2 Kontrolisani ispravljaci

Ispravljai ili AC/DC pretvarai su kola koja pretvaraju ulazni naizmenini napon u izlazni jednosmerni napon. Mogu se podeliti prema vrsti ulaznog napajanja, odnosno nainu spajanja sa naizmeninom mreom, prema nainu korienja energije iz naizmeninog izvora, kao i prema karakteru izlaznog napona, odnosno prema njegovom stepenu upravljivosti.

Prema vrsti ulaznog napajanja ispravljai se dele na jednofazne i viefazne.

Prema nainu korienja energije naizmeninog izvora ispravljai se (u delu literature iz ove oblasti) mogu podeliti na jednostrane (ili polutalasne) i dvostrane(ili punotalasne). Pri tome se pod jednostranim ispravljaima podrazumevaju osnovna kola sa diodama i tiristorima koja su razmatrana ranije, dok se termin dvostrani ispravljai vezuje za kola kod kojih se ispravljanje vri u obe poluperiode ulaznog napona. Kao to je ve napomenuto, ovakvi jednostrani ispravljai se retko koriste, zbog toga to srednja vrednost struje izvora kod ovih ispravljaa nije jednaka nuli, to negativno utie na karakteristike ulaznog transformatora vezane za jednosmerno zasienje jezgra, a velika je i talasnost njihovog izlaznog napona. U daljem izlaganju, kao i do sada, pod terminom ispravljai podrazumevae se samo dvostrani ispravljai. Dvostrani ispravljai ispravljaju obe poluperiode ulaznog napona, zbog ega se esto nazivaju i punotalasnim ispravljaima.

Kontrolisani ispravljai

Pored navedenog, prema karakteru izlaznog napona ispravljai se mogu klasifikovati kao neregulisani (nekontrolisani) ispravljai koji se realizuju sa diodama i kod kojih je izlazni napon konstantan, i regulisani (kontrolisani) ispravljai koji se realizuju sa tiristorima, kod kojih se izlazni napon regulie promenom ugla paljenja tiristora.

Tip potroaa u kolu ispravljaa ima bitan uticaj na ponaanje kola ispravljaa. Potroa moe biti isto otporni, otporno-induktivni, RLE, ili na izlazu ispravljaa moe biti kombinacija otpornosti, induktivnosti i kapacitivnosti, ukoliko je filtar prikljuen na izlazu ispravljaa. Svaki tip potroaa je problem za sebe prilikom projektovanja i primene ispravljaa.

Za razliku od diodnih (nekontrolisanih, neupravljivih) ispravljaa, kod kojih je izlazni napon konstantan i zavisi od prenosnog odnosa transformatora, kod kontrolisanih (upravljivih) ispravljaa vri se konverzija naizmeninog ulaznog napona u u kontrolisani, promenljivi jednosmerni izlazni napon. Kola ovih ispravljaa su slina konfiguracijama kola diodnih ispravljaa, pri emu se umesto dioda koriste tiristori.

Osnovni princip kontrole tiristorskih ispravljaa sastoji se u promeni izlaznog napona definisanjem trenutka od kojeg tiristor poinje da provodi u svakoj periodi ulaznog napona. Ugao paljenja tiristora je interval izmeu trenutka direktne polarizacije tiristora i primene signala na gejtu. Tiristori se ukljuuju dovoenjem kratkih impulsa na njihove gejtove, a iskljuuju se mrenom komutacijom.


U sluaju jako induktivnog potroaa, iskljuuju se ukljuivanjem drugog tiristora u kolu ispravljaa, tokom negativne poluperiode ulaznog napona. Ukoliko je =0, rad ovih ispravljaa je identian radu odgovarajuih diodnih ispravljaa.

Ovakvi kontrolisani ispravljai su jednostavni i jeftini, dok je njihov stepen korisnog dejstva u optem sluaju preko 95%. Ovakvi ispravljai se esto nazivaju i AC/DC konvertorima, pri emu se pod tim jedinstvenim nazivom podrazumevaju i diodni ispravljai. esto se sreu u industrijskim primenama, posebno za kontrolu brzine motora, sa snagama od nekoliko desetina W do reda MW.

Kao i diodni ispravljai, i tiristorski kontrolisani ispravljai se mogu zavisno od ulaznog napajanja podeliti na dve osnovne grupe, na jednofazne i viefazne (3, 6, 12, 24 impulsne) ispravljae. Jednofazni ispravljai se generalno koriste u primenama za manje snage, dok se za snane primene obino koriste viefazni ispravljai.

Svaka od ovih grupa ispravljaa moe se dalje podeliti prema stepenu upravljivosti na punoupravljive, poluupravljive (siimetrino i nesimetrino), neupravljive i dvostruke(dvojake, bipolarne) ispravljae.


Punoupravljivi ispravljai su dvokvadrantni ispravljai, sa pozitivnim ili negativnim polaritetom izlaznog napona, zavisno od pozicije impulsa paljenja tiristora u odnosu na trenutak poetka njegove direktne polarizacije (nula ulaznog napona napajanja). Prema tome, srednja vrednost izlaznog napona ispravljaa se moe kontrolisati kontinualno od njegove maksimalne pozitivne vrednosti, do maksimalne negativne vrednosti.

Drugim reima, protok snage moe biti od naizmenine (AC) ka jednosmernoj (DC) strani ispravljaa i obrnuto, odnosno kolo moe raditi ili kao ispravlja, ili kao invertor. Meutim, izlazna struja punoupravljivog ispravljaa ima samo jedan polaritet.

Poluupravljivi ispravljai su jednokvadrantni ispravljai, sa jednim polaritetom izlaznog napona i struje.

Bipolarni ispravljai rade u sva etiri kvadranta, pri emu i izlazni napon i izlazna struja mogu biti ili pozitivni ili negativni.

U nekim primenama, kao i u sluaju diodnih ispravljaa, tiristorski ispravljai mogu biti povezani redno, kako bi se omoguio rad pri visokim naponima, kao i da bi se poveao ulazni faktor snage.


Prema nainu izvoenja ispravljai mogu biti sa srednjom takom na transformatoru i mostni.

Furijeova analiza koja se primenjuje kod diodnih ispravljaa, moe se izvriti i ovde u cilju odreivanja performansi tiristorskih kontrolisanih ispravljaa sa RL optereenjem. Meutim, da bi se pojednostavila analiza, induktivnost potroaa je najbolje smatrati dovoljno velikom, tako da je struja potroaa konstantna i sa zanemarljivom talasnou.

JEDNOFAZNI KONTROLISANI ISPRAVLJAI

U delu literature iz ove oblasti, pod jednofaznim ispravljaima se, kao i u sluaju diodnih ispravljaa, podrazumevaju i kola jednofaznih polutalasnih (jednostranih) tiristorskih ispravljaa, koja se najee posebno razmatraju kao osnovna kola sa tiristorima i razliitim optereenjima. Ova kola se retko koriste u praksi, meutim naponske i strujne relacije izvedene za ova kola su veoma korisne za razumevanje rada ee korienih punotalasnih (dvostranih) ispravljaa. U nastavku izlaganja e pod nazivom tiristorski ispravljai biti podrazumevani samo tzv. punotalasni ispravljai. To su kola jednofaznih tiristorskih ispravljaa sa srednjom takom na transformatoru i jednofaznih mostnih tiristorskih ispravljaa, pri emu e biti prikazane samo one karakteristike ovih kola koje nisu razmatrane prilikom analize slinih diodnih ispravljaa.


Tiristorski ispravlja sa srednjom takom na transformatorui otpornim optereenjem

Ovi ispravljai generalno se primenjuju pri niim snagama, a njihova osnovna konfiguracija sa otpornim optereenjem prikazana je na slici.


u

u

a

b

T1

T2

Rp

Za vreme pozitivne poluperiode ulaznog napona, kada je izvod transformatora apozitivniji od izvoda b, ukoliko se tiristor T1 ukljuuje sa uglom , struja potroaa tee preko preko tiristora T1, potroaa Rp, do srednjeg izvoda transformatora. Ova struja nastavlja da tee do ugla , kada se menja polaritet ulaznog napona i iskljuuje tiristor T1. Za vreme negativne poluperiode ulaznog napona, tiristor T2 se ukljuuje pri uglu +. Struja tee kroz tiristor T2, potroa Rp, i ponovo do srednjeg izvoda transformatora. Ova struja tee sve do ugla 2, kada se tiristor T2 iskljuuje. Na taj nain se na potroau tokom periode javljaju dva strujna impulsa u istom smeru.

Kada se tiristor T1 ukljui pri uglu , napon na njemu je zanemarljivo mali, odnosno na tiristoru T1 se javlja napon reda 1V sve do ugla , kada se ovaj tiristor gasi promenom polariteta ulaznog napona. Prema tome, napon na tiristoru T1 je jednak naponu gornje polovine sekundra transformatora od ugla 0 do u direktnom smeru, i od do + u inverznom smeru, jer u tom periodu tiristor T2 ne provodi. U intervalu od + do 2 provodi tiristor T2, tako da je inverzni napon na T1 sada

. Slino se dobija talasni oblik napona na tiristoru T2. Karakteristini talasni oblici za ovaj ispravlja prikazani su na slici.


u

u

a

b

T1

T2

Rp

Karakteristini talasni oblici za tiristorski ispravljasa srednjom takom na transformatoru i otpornim

optereenjem

u

uG

uT1

uRp

u

u

2uU2-2U2

U2

tU sin22

+

+


Tiristor je etvoroslojna poluprovodnika struktura pnpn tipa, sa tri pn spoja i tri prikljuka: anodom, katodom i gejtom.

Tipina strujno-naponska karakteristika tiristora (struja anode iA u funkciji napona anoda katoda vAK ) prikazana je na slici, i na njoj se jasno uoavaju tri karakteristine oblasti: direktna neprovodna oblast, odnosno oblast malih struja i velikih napona (I), direktna provodna oblast, sa malima naponima i velikim strujama (II) i inverzna neprovodna oblast (III). U direktnoj oblasti rada tiristora postoje dva stabilna

stanja (ili moda), zajedno sa nestabilnim stanjem koje se na i-u karakteristici vidi kao oblast negativne otpornosti.

Prelazna

Srednja vrednost napona na potroau kod ovog ispravljaa je:

pri emu je za , , dok je efektivna vrednost izlaznog napona:

Srednja i efektivna vrednost struje potroaa su i , respektivno. Faktor oblika struje potroaa je , dok je njen faktor talasnosti .

Srednja snaga na potroau moe se odrediti na osnovu izraza:

Poto svaki tiristor u toku jedne periode ulaznog napona provodi polovinu intervala u kojem postoji struja na izlazu, srednja i efektivna vrenost struje tiristora su i , respektivno, dok je maksimalni napon na tiristoru .

( ) ( )

cossin +== 1221 UtdtUU psr

0 /220 UU psr

( ) ( )

2221

2 sinsin +== UtdtUU peffppsrpsr RUI /= ppeffpeff RUI /=

psrpeff IIFF /=12 = FFRF

22sin2 +==

ppeffpeffpsr R

UIUP

2/psrTsr II =2/peffTeff II =


U22

Tiristorski ispravlja sa srednjom takom na transformatorui RL optereenjem

Kolo jednofaznog tiristorskog ispravljaa sa srednjom takom na transformatoru i RL potroaem prikazano je na slici.


u

u

a

b

T1

T2

Rp

Lp

Kao i u sluaju osnovnog kola sa tiristorom i RL optereenjem, i kao i kod diodnog ispravljaa sa istim tipom RL potroaa, prisustvo induktivnosti ne dozvoljava struji potroaa da padne na nulu u trenutku promene polariteta ulaznog napona napajanja. To znai da ukoliko se za vreme pozitivne poluperiode ulaznog napona ukljui tiristor T1 sa uglom , struja potroaa poinje da tee od ugla , i tee sve do ugla koji je vei od . Struja potroaa moe biti impulsnog oblika i ne tee za vreme cele periode (odnosno diskontinualna je, ili prekidna), ili moe tei u toku cele periode (kontinualna je, ili neprekidna), zavisno od ugla ukljuivanja tiristora .

Ukoliko je , struja potroaa je diskontinualna i obrnuto, kontinualna je ukoliko je . Karakteristini naponski i strujni talasni oblici kod ovog ispravljaa za sluaj diskontinualne struje RL potroaa prikazani su na slici.

( )pp RL /arctan =>

Diskontinualna struja potroaa ( , )

U sluaju diskontinualne struje potroaa, srednja vrednost izlaznog napona moe se odrediti integraljenjem ulaznog napona u opsegu od do , ime se dobija:

Takoe se lako odreuje i efektivna vrednost struje potroaa:

>

Srednja i efektivna vrednost struje potroaa u sluaju ovog ispravljaa sa RL optereenjem su i , respektivno, gde je

, dok je srednja vrednost snage na potroau .

Faktor oblika struje potroaa i njen faktor talasnosti se takoe sada mogu lako odrediti.

Kao i u sluaju ovog kola ispravljaa sa otpornim optereenjem, poto svaki tiristor provodi polovinu vremena trajanja izlazne struje, srednja i efektivna vrednost struje tiristora su takoe i , respektivno ( za veliko L).

Kontinualna struja potroaa ( , )

U sluaju kontinualne struje RL potroaa, kada je ugao paljenja tiristora, svaki tiristor vodi u intervalima od po 180o.

ppsrpsr RUI /= ppeffpeff ZUI /=( )22 ppp LRZ +=2peffppeffpeffpsr IRIUP ==

psrpeff IIFF /=12 = FFRF

2/psrTsr II = 2/peffTeff II =

< =

+=== titi pp +=( ) 0>+= tip

Ovaj izraz vie nije validan u sluaju kontinualne struje potroaa, jer su sada drugi granini uslovi, odnosno vai da je .

Granica kontinualnog i diskontinualnog reima nastaje kada je ,odnosno ako je , tj.:

( ) ( ) ( )( ) 0sinsin + + eKako je ( ) ( ) =+ sinsin , dobija se da je: ,( ) ( )( ) 01sin + e

pp RL /= ( )pp RL /arctan =gde je , to daje uslov koji treba da bude zadovoljen da bi postojao

.

kontinualni reim, a to je .


Srednja vrednost izlaznog napona moe se dobiti integraljenjem ulaznog napona u intervalu od do +:

( )

cossin UtdtUU psr

2221 == +

Moe se primetiti da je srednja vrednost izlaznog napona jednaka nuli pri uglu paljenja tiristora =90o, a dalje poveanje ugla paljenja tiristora dovodi do negativnog izlaznog napona i promene smera protoka energije, od potroaa ka izvoru napajanja. Ukoliko u kolu ne postoji povratna dioda koja prevezuje kolo potroaa, ovo se npr. moe iskoristiti za elektrino koenje motora.

Efektivna vrednost izlaznog napona odreuje se na osnovu izraza:

( ) ( ) UtdtUU peff == +

2sin21

Izrazi za srednje i efektivne vrednosti struja potroaa i struja tiristora, maksimalni napon na tiristoru, kao i za srednju snagu na potroau, isti su kao u sluaju diskontinualne struje potroaa. Faktor oblika napona na potroau u ovom sluaju je: dok je njegov faktor talasnosti:

cos22

==psr

peff

UU

FF1

cos81 2

22 ==

FFRF


Tiristorski ispravlja sa srednjom takom na transformatoru, RL optereenjem i povratnom diodom

Kao to se moe uoiti sa prethodnih slika, kada jednofazni tiristorski ispravlja sa srednjom takom napaja induktivni potroa, tiristori provode i pri uglovima koji su vei od ugla pri kome ulazni napon menja polaritet, a napon na potroau u tim intervalima je negativan (za prvu periodu od do u sluaju diskontinualne struje, i od do + u sluaju kontinualne struje). U oba sluaja struju u kolu odrava samo napon koji je indukovan na induktivnosti potroaa. Zbog toga, srednja vrednost napona na potroau je redukovana zbog negativne oblasti (povrine) i funkcija je faktora snage potroaa. U sluaju kontinualne struje, smanjenje srednje vrednosti izlaznog napona je vee, i kada je ugao paljenja =90o, srednja vrednost izlaznog napona je jednaka nuli. Kako bi se ovo eliminisalo, paralelno sa potroaem moe biti prikljuena povratna dioda D, kao to je prikazano na slici.

u

u

a

b

T1

Rp

LpD


T2

Dioda D preuzima struju potroaa tokom intervala u kojima je ulazni napon transformatora negativan i time spreava da izlazni napon bude negativan, ukoliko se pod negativnim naponom ne podrazumeva mali pad napona na diodi koja provodi (reda 1V), kao to je prikazano na slici.

u

uG

up

ip

uD

+


Diskontinualna struja potroaa ( , )

U sluaju RL optereenja i diskontinualne struje potroaa, struja potroaa u intervalu od do (oblast A) je ista kao u prethodnom poglavlju koje analizira isto kolo bez povratne diode. U intervalu od do se energija iz ispravljaa predaje potroau, dok je u intervalu od do tiristor iskljuen zbog inverznog ulaznog napona na njemu, a dioda D je direktno polarisana i provodi, i u tom intervalu se energija akumulirana u induktivnosti predaje potroau (oblast B). Srednja vrednost struje tiristora je proporcionalna povrini oblasti A sa prethodne slike, dok je srednja struja povratne diode proporcionalna oblasti B sa iste slike. Poto tiristor provodi u intervalu , i poto izlazni napon nije negativan (u sluaju idealne diode), srednja vrednost napona na potroau je:

>

Kontinualna struja potroaa ( , )Kada je ugao paljenja tiristora manji od ugla impedanse RL kola, ugao provoenja tiristora postaje jednak uglu , a struja potroaa postaje kontinualna, i nikad nije jednaka nuli u toku bilo koje periode ulaznog napona. I u ovom sluaju, izraz za struju potroaa u prisustvu povratne diode je razliit od izraza za ovu struju bez prisustva povratne diode. Glavna razlika izmeu ovih izraza potie od toga to se kod prisutne povratne diode potroa napaja strujom preko ispravljaa u intervalu do , ali je u intervalu do + struja potroaa posledica energije akumulirane u induktivnosti potroaa. Karakteristini talasni oblici u ovom sluaju prikazani su na slici. Kao to je napomenuto, struja potroaa nije nikad jednaka nuli i ima istu vrednost za i

.

< =

U intervalu do struja opada eksponencijalno sa vremenskom konstantom , i nema istu vremensku zavisnost kao u prethodnom intervalu A jer je struja posledica akumulirane energije induktivnosti potroaa, i ne tee iz izvora napajanja.

=t +=t =t +=t

pp RL /=

Maksimalna srednja struja potroaa nastaje kada je =0, i tada je struja povratne diode jednaka nuli, odnosno struja potroaa je istovremeno i struja tiristora. Prema tome maksimalna srednja vrednost struje tiristora je:

up

uip


pTsr R

UI 22

max =Izrazi za struje u kolu su zbog glomaznosti izostavljeni, a u nastavku su prikazane zavisnosti srednjih vrednosti struja potroaa, tiristora i povratne diode od ugla paljenja tiristora , koje su normalizovane sa maksimalnom srednjom strujom potroaa. Moe se uoiti da struja povratne diode ima maksimalnu vrednost za =75o, i ova vrednost iznosi oko 0.26ITsr max. Dakle, u ovakvom jednofaznom ispravljau sa fiksnim induktivnim potroaem, povratna dioda moe biti izabrana tako da njena srednja struja iznosi 26% od maksimalne struje potroaa.

Ip

IT

ID

Normalizovana srednja vrednost

struja

Ip= IT + ID


Tiristorski mostni punoupravljivi ispravlja sa RL optereenjem

Jednofazni mostni tiristorski punoupravljivi ispravlja prikazan je na slici, i sadri tiristore umesto dioda u poreenju sa kolom analognog diodnog ispravljaa. Tokom pozitivne poluperiode ulaznog napona, tiristori T1 i T2 su polarisani direktno i ukljuuju se istovemeno pri , ime povezuju potroa sa izvorom napajanja. Kao i u vie prethodnih sluajeva, zbog induktivnog potroaa tiristori T1 i T2nastavljaju da provode i posle , iako je u tom periodu ulazni napon negativan. Tokom negativne poluperiode ulaznog napona tiristori T3 i T4 su polarisani direktno, i njihovim ukljuivanjem pri se na tiristore T1 i T2 dovodi ulazni napon, koji je za njih inverzni napon blokiranja. Tiristori T1 i T2se dakle iskljuuju mrenom komutacijom, i struja potroaa je prebaena sa tiristora T1 i T2 na tiristore T3 i T4 .

=t

=t

ip

up

Ipsr

Upsr

-Upsr

+=t


T1 T3

T4 T2

Lp

Rp

U sluaju isto otpornog optereenja, analiza kola je identina analizi prethodno razmatranog ispravljaa sa srednjom takom na transformatoru, sa istim talasnim oblicima izlaznog napona i struje. Svi izrazi za napone, struje i snagu, kao i drugi parametri koji se definiu kod ispravljaa, su identini sa navedenim sluajem. U sluaju RL optereenja situacija je neto drugaija, i tada su mogua dva radna reima: diskontinualni i kontinualni. U prvom reimu struja optereenja ne tee za vreme cele periode ulaznog signala, a u drugom ona je kontinualna u toku periode.

Diskontinualna struja potroaaKao to je ve napomenuto, zbog reaktivne komponente optereenja ukljueni par tiristora ostaje provodan i posle promene polariteta ulaznog napona. Oni e ostati provodni sve dok njihova struja ne padne na nulu. Kada je vremenska konstanta RL kola mala, to e se desiti pre ukljuenja drugog para tiristora, i takav reim rada je diskontinualni reim. Struja poinje da tee pri uglu paljenja i postaje jednaka nuli pri uglu , kao to je prikazano na narednoj slici, na kojoj su prikazani karakteristini talasni oblici u tom sluaju. Struja potroaa u intervalu od do + ostaje jednaka nuli sve dok se ne ukljui sledei par tiristora.

pp RL /


Struja potroaa je, kao i kod analognog diodnog ispravljaa, u obliku diskontinualnih impulsa. Jednaine izvedene za sluaj diskontinualne struje analognog diodnog ispravljaa, kao i u prethodnom poglavlju za sluaj ispravljaa sa srednjom takom, su primenljive i na sluaj kontrolisanog mostnog punoupravljivog ispravljaa sa RL optereenjem analiziranog u ovom poglavlju, i u nastavku nee biti ponovo analizirane.

ip

up

u

uG


U2

U2

Kontinualna struja potroaa

Prethodno opisani diskontinualni reim e postojati ukoliko je . Granica kontinualnog i diskontinualnog reima nastaje kada je , odnosno ako je

. Ukoliko je vremenska konstanta RL kola vea od trajanja polovine periode ulaznog napona, ili je , struja potroaa ne pada na nulu u negativnoj poluperiodi ulaznog napona. Talasni oblici ulaznog napona i struje, i izlaznog napona i struje za ovaj sluaj prikazani su na slici.

+> +=( ) 0>+pi pp RL /

Documents

2 Kontrolisani ispravljaci