Poluprovodni čke komponente koje se koriste u energetskim ... aktuatori_rev1_bn.pdf · Vrste...

Poluprovodni čke komponente koje se koristePoluprovodni čke komponente koje se koristeu energetskim u energetskim pretvara čimapretvara čima

SW-kontrolisani prekidački element (tranzistor ili tiristor)D-diodaL-induktivnostC-kapacitivnostF1,F2-zaštitni elementi(ultra brzi osigurači)

Prekidački elemenat - SW

TIRISTORI: SCR (Silicon Controlled Rectifiers)MCT (Mos Controlled Thyristor)GTO (Gate Turn- Off)

TRANZISTORI: BJT (Bipolar Junction Transistor)MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor

TIRISTORI - SCR

OPSEZI PRIMENE KONTROLISANIH PREKIDAČKIH ELEMENATA-SW

TIRISTORI ZA VELIKE SNAGE

IGBT tranzistor 150A/600V(danas najčešće korišćen poluprovodnički prekidač snage)

TIRISTORI - SCR

OPSEZI PRIMENE KONTROLISANIH PREKIDAČKIH ELEMENATA-SW

TIRISTORI ZA VELIKE SNAGE

IGBT tranzistor 150A/600V(danas najčešće korišćen poluprovodnički prekidač snage)

Podela oblasti primene energetskih prekida ča po snazi i radnoj u čestanosti

AKTUATORI U JEDNOSMERNOM POGONUPojačivači snagePojačivači snage

Uređaji za napajanje električnom energijom jednosmernih motora u pogonima, pre svega regulisanim.

ENERGETSKI ULAZ

AKTUATORUPRAVLJAČKI

P

Peu

+

u

+M

Ld

aη

Ld – dodatna induktivnost

AKTUATORULAZ

Puu ua e M

+ ia

a

aa

a

aeu

aauu

iuPP

iuP

ηη==

<<

caa uku =

Snaga na upravljačkom ulazu ima isključivo električnu prirodu.

ccuu iuP =Napon uc – KOMANDNI NAPON, može biti znatno manji od napona ua.

U najvećem broju slučajeva:

gde je ka – konstanta pojačanja aktuatora.

Vrste aktuatora

Elektromehanički:1. Generator jednosmerne

struje2. Amplidin

Statički (konvertori) aktuatori1. Ispravljači (AC/DC)2. Čoperi (DC/DC)3. Magnetni pojačivači

Snaga na energetskom ulazu može biti (u zavisnosti od vrste aktuatora) mehanička ili električna (u naizmeničnom ili jednosmernom obliku).

Iz perspektive danas aktuelnih ispravljača za pogone sa jednosmernimmotorom treba govoriti samo o poluprovodničkim ispravljačima, satiristorima i diodama, pri tome rešenja sa diodama, neregulisane ispravljače(samo diode) i poluupravljive ispravljače (razne kombinacije tiristora i dioda)treba samo pomenuti.

ISPRAVLJA ČIISPRAVLJA ČI

Sa stanovišta elektromotornog pogona, delimično ćemo proučiti samotrofazni mosni ispravljač kao primer regulisanog ispravljača.

Strukturna šema ispravljača:

MREŽA

Peu=λ V~ I~

λ ≈ cos (α)(“TESTERE”)

SINHRONI-ZACIJA

JEDNOSMERNI

IZLAZ (Pa;ua;ia)

TIRISTORSKI MOST

IMPULSI

POJAČAVAČIMPULSA

(“TESTERE”)GENERATOR

OKIDNIH IMPULSA

UGAO PALJENJA α

uc

SimulacioniSimulacioni blokblok dijagramdijagram

Dijagram pretvaranja komandnog napona uc u ugao paljenja α

Ω∙t

uc

uc max αmin

αmaxuc min

Pojačanje generatora impulsa: [ ]min max max min

max min max/ V

0gic c c

ku u u

α α α α− −= = − °

− −

α

π 2παα

Trofazni tiristorski mostOva konfiguracija ispravljača danas se najčešće koristi u praksi.

Principijelna šema trofaznog mosta data je na slici.

∼- +v

isa a ia

ua

∼

∼

∼

-

-

-

+

+

+

van

vbn

vcn

isb

isc

b

c

Q1Q3 Q5

Q6 Q4 Q2

i3

i6

i1

i4

i5

i2

iG3

iG6

iG1 iG5

iG2iG4

n

0

V2v vab vbc vca

π 2πΩ t

Kod ovog načina ispravljanja postoje režimi sa prekidnom i neprekidnom strujom, kao i u slučaju monofaznog ispravljača.

Režim PREKIDNIH STRUJA nećemo proučavati iz dva razloga:

•zbog višefaznog ispravljanja ovaj režim se ne javlja često;

•analiza režima prekidnih struja je u principu ista kod svih vrsta ispravljanja.

Simulacioni blok dijagramSimulacioni blok dijagram

P

v

VabcAA

VabcA

B

c

A

B

B

c

B

va vc vbvb vc va vb

vab vac vbc vba vca vcb vab vac

Ea

V2

isa

vb

vcb t

Režim neprekidnih strujaispravlja čki režim rada

ua

iai6 i1 i2

0

α

vcb vab vac vbc vba vca vcb vab

i6i5 i1 i2 i3 i4 i5 i6

i3 i4 i5 i6 i1

π 2π Ω t

Srednja struja je:

( ) ( )a

faa R

UI

ωψαωα

−=,

Mehanička karakteristika, koja je linearna je:

RV23e

f

a

f

MRV

2cos

23ψ

απψ

ω −=

Familije mehaničkih karakteristika za različite uglove paljenja date su na slici.

ω [o/min]

1500

1000

500α=75o

α=60o

α=45o

α=30o

α=0o

Granica prekida Ld=0

Prekidni režim

Menom

0

-500

-1000

-1500

50 100 150 200 250

α=180o

α=150o

α=135o

α=120o

α=105o

α=90oNeprekidni režim

Me [Nm]Menom

Funkcija prenosa mosta

Most je nelinearan sistem! Poja čanje se odre đuje linearizacijom.

( )aU

V

α

[ ]α °

3 2

π⋅

( )[ ]

o ocos30 cos1503 20,0195 V/

30 150a

mosU V

k Vα π

−∆ ⋅= = = − ⋅ °∆ −

[ ]α °

3 2

π⋅−

U dinamičkim režimima most unosi transportno kašnjenje, međutim, zbog pojednostavljenja analize most se može predstaviti kao član sa kašnjenjem prvog reda:

( )1

mosmos

d

kG p

pT=

+

Gde je: Td – srednje vreme kašnjenja koje je za trofazni most napajan iz naizmenične mreže sa 50Hz:

1 1 11,66ms

TT = ⋅ = ⋅ =

Promena ugla paljenja se može dogoditi bilo kada, dok promena napona nastaje tek nakon uključenja odgovarajućeg tiristora.

ua

Ua1

0

Ua2

4π3πα1 π 2π

α2

Ω Td

α1

1 1 11,66ms

2 6 2 6dT

Tf

= ⋅ = ⋅ =⋅

Ukupno pojačanje ispravljača

( )max minmax

0,0195 /ois gi mosc

Vk k k

uα α = ⋅ = −

U praksi je:min

max

10 30

150 160

αα

= − °= − °max

Funkcija prenosa ispravljača:

( )1

isis

d

kG p

pT=

+

ČOPERI

U ZAVISNOSTI U KOJIM KVADRANTIMA U ZAVISNOSTI U KOJIM KVADRANTIMA JE MOGUĆ RAD, DELIMO IH NA KLASE:

A, B, C, D i E

Ua

Ia0

Klasa A

Ua

Ia

0

Klasa B

Ua

Ia0

Klasa CKlasa A Klasa BUa

Ia

0

Klasa D

Ua

Ia

0

Klasa E

Na slici je prikazana šema ovog čopera i dijagrami karakterističnih veličina u režimu sa prekidnom strujom i u režimu sa neprekidnom strujom.

U

is

vAK1

Q1

ČOPER KLASE A(spuštač napona)

ona

tU V

T=

Ia

Ua

0 Ea+-

+- V

iaiG1

vAK1

iDUaD1

La Ra+ - -+vReL

ona

tU V=

0.5

1

i g1(t

)

ČOPER KLASE ARežim sa prekidnom

strujom

ap

U VT

=0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

0

t = Vreme [s]

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

0

20

40

t = Vreme [s]

i a(t)

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

50

100

t = Vreme [s]

u a(t),

e(t

)

100V, 40V

1 , 1mH

0,002 500Hza a

p p

V e

R L

T s F

= == Ω == =

ČOPER KLASE ARežim sa neprekidnom strujom

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

0.5

1

t = Vreme [s]

i g1(t

)

15I

100V,

40V

1 ,

10mHa

V

e

R

L

==

= Ω=

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

5

10

15

t = Vreme [s]

i a(t)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

50

100

t = Vreme [s]

u a(t),

e(t

)

Ia1

Ia210mH

0,002

500Hz

a

p

p

L

T s

F

==

=

Šema i dijagram karakterističnih veličina u režimu sa neprekidnom strujom je data na slici.

ČOPER KLASE B(podizač napona)

Ua

Ia

0+-

+- V

is

ia

iG2vAK2

Q2

iQ

Ua

D2

La Ra+ - -+

vR

(a)

eL

Ea

+

2

ČOPER KLASE B

p ona

p

T tU V

T

−=

100V, 110V

1 , 1mH

0,002 500Hza a

p p

V e

R L

T s F

= == Ω == =

g 1

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

0.5

1

t = Vreme [s]

i g2(t

)

-50

0

i a(t) Ia1

I

ČOPER KLASE BRežim sa neprekidnom strujom

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04-100

t = Vreme [s]

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

50

100

t = Vreme [s]

u a(t),

e(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

-100

-50

0

t = Vreme [s]

i s(t) iD2=is

Ia2

Ovaj čoper omogućava rad u dva kvadranta i predstavlja kombinaciju prethodna dva. Šema i karakteristični dijagrami dati su na slici.

i

ČOPER KLASE C

Ua

Ia

0+-

+-

is

ia

iG2

Q1

iQ1

Ua

D2

La Ra+ - -+vReL

Ea

V

Q2iQ2

iG1

iD2

iD1

D1

g 12

g 12

ČOPER KLASE C

g 1

ona

p

tU V

T=

100V, 40V

1 , 1mH

0,002 500Hza a

p p

V e

R L

T s F

= == Ω == =

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

0.5

1

t = Vreme [s]

i g1(t

)

0

20

40

i a(t)

Ia1

Ia2

iQ1 iD1

iD2iQ2

Čoper klase CRežim rada sa neprekidnom strujom

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04-20

t = Vreme [s]

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

50

100

t = Vreme [s]

u a(t),

e(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04-20

0

20

40

t = Vreme [s]

i s(t)

Ia2iD2iQ2

Šema čopera:

Ua

is

Q1 D2

L R+ - -+Eia

ČOPER KLASE D

Ia

0

+ -

Ua

L R+ - -+vR

eL

E

+V iG1

ia

D1

Q2

iG2

V

D P

PWM Generator(DC-DC)

+

Ra La

e

0.5

Duty cycle

Scope

ContinuousIdeal SwitchNo Snubber

powergui

i+ -

I.a

U.a

i+ -

I.s

Q1

D1Q2

D2

[Q2]

[Q1]

[Q1]

[Q2]1

TrueManual Switch

p

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

0.5

1

t = Vreme [s]

i g1(t

)

15

ČOPER KLASE D

Režim rada sa neprekidnom strujom

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

5

10

t = Vreme [s]

i a(t)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

50

100

t = Vreme [s]

u a(t),

e(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

5

10

15

t = Vreme [s]

i s(t)

100V, 40V

1 , 10mH

0,002 500Hza a

p p

V e

R L

T s F

= == Ω == =

Kombinacija dva čopera klase C omogućava četvoro-kvadrantni rad. Šema čopera je na slici.

Ua

Ia0

Q1 - Q4 - ON

Q2 - Q3 - ON

D1 - Q4 - ON

D1 - Q4 - ON

D1 - D4 - ONQ2 - D3 - ON

D2 - Q3 - ON

D2 - D3 - ON

ČOPER KLASE E

+ -+-

is

ia

Q1

Ua

D2 La Ra+ - -+

vReL

Ea

V

Q2 D1

D4

D3

Q3

Q4

-

+vD

v+ -

g 12

g 12

ČOPER KLASE E

g 12

g 12

100V, 40V

1 , 10mH

0,002 500Hza a

p p

V e

R L

T s F

= == Ω == =

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

0.5

1

t = Vreme [s]

i g1(t

)

5

10

15

i a(t)

Čoper klase ERežim rada sa neprekidnom strujom

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

t = Vreme [s]

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04

0

50

100

t = Vreme [s]

u a(t),

e(t

)

0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040

5

10

15

t = Vreme [s]

i s(t)

Predstavljanje čopera funkcijom prenosa

( )1

čč

d

pT č

kG p

pT

k−

=+

⋅ ≈

- Energetski pretvarači se za potrebe upravljanja elektromotornim pogonom mogu predstaviti funkcijom prenosa sa kašnjenjem prvog reda, što važi i za čoper.

1dpT č

č

d

kk e

pT−⋅ ≈

+

1 p

V

pT+d Ua

; ;onč d p

p

td k V T T

T= = =

/

1p

p

V T

pT+

ton Ua

;č d pp

Vk T T

T= =