V.katić - Ee2-2. Invertori _DC-AC_1

V.Kati ENERGETSKA ELEKTRONIKA 114

8. INVERTORISADRAJ:

1. Definicija:

2. Podela-vrste

3. Tranzistorski invertori-pravougaoni tranzistorski invertor-princip rada

-analiza rada-kvazi-pravougaoni invertor-PWM invertor-objanjenje PWM tehnike-analiza monofaznog PWM invertora-delta modulac

4. Trofazni tranzistorski invertor5. Strujni invertor6. Rezonantni invertor7. Izlazni filtri


8.1. DEFINICIJA:

Invertor su direktni pretvarai jednosmerne u naizmeninu struju (AC/DC). Koriste snaneelektronske prekidae punoupravljivog tipa tranzistore. To su ureaji kojima se povezuju dvaenergetska sistema uestanosti f=0 i f=f, s tim to snaga ide sa jednosmerne strane na naizmeninu.Razlika u odnosu na invertorski rad ispravljaa je to to se ovde komutacija radi prinudno.

Koriste se i kao indirektni u konfiguraciji AC/DC + DC/ACTiristorski invertori se vie ne proizvode, zbog sloenije konstrukcije i slabijih performansi,

osim za invertore najveih snaga, za koje ne postoje odgovarajui tranzistori.Danas se sve vie koriste u industrijskim elektromotornim pogonima i saobraaju, jer se

jednosmerni pogon zamenjuje naizmeninim.

8.2. VRSTE:

a) Po prekidakoj komponenti1. Tiristorski invertori (vie se ne koriste)2. Tranzistorski invertori

b) prema optereenju:1. zavisni (sa prirodnom komutacijom)2. nezavisni (autonomni, sa prinudnom komutacijom)

c) prema vrsti komutacije:Komutacija se obavlja prisilno pomou komutatora ili drugaijePodela:1. sa prirodnom komutacijom2. sa prinudnom komutacijom:

-paralelni-redni(rezonantni)-ostali

d) po principu rada:1. naponski2. strujni

e) po konfiguraciji:- prosti-sa srednjom takom:

-na transformatoru-na izvoru jednosmerne struje

-mostnif) po broju faza

- monofazni- trofazni- viefazni (polifazni, n-fazni)

g) po broju komutacija:-dvopulsni-tropulsni-estopulsni

h) po nainu upravljanja (regulacije)- pravougaoni- kvazi pravougaoni


- sa impulsno-irinskom modulacijom (IM=PWM)

esto se nalaze kao sastavni delovi kaskada JS JS: INV + ISP OP => Napajai sagalvanskom izolacijom. Ovo se radi kada se eli galvansko odvajanje ugradnjom u naizmenino kolotransformatora.

i) NS NS: ISP + INV, ova kombinacija esto se koristi i to za:1. za dobijanje vee uestanosti2. pretvaranje uestanosti ili broja faza3. stabilnost napona sa rezervom u sluaju nestanka struje

mrea f = fmree

SBN sistem za besprekidno napajanjej) regulacija brzine kaveznog AM:

f = varijab

AM


8.3. TRANZISTORSKI INVERTORI

Danas su potpuno potisnuli tiristorske invertore osim za najvee snage gde se korist GTOinvertori i u sluaju mreom komutovanih invertora. U najrairenijm aplikacijama se koristetranzistorski invertori i to sa MOSFET tranzistorima pri manjim snagama odnosno sa VRT i IGBTtranzistorima za vee snage. Po principu regulacije tj. obliku izlaznog napona dele se na:

1. pravougaone invertore2. kvazi pravougaone3. impulsno irinski modulisane (PWM)

Pravougaoni tranzistorski invertor

S2

Ud

S1id

+S3 S4 RpUp

ip

d

T

dpeff UdtUTU 2/

0

212 , pdpeff RUI , constRU

IRP dpeffpR 2

2 , Rdeffdd PIUP

1d

R

PP

- idelani invertor

ip =Ud/Rp

Up

S1 S4 S2 S3 S1 S4 S2 S3

ip

id id=Ud/Rp

Ud

-Ud


S2

Ud

S1id

+

S3 S4

Rp

LpUp

ip

D3 D4

D1 D2

dpeff UU , ddef UUU 9,0221 ,

2/0

212T

ppeff dtiTI ,

20, Tt

dtdi

LiRU ppppd t

p

dM

p

dp eR

UI

RUi

,

tp

dM

p

dMp eR

UI

RU

ITi

2

2

2

11

T

T

p

dM

e

e

RU

I

,

20,

121 2

Tt

e

e

RUi T

t

p

dp

ispr. inv. ispr. inv.D1D4 S1S4 D2D3 S2S3

Ud

S1 S4 S2 S3

-UdT/2 T

Up

ip IM

-IM id

Zbog faznog kanjenja struje invertor mora da ima mogunost dvokvadratnog rada tj. mora da imaparalelne diode. Problemi koji se javljaju su:


1. vii harmonici2. komutacija (mrtvo vreme)3. nema regulacije izlaznog napona4. povratna struja u jednosmernom kolu

8.3.1 REAVANJE PROBLEMA VIIH HARMONIKA U IZLAZNOM NAPONU

UdUiz

Dobija se pravougaoni napon, a potrebna je sinusoida. Harmonijska analiza daje sledee rezultate:

dpef UU ddef1p U9,0U22U 1U22

U1UU

THDU 2d

2d

2ef1p

2pef

p

=48,3%

...3,2,1k,)tT2)1k2sin(()1k2(

U4U1k

dp

U harmonijskom spektru postoje samo neparni harmonici reda n=2k-1, k=1,2,3:

...9,7,5,3,1n,n

1U4

21

n

U42

1

UU

HDUd

d

1p

pnpn

1 3 5

1/3

1/5

n red harmonika

HDu/HD1

Simusoida se moe dobiti ako se filtrira izlazni napn pomou jednostavnog LC filtra.

C

L Ip

211)(LCs

sW


-40 d B/dek.

Realn i LC filtar

1 fg 3

Da bi se uspeno filtrirali vii harmonici, potreban je filtar sa graninom uestanou iznad osnovnogharmonika.Primer: Neka je L=10 H, fg=100Hz. Izraunati vrednost kapacitivnosti LC filtra i potrebnu snagu.

LC1 => F25,0

L)f2(1C 2

Uc= 2 220V, f=50Hz, => kVAr23,1XU c2 Qc

Realni problem je to za dobru filtraciju treba veliki i skup kondenzator. Takoe, reaktivna snagakondezatora je Qc je proporcionalna sa Ppot, to znai da e struja kroz tranzistor biti mnogo vea.

Da bi se ovaj problem otklonio, moe se probati metodom N komutacija u periodi.

Impulsno-irinska modulacija (IM) N komutacija u periodi

N~50

Ui

-E

E

Tk Tn

T1 T2

11

1

Srednja vrednost napona u k-tom odseku:kAVU

k EU 1k EU 1

kkk T E

TU

k

kkkAV

Ako je k = 1N, tada odreujemo na sledei nain:

2sinNk

Tkkk .

Za sinusni PWM, tada je


2Nk

sinEU kAV , k = 1NVidi se da je sinusoida predstavljena sa N stepenica amplitude UkAV, k=1,,N.

Cilj uvoenja IM je pomeranje dominantnih viih harmonika na frekvencije, koje je moguelako i ekonomino eliminisati prostim (LC) filtrima. esto se induktivnost filtera zamenjuje parazitniminduktivnostima elektrinog kola i potroaa, tako da se filtar svodi na paralelno postavljanjekondenzatora.

8.3.2. PROBLEM KOMUTACIJE

U realnom invertoru potrebno je posebno analizirati proces komutacije.Pretpostavke:1. potroa je induktivan2. induktivnost potroaa je takva da se struja tokom komutacije moe smatrati konstantnom.Postoje dve vrste komutacije i to:1. sa diode na tranzistor2. sa tranzistora na dioduProces rada invertora:a) pravougaoni:

D1S1D3S3D1S1D4S4D2S2D4S4

b) PWMS3D1S1D3S1 D3 S3D1S3 D1..S1

D4S4D2S4 D2 S2D4S2 D4..S4Vae jednaine Bulove algebre:

D1+S1+D3+S3 = 1D2+S2+D4+S4 = 1

tj. da u jednoj grani uvek vodi samo jedna komponenta.

S2

Ud

S1id

+S3 S4

Rp

LpUp

ip

D3 D4

D1 D2

a) PRAVOUGAONIKomutacija dioda tranzistor nije kritina jer se vri prilkom prolaska struje kroz nulu.

D3 S3

1.


D3S3

Ip

Struja tee kroz D32.

D3S3

Ip

IB3

Ukljuujemo S3 pre nego ID3 padne na nulu jer ne znamo kad nastupa taj trenutak. Struja IB3 tee krozPN spoj tranzistora ali nema IC3.3.

D3S3

Ip

IB3

Struja ID3 pada na nulu i D3 se gasi. Ui poraste i tranzistor postaje pozitivno polarisan. Struja IB3 postojipa se tranzistor odmah ukljuuje pri nultoj struji pa nema preoptereenja.4.

D3S3 IC3

Ip

IB3

Vodi samo S3

b) PWM


D3 S1

1.

D3S3

Ip

IB3

UiE

+

Struja tee kroz D3. IB3 postoji jer ne znamo taan smer ip.2.

D3S3

IpUi

Iskuljuimo S3 i pravi se pauza od ts da se ne napravi kratak spoj.3.

D3S3

IB1

Ui

Pravimo pauzu i posle toga dovodimo IB1. Kolektorska struja S1 raste. Struja D3 opada.4.

D3S3

IB1

Ui

Vodi samo S1.


ts

IB30,5-1*ts

S3 20s

IB1

-0,7V vodi D3

Eprenapon

QB2

tf

QRR100-300 s = tRR brza dioda

ID3

Ip30%

kratak spoju mostu

QB2 su nagomilani nosioci u bazi. Prenapon se javlja zbog pika struje koji je vei ako su veeparazitne induktivnosti. QRR su nagomilani nosioci u diodi. T2 i D2 su u istom kuitu.

ID3

IB3

UDUCES

Ui

IC3

KOMUTACIJA TRANZISTOR DIODA

S3 D1

1.


IC3

IB3

Ip

Vodi samo S32.

D1

S3

IB3=0

Ui

Prekidamo stuju baze IB3. Struja kolektora S3 polako opada. Zbog debalansa struje u voru A raste naponUi i dioda D1 poinje da vodi.

3.

D1

S3IB3=0

IB1=0

Struju pruzima dioda D14.

IB1 0

Ukljuujemo S1. Struju vodi D1. Struja IB1 tee kroz oba PN spoja tranzistora ali nema Ic1.


ts

IB30,5-1*ts

IB1t

tfIS3

ID1

mrtvo vreme

Ui

Pojava prenapona:a) Zbog spore diode u komutaciji tipa A.

b)

t

iDC

di/dt

di/dt je jako veliko i na rasipnoj induktivnosti vodova izmeu kondezatora i invertora se javlja

prenapon. Otklanjaju se RCD zatitom na celom mostu.dt

diLEU DCrasM

UM

LrasE

S1Lras+S2

S3S4

R EUc


8.3.3. REGULACIJA IZLAZNOG NAPONA

Zasniva se na istim principima kao i kod tiristorskog invertora.a) u invertoru:1. Kvazi prvougaoni invertor2. PWM invertorb) van invertora

8.3.4. KVAZI - PRAVOUGAONI INVERTOR

+

-

T1Ud

T3

T2

T4

A

B

N

T1UAN T3T1

1800

UBN T4t

Ud

T2

1800

1800- d

d

Up

T4

d

2

cos4

nUn

U dpn , 0 : dobija se pravougaoni invertor dpn Un

U4

1

0,253

7

THD

d

ph

U

U

4


8.3.5. PWM INVERTOR

Realni inertori obino imaju na ulazu diodne isparvljae, koji zajedno sa kondezatorom C, dajukonstantni jednosmjerni napon. Da bi se obezbjedio konstantan odnos U/f izlaznog napona, to je uslovza rad sa stalnim momentom kod asinhronog motora, invertor mora da regulie napon i frenkfenciju. Tose omoguuje impulsno irinskom modulacjom prekidaa invertora PWM invertor.Ima raznih tehnika PWM sa ciljem da se dobije inusni izlazni napon, a najpoznatija je sinusna PWM(SWPM). Kod PWM tehnika razlikujemo:

1. Moduliui ili kontrolni signal vcontr. On se koristi da modulie vreme voenja prekidaa tako daizlazni napon bude to blii sinusoidnom fundamentalne frekvencije f1 (0< f1


Izlazni napon u taki A nezavisno od smjera struje je:

OFFTONTU

OFFTONTU

contr

d

ccontr

d

A

1

3

3

1

0

,2

,2

, Posmatra se napon UA0

jer se tu prikljuuje potroa u polu mostnoj emi.Pretpostavka:1. fs > f12. unutar Ts smatra se da je vcontr = const3. vcontr Vc

-Ud/2

2Vc

vc

Ud/2

Ts/2

UA0sr

vcontr= Vcountrsinw1t

UA0

Ts

tk tk+1

Posmatra se srednja vrednost (osnovni harmonik) unutar jednog intervala, a cilj nam je da tevremenski nedovezane srednje vrednosti saine sinusoidu, to je u stvari digitalna rekonstrukcijasinusoide. Za proizvoljni k-ti interval vai:

221

21

21

0

d

s

kT

t

d

s

td

s

AsrkU

TtdtU

TdtU

TU

k

k

k

,

ccontrc

s

k

c

s

contrc

k

Vvv

Tt

VT

vVt

tg22

22

22221 d

c

contrd

c

contrcAsr

UV

vUVvvU

Ako je vcontr sinusna funkcija, tada je to i osnovni harmonik UA0(t)tVv contrcontr 1sin ,

N

k

N

k

d

c

contrd

c

contrksrkAA

Utw

VVU

VvUU

1 11001 2

sin....2

201d

AU

MU Ovaj postupak se naziva usrednjavanje u prostoru stanja i koristi se u matematikoj analizi (simulaciji)rada invertora. Izlazni napon je skupimpulsa i on varira izmeu Ud/2 i Ud/2. Nas interesujefundamentalni harmonik pa je potrebno analizirati spektar:

twUMtU dA 10 sin2


0

1

1

0,8

UAonUd/2

3F-6.. 3F-2 3F 3F+2.. 3F+62F-3 2F 2F+3 2F-1 2F+1

F-2 F F+2

Osobine spektra:1. maksimalna amplituda osnovnog harmonika je MUd/2 za 0100

Ali pri veoma velikim snagama F < 9 kvazi pravougaoni invertorMalo F ako je F 21Veliko F ako je F > 21

4. Moduliui i nosei signal treba da su sinhronizovani sinhrona PWM, odnosno F mora biti ceobroj. Ako to nije (to se esto deava kao greka u regulacionom kolu) onda se javljaju sub harmonici.Meutim ovaj problem je znaajan samo za malo F tj, F 21. Kod velikog F amplitude subhrmonika sumale, pa se mora voditi rauna o sinhronizaciji. Obino se uzima fc = const, a f1 se varira. Ipak kada je f1blizu nule male amplitude subharmonika e izazvati velike struje, to nije poeljno. Zbog toga trebaizbegavati asinhronizam.

Nadmodulacija (M>1)Za 0 < M < 1 linearna regulacija. PWM gura harmonike u oblast visokih frenkfencija to je

poeljno, ali vrednost osnovnog harmonika mala 0 < UA01 < Ud/2. Da bi se poveala amplitudaosnovnog harmonika ide se na nadmodulaciju M > 1. Meutim tada broj i nivo niih harmonika raste.Dalje poveanje M dovodi do zasienja tj. do prelaska u pravougaoni oblik.

24

2 01d

Ad UUU

)15(24,31 FM

1 3,24

4/p1

pravougaoni oblik

UA01Ud/2

linearni oblik

nad modulac

Za F = 15M

Polu-mostna ema jednofaznog PWM invertora


-

+

Ud

T1

T3

0

Ud/2

AUd/2

N

ipC Rp

LpUp

+

ONTOFFTvvU

OFFTONTvvU

UUccontr

d

ccontrd

Aop

21

21

2

2

1

sinn

pnp nnwtUU ,22nnpn baU

n

nn b

atg an, bn - koeficijenti furijevog redaUAo je neparna funkcija i simetrina u odnosu na T/4, odnosno: tUtU AoAo i tUTtU AoAo 2/ pa je:

02 kk ba 4/0

12212sin8

T

Aok dtttktU

Tb , k=0,1,2..Za prvi harmonik uzima se k=0 pa je:

4/0

2/

0001 2

sin282sin8

Td

AAU

MwtwtdwtUdtT

ttU

Tb

, pa je

21d

pU

MU Problemi koji se javljaju su:1. mala amplituda osnovnog harmonika2. naprezanje komponenata UT = Ud, IT = ipmax

Mostna ema jednofaznog PWM invertora

a) Sa bipolarnim prekidanjem:1. amplituda osnovnog harmonika Ud2. naprezanje UT = Ud, IT = ipmax

+

-

T1Ud

T3

T2

T4

A

B

N

Ud/2

Ud/2

id

Up=UA0-UB0ip

iA0iB0

Grane A i B se upravljaju inverznim signalima: UB0 = -UA0. Na bazi prethodne analize vidi se da je: tUtUtUtU

tUTtUtU

ABAp

AAB

000

000

22/

dakle izlazni napon varira izmeu Ud, odnosno amplituda osnovnog harmonika je:

1410

1

1

MUUU

MMUU

dpd

dp


Jednaina invertora:

220

0 d

B

AdT

B

Aac

UTTU

TUU

U

(1)

00 BAp UUU (2) T je prekidaka matrica odnosno prenosna funkcija invertora, a TA i TB su prekidake funkcije granaA i B. Ovaj tip invertora se naziva PWM invertor sa bipolarnim prekidanjem.

titi

TtiTtiB

Aacd

0

0

pAAAAAAABBAAd iTtiTtiTtiTtiTtiTti 22 000000 Ako je ip=ipsinwt a spektar TA dat na prethodnoj slici tada je id=Id + id2 + idVF , idVF 0. Najizraeniji jedrugi harmonik dok se VF mogu lako filtrirati.

Problemi koji se javljaju su:1. drugi harmonik u id2. trenutno prekidanje tranzistora

b) PWM sa unipolarnim prekidanjemGrana A i B se upravljaju nezavisno poreenjem vc sa vcontr (grana A) i vcontr (grana B), pa posmatramonapone grana u odnosu na (N) kraj izvora:

Grana A:03

1

ANccontr

dANccontr

UiONTvvUUiONTvv

Grana B:04

2

BNccontr

dBNccontr

UiONTvvUUiONTvv

Poto ima povratne diode napon ne zavisi od smera struje.dBdABNANp UTUTUUU

dBAp UTTU


Izlazni napon se dobija iz kombinacije napona grana. Ima etiri kombinacije:

000,0,

0,0

43

21

23

4,1

pBNAN

pdBNdAN

dpdBNAN

dpBNdAN

UUUONTTUUUUUONTT

UUUUUONTTUUUUUONTT

Kada je napon Ud struja tee ili kroz par tranzistora (T1, T4) ili par dioda (D2, D3) razliitih grana ipolovina mosta. Kada je napon 0 struja tee izmeu razliitih grana ali iste polovine mosta (T1, D2) ili(D1, T2) i tada je id=0.Ovaj nain prekidanja daje efekat u duplo veeoj prekidakoj frenkfenciji u izlaznom naponu, tako da seharmonici pojavljuju samo oko parnih multipla osnovne uestanosti (ali F mora biti parno).

VcVcontr

UAN

2p

UBN

Up

UAN = TAUd, UBN =TBUd, Up=UAN UBNFaza: N BN = 180 F = 0, F je parno zato se ponitavaju svi dominatni harmonici kao i boniopsezi oko F, 3F


0

1

1

0,8

UphUd

4F 2F 2F-1 2F+1

F

Ui=0

Ui=E/2

+

EUi=E

UkAK=0

E/2

UkAk=E/2 UkAk=E

Tk

-

Ako se ovako radi spektar e biti:

f Nf 3Nf

2E

Ako je N veliko, moemo da smanjimo LC faktor. Ovo je princip PWM modulac. Nedostaci koji sejavljaju: 1. Bazira se ne pretpostavci da mogu da se precizno odrede i to je teko postii, pa sePWM radi sa brzim tranzistorima kod kojih je mali ts.

Delta modulacijaPrincip koji se koristi za upravljanje bipolarnim tranzistorom.


S1

S2

+E/2

-E/2

1/s- Ui Uii - U Uih=1

integrator U=Uref - Uii komparator sa histerezisom

Uref +

Ovaj signal koristimo za upravljanje prekidaima S1 i S2.

ihu

ih UAH

AUU

dUi

-

+ +

-

Uii Uref Uref

Ui

H

-H

iii sUU , s iz integratora wtA

dtd

sUsUUwtAU RiiiR sinsin wtAwU i cos

8.4. TROFAZNI PRAVOUGAONI INVERTOR:

+

-

T1

Ud

T3

T2

T4

A

B

N

Ud/2

Ud/2

id

ipiA0

C

ABC

T5

T6


Trofazni PWM invertor:UAB = UAN - UBNUAC = UAN - UCNUBC = UBN - UCN

AN BN = 120 0 F =0Ako je F neparno i multipla od 3! tada se harmonici ponitavaju i ostaju samo boni opsezi oko kF!

24,3,78,06

0.1,612.022

3

1

1

MUUU

MMUMUU

ddAB

ddAB

0

1

1

0,8

UABhUd

3F-4 3F-2 3F 3F+2 3F+4 2F-1 2F 2F+1F-2 F F+2

8.5. STRUJNI INVERTORI

Do sad razmatrani invertori su bili naponskog tipa.Razlika je to je kod naponskog jednosmerni napon konstatan dok je kod strujnog ulazna struja

konstantna. To podrazumeva (obino imamo naponski izvor) dodavanje rendne prigunice ijainduktivnost je dovoljno velika da se struja moe smatrati konstantnom tokom jedne poluperiode.Naponski invertor:L rasipne imduktivnosti ili dodate da se izvor oslobodi harmonika.Cd za povratne struje daje neprekidan napon na ulazu i invertor

Strujni invertor:Ld za peglanje struje id = IdJednostavniji je, monogo prostija ema, ali je znatno vei. Ekonomski nema prednosti. Meutim ulaznastruja je mirna pa ne treba element pre invertora. Izlazne veliine su manje izobliene i ema je prostijatj. pouzdanija, takoe postoji mogunost reverzibilnosti bez premoavanja(dobar za pogone sakoenjem)Uslov za komutaciju:

> wtq >0


Rad invertora: Ukupno optereenje i C mora biti kapacitivno da bi napon prednjaio za . C preuzimaakumulisanu energiju iz L2 tj. ne trebaju diode.Nedostaci:1. Ako je R optereenje naponse priblii pravouglom tako da je sve manje ne komutira se. Zbogtoga mora automatski regulator napona.2. Tekoe sa radom motora zbog postojanja oscilacija nestabilan je rad sprege invertor i AM reavase sloenijom spregom (nepovoljnije u odnosu na naponski invertor).

T3 T4

T1 T2

Ud

Naponski

Ud

Ld

id IdiC C

iU

Strujni

U

iUd

iC + i = id

UId

id

naponski strujni

U

I

U

I

dURidtdiL

2Ttiti


d

d

Iidt

dUC

IURdt

dUC

1

UdtdiLiR 22 mora 0 qwt

- + - + - +-

+ - +

8.6. IZLAZNI FILTRI

Cp Lp

Lr Cr

r

rr

wCL

1 ppp

wCL

1

ili

C3 C5 C7 CL3 L5 L7

Lr Cr

r

rr

wCL

1 , 333

1w

CL , 5

55

1w

CL

UDC

invertor

- idealni invertor (monofazni)

S2E

S1iDC+S3 S4

Rp

LpUi

Ako se ukljue S1 i S4 => Ui = -E, iDC = -ipS2 i S4 => Ui = E, iDC = ip


ip ip =Ui/R

Ui

S1 S4 S2 S3

L=0

iDC

ip

L ? 0

iDC

PR = RI2 = constPDC = EiDC

Documents

V.katić - Ee2-2. Invertori _DC-AC_1