Predavanje2

Pretvarač - elektronički sklop za obradu energije

Uređaj energetskeelektronike

InformacijeDC ili AC izvorelektrične energije Obrađena enegija

Potrošač

DC-DC - Pretvarači za promjenu nivoa istosmjernog napona

DC-DC pretvarač BUCK

BOOST

BUCK-BOOST

E ROPT

Formalna predstava DC-DC pretvarača kao transformatora

Topološka struktura prekidačke matrice pretvarača jednosmjerne struje

Topologija na slici je jednaka za bilo koje jednofazne pretvarače pošto bilo koji jednofazni izvor ima najmanje dvije izlazne linije koliko ulaznih linija ima i bilo koji jednofazni potrošač. Ako je između ulaznih linija 1 i 2 spojen naponski izvor V0 tada, zavisno od toga kako su uključeni prekidači S11 do S22, izlazni napon može imati tri različite vrijednosti:

V0 ako su uključeni (S11 i S22)0 ako su uključeni (S11 i S12) ili (S21 i S22)-V0 ako su uključeni (S12 i S21)

Ovo pokazuje da srednja vrijednost izlaznog napona uSR ovakvog pretvarača može imati bilo koju vrijednost koja leži između -V0 i V0 i ima proizvoljan valni oblik. Odavde proizilazi da navedena topologija omogućava generisanje naizmjeničnih napona i struja na izlazu. Na taj način se postiže tzv. četverokvadrantni rad pretvarača (slika b). Ukoliko se rad pretvarača organizuje tako da izlazni napon ne mijenja polaritet a struja može biti bipolarna, dobije se tzv. dvokvadrantni rad pretvarača. U tom slučaju, jedna ulazna i jedna izlazna linija mogu biti spojene u jednu liniju, čime se postižu topološki jednostavnije strukture pretvarača

BUCK pretvarač – za snižavanje DC napona

UDCU1

U3

U5

“SJECKANJE“,“ČOPOVANJE“- ČOPER

RAZVOJ FUNKCIJEU FURIJEOV RED

A[db]f[Hz]

f1 f3 f5

BUCK pretvarač – filtracija naizmjeničnih komponenti

FILTERNAPON IMPULSNOGOBLIKA

DC NAPON

BUCK pretvarač – struktura pretvarača

Struktura BUCK pretvarača primjenom "building block“ pristupa

Izvor Dvopoložajniprekidač

Filter Potrošač

“1"“2"

BUCK pretvarač – realizacija korištenjem poluprovodničkih prekidača

E u1uC=uiz

uizuul u1

Ulazni napon Napon iza prekidača Napon na opterećenju

BUCK pretvarač – analiza stacionarnog stanja

DT

T

“1" “2" “1" “2"Položajprekidača

uL

iL

E-uC

uC

i1i2 i1

ΔiC

iR


1. Volt-sekundni balans: ( ) ( )C CE u DT u T DT− = −

2. Amper-sekundni balans: 1 2

2C

Lsr RI I uI I

R+

= ⇒ =

3. Lentzov zakon: 2 1LL C

di I I IL u L L E udt DT DT

Δ −= ⇒ = = −

Iz prve jednačine slijedi: Cu DE=

Ovdje se D pojavljuje kao upravljačka veličina.Promjenom D može se mijenjati uC.


Iz druge i treće slijedi:

112

C Cu E uI DTR L

−= −

212

C Cu E uI DTR L

−= +

Ranije je izvedeno: Cu DE=

Na ovaj način, na osnovu poznatih E, D, T i parametara kola, moguće jeizračunati tri nepoznate veličine: uC, I1 i I2.Naravno da su moguće i druge kombinacije zadanih veličina i onih kojese mogu izračunati.


ΔiC

2

max1 1 1 1; ;

2 2 2 8C

C C C C Cdu Q I T D TC i u i dt u udt C C C LC

+Δ Δ −= = Δ = = =∫

ΔuC

uC

ΔuCmax

ΔI ΔQ+

T/2


Iz posljednjeg izraza se može izračunati sljedeće:

switch LCf fDa bi bilo zadovoljeno , treba biti: C Cu uΔ

Na osnovu tehničkog zahtjeva na maksimalno dozvoljene vrijednost strujepoluprovodničkih prekidača, I2max može se izračunati potrebna vrijednostinduktiviteta, a na osnovu maksimalno dozvoljene valovitosti izlaznognapona može se izračunati potreban kapacitet filterskog kondenzatora.


uC

D

E

1

Idealna karakteristika

Realna karakteristika

Zavisnost izlaznog napona od upravljačke veličine (D)

DT

T


uL

iL

E-uC

uC

R1R2>R1R3>R2

Prekid zbog korištenja diode kao prekidača(vodi struju samo u jednom smjeru)

Prekidni režim rada pretvarača

D1T

Analiza rada BUCK pretvarača u prekidnom režimu rada

DT

T

“1" “2"Položajprekidača

uL

iL

E-uC

uC

iLp

ΔiC

iR

Analiza rada BUCK pretvarača u prekidnom režimu rada“1"

D1T D2T

BUCK pretvarač – analiza stacionarnog stanja u prekidnom režimu

1. Volt-sekundni balans: 1( )C CE u DT u D T− =

2. Amper-sekundni balans: 1( )2Lp C

Lsr R

I uI I D DR

= ⇒ + =

3. Lentzov zakon:1

; iliLp LpC C

I IIL L E u L uDT DT D TΔ

= = − =

Iz ove tri algebarske jednačine mogu se izračunati tri nepoznate veličine.Naprimjer, uz zadane vrijednosti D, T, E i parametara kola, mogu se izračunatiuC, Ip i D1.Naravno da se mogu praviti varijacije zadanih vrijednosti i veličina koje je potrebno izračunati.

DT

T


uL

iL

E-uC

uC

iLp iRg

Analiza rada BUCK pretvarača u stacionarnom stanju – granični režim

U graničnom režimu struja induktiviteta raste od nule na početku perioda, a udrugom dijelu perioda pada na nulu na kraju perioda.U ovom slučaju se mogu koristiti i jednačine od neprekidnog i od prekidnogrežima rada.Odgovarajući dijagram napona i struja na induktivitetu je:

Analiza rada BUCK pretvarača u stacionarnom stanju – granični režim

12 2Lp C

Lg Rg

I E uI DT IL−

= = =

Za vrijednosti opterećenja pri kojim je IR ‹ IRg, slijedi prekidni režim rada,a za vrijednosti IR › IRg, slijedi neprekidni režim rada.

Granične vrijednosti struja ILg i IRg zavise odparametara kola, napona i D.Za konstantnu vrijednost ulaznog napona E, te definisane parametre kola, zavisnost ILg i IRg od D je:

max max(1 ) 4 (1 );2 8Lg Rg Rg RgTE TEI I D D I D D I

L L= = − = − =

(Zavisnost IRg = f(D) ima oblik kvadratne parabole.)

Analiza rada BUCK pretvarača u stacionarnom stanju

Iz jednačina za neprekidni režim rada slijedi: , ne zavisi od IR.Cu DE

=

Iz jednačina za prekidni režim rada slijedi:2

2

max

14

C

R

Rg

u DIE D

I

=+

Zavisnost izlaznog napona od struje opterećenja je:

CuE

max

R

Rg

II

D=1

D=0.5

D=0.25

IRgmax

Analiza rada BUCK pretvarača u stacionarnom stanju

U slučaju zahtjeva za održavanje konstantnog izlaznog napona pri promjenistruje opterećenja, potrebno je mijenjati D prema sljedećem:

1. U neprekidnom režimu rada izlazni napon ne zavisi od struje opterećenja.2. Izraz za graničnu vrijednost struja je:

(1 ) (1 )2 2Lg RgTE TUI I D D D

L L= = − = −

3. U prekidnom režimu rada je:

12

max

1

R

RgC

C

IIuD uE

E

⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟=⎜ ⎟−⎜ ⎟⎝ ⎠

max

R

Rg

II

D1

0.5CuE

=

1CuE

=

0.25CuE

=

- Prevazilaženje problema prekidne struje je moguće korištenjemprekidača koji vodi struju u oba smjera

Dodavanjem tranzistora paralelno diodi dobija se dvokvadrantni prekidač

- Upravljanje prekidača je na C;

- Vodi struju u oba smjera(kada je uključen);

- Može blokirati napon jednogpolariteta (kada je isključen).

Documents

Predavanje2