srednje točke sekundara usmjerivačkog transformatora.

Analiza rada jednofaznog usmjerivača sa srednjom točkom u ispravljačkom i izmjenjivačkom načinu rada provodi se, zbog jednostavnosti, za nevalovitu istosmjernu struju.

Slika 1.

1-1

Vježba broj 3

Slika 2. prikazuje naponsko-strujne odnose jednofaznog usmjerivača u spoju sa srednjom točkom u

ispravljačkom načinu rada za slučaj nezanemarivog trajanja komutacije. Okidni impulsi iG1 odnosno iG2 se dovode na upravljačku elektrodu (engl. geit) tiristora T1 i T2 nakon što tiristori T1 i T2 preuzmu blokirni napon. Fazni položaj okidnih impulsa prema sekundarnom naponu u10, odnosno u2 određen je kutem upravljanja α. Fazni razmak okidnih impulsa iG1 i iG2 je 180º el.

U vremenskom intervalu (0, t1) istosmjernu struju trošila Id vodi tiristor T1. Za vrijeme vođenja

tiristira T1 napon na trošilu jednak je naponu u10. U trenutku t1 = α/ω provede tiristor T2, te struja trošila Id komutira s tiristora T1 na tiristor T2. Napon na trošilu za vrijeme komutacije, uz jednake induktivitete grana koje komutiraju, jednak je srednjoj vrijednosti napona grana koje komutiraju tj.:

Na kraju komutacije, u trenutku t2 , tiristor T1 zbog prestanka toka struje isklapa. Struju trošila Id preuzima tiristor T2. Za vrijeme vođenja tiristora T2 napon na trošilu je jednak naponu u20 .

Slika 2.

Usmjerivač prelazi u izmjenjivački način rada kod kuta upravljanja α kod kojeg srednja vrijednost napona udα promjeni polaritet. Smjer istosmjerne struje Id se ne može promijeniti, jer tiristori dopuštaju tok struje samo u jednom smjeru. Da bi se uz promijenjeni polaritet srednje vrijednosti napona udα održao isti smjer istosmjerne struje Id, na istosmjernoj strani mora biti aktivan izvor, slika 3. U praksi to može biti, primjerice, istosmjerni motor za vrijeme kočenja. Dakle, u izmjenjivačkom načinu rada aktivni izvor na istosmjernoj strani šalje energiju u izmjeničnu mrežu.

1-2

2)()()( 2010 tututud

+=

Slika 3.

Slika 4. prikazuje naponsko-strujne odnose jednofaznog usmjerivača u spoju sa srednjom točkom u

izmjenjivačkom načinu rada za slučaj nezanemarivog trajanja komutacije. Razmatranje je analogno onom u slučaju ispravljačkog načina rada.

1-3Slika 4.

Pretvarački sklop jednofaznog usmjerivača u spoju sa srednjom točkom pripada kategoriji

punoupravljivih, poluvalnih, dvopulsnih sklopova. Punoupravljivi zato jer se sastoji samo od upravljivih ventila - tiristora. Poluvalni zato jer struja kroz izmjenične dovode sklopa teče samo u jednom smjeru. Dvopulsni zato jer unutar jedne periode mrežnog napona istosmjerni napon ima dva pulsa.

S povećanjem kuta upravljanja α u izmjenjivačkom načinu rada prema 180° el. srednja vrijednost

napona udα (Udα) postaje negativnija. Najveća moguća negativna vrijednost je manja od najveće moguće pozitivne vrijednosti (Ud0). Razlog je vrijeme odmaranja tiristora. Ako tiristoru ne bi osigurali dovoljno vrijeme odmaranja, usmjerivač bi se nekontrolirano prebacio u ispravljački način rada. Ova pojava nekontroliranog prebacivanja iz izmjeničnog u ispravljački način rada naziva se prekretanje. Prekretanje usmjerivača je veoma opasno, jer kroz aktivni istosmjerni izvor poteče struja kratkog spoja i obično pregaraju osigurači.

Prekretanje usmjerivača se sprečava ograničenjem maksimalnog kuta upravljanja α na iznos

αmax = 180 – k - ωtodm - δ gdje je: k kut komutacije todm vrijeme odmaranja tiristora δ kut pogreške faznog položaja okidnih impulsa U praksi maksimalni kut upravljanja α obično iznosi od 150° el. do 160° el. Prekretanje usmjerivača je prikazano na slici 5. Pretpostavljeno je da je drugi okidni impuls tiristora

T2 pomaknut za kut upravljanja α > 180 – k. Tiristor T2 ne može preuzeti struju, te tiristor T1 nastavlja voditi. Usmjerivač odlazi u ispravljački način rada, kaže se: usmjerivač je prekrenuo. Prekretanje usmjerivača predstavlja za istosmjerni izvor više nego kratki spoj, jer struju kratkog spoja podržava i napon u10.

1-4

Slika 5.

Srednja vrijednost napona udα u ovisnosti o kutu upravljanja α, ne računajući smanjenje napona

zbog komutacije, iznosi: αα

πωω

πα coscos( ⋅=⋅=⋅⋅⋅= ∫ dioUdUπα

ε

2)sin1 ⋅+m

mdiUttU

Udio je najveća moguća srednja vrijednost napona udα i naziva se idealni istosmjerni napon praznog

hoda usmjerivača (jer je pretpostavljeno da su usmjerivački sklop, usmjerivački transformator i pojna mreža idealni). Smanjenje napona Udiα zbog komutacije iznosi:

AfAT

Dx ⋅⋅=⋅⋅= 212

gdje je: A “izgubljena” naponsko-vremenska površina zbog komutacije T trajanje jedne periode mrežnog napona

Površina A najlakše se izračunava rješavanjem diferencijalne jednadžbe komutacijskog kruga:

1-5

dk

I

ALd

=⋅α k

kk

kk

ILA

uudi

uudtdiL

⋅=

−=

−=⋅⋅

∫ ∫+

0

2010

2010

2

2

α Uvrštavanjem dobivamo: dkx ILfD ⋅⋅⋅= 2

Dakle, srednja vrijednost napona ud, uz komutacijske induktivitete, iznosi: dkd ILfU ⋅⋅−⋅= 2cosα

παU

⋅⋅⋅ 22 2

Uočljivo je da komutacija u ispravljačkom načinu rada uzrokuje smanjenje napona Udiα. Iz te

činjenice slijedi da je granica ispravljačkog načina rada kod kuta upravljanja α nešto manjeg od 90° el, jer bi već za α = 90°el. napon Udα bio negativan, a to u ispravljačkom načinu rada nije moguće.

Upravljačka karakteristika je ovisnost napona Udα o kutu upravljanja α, uz parametar istosmjernu

struja Id. Jednadžba (3.1.2) definira upravljačku karakteristiku za slučaj kontinuirane istosmjerne struje i zanemarivog trajanja komutacije, a jednadžba (3.1.6) definira upravljačku karakteristiku za slučaj nevalovite istosmjerne struje i nezanemarivog trajanja komutacije.

Upravljačka karakteristika za djelatno trošilo (Ld = 0) se razlikuje od upravljačke karakteristike za

induktivno trošilo. Pri opterećenju djelatnim trošilom, napon na trošilu ne može niti trenutno biti negativan. Zato je gornja granica integracije u jednadžbi (3.1.2) jednaka π

(3.1.7) )cos( α

πα +⋅=U 1mdi

U

Uzimanjem u obzir da je:

παm

diUU ⋅

=2

Dobiva se: (3.1.8)

cos1

1-6

Upravljačke karakteristike su prikazane na slici 6. Krivulja (1) je upravljačka karakteristika uz zanemarivo trajanje komutacije i kontinuiranu istosmjernu struju, (2) uz nezanemarivo trajanje komutacije i nevalovitu istosmjernu struju i (3) uz zanemarive komutacijske induktivitete i djelatno trošilo.

Slika 6.

Izlazna karakteristika je ovisnost napona Udα o istosmjernoj struji Id, uz kut upravljanja α kao parametar. Jednadžba (3.1.6) definira izlazne karakteristike za slučaj nevalovite istosmjerne struje i nezanemarivog trajanja komutacije. Dakle, jednadžba (3.1.6) uzima u obzir smanjenje napona Udiα

samo zbog komutacijskih induktiviteta, a ne uzima u obzir smanjenje napona Udiα zbog padova napona na ventilima i padova napona na djelatnim otporima. Nagib izlaznih karakteristika ne ovisi o kutu upravljanja α.

Izlazna karakteristika je prikazana na slici 7. Na slici je ucrtan pravac koji određuje granicu

prekretanja usmjerivača. Pravac k uzima u obzir samo trajanje komutacije, a pravac k´ i druge manje utjecaje, primjerice: vrijeme oporavljanja tiristora, pogrešku faznog položaja okidnih impulsa, nesimetriju trofaznog sustava mrežnog napona, izobličenje mrežnog napona.

2α

α+

⋅=UU diodi

Slika 7.

2.2. Tiristorski usmjerivač u jednofaznom mosnom spoju

Slika 8. prikazuje jednofazni usmjerivač u mosnom spoju. Jednofazni mosni spoj se može promatrati kao kombinacija dva jednofazna spoja sa srednjom točkom.

Slika 8.

Analiza rada jednofaznog usmjerivača u mosnom spoju provodi se, zbog jednostavnosti, za nevalovitu istosmjernu struju. Trošilo (serijski spoj otpornika i prigušnice vrlo velikog iduktiviteta) je nadomješteno strujnim ponorom.

Slika 9. prikazuje valni oblik napona trošila jednofaznog usmjerivača u mosnom spoju za slučaj

zanemarivog trajanja komutacije. Istovremeno se okidaju po dva tiristora TH1 i TH4, odnosno TH2 i TH3. Okidni impulsi iG1 odnosno iG2 se dovode na upravljačke elektrode tiristora nakon što tiristori preuzmu blokirni napon. Fazni položaj okidnih impulsa prema ulaznom izmjeničnom naponu određen je kutem upravljanja α.

1-7

Neka za vrijeme pozitivnog poluvala ulaznog sinusnog napona struju trošila vode tiristori TH1 i

TH4. Uz pretpostavku idealnog modela tiristora (pad napona u vođenju je nula) na trošilu je napon koji je jednak naponu izvora. U trenutku kada nastupa negativni poluval ulaznog siusnog napona uvjet vođenja ispunjavaju tiristori TH2 i TH3. Pošto okidni impuls ovih tiristora kasni za kut upravljanja α, tiristori ne mogu provesti. Struju trošila i dalje vode tiristori TH1 i TH4. Za to vrijeme na trošilu je negativni ulazni sinusni napon. U trenutku α provedu tiristori TH2 i TH3. Na tiristorima TH1 i TH4 se pojavi zaporni napon. Negativni ulazni napon se preko uklopljenih tiristora TH2 i TH3 (tiristori djeluju kao komutator) prenosi kao pozitivni sinusni napon na trošilo.

Slika 9.

Usmjerivač prelazi u izmjenjivački način rada kod kuta upravljanja α kod kojeg srednja vrijednost

napona udα promjeni polaritet (π/2 < α < π). Smjer istosmjerne struje Id se ne može promijeniti, jer tiristori dopuštaju tok struje samo u jednom smjeru. Da bi se uz promijenjeni polaritet srednje vrijednosti napona udα održao isti smjer istosmjerne struje Id, na istosmjernoj strani mora biti aktivan izvor, slika 10. U praksi to može biti, primjerice, istosmjerni motor za vrijeme kočenja. Dakle, u izmjenjivačkom načinu rada aktivni izvor na istosmjernoj strani šalje energiju u izmjeničnu mrežu.

Slika 10.

Srednja vrijednost izlaznog napona je dvostruko veća u mosnom nego li u spoju sa srednjom

točkom uz ostale nepromijenjene uvjete. Ne računajući smanjenje napona zbog komutacije, srednja vrijednost izlaznog napona iznosi:

αα

πωω

πα coscos( ⋅=⋅=⋅⋅⋅= ∫ dioUdU

1-8

πα

ε

2)sin1 ⋅+m

mdiUttU

Udio je najveća moguća srednja vrijednost napona udα i naziva se idealni istosmjerni napon praznog

hoda usmjerivača (jer je pretpostavljeno da su usmjerivački sklop, usmjerivački transformator i pojna mreža idealni).

Nakon dodavanja komutacijskog induktiviteta Lc na izmjeničnoj strani usmjerivača, valni oblik

napona na trošilu i struje kroz izmjenični naponski izvor prikazana je na slici 11.

Slika 11.

Tijekom komutacije (kut komutacije u) struja se premješta s jednog para tiristora (npr. TH1 i TH4) na drugi par tiristora (TH2 i TH3). Za vrijeme komutacije vode sva četiri tiristora i pad napona na trošilu je nula (uz pretpostavku idealnog modela tiristora). Za vrijeme komutacije promjena struje kroz tiristore je prema sinusnoj funkciji jer je komutacijski napon sinusan (napon mreže) i jer u komutacijskom krugu postoji samo komutacijski induktivitet. Struja kroz izmjenični naponski izvor je pravokutnog valnog oblika i kasni za kut upravljanja α prema naponu izvora. Pad i porast ove struje tijekom komutacije je prema sinusnoj funkciji.

Gubitak napona na komutacijskom induktivitetu tijekom komutacije dovodi do smanjenja srednje

vrijednosti napona na trošilu. Smanjenje napona Udiα zbog komutacije iznosi:

AfAT

Dx ⋅⋅=⋅⋅= 212

gdje je: A “izgubljena” naponsko-vremenska površina zbog komutacije T trajanje jedne periode mrežnog napona Površina A najlakše se izračunava rješavanjem diferencijalne jednadžbe komutacijskog kruga:

1-9

dk

I k

kk

kk

ILA

AuudiL

uudtdiL

d

⋅=

=−

=⋅

−=⋅⋅

∫ ∫+

0

2010

2010

2

2

α

α

Uvrštavanjem dobivamo: dkx

Dakle, srednja vrijednost napona ud, uz komutacijske induktivitete, iznosi:

02

cos (cos )s c d c dd d

s s

V X I XV V

V Vα α απ

⎛ ⎞= − = −⎜ ⎟

⎝ ⎠

I

Na slici 12. prikazana je upravljačka karakteristika usmjerivača u jednofaznom mosnom spoju.

Slika 12. Izlazna karakteristika je ovisnost napona Udα o istosmjernoj struji Id, uz kut upravljanja α kao

parametar. Porodica izlaznih karakteristika fazno upravljivog usmjerivača u jednofaznom mosnom spoju uz kut upravljanja α kao parametar prikazana je na slici 13. Na slici je ucrtan pravac koji određuje granicu prekretanja usmjerivača. Pravac k uzima u obzir samo trajanje komutacije.

Slika 13.

1-10

ILfD ⋅⋅⋅= 2

Faktor snage jednofaznog usmjerivača u mosnom spoju bez komutacijskog induktiviteta,

opterećenog konstantnom strujom je:

11cosrms

drms

Ik k

Iθλ θ= ⋅ = ⋅

Odnosno:

4 cos2 0,9cos

d

d

I

I

απλ α= =

Ovisnost faktora snage o kutu upravljanja prikazana je na slici 14. Za vrijednosti kuta upravljanja 0

< α < π/2 faktor snage je pozitivan. Usmjerivač radi u ispravljačkom načinu rada. Energija se iz izmjeničnog izvora predaje istosmjernom trošilu. Negativna vrijednost faktora snage za kut upravljana π/2 < α < π znači da je mreža postala trošilo i da usmjerivač radi u izmjenjivačkom načinu rada. Energija se iz istosmjernog trošila vraća u izmjeničnu mrežu. Mreža je postala kapacitivno trošilo.

Slika 14.

2.3. Tiristorski usmjerivač u trofaznom spoju sa srednjom točkom Shema tiristorskog usmjerivača u trofaznom spoju sa srednjom točkom prikazana je na slici 15.

Srednja točka je zajednička točka sekundara usmjerivačkog transformatora (tzv. zvjezdište). Trošilo je spojeno između zajedničke točke sekundara usmjerivačkog transformatora i zajedničke katode tiristora. Trofazni usmjerivački spoj sa srednjom točkom je temeljni trofazni usmjerivački spoj. Različitim kombinacijama dvaju ili više trofaznih usmjerivačkih spojeva sa srednjom točkom dobivaju se složeniji usmjerivački spojevi. Primjerice, serijskim spajanjem dobiva se trofazni mosni spoj.

Analiza rada trofaznog usmjerivača u spoju sa srednjom točkom provest će se za ispravljački i

izmjenjivački način rada. Zbog jednostavnosti pretpostavit će se da je istosmjerna struja Id nevalovita.

Naponsko – strujni odnosi u ispravljačkom načinu rada

1-11

Slike 16. i 17. prikazuje naponsko - strujne odnose u ispravljačkom načinu rada kod kuta upravljanja α = 0° el. i α = 60° el. Kod valnih oblika na slici 16. pretpostavljeno je da su komutacijski induktiviteti Lk zanemarivi, dok je kod valnih oblika na slici 17. pretpostavljeno da se komutacijski induktiviteti Lk ne mogu zanemariti.

Slika 15.

Slika 16.

Okidni impulsi dolaze na tiristore T1, T2, i T3 fazno pomaknuti za 120° el., jer je toliki i fazni

pomak između napona faza R, S i T. Svaki tiristor vodi struju trošila 120° el. + k. Trenutna vrijednost napona na trošilu udα izvan vremena komutacije jednaka je trenutnoj vrijednosti napona one faze čiji tiristor vodi struju trošila Id . Zbog komutacijskih induktiviteta komutacija nije trenutačna nego traje neko konačno vrijeme (kut komutacije u). Za vrijeme komutacije struja kroz tiristor TH1 opada prema

1-12

sinusnoj funkciji. U komutacijskom krugu postoje samo komutacijski naponi (fazni naponi i komutacijski induktiviteti).

Slika 17.

Pošto je suma struja kroz tiristore TH1 i TH2 jednaka struji Id, struja kroz TH1 se smanjuje prema sinusnoj funkciji. Na kraju komutacije struju trošila vodi tiristor TH2, a na tiristoru TH1 je zaporni napon. Napon na trošilu za vrijeme komutacije je jednak aritmetičkoj sredini napona faza koje sudjeluju u komutaciji:

Valovitost napona na trošilu udα kod trofaznog usmjerivača sa srednjom točkom je manja nego kod jednofaznog usmjerivača sa srednjom točkom. Trofazni usmjerivač sa srednjom točkom ima tri pulzacije napona udα (p = 3) za vrijeme jedne periode napona mreže, a jednofazni usmjerivač sa srednjom točkom ima dvije pulzacije (p = 2).

Naponsko – strujni odnosi u izmjenjivačkom režimu rada

Usmjerivač prelazi u izmjenjivački režim rada kada se uz nepromjenjeni smjer struje Id, povećanjem kuta α, promjeni polaritet srednje vrijednosti napona udα. Na istosmjernoj strani mora postojati aktivni izvor koji šalje energiju u izmjenjivačku mrežu, slika 18.

1-13

2/))()(( 2010 tutuud −=α

Slika 18.

Slika 19. prikazuje naponsko–strujne odnose u izmjenjivačkom načinu rada kod kuta upravljanja α

= 120° el. Razmatranje je analogno onom u slučaju ispravljačkog načinu rada. Pretvarački sklop trofaznog usmjerivača sa srednjom točkom pripada kategoriji punoupravljivih,

poluvalnih, tropulsnih sklopova.

Slika 19.

1-14

Naponsko – strujni odnosi za vrijeme prijelaza iz ispravljačkog u izmjenjivački režim rada

Tiristori uklapaju praktički trenutačno (≈ 5 do 10 μs), no trenutačni fazni pomak okidnih impulsa ne

mora dovesti do trenutačne promjene srednje vrijednosti napona udα, slika 20. Naime, usmjerivači komutirani mrežom posjeduju mrtvo vrijeme, tj. kašnjenje promjene srednje vrijednosti napona udα za trenutnom promjenom faznog pomaka okidnih impulsa. To mrtvo vrijeme jest statistička veličina i uvjetovana je diskretnošću upravljanja tiristorima. U našem slučaju trofaznog spoja sa srednjom točkom može iznositi do 6,3 ms.

Slika 20.

Srednja vrijednost napona udα

Srednja vrijednost napona udα u ovisnosti o kutu upravljanja α za slučaj nevalovite istosmjerne

struje Id , ne računajući smanjenje napona zbog komutacije, iznosi

ααπ

απ

ωωπ

πα

παα

coscos2

63

cos22

33)(sin223

2

2

6/5

6/2

⋅==

⋅⋅=⋅= ∫+

+

dio

di

UU

UttdUU

Udio je idealni istosmjerni napon praznog hoda usmjerivača, a U2 je efektivna vrijednost faznog

napona sekundara. Približno vrijedi:

21U 17, Udio

1-15

⋅=

Smanjenje napona Udio zbog komutacije za slučaj nevalovite istosmjerne struje može se dobiti

postupkom objašnjenim u vježbi o jednofaznom usmjerivaču u spoju sa srednjom točkom.

dkx ILfD ⋅⋅⋅= 3

Smanjenje napona Udio zbog komutacije Dx lako je izračunati, ako se zna komutacijski induktivitet Lk . Kod mrežom komutiranih usmjerivača, najveći dio komutacijskog induktiviteta koncentriran je u usmjerivačkom transformatoru. Međutim, proizvođači transformatora ne daju podatak o rasipnom induktivitetu faza transformatora, već daju standardni podatak o induktivnoj komponenti napona kratkog spoja exN (kod nazivne struje). Zato je potrebno poznavati vezu između exN i Lk . U našem slučaju usmjerivača u trofaznom spoju sa srednjom točkom, induktivna komponenta napona kratkog exN iznosi

ININILfe /)( kxN U2

gdje je IIN nazivna efektivna fazna struja primara UIN nazivni efektivni fazni napon primara

Prema tome, srednja vrijednost napona Udα , uz nezanemarive komutacijske induktivitete i nevalovitu istosmjernu struju, iznosi

xdio

dkd

DU

ILfUU

−⋅=

=⋅⋅⋅−⋅⋅⋅⋅

=

α

απα

cos

3cos2

632

Gornjim izrazom definirana je upravljačka karakteristika i izlazna karakteristika trofaznog

usmjerivača sa srednjom točkom uz jako induktivno trošilo. Opažamo da su upravljačka karakteristika i izlazna karakteristika jednakog oblika kao i kod jednofaznog usmjerivača sa srednjom točkom.

2.4. Tiristorski ispravljač u trofaznom poluupravljivom mosnom spoju

Slika 21. prikazuje ispravljač u trofaznom poluupravljivom mosnom spoju (ispravljač u trofaznom poluupravljivom mosnom spoju je serijski spoj diodnog ispravljača u trofaznom spoju i tiristorskog usmjerivača u trofaznom spoju). U diodnom dijelu ispravljača anode dioda D1 – D3 su spojene zajedno, a u tiristorskom dijelu katode tiristora T1 – T3 su spojene zajedno.

Slika 21.

1-16

⋅⋅⋅⋅= π

Slike 22. i 23. prikazuju, za ispravljač u trofaznom poluupravljivom mosnom spoju, valni oblik

istosmjernog napona diodnog dijela udiD i tiristorskog dijela udiT, izlazni napon udi (tj. zbroj istosmjernog napona diodnog dijela i tiristorskog dijela ) i napon na tiristoru T1, uT1.

Slika 22.

Srednja vrijednost istosmjernog napona diodnog dijela jednaka je kao kod trofaznog diodnog ispravljača

1U 217, UdiD ⋅=

Srednja vrijednost istosmjernog napona tiristorskog dijela jednaka je kao kod trofaznog tiristorskog usmjerivača

αcos117, 2 ⋅⋅=U

1-17

Prema tome, srednja vrijednost izlaznog napona ispravljača u trofaznom poluupravljivom mosnom

spoju jednaka je zbroju srednjih vrijednosti istosmjernih napona diodnog i tiristorskog dijela

UdiT

17, 2 )cos(1

Mijenjanjem kuta upravljanja α od 0 do 180° el. mijenja se srednja vrijednost napona Udiα od

2,34U2 do 0. Ova nelinearna ovisnost izlaznog napona o kutu upravljanja nije povoljna glede regulacije. Poželjno je da ispravljač zajedno s okidnim uređajem ima linearnu ovisnost izlaznog napona o ulaznom naponu u okidni uređaj. Linearna ovisnost izlaznog napona o ulaznom naponu u okidni uređaj dobiva se korištenjem okidnog uređaja s tzv. arccos - karakteristikom.

1 αα +⋅⋅=+= UUU Udi diTdiD

2cos1 αα +

=dio

di

UU

Slika 23. prikazuje naponsko-strujne odnose ispravljača u trofaznom poluupravljivom mosnom

spoju uz zanemarivo trajanje komutacije kod kuta upravljanja α = 60°

Slika 23.

Slika 24. prikazuje upravljačku karakteristiku ispravljača u trofaznom poluupravljivom mosnom spoju.

Slika 24.

1-18

Slika 25. prikazuje naponsko-strujne odnose ispravljača u trofaznom poluupravljivom mosnom

spoju uz nezanemarivo trajanje komutacije kod kuta upravljanja α = 150° el. Za α ≥ 120° el. na tiristoru T1 je negativan napon u periodu koji odgovara kutu

1-19

k −=+−= 30(180 )αγ k

gdje je k kut komutacije. Nakon što je tiristor vodio na tiristoru se ne smije pojaviti blokirni napon prije isteka vremena

oporavljanja tg: γω ≤⋅ gt

Kod većih sporih tiristora vrijeme oporavljanja iznosi oko 0,5 ms. No, kut γ mora biti i veći zbog rasipanja karakteristika tiristora, netočnosti okidnog uređaja i mogućih kratkotrajnih strujnih preopterećenja. Uz pretpostavku da je:

gt⋅⋅= ωγ 2

tg = 0,5 ms, k = 12° el. i f = 50 Hz

Slijedi: 3012180 elk o=+=+=−= γαβ .

Dakle, za ispravan rad ispravljača, potrebno je u ovom slučaju osigurati da je kut upravljanja α ≤ 150° el., (β ≥ 30° el.).

Slika 25.

18

3. SIMULACIJSKI EKSPERIMENTI

3.1. Tiristorski usmjerivač u jednofaznom spoju sa srednjom točkom

3.1.1. Upotrebom Schematica nacrtajte shemu simulacijskog modela prikazanu na slici 26. Svi

elementi sheme nalaze se u bazi Basics. Makromodel G1 se nalazi u bazi Diplomski_rad.

Slika 26.

U sljedećoj tablici dani su parametri modela elemenata.

Ime elementa Tip modela Parametri V_s1, V_s2 Sinusni naponski izvor RMS = 110V, f = 50 Hz TH1, TH2,

Pomoću bloka IDEALNO/REALNO zadaju se vrijednosti parametara modela tiristora i vrijednost

komutacijskog induktiviteta. Unutar ovog bloka su dva elementa stanja; Idealni_usmjerivac i Realni _usmjerivac. Da bi se odabrao jedan ili drugi tip usmjerivača potrebno je odabrano stanje učiniti aktivnim. To se u simulacijskom programu Simplorer postiže postavljanjem plave kružnice unutar odabranog stanja. Za vrijeme simulacije samo jedno stanje može biti aktivno.

U elementu stanja Idealni_usmjerivac su sljedeće vrijednosti parametara:

1-20

Equivalent Line NAP_PRAGA, DIN_OTPOR

Reverse Resistance=10Meg R_d R=10 Ω L_d L=100 mH E_EMS EMF= 0V

U elementu stanja Realni_usmjerivac su sljedeće vrijednosti parametara:

Tiristori se okidaju pomoću makromodela G1 (OKIDANJE TIRISTORA). Ovaj makro model se nalazi u biblioteci Diplomski_rad. Parametri ovog makromodela su prikazani na sljedećoj slici.

Promjena kuta upravljanja α za tiristore TH1-TH2 obavlja se pomoću bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA. Pomoću elementa stanja Rucno definira se konstantna vrijednost kuta upravljanja. Parametri ovog stanja su:

1-21

Iznos kuta KUT1 zadaje se pomoću elementa početnog stanja. U sljedećoj tablici su parametri tranzijentne simulacije.

Naziv parametra Vrijednost Vrijeme simulacije 100 ms Minimalni korak integracije 1us Maksimalni korak integracije 10us Integracijska formula Trapezna

3.1.2. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana usmjerivača u ispravljačkom načinu rada. Prikazati valne oblike u ustaljenom stanju (od 60 ms do 100 ms). Simulacijski eksperiment obaviti uz idealni usmjerivač . Unutar bloka IDEALNO/REALNO postaviti aktivnim stanje Idealni_usmjerivac. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA postaviti aktivnim stanje Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α = 30°.

Slika 27. Valni oblici napona i struje trošila.

1-22

Slika 28. Valni oblici napona i struje tiristora

Slika 29. Valni oblici struja tiristora TH1 i TH2.

Pulsnost izlaznog napona p = 2. U valnom obliku napona trošila vidljivi su negativni dijelovi napona, ali srednja vrijednost izlaznog napona je pozitivna. Struja trošila je istosmjerna, kontinuirana, s valovitošću koja je određena iznosom induktiviteta trošila, slika 27.

Za vrijeme dok tiristor ne vodi struju na njemu vlada zaporni (negativni) napon i blokirni (pozitivni)

napon. Za vrijeme dok tiristor vodi struju trošila na njemu je napon jednak nula volta (pod pretpostavkom idealnog modela tiristora), slika 28.

Na slici 29. prikazani su valni oblici struja kroz tiristore TH1 i TH2. Zbroj struja kroz tiristore

jednak je struji trošila. U valnim oblicima struja kroz tiristore vidljivi su strmi bridovi porasta i pada kao posljedica pretpostavljene trenutačne komutacije struje trošila.

3.1.3. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana usmjerivača u

ispravljačkom načinu rada. Simulacijski eksperiment obaviti uz realni usmjerivač . Unutar bloka IDEALNO/REALNO postaviti aktivnim stanje Realni_usmjerivac. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA postaviti aktivnim stanje Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α = 30°.

1-23


Slika 31. Valni oblici napona i struje tiristora

1-24

Slika 32. Valni oblici struja tiristora TH1 i TH2.

Upotrebom realnog modela usmjerivača uzimaju se u obzir i komutacijski induktiviteti. Zadana

vrijednost ovih induktiviteta Lk_1 = Lk_2 = 10 mH. Posljedica je konačno vrijeme komutacije. Za vrijeme komutacije napon trošila je jednak nula volta, slika 30. Posljedica konačne komutacije je smanjivanje srednje vrijednosti izlaznog napona i srednje vrijednosti struje trošila.

U valnom obliku struja kroz tiristore utjecaj konačne komutacije je vidljiv u postepenom padu i

postepenom porastu struje, slika 32. 3.1.4. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana usmjerivača u

izmjenjivačkom načinu rada. Simulacijski eksperiment obaviti uz realni usmjerivač. Unutar bloka IDEALNO/REALNO postaviti aktivnim stanje Realni_usmjerivac. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA postaviti aktivnim stanje Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α = 110°. Zadati vrijednost elektromotorne sile E_EMS = 300 V.

Slika 33. Valni oblici napona i struje trošila u izmjenjivačkom radu.

Slika 34. Valni oblici napona i struje tiristora u izmjenjivačkom radu.

1-25

Slika 35. Valni oblici struja kroz tiristore TH1 i TH2 u izmjenjivačkom radu.

Srednja vrijednost izlaznog napona uz kut upravljanja α = 110° je manja od nule, međutim srednja vrijednost izlazne struje je i dalje pozitivna zahvaljujučći dodatnom naponskom izvoru u krugu trošila E_EMS = 300 V. Valovitost izlazne struje određena je induktivitetom trošila, slika 33.

U izmjenjivačkom načinu rada na tiristoru je dulje vrijeme blokirni napon u odnosu na zaporni

napon, slika 34. Zbroj struja kroz tiristore TH1 i TH2 jednak je struji trošila. Iz razloga pretpostavljene konačne komutacije, postepeni su bridovi pada i porasta struja kroz tiristore, slika 35.

3.1.4. Upotrebom programa View Tool prikazati valni oblik napona trošila za vrijeme prekretanja. Simulacijski eksperiment je potrebno obaviti uz realni usmjerivač. Unutar bloka IDEALNO/REALNO postaviti aktivnim stanje Realni_usmjerivac. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA postaviti aktivnim stanje Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α = 110°. Zadati vrijednost napona elektromotorne sile E_EMS = 300 V. Pritiskom na tipku E povećavati napon elektromotorne sile dok ne dođe do prekretanja usmjerivača.

Slika 36. Valni oblik napona trošila za vrijeme prekretanja usmjerivača.

1-26

Vrijeme komutacije je funkcija komutacijskog napona, komutacijskih induktiviteta i struje trošila. Interaktivnim povećavanjem elektromotorne sile za vrijeme simulacije raste srednja vrijednost struje

trošila i raste vrijeme komutacije. Kod određenog iznosa elektromotorne sile, za zadani kut upravljanja α = 110° vrijeme komutacije prelazi iznos kritičnog vremena komutacije i dolazi do prekretanja usmjerivača.

3.2. Tiristorski usmjerivač u jednofaznom mosnom spoju

3.2.1. Upotrebom Schematica nacrtajte shemu simulacijskog modela prikazanu na slici 37. Svi elementi sheme nalaze se u bazi Basics. Makromodel G1 se nalazi u bazi Diplomski_rad.

Slika 37. U sljedećoj tablici dani su parametri modela elemenata.

Ime elementa Tip modela Parametri V_s Sinusni naponski izvor RMS = 220V, f = 50 Hz TH1, TH2,

Pomoću bloka IDEALNO/REALNO zadaju se vrijednosti parametara modela tiristora i vrijednost

komutacijskog induktiviteta. Unutar ovog bloka su dva elementa stanja; Idealni_usmjerivac i Realni _usmjerivac. Da bi se odabrao jedan ili drugi tip usmjerivača potrebno je odabrano stanje učiniti aktivnim. To se u simulacijskom programu Simplorer postiže postavljanjem plave kružnice unutar odabranog stanja. Za vrijeme simulacije samo jedno stanje može biti aktivno. U elementu stanja Idealni_usmjerivac su sljedeće vrijednosti parametara:

1-27

TH3, TH4 Equivalent Line NAP_PRAGA, DIN_OTPOR

Reverse Resistance=10Meg R_d R=10 Ω L_d L=300 mH E_EMS EMF= 0V

U elementu stanja Realni_usmjerivac su sljedeće vrijednosti parametara:

Tiristori se okidaju pomoću makromodela G1 (OKIDANJE TIRISTORA). Ovaj makro model se nalazi u biblioteci Diplomski_rad. Parametri ovog makromodela su prikazani na sljedećoj slici.

1-28

Promjena kuta upravljanja α za tiristore TH1-TH4 obavlja se pomoću bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA. Pomoću elementa stanja Rucno definira se konstantna vrijednost kuta upravljanja. Parametri ovog stanja su:

Iznos kuta KUT1 zadaje se pomoću elementa početnog stanja. Pomoću elementa stanja Rampa definira se promjenjiva vrijednost kuta upravljanja. Parametri ovog

stanja su:

U sljedećoj tablici su parametri tranzijentne simulacije.


3.2.2. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana usmjerivača u

ispravljačkom načinu rada. Prikazati valne oblike u ustaljenom stanju (od 60 ms do 100 ms). Simulacijski eksperiment obaviti uz idealni usmjerivač . Unutar bloka IDEALNO/REALNO postaviti aktivnim stanje Idealni_usmjerivac. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA postaviti aktivnim stanje Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α = 45°.

1-29

Slika 38. Valni oblik napona na trošilu i struje kroz trošilo za kut upravljanja α= 45°.

Slika 39. Valni oblici napona i struje tiristora TH1 za kut upravljanja α= 45°.

1-30Slika 40. Valni oblik napona i struje izvora V_s za kut upravljanja α= 45°.

Prikazani su simulacijski rezultati od 60 ms do 100 ms. Nije prikazana prijelazna pojava. Zbog induktivnog trošila, u naponu trošila su negativni dijelovi ulaznog sinusnog napona. Očito je

da će se povećanjem kuta upravljanja α smanjivati srednja vrijednost izlaznog napona. U izlaznom naponu nisu vidljivi komutacijski intervali jer je pretpostavljena vrlo mala vrijednost komutacijskog induktiviteta L_k = 0,1nH. Uz relativno veliku vrijednost induktiviteta u krugu trošila L_d = 300 mH struja trošila je dosta glatka, slika 38.

Tiristor uklapa nakon kuta upravljanja α. Prethodno na tiristoru vlada blokirni napon. Za vrijeme

vođenja napon na tiristoru je približno nula. Nakon isklapanja na tiristoru je zaporni napon. Zbog zanemarivo malog komutacijskog induktiviteta, pad i porast struje tiristora je gotovo trenutačan, slika 39.

Struja kroz izvor je gotovo pravokutnog valnog oblika zbog velikog induktiviteta u grugu trošila i

jer tiristori u jednofaznom mostu djeluju kao komutator struje. Zbog zanemarivo malog komutacijskog induktiviteta pad i porast struje kroz izvor je gotovo trenutačan. Fazni pomak između napona i struje izvora jednak je kutu upravljanja α= 45°.

3.2.3. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana usmjerivača u ispravljačkom načinu rada. Simulacijski eksperiment obaviti uz realni usmjerivač . Unutar bloka IDEALNO/REALNO postaviti aktivnim stanje Realni_usmjerivac. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA postaviti aktivnim stanje Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α = 45°.

Slika 41. Valni oblik napona i struje trošila realnog usmjerivača za kut upravljana α= 45°. U valnom obliku izlaznog napona vidljivi su komutacijski intervali. Za vrijeme komutacije vode sva

četiri tiristora. Uz pretpostavku realnog modela tiristora, izlazni napon je jednak dvostrukoj vrijednosti pada napona u vođenju na jednom tiristoru. Trajanje komutacije ovisi o struju trošila, komutacijskom induktivitetu i komutacijskom naponu. Usljed postojanja komutacije, odnosno komutacijskog induktiviteta smanjuje se srednja vrijednost napona na trošilu i srednja vrijednost struje trošila.

U valnom obliku struje kroz tiristor vidljiv je postepeni porast i pad struje zbog komutacijskog

induktiviteta. Povećanjem mjerila za napon tiristora na slici 42. uočilo bi se da je pad napona na tiristoru za vrijeme vođenja veći od nule jer je pretpostavljen realni model tiristora. Kod ovog modela je pad napona u vođenju opisan s parametrom napona praga koji je jednak 1V, slika 42.

1-31

Slika 42. Valni oblici napona i struje tiristora TH1 realnog usmjerivača za kut upravljanja α= 45°.

Slika 43. Valni oblici napona i struje izvora V_s realnog usmjerivača za kut upravljanja α= 45°. U valnom obliku struje kroz izvor V_s vidljiv je postepeni porast i pad struje zbog komutacijskog

induktiviteta. Porast i pad struje se odvija prema sinusnoj funkciji jer je u komutacijskom krugu samo komutacijski napon (napon pojne mreže) i komutacijski induktivitet.

3.2.4. Istražiti utjecaj elektromotorne sile na valni oblik i iznos napona na trošilu i struje kroz

trošilo. Simulacijski eksperiment obaviti uz idealni usmjerivač i konstantnu vrijednost kuta upravljanja α. Unutar bloka IDEALNO/REALNO postaviti aktivnim stanje Idealni usmjerivac. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA postaviti aktivnim stanje Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α= 45°. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana

Početno elektromotorna sila ima iznos nula. Pomoću bloka PROMJENA EMS_a iznos

elektromotorne sile se interaktivno, za vrijeme simulacije, povećava i smanjuje.

1-32

Prvi niz elemenata stanja i Transition element u gornjem bloku obavaljaju sljedeću operaciju;

Svakim pritiskom tipke E na tastaturi računala povećava se vrijednost protuelektromotorne sile za 50 V.

Drugi niz elemenata stanja i Transition element u gornjem bloku obavaljaju sljedeću operaciju; Svakim pritiskom tipke e na tastaturi računala povećava se vrijednost elektromotorne sile za 50 V.

Transition elementi NE3 i NE4 u gornjen bloku imaju za vrijednot u polju Transition Properties

prozora vrijednost 1. Slijede prozori s relacijama i vrijednostima parametara elemenata stanja iz bloka PROMJENA EMS_a.

Slika 44.

Slika 45.

1-33

Slika 46. Valni oblici napona i struje trošila i napona elektromotorne sile.


Povećavanjem iznosa elektromotorne sile smanjuje se vrijednost struje kroz trošilo. Elektromotorna sila se ponaša u ovom slučaju kao protuelektromotorna sila. Za određenu vrijednost protuelektromotorne sile struja trošila postaje isprekidana (diskontinuirana). U tim vremenskim intervalima napon na trošilu je jednak naponu protuelektromotorne sile.

Smanjivanjem iznosa elektromotorne sile (s obzirom na referentni polaritet naponskog izvora

E_EMS u simulacijskom modelu) povećava se vrijednost struje kroz trošilo. Struja je kontinuirana i u naponu na trošilo se ne vidi napon elektromotorne sile.

1-34

3.2.5. Simulacijski eksperiment obaviti uz idealni usmjerivač i promjenljivu vrijednost kuta upravljanja α. Unutar bloka IDEALNO/REALNO potrebno je postaviti aktivnim stanje Idealni usmjerivac. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA potrebno je postaviti aktivnim stanje Rampa. Promjena kuta upravljanja se odvija iz periode u periodu. Usmjerivač prelazi iz ispravljačkog u izmjenjivački način rada. Da bi se simuliralo ponašanje usmjerivača u izmjenjivačkom načinu rada potrebno je zadati vrijednost elektromotorne sile. Zadaje se vrijednost E_EMS od –400V. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana. Komentirati rezultate.

U ovom simulacijskom eksperimentu mjeri se srednja vrijednost napona na trošilu upotrebom

mjernog elementa Sliding Mean Value iz baze Basics > Signal Characteristics > Special Waveform Parameters. Prozor za zadavanje parametara ovog mjernog elementa prikazan je na sljedećoj slici:

Elektromotorna sila iznosa 400 V održava struju kroz trošilo kontinuiranom i nepromjenljivog

smjera. Promjenom kuta upravljanja α od 0° do približno 180° mijenja se srednja vrijednost napona na trošilu od maksimalne pozitivne vrijednosti do maksimalne negativne vrjednosti. Promjenom srednje vrijednosti napona na trošilu mijenja se i struja trošila tj. postaje manja.

Mjerenje srednje vrijednosti napona na trošilu obavljeno je mjernim elementom Sliding Mean

Value. Ovaj elemeent mjeri srednju vrijednost napona tako da se mjeri srednja vrijednost zadanog valnog oblika unutar predhodne periode. Iz tog razloga u valnom oblik srednje vrijednosti napona na trošilu je srednja vrijednost u prvoj periodi jednaka nula.

Slika 48. Valni oblici napona i struje trošila tijekom prelaska iz ispravljačkog u izmjenjivački

1-35način rada usmjerivača.

Slika 49. Valni oblik srednje vrijednosti napona na trošilu tijekom prelaska iz ispravljačkog u izmjenjivački način rada usmjerivača.

3.2.6. Simulirati utjecaj poredne diode na ponašanje jednofaznog usmjerivača u mosnom spoju. Simulacijski eksperiment obaviti uz idealni usmjerivač i konstantnu vrijednost kuta upravljanja α. Unutar bloka IDEALNO/REALNO potrebno je postaviti aktivnim stanje Idealni usmjerivac. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA potrebno je postaviti aktivnim stanje Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α= 45°. Za vrijednost elektromotorne sile zadati 0 V . Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana. Komentirati rezultate.

Poredna dioda sa slike 34., iako je prikazana, nije uključena u simulacijski model. Simbol

komponente čiji model nije pridodan simulacijskom modelu je „osjenčan“. Da bi se model poredne diode uključio u simulacijski model potrebno je kliknutu desnom tipkom miša na diodu i odabrati u izborniku naredbu Don't Add to Model Description. Ponovnim izvođenjem ove naredbe model bi ponovno bio isključen iz ukupnog simulacijskog modela.


1-36

Slika 51. Valni oblici napona i struje poredne diode.

Slika 52. Valni oblici napona i struje izvora. Upotrebom poredne diode, valni oblik napona na trošilu gubi negativne dijelove. Naime, za vrijeme negativnog polariteta ulaznog napona, a za vrijeme dok još uvijek usljed kuta upravljanja α nije proveo sljedeći par tiristora, struja trošila teće kroz porednu didu. Uz pretpostavku da je dioda predstavljena idealnim modelom, napon na trošilu za vrijeme vođenja diode je 0 V. Rezultat je; za isti kut upravljana α veća srednja vrijednost izlaznog napona, odnosno veća srednja vrijednost izlazne struje. Na diodi je reverzni napon koji odgovara naponu na trošilu. Kada dioda vodi struju trošila, na diodi je napon 0 V. Struja kroz izvor je kvazipravokutnog valnog oblika, za razliku od pravokutnog valnog oblika kod jednofaznog spoja bez poredne diode.

1-37

3.2.7. Upotrebom programa Day Post Processor usporediti faktor snage usmjerivača u jednofaznom mosnom spoju s i bez poredne diode. Simulacijski eksperiment obaviti uz idealni usmjerivač i konstantnu vrijednost kuta upravljanja α. Unutar bloka IDEALNO/REALNO potrebno je postaviti

aktivnim stanje Idealni usmjerivac. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA potrebno je postaviti aktivnim stanje Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α= 45°. Za vrijednost elektromotorne sile zadati 0 V.

Slika 53. Faktor snage usmjerivača s porednom diodom.

Slika 54. Faktor snage usmjerivača bez poredne diode.

Usmjerivač s porednom diodom ima veći faktor snage λ jer je veća srednja vrijednost napona i struje trošila, te manja efektivna vrijednost struje izvora uz istu efektivnu vrijednost ulaznog sinusnog napona.

3.3. Tiristorski usmjerivač u trofaznom spoju sa srednjom točkom 3.3.1. Upotrebom Schematica nacrtajte shemu simulacijskog modela prikazanu na slici 47. Svi

elementi sheme nalaze se u bazi Basics. Makromodel G se nalazi u bazi Diplomski_rad. U sljedećoj tablici dani su parametri modela elemenata.

Ime elementa Tip modela Parametri E1 Sinusni naponski izvor RMS=220V, f=50 Hz, Phase = 0 E2 Sinusni naponski izvor RMS=220V, f=50 Hz, Phase = -120 E3 Sinusni naponski izvor RMS=220V, f=50 Hz, 120, Phase =120 TH1, TH2,

1-38

TH3, TH4 Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ R1 R=10 Ω L1 L=0.1 H E4 EMF= 0V

Slika 55



Tiristori se okidaju pomoću makromodela OKIDANJE TIRISTORA. Parametri ovog modela su

prikazani na sljedećoj slici.

Promjena kuta upravljanja α za tiristore TH1-TH3 obavlja se pomoću bloka PROMJENA KUTA

UPRAVLJANJA. Pomoću elementa stanja Alfa_Rucno definira se konstantna vrijednost kuta upravljanja. Parametri ovog stanja su:

1-39

Iznos kuta KUT1 zadaje se pomoću elementa početnog stanja. Pomoću elementa stanja Alfa_Rampa definira se promjenjiva vrijednost kuta upravljanja.

Parametri ovog stanja su:

Izračunavanje kuta KUT2 odvija se pomoću elementa Rampa.

3.3.2. Simulacijski eksperiment obaviti uz konstantnu vrijednost kuta upravljanja α. Unutar bloka

PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA potrebno je postaviti aktivnim stanje Alfa_Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α= 45°. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana. Komentirati rezultate.

1-40

Slika 56 Valni oblik napona i struje trošila za kut upravljanja α= 45°.

Slika 57 Valni oblici napona i struje tiristora TH1 za kut upravljanja α= 45°.

Slika 58 Valni oblici napona i struje izvora E1 za kut upravljanja α= 45°.

1-41

Prikazani su simulacijski rezultati od 20 ms do 60 ms. Nije prikazana prijelazna pojava. Pulsnost izlaznog napona p =3. Zbog induktivnog trošila u naponu trošila su negativni dijelovi ulaznog sinusnog napona. Očito je da će se povećanjem kuta upravljanja α smanjivati srednja vrijednost izlaznog napona. U izlaznom naponu nisu vidljivi komutacijski intervali jer je pretpostavljena vrlo

mala vrijednost komutacijskog induktiviteta L_k1 – L_k2 = 1nH. Uz relativno veliku vrijednost induktiviteta u krugu trošila L_d = 100 mH struja trošila je dosta glatka.

Tiristor uklapa nakon kuta upravljanja α koji se mjeri od trenutka preklapanja dvaju faznih napona. Prethodno na tiristoru vlada blokirni napon. Za vrijeme vođenja napon na tiristoru je približno nula. Nakon isklapanja na tiristoru je zaporni napon. Zbog zanemarivo malog komutacijskog induktiviteta, pad i porast struje tiristora je gotovo trenutačan.

Struja trošila teče samo za vrijeme jedne trećine periode. Zbog zanemarivo malog komutacijskog induktiviteta porast i pad struje kroz izvor je gotovo trenutačan. Fazni pomak između napona i struje izvora jednak je kutu upravljanja α= 45°.

3.3.3. Simulacijski eksperiment obaviti uz realni usmjerivač i konstantnu vrijednost kuta upravljanja

α. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA potrebno je postaviti aktivnim stanje Alfa_Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α= 45°. Unutar simulacijskog modela potrebno je zadati vrijednost komutacijskih induktiviteta Lk_1, Lk_2 i Lk_3 = 10 mH. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana. Komentirati rezultate.

Slika 59 Valni oblik napona i struje trošila realnog usmjerivača za kut upravljana α= 45°.

Slika 60. Valni oblici napona i struje tiristora TH1 kod realnog usmjerivača za kut upravljanja α= 45°.

1-42

Slika 61. Valni oblici napona i struje izvora V_s kod realnog usmjerivača za kut upravljanja α= 45°.

U valnom obliku izlaznog napona vidljivi su komutacijski intervali. Za vrijeme komutacije vode dva tiristora. Uz pretpostavku idealnog modela tiristora, tj. da je pad napona u vođenju jednak nula, za vrijeme komutacije je izlazni napon jednak aritmetičkoj sredini napona faza koje komutiraju. Usljed postojanja komutacije, odnosno komutacijskog induktiviteta smanjuje se srednja vrijednost napona na trošilu.

U valnom obliku struje kroz E4 vidljiv je postepeni porast i pad struje zbog komutacijskog

induktiviteta. Porast i pad struje se odvija prema sinusnoj funkciji jer je u komutacijskom krugu samo komutacijski napon (napon pojne mreže) i komutacijski induktiviteti dviju faza koje komutiraju .

U valnom obliku struje kroz tiristor vidljiv je postepeni porast i pad struje zbog komutacijskog

induktiviteta.

3.3.4. U simulacijskom eksperimentu istražiti utjecaj elektromotorne sile na valni oblik i iznos

napona na trošilu i struje kroz trošilo Simulacijski eksperiment obaviti uz idealni usmjerivač (Lk_1, Lk_2 i Lk_3 = 1nH) i konstantnu vrijednost kuta upravljanja α. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA potrebno je postaviti aktivnim stanje Alfa_Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α= 45°. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana. Komentirati rezultate.

Početno elektromotorna sila ima iznos nula volta. Pomoću bloka PROMJENA EMS_a iznos elektromotorne sile se interaktivno, za vrijeme simulacije, može povećavati i smanjivati.

Pritiskom na tipku E vrijednost elektromotorne sile se povećava za 50 V. Pritiskom na tipku e vrijednost elektromotorne sile se smanjuje za 50 V. Pritiskom tipke E elektromotorna sila djeluje kao protuelektromotorna sila.

1-43


Slika 63. Valni oblici napona i struje trošila i napona elektromotorne sile. Smanjivanjem iznosa elektromotorne sile (s obzirom na referentni polaritet naponskog izvora E4 u

simulacijskom modelu) povećava se vrijednost struje kroz trošilo. Struja je kontinuirana i u naponu na trošilo se ne vidi napon elektromotorne sile.

3.3.5. Simulacijski eksperiment obaviti uz promjenjivu vrijednost kuta upravljanja α i idealni

usmjerivač. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA potrebno je postaviti aktivnim stanje Alfa_Rampa i Rampa. Promjena kuta upravljanja se odvija iz perioda u period. Usmjerivač prelazi iz ispravljačkog u izmjenjivački način rada. Da bi se simuliralo ponašanje usmjerivača u izmjenjivačkom načinu rada zadati vrijednost elektromotorne sile. U ovom eksperimentu zadaje se vrijednost E4= –400 V. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana. Komentirati rezultate

1-44

Slika 64. Valni oblik napona i struje trošila tijekom prelaska iz ispravljačkog u izmjenjivački način rada usmjerivača.

Elektromotorna sila iznosa 400 V održava struju kroz trošilo kontinuiranom i nepromjenljivog

smjera. Promjenom kuta upravljanja α od 0° do približno 180° mijenja se srednja vrijednost napona na trošilu od maksimalne pozitivne vrijednosti do maksimalne negativne vrjednosti. Promjenom srednje vrijednosti napona na trošilu mijenja se i struja trošila tj. postaje manja.

3.3.6. Simulacijski eksperiment obaviti uz promjenjivu vrijednost kuta upravljanja α i idealni usmjerivač. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA postaviti aktivnim stanje Alfa_Rampa i Rampa. Da bi se simuliralo ponašanje usmjerivača u izmjenjivačkom načinu rada potrebno je zadati vrijednost elektromotorne sile. U ovom eksperimentu zadaje se vrijednost E4= –400 V. Promjena kuta upravljanja se odvija iz perioda u period. Za vrijeme rada usmjerivača u tom režimu pritiskom na tipku r prelazi se direktno u izmjenjivački način rada uz kut upravljanja α = 150°. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana. Komentirati rezultate

Slika 65. Valni oblik napona i struje trošila tijekom prelaska iz ispravljačkog u izmjenjivački način rada usmjerivača.

1-45

Pritiskom na tipku r na tastaturi računala simulacijski model je trenutačno iz ispravljačkog prešao u

izmjenjivački način rada s kutom upravljanja α= 150°. Struja trošila je u izmjenjivačkom načinu rada manja je od struje u ispravljačkom načinu rada, međutim istog smjera kao i ranije.

3.4. Tiristorski ispravljač u trofaznom poluupravljivom mosnom spoju 3.4.1. Upotrebom Schematica nacrtajte shemu simulacijskog modela prikazanu na slici 66. Svi

elementi sheme nalaze se u bazi Basics. Makromodel G se nalazi u bazi Diplomski_rad.

Slika 66. U sljedećoj tablici dani su parametri modela elemenata.

1-46

Ime elementa

Tip modela Parametri

E1 Sinusni naponski izvor RMS=220V, f=50 Hz, Phase = 0 E2 Sinusni naponski izvor RMS=220V, f=50 Hz, Phase = -120 E3 Sinusni naponski izvor RMS=220V, f=50 Hz, 120, Phase =120 TH1, Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ, Control Signal: G.Trig34 TH2, Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ, Control Signal: G.Trig26 TH3 Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ, Control Signal: G.Trig15 D1, D2, D3 Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ Lk_1, Lk_2, Lk_3

0,1nH

R1 R=10 Ω L1 L=0.1 H E4 EMF= 0V







Iznos kuta KUT1 zadaje se pomoću elementa početnog stanja. 3.4.2. Simulacijski eksperiment obaviti uz konstantnu vrijednost kuta upravljanja α. Unutar bloka


1-47

Slika 67. Valni oblici napona anodne i katodne grupe poluvodičkih ventila i trošila.


1-48Slika 69. Valni oblici napona i struje tiristora.

Ispravljač u trofaznom mosnom spoju se može promatrati kao spoj dva trofazna spoja s a srednjom

točkom (serijski spoj na strani trošila i paralelni spoj na strani mreže). Napon na trošilu jednak je razlici napona anodne i katodne grupe poluvodičkih ventila. Uz kut α= 0° izlazni napon anodne i katodne grupe je tropulsni ispravljeni napon, te je napon trošila šesteropulsni ispravljeni napon, slika 67. Struja trošila je istosmjerna, manje valovitosti nego u slučaju ispravljača u trofaznom spoju sa srednjom točkom, slika 68.





1-49

Slika 72. Valni oblici napona i struje tiristora.

Slika 73. Valni oblici napona i struje diode. Promjenom kuta upravljanja α s vrijednosti α= 0° na vrijednost α= 60° promijenio se izlazni napon

katodne (tiristorske) grupe poluvodičkih ventila dok je izlazni napon anodne (diodne) grupe poluvodičkih ventila ostao isti kao u prethodnom eksperimentu. Kao rezultat, smanjila se srednja vrijednost izlaznog napona, slika 70.

S povećanjem kuta upravljanja α, smanjuje se srednja vrijednost struje trošila i povećava valovitost

struje , slika 71. Uz pretpostavku trenutačne komutacije, struja trošila trenutačno proteće kroz tiristor s pobudnim

impulsom. Prethodno je na tiristoru blokirni napon, slika 72. Valni oblici napona i struje dioda se nisu promijenili u odnosu na prethodni eksperiment, sklika 73.

1-50

3.4.4. Simulacijski eksperiment obaviti uz konstantnu vrijednost kuta upravljanja α. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA potrebno je postaviti aktivnim stanje Alfa_Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α= 150°. Simulaciju obaviti uz nezanemarivo trajanje komutacije. Zadati vrijednost komutacijskih induktiviteta L_k1 = L_k2 = Lk_3 = 10mH. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana. Komentirati rezultate.



1-51


Slika 77. Valni oblici napona i struje diode. Povećanjem kuta upravljanja na iznos α = 150° znatno se smanjila srednja vrijednost izlaznog

napona. Izlazni napon je jednak 0 V u onim intervalima u kojima katodna i anodna grupa poluvodičkih ventila imaju jednake trenutačne vrijednosti izlaznog napona, slika 74.

Struja trošila je i dalje istosmjerna, kontinuirana zbog induktiviteta trošila, ali veće valovitosti nego

u prethodnom eksperimentu, slika 75. U valnim oblicima struja kroz tiristore i diode vidljiv je utjaca konačnog vremena komutacije kroz

postepeni porast i pad tih struja, slika 76. i 77. 3.5. Tiristorski usmjerivač u trofaznom punoupravljivom mosnom spoju 3.5.1. Upotrebom Schematica nacrtajte shemu simulacijskog modela prikazanu na slici 78. Svi

elementi sheme nalaze se u bazi Basics. Makromodeli G1 i G2 nalaze se u bazi Diplomski_rad.

1-52Slika 78.

U sljedećoj tablici dani su parametri modela elemenata.

Ime elementa

Tip modela Parametri

E1 Sinusni naponski izvor RMS=220V, f=50 Hz, Phase = 0 E2 Sinusni naponski izvor RMS=220V, f=50 Hz, Phase = -120 E3 Sinusni naponski izvor RMS=220V, f=50 Hz, 120, Phase =120 TH1 Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ, Control Signal: G1.Trig34 TH2 Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ, Control Signal: G1.Trig26 TH3


Naziv parametra Vrijednost Vrijeme simulacije 100 ms Minimalni korak integracije 1us Maksimalni korak integracije 10us



1-53

Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ, Control Signal: GATE3 TH4 Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ, Control Signal: G2.Trig34 TH5 Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ, Control Signal: GATE2 TH6 Equivalent Line Forward Voltage=1.2V, Bulk Resistance=1mΩ,

Reverse Resistance=100kΩ, Control Signal: G2.Trig15 Lk_1, Lk_2, Lk_3

0,1nH

R1 R=10 Ω L1 L=0.1 H E4 EMF= 0V



Iznos kuta KUT1 zadaje se pomoću elementa početnog stanja. Za ispravno ponašanje simulacijskog modela sa slike 78. potrebno je zadati početne uvjete pomoću

bloka POCETNI UVJETI.

1-54

Pomoću elementa stanja START_TH3 definira se stanje upravljačkog signala tiristora TH3 u trenutku t=0. U trenutku t=0 tiristor TH3 je u vođenju.

Promjena ovog stanja definira se opomoću Transition elementa UVJET_1, odnosno u trenutku kada

na tiristor TH1 dođe upravljački impuls.

Nakon ovog trenutka, novo stanje upravaljačkog signala tiristora TH3 je definiran0 elementom

stanja NASTAVAK_TH3.

Pomoću elementa stanja START_TH5 definira se stanje upravljačkog signala tiristora TH5 u

trenutku t=0. U trenutku t=0 tiristor TH5 je u vođenju.

1-55

Promjena ovog stanja definira se opomoću Transition elementa UVJET_2, odnosno u trenutku kada na tiristor TH6 dođe upravljački impuls.

Nakon ovog trenutka, novo stanje upravaljačkog signala tiristora TH5 je definirano elementom

stanja NASTAVAK_TH5




1-56


Slika 81. Valni oblici napona i struje tiristora. Na slici 79. prikazani su valni oblici izlaznog napona katodne i anodne grupe poluvodičkih ventila.

Simulacija je obavljena uz zanematrivo male komutacijske induktivitete, odnosno uz pretpostvku trenutačne komutacije. Za kut upravljanja α= 45° izlazni napon trofaznog mosnog spoja jednak je razlici izlaznih napona dvaju trofaznih spojeva sa srednjom točkom.

Valni oblik struje trošila je prikazan na slici 80. Zbog najveće pulsnosti simuliranog sklopa u

odnosu na do sada promatrane spojeve usmjerivača, dobivena je najmanja valovitost struje trošila. Valni oblici napona i struje tiristora prikazani su na slici 81. Valni oblik struje tiristora pokazuje

trenutačan porast i pad struje tiristora zbog trenutačne komutacije. Prije vođenja na tiristoru je blokirni napon.

1-57

3.5.3. Simulacijski eksperiment obaviti uz konstantnu vrijednost kuta upravljanja α. Unutar bloka PROMJENA KUTA UPRAVLJANJA potrebno je postaviti aktivnim stanje Alfa_Rucno i zadati vrijednost kuta upravljanja α= 90°. Zadati vrijednost elektromotorne sile Ed=400 V. Upotrebom programa View Tool prikazati valne oblike varijabli grana.



1-58


1-59

4. PITANJA I ZADACI

1. Koje su topologije jednofaznih i trofaznih usmjerivača? 2. Kako se faktor snage mijenja s promjenom kuta upravljanja? 3. Što je to izlazna, a što upravljačka karakteristika usmjerivača? 4. Kako komutacijski induktivitet utječe na valne oblike napona na trošilu i struje kroz izvore? 5. Kako komutacijski induktivitet utječe na srednju vrijednost izlaznog napona? 6. Kako vrijeme komutacije ovisi o iznosu struje trošila? 7. Objasnite načelo izmjenjivačkog načina rada usmjerivača.

Documents

TIRISTORSKI USMJERIVAČKI SPOJEVI - riteh.uniri.hr · PDF filemože biti, primjerice, istosmjerni motor za vrijeme kočenja. Dakle, ... usmjerivača predstavlja za istosmjerni izvor