Poluprovodničke komponente koje se koriste u energetskim pretvaračima Podsećanje... 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

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

OPSEZI PRIMENE KONTROLISANIH PREKIDAČKIH ELEMENATA-SW Podsećanje... OPSEZI PRIMENE KONTROLISANIH PREKIDAČKIH ELEMENATA-SW TIRISTORI - SCR TIRISTORI ZA VELIKE SNAGE IGBT tranzistor 150A/600V(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 AKTUATOR UPRAVLJAČKI ULAZ Puu Peu + ua e M Ld + ia

Generator jednosmerne struje 2. Amplidin 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: Generator jednosmerne struje 2. Amplidin Statički (konvertori) aktuatori Ispravljači (AC/DC) Čoperi (DC/DC) Magnetni pojačivači

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

Usvajanjem sledećih baznih vrednosti: 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

Kod ovog aktuatora važi: BLOK DIJAGRAM: N: uf=uc +  if f -1() 1 pTf f ωg  ua e Ra ia pTa Kod ovog aktuatora važi: Ako se zanemare gubici na trenje, ventilaciju i u gvožđu, važi: Crvena linija je spoljnje kolo. 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 M  Ua Uc=Uf

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.

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

Simulacioni blok dijagram

Dijagram pretvaranja komandnog napona uc u ugao paljenja  uc max min uc uc min max     2 Pojačanje generatora impulsa:

Monofazni punoupravljivi most Sprega monofaznog mosta i jednosmernog motora ip is Np Ns vs ia if Q1 Q3 Q4 Q2 ua Ekvivalentna šema pomoću koje se može objasniti rad ovog ispravljača - ~ + - + N A B vAN vBN Ea - + vR Ra ua iA iB La eL ia vAKA vAKB iGB QA QB iGA 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. vAN vBN vAN Ea il  t ua Ea ia    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. vAN vBN vAN Ea  t ua ia   2  t

Analitičke relacije koje važe u režimu neprekidnih struja 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:

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

Most je nelinearan sistem! Pojačanje se određuje linearizacijom. 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 50Hz: Promena ugla paljenja se može dogoditi bilo kada, dok promena napona nastaje tek nakon uključenja odgovarajućeg tiristora. ua Ua1 Ua2 4 3 1  2 2  Td

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. 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

v vab vbc vca  t  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 vc vb vab vac vbc vba vca vcb Ea ua ia isa i6 i1 i2  i5 i3 i4  2  t t

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

 [o/min] Me [Nm] 1500 =0o =30o =45o 1000 Granica prekida Ld=0 Prekidni režim 500 =75o Menom Me [Nm] 100 150 200 250 50 Neprekidni režim =90o =105o -500 =120o -1000 =135o =150o -1500 =180o

Most je nelinearan sistem! Pojačanje se određuje linearizacijom. 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. me  C1 – ISP. C2 – INV. C1 – INV. C2 – ISP.

Dijagram trenutnih vrednosti napona kružna struja samo za

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

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

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

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. Ea + - V is ia iG1 vAK1 Q1 iD Ua D1 La Ra vR eL Ia Ua

ČOPER KLASE A Režim sa prekidnom strujom

ČOPER KLASE A Režim sa neprekidnom strujom Ia1 Ia2

ČOPER KLASE B (podizač napona) Šema i dijagram karakterističnih veličina u režimu sa neprekidnom strujom je data na slici. + - V is ia iG2 vAK2 Q2 iQ Ua D2 La Ra vR (a) eL Ea Ua Ia

ČOPER KLASE B

ČOPER KLASE B Režim sa neprekidnom strujom iD2=is Ia1 Ia2

ČOPER KLASE C Ua Ia is ia iG2 Q1 iQ1 D2 La Ra vR eL Ea V Q2 iQ2 iG1 Ovaj čoper omogućava rad u dva kvadranta i predstavlja kombinaciju prethodna dva. Šema i karakteristični dijagrami dati su na slici. Ua Ia + - is ia iG2 Q1 iQ1 D2 La Ra vR eL Ea V Q2 iQ2 iG1 iD2 iD1 D1

ČOPER KLASE C

Čoper klase C Režim rada sa neprekidnom strujom Ia1 Ia2 iQ1 iD1 iD2 iQ2

ČOPER KLASE D ia Šema čopera: Ua Ia is Q1 D2 E L R + - V iG1 eL vR Q2 + - is Q1 D2 L R + - vR eL E V iG1 ia D1 Q2 iG2

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 Ia Q1 - Q4 - ON Q2 - Q3 - ON D1 - Q4 - ON D1 - D4 - ON Q2 - D3 - ON D2 - Q3 - ON D2 - D3 - ON + - + - is ia Q1 Ua D2 La Ra vR eL Ea V Q2 D1 D4 D3 Q3 Q4 vD

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