1. Upravljivi tranzistorski AC/DC pretvarai-uvodna razmatranja i definicije. Nacratati emu i objasniti osnovne karakteristike. (25b)

Primjena tranzistora u upravljivim ispravljaima (naroito u mrenim) nije uobiajena i pojavljivala se uglavnom u okviru specijalnih

sluajeva. Za ove namjene su se uglavnom upotrebljavali fazno upravljivi tiristorski

ispravljai.Meutim moe se oekivati da u budunosti njihova primjena u ovoj oblasti bude daleko ira. Razlog za ovo je brzi napredak u tehnologiji proizvodnje prekidakih tranzistora velikih snaga, a sa njim i razvoj teorijskih

principa novih vrsta. Voenjem i-tog prekidaa pozitivne i j tog prekidaa negativne grupe, pri i j napon Uo je jednak meufaznom naponu Uij , a za i = j ovaj napon je jednak nuli.

Kod tiristorski fazno voenih ispravljaa, zavisno od izvedbe, vlada veliki zaporni napon.

Zbog toga bi realizacija sa tranzistorima bila nemogua osim u sluaju da se tranzistorima doda u seriju dioda (slika a). Osim ovoga u izvedbi sa tiristorima tiristor prestaje sa

voenjem prirodno kada se energija magnetnog polja zavojnice isprazni. Kod tranzistorske izvedbe iskljuenje tranzistora je prisilno stoga se mora voditi rauna da se osigura put struje nakon iskljuenja tranzistora tj. u svakom trenutku dva ventila moraju biti otvorena.

Kod ispravljaa je smjer snage od AC ka DC. Kada postoji mogunost i suprotnog smjera snage govori se o reverzibilnom radu odnosno o usmjerivau. U ovom sluaju pretvara radi u oba reima: ispravljakom i invertorskom. Kada usmjeriva radi u invertorskom radu pri nepromijenim smjerom struje kroz usmjeriva, a promijenjenim smjerom napona mree radi se o invertoru sinhronizovanom sa mreom. Ovakvi invertori se najee izvode sa tiristorima i nazivaju se mreom komutirani (voeni) invertori. U krugu potroaa postoji istosmjerni izvor napona koji podrava struju kroz tiristore pri promijenom smjeru napona mree i koji predaju energiju mrei.

a)

.

Inverzni rad je mogue ostvariti i pri promijenjenom smjeru struje. Upravljanje pretvaraem u sluaju izvedbe sa strujno dvosmjernim prekidaem je takav da u svakom trenutku smije i mora da vodi samo po jedan prekida iz pozitivne i negativne grupe. Istovremenim voenjem vie od jednog prekidaa pozitivne ili negativne grupe, pravi se kratak spoj ulaznih faza. Kod tiristorske izvedbe za ovakve namjene se koriste antipararalelni mostovi. Sa ovakvim

mostovima mogua je regulacija i pozitivnog i negativnog istosmjernog napona u sluaju rada u ispravljakom reimu. Kod tranzistorske izvedbe da bi se obezbijedio ispravljaki i invertorski rad potrebno je da prekidai imaju mogunost voenja struje u oba smjera kao i preuzimanja zapornog napona. Za ove namjene se koriste prekidai koji rade u sva etiri kvadranta (slika b - desno). Kao i u sluaju tiristorskih usmjerivaa ovdje je mogua regulacija i pozitivnog i negativnog istosmjenog napona u sluaju rada u ispravljakom modu rada. Isto tako su mogue i verzije PWM usmjerivaa sa viim naponom na istosmjernog nego na izmjeninoj strani (amplituda) koritenjem sklopki kao na slici c) kao i odgovarajuih zavojnica.

b)

c)

2. Fazno upravljivi tranzistorski AC/DC pretvarai. Fazno upravljanje (odvojeno i zajedniko). Nacrtati eme, dijagrame napona i struja kao i izraze za srednju vrijednost napona. (25b)

Kod faznog upravljanja svaki prekida vodi svoj dio periode. U trofaznom sistemu to je treina periode. Da bi se dobio konstantan jednosmjerni napon (iza

filtera), upravljanje prekidaima mora biti sinhronizovano sa ulaznim naponom. Visina

izlaznog napona je odreena faznim (vremenskim) pomakom promjene stanja prekidaa u odnosu na ulazni napon. Faznim pomjeranjem poetka voenja u odnosu na trenutak prirodne komutacije mijenja se visina izlaznog napona. ak i u sluaju

dobre ispleglanosti struje u DC kolu, u ulaznim fazama se imaju pored osnovnog harmonika

i znatno izraeni harmonici relativno niskih frekvenci. Zbog toga i zbog faznog pomjeraja struje u odnosu na napon ima se i lo faktor snage. Ovakav nain rada je veoma slian onom koji se ima pri radu sa tiristorskim pretvaraima.

Fazno upravljanje prekidaima moe biti dvojako:

a) Zajedniko upravljanje (dvopolno, bipolarno)

b) Odvojeno upravljanje (jednopolno, unipolarno)

Zajedniko fazno upravljanje prekidaimaKod zajednikog upravljanja istovremeno se ukljuuju prethodna dva dijagonalna, a iskljuuju naredna dva dijagonalna tranzistora prekidakog mosta. Upravljaki signali su fazno (vremenski) pomjereni u odnosu na ulazni napon. Rezultat

ovakvog upravljanja je izlazni PWM napon. Srednja

vrijednost izlaznog napona je:

Iz posljednjeg izraza se vidi da je za vremenske pomake

izmeu ulaznog i upravljakog napona manje od Ti/4 izlazni napon pozitivan, a za pomake od Ti/4 do Ti/2 negativan. To

znai da se na jednostavan nain moe mijenjati izlazni napon u irokim granicama pa ak moe da ima i suprotan polaritet. Treba uoiti da je frekvencija izlaznog napona dvostruko via od frekvencije ulaznog napona to dalje olakava filtriranje.

Odvojeno upravljanje prekidaima:

Odvojeno upravljanje prekidaima moe se uraditi na vie naina. Posmatrajmo upravljanje kod koga se promjena stanja prekidaa P1 i P3 vri istovremeno sa promjenom ulaznog napona, a upravljanje

prekidaima P4 i P2 sa vremenskim pomakom (t1).

Ako se upravljanje prekidaima vri po algoritmu kao na slici, napon na izlazu je

jednopolno irinski impulsno moduliran i ima neto nii sadraj harmonika koji se onda jo lake filtriraju.

Prema slici srednja vrijednost izlaznog napona je:

Ako je potrebno da izlazni napon ima suprotan polaritet, potrebno je sve upravljake napone u odnosu na ulazni napon pomjeriti (odnosno invertovati) za polovinu periode ulaznog

napona.

Treba primijetiti da u ovom sluaju struja kroz prekidae mijenja smjer pa se prema tome mora osigurati njihova strujna dvosmjernost. Isto tako treba primijetiti da prekidai moraju podnositi i blokirni i zaporni napon veliine ulaznog napona pa se mora obazbijediti i njihova naponska dvosmjernost. U stacionarnom stanju i ulazni i upravljaki napon imaju istu frekvenciju pa se ovakvi ispravljai ponekad joi nazivaju i sinhronim.

3. PWM upravljivi tranzistorski AC/DC pretvarai. Osnovne karakteritike. Dijagrami napona i struja za trofazni sluaj. (25b)

Brzim sjeckanjem ulaznih napona, mogue je postii bolju ispeglanost izlazne struje ak i uz primjenu znatno manjih reaktivnih komponenti (prigunica i kondenzatora). Razlog za ovo je pomjeranje spektra harmonika prema viim frekvencijama pa je samim time i njihovo filtriranje lake. Pored toga ovakvim upravljanjem je mogue znatno popraviti faktor snage i sadraj harmonika u napojnoj mrei. Uspjesi postignuti na ovom polju vjerovatno e uticati na donoenje stroijih propisa kojima se regulie faktor snage i zagaenje mree. Zbog visokih frekvencija sjeckanja napona ovdje moe doi do pojave elektromagnetne interferencije (EMI) ovih frekvencija u mrei. Zbog toga se ovdje posebna panja mora posvetiti ulaznim filterima. Upravljanje ovim pretvaraima moe biti razliitog stepena sloenosti u zavisnosti od karakteristika koje se ele postii. U najjednostavnijem sluaju kada se ne zahtijeva etverkovadrantni rad i ne vodi rauna o harmonicima u mrenim strujama, mogu se primijeniti analogne tehnike upravljanja zasnovane na komparacije

moduliueg i noseeg signala. Na sljedeem slajdu su prikazani primjeri ovakvog upravljanja kada su ulazni naponi trofazni i sinusnog oblika. U radu prekidaa kod ovog pretvaraa se zapaaju dvije grupe intervala i to:

U prvoj, vode po dva prekidaa iz razliitih faza i to jedan iz pozitivne a drugi iz negativne grupe. U ovim intervalima se uzima energija iz izvora napajanja.

U drugoj grupi intervala vode po dva prekidaa iste faze tako da kratko spajaju izlazno DC kolo. Ovde se DC kolu ne dovodi nikakva energija iz AC mree.

Relativnim odnosom trajanja ova dva intervala regulira se srednja vrijednost izlaznog

istosmjernog napona.

Kod ovakvog

upravljanja faktor

snage je manji od

jedinice samo zbog

postojanja viih harmonika u mrenoj struji. Ovo je velika

prednost u odnosu na

fazno upravljanje

gdje na faktor snage

utie i ugao upravljanja tiristora u

odnosu na trenutak

prirodne komutacije.

4. Tranzistorski DC/DC pretvarai-uvodne napomene i definicije. (25b)

Zahvaljui svojim prednostima nad linearnim regulatorima jednosmjernog napona, prekidaki regulatori SMPS (Switch Mode Power Supply) postaju sve zastupljeniji u primjeni, a naroito sa pojavom tranzistora sa viim radnim naponima i strujama, tako da se danas proizvode ovi regulatori napajani direktnim ispravljenjem mrenog napona.

Osnovne prednosti prekidanih napojnih ureaja su efikasnost (70 95%), male dimenzije i teina (4 do 10 puta manje), vie izlaznih napona, povienje i snienje napona, obrtanje polariteta, galvanska izolovanost itd. Nedostaci su sloenost, slabiji dinamiki odziv (reda 1 ms), vea valovitost izlaznog napona (reda 100 mV) vei um itd. Ekonomska opravdanost je na strani ovih ureaja vekod snaga od nekoliko desetina vati. Zbog malih dimenzija ovi ureaji se koriste i kod najmanjih snaga (reda 1 W).

Visoka efikasnost prekidakih napojnih jedinica zasniva se na primjeni elemenata koji u idealnom sluaju malo disipiraju snagu jer rade u prekidakom reimu. U sutini visoka efikasnost ovih regulatora je glavni uzrok njihove primjene. Sa smanjenjem gubitaka

smanjuje se potreba za velikim povrinama za odvoenje toplote ime je omoguena minijaturizacija. Rad na viim frekvencijama takoe doprinosi minijaturizaciji zbog smanjenja gabarita prigunica i kondenzatora koji su obavezni dijelovi ovih ureaja. Frekvencije rada ovih pretvaraa koji se mogu pronai u katalozima proizvoaa se kreu i do nekoliko MHz. Gornja granica snage ovih pretvaraa ograniena je mogunostima tranzistora kao prekidakih elemenata. Pretvarai najveih snaga se primjenjuju kod regulacije brzine motora jednosmjerne struje, gdje se postiu snage od nekoliko desetina i stotina kW.

5. Tranzistorski DC/DC pretvarai tipa buck. Nacrtati emu, dijagrami napona i struja. Izraz za srednju vrijednost izlaznog napona. (50b)

Buck pretvaraspada u grupu jednoimpulsnih direktnih pretvaraa, a zbog svoje jednostavnosti nalazi primjenu kod impulsnih regulatora napona u vrlo irokom opsegu snaga. Najvei regulatori ovog tipa se koriste za regulaciju brzine obrtanja motora, a nazivaju se jo i operima. U intervalu tON tranzistor je ukljuen (UCE=0). Dioda je inverzno polarizirana i napon na njoj je jednak ulaznom. Optereenje dobija struju iz izvora napajanja (preko prigunice). Struja prigunice raste. Rast struje je eksponencijalan ali kada je vrijeme ukljuenosti (tON) mnogo krae od vremenske konstante izaznog kola, ovaj rast se moe smatrati linearnim. U ovom intervalu se uzima energija iz izvora napajanja. Jedan dio se

prenosi na optereenje, a drugi se akumulira u prigunici.Kada se tranzistor iskljui (tOFF) , struja prigunice se zatvara preko diode i dio akumulirane energije se predaje optereenju.

Struja se smanjuje. Smanjene struje u ovom intervalu jednako je poveanju u prethodnom. U stacionarnom reimu proces se ponavlja na isti nain, a struja varira izmeu Imin i Imax.

Zanemarujui omsku otpornost prigunice i pad napona na diodi, srednja vrijednost inverznog

napona na diodi je jednaka srednjoj vrijednosti

izlaznog napona jer je srednja vrijednost

napona na prigunici je jednaka nuli. Ovo se moe pokazati integrirajui jednakost u periodu rada sklopa. Budui da su na poetku i na kraju perioda, u stacionarnom stanju struje kroz

zavojnicu jednake ILmin to e integral napona na zavojnici na cijelom periodu biti jednak nuli.

Kao posljedica osjenene povrine napona diode (potroaa) na slici na sljedeem slajdu moraju biti jednake. Definie se takozvani faktor ili koeficijent ispune (duty cycle, duty ratio)

=

. Pri kontinualnoj struji, srednja vrijednost izlaznog napona je

Koeficijent ispune je pozitivan i uvjek

manji ili jednak 1 (0 1), to znai da je izlazni napon pozitivan i uvijek manji od

ulaznog. Ovakva nain modulacije upravljakog signala tranzistora se zove irinsko impulsna modulacija (engl. PWM-Pulse Width Modulation).

6. Tranzistorski DC/DC pretvarai tipa boost. Nacrtati emu, dijagrami napona i struja. Izraz za srednju vrijednost izlaznog napona. (50b)

Pretvara ovog tipa je karakteristian po tome to na svom izlazu daje napon koji je uvijek vii od napona napajanja. Izlazni napon je istog polariteta kao i ulazni. Primjer primjene ovog pretvaraa bi mogao da bude napajanje ureaja iz baterije koja ima fiksni napon a potreban je vii ili je potrebna kompenzacija pada njenog napona zbog pranjenja. U novije vrijem ovaj

tip pretvaraa nalazi sve veu primjenu u pretvaraima za obnovljive izvore energije

(solarne elije i vjetrogeneratori) kao kod kola za korekciju faktora

snage (PFC).

Kada se pretvara dovede pod napon (tranzistor iskljuen) preko L i D ulaz je povezan sa

izlazom. Kada se uspostavi

stacionarno stanje, napon na izlazu je jednak ulaznom. Izlazna snaga ovdje ne zavisi od

parametara tranzistora.

U intervalu tON tranzistor je ukljuen. Na prigunici vlada ulazni napon i njena struja raste. Energija uzeta iz izvora napajanja se akumulira u

prigunici. Maksimalni porast struje ima se pri ispuni ciklusa bliskoj jedinici ( 1). Struja potroaa se odrava na osnovu nagomilane energije u kondenzatoru.

Kada se tranzistor iskljui () pored energije koja se uzima iz izvora i dio akumulirane energije

iz prigunice se predaje kondenzatoru i optereenju i struja prigunice opada. U stacionarnom stanju ovaj pad struje mora biti

jednak porastu za vrijeme . Kada bi tranzistor cijelo vrijeme bio iskljuen, napon na izlazu je jednak ulaznom. Sada kroz prigunicu prolazi sva snaga i izlazni napon jednak je ulaznom.

Ukljuivanjem tranzistora ovom naponu se pridodaje indukovani napon prigunice i izlazni

napon se poveava. Zbog prolazne snage pretvaraje osjetljiv na kratki spoj u izlazu i ne moe se primijeniti aktivna zatita. Izlaz pretvaraa se od kratkog spoja titi osiguraem.

Prosjena vrijednost napona zavojnice je nula (dokaz isti kao kod buck pretvaraa), dok je prosjena vrijednost napona kolektor emiter tranzistora UI . Kada tranzistor ne vodi napon na njemu je UO a kada vodi napon je nula. Prema tome je

Izraz pokazuje da je izlazni napon uvijek vei od ulaznog. Pri velikoj vrijednosti koeficijenta ispune ( = 1) izlazni napon postaje jako visok i moe doi do proboja tranzistora ili kondenzatora. Takoe i njegova ulazna struja jako brzo raste to izvor napajanja vodi u preoptereenje (kratki spoj).

7. Tranzistorski pretvarai tipa buck-boost. Nacrtati emu, dijagrami napona istruja, izrazi za srednju vrijednost struje i napona. (50b)

Ukoliko se kod pretvaraa tipa boost, izlazni napon uzme u odnosu na plus napona izvora napajanja, njegova e regulacija poeti od nule i moe ii do iznad napona napajanja. Time se omoguava bolja regulacija napona i postie se zatita pretvaraa u kratkom spoju.

Kada je prekida ukljuen (tON) napon na prigunici je jednak ulaznom, struja prigunice raste i u njoj se nagomilava energija, dok

struju potroaa odrava kondenzator. Maksimalni porast

struje se ima pri faktoru ispune

bliskom jedinici ( 1). Pri velikoj vrijednosti koeficijenta ispune

( 1) izlazni napon postaje jako visok i moe doi do proboja tranzistora. Jedinina vrijednost faktora ispune se ne moe postii jer bi to predstavljalo kratki spoj za izvor napajanja. Kada se prekida iskljui (), energija nagomilana u prigunici se oslobaa. Struja prigunice se odrava u istom smjeru i prigunica preko diode napaja optereenje i kondenzator. Prigunica smanjuje akumulisanu energiju tako da njena struja opada. Ponovnim ukljuivanjem prekidaa, u stacionarnom reimu rada, proces se dalje odvija na isti nain. Kondenzator C smanjuje valovitost izaznog napona. Prosjena vrijednost napona na zavojnici je nula. Prosjena vrijednost napona na diodi je UO. Dok tranzistor vodi napon na zavojnici (gore +) je UI, a kad tranzistor ne vodi napon je UO. Prema tome je

Ovaj pretvaraomoguava na svom izlazu napone i nie i vie od ulaznog napona napajanja. Srednja vrijednost struje

optereenja je (iz jednakosti ulazne i izlazne snage):

Pri malom optereenju struja prigunice je diskontinulana. To se dogaa kada ona preda svu akumuliranu energiju prije

ponovnog ukljuenja tranzistora. Struja pada na nulu i pojavljuje se tek kad se

ponovo ukljui tranzistor. Dobre osobine pretvaraa su: irok opseg regulacije izlaznog napona, jednostavnost, rad sa

visokom frekvencijom. Nedostaci su: velike

amplitude ulazne struje kod visokih

izlaznih napona, diskontinulna ulazna

struja, nema galvanske izolovanosti izmeu ulaznog i izlaznog kola, slab tranzijentni

odziv i zbog toga teka stabilizacija povratnom spregom.

8. Reverzibilni direktni DC/DC pretvarai. Osnovne karakteristike i eme. (25b)

Dosadanji pretvarai su mogli da prenose energiju samo u jednom smjeru, od izvora prema optereenju. Napon sa strane prigunice mora biti manji od napona sa strane prekidaa. Ovakvi pretvarai mogu da prenose energiju samo u jednom smjeru od izvora do optereenja i predstavljaju samo dio sloenijih (dvosmjernih pretvaraa).

S obzirom da struja kod ovakvih pretvaraa moe da mijenja smjer, a polariteti napona ostaju nepromijenjeni, radi se o dvokvadrantnim pretvaraima (I i IV kvadrant). Dvokvadratni rad ovakvih pretvara se postie tako to se svakoj diodi/tranzistoru doda antiparalelni tranzistor/dioda.

9. Jednofazni most kao PWM istosmjerni DC/DC pretvara (etverokvadrantni oper). ema i pojasniti rad u sva etiri kvadranta. (50b)

etverokvadrantni oper (PWM istosmjerni pretvara) je najee koriteni pretvaraza istosmjerne servo pogone, ali i mnoge druge primjene. Istosmjerni motor moe se nadomjestiti serijskim spojem protuelektromotorne sile (protuEMS), otpora i induktiviteta.

Treba primijetiti da se ovaj pretvara sastoji od dva reverzibilna buck pretvaraa (polumostovi). Na ovaj nain se postie i dvosmjernost snage i struje ali i napona na motoru. Prema tome ovakav pretvara osigurava etverokvadrantni rad.

10. etverokvadrantni oper-dvopolna modulacija irine impulsa. Nactati emu, upravljako kolo, dijagrami napona i struja. Izrazi za srednju vrijednost izlaznog napona. (50b)

Kod bipolarne modulacije izlaznog

signala etverokvadrantnog opera tokom cijelog perioda komutacije u

krug optereenja ukljuen je izvor energije. Upravljaki signal se istovremeno dovodi i odvodi na po

dva tranzistora u dijagonalama

mosta(zajedniko upravljanje). Za vrijeme jedne periode noseeg signala ima se jedan impuls pozitivnog + i jedan impuls negativnog

izlaznog napona od ijih odnosa duina trajanja zavisi srednja vrijednost izlaznog napona.

Upravljaki signali dva tranzistora u istoj grani su uvijek komplementarni.

Referentni signal uref se uporeuje komparatorom sa noseim trougaonim signalom frekvencije

=1

. Kada je amplituda urefvea od

trenutne vrijednosti noseeg signala, tada se dovodi upravljaki signal (zajedniko upravljanje) na tranzistore + i u trajanju

gdje je D faktor ispune. U protivnom

upravljaki signal se vodi na tranzistore + i u trajanju (1 ). U sluaju preteno induktivnog tereta nakon

komutacije,struja ne mijenja trenutno

smjer iz kog razloga nakon zatvaranja

tranzistora TA+ i TB- i otvaranja

tranzistora TB+ i TA- pozitivnu struju preuzimaju njihove antiparalelne diode DB+ i DA-.

Tek nakon to se nagomilana energija magnetnog polja potroi, struju u drugom, negativnom smjeru preuzimaju tranzistori TB+ i TA-. Kada se oni zatvore, a otvore tranzistori TA+ i TB-

struju u negativnom smjeru preuzimaju antiparalelne diode DA+ i DB-, a nakon to se energija magnetnog polja istroi struja mijenja smjer u pozitivan kroz tranzistore TA+ i TB-.

Treba napomenuti da tokom jedne periode noseeg signala trenutna vrijednost izlaznog napona uzima i pozitivne i negativne vrijednosti amplitude napona .

Ukoliko je = tada je = 0. Ako je = 0 tada je = 0.5 i ako je =

tada je = 1. Prema tome vrijedi

Srednja vrijednost izlaznog napona je odreena formulom

Vidljivo je da srednja vrijednost izlaznog napona moe uzimati i pozitivne i negativne vrijednosti dok je za D = 0.5 srednja vrijednost izlaznog napona jednaka nuli.

11. etverokvadrantni oper-jednopolna modulacija irine impulsa. Nactati emu, upravljako kolo, dijagrami napona i struja. Izrazi za srednju vrijednost izlaznog napona. (50b)

Kod jednopolne modulacije izlaznog signala etverokvadrantnog opera izlazni signal moe imati vrijednost {+UB, 0} za postizanje srednje pozitivne vrijednosti izlaznog napona ili {-UB,

0} za postizanje srednje negativne vrijednosti izlaznog napona. Upravljaki signali se dovode pojedinano na svaki tranzistor. Ovakav nain upravljanja daje dva impulsa pozitivnog ili negativnog napona u toku periode noseeg signala. Izlazni signal ima neto nii sadraj viih harmonika u odnosu na dvopolno upravljanje.

POZITIVNI IZLAZNI NAPON:

NEGATIVNI IZLAZNI NAPON:

Kod unipolarne modulacije upravljakog signala etverokvadrantnog opera, potroa se prikljuuje ili na pozitivni ili na negativni ulazni napon, i u drugom dijelu perioda noseeg signala kratko se spaja. Upravljaki signali za prekidae TA+ i TA- prvog polumosta se kreiraju uporeujui referentni signal sa noseim trougaonim signalom frekvencije f = 1 / Tp. Upravljaki signali za prekidae TB+ i TB- drugog polumosta se kreiraju uporeujui invertovani referentni signal sa istim noseim signalom. U jednom trenutku se ukljuuje (i iskljuuje) po jedan prekida. Ako je referentni signal pozitivan i srednja vrijednost izlaznog

signala je pozitivna. Ako je referentni signal negativan i srednja vrijednost izlaznog signala

je negativna.

Formula za odreivanje srednje vrijednosti izlaznog napona je ista kao kod bipolarne modulacije. Prema tome ukoliko je uref = - utrmax tada je D=0. Ako je uref = 0 tada je D=0.5 i ako

je uref = utrmax tada je D=1. Prema tome vrijedi:

Srednja vrijednost izlaznog napona je odreena formulom:

Vidljivo je da srednja vrijednost izlaznog napona moe uzimati i pozitivne i negativne vrijednosti dok je za D = 0.5 srednja vrijednost izlaznog napona jednaka nuli.

12. Invertori napona. Uvodne definicije, primjena, regulacija napona i tipovi

modulacije izlaznog napona (25b)

Invertori su elementi energetske elektronike koji povezuju DC i AC sisteme, prenosei energiju od DC ka AC sistemu.Postoje dvije vrste ovih pretvraa:

Mreom voeni

Autonomni

Mreom voeni su karakteristini za pretvarae sa tiristorima pa e biti obraeni samo autonomni. Primjena invertora je veoma iroka. Najei primjeri su kod besprekidnih izvora napajanja (UPS), u prenosnim aparatima za elektrino zavarivanje, osvjetljenju, induktotermiji, regulaciji brzine elektromototora, kao sastavni dio pretvaraa za obnovljive izvore energije itd. Brz razvoj i pad cijena tranzistora (posebno IGBT) ini da im se podruje primjene stalno iri. Najvee invertorske jedinice (tiristorske) se koriste u prenosu elektrine energije pod visokim jednosmjernim naponima (HVDC). Napajanje invertora moe da bude iz naponskog ili strujnog izvora pa se i ovi invertori nazivaju naponskim ili strujnim. U praksi, realni izvori DC napona su najee naponskog tipa sa odgovarajuim unutranjim otporom. Izmeu DC izvora i invertora se nalazi takozvano meukolo. Ono je kod naponskog, paralelni kondenzator, a strujnog, redna induktivnost na ulazu u invertor.

Na ovaj nain je postignuto da se ulazni napon (ili struja) za vrijeme trajanja komutacije i za vrijeme trajanja periode praktino ne mijenja. Pri komutaciji se ulazno kolo vrlo brzo spaja

sa izlaznim. Prema tome ulazno i izlazno kolo moraju biti razliitog tipa kako ne bi dolo do jakih strujnih (ili naponskih) impulsa ( sudaranje izvora istog tipa ). Pod regulacijom napona

invertora se podrazumijeva mogunost da se iz konstantnog ulaznog jednosmjernog (DC) napona na izlazu dobije napon (AC) promjenljive srednje, efektivne vrijednosti ili amplitude.

Izlazni napon je serija impulsa pravougaonog oblika. Promjena izlaznog napona se postie modulacijom ovih impulsa. Nad serijom impulsa moe se vriti nekoliko tipova modulacije. Za primjenu kod pretvaraa snage dolaze u obzir:

Amplitudno impulsna modulacija (PAM Pulse Amplitude Modulation)

Impulsno fazna modulacija (PAM-Pulse Phase modulation)

irinsko impulsna modulacija (PWM- Pulse Width Modulation)

Modulacija gustine impulsa (PDM Pulse Density Modulation)

Navedeni tipovi modulacije se mogu primijeniti praktino za sve tipove pretvaraa.

Tipovi modulacije impulsa izlaznog napona:

Ako se uzme da je moduliui napon jednosmjerni ili sporopromjenjivi dobijaju se modulisani signali kao na slici. Moduliui napon moe biti i naizmjenini (znatno nie frekvencije od noseeg) i proizvoljnog talasnog oblika. U tom sluaju se na izlazu dobija impulsni napon modulisan dominantnim subharmonikom moduliue sinusoide.

Tipovi modulacije impulsa izlaznog napona:

PAM. Kod amplitudne modulacije mijenja se visina napona impulsa. U praksi ovo se radi promjenom ulaznog napona. Primjenjuje se kod starijih ureaja pri emu se ispred invertora nalazi jo jedan pretvara DC/DC ili regulisani ispravlja, koji regulie ulazni napon a invertor vri samo pretvaranje DC/AC

PDM. Kod modulacije gustine impulsa, trajanje pojedinanih impulsa izlaznog napona je konstantno. Modulacijom se mijenja samo vremenski razmak izmeu njih (tp vrijeme pauze), ime se mijenja i njihova gustina. Ova vrsta modulacije nema veeg znaaja kod invertora i nee biti detaljnije analizirana.

PWM. Najveu primjenu kod pretvaraa ima PWM. Kod ovog naina modulacije se u toku jednog perioda signala nosioca vri promjena irine (trajanja) impulsa u odnosu na pauzu pri emu je suma trajanja impulsa i pauze konstatna i jednaka periodu nosioca. Kod invertora, modulacija moe da se vri nad jednim ili vie impulsa u toku trajanja periode moduliueg naizmjeninog napona (jednostruka ili viestruka modulacija). Jedna od primjena ove modulacije, na primjer za dobijanje sinusnog oblika izlaznog napona. U narednom je najvea panja posveena ovoj vrsti modulacije impulsa.

PPM. Kod impulsno fazne (ili pozicione) modulacije slijed impulsa je fazno pomjeren u odnosu na slijed ne modulisanih impulsa u funkciji moduliueg signala. Svi impulsi su jednakog oblika nezavisno od dubine modulacije. Razlika modulisanog i

nemodulisanog napona daje oblik kao i kod PWM. Ovakva vrsta modulacije se

primjenju npr. kod direktnih pretvaraa frekvencije tzv. ciklokonvertora ili ispravljaa. Osim toga ova modulacija ima i primjenu kod mosnih inertora. Oblik napona je pravougaoni. Pored PWM ovaj tip modulacije ima najire mogunosti primjene.

13. Autonomni mosni invertori napona, uvodne definicije. Jednostruka pwm: omsko i

induktivno optereenje, regulacija napona (50b)

Autonomni invertori napajaju autonomno optereenje (ili sopstvenu mreu-ostrvski rad), a frekvenca i napon su im odreeni elementima upravljakog kola, a u izvjesnoj mjeri i od ulaznog napona i optereenja. Pod invertorima napona (engl. Voltage Source Inverter VSI) se podrazumijevaju invertori koji na svom ulazu imaju vrst napon koji se za vrijeme trajanja komutacije i periode praktino ne mijenja. To podrazumijeva da je na ulazu invetora prikljuen kondenzator dovoljnog kapaciteta ili da je napajanje invertora iz akumulatorske baterije. Pa ak i uvom sluaju ako je baterija udaljena potreban je kondenzator neposredno na ulazu invertora kako bi se pri komutaciji elminirao uticaj

induktivnosti napojnih vodova. Poto je ulazni napon konstantan, a izlazni za vrijeme komutacije promijeni polaritet, potrebno je da paralelni kapacitet optereenja bude minimalan kako ne bi dolo do jakih strujnih impulsa pri komutaciji (sudaranje dva naponska izvora). Oni se javljaju i kada je na izlazu invertora diodni ispravljaki i filterski kondenzator. Da bi se izbjegli, dovoljno je na izlaz invertora redno vezati malu induktivnost.

Kod malih snaga ponekad se problem moe da rijei neto vea duina vodova.

Autonomni, monofazni, mosni invertori napona

Za mosnu konfiguraciju je karakteristino da ima etiri prekidaka elementa. Pri realizaciji mosnog invertora neto je komplikovanije napajanje baza tranzistora na poziciji prekidaa

P1 i P2 zbog plivajuih potencijala njihovih emitera. Mosni invertor

se moe posmatrati i kao dvofazni, pri emu fazama odgovara po jedan polumost.

Jednostruka PWM omsko optereenje

Posmatrajmo invertor kod koga

su, u pozitivnoj poluperiodi

ukljueni prekidai jedne dijagonale mosta u intervalu ton , a zatim iskljueni, a onda u negativnoj poluperiodi ukljueni prekidai u drugoj dijagonali i iskljueni na isti nain. Ako se na ovaj invertor prikljui omsko optereenje izlazna struja prati oblik napona kao na slici a). Srednja vrijednost (za poluperiodu) i efektivna vrijednost ovog napona su:

Prema tome sa promjenom koeficijenta ispune mijenjaju se i srednja i efektivna vrijednost napona.

Jednostruka PWM induktivno optereenje

U sluaju induktivnog optereenja struje mora da se zatvori i posle iskljuenja prekidaa. Zbog toga se antiparalelno prekidaima vezuju diode. Zatvaranjem struje preko ovih dioda kod invertora, napon mijenja polaritet umjesto da ostane na nuli (slika b). Sada se energija

nagomilana u induktivnosti vraa izvoru, a struja za to vrijeme opada. Ukoliko bi struja pala na nulu prije ukljuenja tranzistora za narednu poluperiodu, napon bi takoe doao na nulu.U sluaju induktivnog optereenja, zbog drugaijeg oblika napona izrazi za napone na prethodnom slajdu ne vae. Da bi se na induktivnom optereenju dobio izlazni napon na slici c) potrebno je ne samo iskljuiti odgovarajue tranzistore ve i kratko spojiti optereenje, kako bi se napon odrao na nultoj vrijednosti za vrijeme beznaponske pauze. U tom sluaju

nagomilana energija se troi na omskim otporima u izlaznom kolu. Ako su ovi otpori mali, poto nema vraanja energije u jednosmjerni izvor, struja u beznaponskoj pauzi se smanji znatno manje nego u prethodnom sluaju.Kratak spoj izlaza u zavisnosti od konfiguracije invertora izvodi se narazliite naine.

Jednostruka PWM mosnog invertora izvodi se faznim kanjenjem upravljakih impulsa za par T2,T4 u odnosu na par T1, T3, kao to je prikazano na slici b). Na ovaj nain mosni invertor se posmatra kao dvofazni. Optereenje prikljueno izmeu prve (T1 i T3) i druge faze (T2 i T4). Vremenskim (faznim) pomjeranjem napona jednog invertora u odnosu na drugi, postie se promjena irine pravougaonog naponskog impulsa u izlaznom naponu. Ovakvim faznim upravljanjem postie se dobar rad invertora pri svim vrstama optereenja na izlazu. Izvjesno pojednostavljenje se moe postii upravljanjem po algoritmu na slici c). Ovdje se upravljaki signali za dva tranzistora mogu prenijeti preko samo jednog transformatora, a trajanje

baznih struja za T3 i T4 se naknadno skrauje.

14. Autonomni mosni invertori napona-viestuka pwm, zajedniko upravljanje, razdvojeno upravljanje (50b)

Kod viestruke PWM se ima vie impulsa izlaznog napona promjenljivog trajanja u toku jedne poluperiode moduliueg napona. Postoje razliiti naini dobijanja upravljakih napona. Jedan od naina dobijanja upravljakog PWM signala koriste analognu tehniku zasnovanu na komparaciji moduliueg i napona nosioca. Oblik moduliueg napona u optem sluaju moe da bude proizvoljan. Za praksu je posebno znaajan sinusni oblik pa se ovakva modulacija naziva i sinusna PWM. Napon nosioca moe biti testerasti ili trougaoni. U praksi se ee koristi trougaoni nosei signal. Kolinik amlitude moduliueg napona i nosioca naziva se amplitudni indeks modulacije ma. Amplitudnim indeksom modulacije

modulira se amplituda izlaznog napona:

Kolinik izmeu frekvencije nosioca i moduliueg signala se naziva frekvencijski indeks

modulacije: =

Frekvencija ukljuivanja tranzistora je:

Ukoliko je frekvencijski indeks modulacije vii, filtriranje izlaznog napona je lake. ta vie ukoliko je optereenje na primjer asinhroni motor, njegove rasipne induktivnosti smanjuju vie harmonike struje koja se onda pribliava sinusoidi i bez posebnih filtera. Umjesto analogne moe se koristiti i digitalna tehnika. Na primjer za odgovarajui oblik izlaznog napona, oblik upravljakih impulsa (njihovo vrijeme trajnja) moe da bude memorisan u EPROM-u. Njegovim isitavanjem odreenom brzinom dobijaju se upravljaki PWM signali. Danas se uglavnom u ove namjene koriste mikroprocesori.Treba napomenuti da se umjesto sinusne u praksi vrlo esto koristi i vektorska viestruka PWM modulacija impulsa izlaznog napona

Zajedniko upravljanje(bipolarna modulacija):

Kod zajednikog upravljanja, istovremeno se po dva prekidaa ukljuuju, a druga dva iskljuuju i obrnuto. Upravljaki impulsi jedne dijagonale prekidaa dobijaju se komparacijom nosioca i moduliueg napona. Upravljaki impulsi druge dijagonale prekidaa dobijaju se invertovanjem prethodnih (komplementarni impuls). Budui da komutacija tranzistora ne traje beskonano kratko, sa ciljem spreavanja nastanka kratkog spoja, izmeu ukljuivanja jedne i druge grane postoji mrtvo vrijeme. Potroase vezuje na dijagonalu mosta tako da na njemu vlada diferencijalni napon (razlika napona dva

polumosta). Kao to se vidi, izlazni (diferencijalni) napon je ovdje jednak UO= UI(dva nivoa).

Razdvojeno upravljanje(unipolarna modulacija):

U drugoj varijanti nezavisno se formiraju impulsi za obje grane polumosta. Prekidaima prvog polumosta upravlja se komplementarnim impulsima dobijenim komparacijom

napona nosioca i moduliueg napona. Prekidaima drugog polumosta upravlja se komplementranim impulsima dobijenim komparacijom napona nosioca i invertovanog

moduliueg napona. Diferencijalni napon ovdje ima tri vrijednosti (0,UI). Broj impulsa diferencijalnog, za vrijeme od jedne periode moduliueg napona, dvostruko je vei od broja impulsa nosioca. U pozitivnoj poluperiodi moduliueg napona diferencijalni napon je pozitivan (i nulti), a u negativnoj poluperiodi negativan (ili nulti). Ovakav oblik PWM napona

ima povoljniji harmonijski sadraj u odnosu na izlazni napon kod zajednikog upravljanja.

15. Indirektni DC/AC pretvarai. Indirektni DC/AC pretvarai tipa DC/DC + DC/AC (15b)

Indirektni pretvarai su pretvarai koji se mogu predstaviti u obliku redne (kaskadne) veze dva ili vie direktnih pretvaraa. S obzirom da postoje direktni DC/AC pretvarai, moglo bi se postaviti pitanje opravdanosti postojanja i izrade indirektnih jer se oigledno radi o sloenijim ureajima. Meutim, razliiti pretvarai imaju i meusobno razliite karakteristike pa onda indirektni pretvarai omoguavaju da se kombinacijom direktnih dobije pretvarasa optimalnim karakteristikama. Ovaj pretvaraje naroito primjenjiv kada izlazni napon treba da ima nisku frekvenciju, a potrebno je izmeu ulaza i izlaza obezbijediti galvansku izolovanost i naponsko prilagoenje preko transformatora. U optem sluaju smjer kretanja energije moe da bude od DC prema AC i obrnuto. Pretvarai koji omoguavaju i suprotan smjer kretanja energije se nazivaju reverzibilnim ili usmjerivakim. Reverzibilnost moe biti potrebna i pri napajanju reaktivnih optereenja u intervalima kada struja i napon imaju suprotan predznak pa je trenutna snaga negativna Da bi pretvarabio indirektan mora da ima bar dva kaskadno vezana direktna pretvaraa. Takva minimalna konfiguracija moe da se dobije na dva naina i to:

DC/DC + DC/AC DC/AC + AC/AC koji se rjee upotrebljavaju

Ovaj pretvarase sastoji od kaskadne veze DC/DC pretvaraa (regulator jednosmjernog napona) i DC/AC pretvaraa (invertora). Ulazni pretvaraem tipa boost se ulazni napon 110 V podie na oko 380 V. Ovim naponom se napaja mosni invertor kojim se upravlja sinusnim PWM signalom. Posle filtriranja izlazni napon je sinusni 220 V, 50 Hz. Prikazani

pretvaranema galvansku izolovanost ali su gabariti primjenjenih reaktivnih elemenata mali, a samim tim i gabariti itavog pretvaraa.

16. Monofazni mosni invertori struje (10b)

Za razliku od naponskog, ovdje je ulazna struja veliina koja se invertuje. To znai da se invertor napaja iz strujnog izvora. Realni izvori su u veini sluajeva naponskog tipa tako da se stvarni strujni invertori rijetko mogu sresti. ei sluaj je da se napajanje vri iz naponskog izvora sa kojim je na red vezana jaka prigunica. Za kratke vremeneske intrvale (proces komutacije), ona se ponaa kao strujni izvor. Ova prigunica izmeu naponskog izvora i invertora ini takozvano strujno meukolo. Strujni invertor (engl. Current Source Inverter CSI) sa mosnom konfiguraciojm je prikazan na slici na sljedeem slajdu. Za vrijeme komutacije izlaznih tranzistora ulazna struja se moe smatrati konstatnom, tako da struja na izlazu posle komutacijeima istu vrijednost kao i neposredno prije komutacije, ali suprotnog

smjera. Ova brza promjena struje uslovljava da na izlazu invertora ne smije na red sa

optereenjem da bude vezana induktivnost. Kod tranzistorskih invertora,

mogu da smetaju i parazitne induktivnosti

veza od izlaza do optereenja, pa je poeljno da se neposredno na izlaz invertora

paralelno vee kondenzator. Kontinualnost ulazne struje zahtijeva da kolo u svakom

tenutku bude zatvoreno jer u protivnom

dolazi do prenapona koji mogu trajno da

otete poluprovodnike. To znai da mora da postoji preklapanje u voenju prekidaa. Ovo ponekad olakava upravljanje prekidaim tranzistorima. Invertori struje su pogodni u sluajevima kada se optereenje sastoji od impedanse i paralelnog kondenzatora. Jedna tipina primjena je induktotermiji kod indukcionih

pei gdje induktor i kondenzator ine paralelno rezonantno kolo.

17. Monofazni mosni usmjeriva. Ispravljaki rad. Invertorski rad (50b)

Ukoliko se pretvaraom omogui tok aktivne snage od DC ka AC krugu i obrnuto onda se radi o usmjerivau. Ako se otporno troilo zamijeni izmjeninim naponskim izvorom, upravljaka varijabla moe biti uz ugao jo i ugao .Slika prikazuje izmjeniva u punoupravljivom mosnom spoju koji spaja istosmijerni naponski izvor Udc s troilom modeliranim serijskim spojem induktiviteta i sinusnog naponskog izvora Uac.

Ovaj model moe primjerice opisivati jednofazni sinkroni motor u odreenim radnim uvjetima ili napojnu mreu (u tom sluaju je istosmijerni izvor model fotonaponskog sloga). Izmjeniva stvara trorazinski izlaz. Budui da se moe upravljati uglom izmeu i , moe se upravljati i faznim uglom izmeu osnovnog harmonikog lana struje ia i izmeu napona . Tako se dobiva jo jedan nain upravljanja snagom, s velikom uporabom u suvremenim sustavima uinske elektronike.

Neka je zadan. Napon moe biti u bilo kojem faznom poloaju . Mijenjanjem mijenja se i amplituda i faza osnovnog harmonikog lana struje. Tako se upravlja snagom izvora U mijenja se i amplituda i faza osnovnog harmonikog lana struje. Tako se upravlja snagom izvora . Izvor moe davati i preuzimati snagu. Ako kasni za , izvor daje snagu:

To je jo jedan nain upravljanja snagom (pored ).

Izmjenini izvor daje energiju:

Izmjenini izvor Uac prima energiju:

18. Trofazni mosni pwm usmjerivai. Sinusodialna pwm ema modulacije izlaznih impulsa trofaznog mosnog pwm usmwrivaa. primjeri primjene (50b)

Na slici je prikazana pojednostavljena ema trofaznog mosnog naponskog PWM konvertora (usmjerivaa). Konvertor je sastavjen od est prekidaa S1do S6sa antiparalelnim nul diodama za svaki prekida. Prekidai mogu biti IGBT (ili GTO to zavisi od nivoa snage i naponskih nivoa konvertora). Kada konvertor vri transformaciju fiksnog DC napona u trofazni AC napon promjenjljive amplitude on se naziva invertor. Kada konvertor vri transformaciju AC napona mree fiksne amplitude i frekvencije na podesivi DC napon za DC

optereenje on se naziva aktivni ispravljaili PWM ispravlja. Prema tome ovaj konvertor je bidirekcioni to jeste snaga moe tei od DC strane na AC stranu i obrnuto.

Princip sinusoidalne PWM eme za naponski konvertor je prikazan na sljedeem sljedeem slajdu. Oznake vma, vmbi vmc su oznake za trofazni sinusoidalni modulirajui signal i vcrje trougaoni nosei signal. Napon osnovnog harmonika frekvencije izlaznog napona moe biti kontrolisan amplitudskim-modulirajuim indeksom (AMI):

=

Gdje su maksimalne vrijednosti modulirajueg i noseeg signala, respektivno. AMI indeks se obino namijeta promjenom i odravajui fiksno. Rad prekidaa 1 do 6 je odreen uporeivanjem modulirajueg signala sa noseim signalom. Kada je > , gornji prekida 1 u grani a invertora je otvoren. Donji prekida 4 radi na komplementarni nain i zato je on sada zatvoren. Rezultujui terminalni napon , koji predstavlja napon terminala faze a u odnosu na negativni pol DC busa N, je jednak DC naponu . Kada je < , 4 je ukljuen i 1 je iskljuen to daje = 0. Sa ciljem izbjegavanja mogueg kratkog spoja za vrijeme preklapanja gornjih i donjih prekidaa u istoj grani invertora, mora se implementirati i mrtvo vrijeme za vrijeme kojeg su oba prekidaa iskljuena. Linijski napon invertora se moe odrediti kao = . Osnovna frekvencija (prvi harmonik) ovog napona je 1. Amplituda i frekvencija 1 se moe regulirati nezavisno pomou AMI i FMI. Prekidaka frekvencija aktivnih prekidaa se moe odrediti pomou formule: = =

Promjenjiva brzina vrtnje vjetroagregata u irokom opsegu. Napon istosmjernog meukruga dri se konstantnim pomou pretvaraa na strani mree (mreni pretvara). Pretvara spojen na strani stroja regulira klizanje generatora (asinhroni stroj) i podeava ga sukladno brzini vjetra i potrebama snage. Faktor snage generatora ne utjee na mreu iz razloga to pretvarai odravaju faktor snage stroja neovisno o mrei. Posljednjeg se moe podesiti da radi pri eljenom faktoru snage.

19. Izmjenini pretvarai. Direktni pretvarai izmjeninog napona. (25b)

Izmjenini pretvarai su elektronski ureaji koji povezuju izmjenine elektrine mree razliitih parametara, odnosno pretvaraju izmjenini napon jednog nivoa u izmjenini napon drugog nivoa ili izmjenini napon jedne frekvencije u izmjenini napon druge frekvencije i slino.Dijele se na pretvarae napona i pretvarae frekvencije.

Direktni pretvarai izmjeninog napona. Ako se dva tiristora meusobno spoje antiparalelno, a zatim u seriju s potroaem, na potroau se moe regulirati efektivna vrijednost izmjeninog napona. Za pretvaranje izmjeninog napona se koriste fazne metode, irinsko impulsne metode. Fazne metode pretvaranja izmjeninog napona osnivaju se na upravljanju efektivnim vrijednostima izmjeninog napona na optereenju i to tako da se mijenja trajanje voenja antiparalelno spojenih tiristora za

vrijeme poluperioda frekvencije

mree. Fazno upravljanje kod pretvaraa izmjeninog napona je analogno nainu faznog upravljanja upravljivih ispravljaa. Zavisnost efektivne vrijednosti

napona na optereenju od ugla (upravljaka karakteristika) za fazno upravljanje s uglom

kanjenja je:

20. Pretvarai frekvencije. Direktni pretvarai frekvencije. (25b)

Pretvarai frekvencije su poluprovodniki sklopovi koji pretvaraju mreni napon i frekvenciju u pogonski napon i frekvenciju i to tako da se oni podeavaju i reguliraju prema potrebi elektromotornog pogona. Postoje dva tipa ovih pretvaraa (konvertora):

Direktni pretvara (ciklokonvertor)

Indirektni pretvarai (pretvarai sa istosmjernim meukrugom) koji mogu biti:

Pretvarai sa utisnutim naponom (naponski pretvarai frekvencije) Pretvarai sa utisnutom strujom (strujni pretvarai)

Direktni pretvarai frekvencije (ciklokonvertori)

Ovi pretvarai ostvaruju jednostepeno pretvaranje izmjenine energije frekvencije f1 u izmjeninu elektrinu energiju druge, nie frekvencije f2. U tim pretvaraima krivulja izlaznog napona se sastoji od dijelova napona mree to je posljedica neposredne veze optereenja i izmjenine mree preko tiristora. Koriste se u sluajevima kada se zahtijeva minimalna masa i dimenzije.Jednostavna ema mogueg direktnog jednofaznog pretvaraa frekvencije je prikazana na slici na sljedeem slajdu.U sklopu sa optereenjem su spojena dva antiparalelna tiristora isto kao kod pretvaraa izmjeninog napona.Ako se kroz n perioda mrenog napona frekvencije f1 upravljaki impulsi dovode samo na tiristor Th1, a zatim kroz isti broj perioda impulsi na tiristor Th2 na potroau se dobija izmjenini napon frekvencije f2

Isto tako se poveanjem ugla paljenja tiristora to jeste smanjivanjem ugla voenja tiristora moe istovremeno regulirati i efektivna vrijednost napona uz regulaciju frekvencije (nanie) budui da su direktni pretvarai frekvencije ustvari direktni pretvarai izmjeninog napona.

21. Indirektni pretvarai frekvencije. Frekventni pretvara (25b)

Indirektni (neizravni) izmjenini pretvarai su danas najee koriteni pretvarai za izmjenine elektromotorne pogone. U ulaznom dijelu nalazi se ispravlja (najee diodni), a iza istosmjernog meukruga nalazi se izmjenjiva.

Tok snage:

Frekvencijski pretvara se sastoji od ispravljaa na strani mree (mogu je i usmjeriva) istosmjernog meukruga, konog sklopa (opera) i izmjenjivaa na strani motora. kondenzator u istosmjernom meukrugu smanjuje valovitost ispravljenog napona i osigurava izvor konstantnog napona (tzv. utisnuti napon). Iz istosmjernog napona

meukruga pulsno irinskom modulacijom uinskih sklopki u izmjenjivau dobije se osnovni harmonik izmjeninog napona na prikljuenim stezaljkama asinhronog motora. Napon i frekvencija tog napona su odreeni zahtjevom upravljakog kruga.

Koni sklop (oper) kontrolira iznos napona istosmjernog meukruga, Naime u fazama koenja kada se energija iz stroja vraa u istosmjerni meukrug, dolazi do punjenja kondenzatora i podizanja napona. Kada napon dostigne granicu doputenog iznosa, ukljuuje se tranzistor u konom sklopu i sva energija se preusmjerava na otpornik i na njemu troi u obliku topline.

Mogue su i druge verzije indirektnog (neizravnog) pretvaraa u kojem je ulazni sklop antiparalelni usmjeriva koji omoguava vraanje energije iz stroja u napojnu mreu. Takav sklop je energetski efikasniji, ali i skuplji, pa se on koristi iskljuivo za velike snage i reime rada u kojoj se faze vraanja energije iz stroja relativno este ili kada stroj radi kao asinhroni generator ( asinhroni vjetrogeneratori ).

22. Elektrini aktuatori, uvodne definicije, podjela, komparacija. (15b)

Elektriki aktuatori pretvaraju elektriku energiju (odreenu naponom u i strujom i) u mehaniku energiju (odreenu momentom i brzinom vrtnje ). Sastoje se od: energetskog pretvaraa, elektrinog motora, mehanikog prijenosnika i izvrnog (postavnog) lana tj. radnog mehanizma (npr. ventil, dizalica i slino). Radom motora upravlja pretvara koji ima ulogu pojaala snage, te napon i struju izvora napajanja prilagoava motoru. Elektrini motori se koriste za pokretanje izvrnog (postavnog) lana tj. radnog mehanizma.

Prema principu rada elektrini motori se dijele na:

Istosmjerne Izmjenine (sinhrone i asinhrone) Korane

Asinhroni strojevi su manjih dimenzija i teine i jeftiniji su od istosmjernih strojeva. Istosmjerni strojevi su pogodniji za upravljanje od asinhronih strojeva.

23. Njutnova jednaina rotacionog kretanja i normalizovana jednaina rotacionog kretanja (10b)

Kod rotacionog kretanja:

gdje je J [kgm2], momenat inercije tijela koje se obre, ugaona brzina, i jedan od obrtnih momenata koji djeluju na tijelo koje se okree. Kod elektrinih pogona obino je rije o rotacionom kretanju a dejstvo na kretanje se moe prikazati kao dejstvo dva meusobno suprostavljena momenta pa se ima

Gdje je e elektromagnetski (ili elektrini ili pogonski ili motorni ili unutranji moment ili moment konverzije), a m mehaniki moment (ili otporni li koni ili spoljni ili moment optereenja ili moment radne maine). U nekim sluajevima se daje podatak o zamanom momentu stroja 2 [kgm2] , koji je s momentom inercija stroja u vezi :

Elektrini moment i moment optereenja zavise od brzine i vremena t, ali mogu zavisiti i od poloaja rotora prema statoru to jeste od ugla . Elektrini moment e se moe izraziti kao funkcija elektrinih i magnetnih veliina motora. Kod momenta optereenja lan sa izvodom momenta inercije se javlja kod centrifuga, namotavaa, robota. Trenje u samom motoru ako nije zanemarivo esto se izdvaja iz mehanikog (opteretnog) momenta i uzima da je proporcionalno brzini vrtnje tj. iznosi gdje je K konstanta. Ako je = 1 i u sluaju da je moment inercije tijela koje se obre nepromjenjiv jednaina kretanja dobija formu

(1)

Ako mehaniki momenat zavisi od ugla ovoj jednaini treba dodati i jednaina:

Ako se u jednainu kretanja (1) uvedu relativne (normirane ili normalizirane) vrijednosti momenata i brzine prema:

Gdje su i unaprijed izabrane bazne vrijednosti momenta i brzine (nominalne) tada se ima

Gdje je mehanika vremenska konstanta (u sekundama) i konstanta relativnog priguenja. Vrlo esto se oznake za relativne vrijednosti veliina izostavljaju (podvueno) ali se ispred jednaine postavi oznaka [N:] ili [pu] pa jednaina kretanja (2) ustvari postaje:

Ponekad se u jednaini (2) uvodi i relativno vrijeme (bez dimenzija)

Na koji nain jednaina (2) postaje: Gdje je

U amerikoj literaturi se esto pojavljuje pojam konstante inercije kao odnos kinetike energije tijela koje se obre baznom brzinom prema baznoj snazi:

H ima dimenziju vremena (sekunde). Ako se uzme = tada vrijedi:

24. Mehaniki prenosnici i svoenje (15b)

U optem sluaju motor je s radnim mehanizmom spojen preko mehanikog prenosnika (reduktora ili remenice), koji prilagoava momente i brzine vrtnje radnog mehanizma i motora. Uloga mehanikog prenosnika kod mehanikih sistema je ekvivalentna ulozi transformatora kod elektrinih sistema. Kada radni mehanizam obavlja translacijsko kretanje, u svojstvu mehanikog prijenosa se koristi puni prijenos ili nazubljena letva koji rotacijsko kretanje motora pretvaraju u translacijsko kretanje radnog mehanizma. Kod

linearnih motora, koji obavljaju translacijsko kretanje, nije potreban mehaniki prijenos za spajanje s radnim translacijskim mehanizmom. U novije vrijeme se nastoje razviti strojevi s

takvim karakteristikama (brzinom vrtnje i momentom ), da se mogu direktno (bez mehanikog prijenosa spojiti sa radnim mehanizmom. Uticaj radnog mehanizma na statike i dinamike karakteristike pogona uzima se u obzir na taj nain da se momenti inercije reduciraju (svedu) na jednu osovinu, a to je najee osovina motora.

Mehaniki prenosnici svoenje

Otporni momenat optereenja sveden na vratilo motora, ulazno vratilo mehanikog prenosnika, (') dobija se na osnovu jednakosti snaga:

U najeem sluaju, kada je brzina 2 manja od brzine 1 tada je I > 1 i moment tereta preslikan na stranu motora je manji od momenta . U ovom sluaju se upotrebom reduktora smanjuje momenat tereta kojeg vidi motor. Momenat inercije sveden na vratilo motora J0' dobija se na osnovu jednakostikinetikih energija:

Prema tome momenat inercije optereenja se na stranu motora preslikava sa koeficijentom koji je proporcionalan recipronoj vrijednosti kvadrata prenosnog odnosa. U najeem sluaju, spomenutom na prethodnom slajdu dolazi do redukcije momenta inercije tereta odakle potie i naziv mehaniki reduktor. Njutnova jednaina koja vai za sistem sa prethodne slike je:

Momenat inercije za prenosnik se daje ve sveden na ulazno vratilo (vratilo motora).

25. Statike karateristike motora i tereta. Uvodne definicije, tipovi, karakteristike i

kvadranti (skicirati dijagrame) (25b)

Pod statikom se podrazumijeva ponaanje pogona u ustaljenom stanju kada vrijedi

Moment motora i tereta u optem sluaju su ovisni o brzini vrtnje. Ovisnost brzine o momentu (ili momenta od brzine) u ustaljenom stanju se naziva (statikom) mehanikom karakteristikom. Daje se u analitikoj ili grafikoj formi. Postoje mehanike karakteristike motora

Na sljedeem slajdu su prikazane tri tipine mehanike karakteristike elektrinog motora: sinhrona, otona ili asinhrona i redna. Sinhrona karakteristika (crvena) se odlikuje potpunom nezavisnou brzine od elektrinog momenta kao to je sluaj kod sinhronog motora. Kod asinhrone karakteristike (plavo i zeleno) brzina malo opada sa poveanjem momenta. Ovu osobinu ima istosmjerni motor sa nezavisnom uzbudom i asinhroni motor,

ali samo ispod odreene vrijednosti momenta (u radnom dijelu karakteristike). Iznad toga momenat dostie maksimum i sa smanjenjem brzine se smanjuje rednu karakteristiku (naradasto) imaju istosmjerni motori sa rednom pobudom. Odlikuje se jakom zavisnou momenta od brzine (ili brzine od momenta). Karakteristian je po tome to je u irokom opsegu brzina, snaga pe=e priblino konstantna.

Kruta mehanika karakteristika - = 0 sihroni motor

Tvrde mehanike karakteristike - 0 - istosmjerni motor sa nezavisnomuzbudom

Meke mehanike karakteristike - 0 -serijski uzbueni istosmjerni motor

Kvadranti:

Elektrini pogoni mogu bit predvieni za rad u jednom ili u oba smjera brzine, sa mogunou elektrinog koenja, odnosno generatorskog rada ili bez te mogunosti. Poto proizvod brzine i momenta predstavlja snagu u svakom kvadrantu je odreen smjer snage neparnim kvadrantima (I i III) odgovara pozitivna snaga tj. pretvaranje elektrine energije u mehaniku (motorski reim, a parnim kvadrantima (II i IV) negativna snaga, tj. obrnuto

pretvaranje (koenje odnosno generatorski reim). U zavisnosti od vrste motora i energetskih pretvaraa, mehanike karakteristike se mogu protezati u jednom, dva ili sva etiri kvadranta.

26. Mehanike karakteristike tereta (radnih mehanizama) (25b)

Na donjoj slici su prikazane tri tipine karakteristike radnih mehanizama (optereenja): linearna a), ventilatorska b) , suho trenje c) i gravitaciona d). Kod linearne karakteristike a)

momenat opetereenja raste linearno sa brzinom. Ovakvu karakteristiku moe imati npr. generator jednosmjerne struje u ulozi mehanikog optereenja. Ventilatorsku (parabolinu) karakteristiku imaju ventilatori, pumpe i optereenja kod kojih pretee trenje. Kod gravitacione karakteristike d) momenat opetereenja ne zavisi od iznosa niti smjera brzine, kao to je sluaj npr. kod dizalice.

Kod nekih radnih mehanizama moment tereta ovisi o brzini vrtnje, uglu zakreta osovine

motora i vremenu. Momentna karakteristika optereenja moe biti aktivna ili reaktivna.

Aktivna karakteristika nastaje pod dejstvom spoljnih sila kao to su zemljina tea ili vjetar. Ona ne zavisi od brzine niti od smjera obrtanja i protee se kroz I i IV kvadrant kao to je sluaj sa pravom d).

Reaktivna karakteristika je posljedica reakcije radne maine na pokretanje kao to je trenje. Ovakva karakteristika se protee kroz I i III kvadrant kao to je sluaj a), b) i c). U ovakvim sluajevima snaga je uvijek istog smjera: promjenom smjera obrtanja i otporni momenat mijenja smjer.

Mogue su i kombinovane karakteristike kod kojih se superponira momenat npr. usljed zemljine tee d) i momenat trenja kao na karakteristici b).

m

a)

d)

I

kvadrant

VI

kvadrant

II kvadrant

III

kvadrant

b)

c)

27. Odreivanje radne take EM pogona. Stabilnost radne take EM pogona (25b)

Mehanike karakteristike motora i radnog mehanizma omoguavaju da se odredi: radna taka, tj. brzina vrtnje i moment motora u stacionarnom stanju, stabilnost radne take, smjer toka energije u radnoj taki, naini regulisanja brzine i momenta. Jednakost elektrinog i mehanikog momenta u ustaljenom stanju grafiki je izraena takom gdje se presijecaju karakteristika motora i karakteristika optereenja. Ova taka se zove radna taka pogona. Radna taka moe biti stabilna ili nestabilna. Radna taka je stabilna ako se pogon nakon to je pod djelovanje poremeaja bio pomaknut iz te take vrati u tu taku nakon prestanka dejstva poremeajne veliine. Na sljedeoj slici je prikazana mehanika karakteristika asinhronog motora i dvije vrste optereenja. Radne take A i B su je stabilne dok je radna taka C nestabilna. Stabilnost radne take EM pogona :

Poveanje brzine iz bilo kog razloga u taki A i B dovodi do smanjenja pogonskog momenta motora i poveanja momenta optereenja . Razlika momenata je negativna i ova razlika dovodi do smanjenja brzina inakon dejstva poremeaja pogon se vraa u radnu taku A. Slina je situacija i kod smanjenja brzine.

U taki C ako brzina iz bilo kog razloga poraste doi e do poveanja pogonskog momenta koje je po iznosu vee od porasta momenta optereenja . Razlika momenata je pozitivnato dovodi do daljnjeg poveanja brzine ak i nakon prestanka dejstva poremeaja i radna taka se pomjera u taku B do novog presjecita pogonskog i mehanikog momenta. Slina je situacija i kod smanjenja brzine s tim da se u ovom

sluaju pomjeraj iz radne take zavava u taki D (motor se zaustavi ili se pone vrtjeti u drugom smjeru do eventualno novog presjecita karakteristika).

Na osnovu prethodnih definicija mogue je izvesti kriterijum stabilnosti za pogon u kome vae sledee pretpostavke:

momenti motora i optereenja ne zavise od poloaja vratila (ugla); vrijeme trajanja elektromagnetnih prelaznih procesa je zanemarljivo.

Jednaina koja opisuje ovakav sistem pogon, je:

U posmatranoj radnoj taki stacionarnom stanju, vai:

Linearizujui gornju diferencijalnu jednainu u okolini posmatrane radne take dobija se izraz:

Uvoenjem smjene:

Dobija se linearna diferencijalna jednaina:

Rjeenje ove jednaine je:

Na osnovu date definicije stabilnosti potreban uslov stabilnosti u radnoj taki je:

k > 0 odnosno:

U sluaju: k = 0 sistem je indiferentan;

k < 0 sistem je nestabilan u posmatranoj radnoj taki.

U sluaju radne take A i B na prethodnoj slici izvod momenta optereenja po brzini je pozitivan, dok je izvod pogonskog momenta negativan paje gornji uslov zadovljen. Zbog toga

su ove radne take stabilne. U sluaju take C oba izvoda su pozitivna ali je izvod pogonskog momenta po brzini vei od izvoda opteretnog momenta po brzini pa gornji uslov nije zadovoljen, zbog toga je ova radna taka nestabilna

28. Regulacije brzine vrtnje EM pogona. Kriterijumi za usporedbu naina regulacije (25b)

U mnogim proizvodnim pogonima neophodna je regulacija brzine vrtnje elektrinog stroja koji pokree radni mehanizam. U nekim sluajevima je potrebno regulisati momenat, a ne brzinu vrtnje. To je sluaj u npr. proizvodnji papira kada je potrebno regulisati silu napetosti materijala, odnosno moment motora pri odreenom polupreniku namotanog materijala na bubnju. Za usporedbu razliitih naina regulacije brzine vrtnje motora se koriste sljedei pokazatelji:

raspon (dijapazon) regulacije kontinuiranost ekonominost stabilnost brzine vrtnje podruje regulacije dozvoljeni moment

Raspon regulacije brzine vrtnje odreen je omjerom maksimalne i minimalne brzine vrtnje uz dozvoljeno podruje promjene momenta tereta.

Kontinuiranost regulacija je odreena omjerom dviju susjednih vrijednosti brzine vrtnje, koje se mogu postii uz nepromijenjeni moment tereta. Pri kontinuiranoj regulaciji taj omjer tei jedinici, dok se pri nekontinuiranoj (stepeniastoj) regulaciji znatno razlikuje od jedinice, jer se u zadanom rasponu regulacije moe ostvariti samo nekoliko mehanikih karakteristika.

Ekonominost sistema regulacije je odreena u prvom redu trokovima izrade i ekspolatacije sistema. S ekonomskog stanovia opravdano je primijeniti regulisani pogon, koji se postie visoka produktivnost i kvaliteta proizvoda i koji se brzo amortizira.

Stabilnost brzine vrtnje je odreena promjenom brzine vrtnje uz zadanu promjenu momenta tereta. Stabilnost ovisi o tvrdoi mehanikih karakteristika, tj. stabilnost je to vea to je vea tvrdoa mehanike karakteristike.

Razlikuju se dva osnovna podruja regulacije brzine vrtnje: ispod i iznad prirodne mehanike karakteristike (odreene nominalnim vrijednostima parametara motora i ulaza-mree). Postoji samo jedna prirodna karakteristika motora ostale su vjetake.

Kada postoji mogunost ostvarivanja mehanikih karakteristka ispod i iznad prirodne karakteristike govori se o regulaciji brzine vrtnje u dva podruja.

Dozvoljeni momenat je jednak najveem momentu koji motor moe trajno razviti. Odreen je zagrijavanjem motora i ovisi o nainu regulacije brzine vrtnje. Potrebno je koristiti takve naine regulacije da motor bude potpuno optereen, jer se u sluaju nepotpunog optereenja smanjuje koeficijent korisnosti. Ako uslovi hlaenja motora ne zavise od brzine vrtnje (strana ventilacija), dozvoljeni moment motora je proporcionalan nominalnoj struji i

magnetskom toku.

29. Motor istosmjerne struje. Osnovni dijelovi i popreni presjek. Mjere za suzbijanje reakcije armature. Podjela isposmjernih motora (50b)

Osnovni dijelovi:

1. etkice

2. Opruge etkica

3. Leaj na komutatorskom kraju

4. Leaj na pogonskom kraju

5. Rotor sa namotajima

(armatura, indukt)

6. Pomoni pol sa namotajem

7. Glavni pol i njegov

namotaj (induktor)

8. Dra leita (komutatorski kraj)

9. Zatitni poklopac

10. Nosa etkice

11. Ventilator na rotoru

12. Draleita (pogonski kraj)

13. Stator

14. Kolektor (komutator)

Dva osnovna elementa istosmjerne maine su stator (induktor) i rotor (armatura ili indukt).

Stator (S) je nepokretni dio maine i na njemu je montiran uzbudni namot (glavni polovi GP) za generiranje uzbudnog polja maine f. Drugi nain generiranja polja istosmjerne maine jeste permanentnim magnetima. Izrauje se od elika ili lijevanog eljeza. Dio statora koji slui za voenje magnetskog toka se naziva jaram. Glavni pol se sastoji od jezgre koja je sastavljana od elinih limova debljine do 1 mm i polnog namota navuenog na jezgru. Dio jezgre pola okrenut prema rotoru se naziva polni nastavak iji je osnovni zadatak da olaka prolaz magnetnom fluksu kroz zrani raspor

Rotor (R) je pokretni dio maine na koje se postavljaju namotaji rotora (armature). U njemu dolazi do procesa pretvaranja elektrine energije u mehaniku energiju (motor) i obrnuto (generator). Izrauju se od lameliranog elika. Lamele su izolirane radi smanjenja vrtlonih struja koje izazivaju toplinske gubitke. Namotaji rotora su ravnomjerno rasporeeni duoboda rotora i povezani su na komutator (kolektor) koji je izraen od bakarnih lamela. Kolektor (rotacijski prekida) slui za ispravljanje naizmjeninih veliina (struje i napona) koje teku u namotajima rotora u istosmjerne veliine (napona i struje) koje teku u vanjskom krugu motora. Bakarne lamele su meusobno izolirane . Na komutator nalijeu etkice koje ostvaruju galvansku vezu kolektora sa vanjskim izvorom napajanja.

Zrani raspor izmeu rotora i statora se kree 0.5 mm (mali strojevi, do 12 mm (veliki strojevi). Geometrijska neutralna zona je ravan okomita na ravan glavnih polova. U ovu

ravan ili blizu nje se postavljaju etkice. Kroz namotaje armature (rotora) protie struje pa i rotor generira sopstveno magnetno polje koje utie na deformaciju polja statora. Ova pojava se naziva reakcija armature. Reakcija armature je nepoelja pojava i njene posljedice su:

gubitak induciranog napona poveanje gubitaka u eljezu pomak stvarne neutralne zone iz poloaja geometrijske neutralne zone porast napona meu lamelama kolektora

Mjere za suzbijanje posljedica reakcije armature:

Pomak etkica iz geometrijske u neutralnu zonu (kod motora za ugao u smjeru suprotnom smjeru vrtnje motora). Ovo se danas rijetko radi jer zakret etkica bi se morao raditi zavisno od optereenja.

Dodavanje pomonih polova koji se veu u seriju sa armaturnim namotom. Smjetaju se na statoru u liniji sa neutralnom geometrijskom osom. Danas su gotovo svi

istosmjerni motori opremljeni pomonim polovima. U ovom sluaju se i etkice postavljaju u geometrijsku neutralnu zonu.

Dodavanje kompenzacijskih namotaja (tapova) koji se postavljaju u polne nastavke i prikljuuju u seriju sa namotom rotora. Pomoni polovi kompenziraju protivdjelovanje rotora samo u zoni komutacije. Izvan te zone protiv djelovanje

rotora se nastavlja sa izobliavanjem glavnog polja. Na ovaj nain mogu nastati veliki naponi izmeu lamela kolektora. Izmeu lamela se moe stvoriti luk preko cijelog obima kolektora to dovodi do pojave tzv. krune vatre. Iz razloga umanjenja protudjelovanja rotora i izvan zone komutacije se dodaju i kompenzacijski namoti.

Podjela istosmjernih motora

Istosmjerni motori sa etkicama. Istosmjerni motori kod koji se polje genererira elektromagnetom na statoru.Mogu biti upravljani i naponom (strujom) armature i poljem.

Dijelimo ih na:

Istosmjerni motori sa nezavisnom (porednom) uzbudom. Kod ovih motora uzbudni i armaturni krugovi se napajaju iz zasebnih izvora

Istosmjerni motori sa paralelnom uzbudom.Kod ovih motora uzbudni krug i armaturni krug koriste isti izvor napajanja na koji su povezani u paraleli.

Istosmjerni motori sa serijskom (rednom) uzbudom.Uzbudni namotaj se vee u seriju sa armaturnim namotajem na izvor napajanja.

Sloeno uzbueni motor.Kombinira i serijsku i paralelnu uzbudu. Istosmjerni motori sa permanentnim magnetima u statoru. Glavni fluks se obrazuje

permanetnim magnetima. Mogu biti upravljani samo naponom (strujom) armature

Istosmjerni motori bez etkica (DC brushless motors). Izrauju se permanentnim magnetima na rotoru i armaturom na statoru. Mehaniki komutator se zamjenjuje

elektronskim komutatorom koji se napaja iz istosmjernog energijskog izvora i on napaja vie namota (faza) na statoru. Prekapanjem elektronskih sklopova dovode se redom stuje u namote koje obrazuje obrtno magnetno polje za kojim se okree permenentni magnet rotora. Ovo je u biti AC motor. Brzina se moe precizno elektroniki upravljati. Momenat je obino konstantan preko cijelog podruja brzine

Korani motori (stepper, stepping motors). Elektromehaniki ureaj koji konvertira elektrine impulse u diskretno mehaniko kretanje. Svi namoti su na statoru. Zavisno od izvedbe rotora dijelimo ih na:

permanentnomagnetni. Na rotoru se nalazi permanetni magnet. varijabloreluktancijski. Rotor je izveden kao nazubljen od mekog magnetskog

materijala

hibridni koraajni motor. Kombinacija prethodna dva principa.

30. Princip rada istosmjernog motora. Skice, sile, momenti, indukovani napon (50b)

Kada se vodii a i b duine l/2 kroz koje protie struja I nau u spoljnjem magnetnom polju indukcije B na njih djeluje elektromagnetna silaF. Sila na dva provodnika a i b djeluje tako da

se formira spreg sila, odnosno moment koji nastoji da se vektor indukcije magnetnog polja

armature i vanjskog polja B poklope i po pravcu i po smjeru to dovodi do obrtanja rotora. Na eone provodnike rotora djeluje aksijalna sila i ona ne utie na rotaciju rotora.

Kada se vodii a i b duine l/2 kroz koje protie struja I nau u spoljnjem magnetnom polju indukcije B na njih djeluje elektromagnetna sila F. Sila na dva provodnika a i b djeluje tako

da se formira spreg sila, odnosno moment koji nastoji da se vektor indukcije magnetnog polja

armature i vanjskog polja B poklope i po pravcu i po smjeru to dovodi do obrtanja rotora. Na eone provodnike rotora djeluje aksijalna sila i ona ne utie na rotaciju rotora.

Na vodie a i b djeluje sumarna sila :

Pri emu je intenzitet ove sile:

Odnosno moment

gdje je r poluprenik rotora.

to dovodi do zakretanja rotora. Zavisno od ugla zakreta rotora uodnosu na horizontalu intenzitet momenta rotacije je

gdje je ugao izmeu vektora r i vektora F. Moment je najvei kada su vodii ispod polnih papua budui da je tada = /2. Kada namot prolazi kroz horizontalnu poziciju, odnosno kada postaje < 0, tada bi u sluaju de ne postoji komutatator, zbog nepromijenjenog smjera struje kroz vodi, moment na vodie poeo da djeluje u suprotnom smjeru to bi naposlijetku zaustavilo rotor u horizontalnom poloaju i vektori magnetnih indukcija bi se poklopili. Treba primjetiti da moment na rotor mijenja po sinusnom zakonu od maksimalne vrijednosti

do nule. Takoer je vidljivo da bi u ovom sluaju vektor indukcije rotora kruio istom brzinom kao i rotor. Moment je najvei kada su polja Bri B pod uglom od /2, a jednak nuli

kada se ova dva polja poklope. Zbog postojanja komutatora, kada vodii rotora prolaze kroz horizontalni poloaj smjer struje u vodiima se promijeni to vodi do toga da moment na rotor ostane u istom smjeru. U spoljanjem krugu, zbog postojanja komutatora, struja uvijek tee u istom smjeru dok je struja u vodiima izmjeninog karaktera. Sinusna promjenljivost momenta motora je nepoeljna osobina, zbog ega se na rotor postavlja vei broj namota na ovaj nain se postie da je magnetno polje ne rotirajue i da zauzima stalni ugao od priblino /2 u odnosu na polje statora i poveava se ukupni moment na rotor kao to je prikazano na donjoj slici. Na ovaj nain se postie nepromjenljivost momenta na rotor uz njegov maksimalan iznos.

U vodiima a i b armature se indukuje elektromotorna sila

koja se suprotstavlja proticanju struje kroz rotor. Intenzitet elektromotorne sile je :

i maksimalna je kada se vodii nalaze pod polnim papuama. U neutralnoj zoni indukovana ems je jednaka nuli. Ako etkice nisu u neutralnoj zoni ili ako je ona pomjerena zbog reakcije armature, prilikom komutacije inducirani napon nije jednak nuli to oteava komutaciju kada u kratkom perodu etkica prelazi sa jedne na drugu lamelu vrlo razliitog potencijala od prve (pojava varnienja). Zbog toga je vano ostvariti poklapanje geometrijske i neutralne ose.

31. Modeliranje istosmjernog stroja. Matematioki model INP. Blok dijagram INP (50b)

Nadomjesna ema motora sa ukljuenom nezavisnom uzbudom, paralelnom uzbudom, serijskom uzbudom, namotajima pomonim polova, namotom armature kao i mehanikim dijelom motora je prikazan na donjoj slici. U narednom e biti obraivan motor sa nezavisnom uzbudom sa kompenzovanom reakcijom indukta. U ovom sluaju se ravan etkica poklapa sa neutralnom geometrijskom osom.

Uprotena, principijelna ema INP motora sa kompenzovanom reakcijom indukta(rotora), gdje sada Ra i Lapredstavljaju sumarni otpor i induktivitet u krugu rotora.

Diferencijalne jednaine:

Elektrini dio

Mehaniki dio

Algebarske jednaine:

32. Statike karakteristike pogona sa INP. Mehanike i elektromehanike (25b)

Jednaine (1), (2) i (3) u stacionarnom stanju:

Iz jednaine (4) u stacionarnom stanju slijedi:

Ovo je specijalni sluaj: samo kada moment zavisi od ugla!!!

U daljnjem se ne razmatra. Iz jednaina koje vae u stacionarnom stanju dobijaju se analitiki izrazi za statike (ELEKTROMEHANIKE, jer veza izmeu struje i brzine) karakteristike motora pogona

Takodje, dobija se i MEHANIKA KARAKTERISTIKA:

Iz jednaine (12) se vidi da porastom momenta optereenja brzina motora opada. Prema tome i indukovana ems eopada. Prema formuli (13) koja je modifikovana verzija formule

(10) vidi se da struja motora raste to dovodi do poveanja pogonskog momenta motora i naposlijetku do poveanja brzine. Dakle sam motor ima ugraenu negativnu povratnu spregu kojom se motor opire smanjivaju brzine usled porasta momenta optereenja. Zbog toga je mehanika karakteristika INP tvrda. Ovo se moe uoiti i sa blok dijagrama INP. Ukoliko su napon armature i tok kaoi otpor armature fiksni, mehanika karakteristika je pravac. Pri konstantnom fluksu moment je proporcionalan struji pa elektromehanike karakteristike imaju isti oblik kao i mehanike samo sa drugim mjerilom na apscisi

33) Nominalni parametri istosmjernog motora i proraun karakteristika motora (25b)

U katalozima istosmjernih motora se obino specificiraju sljedei nominalni podaci:

snaga na osovini maine [] ili [kW], tj. snaga nakon to se od ulazne snage motora odbiju svi gubici (i elektrini i mehaniki)

brzina vrtnje [

]

struja armature [] napon armature [] napon uzbude []

struja uzbude []

koeficijent korisnog dejstva

Budui da su elektromehanike i mehanike karakteristike istosmjerne maine sa nezavisnom uzbudom pravci, za njihovo odreivanje potrebno odrediti barem dvije take kroz koje prolaze odnosno dva parametra. Odreuje se nominalna brzina praznog hoda 0n,nominalni moment mn i nominalni pad ugaone brzine 0. Nominalna brzina praznog hoda se rauna po formuli

gdje je K konstanta motora koja se odreuje prema formuli

Nominalni moment motora se odreuje po formuli

Meutim izraz za K je priblian budui da je snaga izraunata na osnovu elektrinog momenta i nominalne brzine vrtnje vea od snage na osovini koja uzima u obzir gubitke praznog hoda (ventilacionigubici i trenje). Izraz je odgovarajui za motore srednjih i veih snaga. Za motore manjih snaga moment u praznom hodu moe iznosti i do 10 % nominalnog momenta, pa je gornji izraz potrebno korigirati. Novi izraz koji uzima moment praznog hoda

0 odnosno struje armature u praznom hodu 0:

Koeficijent K se takoer moe izraunati na osnovu formule:

Za izraunavanje K kao i potrebna je vrijednost otpora armature koja obino nije data u katalogu. Vrijednost ovoga otpora se rauna na osnovu empirijske formule (dobijeni uz uslov da gubici u armaturi, uz nominalno optereenje motora iznose polovinu svih gubitaka u motoru Pn)

Naposlijetku se izraunava na osnovu formule

Vidljivo je ne ovisi o naponu armature, dok 0 ovisi !!! (statike karakteristike su paralelne). Koordinate dvije take mehanike karakteristike su:

(0, ) (, ).

34. Tokovi snaga u istosmjernom pogonu (15b)

Ukoliko jednainu (10) pomnoimo sa lijeve i desne strane dobija se jednaina balansa

snaga u stacionarnom stanju

U stacionarnom stanju vrijedi jednaina balansa mehanike (opteretne snage) i pogonske snage:

pu ulazna elektrina snaga dovedena motoru iz mree (pozitivan smjer u motor iz mree)

pr snaga disipacije na armaturnom otporu (uvijek pozitivna)

pe pogonska snaga koja se dobija posle elektromehanike konverzije energije u motoru i koju motor predaje vratilu pogona(u dinamikim reimima suma mehanike snage i dinamike snage. U statikim reimima jednaka mehanikoj snazi pm)

pm mehanika (opteretna) snaga

pvventilacijski gubici

pd dinamika snaga koja se predaje (ubrzavanje) obrtnim masama ili uzima iz obrtnih masa (usporavanje) (u stacionarnom stanju nula)

35. Naini regulacije brzine vrtnje INP. Regulacija brzine vrtnje promjenom napona armature. Zalet motora (25)

Iz formule (10) se vidi da se regulacija brzine vrtnje motora moe obavljati na tri naina:

Promjenom otpora armaturnog kruga Promjenom napona armature Promjenom fluksa uzbude

= , =

U poetku motor miruje pa je e =0 (taka A). Budui da je na armaturu motora narinut nominalni napon struja armature (struja kratkog spoja) bi prema formuli (10) iznosila

Struja kratkog spoja je mnogo vea od nominalne struje pa je prilikom zaleta potrebno dodati dodatni otpor Rad3 u armaturu radi ograniavanja poetne struje. Obino je poetna struja 2 = (2 2.5). Postepenim smanjivanjem otpora armaturnog kruga radna taka se pomjera po izlomljenoj liniji preko taaka A,B,C,D,E i zavrava u taki F kada je dodatni otpor armaturnog kruga jednak nuli. Ova taka je odreena momentom tereta. Ukoliko se prema donjoj formuli pri konstantnom (nominalnom) fluksu mijenja napon armature dolazi do

paralelnog pomjeranja mehanikih karakteristika motora. U presjeku mehanike karakteristike i karakteristike optereenja se nalazi radna taka. Smanjivanjem amplitude napona karakteristike se sputaju i naposlijetku za = 0 karakterstika prolazi kroz ishodite. Za negativne (i ne samo negativne) vrijednosti napona, brzina vrtnje mijenja smjer. Ovakav nain regulacije se

vri za brzine vrtnje izmeu 0 i 0.

36. Regulacija brzine vrtnje INP promjenom napona armature. Upravljaka, vanjska karakteristika motora (25b)

Ovisnost ugaone brzine vrtnje o naponu armature (upravljakoj ulaznoj veliini), uz konstantan moment tereta se zove upravljakom karakteristikom INP i konstantom uzbudom. Ova karakteristika ima oblik pravca i odreuje se za prazan hod ( = = 0) i nominalno optereenje = . U sluaju idealnog praznog hoda motora upravljaka karateristika ima izgled kao na sljedeoj slici. U sluaju idealnog praznog hoda motora upravljaka karateristika ima izgled kao na sljedeoj slici.

je nominalna vrijednost momenta tereta

Konstantan napon uzbude

Konstantan moment tereta

Budui da se dodatni otpor ne dodaje u armaturni krug nema

bespotrebnih gubitaka kao kod

prethodnog naina regulacije. Regulacija brzine je kontinualna.

Ovisnost ugaone brzine vrtnje o

momentu tereta, uz konstatni

napon armature naziva se

vanjskom karakteristikom motora

sa nezavisnom i konstatnom

uzbudom.

Ova karakteristika ima oblik pravca (pogledati sliku na slajdu 23). Nagib ovoga pravca je

neovisan o momentu tereta i iznosi

Prema tome poveanje momenta optereenja dovodi do smanjenja brzine vrtnje motora.

37. Regulacija brzine vrtnje INP promjenom fluksa (25b)

Pri regulaciji brzine vrtnje promjenom uzbudnog fluksa, koji zbog termikih zahtjeva i zasienja magnetskog toka moe biti samo manji od nominalnog ( < , < ),

mehanike karakteristike prema donjem izrazu imaju oblik pravaca.

Promjenom magnetskog toka mijenja se brzina praznog hoda i moment kratkog spoja koji se

definie kao taka presjeka karakteristike sa apscisom

Pri smanjenu fluksa brzina praznog hoda se poveava dok se struja kratkog spoja smanjuje

Regulacija brzine vrtnje promjenom fluksa se vri u podruju smanjivanja fluksa ispod nominalnog. Brzina praznog hoda se poveava sa smanjivanjem fluksa pa se regulacija fluksom vri samo u podruju poveanja brzine iznad nominalne brzine praznog hoda. Napon armature se dri konstatnim. Ova regulacija se vri samo ako je moment optereenja mnogo manji od nazivnog momenta motora.

U sluaju da je moment tereta konstantan struja motora mora porasti dabi se momenat motora u stacionarnom stanju odrao konstantnim. Porast struje je ogranien sa gornje strane nominalnom strujom motora. Smanjivanje toka se vri smanjivanjem napona uzbude na koji nain se smanjuje struja uzbude.Zbog konstruktivnih razloga regulacija brzine vrtnje se vri do:

Neka se nadalje pri regulaciji brzine fluksom ima konstantni moment tereta. Ako se fluks

uzbude smanjuje, onda da bi se moglo ostvariti stacionarno stanje sa konstantnim

momentom tereta, armaturna struja e se poveati (iako je narinuti napon na armaturu isti i jednak nominalnom). Ovo iz razloga jer je moment motora dat formulom

Maksimalna vrijednost brzine vrtnje motora za datu vrijednost momenta tereta je

Prema tome, za bilo koju vrijednost momenta tereta u podruju regulacije brzine vrtnje iznad nominalne brzine vrtnje, dobija se da je poveanje brzine vrtnje ogranieno maksimalnom snagom. U ravni (, ) grafik funkcije = () je hiperbola. Budui da je u podruju regulacije brzina vrtnje iznad nominalne brzine praznog hoda (tj. regulacija smanjivanjem

fluksa uzbude) maksimalna snaga konstantna, ovo podruje regulacije se zove i podruje regulacije konstantne (maksimalne odnosno nazivne) snage. Regulacija brzine vrtnje do

nominalne brzine vrtnje praznog hoda se zove i regulacija sa konstatnim (maksimalnim)

momentom.

38. Podruje regulacije brzine vrtnje INP (25b)

I podruje regulacije naponom armature-tzv. podruje konstantnog momenta

II podruje regulacije naponom uzbude-tzv. podruje konstante snage

U prvom podruju regulacija brzine vrtnjese obavlja promjenom napona armature uauz konstantnu i nominalnu uzbudu f = fn=const. Regulacija se vri od napona 0 pa sve do napona Uan. Pri tome struja armature ia i razvijeni momenat motora mogu biti konstantni u

itavom podruju (to zavisi od momenta optereenja), a njihove najvee vrijednosti su jednake nominalnim iznosima. Uz navedene uslove inducirani napon e = snaga motora

pe = ei se poveavaju proporcionalno brzini vrtnje. Gubici energije su relativno malog iznosa i konstantni su uz konstantan momenat tereta. Zalet i koenje stroja se ostvaruju odgovarajuom vremenskom promjenom napona armature. tj. nije potrebno ukljuiti dodatne otpore ime se smanjuju gubici u prelaznom procesu.

U drugom podruju brzina vrtnje se mijenja sa smanjivanjem napona uzbude (magnetnog fluksa) uz konstantni napon armature (ua= un=const). Pri tome je dozvoljena maksimalna

brzina regulacije sa gornje strane ograniena maksimalnom snagom istosmjernog stroja.

Raspon brzine vrtnje u drugom podruju je takoer ogranien pogoranim uslovima komutacije i poveanim zahtjevima na mehaniku izvedbu stroja. Regulacija brzine je obino do 2 do 3 puta brzine idealnog praznog hoda. Podeavanje fluksa uzbude se vri prema formuli

39. ema regulacije pogona sa INP. Nacrtati objasniti (25b)

U emi upravljanja svi regulatori su PI tipa. Kada se regulira brzina vrtnje IM tada se zavisno od podruja regulacije u krugu regulacije polja preko nelinearnog bloka daje referenca za strujnu petlju ukrugu uzbude. Ukoliko je referentna (zadana brzina manja od nazivne) tada

se preko nelinearnog bloka(formula(12)) u podruju regulacije i struja uzbude postavlja na nominalnu (maksimalnu) vrijednost ime se polje uzbude dri na nominalnoj vrijednosti. Ukoliko je referenta brzina vea od nazivne tada se referenca struje uzbude, prema nelinearnoj krivulji (formula(12)) u podruju upravljanja II, smanjuje ime se i fluks uzbude smanjuje. Regulaciona petlja armaturnog kruga se sastoji od regulacione petlje po brzini koja

daje referencu stujnoj petlji. Kao izlaz iz strujne petlje rauna se referenca napona a koja se dalje vodi na energetski pretvara. Referenca napona na ulazu u energetski pretvarase mijenja sve dok motor ne postie eljenu referentnu brzinu.

Kada je u pitanju regulacija u podruju regulacije II (regulacija poljem) mijenja se i fluks uzbude kao i struja i napon armature. U sluaju da je moment tereta fiksan, sa smanjivanjem fluksa poveava se struja (sve dok se eventualno ne dostigne strujni limit koji ograniava maksimalnu struju, odnosno snagu istosmjernog motora). Potrebna vrijednost fulksa se

izrauna iz formule (12) dok regulaciona petlja armaturnog kruga izrauna potrebnu vrijednost struje i napona.

pri emu je prema (12):

40. Koenje u EM sa istosmjernim motorima. Uvodne napomene i vrste. Generatorsko (rekuperativno koenje) INP. Realizacija, statike karakteristike, osobine (25b)

Ukoliko se elektrina energija pretvara u mehaniku energiju tada motor radi u tzv. motorskom reimu rada. U stacionarnom stanju radna taka pogona je ili u I ili u III kvadrantu. Pogonska (na vratilu motora) snaga je pozitivna.

Ukoliko motor ima tendenciju smanjivanja brzine vrtnje elektromotornog pogona

tada je rijeo konom reimu ili koenju motora.U ovom sluaju se mehanika energija (bilo inercijalna tj. kinetika u prelaznim procesima ili mehanika energija tereta u stacionarnom stanju) pretvara u elektrinu energiju, bilo da se troi u obliku topline na otpornicima armature ili se pretvara u toplotu i dodatno vraa u mreu -tada je rijeo konom reimu motora. Gledajui u cjelini ima se pretvaranje mehanike energije u elektrinu pa motor zapravo radi kao generator (elektrina energija u toplotu ili u toplotu i mreu). U stacionarnom stanju radna taka pogona je ili u II ili u IV kvadrantu. Pogonska snaga (snaga na vratilu motora) je negativna, pogonski momenat (momenat na vratilu

motora) i brzina vrtnje imaju suprotne smjerove. Postoje vie vrsta koenja:

mehaniko koenje (primjenom mehanike konice) elektrino koenje:

generatorsko (rekuperativno)

protustrujno

elektrodinamiko ili otporniko (reostatsko)

Navedena koenja se razlikuju po nainu realizacije i po tome kako se troi dobijena elektrina energija. Ukoliko se pogon nae u radnoj taki u kojoj je brzina vrtnje vea po apsolutnoj vrijednosti od brzine vrtnje idealnog praznog hoda (aimaju isti

predznak)elektromotorna sila e postati vea od narinutog napona na koji nain struja motora promijeni smjer (uz nepromijenjen smjer narinutog napona) i motor vraa elektrinu energiju u mreu koja se dobija konverzijom mehanike energije u elektrinu.

Prema tome u sluaju da je > 0 slijedi da je = 0 < 0 pa prema prethodnoj formuli ia0) ili u II kvadrantu (ua>0, m< 0). U ovom sluaju dolazi do pretvaranja mehanike energije odnosno mehanike snage pm< 0 u elektrinu energiju a pogon se u stacionarnom stanju kree konstantnom brzinom i koi.

2. sluaj: kada se brzina praznog hoda smanji ispod trenutne brzine. I ovdje je u reimu koenja ispunjen uslov brzine i brzine praznog hoda. Ostvaruje se II kvadrantu (ua>0, m>0) ili u IV kvadrantu (ua

41. Protustrujno koenje INP tipa I. Realizacija, statike karakteristike, osobine (25b)

Kao i kod svakog koenja pogonski momenat se takoer protivi brzini vrtnje motora ali je brzina motora manja od sinhrone. I u ovom sluaju takoer pogonska snaga mijenja smjer u odnosu na motorski smjer i tee u motor. Pogonski momenat i brzine vrtnje imaju suprotan smjer. Snaga iz mree ima pozitivan smjer. Mehanika energija i energija iz mree se troe na otpornicima u armaturnom krugu. Budui da se ima pretvaranje mehanike energije u elektrinu (promjena smjera pogonske-mehanike snage) u ovom reimu motor takoer radi kao generator. Postoje

dvije izvedbe ovog koenja, jedna je dodavanje dovoljno

velikog otpora armature tako

da je momenat kratkog spoja

manji od momenta tereta kod

sputanja potencijalnog tereta. U ovom sluaju ima se (slika desno)

Momentna karakteristika koenja je:

Za elektrini i koioni moment vrijedi:

A da bi koenje bilo mogue mora da vrijedi:

Kako je u stacionarnom stanju

Kada napajanje motora promijeni polaritet i istovremeno se doda otpornik Rad radna taka prelazi iz A u B. i zapoinje proces koenja. Koenje traje sve do take C u II kvadrantu i ukoliko se u ovom trenutku teret ne odspoji ili ukljue mehanike konice pogon prelazi u motorski rad i u sluaju reaktivnog tereta zavrava u taki D motorskog reima (III kvadrant) ili u taki E konog reima (IV kvadrant) u sluaju aktivnog (potencijalnog tereta).

Za pogonski moment i snagu vrijedi:

Odnosno pogonska snaga je negativna, to znai da se ponovo mehanika pretvara u elektrinu snagu (na otpornicima). I u ovom sluaju kao i kod tipa I ulazna snaga je pozitivna jer su i napon i struja promjenili smjer. Ovo je najefikasnije koenje sa koionim momentom:

43.Dinamiko koenje INP. Realizacija, statike karakteristike, osobine, energetski bilans (25b)

Kada se indukt odvoji od izvora i njegovi krajevi spoje preko dodatog otpora vai = 0. Kada se iz motorskog reima (I kvadrant) prelazi u ovaj reim koenja brzina vrtnje u poetku ostaje pozitivna pa je i indukovana ems e pozitivna.

Realizacija ovog koenja je prema emi:

Statika karakteristika ovakvog koenja je:

Za ovo koenje vae relacije:

Vidimo da mehnika karakteristika (e) lei u II i IV kvadrantu i prolazi kroz koordinatni poetak, a njen nagib se moe podeavati pomou dodatnog otpora. Koioni moment u ovom sluaju je:

i vidljivo je da opada (apsolutno) sa opadanjem brzine (na ovaj momenat treba dodati i

momenat optereenje ako se koenje vri u II