poluprovodničke komponente koje se koriste u energetskim
Post on 31-Oct-2021
9 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Poluprovodničke komponente koje se koriste
u energetskim pretvaračima
SW-kontrolisani prekidački element (tranzistor ili tiristor)
D-dioda
L-induktivnost
C-kapacitivnost
F1,F2-zaštitni elementi
(ultra brzi osigurači)
Prekidački elemenat - SW
TIRISTORI: SCR (Silicon Controlled Rectifiers)
MCT (Mos Controlled Thyristor)
GTO (Gate Turn- Off)
TRANZISTORI: BJT (Bipolar Junction Transistor)
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor
Podsećanje...
TIRISTORI - SCR
IGBT tranzistor 150A/600V(danas najčešće korišćen
poluprovodnički prekidač snage)
OPSEZI PRIMENE KONTROLISANIH
PREKIDAČKIH ELEMENATA-SW
Podsećanje...
Podela oblasti primene energetskih prekidača po snazi i radnoj učestanosti
Podsećanje...
AKTUATORI U JEDNOSMERNOM POGONU Pojačivači snage
Uređaji za napajanje električnom energijom jednosmernih motora u pogonima,
pre svega regulisanim.
ENERGETSKI
ULAZ
AKTUATOR UPRAVLJAČKI
ULAZ Puu
Peu
+
ua
+
e M
Ld
+ ia
a
aa
a
aeu
aauu
iuPP
iuP
a
caa uku
Vrste aktuatora
Elektromehanički:
1. Generator jednosmerne
struje
2. Amplidin
Statički (konvertori) aktuatori
1. Ispravljači (AC/DC)
2. Čoperi (DC/DC)
3. Magnetni pojačivači
Snaga na upravljačkom ulazu ima isključivo električnu prirodu.
ccuu iuP
Napon uc – KOMANDNI NAPON, može biti znatno manji od napona ua.
U najvećem broju slučajeva:
gde je ka – konstanta pojačanja aktuatora.
Snaga na energetskom ulazu može biti (u zavisnosti od vrste aktuatora)
mehanička ili električna (u naizmeničnom ili jednosmernom obliku).
Jednačine
Diferencijalne: Algebarske:
GENERATOR JEDNOSMERNE STRUJE
“DINAMIČKI SISTEM”
aaaa
a
fff
f
f
iRuedt
diL
iRudt
dN
afg
aaa
ff
gf
icm
tiuu
if
ce
?;;
+
uf
if Rf
Lf
Nf f
+ e
G mg, g =const.
+
+
Ra La
ua
ia
NORMALIZACIJA:
Sistem baznih vrednosti bira se u zavisnosti od toga:
• da li je posmatrani dinamički sistem nezavisan,
tada se bira isto kao kod motora;
ili
• posmatrani aktuator je podsistem u nekom složenom sistemu,
tada se mora voditi računa o kompatibilnosti baznih vrednosti
u celom dinamičkom sistemu.
1
fb f fb
ab ab ab fb b
fb fb
u R i
u R i c
i f
Usvajanjem sledećih
baznih vrednosti:
N:
** *
** * *
* * *
* * *
* * * *
* * *
,? ,
f b ff f
fb
a a a aa a
a ab ab
f g
f f
a a a
g f a
N du i
u dt
L R di Re u i
R R dt R
e
f i
u u i t
m i
f f f f
a a a a a a
T p u i
T R pi e u R i
Možemo sprovesti
postupak normalizacije
uf=uc +
if f -1()
1
pTf f
ωg
ua
e +
1
Ra +
ia
1
pTa
BLOK DIJAGRAM:
N:
Kod ovog aktuatora važi: uu f f
a a a
eu g g g f a
P u i
P u i
P m i
Ako se zanemare gubici na trenje, ventilaciju i u gvožđu, važi:
1a aR
Vezu između ulaznog signala i izlaza aktuatora ovde nije moguće odrediti
jednoznačno jer je sistem složen i nelinearan!!!
Potrebno je aktuator integrisati u konkretan dinamički sistem, naime odrediti relaciju
ua (ia,?,t), zatim linearizovati model i tek tada se mogu određivati funkcije prenosa i
pojačanja.
Vard Leonardova grupa
PM G M
Uc=Uf
Ua
Iz perspektive danas aktuelnih ispravljača za pogone sa jednosmernim
motorom treba govoriti samo o poluprovodničkim ispravljačima, sa
tiristorima i diodama, pri tome rešenja sa diodama, neregulisane ispravljače
(samo diode) i poluupravljive ispravljače (razne kombinacije tiristora i dioda)
treba samo pomenuti.
Delimično ćemo proučiti, pre svega sa stanovišta elektromotornog pogona,
dve vrste regulisanih ispravljača:
- monofazni mosni ispravljač;
- trofazni mosni ispravljač.
Detaljno proučavanje ovih ispravljača radi se u okviru predmeta Energetski
pretvarači.
ISPRAVLJAČI
Strukturna šema ispravljača:
JEDNOSMERNI
IZLAZ (Pa;ua;ia)
MREŽA
Peu= V~ I~ cos
Peu = V~ I~
cos ()
TIRISTORSKI
MOST
IMPULSI
POJAČAVAČ
IMPULSA
(“TESTERE”)
SINHRONI-
ZACIJA
GENERATOR
OKIDNIH
IMPULSA
UGAO PALJENJA
uc
Simulacioni blok dijagram
Pojačanje generatora impulsa: min max max min
max min max
/ V0
gic c c
ku u u
Dijagram pretvaranja komandnog napona uc u ugao paljenja
Ω∙t
uc
uc max
2
min
max uc min
Sprega monofaznog mosta i jednosmernog motora
ip is
Ekvivalentna šema pomoću koje se može objasniti rad ovog ispravljača
iGA - ~ +
- ~ +
- +
N
A
B
vAN
vBN
Ea
- + vR
Ra
ua
iA
iB
La
eL
ia
-
-
+
+
vAKA
vAKB
iGB
QA
QB
Analizom rada ovoga ispravljača može se utvrditi da postoji više različitih režima
rada koji se mogu podeliti na dve osnovne grupe:
- režime prekidnih struja, i
- režime neprekidnih struja.
tVv pp sin2
Np Ns
vs
ia
if
Q1
Q3
Q4
Q2
ua
Monofazni punoupravljivi most
Režim prekidnih struja Male brzine, mala
elektromotorna sila i mala opterećenja.
o o1 1 0.0260 , 0.02s s
50 360T
f
vAN vBN vAN
Ea
Ea
2 0 t
t
il
ia
ua
Za sve prekidne režime važe sledeće analitičke relacije:
arcsin arcsin2 2
za
2 sin za
fa
a a
a
E
V V
u E t
u V t t
Jednačina naponske ravnoteže je:
aa a a a a
diL u E R i
dt
čijim se rešavanjem dobija:
/
2, , sin
2sin
fa
a
f t tg
a
Vi t t
Z R
Vt e
R Z
gde je:
2 2
a a
a
a
Z L R
Larctg
R
U prekidnom režimu važi:
, , 0ai
Rešavanjem ove jednačine po dobija se:
,
Zbog svoje složenosti i transcendentne prirode ova jednačina se može rešiti samo
numerički.
Maksimalna vrednost za ugao je:
max
- Granica prekidnog režima, posle koje nastaje neprekidni
režim (sa kontinualnom strujom). max
Srednja struja u prekidnom režimu je:
1
,a aI i d t
ili
fa
aa
aaa U
RR
EUI
,
1,
Srednja vrednost ispravljenog (jednosmernog) napona je:
coscos21
, VU fa
Zbog vremenski promenljive struje pri stalnom fluksu
ima se i promenljiv momenat, njegova srednja vrednost
je:
, ,e f aM I
Poslednji izraz predstavlja MEHANIČKU KARAKTERISTIKU
u prekidnim režimima, koja je očigledno nelinearna.
Režimi sa neprekidnim strujama Veće brzine, veliko
operećenje. o o1 1 0.02
36 , 0.02s s50 360
Tf
vAN vAN vBN
Ea
2 t
t
ia
ua
Analitičke relacije koje važe u režimu neprekidnih struja.
Srednja vrednost ispravljenog napona je:
2 2
cosaV
U
Takođe važi i relacija:
a a a a f a aU E R I R I
Sada se može izvesti statička karakteristika:
2 2cos a
af f
RVI
Dok je MEHANIČKA KARAKTERISTIKA linearna i glasi:
0
2
2 2cos a
ef f
RVM
[o/min]
Memin Granica
prekidnosti
Ld=0
o
0
30
45
60
60 75 40 30 20
1000
800
600
400
200
-200
-400
-600
-800
90
105
120
135
150
180
prekidni režim
grafegr
gr
IM
,
,max
Me[Nm]
neprekidni režim
Funkcija prenosa mosta
Most je nelinearan sistem! Pojačanje se određuje linearizacijom.
0 0cos30 cos1502 20,013 V/
30 150
amos
U Vk V
( )aU
V
[ ]
U dinamičkim režimima most unosi transportno kašnjenje, međutim, zbog
pojednostavljenja analize most se može predstaviti kao član sa kašnjenjem
prvog reda:
1
mosmos
d
kG p
pT
Gde je: Td – srednje vreme kašnjenja koje je za monofazni most napajan
iz naizmenične mreže sa 50Hz: 1 1 1
5 ms2 2 2 2
dT
Tf
Promena ugla paljenja se može dogoditi bilo kada, dok promena napona
nastaje tek nakon uključenja odgovarajućeg tiristora.
ua
Ua1
0
Ua2
4 3 1 2
2
Td
1
Ukupno pojačanje ispravljača
max minmax
0,013 /ois gi mos
c
Vk k k
u
U praksi je: min
max
10 30
150 160
Funkcija prenosa ispravljača:
1
isis
d
kG p
pT
Trofazni tiristorski most
Ova konfiguracija ispravljača danas se najčešće koristi u praksi.
Principijelna šema trofaznog mosta data je na slici.
ua
-
-
-
+
+
+
van
vbn
vcn
isa
isb
isc
a
b
c
Q1 Q3 Q5
Q6 Q4 Q2
i3
i6
i1
i4
i5
i2
iG3
iG6
iG1 iG5
iG2 iG4
ia
n
0
V2v vab vbc vca
2
t
Kod ovog načina ispravljanja takođe postoje režimi sa prekidnom i neprekidnom
strujom.
Režim PREKIDNIH STRUJA nećemo proučavati iz dva razloga:
•zbog višefaznog ispravljanja ovaj režim se ne javlja često;
•analiza režima prekidnih struja je u principu ista kod svih vrsta ispravljanja.
Simulacioni blok dijagram
va vc vb vb vc va vb
vab vac vbc vba vca vcb vab vac
Ea
V2
ua
ia
isa
vb
i6 i1 i2
vcb
0
vcb vab vac vbc vba vca vcb vab
i6 i5 i1 i2 i3 i4 i5 i6
i3 i4 i5 i6 i1
2 t
t
Režim neprekidnih struja
ispravljački režim rada
vca
ua
-
-
-
+
+
+
van
vbn
vcn
isa
isb
isc
a
b
c
Q1Q3 Q5
Q6Q4 Q2
i3
i6
i1
i4
i5
i2
iG3
iG6
iG1 iG5
iG2iG4
ia
n2
6
1 3 2
3
/
a ab linijsko/
U ( ) v d( t ) V cos/
Srednja struja je:
a
fa
aR
UI
,
Mehanička karakteristika, koja je linearna je:
e
f
a
f
MRV
2cos
23
Familije mehaničkih karakteristika za različite uglove
paljenja date su na slici.
[o/min]
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
50 100 150 200 250
=180o
=150o
=135o
=120o
=105o
=90o
=75o
=60o
=45o
=30o
=0o
Granica prekida Ld=0
Prekidni režim
Neprekidni režim
Me [Nm]
Menom
Funkcija prenosa mosta
Most je nelinearan sistem! Pojačanje se određuje linearizacijom.
( )aU
V
[ ]
3 2
3 2
U dinamičkim režimima most unosi transportno kašnjenje, međutim, zbog
pojednostavljenja analize most se može predstaviti kao član sa kašnjenjem
prvog reda:
1
mosmos
d
kG p
pT
Gde je: Td – srednje vreme kašnjenja koje je za trofazni most napajan iz
naizmenične mreže sa 50Hz:
Promena ugla paljenja se može dogoditi bilo kada, dok promena napona
nastaje tek nakon uključenja odgovarajućeg tiristora.
ua
Ua1
0
Ua2
4 3 1 2
2
Td
1
1 1 11,66ms
2 6 2 6d
TT
f
Ukupno pojačanje ispravljača
max minmax
0,0195 /ois gi mos
c
Vk k k
u
U praksi je: min
max
10 30
150 160
Funkcija prenosa ispravljača:
1
isis
d
kG p
pT
Pojačanje trofaznog mosta je:
o ocos30 cos1503 20,0195 V/
30 150
amos
U Vk V
ČETVOROKVADRANTNI POGON
Važno je istaći da jedan punoupravljivi most obezbeđuje rad pogona samo
u dva kvadranta. Rad u četiri kvadranta može se ostvariti:
- prevezivanjem jednog ispravljača, u slučajevima kada se ne zahteva brzi
prelazak iz jedne u drugu poluravan;
- antiparalelno povezivanje sa odvojenim upravljanjem (bez kružne struje),
kod brzih prelazaka (najčešće u praksi);
- antiparalelno povezivanje sa saglasnim upravljanjem (sa kružnom
strujom), kod vrlo brzih prelazaka iz jedne u drugu poluravan. Kod rada sa kružnom
strujom važi:
1 2
C1 C2
C1 C2( ) ( )
U U
u t u t
Četvorokvadratni rad sa preklopnikom
Regulacija brzine za male brzine reversa!
Logičko kolo: - promena stanja prekidača samo kada je ia = 0
- položaj prekidača u funkciji od znaka ia*
ML1L2
L3
6xReg. struje
Reg. brzine
*
ai
ai
cu*
DB
Logičko kolo
Ld
* 0
0
a
a
i
i
Četvoro-kvadratni rad sa dva anti-paralelna
mosta (razdeljeno upravljanje)
ML1 L2L3
6xReg. struje
Reg. brzine
*
ai
ai
cu
*
DB
Logičko kolo
Ld
* *0 0
0
a a
a
i i
i
6x
isti hladnjak
Četvoro-kvadrantni rad sa kružnom strujom
1L11L2
1L3
Ld
M
DB
Lc
2L12L2
2L3
Lc
{
{
ia
C1
C2
i1
i2
Četvoro-kvadrantni rad sa kružnom strujom (saglasno upravljanje)
me
C1 – ISP.
C2 – INV.
C1 – INV.
C2 – ISP.
C1 – INV.
C2 – ISP.
C1 – ISP.
C2 – INV.
o
1 2 180
Koristi se za ostvarivanje brzih reversa
(promene znaka) momenta.
C1 1 C2 2( ) ( )U U C1 C2( ) ( )u t u t kružna struja
samo za
C1( )u t
C2 ( )u t
o
C1 135
o
C2 45
o
C1 C2 90
C1 C2( ) ( )u t u t
Dijagram trenutnih vrednosti napona
C1 C2 C1 C290 ( ) ( )u t u t
o
C2 135
o
C1 45
t s
t s
G PM
A Reg Ref. Vc
ia
if
g
zamajac
Vard Leonardova grupa
M DB
ČOPERI
U ZAVISNOSTI U KOJIM KVADRANTIMA
JE MOGUĆ RAD, DELIMO IH NA KLASE:
A, B, C, D i E
Ua
Ia 0
Klasa A
Ua
Ia
0
Klasa B
Ua
Ia
0
Klasa D
Ua
Ia 0
Klasa C
Ua
Ia
0
Klasa E
Na slici je prikazana šema ovog čopera i dijagrami karakterističnih veličina
u režimu sa prekidnom strujom i u režimu sa neprekidnom strujom.
ona
tU V
T
Ia
Ua
0 Ea
+ -
+ - V
is
ia iG1
vAK1
Q1
iD Ua D1
La Ra + - - +
vR eL
ČOPER KLASE A
(spuštač napona)
ona
p
tU V
T
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
0
0.5
1
t = Vreme [s]
i g1(t
)
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
0
20
40
t = Vreme [s]
i a(t
)
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
0
50
100
t = Vreme [s]
ua(t
), e
(t)
100V, 40V
1 , 1mH
0,002 500Hz
a a
p p
V e
R L
T s F
ČOPER KLASE A
Režim sa
prekidnom
strujom
ČOPER KLASE A
Režim sa neprekidnom strujom
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
0
0.5
1
t = Vreme [s]
i g1(t
)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040
5
10
15
t = Vreme [s]
i a(t
)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
0
50
100
t = Vreme [s]
ua(t
), e
(t)
Ia1
Ia2
100V,
40V
1 ,
10mH
0,002
500Hz
a
a
p
p
V
e
R
L
T s
F
Tper= Tp
TsTper/10
Šema i dijagram karakterističnih veličina u režimu sa neprekidnom strujom je data
na slici.
Ua
Ia
0
+ -
+ - V
is
ia
iG2 vAK2
Q2
iQ
Ua
D2
La Ra +
- - +
vR
(a)
eL
Ea
+
ČOPER KLASE B
(podizač napona)
p ona
p
T tU V
T
100V, 110V
1 , 1mH
0,002 500Hz
a a
p p
V e
R L
T s F
ČOPER KLASE B
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
0
0.5
1
t = Vreme [s]
i g2(t
)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04-100
-50
0
t = Vreme [s]
i a(t
)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
0
50
100
t = Vreme [s]
ua(t
), e
(t)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
-100
-50
0
t = Vreme [s]
i s(t
)
iD2=is
Ia1
Ia2
ČOPER KLASE B
Režim sa neprekidnom strujom
Ovaj čoper omogućava rad u dva kvadranta i predstavlja kombinaciju prethodna
dva. Šema i karakteristični dijagrami dati su na slici.
Ua
Ia
0
+ -
+ -
is
ia
iG2
Q1
iQ1
Ua
D2
La Ra +
- - +
vR eL
Ea
V
Q2
iQ2
iG1
iD2
iD1
D1
ČOPER KLASE C
ona
p
tU V
T
100V, 40V
1 , 1mH
0,002 500Hz
a a
p p
V e
R L
T s F
ČOPER KLASE C
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
0
0.5
1
t = Vreme [s]
i g1(t
)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04-20
0
20
40
t = Vreme [s]
i a(t
)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
0
50
100
t = Vreme [s]
ua(t
), e
(t)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04-20
0
20
40
t = Vreme [s]
i s(t
)
Ia1
Ia2
iQ1 iD1
iD2 iQ2
Čoper klase C
Režim rada sa neprekidnom strujom
Šema čopera:
Ua
Ia
0
+ -
is
Q1
Ua
D2
L R + - - +
vR eL
E
+
V iG1
ia
D1
Q2
iG2
ČOPER KLASE D
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
0
0.5
1
t = Vreme [s]
i g1(t
)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040
5
10
15
t = Vreme [s]
i a(t
)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
0
50
100
t = Vreme [s]
ua(t
), e
(t)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040
5
10
15
t = Vreme [s]
i s(t
)
100V, 40V
1 , 10mH
0,002 500Hz
a a
p p
V e
R L
T s F
ČOPER KLASE D
Režim rada sa neprekidnom strujom
Kombinacija dva čopera
klase C omogućava
četvoro-kvadrantni rad.
Šema čopera je na slici.
+ - + -
is
ia
Q1
Ua
D2 La Ra +
- - +
vR eL
Ea
V
Q2 D1
D4
D3
Q3
Q4
-
+
vD
Ua
Ia
0
Q1 - Q4 - ON
Q2 - Q3 - ON
D1 - Q4 - ON
D1 - Q4 - ON
D1 - D4 - ON Q2 - D3 - ON
D2 - Q3 - ON
D2 - D3 - ON
ČOPER KLASE E
100V, 40V
1 , 10mH
0,002 500Hz
a a
p p
V e
R L
T s F
ČOPER KLASE E
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
0
0.5
1
t = Vreme [s]
i g1(t
)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040
5
10
15
t = Vreme [s]
i a(t
)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04
0
50
100
t = Vreme [s]
ua(t
), e
(t)
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.040
5
10
15
t = Vreme [s]
i s(t
)
Čoper klase E
Režim rada sa neprekidnom strujom
Predstavljanje čopera funkcijom
prenosa
1
1d
čč
d
pT čč
d
kG p
pT
kk e
pT
- Energetski pretvarači se za potrebe upravljanja elektromotornim pogonom
mogu predstaviti funkcijom prenosa sa kašnjenjem prvog reda, što važi i za čoper.
1 p
V
pT
d Ua
; ;onč d p
p
td k V T T
T
/
1
p
p
V T
pT
ton Ua
;č d pp
Vk T T
T
Savremeni elektromotorni pogon sa
motorom jednosmerne struje
napajanim iz čopera
L
M DB
ia
udc ua
Čoper
CRk
top related