tiristorski pretvraci je ozbiljna knjiga sa dosta radnog materijala

7/22/2019 Tiristorski pretvraci je ozbiljna knjiga sa dosta radnog materijala

1/201

RADOJLE RADETI

TIRISTORSKI

PRETVARA#I

Bor 2004


2/201

Predgovor

Zahtev za regulacijom brzine elektromotora nametao je potrebu za stalnim

traenjem naina njegovog ostvarenja. Tokom istorijskog razvoja ovaj problem jereavan na razne naine u zavisnosti od trenutnog tehnolokog nivoa. Znatnojednostavnija regulacija brzine motora jednosmerne struje opredelila je ovaj razvoj usmeru njegove primene, najve#im delom ovog istorijskog procesa. Prvi problem je

bio samo dobijanje jednosmernog napona iz postoje#e naizmenine napojne mreekojim je omogu#eno napajanje motora jednosmerne struje. Ovde su se koristilerazliite vrste komponenata kao to su vakumske diode, ivine usmerae,

poluprovodnici na bazi bakar oksida, selenske ploe i td. Pojavom novihkomponenata (tiratron, ignitron, transduktori, tiristori, i td) ide se u smeru reavanja

problema dobijanja promenljivog jednosmernog napona. Ovde se pitanje regulacijesnage reava primenom snanih elektronskih elemenata, te ova oblast dobija nazivenergetska elektronika. Oigledno njeni poeci su negde na poetku dvadesetog veka.

Me%utim svoj najve#i razvoj, energetska elektronika doivljava pojavom tiristora,ezdesetih godina.

Ure%aje koji menjaju neku od karakteristika elektrine energije (AC, DC, napon,struju, frekvenciju i td) nazivano pretvaraima energetske elektronike. Alternativnadefinicija pretvaraa bi mogla da bude, da je to ure%aj koji povezuje dva elektrinasistema razliitih karakteristika. Pri ovome je vaan i smer prenoenja snage.

Ovde na raspolaganju stoje brojne mogu#nosti kao to su pretvaranje tipa:1. AC/DC - ispravljai2. DC/AC - invertori3. DC/DC - regulatori jednosmernog napona - operi4. AC/AC - ciklokonvertori (f2f1)5. AC/AC - regulatori naizmeninog napona (f2=f1)Oblast tiristorskih pretvaraa doivela je svoj puni razvoj sedamdesetih godina 20.

veka. Vrlo brzo su reena sva najvanija teorijska pitanja i postavljeni osnovniprincipi nove (tiristorske) pretvarake tehnike.

Pronalaskom titistora i njegovim razvojem za velike struje i visoke napone, on je

praktino potpuno potisnuo sve do tada kori#ene tehnike i zajedno sa silicijumskomdiodom postao glavni element regulacije jednosmernog napona napona.

Dalji razvoj energetske elektronike iao je u smeru reavanja problema regulacijebrzine asinhronog motora. Prva reenja su se zasnivala na kaskadi i regulaciji brzinekliznokolutnog motora. Ovde se energija iz rotorskog kola, umesto da se troi naotporniku, vra#a u naizmeninu naponu mreu (Kramerova kaskada).

Posle toga razvijala se tehnika ciklokonvertora i regulacija brzine kaveznogasinhronog motora. U me%uvremenu se pojavio prekidaki tranzistor velike snage.Zahvaljuju#i njegovoj potpunoj upravljivosti ova oblast doivljava veliki razvoj

(tehnike skalarnog i vektorskog upravljanja) a tiristor ostaje samo u oblasti najve#ihsnaga.


3/201

U oblasti regulacije brzine jednosmerni motor gubi primat a preuzima ga jeftini ipouzdani kavezni asinhroni motor.

Paralelno sa primenom u oblasti regulacije brzine elektromotora, razvijale su se idruge oblasi primene tiristora. Danas iroka primena tiristora ostaje kod ispravljaa

za; pobudne sisteme sinhronih generatora, elektrolize, punjae akumulatorskihbaterija.

Prednosti prenosa elektrine energije jednosmernom strujom dovela je do primenetiristora i u ovoj oblasti. Najsnaniji pretvarai se koriste ba u prenosu elektrineenergije jednosmernom strujom (HVDC), gde se radi sa naponima od nekolikostotina kV i strujama redastotine ampera do oko 1 kA.

U naoj zemlji, ova oblast se izuava u okviru predmeta energetske elektronike naelektrotehnikim fakultetima, viim kolama, a u poslednje vreme i srednjimelektrotehnikim kolama. Naa literatura me%utim nije adekvatno pratila ovu oblast.U me%uvremenu su dole i nove vrste pretvaraa zasnovane na snanim prekidakimtranzistorima a oblast tiristorskih pretvaraa je skoro postala neto prevazi%eno ineatraktivno.

Ova knjiga je nastala kao pokuaj da se ne preskoi itava tehnoloka generacijatiristorskih pretvaraa i da na naem jeziku ostane pisani trag o njima.

Pretvarai sa tranzistorima kao prekidakim elementima, detaljno su opisani uknjizi Tranzistorski pretvarai snage. Izlaskom i Tiristorskih pretvaraa, zaokruujese oblast pretvaraa energetske elektronike. U tom smislu ove dve knjige treba

posmatrati kao jednu celinu.Pri pisnju knjige namera je bila da se obuhvate sva najvanija pitanja iz ove

oblasti. Iako nije pra#en program predmeta energetske elektronike, nadam se da onamoe korisno da poslui strudentima i inenjerima koji izuavaju ovu materiju, ali isvima ostalima koji se praktino bave tiristorskim pretvaraoma.

Na kraju elim da se zahvalim svima koji su na bilo koji nain pomogli da ovaknjiga bude izdata. Me%u njima posebno bih istakao kolege Z. Risti#a, ......

Bor, jula 2004. godine Autor


4/201

S A D R A J

1. Poluprovodnike komponente _________________________________________________ 7

1.1. Diode _________________________________________________________________ 7

1.1.1. Statike karakteristike diode________________________________________ 71.1.2. Dinamike karakteristike diode_____________________________________ 9

1.2. Tiristori (SCR - slicon controlled rectifier) _________________________________ 101.2.1. Statike karakteristike tiristora ____________________________________ 111.2.2. Dinamike karakteristike tiristora__________________________________ 121.2.3. Redno i paralelno vezivanje dioda i tiristora ________________________ 13

1.3. Gto tiristor ___________________________________________________________ 16

1.4. Dijak ________________________________________________________________ 17

1.5. Trijak________________________________________________________________ 182. Osnovna kola sa diodama i ti r istorima__________________________________________ 19

2.1. Impedansa (Z) napajana naizmeni%nim naponom ___________________________ 19

2.2. Otpornost napajana preko diode _________________________________________ 20

2.3. Otpornost napajana preko tiristora _______________________________________ 20

2.4. Impedansa (Z) napajana preko tiristora i diode_____________________________ 21

2.5. Induktivnost napajana preko tiristora i diode ______________________________ 22

2.6. Elektromotorna sila u kolu ______________________________________________ 23

2.7. Paralelna veza kondenzatora i otpornika __________________________________ 24

2.8. Zamajna dioda i proces nagomilavanja energije ____________________________ 26

2.9. Magne'enje transformatora za ispravlja%sa jednom diodom__________________ 29

3. Fazno upravljani pretvarai __________________________________________________ 35

3.1. Polutalasno ispravljanje ________________________________________________ 373.1.1. Monofazno polutalasno ispravljanje________________________________ 373.1.2. Ispravljanje sa diodama (zanemarena komutacija)___________________ 393.1.3. Ispravljanje sa diodama (prisutna komutacija) ______________________ 41

3.1.4. Ispravljanje sa tiristorima (zanemarena komutacija)_________________ 433.1.5. Ispravljanje sa tiristorima (Prisutna komutacija) ____________________ 443.1.6. Komutacija ______________________________________________________ 463.1.7. Ispravljasa zamajnom diodom ___________________________________ 493.1.8. Granica diskontinualne struje______________________________________ 51

3.2. Polutalasni ispravlja%i __________________________________________________ 533.2.1. Dvofazni polutalasni diodni ispravlja _____________________________ 53

3.2.1.1. Omsko optere#enje___________________________________________ 543.2.1.2. Preteno induktivno optere#enje (L>>)_________________________ 56

3.2.1.3. Izbor dioda ispravljaa________________________________________ 593.2.1.4. Konstrukcija pu-pull transformatora __________________________ 59


5/201

3.2.2. Dvofazni polutalasni tiristorski ispravlja __________________________ 593.2.3. Trofazni polutalasni diodni ispravlja______________________________ 633.2.4. Trofazni polutalasni tiristorski ispravlja___________________________ 683.2.5. estofazni polutalasni diodni ispravlja ____________________________ 73

3.2.6. estofazni polutalasni tiristorski ispravlja

_________________________ 763.3. Punotalasni (mostni) ispravlja%i __________________________________________ 77

3.3.1. Neupravljivi mostni ispravljai____________________________________ 783.3.1.1. Monofazni neupravljivi mostni ispravlja(2-pulsni)_____________ 783.3.1.2. Trofazni neupravljivi mostni ispravlja(6-pulsni)_______________ 813.3.1.3. Sekundar transformatora spregnut u trougao____________________ 843.3.1.4. Dvostruki trofazni neupravljivi mostni ispravlja(12-pulsni)_____ 86

3.3.2. Poluupravljivi mostni ispravljai __________________________________ 893.3.2.1. Monofazni poluupravljivi mostni ispravlja(2-pulsni)___________ 90

3.3.2.2. Trofazni poluupravljivi mostni ispravlja(3-pulsni)_____________ 913.3.2.3. Dvostruki trofazni poluupravljivi mostni ispravlja(6-pulsni)____ 93

3.3.3. Punoupravljivi mostni ispravljai__________________________________ 953.3.3.1. Monofazni punoupravljivi mostni ispravlja(2-pulsni)__________ 953.3.3.2. Trofazni punoupravljivi mostni ispravlja(6-pulsni) ____________ 963.3.3.3. Trofazni punoupravljivi mostni ispravljai sa zamajnim diodama_ 983.3.3.4. Dvostruki trofazni upravljivi mostni ispravlja(12-pulsni)______ 100

3.4. Rezime o transformatorima i ispravlja%ima _______________________________ 102

3.5. #etvorokvadrantni pretvara%i __________________________________________ 104

3.5.1.1. Antiparalelne veze___________________________________________ 1043.5.1.2. Unakrsne (krstaste) veze_____________________________________ 107

3.6. Ciklokonvertori ______________________________________________________ 109

4. Harmonici, naponi , struj e i snage ____________________________________________ 113

4.1. Furijeov red _________________________________________________________ 1144.1.1. Harmonijska analiza napona i struja ispravljaa____________________ 115

4.2. Izlazni napon ________________________________________________________ 1164.2.1.1. Karakteristike jednosmernog izlaznog napona _________________ 118

4.2.2.

Izlazna struja ispravljaa_________________________________________ 120

4.2.2.1. Karakteristike jednosmerne izlazne struje _____________________ 1214.2.3. Ulazna struja ispravljaa_________________________________________ 121

4.2.3.1. Karakteristike naizmenine ulazne struje______________________ 1254.2.4. Snaga ispravljaa________________________________________________ 125

4.2.4.1. Izlazna snaga _______________________________________________ 1254.2.4.2. Ulazna snaga ispravljaa_____________________________________ 1264.2.4.3. Reaktivna snaga_____________________________________________ 1274.2.4.4. Faktor snage________________________________________________ 129

5. Prisil na komutacija tir istora ioperi __________________________________________ 131

5.1. Paralelno blokiranje bez pomo'nog tiristora ______________________________ 132


6/201

5.1.1. Napajanje omskog optere#enja ___________________________________ 1325.1.2. Napajanje kola sa L>> i zamajnom diodom________________________ 134

5.2. Paralelno blokiranje sa jednim pomo'nim tiristorom _______________________ 137

5.3. Paralelno blokiranje sa dva pomo'na tiristora_____________________________ 140

5.4. Redno blokiranje sa jednim pomo'nim tiristorom__________________________ 141

5.5. Regulacija brzine elektromotora ________________________________________ 1415.5.1. Regulacija brzine motora za jednosmernu struju ___________________ 143

6. Pretvarai naizmeninog napona_____________________________________________ 145

6.1. Ciklokonvertori ______________________________________________________ 145

6.2. Monofazni regulatori naizmeni%nog napona_______________________________ 1466.2.1. Omsko optere#enje______________________________________________ 1476.2.2. Induktivno optere#enje___________________________________________ 149

6.2.3. Redna veza otpornosti i induktivnosti_____________________________ 1506.2.4. Parelelna veza otpornosti i induktivnosti __________________________ 1516.2.5. Regulacija jednosmernog napona_________________________________ 1536.2.6. Regulacija sa primarne strane trensformatora______________________ 1536.2.7. Regulacija brzine univerzalnog motora____________________________ 155

6.3. Regulatori trofaznog napona ___________________________________________ 156

7. Autonomni invertori _______________________________________________________ 159

7.1. Strujni invertori ______________________________________________________ 1617.1.1. Osnovne konfiguracije___________________________________________ 1627.1.2. Invertori sa povratnim diodama___________________________________ 1687.1.3. Induktivno optere#enje invertora__________________________________ 1727.1.4. Primena invertora u induktotermiji________________________________ 172

7.2. Trofazni invertori__________________________________________________ 174

7.3. Naponski invertori ____________________________________________________ 1757.3.1. McMarijev invertor______________________________________________ 1757.3.2. McMari - bedfordov invertor_____________________________________ 1787.3.3. Promena izlaznog napona invertora_______________________________ 179

8. Kola za upravlj anj e i zati tu _________________________________________________ 1838.1. Upravlja%ke karakteristike tiristora _____________________________________ 183

8.2. Drajverska kola ______________________________________________________ 184

8.3. Fazno upravljanje pomo'u dijaka _________________________________________ 186

8.4. Fazno upravljanje primenom intergisanih kola ____________________________ 1878.4.1. Upravljanje pomo#u operacionih pojaavaa ______________________ 1878.4.2. Integrisano kolo TCA 780________________________________________ 1938.4.3. Integrisano kolo SL440__________________________________________ 197

8.4.4. Zatita dioda i tiristora___________________________________________ 199L I T E R A T U R A ___________________________________________________________ 201


7/201

R. Radeti# Tiristorski pretvarai

7

1. POLUPROVODNI#KE KOMPONENTEU ovom delu, bi#e prikazane najvanije elektrine karakteristike poluprovodnikih

komponenata koje se primenjuju kod tiristorskih i diodnih pretvaraa u energetskojelektronici. Tako #e ovde biti obuhva#ene diode, tiristori, GTO, trijaci i dijaci.

Tranzistori su detaljno obra%eni u poseboj knjizi, tako da ovde ne#e biti analizirani.

1.1. DIODE

1.1.1. STATI#KE KARAKTERISTIKE DIODE

Dioda je element koji praktino proputa struju samo u jednom smeru i zbog toganalazi iroku primenu u energetskoj elektronici. Osnovna primena je kod ispravljaa,ali se praktino koristi kod svih vrsta pretvaraa energetske elektronike.

Teorijskom analizom p-n spoja, dobijena zavisnost napona diode od struje je:

+

+= 1ln025,01ln

00 I

I

I

I

q

kTU ddd

Id Struja diode

k Bolcmanova konstanta (1,3810-23J/K)T Apsolutna temperaturaq Elementarno naelektrisanje (1,610-19C)I0 Inverzna struja zasi#enja diode

Prethodna relacija moe se izraziti po struji, i dobija se:

( )11 4000

= UkT

qU

d eIeII

Inverzna struja zasi#enja (I0)udvostruava se sa porastomtemperature od oko 100C, i uodnosu na neku polaznu (I01)iznosi:

10010

1

2)(TT

ITI

Zbog pove#anja inverzne struje sa porastom temperature, smanjuje se direktni pad

napona, tako da je temperaturni koeficijent napona negativan (oko -2 mV/0C). Ovaj

sl. 1-1.


8/201

R. Radeti# 1. Poluprovodnike komponente

8

negativan temperaturni koeficijent je nepovoljan pri paralelnom vezivanju dioda, imoe da dovede do termike nestabilnosti.

Navedeni izrazi veoma dobro odgovaraju stvarnom stanju pri malim strujama. Koddioda za ve#e struje, dolaze do izraaja i drugi uticaji kao to je aktivna otpornost

prikljuaka i sli

no.Za oznake prema sl. 1-1a, statika karakteristika jedne realne diode, prikazana je

na sl. 1-1b. Da bi se videle odgovaraju#e vrednosti, razmera na osama za napon istruju u direktnom i inverznom smeru je razliita.

Navedeni matematiki izrazi se bolje uklapaju kod dioda pri manjim strujama. Kodvelikih struja ne mogu se zanemariti omske otpornosti spojnih vodova, tako da su

padovi napona neto ve#i.Pri analizi kola sa diodama uzimanje stvarne karakteristike i njihovih matematikih

izraza postaje komplikovano i u jednostavnim sluajevima, pa se takva analizaobino sprovodi grafiki. U komplikovanijim sluajevima ni to nije izvodljivo pa se u

praksi koriste idealizovane karakteristike diode. Idealizacija se sastoji u tome da senelinearnost aproksimira linearnim segmentima. Na sl. 1-2a,b,c, prikazane su trilinearne aproksimacije.

Aproksimacija pod -a, vrlo je priblina stvarnoj karakteristici, ali je za praksudovoljno tano raditi sa aproksimacijama pod -b ili -c.

Najednostavnija analiza nekog kola sa diodama dobija se aproksimacijom pod -b.Ova aproksimacija uzima diodu kao idealnu i potpuno zanemaruje pad napona u

provodnom smeru i primenljiva je kada je ulazni napon mnogo ve#i od pada naponana diodi (bar nekoliko desetina volti).Kada se analizira zagrevanje i raunaju gubici, koristi se aproksimacija pod -c.

Ovde se smatra da je pad napona na diodi u provodnom smeru konstantan i nezavisanod struje. Obino se uzima da je njegova vrednost oko 0,7 V (male struje) do 1 V (prive#im strujama).

Probojni inverzni napon se uzima u obzir samo pri izboru diode a u analizama radapretvaraa se zanemaruje.

sl. 1-2


9/201


9

1.1.2. DINAMI#KE KARAKTERISTIKE DIODE

Me%usobna zavisnost struje i napona diode, zavisi od vrste optere#enja. Vremenskidijagrami struja i napona prikazani su na sl. 1-3.

- #isto omsko optere'enjePri trenutnom uspostavljanju direktnog

napona napajanja, kod isto omskogoptere#enja struja bi trebala da ima isti oblik.Me%utim u diodi jo ne postoje formiranislobodni nosioci naelektrisanja, tako da sedirektni napon diode za trenutak poraste skorodo punog napona napajanja i onda opadne nastacionarnu vrednost.

Pri trenutnom uspostavljanju inverznognapona napajanja, dioda nastavlja da provodiskoro nesmanjenim intenzitetom. Nastajeizvlaenje slobodnih nosilaca naelektrisanja iz

p-n spoja i uslovi za provo%enje struje polakoprestaju, a inverzni napon naglo raste.

- Induktivno optere'enje

Kod induktivnog optere#enja interesantanje prestanak vo%enja diode. Oblik ovekarakteristike, tako%e je prikazan na sl. 1-3.

Vreme vo%enja struje u suprotnom smeru(trr) nazivamo oporavkom diode i premanjemu, diode se dele na spore i brze. Brzoopadanje struje u inverznom smeru (vreme tbna sl. 1-3.), na induktivnosti u kolu moe daizazove kratke i otre inverzne prenapone (sl.1-4.). Zbog toga se ponekad paralelno sadiodom stavlja R-C lan.

Spore diode imaju oporavak viemikrosekundi (i desetina mikrosekundi) i

primenjuju se na niskim frekvencijama(mrene frekvencije). Kod brzih diodaoporavak moe biti kra#i od jednemikrosekunde.

Svojom brzinom naroito se istiu otkidiode kod kojih je vreme oporavka redadesetine nanosekundi. Pored brzine, kod njih

je i direktni pad napona nii od standardnih(do 0,5 V), tako da imaju manje statike

sl. 1-3.

sl. 1-4.


10/201


10

gubitke snage. Me%utim i inverzni naponi su im veoma niski (svega nekoliko desetinavolti), tako da su primenljive kod ispravljanja najniih napona.

Dinamike karakteristike naroito dolaze do izraaja pri viim frekvencijamakakve imamo na primer kod autonomnih tranzistorkih invertora.

Kod mrenih ispravljaa dinami

ke karakteristike diode nisu od ve

#eg zna

aja.

Udarna struja - Slede#a vana karakteristika diode je udarna struja koja sa daje uobliku strujnog impulsa (I2t). Svaki udar velikom strujom ostavlja posledice na diodutako da posle vie ponovljenih udara moe do#i i do njenog ote#enja. Ovakarakteristika diode vana je kod izbora zatite (ultrabrzih osiguraa)

1.2. TIRISTORI (SCR - SLICON CONTROLLED RECTIFIER)

Tiristor je etvoroslojna poluprovodnika komponenta sa izvedene tri elektrode.

Pored anode (A) i katode (K) postoji i upravljaka elektroda (gejt - G).Pojava tiristora, krajem pedesetih godina (1956. Belove laboratorije), omogu#ila je

izradu regulisanih ispravljaa i drugih vrsta pretvaraa, tako da su veoma brzopotisnuli do tada kori#ene transduktore.

Za razliku od diode tiristor ne vodi odmah sa uspostavljanjem direktnog naponaizme%u anode i katode, ve# tek po dovo%enju upravljakog impulsa na gejt. Vo%enjetraje sve dok se na njemu ne pojavi inverzan napon, pri emu se pojavi kratkotrajnainverzna struja i tiristor prestaje da vodi (tiristor se gasi).

Nemogu#nost gaenja tiristora u svakom trenutku ini tiristor nepotpuno

upravljivim elementom. Pokuaji da se on iskljuiimpulsom na upravljakoj elektrodi doveli su dotakozvanog tiristora tipa GTO (gate turn off). Kodnjega je postignuto gaenje impulsom na gejtu alitek sa veoma velikom jainom struje (uporediva sastrujom tiristora).

Nepotpuna upravljivost tiristora inicirala jerazvoj i drugih komponenata sa boljim dinamikimkarateristikama. Ovde se u prvom redu misli na

bipolarne, MOSFET i IGBT tipove tranzistora.Me%utim tiristori i dalje ostaju nezamenljivi udomenu primene kod pretvaraa najve#ih snaga.

Na sl. 1-5, prikazani su vremenski dijagraminapona i struje na otporniku napajanom mrenimnaponom preko tiristora. Okidni impulsi na gejtusinhronizovani su sa mrenim naponom tako da jeugao ukljuenja () tiristora konstantan.

Mogu#nost regulacije napona je osnovnaprednost tiristora u odnosu na diodu i razlognjegove iroke primene u energetskoj elektronici.sl. 1-5.


11/201


11

1.2.1. STATI#KE KARAKTERISTIKE TIRISTORA

Na sl. 1-6. prikazana jestatika karakteristika tiristora.Inverzni deo karakteristike jeslian diodi.

Kod direktne polarizacijestruja tiristora zavisi od naponaali i od struje upravljakeelektrode (gejta). Sa

pove#anjem napona strujatiristora raste veoma sporo, svedok pri nekom naponu tiristor

ne postane provodan (ukljuuje se). Napon ukljuenja se

smanjuje sa pove#anjem struje gejta. Kada tiristor provede,struja praktino zavisi samo od spoljneg kola i tiristor se dalje

ponaa slino diodi (sl. 1-7.).U stanju provo%enja, pad napona je reda jednog volta.

Proizvod ovog napona i struje, predstavlja snagu gubitakaprovo%enja tiristora (statiki gubici). Pored statikih, postoje idinamiki gubici. Oni se pojavljuju pri ukljuenju i iskljuenjutiristora. Dinamiki gubici proporcionalni su frekvenciji. Kodniskih frekvencija, statiki gubici su dominantni po veliini.

Da bi se tiristor ukljuio potrebno je da struja bude ve#a odtakozvane struje prihvatanja (latching current - IL). Veliinastruje prihvatanja kre#e se od oko 150 mA (za tiristore reda 10 A) do oko oko 1,5 A(za tiristore reda 1000 A).

Pri smanjenju struje, u jednom trenutku tiristor ponovo postaje neprovodan. Ovaminimalna struja naziva se i struja dranja (holding current - IH). Ispod ove strujetiristor se blokira (iskljuuje). Veliina struje dranja kre#e se od oko 80 mA (zatiristore reda 10 A) do oko 0,5 A (za tiristore reda 1000 A).

Odnos struja prihvatanja i dranja je oko 2

do 3, tako da izme%u struja uklju

enja iiskljuenja postoji izvestan histerezis.

Okidni impuls na gejtu mora imatidovoljan napon i struju da bi se tiristorukljuio pri svim radnim uslovima.Karakteristike komande tiristora odre%enogtipa se me%usobno razlikuju (rasipaju) azavise i od temperature. Na sl. 1-8. prikazanesu granine karakteristike unutar kojih seukljuuju praktino svi tiristori odre%enogtipa. Stvarni okidni impuls mora biti unutar

sl. 1-6.

sl. 1-7.

sl. 1-8.


12/201


12

ovog opsega. Ovde jo postoji i ogranienje snage disipacije gejta (hiperbola snage)tako da se ne sme uzeti previe jak impuls koji bi mogao da razori spoj gejta.

Struja gejta obino je reda 50 mA za male tiristore, do nekoliko stotina miliamperaza velike. Trajanje impulsa treba da bude nekoliko desetima mikrosekundi. Kod

ukljuenja induktivnog tereta, impuls treba da traje sve dok struja optere

#enja nepremai vrednost struje prihvatanja (IL).

1.2.2. DINAMI#KE KARAKTERISTIKE TIRISTORA

Uklju%enje tiristora

Dinamike karakteristike predstavljaju vremenakarakteristina za ukljuenje (turn-on time) i iskljuenje tiristoraturn-off time).

Na sl. 1-9, prikazani su vremenski dijagrami napona i struje

pri ukljuenju tiristora. Karakteristina vremena su:

tz vreme kanjenja ukljuenja (reda 1s)tp vreme porasta struje (nekoliko s)ton vreme ukljuenja

Slede#a vana karakteristika kod ukljuenja je i brzina porastastruje (di/dt). Impuls na gejtu aktivira odre%enu zonu na kristalutiristora. Ova zona se vremenom iri na celu povrinu. Ako jeoptere#enje isto omsko ili kapacitivno, struja pri ukljuenju

veoma brzo raste i njena gustina na aktiviranom delu povrinemoe biti previsoka tako da moe do#i do razaranja tog delakristala i trajnog ote#enja tiristora. Tipine vrednosti brzine porasta struje su oko 100A/s. Na mestima gde je to kritino, na red sa tiristorom dodaje se mala induktivnost.

Tiristor moe da se ukljui i zbog brzog porasta direktnog napona (du/dt). Razlogje parazitna kapacitivnost anode prema gejtu (Cag). Zbog toga se tiristori dele i premabrzini porasta ovog napona. Tipine vrednosti su su u opsegu od 200 do 1000 V/s.Ovakvo ukljuenje je neeljeno i donekle moe da se ublai dodavanjem R-C lana

paralelno tiristoru.

Isklju%enje tiristoraSlika sl. 1-10, prikazuje vremenske dijagrame

struje i napona tiristora pri iskljuenju.Kao i kod diode, i ovde se pojavljuje inverzna

struja i vreme oporavljanja (trr). Povrinaograniena inverznom strujom tiristora

predstavlja koliinu naelektrisanja (Qrr).Me%utim tiristor nije spreman odmah da

prihvati i puni inverzni napon, ve# je potrebnoda pro%e dodatno vreme ija je minimalna

sl. 1-9.

sl. 1-10.


13/201


13

vrednost oznaena na sl. 1-10, kao tgr (gate recovery time). Zbir ova dva vremenapredstavlja vreme iskljuenja. Prema veliini ovog vremena tiristori se dele na spore ibrze. Vreme iskljuenja kod sporih tiristora je od 50 do 300 s, i oni se moguprimenjivati samo na mrenim frekvencijama. Kod brzih tiristora, ovo vreme je oko

10 s tako da se mogu primenjivati na frekvencijama do oko 10 kHz.Tokom procesa iskljuenja nastaju gubici. Integral proizvoda napona i strujetiristora tokom oporavljanja, predstavlja gubitak energije. Proizvod ove energije ifrekvencije je snaga gubitaka oporavljanja tiristora. Kod niskih frekvencijadominantni su gubici provo%enja ali kod visokih gubici oporavljanja postaju znaajni.

Granine vrednosti napona i struja dananjih tiristora su oko 5000 V i 5000 A. Saredno-paralelnim vezama, primenljivost se proiruje na jo ve#e vrednosti tako da sesa njima postiu i najve#e snage pretvaraa.

Pretpostavke i pojednostavljenja u analizi pretvara%a

U analizama rada pretvaraa tiristor #e biti posmatran kao bistabilni prekidakielement koji moe biti u stanju ukljuenosti ili iskljuenosti. Dalje #e biti uvedene

pretpostavke da su; struja prihvatanja (IL), dranja (IH), inverzna struja, i napon uprovodnom stanju, jednaki nuli. I kod dinamikih karakteristika #e se smatrati da suvremena ukljuenja i iskljuenja jednaka nuli osim u sluajevima gde je to drugaijenavedeno.

1.2.3. REDNO I PARALELNO VEZIVANJE DIODA I TIRISTORA

Diode i tiristori, primenjuju se kod pretvaraa u veoma irokom opsegu snaga.Najve#e jedinice danas prave se za struje od nekoliko kA i napon od nekoliko kV,

tako da se pojedinanim diodama i tiristorima mogu napraviti pretarai snaga redaMW. Zahtevi pojedinih pogona za jo ve#im strujama i naponima doveli su do

potrebe za njihovo redno i paralelno vezivanje.Najvii naponi kod kojih se danas koriste tiristori i diode su kod prenosa elektrine

energije jednosmernom strujom (HVDC) i iznose nekoliko stotina kV. Za tako visokenapone potrebno je i preko 200 tiristora vezati na red. Na ovaj nain zalazi se ugigavatno podruje snaga.

Veoma jake struje potrebne su kod velikih postrojenja elektrolize aluminijuma imogu biti i vie stotina kA, tako da je potrebno i preko sto paralelno vezanih tiristora(ili dioda).

Pri svemu ovome potrebno je posti#i uslove to ravnomernije raspodele napona(kod redne) i struja (kode paralelne veze) me%u njima i to kako u stacionarnom, tako iu prelaznom stanju. Tako%e, vano je i obezbe%enje uslova istovremenog ukljuenja

pojedinih tiristora, naroito kod paralelnog vezivanja.Veliki broj tiristora kod ovakvih pretvaraa oteava otkrivanje kvarova, pa se

razvijaju i tehnike za njihovu dijagnostiku.U daljem tekstu #e biti analizirani osnovni uslovi za rad u rednoj i paralelnoj vezi.


14/201


14

Redno vezivanje dioda i tiristora

Rednim vezivanjem dioda postie serad sa viim naponom. Pri tome se moravoditi rauna o pravilnoj raspodelinapona na njima kako u stacionarnom,tako i u tranzijentnom stanju.

Na sl. 1-11. prikazane su inverznekarakteristike dve redno vezane diode.

Diode se pri inverznoj polarizacijiponaaju kao veoma velika otpornost (reda vie megaoma). Zbog razlike inverznihkarakteristika dioda, i ove otpornosti se mogu znatno razlikovati. Poto u rednoj vezidiode imaju zajedniku struju, onda se i naponi na njima znatno razlikuju, tako da

jedna dioda moe da preuzme gotovo itav napon, a na drugoj on bude veoma nizak.

Ovaj problem se reava paralelnim vezivanjem otpornika dovoljno visokeotpornosti da ne predstavlja problem njihovo zagrevanje, a opet i dovoljno niske, dase pravilno raspodele naponi na diodama. Inverzne struje diode su jako zavisne odtemperature, tako da ove otpornosti treba da budu dovoljno male da ujednaeraspodelu napona i na povienoj temperaturi.

Zbog nejednake raspodele napona, mora se uzeti nia vrednost inverznog naponapo diodi (UD,R), od maksimalno dozvoljene (UD,R,MAX).

MAX,R,DR,D UU =

Za ukupan inverzni napon na grupi od n redno vezanih dioda (U), i ovaj snieninapon po diodi (UD,R), potreban broj dioda je:

MAX,R,DR,D U

U

U

Un

==

Stvarni broj dioda je prva ve#a celobrojna vrednost od ovako izraunate.Da bi se raspodela napona zadrala u opsegu od UD,R do UD,R,MAX i u

najnepovolnijem sluaju, otpornost paralelnih otpornika treba da je:

( )MAX,R

MAX,R,DA

I

U

n

nR = 11

IR,MAX Maksimalna inverzna struja diode

Maksimalne inverzne struje diode zavise od njihove veliine. Kod dioda za strujereda 100 A i ve#e, ova struja je reda 10 mA do 100 mA.

Prihvatljiva vrednost snienja inverznog napona je reda 10 % (=0,9).Otpornosti ovih otpornika su me%usobno jednake i obino iznose nekoliko kiloomado nekoliko desetina kilooma. Sa ovim otpornicima ukupna inverzna struja se

pove#ava na vrednosti od nekoliko mA do nekoliko desetina mA, a gubici naotpornicima su od nekoliko vati do nekoliko stotona vati.

sl. 1-11


15/201


15

Inverzne karakteristike tiristora sline su kao i kod dioda, tako da ovi zakljucivae i za njih. Na ovaj nain izjednaava se statika raspodela napona na rednovezanim diodama i tiristorima.

Kod tiristora se mora voditi rauna i o dinamikoj raspodeli napona tokom procesa

blokiranja i ukljuenja. Zbog nejednakih inverznih koli

ina elektriciteta (Qrr), neblokiraju se svi tiristori istovremeno. Da bi se ujednaila raspodela napona i u

prelaznom reimu, paralelno sa tiristorima se dodaju R-C lanovi (sl. 1-12).Kondenzatori se biraju tako da prihvate i najve#e razlike u Qrr i da pri tome

odstupanje napona od srednje vrednosi ne bude ve#a od U.

U

Q

U

QQC rr

MINrrMAXrr =

= ,,

U lit 1, preporuuje se i slede#i izraz:

)V(U)A(I)F(C

V

F10=

IF Struja kroz tiristor pre iskljuenja (A)

UV Maksimalno dozvoljeni inverzni napon (V)

Tipine kapacitivnosti ovih kondenzatora kre#u se odoko 0,1 F do 1 F.

Otpornik (RB) ograniava strujni impuls pranjenja kondenzatora pri ukljuenjutiristora. Njegova otpornost se bira prema maksimalno dozvoljenom impulsu struje.

MAX,C

MAX,CB

I

UR =

Tipine vrednosti ovih otpornika kre#u se od 5 do 50 .Snaga disipacije ovog otpornika, jednaka je energiji koju kondenzator prihvati i

isprazni u toku jedne sekunde.

2,MAXCUCfP =

Za ve#e frekvencije gubici postaju veliki, pa se ponekad koriste kondenzatorimalog kapaciteta (10 nF ...50 nF) a otpornici izostavljaju.

Paralelno vezivanje dioda i tiristora

Paralelnim vezivanjem dioda i tiristora postie se rad sa viimdirektnim strujama. Na sl. 1-13. prikazane su direktnekarakteristike dve paralelno vezane diode.

U paralelnoj vezi imamo zajedniki napon na diodama. Zbograzlike karakteristika raspodela struja moe biti veoma razliita.Problem bi se mogao reiti vezivanjem malih otpornosti na red sa

diodama, me%utim zbog velikih gubitaka na otpornicima ta tehnikase samo delimino primenjuje. Ova primena se sastoji u tome da se

sl. 1-12

sl. 1-13


16/201


16

pri konstrukciji vodi rauna o geometriji spojnih provodnika kojima se vezuju diode.Pored ovoga u paralelne grane stavljaju se i spregnute prigunice, reaktanse u obliku

pogodno oblikovanih spojnih vodova, feritnih prstenova oko provodnika i td.Dalje ujednaavanje raspodele struja postie se klasiranjem dioda i tiristora prema

direktnom padu napona. Samo one komponente sa malom razlikom napona (30 do 40mV) se vezuju paralelno.Zbog nejednake raspodele struja, mora se uzeti nia vrednost direktne struje po

diodi (ID), od maksimalno dozvoljene (ID,MAX).

MAX,DD II =

Za ukupnu struju na grupi od m paralelno vezanih dioda (I), i ovu snienu strujupo diodi (ID), potreban broj dioda je:

MAX,DD U

I

I

Im

==

Prihvatljiva vrednost snienja strujne opteretivosti dioda je reda 30 % (=0,7).Stvarni broj dioda je prva ve#a celobrojna vrednost od ovako izraunate.Nejednaka raspodela struja moe dovesti do temperaturne nestabilnosti, tako to se

dioda sa najve#om strujom greje vie od ostalih. Njen direktni pad napona se daljesmanjuje, tako da ona preuzima jo ve#u struji i jo vie se greje i td.

Kod tiristora u paralelnoj vezi mora se voditi rauna i o uslovima njihovogpaljenja, kako bi se svi tiristori istovremeno doveli u stanje provo%enja(deblokiranja). Tiristor koji je prvi proveo oborio je napon i na ostalima, tako da se i

brzina njihovog ukljuenja smanjila. Taj tiristor je preuzeo svu struju na sebe (dodeblokiranja ostalih), to moe da dovede do njegovog ote#enja.

1.3. GTO TIRISTOR

Veliki nedostatak tiristora je to ne moe da se iskljui u bilo kom trenutku. Da bise iskljuio, potrebno je da se na njegove krajeve (A i K) dovede inverzni napon uvremenu duem od toff. U protivnom on nastavlja da provodi sve dok je direktno

polarisan. Ovaj nedostatak je inicirao razvoj nove klase tiristora koji se mogu

iskljuiti inverznim strujnim impulsom na gejtu, takozvani GTO (Gate Turn Off)tiristor. Razvoj ovih tiristora jo nije dostigao eljene efekte i danas se postiglo da jejaina inverzne struje na gejtu reda oko 20 ... 30% od izlazne struje, to je jo uvekjako velika vrednost. Me%utim zbog niskog napona na gejtu, snaga ovog impulsa jerelativno mala.

Sa mogu#no#u ukljuenja i iskljuenja preko upravljake elektrode (gejta), GTOspada u grupu potpuno upravljivih prekidakih elemenata. U tom pogledu, GTO jenajsnaniji prekidaki upravljivi element.

Prema maksimalnom naponu i struji, GTO malo zaostaje za tiristorom, ali

napredak tehnologije stalno pove#ava njegove mogu

#nosti. U ovom trenutku se stiglodo oko 4000 V i 3000 A, dok su granine vrednosti kod tiristora ve#e za oko 30 %.


17/201


17

U provodnom stanju GTO ima pad napona 2,5 ...3,5V, a samim tim i ve#e gubitke od klasinogtiristora, pri istoj struji.

U pogledu brzine ukljuenja, GTO je sporiji od

klasinog tiristora i njegovo vreme uklju

enja je reda10 s a struja ukljuenja skoro deset puta ve#a (oko 1

A za GTO struje 300 A).Pri iskljuenju, GTO je uporediv sa brzim

tiristorima. Zbog ve#e brzine iskljuenja, radismanjenja prenapona i komutacionih gubitaka,

paralelno sa GTO dodaju se snaberska kola. U kolimagde je to potrebno, radi smanjenja brzine porastastruje (di/dt), na red se dodaju male induktivnosti.

Na sl. 1-14. prikazano je upravljako kolo za GTO.Preporuuje se da na gejtu u iskljuenom stanju

postoji stalni negativni napon. Time se pove#avaimunitet prema nekontrolisanom ukljuenju zbognaglih promena napona, smetnji iz mree i slino. Uukljuenom stanju ovaj napon nema dovoljnu snaguda iskljui tiristor.

Iskljuenje se postie pranjenjem kondenzatorapreko primara transformatora. Prenosnim odnosomtransformatora obezbe%uje se dovoljna jaina strujegejta za gaenje tiristora.

Na sl. 1-15. prikazani su tipini oblici naponaUAK, anodne (IA), katodne (IK) i struje gejta (IG), priiskljuenju. Dovo%enjem struje za gaenje tiristorana gejt (IG) smanjuje se katodna struja dok anodnaostaje nepromenjena. Kada se iz gejta izvuedovoljno naelektrisanja, tiristor poinje da se blokirai anodna struja pada a napon (UAK) poinje da raste.U jednom trenutku katodna struja postaje negativna i

sva anodna struja se zatvara preko gejta. Napon zatrenutak opadne i zatim nastavi rast do konanog blokiranja tiristora (toff).

Kao potpuno upravljiv prekidaki element, GTO nalazi primenu kod opera velikihsnaga, invertora, i td. Sa daljim razvojem tehnologije i poboljanjem karakteristikaGTO #e nalaziti sve iru primenu kod pretvaraa najve#ih snaga.

1.4. DIJAK

Dijak (Silicon Bi-directional Trigger Device) je petoslojna poluprovodnika

komponenta sa izvedene dve elektrode (A1i A2).

sl. 1-14.

sl. 1-15.


18/201


18

Naponsko strujna karakteristika muje takva da praktino ne provodi strujudo probojnog napona. Struja pri kojojdolazi do probija (IB) je maksimalno

reda 50 A a veliina probojnognapona od oko 28 do 36 V (tipino oko

32 V). Probojni napon je priblinojednak za oba polariteta napona (razlikamanja od 10 %) a temperaturnazavisnost mu je oko 0,1 %/K.

Tipina karakteristika dijaka prikazana je na sl. 1-16.Dijak je element male snage i koristi se uglavnom u upravljakim kolima za

dobijanje sinhronih okidnih impulsa. Sa njim se, na primer, veoma jednostavnodobijaju okidni impulsi za faznu regulaciju napona sa trijakom.

1.5. TRIJAK

Trijak je petoslojna poluprovodnika komponenta sa izvedene tri elektrode (A1, A2i G). Naponsko strujna karakteristika mu je donekle slina onoj kod tiristora. Zarazliku od njega trijak ima simetrinu karakteristiku za oba polariteta napona. Posvojoj funkciji trijak je ekvivalentan dvama tiristora vezanih u antiparalelu, tako dasvakim od njih moe da se upravlja u njegovoj poluperiodi. Tipina karakteristikadijaka prikazana je na sl. 1-17.

Trijak se primenjuje za regulaciju naizmeninog napona. Tipine primene su muregulacija snage grejaa, regulacija jaine svetla kod sijalica sa uarenim vlaknom,regulacija brzine obrtanja univerzalnog motora i td.

Pri radu u kolu sa naizmeninim naponom, pri prolasku struje kroz nulu, trijak segasi ali napon odmah menja polaritet, tako da su uslovi za oporavak znatnonepovoljniji nego kod tiristora. Ovo je naroiti izraeno kod induktivnih optere#enja.Zato se trijak ne moe primeniti na viim frekvencijama. Obino se primenjuje samona mrenoj frekvenciji. Naje#e se sre#e za struje do nekoliko desetina ampera, ali

postoje i jedinice od vie stotina

ampera.Ukljuenje trijaka u obepoluperiode moe se vritistrujnim impulsima istog ilisuprotnog polariteta. Proizvo%aitrijaka daju vrednosti minimalnestruje gejta za sve etiri mogu#ekombinacije polariteta napona na

prikljucima (A1 i A2) i smerastruje gejta (IG).

sl. 1-16.

sl. 1-17.


19/201


19

2. OSNOVNA KOLA SA DIODAMA I TIRISTORIMA

Jednosmernim izlaznim naponom ispravljaa napaju se razliite vrste troila. Stalnipratioci su aktivne (omske) otpornosti, a pored nje u kolu mogu biti i induktivnosti,kapacitivnosti. Veoma vana oblast primene ispravljaa je napajanje motora

jednosmerne struje. Tada se pored otpornosti i induktivnosti u kolu nalazi iindukovana elektromotorna sila. Svaka od ovih vrsta optere#enja u kombinaciji saispravljaem daje odgovaraju#e oblike napona i struja. U ovom delu #e biti

analizirano ponaanje pojedinih vrsta optere#enja u najjednostavnijem slu

ajunapajanja preko samo jedne diode. Neki od dobijenih zakljuaka bi#e kasnije

primenljivani u analizi pojedinih vrsta ispravljaa.

2.1. IMPEDANSA (Z) NAPAJANA NAIZMENI#NIM NAPONOM

Potsetimo se za poetak kako se ponaa redna veza otpornosti i induktivnosti(impedansa), pri napajanju iz mree naizmeninog napona sinusnog oblika (sl. 2-1.).

Za ovo kolo vae relacije:

tUu sin2=

( ) = tZ

Ui sin

2

( )22 LRZ +=

R

L arctg=

Efektivna vrednost struje je:

( )22 LR

U

Z

UI

+==

U svim daljim razmatranjima,podrazumeva#e se da je ulazni naponnaizmenini sinusoidalnog oblika.

sl. 2-1.


20/201

R. Radeti# 2. Osnovna kola sa diodama i tiristorima

20

2.2. OTPORNOST NAPAJANA PREKO DIODE

Posmatrajmo sada napajanje otpornosti preko diode(sl. 2-2). Napon na otporniku sadri samo jednu

(pozitivnu) poluperiodu, tako da ovakvo ispravljanjenazivamo polutalasnim.Srednja vrednost napona na otporniku je:

UUdtuT

UT

RSRR == 45,0211

0,

A njegova efektivna vrednost:

SRR

T

RR UUU

dtu

T

U ,0

2 57,1707,0

2

1==

Struja ima isti oblik kao i napon, pa su srednja i efektivna vrednost:

- Srednja vrednost:

R

U

R

Udt

R

i

Tdti

TI

SRRT

RT

RSR 45,011 ,

00

===

- Efektivna vrednost:

SR

SRRSRRRT

RR IR

U

R

U

R

U

R

U

dtiTI ==== 57,157,1221 ,,

0

2

2.3. OTPORNOST NAPAJANA PREKO TIRISTORA

Ako se otpornost napaja preko tiristora, oblik napona istruje su kao na sl. 2-3.

Srednja vrednost napona na otporniku je:

( ) ( )

cos1

2

2sin

2

2, ==

Uttd

UU SRR

Pri =0 tiristor je ukljuen celu pozitivnu poluperiodui ponaa se kao dioda. Ako taj napon oznaimo UR,SR,0,srednja vrednost napona na otporniku pri uglu je:

( )cos10,,, = SRRSRR UU

Efektivna vrednost ovog napona je:

( ) ( ) ( )

2sin2

1sin2

2

1 2+==

UtdtUU

R

sl. 2-2.

sl. 2-3.


21/201


21

Kada je =0, ispravlja se cela poluperioda i efektivna vrednost napona je kao i usluaju diode:

2

UUR=

Vidi se da su srednja i efektivna vrednost napona pri >0, manje nego u sluajudiode. Ove vrednosti napona se mogu regulisati jednostavno promenom uglaukljuenja tiristora () i to u granicama od nule do punog ispravljenog napona (napondiodnog ispravljaa).

Struja u otporniku je istog oblika kao i napon, tako da i za nju vae sline relacije.

2.4. IMPEDANSA (Z) NAPAJANA PREKO TIRISTORA I DIODE

Posmatrajmo sada rednu vezu otpornosti induktivnosti napajanu preko tiristora (sl.

2-4). Od trenutka kada se tiristor ukljui (pri uglu ), jedna

ina kola je:

dt

diLRiu +=

Za napon oblika:

tUu sin2= i poetni uslov: i(/)=0

Reenje jednaine je:

=+=

/

)sin()sin(

2 t

DCAC etZ

U

iii

vremenska konstanta kola (=L/R)

Rezultat se odnosi samo na pozitivnu vrednost struje(i0) tako da je interval vremena:

t

ugao ukljuenja (upravljanja) tiristora ugao iskljuenja uglao vo%enja tiristora (=-)

Struja pada na nultu vrednost u negativnom delupoluperiode (>). U intervalu ugla od do , naponje negativan a struja pozitivna, tako da je snaganegativna. Sada energija ima suprotan smer to znaida se energija nagomilana u induktivnosti vra#a unaponju mreu. Zbog zalaska u negativni deo

poluperiode, srednja vrednost napona na izlazu jemanja nego u sluaju iste otpornosti (prethodnisl. 2-4.


22/201


22

sluaj).Poev od ugla , pa do ukljuenja u slede#oj periodi struja se prekida (jednaka je

nuli). U narednim periodama, proces se ponavlja na isti nain.Srednja vrednost ispravljenog napona postoji samo na otporniku i iznosi:

SRSR IRU = Napajanje preko tiristora je optiji sluaj koji u specijalnom sluaju (=0)

obuhvata i oblik struje pri napajanju preko diode.Pri L=0, oblici napona i struja postaju kao u prethodnom sluaju (napajanje iste

otpornosti)

2.5. INDUKTIVNOST NAPAJANA PREKO TIRISTORA I DIODE

Posmatrajmo sada idealizovan sluaj gde se induktivnost (R=0) napaja preko

tiristora. Tiristor se ukljuuje pri uglu (trenutak /). Struja u trenutku ukljuenjajednaka je nuli. Reenje ovog problema je sadrano u prethodnom sluaju i samo gatreba posmatrati pri R=0. Naizmenina komponenta (iAC) kasni za naponom za 90

0.Jednosmerna (iDC) komponenta je konstantna, tako da je ukupna struja pozitivni deosinusoide pomerene za vrednost iDC(sl. 2-5.).

Trenuta vrednost napona na induktivnosti je:

dt

diLuL=

Za ulazni napon oblikatUu sin2=

Struja je:

)cos(cos2

tL

Ui

=

Srednja vrednost napona na induktivnosti je:

0

1 0

00, === dtT

L

dtdt

di

LTU

T

LSR

To znai da su pozitivna i negativna povrine na sl. 2-5. jednake.Pri =900, pojavljuje se cela pozitivna poluperioda struje.U graninom sluaju =0 (dioda), struja postaje kontinualna tokom cele periode

kao na sl. 2-6.Trenutna vrednost struje je:

)cos1(2

tL

Ui

=

sl. 2-5.


23/201


23

Ovo je idealan sluaj i u praksi se kontinualnost struje sa ovakvim ispravljaem nemoe posti#i.

Ovde naizmenina komponenta struje kasniza 900za naponom. Jednosmerna komponenta je

jednaka amplitudi naizmenine i konstantna,tako ukupna struja sada postaje kontinualna.

Izlazni napon je naizmenini sa nultomsrednjom vredno#u. U praksi se ovo ne moe

posti#i jer uvek postoji aktivna otpornost (R) igubici snage. Drugi razlog je inverzni napon nadiodi (oko 1 V) to stvara dodatni gubitakenergije u kolu.

2.6. ELEKTROMOTORNA SILA U KOLU

Ovo je naje#i sluaj optere#enja i njega imamo(sl. 2-7.) pri napajanju rotorskog kola DC motora priobrtanju rotora, kada osim aktivne otpornosti iinduktivnosti postoji i indukovana elektromotornasila (E). I ovde #emo posmatrati optiji sluajnapajanja kola preko tiristora. Ako se kolo napaja

preko diode, u dobijenim izrazima za struju samotreba uzeti nulti ugao upravljanja (=0).

Dok je tiristor ukljuen, jednaina kola je:

dt

diLRiEu += i poetni uslov: i(/)=0

Reenje ove jednaine je:

DCAC iii +=

Za razliku od prethodnog sluaja ovde se ujednosmernoj komponenti pojavljuje i struja zbog

elektromotorne sile (iE, i suprotnog je smera.Konano reenje jednaine pri traenompoetnom uslovu je:

R

Ee

Z

U

R

Et

Z

Uiii

t

DCAC

+=+=

/

)sin(2

)sin(2

Ili u drugom obliku:

=

//

1)sin()sin(2

tt

e

R

Eet

Z

Ui

sl. 2-6.

sl. 2-7.


24/201


24

Rezultat se odnosi samo na pozitivnu vrednost struje (i0) to odgovara intervaluvremena:

t

Tiristor moe da se ukljui samo ako je ulazni napon ve#i od elektromotorne slie.Ista struja dobija se i sa diodom. Taj minimalni ugao ukljuenja je ogranien.

U

E

2arcsinmin=

Od trenutka kada ulazni napon postane negativan (negativna poluperioda), pa dosmanjenja struje na nulu, snaga je negativna i tada se energija vra#a u napojnu mreu.Zbog kontra dejstva elektromotorne sile, brzina vra#anja energije je velika, a ugao

iskljuenja tiristora () je manji nego u kolu bez E. Sa ovakvim ispravljanjem ni ugraninom sluaju iste indiktivnosti struja ne moe biti kontinualna.

U intervalima kada ne postoji struja u kolu, napon na izlazu jednak je indukovanojelektromotornoj sili.

Posmatrajmo sada krajnji sluaj saR=0.Struja u kolu je:

[ ] ( )

= tL

Et

L

Ui coscos

2

Naizmenina komponenta struje, odre%ena je sa Ui L, i kasni 900za naponom.Jednosmerna komponenta je konstantna i zavisi od ugla ukljuenja tiristora .

Jednosmerna komponenta zbog E polazi od nule (utrenutku ukljuenja) i konstantno raste u suprotnom smeru.Kada se njen intenzitet izjednai sa naizmeninomkomponentom, ukupna struja pada na nulu u trenutku /.

[ ] ( ) = EU coscos2

Ugao se dobija reenjem ove jednaine. Jednaina je

transcendentna i ugao ne moe se izraziti eksplicitno.Na sl. 2-8 prikazani su oblici izlaznog napona i struje.Izrafirani deo pretstavlja napon na induktivnosti. Srednja vrednost ovog napona je

jednaka nuli, tako da su ove povrine me%usobno jednake.

2.7. PARALELNA VEZA KONDENZATORA I OTPORNIKA

Ponekad se za potroae malih snaga koriste monofazni ispravljai sakondenzatorom na izlazu. Kondenzator ovde slui za filtriranje napona.

Struja kondenzatora proporcionalna je izvodu napona. Pri ukljuenju tiristora,

porast napona je jako veliki (do 109V/s). Sa ovim, brzina porasta struje kondenzatora(dU/dt) je jako velika tako da se tiristorom mogu napajati samo kola sa malim

sl. 2-8.


25/201


25

paralelnim kapacitetom. Zbog toga se ovakviispravljai prave samo sa diodama.Ispravljai sa tiristorima zahtevaju dodatne

prigunice.

Posmatrajmo kolo prema sl. 2-9. Strujadiode se grana prema kondenzatoru (iC) iotporniku (iR). Poev od trenutka /, dioda

postaje pozitivno polarisana i strujakondenzatora je:

tUCiC cos2= , za


26/201


26

Ovde je posmatran idealizovan sluaj gdeje zanemarena impedansa napojne mree.Kod realnih ispravljaa ovog tipa,kondenzator za peglanje napona je esto

kapaciteta i vie hiljada mikrofarada, tako dasu struje njegovog punjenja dosta velike. Utom sluaju mora se uzeti u obzir iimpedansa napojne mree, transformatora ispojnih veza. Stvarni oblici izlaznog naponai struje diode su kao na sl. 2 -11.

Za poznati, maksimalni pad napona (UC)i struju (I) potrebna vrednost kapacitetakondenzatora kod monofaznog ispravljaa

je:

CUf

IC

=

2

Dodavanjem redne prigunice u kolo, ustacionarnom stanju, irina strujnog impulsase pove#ava a amplituda smanjuje (sl. 2-11a). Pri tome, amplituda izlaznog napona ivalovitost se smanjuju.

Pri dovoljno velikoj induktivnostiprigunice struja postaje kontinualna (sl. 2-11b) a srednja vrednost izlaznog napona

pada na veliinu od Ud, SR=0,9U.Dodatkom induktivnosti u kolo sa

kondenzatorom, u prelaznom procesu dolazido premaaja napona. Dolazak u stacionarno stanje odvija se kroz prelazni proces. Prikontinualnoj struji ovaj prelaz jeprikazan na sl. 2-11.

2.8. ZAMAJNA DIODA I PROCES NAGOMILAVANJA ENERGIJE

Posmatrajmo sada kolo prema sl. 2-12, koje za razliku od kola na sl. 2-6, sadritakozvanu zamajnu diodu (ZD). Ova dioda ne dozvoljava pojavu negativnog naponana izlazu, tako da je on kao kod optere#enja otpornikom.

U prvom trenutku ukljuenja tiristora (t0=/) struja je jednaka nuli. Posleukljuenja, struja je:

=

//

1)sin()sin(2

tt

eR

Eet

Z

Ui , za t0


27/201


27

U ovom intervalu i napon i struja su pozitivni tako da se iz izvora napajanja primaenergija. Jedan deo primljene energije pretvara se u toplotu (na otporniku), a ostatakse akumulira u induktivnosti.

U trenutku t1=/ napon pada na nulu i struju preuzima zamajna dioda i kratko

spaja L-R kolo sa trenutno zateenom strujom (I). Od ovog trenutka vie nemarazmene energije sa izvorom napajanja. Zbog gubitaka u otporniku, energija sesmanjuje i struja u kolu opada do slede#eg ukljuenja tiristora. Akumulisana energijanije potpuno potroena tako da struja nije pala na nulu.

Kada se tiristor ponovo ukljui, koloponovo uzima energiju iz izvora. Proces sedalje ponavlja na isti nain. Akumulisanaenergija se pove#ava sve dok se neizjednai energija uzeta iz izvora sagubicima u otporniku. Tada nastupastacionarno stanje. Proces je kvazieksponencijalan tako da je potrebno vrlodugo vreme (teorijski beskonano) zadolazak u stacionarno stanje.

Dalje #e biti detaljnije opisan procesnagomilavanja energije.

Struja u trenutku t1=/jednaka je:

=

eZ

U

I )sin(sin

2

U intervalu vremena od t1 do t2 - t2=(2+)/, struja opada po eksponencijalnomzakonu, tako da na kraju intervala iznosi (I2+):

+

+ = eII2

Od trenutka t2do t3imamo ponovo struju kao u intervalu t0-t1, ali i eksponencijalnoopadaju#u komponentu struje iz akumulisane energije.

U trenutku t3(3/), struja je:

+=

2

3 1 eII

Dalje imamo:

+==

+

+

+

2

34 1 eeIeII

Dalje je:

sl. 2-12.


28/201


28

++=

42

5 1 eeII

++==

+

+

+

42

36 1 eeeIeII

Za stacionarno stanje, izrazi u zagradi ine geometrijski red tako da se moe pisati:

2

42

)12(

1

1...1lim

+

=

+++=

e

IeeII nn

i

2

42

2

1

...1lim

++

+

=

+++=

e

eIeeeII n

n

U sluaju diode (=0) prirast struje tokom jednog ciklusa (I) je najve#i pa je istruja u stacionarnom stanju najve#a. Kod tiristora prirast struje u svakoj periodi jemanji, a vreme izme%u dva ukljuenja se produava tako da gubici rastu, i sveukupnostruja opada. Naroito se smanjuje struja u trenucima ukljuenja tiristora, tako da je i

talasnost (valovitost) ve#a nego kod diode.

Na sl. 2-13, prikazan je oscilogram napona istruje pri jednostranom ispravljanju (vremenskakonstantaL/R = 20 ms).

Na ovo pitanje se ne#emo vie vra#ati i samoda ukratko pokaemo kakva je situacija koddvostranog ispravljanja. Ovaj sluaj moemo

posmatrati kao superpoziciju, prvo parnih a zatimneparnih ispravljenih poluperioda. Ovde jesrednja vrednost napona dvostruka pa je i srednjavrednost struje dva puta ve#a nego kod

jednostranog ispravljanja. Energija se sada uzimau svakoj poluperiodi (nema pauza) pa se i stacionarno stanje uspostavlja bre.

Na sl. 2-14, prikazan je oscilogram napona i struje za punotalasno ispravljanje sadidama (vremenska konstantaL/R= 20 ms).

sl. 2-13.

sl. 2-14.


29/201


29

2.9. MAGNEENJE TRANSFORMATORA ZA ISPRAVLJA#SAJEDNOM DIODOM

Svaka pria o ispravljaima poinje sa monofaznim polutalasnim ispravljaem (sa

jednom diodom). Me%utim, u dostupnoj literaturinije na%en odgovor na pitanje kako se u tom

sluaju ponaa transformator preko koga senapaja ispravlja. Dalji tekst je upravo pokuajnalaenja, barem dela odgovora na ovo pitanje.Paralelno sa analizom problema bi#e prikazan ieksperimentalni primer ponaanja monofaznogtransformatora 220/220 V, 400 VA.

Stvarni oblik primarne struje (sl. 2-19) jesloen i komplikuje analizu ispravljaa. Uliteraturi se koristi aproksimacija prema sl. 2-15.Primarna struja kod ove aproksimacije je istonaizmenina i njena srednja vrednost je jednakanuli. Obrazloenje za ovo bi moglo da budeslede#e. Struja na sekundaru transformatora ima

jednosmernu i naizmeninu komponentu.Jednosmerna komponenta struje sa sekundara nemoe da se transformie na primar, ve# samo

naizmenina. Znai, primarna struja se dobija tako to se sekundarna translira na dole

za jednosmernu komponentu.Naredna analiza #e potvrditi ovu tvrdnju ali i pokazati da primarna struja ne mora

biti isto naizmenina, ve# moe da sadri i jednosmernu komponentu koja setransformie na sekundar.

Ovakva aproksimacija se koristi i kod analize trofaznih transformatora. Trofaznipolutalasni ispravljai tako%e unose jednosmernu komponentu struje u sekundartransformatora. Zavisno od sprege transformatora moe da se desi da se jednosmernifluks zatvara kroz jezgro ili kroz okolni vazduh i puteve rasipanja. Ovaj drugi sluaj

je povoljniji jer znatno manje pomera radnu taku oko koje se vri magne#enje.

Pri napajanju transformatora sinusnim naponom, struja primara jednaka je zbiru

sl. 2-15

sl. 2-16


30/201


30

struje praznog hoda i struje sekundara svedene na primar. Radi jednostavnosti,posmatrajmo potroa #isto omskog karaktera (L=0). Ekvivalentna ema realnogtransformatora prikazana je na sl. 2-16. Ovde je grana struje praznog hoda (I0)

prikazana paralelnom vezom otpornosti RFE (gubici u gvo%u) i L. (zasitiva

induktivnost magne#enja). Redne rasipne induktivnosti u ekvivalentnoj emi suizostavljene, jer ne utiu na analizu problema o kome #e biti rei.

Snimak struje praznog hoda (i0) transformatora, pri punom naponu primara,prikazan je na sl. 2-17 (deblja linija). Tanjom linijom su nacrtani oblici struja iFEi i.Oblici ove dve komponente struje praznog hoda nisu snimljeni ve# su nacrtaniintuitivno na osnovu snimka struje praznog hoda (i0).

Vrhovi struje magne#enja na zavrecima polu-perioda, rezultat su ulaska jezgra uizvesno zasi#enje.

Na sl. 2-18 prikazan je oblik primarne struje istog transformatora pri optere#enjusamo sa otpornikom bez ispravljaa. Fazni pomak struje i napona je rezultat rasipnihinduktivnosti namota transformatora.

Posmatrajmo polutalasni ispravlja prema sl. 2-19, koji se napaja prekotransformatora. Primarni napon je sinusan i taj oblik napona se prenosi i na sekundar.Dioda provodi struju samo u pozitivnoj poluperiodi i ona ima oblik pozitivne polu-

periode napona. Ovo je ujedno i sekundarna struja transformatora, i ona sadri

jednosmernu i naizmeninu komponentu. Ovde #e biti analiziran problem, kako seovakva sekundarna struja preslikava na primarnu stranu transformatora.

Primarna struja na aktivnoj (omskoj) otpornosti primara izaziva pad napona.U pozitivnoj poluperiodi postoji struja u sekundarnom namotu i ona se preslikava

na primar. Pored nje postoji i struja praznog hoda (i0).Trenutna vrednost primarnog napona u pozitivnoj poluperiodi je:

dt

dNiRu +++ +=

'''''

, za 0


31/201


31

Fluksom 'obuhva#eni su i rasipni fluksevi primara, tako da rasipna induktivnostnije bila potrebna u ekvivalentnoj emi na sl. 2-16.

U negativnoj poluperiodi postoji samo struja praznog hoda pa se moe pisati:

dt

d

NiRu

+=

'

''' ,0

, za T/2


32/201


32

Primarni napon je sinusan i srednje polu-periodne vrednosti napona za pozitivnu inegativnu poluperiodu su jednake, ali suprotnog znaka. U stacionarnom stanjumagne#enje se odvija unutar istih vrednosti minimalnog i maksimalnog fluksa, takoda je T= 0. Sa ovim pretpostavkama je:

+ =2/

0 2/0'2''2

T T

T

dtiRT

dtiRT

ili:

+ = SRSR IRIR ,0'''

Jednaina pokazuje da su srednje vrednosti padova napona na omskoj otpornostiprimara u pozitivnoj i negativnoj poluperiodi me%usobno jednake po apsolutnojvrednosti (i suprotnog znaka).

Ako obe strane podele sa R' dobija se:

02

'' ,0 =

+= + SRSRSR

III

Ovim je pokazano da je srednja vrednost primarne struje u toku cele periode,jednaka nuli. Vide#emo kasnije da ovo ne mora uvek da vai i da je mogu#etransformisati i struju sa jednosmernom komponentom.

Ako struju praznog hoda zamenimo zbirom struje gubitaka u gvo%u (iFE) i strujemagne#enja (i) dobija se:

++ +=++ SRSRFESRSRFESR IIRIIIR ,,,,,1 '"' Srednja polu-periodna vrednost sekundarne struje (I"SR), dvostruko je ve#a od

struje optere#enja ispravljaa (Id).

Sada je:

++ +=++ SRSRFESRSRFEd IIRIIIR ,,,, '2'

Ova jednaina je sasvim opta i na osnovu nje #e biti izvedeni dalji zakljuci.Struja praznog hoda sastoji se od struje gubitaka u gvo%u i struje magne#enja.

Struja gubitaka u gvo%u je aktivna (u fazi sa naponom), a po obliku je sinusna. Utoku cele periode njen srednji pad napona na R' je jednak nuli, tako da se u gornjemizrazu potire (IFE,SR,+=IFE,SR,-).

Struja magne#enja je reaktivna. Zbog postojanja zasi#enja ova struja je nepravilnogoblika i ak moe imati i jednosmernu komponentu. Sada se jednaina svodi na:

+ =+ SRSRd IRIIR ,, ''2'

Renje poI'dje:

SR

SRSR

d I

II

I ,,,

2'

=

+

= +


33/201


33

Izraz pokazuje da je srednja vrednost struje magne#enja jednaka struji optere#enjaispravljaa svedenoj na primarnu stranu transformatoraI'di suprotnog znaka.

Za struju magne#enja,ovo je jako velika vrednost i jezgro ide u duboko zasi#enje.Na sl. 2-19, prikazan je snimak primarne struje transformatora iz naeg primera

(deblja linija), kada se preko polutalasnog ispravljaa napaja otpornik. Intuitivno sunacrtane i struje i"1i i, (tankim linijama).

Dosadanja analiza odnosila se za stacionarno stanje.

Neposredno posle ukljuenja, poinje prelazni proces (sl. 2-20) u kome je strujaprimara u poetku po obliku jednaka struji sekundara. Proces magne#enja se odvijatako to je negativna amplituda fluksa neto ve#a od pozitivne a struja magne#enja je

priblino simetrina. Posle nekoliko ciklusa magne#enja, negativna amplituda fluksaulazi u zasi#enje. Ulaskom u zasi#enje, negativna struja magne#enja postaje sve ve#ai tako raste sve dok se ne postigne traena ravnotea. Prelazni proces traje nekolikosekundi (nekoliko stotina perioda) i zavisi od snage transformatora, omske otpornosti

primara, amplitude fluksa, fluksa zasi#enja, trenutka ukljuenja i td.

Dosadanja analiza ukazuje na mogu#nost kompenzacije pada napona u tokunegativne poluperiode i postizanje simetrinog magne#enja jezgra. Da bi se topostiglo otpornost primarnog kola u toku negativne poluperiode mora se pove#atidodavanjem otpornika R1 (sl. 2-21). U pozitivnoj poluperiodi mrenog napona diodadovodi puni napon na primar transformatora. U negativnoj poluperiodi, dioda ne

provodi struju i primar se napaja preko dodatnog otpornika R1. Veliinu ovogotpornika treba odabrati tako da struja magne#enja postane simetrina. Ti se moeuraditi eksperimentalno, podeavanjem njegove otpornosti dok se ne dobije eljenioblik primarne struje. U daljem tekstu #e biti prikazan proraun otpornosti ovog

otpornika.Pri simetrinom magne#enju, polu-periodna srednja vrednost struje magne#enjajednaka je nuli, tako da jednaina postaje:

( ) SRFESRFEd IRRIIR ,1, '2' +=+

Dodatna otpornost je:

SRFE

d

I

IRR

,1 '2=

sl. 2-20


34/201


34

Na primer za transformator iz naeg primera (sl. 2-21), otpornost primara je 4 , asrednja vrednost struje magne#enja je oko 30 mA. Pri struji Id=0,75 A, potrebna jedodatna otpornost:

20003,0

75,0

421 ==R Kao to se vidi na sl. 2-21, sa ovom dodatnom otporno#u postignuto je simetrino

magne#enje pri zadatoj struji optere#enja.Ako se ispravljarastereti, a dodatna otpornost ostane u kolu, struja praznog hoda

ima oblik kao na sl. 2-22. Sada u negativnoj poluperiodi pad napona zbog strujepraznog hoda postaje ve#i pa to mora da nadoknadi struja magne#enja u tokupozitivne poluperiode. Sada jezgro ide u zasi#enje u suprotnom smeru.

sl. 2-21

sl. 2-22


35/201


35

3. FAZNO UPRAVLJANI PRETVARA#I

Ispravljai su pretvarai tipa AC/DC. Oni prenose energiju iz sistemanaizmeninog napona i struje u jednosmerni sistem. Primenjuju se za napajanje DC

mree (eleznica, HVDC prenos), ure%aja (DC motori), procesa napajanihjednosmernom strujom, (galvanizacija, elektroliza ...), punjai akumulatorskihbaterija, kao sastavni delovi drugih ure%aja i td.

Ovde #e biti razmatrani ispravljai napajani iz mree (mrena frekvenca i sinusninapon), diodnog i tiristorskog tipa.

Prema nainu ispravljanja,Ako se po fazi, u toku jedne periode, ispravlja samo jedna poluperioda, govori se o

polutalasnom a pri ispravljanju obe, o punotalasnom ispravljanju. Polutalasno

ispravljanje se koristi samo kod ispravljaa malih snaga. Polutalasni ispravlja

iprenose jednosmernu komponentu struje na naizmeninu stranu.

Podela prema upravljivostiU zavisnosti od toga da li se izlazni DC napon moe menjati (pri konstantnom

ulaznom AC naponu) ili ne, govori se o neregulisanim (neupravljivim) ili regulisanim(upravljivim) ispravljaima. Postoje i takozvani poluupravljivi ispravljai.

Neregulisani (neupravljivi) ispravljai kao ispravljake elemente koriste diode. Sagledita sloenosti diodni ispravljai spadaju u najjednostavnije (i najjeftinije) ure%ajea po efikasnosti, u ure%aje sa najviim stepenom iskori#enja. Nedostatak im jenemogu#nost promene izlaznog napona i rad samo u prvom kvadrantu.

Upravljivi ispravljai mogu biti punoupravljivi (tiristorski) ili poluupravljivi(diodno-titistorski). Ovo su pretvarai sa kojima se danas postiu najve#e snage(HVDC prenos) i struje (vie stotina kA - elektolize aluminijuma).

Prema broju fazaIspravljai mogu biti monofazni i viefazni. Sa pove#anjem broja faza smanjuje se

valovitost izlaznog napona a samim tim i struje.Monofazni ispravljai se rade za manje snage (do snaga reda kW). Izuzetak su

ispravljai koji se koriste za napajanje vunih motora na elektrinim lokomotivama,gde se primenjuju ispravljai velikih snaga (reda MW). Ovde se sa prenosne mree(trofazni sistem) preuzima energija i u elektrovunim podstanicama transformie nanivo potreban za napajanje kontaktne mree za (monofazni sistem 25 kV, 50 Hz). Da

bi se ublaile nesimetrije na napojnoj trofaznoj mrei, primenjuju se i specijalnesprege transformatora (Skotova sprega).

Prema smeru prenoenja energijeU zavisnosti od toga da li postoji mogu#nost protoka energije u oba smera ili ne,

govori se o reverzibilnim ili nereverzibilnim pretvaraima. Reverzibilni imajumogu#nost vra#anja energije sa jednosmerne na naizmeninu stranu ispravljaa


36/201

R. Radeti# 3. Fazno upravljani pretvarai

36

(invertorski rad). U tom sluaju govorimo o pretvarau koji moe da radi i kaoispravljai kao invertor.

U odnosu na polaritet napona i smer struje na izlazu, moe da se govori i ojednokvadrantnim, dvokvadrantnim i etvorokvadrantnim pretvaraima. Po ovoj

podeli diodni (neupravljivi) i diodno-tiristorski (poluupravljivi) ispravljai sujednokvadrantni. Punoupravljivi titistorski ispravljai su dvokvadrantni. Ovakav

dvokvadrantni pretvaramoe uz isti smer struje, da ima oba polariteta napona (prvi ietvrti kvadrant). Za etvorokvadrantni rad je potrebno obezbediti jo i mogu#nost

promene smera struje. To se postie na primer sa dva tiristorska mosta u antiparaleli.

Tok analize ispravljaaU dalnjoj analizi ispravljaa uzima#e se u obzir napajanje ispravljaa preko

transformatora. Transformator se koristi naje#e iz razloga naponskog prilago%enjaizme%u ispravljaa i mree, ili zbog zbog galvanske izolovanosti. Tako%e i pojedinesprege namota i povoljnosti koje pruaju (pove#anje broja faza i slino), mogu da

budu razlog njihove primene. Karakteristike transformatora se biraju prema uslovimakoje diktira ispravlja, tako da se oni moraju posmatrati kao celina.

Analiza #e poeti od optih principa ispravljanja napona sa diodama i tiristorima, inastaviti radom ispravljaa. Analizira#e se monofazni i viefazni ispravljai, sa

polutalasnim i punotalasnim (mostni) ispravljanjem, diodnog, tiristorskog tipa ikombinovani.

Diodni ispravljai se mogu posmatrati kao tiristorski pri nultom uglu upravljanja(=0), pri emu se na izlazu imaju maksimalni; napon, struja i snaga. Zbog toga #esnaga transformatora biti analizirana samo kod diodnih ispravljaa.

Vaan podatak je faktor snage i posebno sadraj viih harmonika u ulaznoj strujiispravljaa. Uticaj viih harmonika #e biti posmatran kroz faktor , koji pretstavljarelativni sadraj osnovnog harmonika fazne struje (=If,1/If).

Cilj analize je da se dobiju karakteristike ispravljaa i da se odrede elementipotrebni za izbor (ili proraun) transformatora, dioda ili tiristora.

Tok analize odvija#e se priblino po slede#em redosledu.- Srednja vrednost izlaznog napona, stepen valovitosti, maksimalni inverzni

napon diode (ili tiristora) i td.

- Srednja vrednost struje u zavisnosti od vreste optere#enja (omsko ili pretenoinduktivno).

- Izlazna snaga ispravljaa- Efektivna vrednost struje u fazama sekundara i primara transformatora- Pojedinane snage primara i sekundara transformatora- Tipska snaga transformatora i faktor snage koji vidi napojna mrea.Kod tiristorskih ispravljaa ve#a panja #e biti posve#ena regulaciji izlaznog

napona. Ovde #e biti analiziran i invertorski reim rada, kada se energija izjednosmernog kola vra#a u naizmeninu napojnu mreu.


37/201


37

3.1. POLUTALASNO ISPRAVLJANJE

3.1.1. MONOFAZNO POLUTALASNO ISPRAVLJANJE

Uobiajeno je da pria o ispravljanju napona pone najjednostavnijim,

monofaznim ispravljaem sa jednom diodom (sl.3-1). Pri isto omskom optere#enjudioda vodi za vreme pozitivne poluperiode ulaznog napona. Zato se na izlazu(potroau) dobija napon kao na slici. Zbog ispravljanja samo jedne poluperiode,ovakav ispravlja nazivamo polutalasnim. Na istoj slici prikazani su talasni oblicinapona i struja, primara i sekundara.

Srednja vrednost ispravljenog napona je:

SSd UUU == 45,021


ddS

efd UUU

U === 57,122

,

Faktor oblika napona je:

57,12

,, ===

d

efd

UfU

Uk

Kada je optere#enje isto omsko, struja

ima isti oblik kao i napon. Njena srednjavrednost je:

R

U

R

UI SSd =

= 45,0

2


ddSefd

efd II

R

U

R

UI =

=

== 57,1

22

,,

Izlazna snaga je:

U

R

UIRP S

efd

efd ===

2

22,2

,

Prividna snaga sekundara je:

PR

UIUS SefdSS =

== 22

2

,

Izraeno preko srednjih vrednosti struja i napona je:

sl. 3-1


38/201


38

dddd

efdSS IUIU

IUS === 49,322

2

,

Struja optere#enja je ujedno i struja sekundara transformatora. Poto jednosmernastruja ne moe da se transformie, me%usobno se ponitavaju samo amperzavojcinaizmenine komponente struja primara i sekundara. Amperzavojci jednosmernekomponente struje sekundara ostaju nekompenzirani, tako da je radna taka oko kojese vri magnetisanje, pomerena iz koordinatnog poetka. Jezgro transformatora jezbog toga jako predmagnetisano. Oblik struje primara je prikazan u pretodnom

poglavlju. Ovde #e biti kori#en idealizovan oblik primarne struje kao na sl. 3-1.Srednja vrednost primarne struje jednaka je nuli.Efektivna vrednost primarne struje je:

d

SSSS

defdefP I

R

U

R

U

R

U

R

UIII

=====21,1545,0

2

2

12

2 222

2

2

222

,,

Prividna snaga primara je:

ddS

efPPP IUPU

IUS ==== 69,209,1545,02

,

Faktor snage prema mrei je:

917,009,1

1===

PS

P

Tipska snaga transformatora je:

PPSS

S SPTR =+

=+

= 25,12

09,141,1

2

Izraeno preko srednjih vrednosti jednosmernog napona i struje je:

ddddSP

TR IUIUSS

S =+

=+

= 09,32

69,249,3

2

Ovde nije uzet u obzir, poreme#aj u magne#enju. Zbog njega je potrebno odabrati

transformator jo ve#ih gabarita. Za praksu ovakvi ispravljai nemaju veliki znaaj iprimenjuju se za najmanje snage.

Detalnija analiza ponaanja transformatora kod ovog ispravljaa prikazana je upoglavlju 2.


39/201


39

3.1.2. ISPRAVLJANJE SA DIODAMA (ZANEMARENA KOMUTACIJA)

Posmatrajmo diodni ispravlja sa q faza prema sl. 3-2a. U sekundar svake fazenalazi se po jedna dioda. Katode svih dioda vezane su u zajedniku taku i obrazuju

prikljuak sa pozitivnim i polom izlaznog napona. Zajednika taka svih faznihnamota sekundara transformatora (zvezdite) pretstavlja negativan pol izlaznognapona.

Dioda je element koji provodi struju kada je potencijal anode ve#i od potencijalakatode, odnosno kada je napon na diodi pozitivan. U konfiguraciji kola na sl. 3-2a,vodi#e dioda one faze koja u posmatranom trenutku ima najvii napon. Komutacijadioda (prelazak vo%enja na slede#u diodu) se odigrava u trenutku kada fazni naponslede#e diode postane vii od napona trenutno vode#e diode. Ovakva komutacija senaziva prirodnom.

Izlazni napon je sastavljen od vrhova talasa ulaznih napona. Taj napon nije

konstantan ve# pored srednje vrednosti ima i pulsacije koje ine vrhovi ulaznihnapona. U toku jedne periode ulaznog napona svaka faza po jednom prenese svoj vrh

pozitivne poluperiode. Tako se u izlaznom naponu nalazi q pulsacija u toku jedneperiode ulaznog napona (sl. 3-2b). Ovakvo ispravljanje gde se iz ulaznih napona uizlazni prenose samo deo jedne poluperiode, naziva se polutalasnim. Naziv nije

potpuno adekvatan jer se polovina talasa prenosi samo kod ispravljaa sa dve faze naulazu.

Na sl. 3-2c, prikazan je (razvueno) oblik izlaznog napona (ud).Prema definiciji, srednja vrednost napona je:

+

=Tt

tSR dttu

TU

1

1

)(1

Za oznake prema slici, srednja vrednost izlaznog napona je:

0,, sin2)(cos22 dSq

q

SSRd Uq

qUtdtU

qU ===

Ovaj napon ima iri znaaj i dobio je posebnu oznaku Ud,0.Izraz vai za izlazni napon koji je sastavljen od segmenata ulaznih napona. To jesluaj samo kada je izlazna struja neprekidna. Neprekidnost struje se ne moe posti#ikod jednofaznog polutalasnog ispravljanja tako da izraz vai za ispravljae sa baremdve ulazne faze (q=2, 3, ....).

Ovo je idealizovan sluaj kada ne postoje induktivnosti i otpornosti. Kod realnogispravljaa ovakva situacija se ima u praznom hodu ili pri vrlo malom optere#enju.

Sa pove#anjem broja faza na ulazu, pove#ava se i srednja vrednost napona.Granina vrednost napona, za beskonaan broj faza, tei amplitudi ulaznog faznog

napona.


40/201


40

SSq

SRdq

Uq

qUU 2sin2limlim , =

=

Oblik izlazne struje zavisi od karaktera

prikljuenog optere

#enja. Razmotrimo dvakrajnja sluaja.

1. &isto omsko optere#enje i u ovomsluaju struja ima oblik napona. Zaregulaciju snage grejaa ima jednostavnijihnaina, tako da isto omsko optere#enjeima samo akademski znaaj.

Trenutna vrednost izlazne struje je:

R

ui dd=

Srednja vrednost izlazne struje je:

R

U

R

UI

dSRd

SRd

0,,, ==

Na ulaznu stranu ispravljaa se prenosisamo onaj deo izlazne struje, koji provodidioda te faze. U toku jedne periode,

provodi samo po jedna dioda tako da je

srednja vrednost struje q puta manja odizlazne.

q

II

SRd

SRS

,, =

Dalje se moe raunati efektivna vrednost izlaznog napona i ulaznih faznih struja,ali to ovde ne#emo raditi.

2. Za praksu je mnogo vaniji sluaj preteno induktivnog optere#enja. Ovde poredomske otpornosti i induktivnosti moe da se nalazi i elektromotorna sila. Ovo je

praktino uvek sluaj kod regulacije brzine obrtanja motora jednosmerne struje, zatase ispravljai naje#e i koriste. Elektromotorna sila u kombinaciji sa ispravljenimnaponom (Ud,SR) daje rezultantni napon u kolu koje se dalje zatvara preko otpornosti iinduktivnosti. U ovakvom kolu pulsacije struje su sve manje izraene i struja sveispeglanija. U idealnom sluaju zanemarive otpornosti (L/R>>), struja postajekonstantna. U praksi se tei ovome tako to se u izlazno kolo, radi peglanja struje,dodaju redne prigunice.

U sluaju potpuno ispeglane struje, na ulaz ispravljaa se prenosi strujapravougaonog oblika i trajanja T/q.

Srednja vrednost jedne faze sekundarne struje transformatora je:

sl. 3-2


41/201


41

q

II

SRd

SRS

,, = , a efektivna:

q

II

SRd

S

,=

Postojanje srednje vrednosti struje na izlaznoj strani ispravljaa je nedostatak

polutalasnih ispravljaa. Jednosmerna struja u namotima sekundara transformatoramoe da izazove poreme#aj u magne#enju magnetnog jezgra. Zbog toga se koriste

posebne sprege transformatora, kojima se ovaj uticaj eliminie.Do sada smo posmatrali ispravljanje napona ne vode#i rauna o impedansi mree

iz koje se ispravljanapaja. U ulaznim fazama ispravljaa postoji naizmenina strujakoja na ulaznoj impedansi stvara neke padove napona. Ti padovi napona moraju naneki nain da se osete i na izlazu ispravljaa.

3.1.3. ISPRAVLJANJE SA DIODAMA (PRISUTNA KOMUTACIJA)

Posmatrajmo sada ponovo diodni polutalasni ispravlja koji se napaja iz ulaznogtransformatora sa uvaavanjem otpornosti i induktivnosti. Na sl. 3-3 prikazano je ovokroz induktivnost LS. Ova induktivnost obuhvata ekvivalentnu induktivnost ulaznog

(naizmeninog) kola, svedenu na sekundartransformatora.

Na induktivnostima se pojavljuju padovinapona zbog svih promena ulazne struje.Opti sluaj je komplikovan za analizu, pase ona sprovodi pojednostavljeno.

Posmatra#emo potpuno ispeglanu strujutako da ne postoje induktivni padovi napona

u untervalu posle komutacije. Dalje sezanemaruju omske otpornosti pri analizisame komutacije.

Zbog induktivnosti ulaznih faza, prelazakvo%enja sa jedne diode na drugu se neodvija trenutno. Pri dostizanju naponaslede#e faze, pojavljuje se i njena struja.Sada su naredna i prethodna faza u kratkomspoju. Struja naredne faze raste a prethodneopada. Njihov zbir je uvek jednak strujioptere#enja. Kada naredna faza dostigne

punu struju optere#enja, struja prethodnefaze je pala na nulu i proces komutacije sezavrava. Prema tome, komutacija je procesu kome jedna grana sa diodom (ilitiristorom) prestaje da vodi, a druga

preuzima struju. U intervalu komutacije ima

se preklapanje kada vode dve diode.U intervalu komutacije (sl. 3-3c) napon jesl. 3-3


42/201


42

manji od napona kakav bi bio da je komutacija trenutna.Pored pada napona izazvanog komutacijom, postoji i pad napona na omskon

otpornostina. Pad napona izazivaju praktino sve omske otpornosti. Tu su;- otpornosti napojne mree i transformatora svedene na sekundar transformatora

- otpornosti jednosmernog kola ispravljaa.

Trenutna vrednost napona na anodi diode koji preuzima struju je:

)()(

)()( tiRdt

tdiLtutu SS

SSS =

Prvi lan u naponu je indukovani napon sekundara i on je sinusnog oblika.Drugi lan je pad napona na induktivnostima.

LS - induktivnost ulazne strane ispravljaa

RS - ukupna otpornost ulaznog i izlaznog kola ispravljaaPretpostvavi#emo da je struja na izlazu ispravljaa konstantna, tako pad napona na

induktivnosti postoji samo za vreme komutacije. Sa ovim pretpostavkama i oznakamaprema sl. 3-6, srednja vrednost izlaznog napona je:

+

=

=

q

q

SSS

SS

Tt

tSS

SSSSRd tdiR

dt

diLtU

qdtiR

dt

diLu

TU

)(cos22

1 1

1

,

Sre%ivanjem ovog integrala dobija se:

( )

=

SRdIS

q

q

SSSSRd diLq

tdiRtUq

U,

0, 2

)(cos22

Posle integracije dobija se:

( ) ( ) SRSS,dSRSSSSR,d IRLfqUIRLfqq

sinq

UU +=+= 02

Ud,0 Napon praznog hoda diodnog ispravljaa

qsin

qUU S,d

20=

q broj faza napojne mree (q=2, 3, ....)

f Frekvencija napona napojne mree

U ovaj izraz moe se uneti jo i pad napona na diodama U(1 ... 2) V

( ) UIRLfqUUSRSS,dSR,d += 0


43/201


43

3.1.4. ISPRAVLJANJE SA TIRISTORIMA (ZANEMARENA KOMUTACIJA)

Za razliku od diode, tiristor je poluupravljiv elemenat koji moe provodi strujutek kada mu se na upravljaku elektrodu(gejt) dovede okidni impuls. Da bi proveostruju, tiristor mora da bude direktno

polarisan.Posmatrajmo ponovo istu konfiguraciju

ispravljaa ali sada sa tiristorima umestodioda. Za poetak zanemarimo induktivnostiulaznog kola i posmatrajmo procesispravljanja bez komutacije. Ovakavispravlja se naziva upravljivim polu

talasnim.Na upravljaku elektrodu (gejt),

upravljaki impuls se dovodi sa faznimkanjenjem. Ovo kanjenje se izraava prekougla upravljanja (paljenja) . Merenje ugla

poinje od trenutka prirodne komutacije.Na sl. 3-4b), prikazan je vremenski

dijagram izlaznog napona ispravljaa, a nasl. 3-4c), isti oblik ali razvuen sa

naznaenim karakteristinim elementima.Prema oznakama na sl. 3-4a, srednja

vrednost izlaznog napona je:

+

+

+

==

q

q

S

Tt

tSSRd tdtU

qdtu

TU )()cos(2

2

1 1

1

,

Reenje integrala daje:

coscossin2 0,, dSSRd Uq

qUU ==

Ud,0 Napon praznog hoda ispravljaa pri =0 (diodni ispravlja)Za razliku od diodnog ispravljaa, ovde se promenom ugla upravljanja dobijena

mogu#nost promene srednje vrednosti izlaznog napona. Ovo pretstavlja osnovnuprednost rada sa tiristorima, i ovakve ispravljae nazivamo upravljivim.

Pri =00, Srednja vrednost napona je maksimalna i jednaka je naponu diodnogispravljaa (Ud,0). Ovo je dakle optiji sluaj koji obuhvata i diodne ispravljae.

sl. 3-4


44/201


44

U oblasti ugla upravljanja od 0


45/201


45

( )

=

+

+

SRDCIS

q

q

SSSSRd diLq

tdiRtUq

U,

0, 2

)(cos22

I konano:

( ) SRSSSSRd IRLfqq

qUU +=

cossin2,

ili:

( ) SRSSdSRd IRLfqUU += cos0,,

USR,0 Napon praznog hoda ispravljaa pri =0

Izraz je izveden pod pretpostavkom neprekidnosti ispravljenog napona. Uslov nezadovoljava ispravlja sa jednom diodom, i dobijeni izraz ne vai za njega. To znaida izraz vai za ispravljae sa q2. Intervali nultog napona mogu se pojaviti i kodviezaznih ispravljaa pri optere#enju izlaza isto omskim optere#enjem (iliinduktivnim sa zamajnom diodom), tako da se dobijeni izraz ne moe primeniti ni u

tim sluajevima. Dobijeni izraz obuhvatatiristorske i diodne ispravljae. U ovaj izrazmoe se uneti jo i pad napona na tiristorima(ili diodama):

U(1 ... 2) VSa ovim, komplet

tiristorski pretvraci je ozbiljna knjiga sa dosta radnog materijala

Documents