Podseanje Poluprovodnike komponente koje se koriste u energetskim

Podsećanje. . . Poluprovodničke komponente koje se koriste u energetskim pretvaračima SW-kontrolisani prekidački element (tranzistor ili tiristor) D-dioda L-induktivnost C-kapacitivnost F 1, F 2 -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. . . OPSEZI PRIMENE KONTROLISANIH PREKIDAČKIH ELEMENATA-SW TIRISTORI - SCR TIRISTORI ZA VELIKE SNAGE IGBT tranzistor 150 A/600 V(danas najčešće korišćen poluprovodnički prekidač snage)

Podsećanje. . . OPSEZI PRIMENE KONTROLISANIH PREKIDAČKIH ELEMENATA-SW TIRISTORI - SCR TIRISTORI ZA VELIKE SNAGE IGBT tranzistor 150 A/600 V(danas najčešće korišćen poluprovodnički prekidač snage)

Podsećanje. . . Podela oblasti primene energetskih prekidača po snazi i radnoj učestanosti

AKTUATORI U JEDNOSMERNOM POGONU Pojačivači snage Uređaji za napajanje električnom energijom jednosmernih motora u pogonima, pre svega regulisanim. ENERGETSKI ULAZ Peu Puu UPRAVLJAČKI ULAZ AKTUATOR Ld + + ua e + ia M

Snaga na upravljačkom ulazu ima isključivo električnu prirodu. 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). Vrste aktuatora Elektromehanički: 1. Generator jednosmerne struje 2. Amplidin Statički (konvertori) aktuatori 1. Ispravljači (AC/DC) 2. Čoperi (DC/DC) 3. Magnetni pojačivači

GENERATOR JEDNOSMERNE STRUJE “DINAMIČKI SISTEM” Ra La + + uf if Rf Lf Nf + e f G mg, g =const. ua + ia Jednačine Diferencijalne: Algebarske:

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. Usvajanjem sledećih baznih vrednosti:

Možemo sprovesti postupak normalizacije N:

BLOK DIJAGRAM: N: if uf=uc + f -1( ) 1 p. Tf f ωg e + 1 Ra + 1 p. Ta ia ua Kod ovog aktuatora važi: Ako se zanemare gubici na trenje, ventilaciju i u gvožđu, važi: 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 prenosne funkcije i pojačanja.

Vard Leonardova grupa PM G Ua Uc=Uf M

ISPRAVLJAČI 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.

Strukturna šema ispravljača: MREŽA Peu= V~ I~ SINHRONIZACIJA cos ( ) (“TESTERE”) uc GENERATOR OKIDNIH IMPULSA UGAO PALJENJA POJAČAVAČ IMPULSA IMPULSI TIRISTORSKI MOST JEDNOSMERNI IZLAZ (Pa; ua; ia)

Simulacioni blok dijagram

Dijagram pretvaranja komandnog napona uc u ugao paljenja Ω∙t uc uc max min uc min 2 Pojačanje generatora impulsa: max

Monofazni punoupravljivi most Sprega monofaznog mosta i jednosmernog motora ip is Q 1 vs Np Ns ua ia if Q 4 Q 2 Q 3 Ekvivalentna šema pomoću koje se može objasniti rad ovog ispravljača N i. GA i. GB QB +v - i. B Ra La ia - v + R e. L +v AKA B -~+ AKB v. BN - + Ea QA A -~+ v. AN ua 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.

Režim prekidnih struja Male brzine, mala elektromotorna sila i mala opterećenja. v. AN v. BN Ea il t ua Ea ia 0 2 t

Za sve prekidne režime važe sledeće analitičke relacije: Jednačina naponske ravnoteže je:

čijim se rešavanjem dobija: gde je:

U prekidnom režimu važi: Rešavanjem ove jednačine po dobija se: Zbog svoje složenosti i transcendentne prirode ova jednačina se može rešiti samo numerički. Maksimalna vrednost za ugao je: - Granica prekidnog režima, posle koje nastaje neprekidni režim (sa kontinualnom strujom).

Srednja struja u prekidnom režimu je: ili Srednja vrednost ispravljenog (jednosmernog) napona je:

Zbog vremenski promenljive struje pri stalnom fluksu ima se i promenljiv momenat, njegova srednja vrednost je: Poslednji izraz predstavlja MEHANIČKU KARAKTERISTIKU u prekidnim režimima, koja je očigledno nelinearna.

Režimi sa neprekidnim strujama Veće brzine, veliko operećenje. v. AN v. BN v. AN Ea t ua ia 2 t

Analitičke relacije koje važe u režimu neprekidnih struja. Srednja vrednost ispravljenog napona je: Takođe važi i relacija: Sada se može izvesti statička karakteristika: Dok je MEHANIČKA KARAKTERISTIKA linearna i glasi:

1000 [o/min] 800 Memin 600 Granica prekidnosti Ld=0 neprekidni režim 400 o 0 30 45 200 60 20 -200 30 prekidni režim 40 75 60 90 105 -400 120 -600 135 -800 150 180 Me[Nm]

Funkcija prenosa mosta Most je nelinearan sistem! Pojačanje se određuje linearizacijom.

U dinamičkim režimima most unosi transportno kašnjenje, međutim, zbog pojednostavljenja analize most se može predstaviti kao član sa kašnjenjem prvog reda: Gde je: Td – srednje vreme kašnjenja koje je za monofazni most napajan iz naizmenične mreže sa 50 Hz: Promena ugla paljenja se može dogoditi bilo kada, dok promena napona nastaje tek nakon uključenja odgovarajućeg tiristora. ua Ua 1 0 1 2 1 2 Td Ua 2 3 4

Ukupno pojačanje ispravljača U praksi je: Prenosna funkcija ispravljača:

Trofazni tiristorski most Ova konfiguracija ispravljača danas se najčešće koristi u praksi. Principijelna šema trofaznog mosta data je na slici. - + van n - + vbn - + vcn isa a ia Q 3 isb b isc c Q 6 i. G 3 Q 1 i. G 1 Q 5 i. G 5 i 3 i 1 i 5 i 6 i 4 i 2 i. G 6 Q 4 i. G 4 Q 2 ua i. G 2

v vab vbc vca t 0 2 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

Režim neprekidnih struja ispravljački režim rada va vb vc vb vb vb va vc Ea isa vab vcb 0 ua ia vac vba 2 vcb vac vba vcb vab i 6 i 1 i 2 i 3 i 4 i 5 i 6 vca vcb vac t t

Srednja struja je: Mehanička karakteristika, koja je linearna je: Familije mehaničkih karakteristika za različite uglove paljenja date su na slici.

[o/min] =0 o 1500 =30 o =45 o 1000 Granica prekida Ld=0 =60 o Prekidni režim 500 =75 o Menom 0 50 100 Neprekidni režim -500 150 200 =90 o =105 o =120 o -1000 =135 o =150 o -1500 =180 o Me [Nm]

Funkcija prenosa mosta Most je nelinearan sistem! Pojačanje se određuje linearizacijom.

Pojačanje trofaznog mosta je: Srednje vreme kašnjenja:

Ukupno pojačanje ispravljača U praksi je: Funkcija prenosa ispravljača:

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:

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*

Četvoro-kvadratni rad sa dva anti-paralelna mosta (razdeljeno upravljanje) isti hladnjak

Četvoro-kvadrantni rad sa kružnom strujom

Četvoro-kvadrantni rad sa kružnom strujom (saglasno upravljanje) Koristi se za ostvarivanje brzih reversa (promene znaka) momenta. C 1 – ISP. C 2 – INV. me C 1 – INV. C 2 – ISP.

Dijagram trenutnih vrednosti napona kružna struja samo za

Vard Leonardova grupa zamajac PM G M g Ref. Reg Vc ia A if DB

ČOPERI U ZAVISNOSTI U KOJIM KVADRANTIMA JE MOGUĆ RAD, DELIMO IH NA KLASE: A, B, C, D i E

Ua 0 Ua Ua 0 Ia Ia 0 Klasa C Klasa B Klasa A Ua Ua Ia Ia 0 0 Klasa D Klasa E Ia

ČOPER KLASE A (spuštač napona) Na slici je prikazana šema ovog čopera i dijagrami karakterističnih veličina u režimu sa prekidnom strujom i u režimu sa neprekidnom strujom. is Q 1 Ua 0 Ia + - V v. AK 1 i. G 1 i a + La - + R a e. L v. R i. D D 1 Ua + - Ea

ČOPER KLASE A Režim sa prekidnom strujom

ČOPER KLASE A Režim sa neprekidnom strujom Ia 2 Ia 1

ČOPER KLASE B (podizač napona) Šema i dijagram karakterističnih veličina u režimu sa neprekidnom strujom je data na slici. is Ua D 2 Ia 0 + - V ia i. Q Q 2 + e. L Ua i. G 2 + La v. AK 2 (a) -+ Ra - v. R + - Ea

ČOPER KLASE B

ČOPER KLASE B Režim sa neprekidnom strujom Ia 1 Ia 2 i. D 2=is

ČOPER KLASE C Ovaj čoper omogućava rad u dva kvadranta i predstavlja kombinaciju prethodna dva. Šema i karakteristični dijagrami dati su na slici. is Q 1 Ua + - Ia 0 V i. G 1 Q 2 i. G 2 i. Q 1 D 2 i. Q 2 D 1 i a + La - + R a e. L v. R Ua + - Ea

ČOPER KLASE C

Čoper klase C Režim rada sa neprekidnom strujom i. Q 1 i. D 1 i. Q 2 i. D 2 Ia 1 Ia 2

ČOPER KLASE D Šema čopera: is Q 1 Ua V i. G 1 Ia 0 D 1 D 2 ia + L - + R e. L + v. R Ua E +- Q 2 i. G 2

ČOPER KLASE D Režim rada sa neprekidnom strujom

ČOPER KLASE E Kombinacija dva čopera klase C omogućava četvoro-kvadrantni rad. Šema čopera je na slici. Ua D 2 - Q 3 - ON Q 1 - Q 4 - ON D 2 - D 3 - ON 0 Ia Q 2 - Q 3 - ON D 1 - Q 4 - ON D 1 - D 4 - ON Q 2 - D 3 - ON is Q 1 V - D 2 + - ia + La e. L Q 2 D 1 - + Ua Ra v. R - Ea Q 3 D 4 Q 4 D 3 + - v. D +

ČOPER KLASE E

Čoper klase E Režim rada sa neprekidnom strujom

Predstavljanje čopera funkcijom prenosa - Energetski pretvarači se za potrebe upravljanja elektromotornim pogonom mogu predstaviti funkcijom prenosa sa kašnjenjem prvog reda, što važi i za čoper. d Ua ton Ua

Savremeni elektromotorni pogon sa motorom jednosmerne struje napajanim iz čopera