Upload
others
View
17
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
Vežbe II – Energetska elektronika
1. Princip rada u energetskoj elektronici
Fizika poluprovodnika
elektroni – u slobodnoj zoni
šupline – u valentnoj zoni _(nedostatak elektrona)
Silicijumska tehnologija:
Čist silicijum – kovalentne veze elektrona.
o Provodnik – na visokim temperaturama kada „pucaju“ kovalentne veze, kada postoji spoljnje polje dolazi do kretanja elektrona i struje
o Izolator – na niskim temperatura nema elektrona u slobodnoj zoni, pri izraženomspoljnom polju nema kretanja elektrona i struje
Primesni silicijum – dopiranje nečistoćama
o Dopiranje 3-valentnim i 4-valentnim primesama
Donori:
o elementi pete grupe (fosfor, arsen)
o višak elektrona u slobodnoj zoni
o n tip pločice
Akceptori:
o elementi treće grupe (bor, indijum)
o višak šuplina u velantnoj zoni
o p tip pločice
PN spoj
Efekti difuzije i rekombinacije – na mestu spoja
Raspodela naelektrisanja
o Osiromašena oblast – rekombinacija parova elektron–šupljina
o Kontaktni (ugrađeni potencijal) – prag vođenja
Prekidački režim rada
o ON-OFF režim rada
ON – zasićenje komponente
OFF – zakočenje komponente
S
S (ON)
S (OFF)
o Smanjena disipacija (manji hladnjak, manja cena, ušteda energije)
o Mana – diskontinualni režim rada
IS [A]
US [V]
t [s]
t [s]
t [s]
Pg [W]
OFF ON
tOFF tON
tLIN
2. Osnovne komponente energetske elektronike
Dioda
Definicija:
Dioda (PN spoj) je neupravljivi poluprovodnički element sa dva kraja (anoda i katoda) koja poseduje usmerački efekat gde struja prolazi slobodno u jednom pravcu (od anode ka katodi) prilikom direktne polarizacije komponente.
Šematska oznaka:
(energetski) krajevi anoda (A) i katoda (K)
KID
A
UAK
KA
Broj slojeva
dvoslojna komponenta: PN
Polarizacija:
Direktna (pozitivna) polarizacija – UAK>UPP
Inverzna (negativna) polarizacija – UAK<0
Prag provođenja:
Si diode – UPP≈0.5V
Ge diode – UPP≈0.2V
Upravljivost:
neupravljiva komponenta (ne može se uticati niti trenutkom paljenja niti trenutkom gašenja)
UI karakteristika:
ID [A]
UAK [V]
IMAX
-UP
Idealna
Realna Oblast direktne
polarizacije
Oblast inverzne polarizacije
Oblast proboja komponente -
Zenerov (lavinski efekat)
UPP
UPP – napon praga provođenja
IINV
Termičko uništenje komponente
Statička karakteristika
IINV – inverzna struja zasićenjaIMAX – maks. direktna struja
-UP – inverzni probojni napon
P N
većinski nosioci šupljine
većinski nosioci elektroni
prelazna oblast
fluid
Analogija
Tiristor – grč. thyra (vrata), eng. resistor (otpornik)
Definicija:
Tiristor je regenerativni poluupravljivi poluprovodnički element sa tri kraja (anoda i katoda i upravljački ulaz gejt – eng. gate - kapija) koja poseduje usmerački efekat gde struja prolazi slobodno u jednom pravcu (od anode ka katodi) prilikom direktne polarizacije komponente i simultanog postojanja strujnog impulsa na gejtu.
Šematska oznaka:
(energetski) krajevi anoda (A) i katoda (K)
upravljački kraj gejt (G)
K
ITR
A
UAK
G
KAG
Broj slojeva
četvoroslojna komponenta: PNPN (3 PN spoja)
Polarizacija:
Direktna (pozitivna) polarizacija
Regenerativna oblast
Inverzna (negativna) polarizacija – UAK<0
Okidanje komponente:
Strujni impuls na gejt ulazu (prelazak iz visokoomske-neprovodne u niskoomsku-provodnu oblast kroz regenerativnu oblast) pri direktnoj polarizaciji
efekat samookidanja – Napon samookidanja USO – tiristor postaje provodan bez potrebe za strujnim impulsom na gejt priključku
UI karakteristika:
IT [A]
UAK [V]
IMAX
-UP
Idealna
Oblast direktne
polarizacijeOblast inverzne
polarizacije
Oblast proboja komponente -
Zenerov (lavinski efekat)
UPP
UPP – napon praga provođenja
IINV
Termičko uništenje komponente
Statička karakteristika
IINV – inverzna struja zasićenjaIMAX – maks. direktna struja
-UP – inverzni probojni napon
USO
USO – napon samookidanja
fluid
Analogija
G Regenerativna oblast
Upravljivost:
poluupravljiva komponenta (može se uticati trenutkom paljenja a ne može trenutkom gašenja kod SCR, kod GTO se može i gasiti)
Vrste:
Triodni – SCR (eng. Silicon Controled Rectifier)
GTO tiristor – GTO (eng. Gate Turn Off)
Trijak – tiristorski naizmenični prekidač (eng. TRIode AC switch)
Definicija:
Trijak je regenerativni poluupravljivi poluprovodnički element sa tri kraja (MT1 i MT2 i upravljački ulaz gejt G) koji postaje provodna u oba smera (u zavisnosti od polariteta napona) prilikom postojanja strujnog impulsa na gejtu.
Šematska oznaka:
(energetski) krajevi: dva glavna izvoda (MT1 i MT2)
upravljački kraj gejt (G)
MT1 MT2
ITR
G
Broj slojeva
Petoslojna komponenta: NPNPN
Polarizacija:
Regenerativna oblast
Provodna oblast
UI karakteristika:
ITR [A]
UM12 [V]
IMAX
Idealna Termičko uništenje
komponente
Statička karakteristika
IMAX – maks. direktna struja
USO
USO – napon samookidanja
fluid
Analogija
G
-USO
-IMAX
Regenerativna oblast
Regenerativna oblast
Okidanje komponente:
Strujni impuls na gejt ulazu (prelazak iz visokoomske-neprovodne u niskoomsku-provodnu oblast kroz regenerativnu oblast)
efekat samookidanja – Napon samookidanja USO – trijak postaje provodan bez potrebe za strujnim impulsom na gejt priključku
Upravljivost:
poluupravljiva komponenta (može se uticati trenutkom paljenja a ne može trenutkom gašenja)
Tranzistor – (eng. Transfer Resistor)
Definicija:
Tranzistor je punoupravljivi poluprovodnički element sa tri kraja (upravljački, referentni i izlazni) koji poseduje pojačavačko svojstvo u smislu da male promene signala između ulazne i referentne elektrode dovode do velikih promena signala između izlazne i referentne elektrode.
Vrste:
bipolarni (strujno upravljiv): baza B (base), emiter E (emitter), kolektor C (collector)
mosfet (metal oxide semiconductor field effect transistor - naponski upravljiv): gejt G (gate), sors S (source), drejn D (drain)
hibridni IGBT (insulated gate bipolar transistor): gejt G, emiter E, kolektor C
Šematska oznaka:
BE
CIB
IC
IE
NPN
BC
EIB
IE
IC
PNPBipolarni
GS
D
ID
N-MOS P-MOSMOSFET
GD
S
ID
Broj slojeva
Troslojna komponenta (bipolarni): NPN i PNP
MOSFET – n-kanalni i p–kanalni
Polarizacija:
Provodna oblast (UBE>0 i UCE>0) – pojačavačko svojstvo
Zakočenje (UBE=0) – otvoren prekidač
Zasićenje (UBE>0, UCE>0, UBC>0) – zatvoren prekidač
Upravljivost:
punoupravljiva komponenta (može se uticati trenutkom paljenja i gašenja – kod bipolarnog strujom a kod MOSFET-a naponom)
3. Topologije energetskih pretvarača
Ispravljači (AC–DC pretvarači) i invertori (DC–AC pretvarači)
~
-~ -
Ispravljač
Invertor
Uu =const.fu ≠0
Ui =fi =0
const.var.
Uu =const.fu =0
Ui =
fi =
const.var.
const.var.
≠0
Napajači (DC–DC pretvarači)
-
-- -
Napajač
Uu =const.fu =0
Ui =
fi =0
const.var.
Naizmenični regulatori (AC–AC pretvarači)
~~
Naizmenični regulatorUu =const.fu ≠0
Ui =
fi =
const.var.
const.var.
≠0
~~
Ispravljači – AC–DC
Neupravljivi monofazni (diodni) ispravljač
Mrežno komutovan uređaj
Mosna sprega, Grecov spoj, Dvopulsni ispravljač
C
D1 D2
D3 D4
D1 D2
D3 D4
Rp
UDC
IDC
Up
Ip
DC međukolo
Izlazni DC/DCstepen
Lp
Pobuda MJS
Ispravljač kao ulazni stepen Ispravljač koji napaja RL potrošač
Srednja vrednost izlaznog napona
����� =
1
��� ��|sin(��)|�� =
��
�
−2
2�� cos(��)|�
=2
�� =
2√2
����
Talasni oblici napona i struje na izlazu
Neupravljivi trofazni (diodni) ispravljač
Mrežno komutovan uređaj
Trofazni most, Šestopulsni ispravljač
C
D1 D2
D4 D5
D3
D6
D1 D2
D4 D5
D3
D6
IDC Ip
DC međukolo
UDC
Rp
Up
Lp
Pobuda MJS
Izlazni DC/DC stepen
Ispravljač kao ulazni stepen Ispravljač koji napaja RL potrošač
Talasni oblici napona i struje na izlazu (šest pulseva)
Srednja vrednost izlaznog napona
����� =
6
2� √2����
��� sin��� −
6��(��)
/�
/�=
3√6
����
�»2.34×����
�
Uporedna analiza
o Srednja vrednost izlaznog napona – veća kod trofaznog u odnosu na monofazni
3√6
/2√2
=
3√3
2
o Talasnost napona i struje – manja kod trofaznog u odnosu na monofazni pri istim vrednostima C i L (troduplo više impulse po periodi mrežnog napona kod trofazne varijante)
o Potreba za trofaznom mrežom – monofazni ispravljač ne zahteva trofaznu mrežu što je pogodno na mestima gde ista nije dostupna
Neupravljivi tiristorski ispravljač
Mrežno komutovan uređaj
Mosna sprega sa tiristorima, Grecov spoj sa tiristorima
T1 T2
T4 T5
T3
T6
MJS
LdodIa
T1 T2
T3 T4
Ldod
MJSUa Ua
Ia
Monofazni tiristorski ispravljač Trofazni tiristorski ispravljač
Talasni oblici napona i struje na izlazu:
Srednja vrednost izlaznog napona – funkcija ugla paljenja �
�����(��)
=1
� √2���� sin(��) �(��)��
a=
2√2
���� cos(a)
�����(��)
= 2√2����
3
sin(
3)cos(a) ≈ 2.34����cos(a)
Uporedna analiza
o Srednja vrednost izlaznog napona – veća kod trofaznog u odnosu na monofazni
3√6
/2√2
=
3√3
2
o Talasnost napona i struje – manja kod trofaznog u odnosu na monofazni pri istim vrednostima C i L (troduplo više impulsa po periodi mrežnog napona kod trofazne varijante)
o Potreba za trofaznom mrežom – monofazni ispravljač ne zahteva trofaznu mrežu što je pogodno na mestima gde ista nije dostupna
o Upravljivost – tiristorska konfiguracija obezbeđuje promenljivu srednju vrednost u odnosu na diodnu, što je pogodno za regulaciju brzine kod pogona MJS velikih snaga
o Linearnost pretvarača – pretvarač je nelinearan (srednja vrednost izlaznog napona je kosinusna funkcija ugla paljenja a) sa transportnim kašnjenjem ��
�� =1
2
trajanjeperiode
brojpulsevauperiodi
Naizmenični regulatori – AC – AC pretvarači
Monofazni naizmenični regulator napona
Mrežno komutovan uređaj
Punotalasni naizmenični pretvarač (omsko opterećenje – regulacija osvetljenja)
R
TR
UAC
Iiz
UizUul
Efektivna vrednost izlaznog napona
������
= �1
��� ���
� (�)����
�
= ���
�� 2����
� sin�(��) ���/��
�/��
= �����1 −�
�+
1
2�sin2�
Talasni oblici napona i struje na izlazu:
5 10 15 20
Uul
t[ms]
Um α = 45º
5 10 15 20
Uiz
t[ms]
Um
5 10 15 20
Ig
t[ms]
α = 45º 5 10 15 20
Iiz
t[ms]
Im=UmR
Trofazni naizmenični regulator napona
Mrežno komutovan uređaj
Trofazni punotalasni naizmenični pretvarač, soft–start uređaj (pretežno induktivno opterećenje – regulacija brzine obrtanja AC mašina, upuštanje u rad, regulacija reaktivne snage kondenzatorskih baterija)
Talasni oblici fazne struje na izlazu za različite vrednosti opterećenja:
struja praznog hoda struja pri srednjim
opterećenjima nominalna struja
Karakteristike pretvarača:
o jednostavna konfiguracija
o snažna komponenta za upuštanje asinhronih motora velikih snaga
o različite varijante uređaja – sa i bez promene redosleda faza, sa i bez kontaktora za premošćenje
o neadekvatan za upuštanje određenih karapteristika opterećenja u EMP
o nemogućnost promene frekvencije napajanja
o frekvencijski spektar signala struje pretvarača zaprljan višim harmonicima (kvalitet električne energije?)
DC – DC pretvarači – čoperi i napajači
Pretvarači na bazi punoupravljih tranzistorskih komponenti!!!
Podela:
o Čoperi – u regulisanim EMP
o Napajači – kola za napajanje potrošača elektronike
Komutacija na bazi PWM (eng. Pulse Width Modulation)
Ra
E
S1
Diout
uout
iout
Ton Toff
t
La
+
PWM
UDC
uout
TPWM
Čoperi (eng. chope – “odseći”)
Impulsno širinski modulisani (PWM) uređaj
Primena: Elektromotorni pogon MJS za efikasnu regulaciju brzine obrtanja
Topologije:
o Jednokvadrantni čoper – rad u I kvadrantu, brzina i momenat uvek pozitivni
MJS
UDC
ia
+
III
IVIII
+
S1
ua ua
ia
o Dvokvadrantni čoper – rad u dva kvadranta – moguća rekuperacija energije u izvor (generatorski režim rada)
Slika Gore: brzina pozitivna i negativna a momenat uvek pozitivan, POGON LIFTA
Slika Dole: brzina pozitivna a momenat pozitivan i negativan, POGON ELEKTRIČNOG VOZILA NA TERENU BEZ MOGUĆNOSTI KRETANJA U RIKVERC
ia
MJS
+I
IV
+
S1
S2
D2
UDC ua
ua
ia
ia
MJS
+
III
+
S1
S2
UDC
ua
ua
ia
D1
o Četvorokvadrantni čoper (H most) – rad u sva četiri kvadranta – moguća rekuperacija energije u izvor (generatorski režim rada) pri promeni brzine obrtanja i znaka momenta opterećenja
ia
MJS
+III
IVIII
+
S1
S2 S4
S3
UDC ua
ua
ia
Uporedna analiza talasnih oblika napona i struje tiristorskog i 1kv DC–DC pretvarača
Karakteristike pretvarača:
o Učestalije prekidanje na PWM učestanosti (1kHz – 20kHz) – manja talasnost struje (momenta) na izlazu u odnosu na tiristorski mrežno komutovani uređaj
o Potreba za dodavanjem induktivnosti izbegnuta usled pretežno induktivne prirode potrošača – motora (za mašine male snage se uvećava PWM učestanost)
o Realizacija na mikroprocesoru!!!
Napajači – direktni (propusni) pretvarači
Impulsno širinski modulisani (PWM) uređaj
Primena: Napajanje elektronskih uređaja
Konfiguracija uključuje pasivne komponente L i C za filtriranje napona i struje potrošača!!!
PWM frekvencija reda od 100 kHz do 10MHz:
Topologije:
o Spuštač napona (Buck konvertor)
S1
L
C RUDCD
o Podizač napona (Boost konvertor)
S1 C RUDC
DL
Karakteristike pretvarača:
o Izražena učestanost prekidanja PWM (20kHz – 1MHz) – manja talasnost struje i napona na izlazu uz male dimenzije L i C
o Realizacija na mikroprocesoru!!!
o Postoje varijante sa galvanskom izolacijom!!!
DC – AC pretvarači – invertori
Pretvarači na bazi punoupravljih tranzistorskih komponenti!!!
Podela:
o Čoperi – u regulisanim EMP
o Napajači – kola za napajanje potrošača elektronike
Komutacija na bazi PWM (eng. Pulse Width Modulation)
Gradivna jedinica – grana polumosta sa prekidačima u komplementarnom režimu (T1 ON T2 OFF, T1 OFF T2 ON)
0.0
t
t
refoutU
PWMoutU
Tu
pwmnT pwmTn 1
0.0
‚
T1
T2
APWM
uANUDC
Topologije:
o dvostepeni AC–AC pretvarač (diodni ispravljač + DC – AC pretvarač)
Mogućnost rada invertora u sva četiri kvadranta
Rekuperacija energije u mrežu nije moguća – otpornik za kočenje u DC međukolu sa prekidačem T7
Pretvarač omogućuje promenu učestanosti napajanja kao i efektivnu vrednost trofaznog napona!
C
T1
T2
T3
T4
A
N
D1 D3
D2 D4
T5
T6C
uAB(t )
iA(t )
BuAN
uBN
D5
D6
UDCAM/SM
uam
T7
Rk
o dvostepeni back–to–back AC–AC pretvarač (dva DC – AC pretvarača)
C
T1
T2
T3
T4
A
N
T5
T6C
uAB(t )
iA(t )
BuAN
uBN
UDCAM/SM
uam
T7
T8
T9
T10
L1
T11
T12
L3L2
Mogućnost rada invertora u sva četiri kvadranta
Rekuperacija energije u mrežu je moguća – otpornik za kočenje se izostavlja
Pretvarač omogućuje promenu učestanosti napajanja kao i efektivnu vrednost trofaznog napona!
Popravka faktora snaga dodatnim invertorskim stepenom na ulazu (mrežni invertor) – kvalitet električne energije?
LITERATURA
V. Vučković, Električni pogoni, Elektrotehnički fakultet, Beograd, 1997.
B. Dokić, B. Blanuša, Power electronics, Springer, 2015.
N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, John Wiley & Sons, 2003.