Energetska elektronika
1
ENERGETSKA ELEKTRONIKA
ver. 1.
pripremio: Doc. dr. sc. Danko Kezić
1. UVOD
Definicija Energetska elektronike glasi: «Energetska elektronika je dio
elektronike koji se koristi za pretvorbu parametara električne energije i za upravljanje
tokom električne energije».
U gornjoj definiciji se javljaju dva ključna pojma: «elektronika» i «parametri
električne energije».
Elektronika je grana znanosti i tehnike koja obuhvaća izučavanje i primjenu onih
pojava povezanih s gibanjem slobodnih elektrona i električki nabijenih čestica u
vakuumu, plinovima, tekućinama i poluvodičima. Gibanja čestica se ostvaruje u
komponentama elektroničkih uređaja. Dakle, ako neki sklop sadrži elektroničku
komponentu, onda je to elektronički sklop i pripada grani znanosti koja se naziva
elektronika. Parametri električke energije su: valni oblik napona, valni oblik struje,
frekvencija i broj faza.
Sl. 1. Proizvodnja, prijenos, distribucija, razdioba i potrošnja električne energije
Na slici 1 prikazana je blokovska shema na kojoj se vidi proces proizvodnje,
prijenosa, distribucije i potrošnje električne energije na kopnu.
Energetska elektronika
2
Proizvodnja električne energije počinje u indirektnom ili direktnom pretvaraču
energije. Primarna energija uskladištena u ugljenu, nafti, vodi, izotopima ili suncu se u
ovim pretvaračima pretvara u električnu energiju.
Indirektni pretvarači generiraju električku energiju na način da se primarni oblik
energije pretvori u mehaničku energiju, a potom se ta mehanička energija u generatoru
pretvara u električnu. Primjer može biti potencijalna energija vode ili kemijska energija
nafte, koja se prvo pretvara u mehaničku energiju u turbini ili dizel motoru, da bi se tek
tada mehanička energija u generatoru pretvorila u električnu energiju.
S druge pak strane direktni pretvarači izravno pretvaraju primarni oblik energije
u električnu energiju. Primjer su solarni, paneli koji direktno pretvaraju energiju sunca u
električnu energiju u poluvodičkim solarnim ćelijama.
Napon generatora električne struje (indirektnog pretvarača energije) je nedovoljan
za prijenos energije na velike udaljenosti. Stoga je potrebno napon generatora
transformirati na veći napon (sa 10 kV na 400 kV izmjenične struje), i s tako visokim
naponima dalekovodima prenositi električnu energiju na velike udaljenost. Na mjestu
gdje se namjerava potrošiti električna energija, izmjenični napon se ponovo transformira
na niže napone te distributivna mreža takovu energiju distribuira trošilima. To je
normalni tijek električne energije. Uređaji energetske elektronike su sadržani u
izmjeničnom generatoru (tiristorski ispravljači struju uzbude generatora), također u
pretvaračima za pogon pojedinih trošila (regulatori brzine elektromotora, regulatori
rasvjete i slično), te u dinamičkim kompenzatorima jalove snage koji se mogu javiti na
strani potrošnje.
U slučaju da na izmjeničnu mrežu želimo priključiti direktni pretvarač energije
koji u pravilu generira istosmjernu električnu energiju, potrebno je koristiti još jedan
uređaj energetske elektronike koji pretvara istosmjernu u izmjeničnu energiju, a koji se
zove izmjenjivač ili invertor.
Pored toga, u zadnje vrijeme se uređaji energetske elektronike koriste u prijenosu
energije na velike udaljenosti ( vidi sliku 1 ). Pri tome se koriste veoma visoki istosmjerni
naponi ( reda veličine 400 kV) radi manjih gubitaka. Izmjenična energija se pretvara u
istosmjernu prije prijenosa na veliku udaljenost pomoću ispravljača, da bi se potom
invertorima istosmjerna energija pretvorila u izmjeničnu. Ova konverzija se vrši pomoću
poluvodičkih elemenata, dioda i tiristora. Do prije desetak godina je bilo nezamislivo da
poluvodički elementi mogu podnositi tako velike napone i snage, no danas smo svjedoci
proizvodnje novih, vrlo moćnih poluvodičkih elemenata.
Uređaji energetske elektronike se na strani potrošnje električne energije koriste u
regulaciji istosmjernih i izmjeničnih elektromotornih pogona, elektrotermiji (zagrijavanje
visokofrekventnom električnom strujom ), elektokemiji ( galvanizacija ). Također se
koriste za neprekinuto napajanje izmjeničnim i istosmjernim naponom. Uklapanju trošila
( softstart ), u sustavima klimatizacije, rasvjete, računalne opreme, dizalima i slično.
Brojne su primjene na brodu i iz dana u dan su sve brojnije i brojnije. Primjer su
Energetska elektronika
3
regulacija brzine vrtnje crpki, uređaj za stabilizaciju frekvencije izmjenične energije
osovinskog generatora, pogon brodskih dizalica, punjači baterija i slično.
2. ELEKTRIČKA ENERGETSKA PRETVORBA
Električka energetska pretvorba odvija se u uređajima energetske elektronike koji
mijenjaju jedan ili više parametara električne energije bez značajnog gubitka snage
uporabom elektroničkih komponenti.
Elektronički pretvarači spajaju dva, po nekom od parametara električne energije,
različita električka sustava. Funkcije pretvarača mogu se objasniti slikom 2.
ISPRAVLJANJE
~
IZMJENIČNA
PRETVORBA
=
=
~
~
IZMJENJIVANJE
IZRAVNA
IZMJENIČNA
PRETVORBA
NEIZRAVNA
=
ISTOSMJERNA
PRETVORBA
ISTOSMJERNA
PRETVORBA
tok energije
IZRAVNA
NEIZRAVNA
Sl. 2. Funkcije pretvarača
Izmjenična i istosmjerna pretvorba može biti izravna ili neizravna. Ulazna
istosmjerna ili izmjenična energija se u izravnim pretvaračima odmah pretvara u
odgovarajući oblik energije na izlazu pretvarača. Kod neizravnog pretvaranja se vrši
dvostruka pretvorba ulazne energije da bi se na kraju dobio željeni oblik energije.
Izravni pretvarači koji pretvaraju izmjeničnu u istosmjernu energiju nazivaju se
ispravljači (AC/DC pretvarači). Izravni pretvarači koji pretvaraju istosmjernu energiju
ponovo u istosmjernu energiju ( ali promijenjenih električnih parametara, npr. napona )
nazivaju se istosmjerno- istosmjerni pretvarači ili DC /DC pretvarači. Izravni pretvarači
koji pretvaraju istosmjernu energiju u izmjeničnu energiju nazivaju se izmjenjivači ili
Energetska elektronika
4
invertori ) (DC /AC pretvarači). Izravni pretvarači koji pretvaraju izmjeničnu energiju u
izmjeničnu energiju nazivaju se izmjenični pretvarači (AC /AC pretvarači).
Izmjenično-izmjenična pretvorba se u neizravnom pretvaraču vrši tako da se prvo
ispravljačem izmjenična struja pretvori u istosmjernu, a zatim istosmjerna struja u
izmjeničnu. Također je moguće obaviti i istosmjerno-istosmjernu pretvorbu u neizravnom
pretvaraču na način da se odgovarajući istosmjerni napon izmjenjivačem prvo pretvori u
izmjenični, a zatim ispravljačem vrati u odgovarajući istosmjerni). Energetska
elektronika ne izučava neizravne pretvarače koji se sastoje od motora i generatora, nego
isključivo od poluvodičkih elemenata.
Na slici 3 prikazan je cilj koji se želi postići električkim pretvaračem i način na
koji je to moguće postići.
Sl. 3. Cilj i način ostvarivanja pretvorbe
Osnovni cilj je promijeniti određene parametre električnu energije. Na sl. 3a je
prikazan primjer izmjeničnog ili istosmjernog napona na ulazu koji se pretvara u manji ili
veći napon koji na izlazu iz pretvarača. Način ostvarenja cilja uporaba pretvarača koji je
prikazan na sl. 3b, a koji se sastoji isključivo od kapacitivnih, magnetskih i sklopnih
elemenata. Pored toga, pretvarač koristi senzore koji mu omogućavaju da nadgleda
Energetska elektronika
5
parametre električne energije na ulazu i izlazu, te u slučaju bilo kakovih iznenadnih
promjena, korigira svoj rad.
Elektronički energetski pretvarač može se definirati kao operativna jedinica za
elektroničku energetsku pretvorbu koja sadrži jedan ili više elektroničkih ventila, te
transformatore, kondenzatore, filtere i upravljačke sklopove, te ako je potrebno i ostale
pomoćne sklopove ako ih ima.
Struktura elektroničkog energetskog pretvarača prikazana je na slici 3a.
Pretvarač
Tok energije
Sustav A
U1, I1, f1, P1
Energetski dio
Sustav B
(energetski krug)
U2, I2, f2, P2
Informacijski dio
Informacija o željenim izlaznim
veličinama pretvarača
Sl 3a. Struktura pretvarača
Pretvarač na slici 3a mijenja električne parametre sustava A u odgovarajuće
parametre sustava B. Informacijski dio se sastoji od sklopova analogne i digitalne
elektronike. Zadatak informacijskog dijela je da pomoću senzora skuplja odgovarajuće
informacije iz sustava A i sustava B, te na temelju tih podataka i informacije o željenim
izlaznim veličinama pretvarača, upravlja energetskim dijelom pretvarača. Kao primjer
prikažimo strukturu elektroničkog energetskog pretvarača za napajanje istosmjernog
motora (vidi sliku 3b).
Energetska elektronika
6
ENERGETSKI DIO
Izmjenična mreža
3 x 380 V, 50 Hz
Sinkronizacija
INFORMACIJSKI
DIO
Pretvarački sklop
Regulirani objekt
(motor)
Odgovor
Okidni
uređaj
Upravljanje,
regulacija,
zaštita,
signalizacija i
Povratne veze
mjerenje
Referentni signal
Sl 3b. Struktura elektroničkog energetskog pretvarača za napajanje motora.
Na slici 3b prikazana je struktura pretvarača koji regulira brzinu vrtnje
istosmjernog motora. Kao izvor napajanja koristi se izmjenična mreža 3x380 V, 50 Hz.
Pretvarački sklop se sastoji od upravljivog ispravljača kojim se može mijenjati izlazni
istosmjerni napon. Istosmjerni napon se dovodi na istosmjerni motor. Brzinu vrtnje
motora određuje istosmjerni napon iz pretvarača. Zadatak informacijskog dijela uređaja
je da na temelju informacije o željenoj brzini motor (referentni signal) i stvarnoj brzini
motora dobivene preko povratne veze, upravlja okidnim uređajem. Okidni uređaj će u
sinkronizaciji sa naponom napajanja upravljati poluvodičkim ventilima unutar
pretvaračkog sklopa i na taj način upravljati izlaznim naponom. Na taj će se način brzina
istosmjernog motora održavati konstantnom neovisno o promjenama momenta
opterećenja istosmjernog motora.
Na slici 3c prikazana je razlika informacijske elektronike i energetske elektronike
(pretvarački sklop).
Energetska elektronika
7
Sl 3c. Usporedba informacijske i energetske elektronike
Uređaji informacijske elektronika procesiraju informaciju. Oni dakle obrađuju
ulaznu informaciju da bi na izlazu dobili obrađenu izlaznu informaciju. U svome radu
naravno troše električnu energiju. Primjer je informacijski dio pretvarača, ali i ostali
slabostrujni elektronički uređaji ( mobiteli, TV, kompjuteri …). Uređaji energetske
elektronike procesiraju energiju, a da bi to procesiranje uspješno izveli moraju primati
informacije koje daje informacijska elektronika.
Na gornjim slikama je prikazano da informacijska elektronika koristi komponente
kao što su otpori, kondenzatori i poluvodiči koje rade u linearnom i prekidačkom načinu
rada. Informacijska elektronika ne koristi magnetske elemente radi njihovih velikih
dimenzija. S druge pak strane, energetska elektronika u pretvaračkim sklopovima ne
koriste otpornike i poluvodiče u linearnom modu rada radi disipacije snage na tim
elementima (pretvarački sklopovi moraju raditi sa malim gubitcima energije).
Predmet proučavanja energetske elektronike su:
-
-
komponente sklopova energetske elektronike (elektronički učinski ventili,
poluvodički učinski ventili, magnetske komponente – transformatori i
prigušnice, kondenzatori, ostale komponente – osigurači, prigušni članovi i
slično),
sklopovi (za ispravljanje, za izmjenjivanje, za istosmjernu pretvorbu, za
izmjeničnu pretvorbu),
komponente uređaja i uređaji energetske elektronike ( regulacijski krugovi,
krugovi upravljanja, signalizacije i zaštite, filtri, titrajni krugovi …)
Energetska elektronika
-
8
upotreba uređaja u postrojenjima ( djelovanje na izvore električne energije,
djelovanje na trošila, ostali problemi elektromagnetske kompatibilnosti …).
U daljnjim razmatranjima izučavat će se komponente sklopova te pretvarački
sklopovi raznih vrsta pretvarača.
2.1 Ispravljači
Primjer ispravljača (AC/DC pretvorbe) prikazan je na slici 4.
Sl. 4. Trofazni ispravljač
Na slici 4 prikazan je trofazni ispravljač. Ispravljač se sastoji od trofaznog
transformatora trokut-zvijezda i tri prekidača V1, V2 i V3. Napon svake od faza je
sinusoidalan i pomaknut 120 stupnjeva. U ispravljaču u jednom trenutku može biti
uključena samo jedan sklopka. Pravilo uključivanja sklopki je da se uključuje samo ona
sklopka čija faza je na najvećem naponu. Tako sklopka V1 uključuje prvih 120 stupnjeva,
jer je faza R na većem potencijalu od faze S i T. Sklopka V2 će uključiti, a sklopka V1
isključiti u trenutku kada faza S bude na većem potencijalu od faze R i T. Analogno tome
će se sklopka V3 uključiti kada napon faze T bude najveći. Svaka sklopka vod 120
stupnjeva. Izlazni napon je tropulsni istosmjerni napon.
Energetska elektronika
9
2.2 Izmjenjivači
Primjer izmjenjivača (DC/AC) pretvorbe prikazan je na slici 5.
Sl. 5. Rezonantni istosmjerno-izmjenični pretvarač
Slika 5 prikazuje tkz. rezonantni pretvarač. Pretvarač pretvara istosmjernu
energiju dvaju istosmjernih izvora napona Vdc u izmjenični sinusni napon koji je stvara na
potrošaču (otpornik R ). Pretvarač osim izvora istosmjerne struje i potrošača ima
induktivitet i kondenzator koji su zajedno sa potrošačem vezani u serijski titrajni krug, te
prekidače P i N koji naizmjenično ukapčaju periodom. Kad je P ukopčan, tada je N
nužno iskopčan i obratno.
Napon v0 je pravokutan, dok je napon vac sinusoidalan radi djelovanja serijskog
titrajnog kruga. Frekvencija preklapanja sklopki jednaka je rezonantnoj frekvenciji
titrajnog kruga. Jedino u tom slučaju se dobije najveći iznos izmjeničnog napona na
potrošaču. Ukoliko se frekvencija prekapčanja sklopki razlikuje od rezonantne
frekvencije, napon na potrošaču je manji, a time je manja i snaga trošila. Dakle
mijenjanje frekvencije ukapčanja prekidača moguće je mijenjati izlaznu snagu na trošilu.
Pretvarač na slici 5 se koristi kod visokofrekventnog zagrijavanja.
Energetska elektronika
10
2.3. Izmjenično – izmjenični pretvarači
Primjer izravne izmjenično-izmjenične pretvorbe (AC/AC) prikazana je na slici 6:
Sl. 6. Izmjenično izmjenična pretvorba
Na slici 6 prikazan je pretvarač frekvencije koji višu ulaznu frekvenciju
izmjenične energije pretvara u nižu izlaznu frekvenciju. Pretvarač se sastoji od četiri
sklopke koji se naizmjenično preklapaju (dvije sklopke P i dvije sklopke). U vremenu
kada su uključene sklopke P , sklope N su isključene i obratno. Na slici 5 se vidi kako
se odgovarajućim preklapanjem sklopki može sintetizirati valni oblik izlaznog napona iz
sinusoidalnog oblika ulaznog napona. Srednja vrijednost valnog oblika izlaznog napona (
na slici prikazano crtkano) je sinusoida manje frekvencije nego što je frekvencija ulaznog
napona ( jedna perioda sinusoide izlaznog napona je veća od jedne periode sinusoide
ulaznog napona).
Sl. 7. Valni oblici napona na ulazu i izlazu pretvarača sa slike 6
Energetska elektronika
11
Na slici 7 prikazani su valni oblici ulaznog i izlaznog napona pretvarača. Gornja
slika prikazuje sinusoidalan ulazni napon u pretvarač. Srednja i donja slika prikazuju
izlazni napon iz pretvarača u slučaju kada se prikapčanje sklopki odvija nastupanjem
svake nove poluperiode ulaznog napona. Redoslijed uključivanja pojedinih sklopki
prikazan je na slici 7. Kao rezultat dobije se izlazni napon frekvencije tri puta manje od
ulazne frekvencije (srednja slika). Pored mijenjanja frekvencije pomoću ovog pretvarača
moguće je i mijenjati srednju vrijednost izlaznog napona ukoliko prekidače uklapamo s
izvjesnim zakašnjenjem u odnosu na početak poluvala sinusoidalnog napona (donja
slika). Pretvarač na slici 6 koristi se za regulaciju brzine vrtnje asinkronog i sinkronog
motora.
Još jedan primjer izmjenično-izmjenične pretvorbe prikazan je na slici 8.
Sl 8. Izmjenično-izmjenični pretvarač napona
Pretvarač na slici 8 vrši pretvorbu izmjeničnog napona određene frekvencije u
niži napon iste frekvencije. Sklopka S uključuje svaku poluperiodu izmjeničnog napona,
no sa određenim kašnjenjem u odnosu na početak sinusoide ulaznog napona. Na taj se
način «odsijecaju» dijelovi poluvala sinusoidalnog napona. Kao rezultat dobije se izlazni
napon smanjene vrijednosti. Ovakvi pretvarači koriste se kod regulacije rasvjete.
2.4. Istosmjerno-istosmjerni pretvarači
Načelo rada istosmjerno istosmjernih pretvarača zasniva se na brzom prekapčanju
sklopki koje velikom brzinom prekidaju istosmjernu energiju izvora. Ovi pretvarači služe
da smanje ili povećaju istosmjerni napon na ulazu. Da bi se objasnilo načelo rada
istosmjerno – istosmjernog pretvarača, potrebno je prethodno objasniti najjednostavniji
način izvedbe takovog pretvarača.
Pretpostavimo da želimo realizirati istosmjerno-istosmjerni pretvarač koji
pretvara 100 V DC napona (istosmjernog napona) na 50 V DC napona. Neka je izlazna
snaga trošila 500 W. Otpor trošila je 5 Ω , a izlazna struja je 10 A (vidi sliku 9 ).
Energetska elektronika
12
Sl. 9. Primjer DC-DC pretvarača
Pretvarač na slici 9 može se ostvariti pomoću jednog otpornika iznosa 5 Ω koji je
u seriju vezan sa trošilom. Slika 10 prikazuje takav pretvarač sa disipativnom
komponentom – otpornikom.
Sl. 10. Pretvarač realiziran disipativnom komponentom
Energetska elektronika
13
Za pretvarač na slici 10 je lako izračunati snagu koja se razvija (disipira) na
otporniku unutar pretvarača Ploss . Ukoliko se pomnoži napon i struja kroz otpornik dobije
se da je snaga disipirana na otporniku 500 W , dakle jednaka snaga koja se troši u trošilu
disipira se na otporniku unutar pretvarača. Izvor prema tome mora davati snagu od
Pin = 1000 W , jer je Pin = Pout + Ploss . Ovih 500 W gubitaka snage unutar pretvarača u vidu
topline predstavlja čisti gubitak, stoga je ovakav pretvarač neprihvatljiv za iole veće
snage trošila. Potrebno je realizirati pretvarač u kojem neće biti gubitaka snage, dakle u
kojem je Ploss = 0 , Pin = Pout .
Takav pretvarač može se realizirati uporabom brzog prekidača prikazanog na slici
11.
Sl. 11. Pretvarač sa brzim prekidačem
Pretvarač napona na slici 11 koristi prekidač koji prekida frekvencijom od
nekoliko tisuća puta u sekundi (nekoliko kHz). Pretpostavimo da je frekvencija
prekidanja prekidača f s =10 kHz. Tada se lako može izračunati period prekidanja:
Ts =
1
=0,1 ms
fs
Prekidač ima dva položaja, položaj 1 (izvor priključen na trošilo) i položaj 2
(izvor nije priključen na trošilo) – vidi sliku 11. U periodu Ts prekidač je jedno vrijeme u
položaju 1 (vrijeme DTs ) a ostatak vremena u položaju 2 (vrijeme (1 − D)Ts ). Parametar
14
Energetska elektronika
D je između 0 i 1. Kada je D=0 prekidač se stalno nalazi u položaju 2 i izlazni napon
jednak je 0. Kada je D=1 prekidač se stalno nalazi u položaju 1 i izlazni napon jednak je
naponu izvora.
Na slici 11 prikazana je situacija kada je D=0,6. To znači da je sklopka u položaju
1 točno 0,06 ms, a u položaju 2 točno 0,04 ms. Srednja vrijednost izlaznog napona može
se dobiti iz formule:
Ts
Vs = ∫ vs (t )dt = DVg
0
Dakle, ukoliko je ulazni napon 100 V, izlazni napon će uz D=0,6 biti 60 V. Pri
tome nema gubitaka snage na prekidaču pa možemo smatrati da je Ploss = 0 .
3. STUPANJ DJELOVANJA I FAKTOR SNAGE PRETVARAČA
U ovom poglavlju će se kratko opisati neki pokazatelji koji pokazuju na kvalitetu
pretvarača. Ako se sa Pin označi ulazna snaga u pretvarač, Pout izlazna snaga iz
pretvarača, a Ploss snaga koja se gubi u pretvaraču u vidu topline, onda se može definirati
stupanj djelovanja pretvarača η . Na slici 12 je prikazan način na koji je definiran stupanj
djelovanja.
Sl. 12. Stupanj djelovanja pretvarača
15
Energetska elektronika
Na slici 12 se također vidi krivulja koja pokazuje kako se mijenja stupanj
P
djelovanja η u funkciji omjera loss . Idealni pretvarač ima faktor η jednak jedinici, što
Pout
znači da mu je snaga gubitaka Ploss =0, a Pout = Pin .
Pored stupnja djelovanja postoji i faktor snage koji se definira kao:
λ=
Pin
.
Sin
gdje je:
Pin - djelatna snaga pojne mreže
Sin - prividna snaga pojne mreže
Faktor snage pretvarača «govori» koliko se prividne snage pojne mreže angažira u
djelatnoj snazi koja se predaje trošilu u pretvaraču. Faktor snage λ je uvijek negdje
između 0 i 1. Ako je λ =1, tada je Sin = Pin , nema jalove snage u mreži, sva prividna
snaga generatora izražena u VA pretvara se u djelatnu snagu trošila izraženu u W. S
druge pak strane, ako je npr. λ =0,8 tada je za dobivanje npr. Pin =1000 kW djelatne snage
na trošilu potrebno Sin =1250 kW prividne snage generatora. Razlika od 750 kW
predstavlja jalovu snagu koja titra između trošila i izvora (vidi osnove elektrotehnike –
trokut snaga).
4. KOMPONENTE U ENERGETSKOJ ELEKTRONICI
Komponente koje se primjenjuju u energetskoj elektronici možemo općenito
podijeliti ne aktivne i pasivne. Pasivne komponente su otpornik, kondenzator, prigušnica
i transformator. Aktivne komponente predstavljaju poluvodički ventili kao dioda,
tranzistori, tiristori …
4.1 Pasivne komponente
Otpornik je osnovna pasivna komponenta. Otpornik ima dva električna izvoda
koja su povezana materijalom koji predstavlja otpor protjecanju struje (detalje vidi u
osnovama elektrotehnike). Parametri koji karakteriziraju otpornik su :
-
nominalni otpor otpornika (izražen u ohmima Ω ),
maksimalna snaga otpornika (izražena u W – umnožak napona na otporu i
struje koja kroz njega prolazi),
maksimalni napon (izražen u V – najveći dopušteni napon bez obzira na struju
otpornika),
Energetska elektronika
-
16
temperaturni koeficijent (izražen u postotcima promjene otpora sa
temperaturom – otpor otpornika se povećava sa temperaturom)
tolerancija otpornika – (postotno dozvoljeno odstupanje od nominalne
vrijednosti otpora npr. ±20% ).
Postoje više vrsta otpornika – žičanih, metal film, ugljenih …Na slici 13
prikazane su različite vrste otpornika:
Sl.13. Otpornici
Kondenzator je pasivna komponenta koja se sastoji od dva izvoda. Izvodi su
povezani sa metalnim pločama između kojih se nalazi dielektrik (detalje vidi u osnovama
elektrotehnike). Kondenzator karakteriziraju slijedeći parametri:
-
nominalni kapacitet kondenzatora (izražena u dijelovima Farada npr. µ F )
radni i maksimalni napon (izražen u V)
kut gubitaka tgϕ (izražava kvalitetu kondenzatora – što manji to bolji)
Postoje više vrsta kondenzatora – elektrolitski, papirni, strirofleksni, keramički …
Na slici 14 prikazane su različite vrste kondenzatora:
Energetska elektronika
17
Sl. 14 Kondenzatori
Prigušnica je komponenta koja se sastoji od vodiča namotanog oko magnetskog
materijala (detalje vidi u osnovama elektrotehnike). Prigušnicu karakteriziraju slijedeći
parametri:
-
induktivitet prigušnice ( izražen u dijelovima Henrija npr. mH)
maksimalna struja i napon prigučnice.
Na slici 15 prikazana je prigušnica
Sl. 15. Prigušnica
Jednofazni transformator sačinjavaju dvije zavojnice (primar i sekundar)
povezane magnetskim materijalom. Transformator pretvara jednu vrijednost izmjeničnog
napona i struje primarne zavojnice u neku drugu vrijednost napona i struje sekundarne
zavojnice. Frekvencija struje ostaje nepromijenjena. Prilikom transformacije snaga na
Energetska elektronika
18
primaru mora biti jednaka snazi na sekundaru. Trofazni transformatori se sastoje od tri
para primarnih i sekundarnih zavojnica, svaki za svoju fazu (više o transformatorima u
osnovama elektrotehnike). Slika 16 prikazuje transformator.
Sl. 16. Trofazni transformatori
4.1.1. Modeli pasivnih komponenti
Model otpornika, prigušnice i kondenzatora može se prikazati na slikama 16, 17 i 18.
Sl 16. Model otpornika
Na slici 16 se vidi simbol otpornika te relacija koja povezuje struju i napon kroz
otpornik (ohmov zakon). Za otpornik je karakteristično da se na njemu troši eklektična
energija W = PR ⋅ t (u vidu topline) koja je proporcionalna snazi PR (umnošku napona
Energetska elektronika
19
vR (t ) na otporu i struji iR (t ) koja prolazi kroz njega) te vremenu t . Otpornik ne može
uskladištiti energiju, može je samo potrošiti.
Sl 17. Model prigušnice
Na slici 17 se vidi simbol prigušnice te relacija koja povezuje struju iL (t ) i napon
vL (t ) kroz prigušnicu. Idealnu prigušnicu definira induktivitet prigušnice L . Za idealnu
prigušnicu je karakteristično da ne troši energiju, nego je pohranjuje u vidu magnetske
L ⋅ iL (t )
energije (energija induktiviteta određena je relacijom W =
- vidi osnove
2
elektrotehnike). Induktivitet ( često tako nazivamo idealnu prigušnicu ) dakle u
određenim periodima uskladištava električnu energiju – kažemo da se puni energijom, a u
narednim periodima prazni energiju magnetskog polja i pretvara je u odgovarajuću
električnu energiju. Uvjet periodičnog načina rada sklopa sa induktivitetom određen je
relacijom na slici 17. – za vrijeme ustaljenog rada električnog sklopa za vrijeme perioda
T srednja vrijednost napona na induktivitetu vL (t ) mora biti jednaka 0.
Sl 18. Model kondenzator
Na slici 18 se vidi simbol kondenzatora te relacija koja povezuje struju iC (t ) i
napon vC (t ) kroz kondenzator. Idealan kondenzator definira kapacitet kondenzatora C .
Za idealan kondenzator je karakteristično da ne troši energiju, nego je pohranjuje u vidu
C ⋅ uC (t )
električne energije (energija kapaciteta određena je relacijom W =
- vidi osnove
2
elektrotehnike). Kapacitet ( često tako nazivamo idealan kondenzator ) dakle u određenim
periodima uskladištava električnu energiju – kažemo da se puni energijom, a u narednim
Energetska elektronika
20
periodima prazni energiju električnog polja i pretvara je u odgovarajuću električnu
energiju. Uvjet periodičnog načina rada sklopa sa kapacitetom određen je relacijom na
slici 18. – za vrijeme ustaljenog rada električnog sklopa za vrijeme perioda T srednja
vrijednost struje kroz kapacitet vC (t ) mora biti jednaka 0.
Model jednofaznog transformatora i pripadajuće relacije koje povezuju struje i
napone primarne i sekundarne strane prikazane su na slici 19 (detalji su objašnjeni u
osnovama elektrotehnike).
Sl. 19. Model trafa i pripadne relacije
Iz relacija na slici 19. mogu se dobiti transformatorske jednadžbe koje glase:
v1 = N ⋅ v2
i1 = −
1
i2
N
gdje je:
N - omjer broja zavoja između primara i sekundara (
4.2 Aktivne komponente
n1
)
n2
Energetska elektronika
21
Aktivne komponente u energetskoj elektronici su poluvodički energetski ventili.
Danas postoje više vrsta poluvodičkih ventila koji se koriste u energetskoj elektronici kao
što su dioda, tiristor, GTO tiristor, MCT tiristor, bipolarni tranzistor, IGBT tranzistor,
MOS tranzistor, diak, triak …Poluvodički ventili u pretvaračkim sklopovima
predstavljaju poluvodičke sklopke, a to su ujedno i osnovne komponente pretvaračkih
sklopova. Prije nego se pristupi proučavanju karakteristika poluvodičkih ventila,
potrebno je analizirati rad idealne mehaničke sklopke.
Idealna mehanička sklopka prikazana je na slici 20.
Sl. 20. Idealna sklopka
Idealna sklopka je dvopolni element koji služi prekidanju i uspostavljanju
strujnog kruga. Sklopka se može nalaziti u dva stanja: sklopka uključena i sklopka
isključena. Kada je sklopka isključena (kao na slici 21) struja kroz sklopku i (t ) jednaka
je nuli, a napon između kontakata u (t ) jednak je naponu izvora U . Kada je sklopka
U
uključena struja kroz sklopku i (t ) = , a napon na kontaktima sklopke u (t ) = 0 . U oba
R
slučaja snaga koja se disipira (razvija) na sklopki je p(t ) = u(t ) ⋅ i(t ) = 0 , dakle nema
gubitaka u vidu zagrijavanja sklopke kada dolazi do prekapčanja. Realna elektronička
sklopka (poluvodički ventil) naravno nema karakteristike idealne sklopke. Kod realne
sklopke u stanju uključenosti nije napon u (t ) jednak nuli, već tipično iznosi 1 – 2 V, pa
je prema tome i snaga gubitaka p(t ) = u (t ) ⋅ i (t ) ≠ 0 . Za realne elektroničke sklopke
posebno je izražena snaga gubitaka prilikom faze uključenja i isključenja sklopke, tako
da se sklopke više zagrijavaju kod većih frekvencija prekapčanja sklopke. Dok je za
idealnu sklopku svejedno kojim smjerom kroz nju prolazi struja i kakav je polaritet
napona na kontaktima sklopke, realne elektroničke sklopke u pravilu mogu voditi struju
samo u jednom smjeru i podnositi napone samo jednog polariteta.
Energetska elektronika
22
Sl. 21. Sklopka u strujnom krugu.
4.2.1 Podjela električkih ventila i njihovi modeli
Podjela električkih ventila prikazana je na slici 21.
Sl. 21. Podjela elektroničkih ventila
Električki ventili se dijele na neupravljive i upravljive, a upravljivi se dijele na
one koji se samo mogu uklopiti i one koji se mogu uklopiti i isklopiti. Neupravljive
ventile može uklapati i isklapati samo glavni tok napona i struje koji kroz njih prolazi.
Upravljive ventile moguće je uklapati pomoću kontrolnog sklopa slabim naponskim ili
strujnim signalom. Neke od upravljivih ventila moguće je samo uklopiti, ali ne i isklopiti
(primjer je tiristor). Zbog toga je za isklapanje tiristora potrebno isključiti glavni strujni
krug. Druge upravljive ventile moguće je i uklopiti i isklopiti pomoću kontrolnog sklopa.
Na slici 22 prikazane su vrste današnjih poluvodičkih ventila i njihova usporedba
sa idealnom sklopkom prikazanom na slici 20.
Energetska elektronika
23
Sl. 22. Vrste poluvodičkih ventila
Slika 22 prikazuje usporedni prikaz svih mogućih stanja idealne sklopke i stanja u
kojima se mogu naći pojedine realne električke sklopke (poluvodički ventili).
Postoje stanja blokiranja, vođenja, uklapanja, isklapanja i zapiranja sklopke.
Struja teče kroz sklopku u direktnom smjeru , a ponekad i u obratnom, inverznom smjeru.
Sklopka je u stanju blokiranja kada se na nju postavi napon koji želi protjerati
struju kroz sklopku u direktnom smjeru. Kada na takovu električku sklopku pošaljemo
električni signal za uklapanje, sklopka uklapa i prelazi u stanje vođenja (sklopka se
zatvara). Neke sklopke se mogu isklopiti također pomoću kontrolnog signala, te nakon
isklapanja sklopka prestaje voditi struju. Sklopka se nalazi u zapiranju kad se na nju
postavi napon koji ne dozvoljava uključenje sklopke (sklopka je otvorena bez mogućnosti
uklapanja).
Na dnu slike 22 se vidi da idealna sklopka može biti u svim mogućim stanjima, te
da podnosi tijek struje u oba smjera (direktnom i inverznom). S druge pak strane dioda
može biti u stanju vođenja kada provodi struju u direktnom smjeru i u stanju zapiranja
kad je na nj narinut inverzni napon. Na slici 22 moguće je vidjeti koji se poluvodički
električki ventili mogu naći u kojim stanjima. Vidljivo je da ne postoji niti jedan
električki ventil koji pokriva sva stanja idealne sklopke.
Energetska elektronika
24
Dioda i tiristor
Na slici 23 prikazani su modeli polivodičke diode i tiristora, te njihove pripadjuće
naponsko-strujne karakteristike. Naponsko-strujne karakteristike prikazuju napone na
komponentama i struje kroz njih za različita stanja u kojima se elementi mogu naći.
Sl. 22. Modeli diode i tiristora
Dioda (na gornjem dijelu slike 22) ima dva izvoda – gornja anoda i donja katoda.
Struja kroz diodu prolazi isključivo iz smjera anode prema katodi (u smjeru strelice).
Kada je dioda propusno polarizirana (na anodi je + potencijal, a na katodi - potencijal ),
dioda se nalazi u stanju vođenja, napon na diodi vD ≈ 0 ( kod realnih dioda 0,7 – 1,2 V), a
struju kroz diodu iD ograničava samo vanjski strujni krug (teoretski može narasti do ∞ ).
Kada je dioda reverzno (inverzno) polarizirana (na anodi je – potencijal, a na katodi +
potencijal), dioda se nalazi u stanju zapiranja, napon na diodi vD je jednak naponu izvora,
a struja iD ≈ 0 (realne diode imaju vrlo malu reverznu struju).
Diodu je moguće ispitati pomoću ohmmetra mjereći otpor između anode i katode.
Ako ohmmetar priključimo na diodu tako da + pol priključka ohmmetra priključimo na
anodu, a – pol priključka ohmmetra na katodu, moramo izmjeriti mali otpor ( u uputstvu
instrumenta naznačeno je koji pol ohmmetra je +, a koji -). Ako priključke ohmmetra
obratno spojimo na diodu, ohmmetar mora prikazivati veliki otpor. Ako su oba testa
Energetska elektronika
25
ispravna najvjerojatnije je da je dioda ispravna (postoji mala vjerojatnost da dioda probija
na visokom naponu i da ipak nije ispravna).
Tiristor (na donjem dijelu slike 22) ima tri izvoda – gornja anoda, donja katoda i
sa strane kontrolna elektroda «gate» (gejt). Razlikujemo glavni i upravljački krug
tiristora. Kroz glavni krug tiristora (anoda – katoda) prolazi velika struja koja se upravlja.
Upravljački krug tiristora sačinjava krug gejt – katoda, i kroz taj krug se dovodi
kratkotrajni strujni impuls upravljačkog sklopa koji dovodi tiristor u stanje vođenja.
Upravljana velika struja prolazi kroz glavni krug tiristora isključivo iz smjera anode
prema katodi (u smjeru strelice).
Kada je tiristor propusno polariziran (na anodi je + potencijal, a na katodi potencijal ), tiristor se nalazi u stanju blokiranja, napon na tiristoru vT jednak je naponu
izvora , a struju kroz diodu iD jednaka je 0. Otpor između anode i katode je ∞ , sklopka
je otvorena. Tiristor može preći u stanje vođenja (otpor između anode i katode pada na
vrlo malu vrijednost – sklopka je zatvorena) samo ako su u određenom trenutku
zadovoljena oba osnovna uvjeta:
a) da se tiristor nalazi u stanju blokiranja (na anodi je + potencijal, a na katodi potencijal),
b) da se u krugu gejt - katoda tiristora dovede kratkotrajni strujni impuls –
impulse generira kontrolni sklop koji upravlja tiristorom.
Kada tiristor jednom započne vođenje, nastavlja voditi sve dok struja kroz glavni
krug (krug anoda – katoda) ne padne na nulu. Nakon toga se tiristor mora jedno kratko
vrijeme odmoriti prije nego što bude sposoban ponovo preći u stanje blokiranja. Tiristor
se nalazi u reverznom stanju kada je na katodi + potencijal, a na anodi – potencijal. Tada
tiristor nikako ne može doći u stanje vođenja bez obzira na kontrolni strujni signal na
gejtu. Na sl. 22 sva tri stanja vidljiva su iz strujno naponske karakteristike tiristora.
Na slici 23 prikazan je napon na tiristoru i struja kroz tiristor u fazi njegovog
iskapčanja.
Energetska elektronika
26
Sl. 23. Iskapčanje tiristora i vrijeme odmaranja.
Na slici 23 se vidi da je u nultom trenutku napon vT ≈ 0, a struja iT > 0 , što znači
da se tiristor nalazi u stanju vođenja. U trenutku t1 narine se reverzni napon na tiristor i
struja iT počinje padati, te padne na nulu u trenutku t2 . Tek tada tiristor prestaje voditi i
prelazi u stanje zapiranja, napon vT < 0 (vidi sliku). Stanje zapiranja tiristora mora trajati
jedno određeno vrijeme dok tiristor ponovno ne poprimi svojstva potrebna da bi mogao
doći u stanje blokiranja ( podnjeti propusni napon a da ne pređe u stanje vođenja sam od
sebe). To vrijeme se naziva «vrijeme oporavka» i jedan je od parametara koji se daje u
katalogu za određeni tiristor (što je manje vrijeme oporavka to je bolje). Bitno je da
tiristor u sklopu «odmara» ( nalazi se u stanju zapiranje ) barem onoliko vremena koliko
iznosi vrijeme oporavka. Ako se na tiristor dovede blokirni napon prije nego što istekne
vrijeme oporavka, tiristor prelazi u stanje vođenja bez kontrolnog signala na gejtu (
neregularno i može biti opasno ).
Tiristor je moguće ispitati koristeći shemu na slici 24.
Sl. 24. Ispitivanje tiristora
Energetska elektronika
27
Ako spojimo bateriju i žaruljicu (od recimo 4,5 V) u krug na slici, te pri tom ne
spojimo vodič koji spaja + pol baterije sa gejtom (crtkani vodič), tiristor se nalazi u stanju
blokiranja, žaruljica ne smije svijetliti jer tiristor ne vodi. Ako sada spojimo crtkanu žicu
(+ pol baterije sa gejtom), tiristor prelazi u stanje vođenja, žarulja se mora upaliti. Ako
sada odspojimo gejt i + pol baterije (skinemo crtkani vodič), žarulja i dalje mora svijetliti
jer se tiristor nalazi i dalje u stanju vođenja. Ako sada odspojimo bateriju, prekinemo
glavni strujni krug, žarulja se naravno mora ugasiti, Ako okrenemo bateriju ( + dole a –
gore ), žaruljica niti u kojem slučaju se ne smije upaliti. Ako su svi ovi testovi zadovoljili
kako je gore ispravno tada je tiristor najvjerojatnije ispravan.
Hidraulička analogija diodne i tiristorske strukture prikazana je na slici 25. Ovdje
je tok struje zamijenjen sa tokom vode u cijevi, a napon struje sa pritiskom koji tjera
struju kroz cijev.
Sl 25. Hidraulička analogija diode i tiristora
Na gornjoj slici je hidraulička analogija diode. Vidljivo je da voda kroz cijev
može proći samo ako se giba sa desna na lijevu stranu u propusnom smjeru (tok vode
diže zaporku). Ako se napon promjeni, pa pritisak vode pokuša protjerati struju vode u
Energetska elektronika
28
suprotnom smjeru – zaporni smjer (od lijeva ka desno), zaporka pada i nema toka vode
kroz cijev.
Na donjoj slici je prikazana hidraulička analogija tiristora. Voda ima šanse proći
kroz cijev jedino ako pritisak vode pokušava tjerati vodu u propusnom smjeru (od desna
ka lijevo). Međutim, voda neće moći proći kroz cijev jer nije izvučen izvlačivi zapor pa
je klapna ostala zatvorena iako bi pritisak vode rado otvorio klapnu. Govorimo da je
tiristor u blokirnom stanju. Tek ako sada izvučemo zaporku (impuls struje na gejtu),
klapna se diže i struja vode prolazi kroz cijev. Tiristor se nalazi u stanju vođenja struje.
Kada klapna ponovo može zatvoriti cijev???? Tek tada kada se zaustavi struja vode u
propusnom smjeru i kada se pričeka «vrijeme oporavka» dok klapna ne padne i ponovo
ne zakvači za zapor. Tek tada možemo ponovo doći u blokirno stanje. Ako ne pričekamo
vrijeme odmaranja (ne pričekamo da se klapna zakvači za zapor), dovođenje propusnog
napona (pritiska vode) automatski prebacuje tiristor u vođenje (cijev propušta vodu bez
obzira na stanje zaporke.
Gejtom isklopivi tiristor (GTO – gate turn off)
Gejtom isklopivi tiristor i njegova pripadajuća karakteristika prikazan je na slici
26.
Sl. 26. Gejtom isklopivi tiristor
Gejtom isklopivi tiristor je posebna vrsta tiristora koja se može isklopiti
dovođenjem negativnog impulsa na gejt tiristora – negativni strujnio impuls u
upravljačkom krugu gejt – katoda. Ukapčanje GTO tiristora se obavlja na isti način kao i
kod običnog tiristora – dovođenjem pozitivnog naponskog impulsa na gejt tiristora koji
protjera strujni impuls u upravljačkom krugu gejt-katoda. GTO je prema tome potpuno
upravljiva sklopka koja može isklopiti ili isklopiti pomoću signala upravljačkog kruga.
Tranzistori
Tranzistori su potpuno upravljive električne sklopke . Osnovna razlika između
tranzistora i tiristora je što se kod tranzistora kontrolni signal na upravljačku elektrodu
mora dovoditi cijelo vrijeme dok traje vođenje tranzistora, dok se kod tiristora kontrolni
Energetska elektronika
29
signal za uključenje dovodi u vidu kratkotrajnog impulsa, nakon čega tiristor trajno ostaje
u stanju vođenja. Na slici 27 su prikazani osnovne vrste tranzistora i njihove strujno
naponske karakteristike.
Sl. 27. Vrste tranzistora
Na gornjem dijelu slike 27 prikazan je bipolarni (BJT) tranzistor NPN tipa, i
njegova strujno naponska karakteristika. Tranzistor ima tri elektrode (gornja - kolektor,
srednja – baza, i donja emiter). Glavni krug tranzistora kroz koji prolazi struja koja se
upravlja su krug katoda-emiter. Krug baza-emiter čini upravljački krug kroz kojeg prolazi
upravljačka struja. Dok prolazi upravljačka struja kroz bazu tranzistora, otpor između
kolektora i emitera tranzistora je mali – tranzistor se ponaša kao zatvorena sklopka –
propusno stanje, vCE ≈ 0 ( kod realnog tranzistora vCE = 0,3 V), a kolektorsku struju iC >0
određuje vanjski izvor napona u glavnom krugu kolektor emiter. Ukoliko se prekine
dovod upravljačke struje, otpor između kolektora i emitera postaje ∞ - tranzistor se
ponaša kao otvorena sklopka, nalazi se u stanju blokiranja, vCE je jednak naponu izvora
koji je priključen u glavnom krugu, a kolektorska struja iC =0. Ako između kolektora i
Energetska elektronika
30
emitera priključimo negativan napon, tranzistor je zaporno polariziran i ne može
provoditi struju. Nisu preporučljivi veći zaporni naponi – mogućnost uništenja
tranzistora.
Na srednjem dijelu slike 27 prikazan je MOSFET (metal oxid semiconductor field
efect transistor - N kanalni obogaćenog tipa), i njegova strujno naponska karakteristika.
Tranzistor ima tri elektrode (gornja - drain, srednja – geit, i donja source). Glavni krug
tranzistora kroz koji prolazi struja koja se upravlja su krug drain-source. Krug gejt-source
čini upravljački krug kroz kojeg prolazi upravljačka struja. Dok prolazi upravljačka struja
kroz gejt tranzistora, otpor između kolektora i emitera tranzistora je mali – tranzistor se
ponaša kao zatvorena sklopka – propusno stanje, vDS ≈ 0 ( kod realnog tranzistora
vCE = 1 − 2 V), a kolektorsku struju iC >0 određuje vanjski izvor napona u glavnom krugu
drain s source. Ukoliko se prekine dovod upravljačke struje, otpor između draina i sourca
postaje ∞ - tranzistor se ponaša kao otvorena sklopka, nalazi se u stanju blokiranja, vDS je
jednak naponu izvora koji je priključen u glavnom krugu, a struja draina iC =0. Ako
između draina i sourca priključimo negativan napon, tranzistor je zaporno polariziran i ne
može provoditi struju. Nisu preporučljivi veći zaporni naponi – mogućnost uništenja
tranzistora.
Glavna razlika između BJT i MOSFET tranzistora je u upravljanju. BJT tranzistor
je strujno upravljan – potrebna je određena jakost struje baze za uključenje tranzistora što
zahtjeva jake upravljačke strujne izvore i komplicira upravljanje, dok se MOSFET
upravlja naponskim signalom – upravljački sklopovi jednostavniji ne zahtijevaju strujne
signale. BJT ima prednosti pred MOSFETOM što može izdržati veća strujna i naponska
opterećenja.
Prednosti i jednog i drugog tranzistora iskorišteni su u IGBT ( insulated gate
bipolar tranzistoru ), svojevrsnom «križancu» BJT i MOSFET tranzistora. IGBT se
upravlja kao MOSFET, a podnosi jake struje kao BJT tranzistor. Izvodi IGBT tranzistora
su kolektor, gejt i source. Princip rada je sličan kao u gornja dva tranzistora.
Hidraulička analogija tranzistora prikazana je na slici 28.
Energetska elektronika
31
Sl. 28. Hidraulička analogija tranzistora
Rad tranzistora se može shvatiti ako se načini hidraulička analogija. Tok vode
kroz cijev se može regulirati pomoću zaklopke koja se može otvoriti ili zatvoriti.
Zaklopka ima oprugu koja je stalno vraća u zatvoreno stanje. Dovođenjem upravljačke
struje baze ( napona na gejtu) , zaklopka otvara, protječe struja vode ( struja od kolektora
– draina ka emiteru – sourcu ). Prekidanjem upravljačke struje, zaklopka se zatvara, i
prestaje teči struja u propusnom smjeru.
Ispitivanje BJT NPN tranzistora može se obaviti uz pomoć ohmmetra. NPN
tranzistor se ispituje na slijedeći način:
1. Stavi + ohmetra na bazu tranzistora a – ohmmetra na emiter tranzistora (rezultat
mora biti mali otpor),
2. Stavi + ohmetra na bazu tranzistora a – ohmmetra na kolektor tranzistora (rezultat
mora biti mali otpor),
3. Stavi - ohmetra na bazu tranzistora a + ohmmetra na emiter tranzistora (rezultat
mora biti veliki otpor),
4. Stavi - ohmetra na bazu tranzistora a + ohmmetra na kolektor tranzistora (rezultat
mora biti veliki otpor),
5. Stavi + ohmetra na emiter tranzistora a – ohmmetra na kolektor tranzistora
(rezultat mora biti veliki otpor),
6. Stavi - ohmetra na emiter tranzistora a + ohmmetra na kolektor tranzistora
(rezultat mora biti veliki otpor),
Za PNP tranzistor vrijede slični testovi (samo treba u testovima od 1 do 4 zamijeniti +
sa – ohmmetra i obratno).
Energetska elektronika
32
5. ISPRAVLJAČI
5.1 Razvoj topologija jednofaznih diodnih ispravljačkih spojeva
U ovom poglavlju će se razmatrati razvoj topologije jednofaznih diodnih
ispravljača os najjednostavnijih poluvalnih sa jednom diodom, do složenijih
punovalnih sa dvije i četiri diode. Razmatrat će se valni oblik izlaznog napona, i
srednja vrijednost izlaznog napona (parametri važni za kvalitetu ispravljača).
Najjednostavniji poluvalni ispravljač (tkz. polumosni spoj) opterećen induktivnim
trošilom je prikazan na slici 29.
Sl 29. Jednofazni polumosni spoj
Sa slike 29 vidljivo je da se ispravljač dade realizirati pomoću jedne dvopoložajne
preklopke. Kada je na sekundaru transformatora pozitivan poluval izmjeničnog
napona, preklopka je u gornjem položaju, napon sekundara se prenosi na trošilo.
Kada je na sekundaru transformatora negativan poluval izmjeničnog napona,
preklopka prebacuje u donji položaj i «kratko spaja teret (serijski spoj induktiviteta i
otpora). Sama izvedba ovog ispravljača, kao i valni oblici napona i struje su prikazani
na slici 30.
Sl. 30. Poluvalni ispravljač sa porednom diodom.
Na slici 30 je vidljivo da u ispravljaču ulogu dvopoložajne sklopke imaju diode.
Kada je vS (t ) pozitivan, vodi dioda D1 , a dioda D2 je u zapiranju. Kada je
vS (t ) negativan, vodi dioda D2 , a dioda D1 je u zapiranju. Valni oblik izlaznog
napona vD , te struja potrošača iD je prikazana na slici 30. Treba uočiti da je struja
Energetska elektronika
33
potrošača iD kontinuirana i malo valovita (struja kroz potrošač se ne može od kuta π
do 2π brzo promijeniti). Srednja vrijednost izlaznog poluvalnog napona ispravljača
se dobije iz izraza:
π
V
V
V
1
π
Vd =
VS sin(ωt ) ⋅ d (ωt ) = S [ − cos(ωt )]0 = S ( − cos π + cos 0 ) = S = 0,32 ⋅ VS
∫
π
2π 0
2π
2π
Gdje je:
VS - maksimalna vrijednost sinusnog napona izvora
Vd - srednja vrijednost napona na izlazu ispravljača
U prethodnom primjeru vidljivo je da ispravljač koristi energiju samo jedne
poluperiode ulaznog izmjeničnog napona. Ukoliko želimo koristiti obje poluperiode
izmjeničnog napona, valja koristiti dva polumosna spoja na slici 30. Punovalni
ispravljač je prikazan na slici 31.
Sl. 31. Jednofazni ispravljač sa srednjom točkom.
Na slici 31 se vidi da se sekundar transformatora mora rasdjeliti na dva dijela.
Dvopoložajna preklopka prebacuje iz gornjeg u donji položaj. Kada je preklopka u
gornjem položaju. pozitivni poluval izmjeničnog napona se generira na gornjem
dijelu sekundara i protječe struju kroz trošilo. Za vrijeme negativnog poluvala
izmjeničnog napona sekundara, preklopka prebacuje u donji položaj i struja protječe
iz donjeg dijela sekundara kroz trošilo. Bitno je uočiti da je smjer struje kroz trošilo
uvjek isti, neovisno o tome radi li se o pozitivnoj ili negativnoj poluperiodi
izmjeničnog napona.
Na slici 32 prikazana je izvedba ispravljača sa slike 31 i pripadajući naponi i
struje u sklopu.
Energetska elektronika
34
Sl. 32. Izvedba punovalnog ispravljača sa srednjom točkom
Srednja vrijednost izlaznog napona može se dobiti iz relacije:
Vd =
1
π
V
π∫
S
0
sin(ωt ) ⋅ d (ωt ) =
2VS
π
= 0, 64 ⋅VS
Vidljivo je da je srednja vrijednost napona punovalnog ispravljača dvostruko veća
od srednje vrijednosti napona poluvalnog ispravljača.
Ispravljač na slici 31 koristi transformator sa srednjim izvodom na sekundaru. Za
ispravljanje pozitivne poluperiode izmjeničnog napona koristi se samo gornji dio
sekundara, a za ispravljanje donjeg poluvala izmjeničnog napona koristi se samo
donji dio sekundara. Vidljivo je da sekundar transformatora nije odgovarajuće
iskorišten (potrebno je dvostruko više namota i željeza nego je uistinu potrebno).
Zbog toga se je prišlo izradi ispravljača kod kojeg će cijeli sekundar biti iskorišten
za ispravljanje i pozitivne i negativne poluperiode izmjeničnog napona i kod kojega
neće biti srednjeg izvoda. Cijena toga je još jedna dodatna dvopoložajna preklopka.
Na slici 32 prikazana je izvedba ispravljača sa preklopkama i diodama – jednofazni
ispravljač u mosnom spoju. Jednofazni mosni spoj je sastavljen od dva jednofazna
spoja sa srednjom točkom (paralelni spoj na strani mreže, a serijski spoj na strani
trošila).
Energetska elektronika
35
Sl 32. Jednofazni ispravljač u mosnom spoju
Danas se u energetskoj elektronici isključivo ovaj spoj u slučaju kada nam je
dostupna jednofazna struja. U narednom poglavlju bit će izvršena komparativna
usporedba ovog ispravljača i prethodno opisanih ispravljača, iz koje će se vidjeti
njegova komparativna prednost u odnosu na punovalni ispravljač sa srednjom točkom
– manja tipna snaga transformatora, manje naponsko naprezanje sklopki, bolji faktor
snage.
5.2 Razvoj topologija trofaznih diodnih ispravljačkih spojeva
Trofazne ispravljače možemo slično kao i jednofazne podijeliti na trofazni spoj sa
srednjom točkom (3 diode) i trofazni mosni spoj (6 dioda). Trofazni mosni spoj je
kombinacija dvaju trofaznih spojeva sa srednjom točkom (paralelni spoj na strani
mreže i serijski spoj na strani trošila.
Trofazni spoj sa srednjom točkom prikazan je na slici 33.
Energetska elektronika
36
Sl. 33. Trofazni spoj sa srednjom točkom
Srednja vrijednost napona vd za trofazni spoj sa srednjom točkom je:
vd =
3 3 ⋅ VS
= 0,83 ⋅ VS
2π
Trofazni spoj u mosnom spoju prikazana je na slici 34.
Sl. 34. Trofazni mosni spoj
Energetska elektronika
37
Srednja vrijednost napona vd za trofazni mosni iznosi:
vd =
6 3 ⋅ VS
= 1, 66 ⋅VS
2π
Kao i kod jednofaznih ispravljača, komparativne prednosti su na strani trofaznog
spoj u mosnom spoju u odnosu na trofazni spoj sa srednjom točkom.
5.3 Usporedbe ispravljačkih sklopova
U gornjem poglavlje usporedili smo ispravljače na način da smo izračunali
srednju vrijednost dobivenog napona na izlazu iz ispravljača (što je veći napon to
bolje). Lako je uočljivo da trofazni ispravljači imaju veću srednju vrijednost napona
na izlazu od jednofaznih. No postoje i drugi kriteriji usporedbe ispravljača kao što su:
a) Pulsnost istosmjernog napona ispravljača
b) Faktor snage λ
c) Tipna snaga transformatora STR
a) Pulsnost istosmjernog napona ispravljača se definira kao broj pulseva osnovnog
harmonika izlaznog napona ispravljača u jednoj periodi izmjeničnog napona na ulazu u
ispravljač. Kao primjer, na slici 35 je prikazan izlazni napon jednofaznog ispravljača u
mosnom spoju (gornji dio slike) i ispravljača u trofaznom spoju sa srednjom točkom
(donji dio slike). Izlazni napon jednofaznog ispravljača u mosnom spoju je dvopulsan
(p=2) jer postoje dva pulsa istosmjernog napona u jednom periodu T izmjeničnog
napona na ulazu u ispravljač. Izlazni napon ispravljača u trofaznom spoju sa srednjom
točkom je tropulsan (p=3), jer postoje tri pulsa istosmjernog napona u jednom periodu
T izmjeničnog napona na ulazu u ispravljač.
Sl. 35. Pulsnost istosmjernog napona
Energetska elektronika
38
b) Faktor snage je veličina koja je definirana u poglavlju 3.
Sl. 36. Faktor snage ispravljača
Na slici 36 se vidi da je faktor snage odnos radne snage PS i prividne snage S S
izvora. Također je iz slike vidljivo da ukoliko je napon mreže sinusoidalan, a potrošač
radno-induktivni, te postoji kut između napona i struje ϕ , faktor snage je proporcionalan
cos ϕ .
d) Tipna snaga transformatora je koja izražava potrebnu snagu transformatora, i
obično se normira na snagu trošila. Normirana tipna snaga transformatora je
broj koji govori za koliko puta mora biti veća snaga transformatora u odnosu
na snagu potrošača. Normirana tipna snaga je veća od 1, no bolje je ako je što
bliže jedinici. Na slici 37 se vidi kako je definirana tipna snaga i normirana
tipna snaga transformatora.
Sl. 37. Tipna snaga transformatora
39
Energetska elektronika
5.3.1 Broj pulzacija, faktor snage i tipna snaga transformatora jednofaznog
poluvalnog ispravljača
Na slici 38 prikazani su jednofazni poluvalni ispravljači i pripadajući
valni oblici napona i struje na izlazu iz ispravljača. Proračun faktora snage i tipne snage
transformatora je složen za ispravljač sa jednom diodom (bez poredne diode), pa se nije
ni vrijedno pomučiti za analizirati ovaj ispravljač. jer je njegova osnovna mana
«regulacija napona trošilom» tj. izlazni napon ovisi o vrijednosti induktiviteta i otpora
trošila – negativna pojava.
Sl. 38. Jednofazni poluvalni spojevi
Valni oblici izlaznog napona vD , struja dioda iD i iV , te struje primara
transformatora iS , te proračun faktora snage i normirane tipne snage transformatora je
prikazana na slici 39.
Energetska elektronika
40
Sl. 39. Broj pulzacija, faktor snage i normirana tipna snaga transformatora jednofaznog
spoja s porednom diodom
Vidljivo je da ispravljač ima broj pulzacija p =1, faktor snage λ =0,9, a da je
normirana tipna snaga transformatora STRn =1,34 (loše!!).
5.3.2 Broj pulzacija, faktor snage i tipna snaga transformatora ispravljača
u jednofaznom spoju sa srednjom točkom
Na slici 40. prikazani su valni oblici napona i struja za jednofazni spoj sa
srednjom točkom, te proračun normirane tipne snage transformatora STRn i faktora snage
λ.
Vidljivo je da ispravljač ima broj pulzacija p =2, faktor snage λ =0,9, a da
je normirana tipna snaga transformatora STRn =1,34 (i dalje loše!!).
Energetska elektronika
41
Sl. 40. Broj pulzacija, faktor snage i normirana tipna snaga transformatora jednofaznog
spoja sa srednjom točkom
Energetska elektronika
42
5.3.3 Broj pulzacija, faktor snage i tipna snaga transformatora ispravljača
u mosnom spoju
Na slici 41. prikazani su valni oblici napona i struja za jednofazni mosni spoj, te
proračun normirane tipne snage transformatora STRn i faktora snage λ .
Vidljivo je da ispravljač ima broj pulzacija p =2, faktor snage
nepromijenjen λ =0,9, a da je normirana tipna snaga transformatora STRn =1,11 (bolje od
spoja sa srednjom točkom).
Sl. 41. Broj pulzacija, faktor snage i normirana tipna snaga transformatora jednofaznog
mosnog spoja
Energetska elektronika
43
5.3.4 Broj pulzacija, faktor snage i tipna snaga transformatora trofaznog spoja
sa srednjom točkom
Na slici 42. prikazani su valni oblici napona i struja za trofazni spoj sa srednjom
točkom, te proračun normirane tipne snage transformatora STRn i faktora snage λ .
Vidljivo je da ispravljač ima broj pulzacija p =3, faktor snage lošiji λ =0,83, a da je
normirana tipna snaga transformatora STRn =1,35.
Sl. 42. Broj pulzacija, faktor snage i normirana tipna snaga transformatora trofaznog
spoja sa srednjom točkom
Energetska elektronika
44
5.3.5 Broj pulzacija, faktor snage i tipna snaga transformatora trofaznog
mosnog spoja
Na slici 43. prikazani su valni oblici napona i struja za trofazni mosni spoj, te
proračun normirane tipne snage transformatora STRn i faktora snage λ . Vidljivo je da
ispravljač ima broj pulzacija p =6, faktor snage lošiji λ =0,955 (odlično), a da je
normirana tipna snaga transformatora STRn =1,05 (odlično).
Sl. 43. Broj pulzacija, faktor snage i normirana tipna snaga transformatora trofaznog
mosnog spoja
Energetska elektronika
45
5.4. Fazno upravljivi ispravljački spojevi
Najvažnija mana diodnih ispravljača je njihova neupravljivost, odnosno
nemogućnost regulacije izlaznog napona. Međutim, ukoliko koristimo fazno
upravljanje te tiristore (poluupravljive ventile) umjesto dioda (neupravljivih ventila),
moguće je smanjivati izlazni napon ispravljača do 0 V.
Kao primjer možemo navesti najjednostavniji jednofazni tiristorski ispravljač te
na slici 45 prikazati valne oblike napona na ispravljaču za slučaj kada je kut okidanja
tiristora α = 45D .
Sl. 45. Poluvalni fazno upravljivi ispravljač opterećen otpornim trošilom i pripadajući
valni oblici
Da bi smo do kraja razumjeli ovaj primjer, potrebno je definirati kut upravljanja
α (engl. fire angle). Kut upravljanja α je kut pri kojem se na tiristor dovodi okidni
strujni impuls koji prebacuje tiristor iz stanja blokiranja u stanje vođenja.
Na slici 45 se vidi da je do kuta α tiristor u blokirnom stanju (tiristor je spreman
za vođenje, ali još uvijek ne vodi – čeka impuls okidanja na gejtu). Tiristor je do kuta
α «otvoren prekidač» i prekida strujni krug od izvora vS (t ) ka trošilu. Napon na
trošilu vD (t ) i naravno struja trošila iD (t ) jednaka je nuli.
Kada se dostigne kut α , između gejta i katode tiristora se narine okidni naponski
impuls, koji protjera okidni strujni impuls kroz upravljački krug tiristora gejt-katoda
46
Energetska elektronika
(vidi srednji diagram na sl 45). Posljedica toga je trenutno prebacivanje tiristora iz
stanja blokiranja u stanje vođenja – tiristor se ponaša kao «zatvorena preklopka» i
zatvara se strujni krug od izvora ka trošilu. Od kuta α do kuta π na trošilu imamo
puni napon izvora – na trošilu imamo «dio sinusoide izvora» od kuta α do kraja
pozitivne poluperiode (kuta π ).
Što se događa od kuta π do kuta 2π ? Pa vidljivo je da je u kutu π napon i struja
kroz tiristor pala na 0, te da od se kuta π do kuta 2π tiristor nalazi u stanju zapiranja
(tiristor je inverzno polariziran), nema uvjeta za vođenje tiristora i tiristor se ponaša
kao «otvoren prekidač», nema napona na trošilu jer je prekinut strujni krug od izvora
ka trošilu. Cijela se priča ponavlja nastupom nove periode izmjeničnog napona ( od
kuta 2π na dalje ).
Sada se može izvesti relacija koja povezuje kut upravljanja α i srednja vrijednost
izlaznog napona ispravljača U dα (koji je funkcija kuta upravljanja α ):
π
Vdα
VS
VS
VS
1
π
π
V
t
d
t
t
t
=
ω
⋅
ω
=
−
ω
=
−
ω
=
sin(
)
(
)
cos(
)
cos(
)
(1 + cos α )
[
]
[
]
S
α
α
2π α∫
2π
2π
2π
Ako se definira srednja vrijednost izlaznog napona ispravljača Vd 0 za α =0 kao:
VdO =
Vs
π
tada se može napisati:
Vdα = Vd 0
1 + cos α
2
Ako se gornja relacija grafički prikaže dobije se upravljačka karakteristika
ispravljača za otporno trošilo koja je prikazana na slici 46 ( na osi ordinati se nalazi
omjer srednje vrijednosti napona na izlazu ispravljača Vdα (može i oznaka < vd > ) i
srednje vrijednosti izlaznog napona ispravljača Vd 0 za α =0. Ovaj omjer jednak je 1
za α =0, a daljnjim povećanjem kuta α pada na 0.
Energetska elektronika
47
Sl. 46. Upravljačka karakteristika ispravljača za otporno trošilo.
Postavlja se pitanje kako izgledaju upravljačke karakteristike ostalih ispravljača
za slučaj radnog opterećenja. Odgovor je – slično kao karakteristika na slici 46, samo što
napon trofaznih ispravljača pada na nulu na 120 – 150 D a ne na 180 D ( π rardijana ) kao
na slici 46. U svakom slučaju, povećanjem kuta upravljanja α ruši se izlazni napon
ispravljača.
Pored upravljačke karakteristike ispravljača, postoji i izlazna karakteristika
ispravljača koja prikazuje odnos srednje vrijednost izlaznog napona ispravljača Vdα kao
funkcija srednje vrijednosti struje trošila I d . Kod idealnog ispravljača srednja vrijednost
napona na izlazu ispravljača ostaje konstantna neovisno o srednjoj vrijednosti struje kroz
trošilo. Kod realnog ispravljača nije tako. Srednja vrijednost napona na izlazu pada s
povećanjem izlazne struje (crtkane linije) radi gubitaka naponu unutar ispravljača
(uzrokuju ga pad napona na radnim i induktivnim otporima, pad napona na poluvodičkim
ventilima i pad napona uslijed komutacije).
Energetska elektronika
48
Sl. 47. Izlazna karakteristika ispravljača sa slike 46 za otporno trošilo.
U nastavku naših razmatranja proučit će se jednofazni mosni spoj koji se sastoji
od dva tiristora i dvije diode. Takav se ispravljač često naziva poluupravljivi jer se
reguliranjem kuta upravljanja tiristora omogućuje se reguliranje srednje vrijednosti
izlaznog napona Vdα ( može i oznaka < vd > ) od 0 do punog napona trošila koji bi bio
na izlazu iz ispravljača kod kuta α = 0D ( kao da su umjesto tiristora diode). Na slici
48 prikazan je mosni spoj sa dva tiristora u katodnoj grupi i dvije diode u anodnoj
grupi. ( Napomena: katodnoj grupi pripadaju svi poluvodički ventili kojima su katode
zajednički spojene, a anodnoj grupi pripadaju ventili kojima su anode zajednički
spojene). Slični rezultati se dobiju kada su tiristori u anodnoj grupi, a diode u
katodnoj grupi. Isto se dobije kada je po jedan tiristor i jedna dioda u anodnoj i u
katodnoj grupi (mogu biti kombinacije Q1 i Q4 tiristori a Q2 i Q3 diode ili Q1 i Q4
diode a Q2 i Q3 tiristori).
Iz slike 48 se vidi razlika u valnim oblicima izlaznog napona kada je opterećenje
radno i kada je opterećenje ispravljača pretežno induktivno. Radno opterećenje
predstavljaju radna trošila (rasvjeta, grijaća tjela i slično), dok induktivna opterećenja
predstavljaju elektromotori i slična trošila koja u sebi posjeduju induktivne
komponente.
49
Energetska elektronika
Sl. 48. Induktivno i radno opterećenje poluupravljivog ispravljača u mosnom spoju.
Kad je ispravljač opterećen radnim trošilom, trenutna vrijednost izlaznog napona
ispravljača vd (t ) može biti samo pozitivna, tako da je izlazni napon jednak 0 od kuta
0 do kuta α (vodi tiristor Q1 i dioda Q2 ). Nakon okidanja tiristora Q1 , izlazni napon
ispravljača vd (t ) slijedi vS (t ) od kuta α do kuta π (vodi tiristor Q1 i dioda Q2 ). Za
vrijeme negativne poluperiode napona vS (t ) , od kuta π do kuta α + π ne vodi niti
jedan poluvodički ventil, napon na trošilu vd (t ) jednak je 0. U trenutku α + π okida
Q3 , (vodi tiristor Q3 i dioda Q4 ). Napon vd (t ) na trošilu je pozitivan.
Za slučaj radnog opterećenja vrijedi već poznata relacija za srednju vrijednost
izlaznog napona:
Vdα =
1
π
π
∫ VS sin(ωt ) ⋅ d (ωt ) =
α
VS
π
[ − cos(ωt )]α =
π
gdje je:
VdO =
2 ⋅ Vs
π
VS
π
[ − cos(ωt )]α = Vd 0
π
(1 + cos α )
2
50
Energetska elektronika
Za slučaj induktivnog opterećenja vidljivo je da trenutna vrijednost izlaznog
napon ispravljača vd (t ) postaje negativna. Kako je to moguće?
Razlog je induktivitet koji se za vrijeme pozitivnog napona na trošilu (od kuta α
do kuta π ) puni energijom. U tom periodu vode tiristor Q1 i dioda Q2 . No što će se
desiti od kuta π do kuta π + α ?? Odgovor je slijedeći: nagomilana energija u
induktivitetu se prazni od kuta π do kuta π + α - tada induktivitet nastavlja i dalje
tjerati struju kroz tiristor Q1 i diodu Q2 makar je ulazni napon vS (t ) promijenio smjer.
Induktivitet tjera struju u + pol napona vS (t ) - dakle induktivitet «vraća» energiju
izvoru. Radi toga što tiristor Q1 i dioda Q2 vode od kuta π do kuta π + α napon na
trošilu vd (t ) je negativan. Naravno da to smanjuje srednju vrijednost napona na
izlazu ispravljača Vdα . Iz ovog izlaganja je vidljivo da je najveći mogući kut
upravljanja za induktivno trošilo α = 90D jer je tada površina pozitivnog dijela napona
na trošilu jednaka površini negativnog dijela napona na trošilu pa je srednja vrijednos
napona na trošilu Vdα = 0 V. Treba napomenuti da se struja trošila vrlo se malo
mijenja radi velikog induktiviteta – trošilo je moguće promatrati i kao strujni izvor
konstantne struje.
Za slučaj induktivnog opterećenja vrijedi slijedeća relacija za srednju vrijednost
izlaznog napona:
Vdα =
1
π
π +α
∫V
S
sin(ωt ) ⋅ d (ωt ) = Vd 0 cos α
α
Na slici 49 se vidi upravljačka karakteristika sa slučaj radnog tereta (puna crta) i
za slučaj induktivnog tereta (crtkano)
Sl. 49. Upravljačka karakteristika
Energetska elektronika
51
Na kraju treba napomenuti da su ispravljačke karakteristike i trofaznih ispravljača
jednake onima za jednofazne ispravljače za slučaj induktivnog trošila, dok se za
slučaj radnog trošila malo razlikuju ( kut α kod kojeg je Vdα = 0 je manji od π (120130 D .
Na slici 50 prikazan je valni oblik izlaznog napona i struje tiristora T1 za trofazni
spoj sa srednjom točkom (isti kao na slici 42, samo su diode zamijenjene tiristorima )
za kut α = 30D . Treba primijetiti da se kut α kod trofaznih sustava mjeri od sjecišta
faznih napona – vidi sliku ).
Sl. 50. Izlazni napon i struje tiristora T1 za trofazni spoj sa srednjom točkom uz α = 30D .
7. MREŽOM VOĐENI IZMJENJIVAČI I USMJERIVAČI
Prije nego objasnimo pojam usmjerivač potrebno je objasniti pojam izmjenjivač ili
invertor. Izmjenjivač ili invertor je energetski pretvarač koji pretvara istosmjernu
energiju u izmjeničnu energiju, dakle izmjenjivač ima obratnu funkciju od ispravljača
(pretvara izmjeničnu energiju u istosmjernu energiju). Uređaje koji u jednom režimu rada
mogu raditi kao ispravljači, a u drugom kao izmjenjivači nazivamo jednom riječju
usmjerivačima.
Topologija usmjerivača se može općenito prikazati shemom na slici 51.
52
Energetska elektronika
Sl. 51. Toplologija usmjerivača
Usmjerivač na slici 51 može u jednom režimu rada ispravljati izmjeničnu energiju
izvora va (t ) u istosmjerni napon Vd kojeg predaje trošilu (ovdje prikazanog kao strujni
izvor konstantne struje I dc ) – tok energije sa lijeve na desnu stranu. Taj način rada
usmjerivača detaljno je obrađen u poglavlju «ispravljači».
Međutim, ukoliko na istosmjernoj strani postavimo aktivni strujni izvor ( ne
potrošač), postavlja se pitanje: «Kako treba upravljati preklopkama da uređaj na slici 51
pretvara istosmjernu energiju aktivnog strujnog izvora u izmjeničnu i preda je
izmjeničnoj strani – tok energije sa desne na lijevu stranu.
Pogledajmo prvo ispravljački režim rada sklopa na slici 51 .Ako naizmenično
ukapčamo P pa onda N preklopke na slici 51, sa kutom upravljanja α između 0 i
90 D govorimo o ispravljačkom režimu rada. Valni oblici istosmjernog napona vd (t ) ,
izmjeničnog napona izvora va (t ) i struje ia (t ) za α = 0D i α = 30D prikazani su na slici
52.
Sl. 52. Valni oblici napona vd (t ) i struje ia (t ) za α = 0D i α = 30D
Energetska elektronika
53
Ako se pogledaju valni oblici izmjeničnog napona na izvoru va (t ) i struje izvora
ia (t ) uočava se da većinu vremena pozitivan poluval napona izvora va (t ) generira
pozitivnu struja izvora ia (t ) , a negativan poluval napona va (t ) negativnu struju ia (t ) , što
znači da izmjenični izvor većinu vremena predaje energiju trošilu. Uočimo da je srednja
vrijednost napona vd (t ) ( označava se kao Vdα ) pozitivna (veći je dio pozitivne površine
ispod krivulje vd (t ) od dijela negativne površine).
Promotrimo sada izmjenjivački režim rada sklopa na slici 51 .Ako naizmenično
ukapčamo P pa onda N preklopke na slici 51, sa kutom upravljanja α između 90 i
180 D govorimo o izmjenjivačkom režimu rada. Valni oblici istosmjernog napona vd (t ) ,
izmjeničnog napona va (t ) i struje ia (t ) za α = 130D i α = 180D prikazani su na slici 53.
Sl. 53. Valni oblici napona vd (t ) i struje ia (t ) za α = 130D i α = 180D
Ako se pogledaju valni oblici izmjeničnog napona va (t ) i izmjenične struje ia (t )
uočava se da je za većinu većinu vremena vrijedi da za vrijeme pozitivanog poluvala
izmjeničnog napona va (t ) teče pozitivnu struju na izmjeničnoj strani ia (t ) , a za vrijeme
negativnog poluvala napona va (t ) teče negativna struja ia (t ) na izmjeničnoj strani, što
znači da izmjenični izvor većinu vremena prima energiju od nekog vanjskog aktivnog
izvora. Uočimo da je srednja vrijednost napona na istosmjernoj strani Vdα negativna (veći
je dio negativne površine ispod krivulje vd (t ) od dijela pozitivne površine).
(Objašnjenje: Izmjenični izvor možemo shvatiti kao istosmjerni izvor koji
periodički mijenja polaritet napona. Struja izvora može teći iz izvora ili u izvor. Struja
teče iz izvora kada iz + stezaljke izvora izlazi struja u vanjski strujni krug (izvor tjera
struju u vanjski strujni krug) – tada kažemo da je izvor struje uistinu izvor, odnosno
generator električne energije. S druge pak strane, struja teče u izvor, ako u + stezaljku
izvora ulazi struja iz vanjskog kruga. To znači da u vanjskom krugu postoji izvor većeg
Energetska elektronika
54
napona. U tom slučaju naš izvor u stvari postaje trošilo i energija se prenosi u sam izvor.
Ukratko: Ako struja teče iz izmjeničnog izvora, tada izvor predaje energiju istosmjernom
vanjskom krugu – ispravljački režim rada. Ako struja teče u izvor, tada istosmjerni
vanjski krug predaje energiju izmjeničnom izvoru – izmjenjivački režim rada).
Na slici 54 prikazani su jednofazni ispravljači u mosnom spoju koji izmjeničnu
energiju pretvaraju u istosmjernu. Desna slika prikazuje napajanje pasivnog trošila (
serijski spoj induktiviteta i otpora), a lijeva slika napajanje trošila koje u sebi ima
istosmjerni izvor napona – recimo akumulatorska baterija ili istosmjerni motor u pogonu.
Ovdje je bitno uočiti da struja na istosmjernoj strani ulazi u + pol baterije na istosmjernoj
strani, što znači da se baterija puni, odnosno da se energija daje istosmjernoj strani.
Sl. 54. Ispravljački režim rada – na istosmjernoj strani može biti aktivno ili pasivno
trošilo
Na slici 55 prikazani su jednofazni izmjenjivači realizirani tranzistorskim
preklopkama koji istosmjernu energiju baterije na desnoj strani pretvaraju u izmjeničnu –
tok energije sa desne na lijevu stranu. Desna slika prikazuje napajanje pasivnog trošila
izmjeničnom strujom. Takav se izmjenjivač naziva i autonomni izmjenjivač.
Autonomnim izmjenjivačem možemo generirati bilo koji izlazni napon izmjenične struje
bilo koje frekvencije – on je potpuno autonoman. Primjena – Elektrotermija. Lijeva slika
prikazuje priključenje izmjenjivača na aktivnu izmjeničnu mrežu kojoj se predaje
električna energija (aktivna mreža u sebi ima jedan ili više generatora izmjenične struje,
takva mreža ima fiksnu frekvenciju struje). Takav se izmjenjivač naziva mrežom vođeni
izmjenjivač jer mu je izlazni izmjenični napon i frekvencija strogo diktirana naponom i
frekvencijom izmjenične mreže. Frekvencijom i fazom uključivanja tranzistora isključivo
diktira izmjenična mreža (inače bi došlo do pregaranja sklopa).
U oba slučaja na slici 54 istosmjerna baterija se prazni i njena se energija predaje
izmjeničnoj strani.
Energetska elektronika
55
Sl. 55. Izmjenjivački režim rada – na izmjeničnoj strani može biti aktivna mreža (mrežom
vođeni izmjenjivač) ili pasivno trošilo (autonomni izmjenjivač)
7.1 Jednofazni mrežom vođeni usmjerivač u mosnom spoju
U podpoglavlju 5.4 detaljno je opisan jednofazni poluupravljivi ispravljač u
mosnom spoju, te je izvedena relacija koja povezuje kut upravljanja tiristora α sa
srednjom vrijednosti izlaznog napona Vdα (upravljačka karakteristika ispravljača). Za taj
ispravljač smo nacrtali upravljačku karakteristiku (vidi sliku 49). Iz karakteristike je
vidljivo da je maksimalni kut upravljanja α = 90D za induktivni potrošač. Postavlja se
pitanje, što bi se dogodilo ako bi kontrolna elektronika generirala impulse okidanja
tiristora za kutove upravljanja 90D < α < 180D ?? Ništa naročito! Napon na izlazu
ispravljača bi i dalje bio Vdα = 0 .
Međutim što bi se desilo ako bi naš ispravljač imao sva 4 tiristora, te ako bi na
istosmjernoj strani ispravljača dodali istosmjerni izvor napona i podesili kutove
upravljanja 90D < α < 180D ?? Tada bi naš ispravljač prešao u izmjenjivački režim rada.
Budući da isti sklop može uz promjenu kuta upravljanja i dodavanje aktivnog izvora
može biti i ispravljač i izmjenjivač, sklop se jednom riječju naziva usmjerivač.
Ovakvi uređaji se koriste u istosmjernim elektromotornim pogonima promjenjive
brzine. Istosmjerni motori se još uvijek koriste zbog odličnog poteznog momenta koji je
nužan u elektromotornoj vuči. Napajanje motora osigurava usmjerivač koji pretvara
izmjeničnu energiju brodske mreže u istosmjernu energiju za napajanje motora
(ispravljački režim rada usmjerivača). Međutim, usmjerivač ne samo da omogućava
napajanje motora, već također omogućava i električno kočenje motora. Kod električkog
kočenja motor prelazi u generatorski način rada, istosmjerni napon generatora se u
usmjerivaču pretvara u izmjenični i vraća se u brodsku mrežu (izmjenjivački režim rada).
Kako je to moguće? Pa razlike u konstrukciji između istosmjernog elektromotora i
generatora u biti i nema. Samo je stvar u tome da se kod motora dovodi električna
energija na priključke motora, a kao rezultat se dobije rotirajuća mehanička energija, a
kod generatora obratno – mehanička energija se pretvara u električnu. Stoga prijelaz
između motorskog i generatorskog režima rada istosmjernog stroja ovisi samo o tome da
Energetska elektronika
56
li je motor opterećen momentom tereta (recimo dizalica diže teret – ispravljač napaja
motor) ili moment tereta okreće rotor (dizalica spušta teret – izmjenjivač pretvara
istosmjerni napon generatora u izmjenični napon i vraća u mrežu). Kao što u
ispravljačkom režimu rada dovođenjem veće električne snage na priključke motora
dobivamo sve veću mehaničku snagu na rotoru motora (snaga dizanja tereta brodske
dizalice), tako u izmjenjivačkom režimu rada odvođenjem veće električne snage sa
stezaljki istosmjernog generatora ujedno i odvodimo mehaničku energiju sa rotora –
kočimo generator i time usporavamo spuštanje tereta brodske dizalice (mehanička snaga
spuštanja tereta brodske dizalice se pretvara u izmjeničnu energiju koja se vraća u
brodsku mrežu). Na ovaj način su moguće uštede električne energije i na taj način
potrebnog goriva za pogon izmjeničnih generatora.
Princip rada jednofaznog mrežom vođenog usmjerivača u mosnom spoju prikazan
je na slici 56.
Sl. 56. Jednofazni usmjerivač u izmjenjivačkom režimu rada
57
Energetska elektronika
Na slici 53 prikazani su valni oblici izmjeničnog napona vS (t ) i izmjenične struje
iS (t ) - (na slici 52 i 53 ulazni napon i struja se označavaju kao va (t ) i ia (t ) ), te valni
oblici napona na istosmjernoj strani vd (t ) . Vidljivo je da je u izmjenjivačkom režimu
rada srednja vrijednost istosmjernog napona Vdα negativna i njezina veličina ovisna o
kutu α . Ako negativan napon kojeg generira izmjenjivač Vdα prikažemo na shemi kao
istosmjerni izvor dobije se nadomjesna shema izmjenjivača (slika 57).
Sl. 57. Nadomjesna shema izmjenjivača
Na slici 57. pored napona izmjenjivača Vdα (koji je funkcija kuta α ) postoji i
napon istosmjernog izvora Ed . Ako je napon Ed > Vdα , tada struja I d teče kao na slici 57
i iznosi (induktivitet Ld je «nevidljiv» za istosmjernu struju):
Id =
Ed − Vdα
R
Vidi se da je iznos struje I d , a time i snage koja se iz istosmjernog izvora Ed
predaje istosmjernom izvoru Vdα (izmjenjivaču) ovisna o kutu naponu Vdα koji je opet
funkcija kuta α . Na taj način se može regulirati snaga kočenja istosmjernog generatora.
Upravljačka karakteristika mrežom vođenog usmjerivača
Ako se sada nacrta zajednička upravljačka karakteristika ispravljača opterećenog
induktivnim teretom i izmjenjivača, dobije se upravljačka karakteristika usmjerivača (sl.
58).
58
Energetska elektronika
Sl. 58. Upravljačka karakteristika i kvadranti rada jednofaznog usmjerivača u mosnom
spoju
Upravljačka karakteristika usmjerivača (sl. 58 a) je za kutove upravljanja
0 < α < 90D ista kao ispravljačka karakteristika za induktivni teret koja je nacrtana na
slici 49. Usmjerivač radi kao ispravljač, električna energija teče od izmjenične ka
istosmjernoj strani, srednja vrijednost izlaznog napona < vd > ( ili Vdα ) je pozitivna,
struja trošila I d je također pozitivna i kažemo da usmjerivač radi u prvom kvadrantu
koordinatnog sustava < vd > : I d (vidi sliku 58 b). Za kutove upravljanja usmjerivača
D
90D < α < 180D i uz uvjet da je na izlazu usmjerivača priključen istosmjerni naponski izvor
Ed , srednja vrijednost istosmjernog napona < vd > ( ili Vdα ) je negativna, struja trošila
I d je pozitivna, pa električna energija teče od istosmjernog izvora Ed ka izmjeničnoj
strani - kažemo da ispravljač radi u četvrtom kvadrantu koordinatnog sustava.
Upravljačka karakteristika usmjerivača je dakle:
Vdα = Vd 0 cos α
gdje je:
VdO =
2 ⋅Vs
π
Faktor snage usmjerivača k p se također mijenja po zakonu kosinusa i ovisi o kutu
α te je dat na slici 59.
59
Energetska elektronika
Sl. 59. Faktor snage usmjerivača
Pozitivan faktor snage znači da je je izmjenična mreža izvor, a negativni faktor
snage da je izmjenični izvor postao trošilo.
Izlazna karakteristika usmjerivača
Izlazna karakteristika mrežom vođenog usmjerivača prikazana je na slici 60.
Sl. 60 Izlazna karakteristika usmjerivača
Na slici 60 se vidi idealna (puna linija) i realna (crtkano) izlazna karakteristika
izmjenjivače za različite kutove upravljanja α . Za idealni usmjerivač vrijedi da
60
Energetska elektronika
napon Vdα ostaje konstantan neovisno o struji I d , međutim kod idealnog usmjerivača
to nije tako iz razloga objašnjenih u prethodnom poglavlju.
8. AUTONOMNI IZMJENJIVAČI
Do sada smo opisivali fazno upravljive izmjenjivače koji pripadaju kategoriji
mrežom vođenih izmjenjivača. Mrežom vođeni izmjenjivač može prenositi energiju
samo u aktivnu mrežu (radnu frekvenciju određuje aktivna izmjenična mreža).
Upoznali smo se i sa rezonantnim izmjenjivačem koji je opisan u uvodnom
poglavlju. I kod rezonantnog izmjenjivača frekvenciju preklapanja preklopki
određuju titrajni krug u samom izmjenjivaču. Rezonantni izmjenjivači mogu prenositi
energiju samo u pasivnu mrežu.
Autonomni izmjenjivači mogu prenositi energiju i u aktivnu i u pasivnu mrežu.
Ukoliko prenose energiju u pasivnu mrežu, mogu biti podešeni na bilo koju
frekvenciju izlaznog napona (zato se zovu autonomni – prev: samostalni, nezavisni).
8.1 Izmjenjivač sa utisnutom strujom
Na slici 61 prikazan je autonomni tranzistorski izmjenjivač koji je priključen na
aktivnu izmjeničnu mrežu. Frekvencija izmjenične struje aktivne mreže određuje
frekvenciju prekapčanja tranzistorskih sklopki (da na strani trošila nije priključena
aktivna mreža, već pasivna mreža, ovaj izmjenjivač bi mogao generirati izmjenični
napon bilo koje frekvencije-bio bi autonomni izmjenjivač).
Sl. 61. Izmjenjivač s utisnutom strujom
Izmjenjivač s utisnutom strujom napaja se istosmjernim strujnim izvorom (serijski
spoj istosmjernog naponskog izvora i induktiviteta). Strujni izvor tjera istosmjernu
61
Energetska elektronika
struju kroz tranzistorske sklopke koje naizmjenično preklapaju. Uvijek rade dvije po
dvije preklopke u paru. Kada uklope preklopke T1 i , T4 , tada preklopke T2 i T3
moraju biti isključene. Istosmjerna struja ulazi u izmjenični izvor s lijeve na desnu
stranu. Nakon jedne poluperiode izmjeničnog napona, uklope preklopke T2 i T3 , a
preklopke T1 i T4 se isključuju. Istosmjerna struja ulazi u izmjenični izvor s desne na
lijevu stranu izmjeničnog izvora. Valni oblici napona i struje izmjenične strane
prikazani su na slici 62.
Sl. 62. Valni oblici na izmjeničnoj strani izmjenjivača
Ako postoji fazni pomak napona i struje na izmjeničnoj strani tada je moguće
proračunati snagu isporučenu izmjeničnoj mreži:
Pac =
Vac ⋅ I a1
cos Θ
2
gdje je:
I a1 =
4 ⋅ I dc
π
Faktor snage izmjenične mreže iznosi:
Vac ⋅ I a1
1 I a1
λ = 2 cos Θ =
cos Θ
Vac
I
⋅
2
2
a
⋅ I dc
2
Iz gornje relacije se može zaključiti da što je Θ veći, λ je manji. Smanjenje snage
povećanjem Θ baš i nije poželjno !
Energetska elektronika
62
8.2 Izmjenjivanje na principu širinsko impulsne modulacije
Na slici 63 prikazan je tranzistorski autonomni izmjenjivač vrlo sličan
izmjenjivaču na slici 61. Razlika je što izmjenjivač na slici 63 napaja pasivno trošilo,
a ne aktivnu mrežu, pa ovaj izmjenjivač spada u kategoriju autonomnih izmjenjivača
– moguće mu je po volji odabrati izlaznu frekvenciju. Druga je razlika u načinu
uključivanja tranzistorskih sklopki.
Sl. 63. Shema i valni oblici autonomnog izmjenjivača upravljanog pulsno-širinskom
modulacijom
Način rada ovog tipa izmjenjivača može se shvatiti iz slike 63. Da bi izmjenjivač
generirao pozitivnu i negativnu periodu sinusne izmjenične struje kroz trošilo, potrebno
je generirati 6 pozitivnih pulseva i 6 negativnih pulseva pravokutnog napona va , koji se
dovodi na trošilo. Pozitivni pulsevi napona va generiraju se na način da se uključi
tranzistor Q4 za vrijeme trajanja cijele pozitivne poluperiode, a tranzistori Q1 i Q2
Energetska elektronika
63
naizmjenično uklapaju i isklapaju (kad je jedan uključen, drugi je isključen). U slučaju
kad su uključeni Q1 i Q4 , tada je napon va = Vdc , a kad su uključeni Q2 i Q4 , tada je
napon va = 0 . Negativni pulsevi napona va generiraju se na način da se uključi tranzistor
Q3 za vrijeme trajanja cijele negativne poluperiode, a tranzistori Q1 i Q2 naizmjenično
uklapaju i isklapaju (kad je jedan uključen, drugi je isključen). U slučaju kad su uključeni
Q3 i Q2 , tada je napon va = −Vdc , a kad su uključeni Q3 i Q1 , tada je napon va = 0 .
Iz slike je vidljivo da širina impulsa nije jednaka, tj. impulsi su uži na početku i
kraju poluperiode, a najširi su na sredini poluperiode. To je zbog toga jer se želi dobiti
sinusni oblik struje kroz trošilo (trošilo se sastoji od serijskog spoja otpornika i
induktiviteta) koja je nužna za pogon određenih vrsta pogona. Jačina struje kroz otpornoinduktivno trošilo ovisi o širini pravokutnog impulsa. Što je impuls uži, srednja vrijednost
struje kroz trošilo je manja, a što je impuls širi, struja je veća. Sužavajući i šireći impulse,
možemo dobiti otprilike sinusni oblik izlazne struje.
Ovaj izmjenjivač ne generira 3 harmonik struje, što znači da osim sinusoidalne
struje osnovne frekvencije (osnovni harmonik) ne generira smetnje u obliku sinusoidalne
struje manje amplitude i 3 puta veće frekvencije od frekvencije osnovnog harmonika.
Treći harmonik struje izaziva niz problema u elektromotorima (dodatna zagrijavanja
namota i slično) i valja ga eliminirati ili svesti na najmanju moguću mjeru.
8.3 Trofazni autonomni izmjenjivači
Trofazni autonomni izmjenjivači su uređaji koji pretvaraju istosmjernu energiju u
trofaznu izmjeničnu energiju. Trofazni izmjenjivač se može dobiti pomoću tri jednofazna
izmjenjivača koji generiraju tri jednofazna sinusna napona koji su međusobno pomaknuti
za 120 D . Izmjenjivač na slici 64 generira tri napona va , vb i vc .
64
Energetska elektronika
Sl. 64. Trofazni izmjenjivač i izlazni naponi iz izmjenjivača
Na slici 65 prikazana je izvedba izmjenjivača sa slike 64.
Sl. 65. Izvedba izmjenjivača sa slike 64
Na slici 65 se vidi da je izmjenjivač izveden sa 12 preklopnika. Preklopke
S a1 − Sa 4 odgovaraju prvom jednofaznom izmjenjivaču koji generira izmjenični napon
va . Na sličan način preklopke Sb1 − Sb 4 i Sc1 − Sc 4 pripadaju drugom i trećem
izmjenjivaču koji generiraju napone vb i vc . Fazni pomak napona va , vb i vc su 120 D . Da
bi se to postiglo, bitno je da preklopke S a1 i S a 2 , Sb1 i Sb 2 te Sc1 i Sc 2 preklapaju u
protutaktu. Nadalje bitno je da sklopni trenutci preklopi S a1 - Sb1 - Sc1 i preklopki Sa 2 - Sb 2 Sc 2 budu pomaknuti za 120 D .
Energetska elektronika
vbc
65
Na slici 66 prikazan je trofazni izmjenjivač koji generira tri linijska napona vab ,
i vca . Ovaj izmjenjivač je pogodan za trošila za čiji pogon ne trebaju fazni naponi va ,
vb i vc , nego linijski naponi (trošila su spojena u trokut). Prikazani izmjenjivač je pri
tome jednostavniji nego izmjenjivač na slici 65 jer se sastoji samo od 6 preklopki. Uočite
da izlazni naponi nisu sinusni već pravokutni (nalikuju na sinusni signal). No prvi
harmonici ovih napona koji se dobiju nakon filtriranja su čisti sinusni naponi. Na desnoj
strani slike 66 prikazan je redoslijed ukapčanja i iskapčanja pojedinih preklopki, te valni
oblik izlaznih napona.
Sl. 66. Trofazni izmjenjivač koji generira linijske napone vab , vbc i vca .
I na kraju priče o trofaznim izmjenjivačima prikažimo trofazni izmjenjivač sa
srednjom točkom u istosmjernom naponskom izvoru i njegove pripadajuće valne oblike.
Ovaj izmjenjivač se napaja s dva istosmjerna naponska izvora. Trošilo je trofazno i
spojeno je u zvijezdu ( npr. trofazni asinkroni elektromotor). Izmjenjivač pretvara
istosmjernu energiju baterija u izmjeničnu energiju potrebnu za pogon motora.
Energetska elektronika
66
Sl. 77. Trofazni izmjenjivač sa srednjom točkom na u istosmjernom naponskom izvoru
Ovaj izmjenjivač generira fazne napone i može koristiti samo kod izmjeničnih
trošila spojenih u spoju zvijezda. Preklopke spajaju u protutaktu i uključene su 180 D . No
naravno, postoje i drugi sklopni rasporedi, primjerice takovi koji daju kvazi-pravokutni
fazni napon.
Energetska elektronika
67
9. Istosmjerno – istosmjerni pretvarači
Istosmjerno-istosmjerni pretvarači su uređaji energetske elektronike koji
pretvaraju istosmjernu električnu energiju jednih parametara u istosmjernu energiju
drugih parametara. U uvodnom poglavlju su objašnjena načela rada istosmjernoistosmjernog pretvarača. Radi toga će se u ovom poglavlju izvršiti podjela pretvarača i
izvesti transformatorske jednadžbe pretvarača.
Istosmjerne pretvarače dijelimo na pretvarače bez galvanskog odvajanja (bez
transformatora) i na pretvarače s galvanskim odvajanjem (s transformatorom). Mi ćemo
se baviti načelima rada pretvarača bez galvanskog odvajanja, a na kraju ćemo spomenuti
jednu vrstu pretvarača s transformatorom.
Istosmjerno – istosmjerni pretvarači bez galvanskog odvajanja su:
a) silazni pretvarači (buck converter)
b) uzlazni pretvarači (boost converter)
c) silazno – uzlazni pretvarač (buck-boost converter)
9.1 Silazni istosmjerno-istosmjerni pretvarač
Osnovno načelo rada silaznog pretvarača objašnjen je u uvodu. Rad pretvarača
zasniva se na brzom preklapanju preklopke u strujnom krugu prikazanom na slici 78
(brzina rada preklopke je reda veličine nekoliko kHz). Pri tome je trošilo na slici
predstavljeno s strujnim izvorom konstantne struje I d (već prije je objašnjeno da se struja
velikih, pretežno induktivnih trošila ne može promijeniti za vrijeme brzog prekapčanja
preklopke, pa ih možemo shvatiti kao izvori koji tjeraju konstantnu struju).
68
Energetska elektronika
Sl. 78. Principijelna shema silaznog pretvarača
Na slici 78 se vidi principijelna shema silaznog istosmjerno-istosmjernog
pretvarača. Na donjem dijelu slici prikazani su pravokutni naponi na trošilu vd (t ) i struja
baterije iB (t ) . Preklopka S prekapča periodom T =
1
f prekapčanja
. Jedan dio vremena
ukupnog perioda T sklopka je uključena i to vrijeme nazivamo «vrijeme vođenja
sklopke» ( tv ). Ostatak vremena je sklopka isključena pa to vrijeme nazivamo «vrijeme
pauze» ( t p ) . Uvijek mora biti zadovoljeno:
tv + t p = T
Već u samom uvodnom dijelu je definiran faktor vođenja D . Faktor vođenja
sklopke je veličina koja definira odnos vremena vođenja sklope ( tv ) i perioda T , pa
vrijedi:
D=
gdje je:
D - faktor vođenja 0 ≤ D ≤ 1
tv
T
69
Energetska elektronika
Iz gornje jednadžbe proizlazi da je vrijeme vođenja tv = D ⋅ T , a vrijeme pauze
t p = (1 − D) ⋅ T . Srednja vrijednost napona na trošilu Vd može se dobiti ako odredimo
površinu ispod krivulje valnog oblika napona vd (t ) u jednom periodu T i to podijelimo s
jednim periodom T :
T
Vd = ∫ vd (t )dt = DVB
0
Na taj način smo dobili prvu transformatorsku jednadžbu pretvarača koja
povezuje ulazni i izlazni napon pretvarača. Faktor koji ih povezuje je faktor vođenja D .
Budući da uvijek mora biti zadovoljeno da je srednja snaga na ulazu u pretvarač
jednaka srednjoj snazi na izlazu iz pretvarača može se napisati:
VB I B = Vd I d
Iz gornje jednadžbe proizlazi druga transformatorska jednadžba pretvarača
(transformatorske jednadžbe se zovu jer neodoljivo podsjećaju na osnovne jednadžbe
jednofaznog transformatora):
Id =
VB
1
IB ⇒ IB
Vd
D
Na slici 79 prikazana je kompletna shema silaznog pretvarača. Shema se razlikuje
od slike 78 po tome što su na izlazu dodani induktivitet i kapacitet, te se na taj način
omogućuje spajanje i otpornog trošila na izlazu pretvarača.
Sl. 79. Silazni pretvarač
Ukoliko je kapacitet C jako velik, izlazni napon vd (t ) je konstantan. Kako izvesti
transformatorske jednadžbe za ovaj sklop ? Naravno, one moraju izgledati isto kao i za
pretvarač na slici 78 jer su oba silazni pretvarači. Dakle kad u igri imamo kapacitet i
Energetska elektronika
70
induktivitet, transformatorska jednadžba se izvodi na način da se primjene jedno od
slijedećih pravila:
1) srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti
jednaka nuli,
2) srednja vrijednost struje kroz kapacitet u periodu T mora uvijek biti jednaka
nuli.
Ako pretpostavimo da silazni pretvarač radi u neisprekidanom režimu rada
(izlazna struja nikad ne pada na nulu – struja trošila je neisprekidana) mogu se nacrtati
valni oblici napona i struje kroz induktivitet (slika 79).
Rad pretvarača moguće je opisati na slijedeći način. Dok je sklopka S zatvorena
(vrijeme DT ) iz izvora teče struja iB , prolazi kroz sklopku S , induktivitet L ,
kondenzator C i trošilo R . Dioda D ne vodi struju jer je zaporno polarizirana. Struja
kroz induktivitet L linearno raste. Napon na induktivitetu jednak je ( VB − Vd ).
Induktivitet L se «nabija» magnetskom energijom. Kapacitet C se puni i napon se na
njemu povećava.
Dok je sklopka S otvorena (vrijeme (1 − D)T ) iz izvora prestaje teći struja iB .
Dioda D vodi struju jer je propusno polarizirana. Struja kroz induktivitet L linearno
pada. Napon na induktivitetu jednak je ( −Vd ). Magnetska energija induktiviteta L se
«izbija». Kapacitet C se prazni i napon se na njemu smanjuje.
Sl. 80. Valni oblici napona i struje induktiviteta za neisprekidani rad pretvarača
71
Energetska elektronika
Ako se primjeni pravilo da srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu
T mora uvijek biti jednaka nuli, iz slike 80 proizlazi:
(VB − Vd ) DT = Vd (1 − D )T
Uređivanjem gornje jednadžbe dobije se prva transformatorska jednadžba.
Vd = DVB
Strujna jednadžba dobiva se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage što je već
objašnjeno u prethodnom primjeru pa je:
Id =
1
⋅ IB
D
Silazni tiristorski pretvarač (čoper)
Na slici 81 prikazan je tiristorski silazni istosmjerni pretvarač popularno zvan
čoper (chopper).
Sl. 81. Tiristorski silazni pretvarač (čoper)
Ova shema u potpunost odgovara shemi na slici 78, samo što je trošilo prikazano
serijskim spojem induktiviteta Ld i otpora Rd . Sklopka S u shemi 78 je zamijenjena
sklopom na slici 81 koja se sastoji od dva tiristora T1 , T2 , diode D , kapaciteta C i
induktiviteta L . Postavlja se pitanje: «Zar je moguće da je potrebno tako puno
komponenata da zamjeni jednu običnu sklopku?!». Razlog je u tome što je tiristor
poluupravljiva komponenta koja se lako može uklopiti, međutim za isklapanje tiristora u
72
Energetska elektronika
istosmjernom krugu potrebno je «srušiti» glavnu struju tiristora na nulu (struja anodakatoda). Upravo komponente T2 , C , D i L predstavljaju sklop koji omogućava
isključivanje tiristora na način da «ruše» glavnu struju na nulu. Takav skup komponenti
se nazivaju komutacijski sklop tiristora.
Na slici 82 prikazan je izlazni napon iz čopera sa slike 81.
Sl. 82. Izlazni napon iz čopera.
Rad čopera se može opisati na slijedeći način. Pretpostavimo da niti jedan tiristor
ne vodi struju do trenutka t0 . Kada želimo uključiti sklopku (tiristor) potrebno je u
trenutku t0 dovesti okidni impuls na gejt tiristora T1 (master tiristor) koji se nalazi u
stanju blokiranja i trenutno prelazi u stanje vođenja te provodi struju od izvora E , preko
T1 , trošila, nazad u izvor. Dioda D1 ne vodi. Istovremeno se kondenzator C nabija na
napon izvora E , jer provođenjem tiristora T1 poteče sinusna struja titrajnog kruga
L, D, C . Kondenzator se nabije na napon E nakon jedne poluperiode sinusne struje kroz
titrajni krug, tako da mu je + na donjoj elektrodi. Takvo stanje traje do trenutka t1 , kada
se dovodi impuls na gejt tiristora T2 , koji ovdje služi samo zato da bi isključio glavni
tiristor T1 . Uključenjem tiristora T2 , na tiristor T1 dolazi reverzni napon koji u periodu od
t1 do t2 ruši njegovu struju na nulu. U trenutku t2 , tiristor T1 iskapča, te od t2 do t3 ne
teče struja kroz trošilo, napon na izlazu čopera jednak je nuli. To traje sve do trenutka t3
kada se cijeli proces ponavlja. Mijenjanjem vremena dovođenja impulsa na tiristore T1 i
T2 mogu se mijenjati vremena vođenja tv i vremena pauze t p sklopke na slici 78, i na
takav način regulirati srednju vrijednost izlaznog napona čopera.
73
Energetska elektronika
9.2 Uzlazni istosmjerno-istosmjerni pretvarač
Pored silaznog pretvarača koji na svom izlazu uvijek «daje» manji izlazni napon
od ulaznog, postoji i istosmjerni uzlazni pretvarač koji na svom izlazu daje veći napon od
ulaznog napona. Na slici 83. prikazan je uzlazni pretvarač. Izlazni napon se može
teoretski mijenjati od VB do ∞ (pretpostavka je da je vrijednost kapaciteta C tako velika
da je vd = konstantno).
Sl. 83. Uzlazni pretvarač
Valni oblici napona i struje kroz induktivitet prikazana je na slici 84.
Sl.84. Valni oblici napona i struje induktiviteta
74
Energetska elektronika
Rad uzlaznog pretvarača može se objasniti na slijedeći način. Dok je sklopka S
zatvorena (vrijeme DT ) iz izvora teče struja iB , prolazi kroz sklopku S i induktivitet L .
Napon na induktivitetu jednak je ( VB ). Induktivitet L se «nabija» magnetskom
energijom. Struja kroz induktivitet iL linearno raste (vidi sliku 84). Dioda D ne vodi
struju jer je zaporno polarizirana. Kondenzator C (koji je bio prethodno nabijen) se
prazni i tjera struju id kroz trošilo R .
Dok je sklopka S otvorena (vrijeme (1 − D)T ) struja izvora iB koja je jednaka
struji induktiviteta iL počinje linearno padati (vidi sliku 84). Uzrok tome je negativni
napon na induktivitetu ( Vd − VB ) ; uočite da je izlazni napon Vd veći od napona baterije
VB . Magnetska energija induktiviteta L se «izbija». Upravo pad struje kroz induktivitet
di
( u odnosu na referentno postavljeni
izaziva negativni napon samoindukcije VL = L
dt
napon kojeg određuje smjer strelice napona na induktivitetu), a koji nastaje radi toga što
se induktivitet opire smanjivanju struje. Taj napon samoindukcije se zbraja sa naponom
baterije (istog su predznaka), dioda D vodi struju jer je propusno polarizirana, kapacitet
C se nabija na viši napon od napona izvora VB . Budući da je otpor R paralelno spojen
kapacitetu C , napon na otporu R jednak je naponu na kapacitetu C .
Transformatorske jednadžbe ovog pretvarača se mogu izvesti iz poznatog uvjeta
da srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti jednaka nuli,
iz slike 84 proizlazi:
VB DT = (Vd − VB )(1 − D )T
Uređivanjem gornje jednadžbe dobije se prva transformatorska jednadžba.
VB = Vd (1 − D )
ili
Vd
1
=
VB 1 − D
Iz gornje jednadžbe se vidi da je za D = 0 izlazni napon Vd = VB . Ako je
0 < D < 1 , tada je izlazni napon Vd > VB , i Vd je to veći što je D bliže jedinici.
Strujna jednadžba dobiva se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage:
I d VB
=
= 1− D
I B Vd
75
Energetska elektronika
9.3 Istosmjerni silazno-uzlazni pretvarač
Treća vrsta istosmjernih pretvarača bez galvanskog odvajanja su istosmjerni
silazno uzlazni pretvarači. Na slici 85. prikazan je silazno - uzlazni pretvarač. Izlazni
napon se može teoretski mijenjati od 0 do ∞ (pretpostavka je da je vrijednost kapaciteta
C tako velika da je vd = konstantno). Treba napomenuti da je izlazni napon obrnuto
polariziran ( + je na donjem kraju otpora R , a – je na gornjem kraju otpora).
Sl. 85. Silazno - uzlazni pretvarač
Valni oblici napona i struje kroz induktivitet prikazana je na slici 86.
Sl.86. Valni oblici napona i struje induktiviteta
Rad uzlaznog pretvarača može se objasniti na slijedeći način. Dok je sklopka S
zatvorena (vrijeme DT ) iz izvora teče struja iB , prolazi kroz sklopku S i induktivitet L .
Napon na induktivitetu jednak je ( VB ). Induktivitet L se «nabija» magnetskom
energijom. Struja kroz induktivitet iL linearno raste (vidi sliku 86). Dioda D ne vodi
struju jer je zaporno polarizirana. Kondenzator C (koji je bio prethodno nabijen) se
prazni i tjera struju id kroz trošilo R .
76
Energetska elektronika
Dok je sklopka S otvorena (vrijeme (1 − D)T ) dioda D otvara, struja
induktiviteta iL se zatvara kroz kapacitet, trošilo i diodu i počinje linearno padati (vidi
sliku 86). Uzrok tome je negativni napon na induktivitetu ( −Vd ). Magnetska energija
induktiviteta L se «izbija». Upravo pad struje kroz induktivitet izaziva negativni napon
di
(u odnosu na referentni napon kojeg označava strelica), a koji
samoindukcije VL = L
dt
nastaje radi toga što se induktivitet opire smanjivanju struje. Kapacitet C se nabija na
napon VL . Budući da je otpor R paralelno spojen kapacitetu C , napon na otporu R
jednak je naponu na kapacitetu C .
Transformatorske jednadžbe ovog pretvarača se mogu izvesti iz poznatog uvjeta
da srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti jednaka nuli,
iz slike 86 proizlazi:
VB DT = Vd (1 − D )T
Uređivanjem gornje jednadžbe dobije se prva transformatorska jednadžba.
Vd
D
=
VB 1 − D
Iz gornje jednadžbe se vidi da je za D = 0 , izlazni napon Vd = 0 . Ako je
0 < D < 1 , tada je izlazni napon Vd > VB , i Vd je to veći što je D bliže jedinici.
Strujna jednadžba dobiva se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage:
Id 1 − D
=
IB
D
Energetska elektronika
77
9.4 Istosmjerni pretvarač s galvanskim odvajanjem
Na kraju izlaganja o istosmjernim pretvaračima razmatrat će se i drugi pretvarač
koji također postiže viši izlazni napon kao i uzlazni pretvarač. Na slici 87. prikazan je
silazni pretvarač koji koristi transformator za podizanje napona. Izlazni napon se može
N
teoretski mijenjati od 0 do 2 D (pretpostavka je da je vrijednost kapaciteta C tako
N1
velika da je vd = konstantno).
Sl. 87. Galvanski odvojen istosmjerni pretvarač
Valni oblici napona vd na trošilu pretvarača sa slike 87 (bez induktiviteta L i
kapaciteta C ) bez i sa transformatorom su prikazani na slici 88.
Sl.88. Valni oblici napona na trošilu vd sa i bez transformatora
78
Energetska elektronika
Na slici 88 a) prikazani je valni oblika napona na induktivitetu vL za pretvarač sa
slike 87.
Sl. 88 a. Valni oblici napona sa i bez transformatora i napona na induktivitetu
Princip rada ovog pretvarača je vrlo sličan silaznom pretvaraču, uz dopunu da se
pravokutni napon na primaru transformira u viši sekundarni napon preko transformatora,
što se jasno vidi na slici 88.
Transformatorske jednadžbe ovog pretvarača se mogu izvesti iz poznatog uvjeta
da srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti jednaka nuli,
iz slike 88 proizlazi:
(VB
N2
− Vd ) DT = Vd (1 − D )T
N1
Uređivanjem gornje jednadžbe dobije se prva transformatorska jednadžba.
Vd N 2
=
D
VB N1
10. Izmjenični pretvarači
Izmjenični pretvaraču su uređaji energetske elektronike koji pretvaraju izmjeničnu
energiju jednih parametara električne energije u izmjenični energiju promijenjenih
parametara. Izmjenični pretvarači dijele se na pretvarače napona i pretvarače frekvencije.
Mogli bi smo i transformator svrstati u izmjenične pretvarače, jer i on pretvara jedan
iznos izmjeničnog napona i struje primara u neki drugi iznos izmjeničnog napona i struje
sekundara (ne može pretvarati jednu frekvenciju u drugu frekvenciju). No, transformator
spada u električne strojeva, a ne u izravne izmjenične pretvarače, jer koristi
elektromagnetski princip pretvorbe, a ne preklapanje poluvodičkih ventila.
Energetska elektronika
10.1
79
Izmjenični pretvarač napona (izmjenični regulator napona)
Izmjenični regulator napona koristi preklapanje poluvodičkih preklopki za
pretvorbu izmjeničnog napona jedne efektivne vrijednosti u izmjenični napon neke druge
manje efektivne vrijednosti. Načelo rada se vidi iz slike 89.
Sl. 89. Načelo rada izmjeničnog pretvarača napona
Na slici 89 a) prikazan je sklop koji se sastoji od jednog izmjeničnog izvora
napona U s sin ωt , jedne preklopke S i radnog trošila R . Preklopka S otvara i zatvara
jednom u pozitivnoj poluperiodi izmjeničnog napona i jednom u negativnoj poluperiodi
izmjeničnog napona. Mogući valni oblici izlaznog napona prikazani su na slici 89 b/1,
b/2 i b/3.
Za slučaj prikazan na slici 89 b/1, preklopka S je otvorena do kuta α . Za to
vrijeme je napon na trošilu uR = 0 . Nakon kuta α zatvara se sklopka S i ostaje
zatvorena sve dok se ne dosegne kut π (kut vođenja preklopke traje π − α ). Napon na
trošilu je uR = U S sin ωt . Od kuta π do kuta π + α sklopka S je ponovo otvorena, a od
kuta π + α do kuta 2π sklopka zatvara. Ako se izračuna efektivna vrijednost napona
prikazanog na slici 89 b/1 može se vidjeti da je ona manja od efektivne vrijednosti
ulaznog sinusnog napona U s sin ωt . Daljnjim povećavanjem kuta α smanjuje se kut
vođenja preklopke π − α , te se i nadalje smanjuje efektivna vrijednost napona na trošilu.
Slučajevi prikazani na slici 89 b/2 i b/3 se mogu opisati na sličan način kao i
slučaj b/1. I za njih je karakteristično da se smanjenjem kuta vođenja preklopke S ,
smanjuje efektivna vrijednost izlaznog napona.
Pretvarač koji daje valni oblik napona na slici 89 b/1 može se dobiti koristeći
shemu na slici 90.
Energetska elektronika
80
Sl. 90. Izmjenični pretvarač napona za slučaj 89 b/1
Funkciju preklopke S na slici 90 preuzimaju tiristori T1 i T2 . Do kuta α gornji
tiristor T1 nalazi se u blokirnom stanju, a donji tiristor T2 u stanju zapiranja. Dakle,
dovođenjem impulsa na gejtu, samo tiristor T1 može doći u stanje vođenja. Kad se
dosegne kut α , okida tiristor T1 i tiristor vodi do trenutka kada struja kroz njega ne padne
na nulu. Budući da je trošilo radno, struja pada na nulu u trenutku kada i napon uR padne
na nulu ( kod kuta π ). Od kuta π do kuta π + α niti jedan tiristor ne vodi, tiristor T1 se
sada nalazi u stanju zapiranja, a tiristor T2 u stanju blokiranja. Okidanjem tiristora T2 u
trenutku π + α , počinje vođenje tiristora T2 koje traje do kuta 2π . Vidimo da ova dva
tiristora zamjenjuju funkciju sklopke na slici 89 za pretvarač koji daje valni oblik
izlaznog napona kao na slici 89 b/1.
Na slici 91 prikazan je pretvarač opterećen radno-induktivnim teretom te
pripadajući valni oblici napona na trošilu.
Energetska elektronika
81
Sl. 91. Pretvarač sa slike 90 opterećen radno – induktivnim teretom
Iz valnih oblika na slici 91 lako je vidljivo da je okidanje tiristora T1 moguće za
kut α u rasponu od ϕ < α < π (kut ϕ je kut faznog pomaka napona i struje), jer se tek
tada tiristor T1 nalazi u blokirnom stanju i moguće mu je na gejt dovesti impuls okidanja.
Slično vrijedi i za tiristor T2 (okidanje moguće tek iza kuta ϕ + π do kuta 2π ). Ovo za
posljedicu ima da se opseg regulacije izlaznog napona smanjuje za slučaj radno
induktivnog tereta (za radni teret kut α se može mijenjati u rasponu od 0 < α < π ).
Izmjenični regulatori napona mijenjaju efektivnu vrijednost napona. Frekvencija
ulaznog sustava jednaka je frekvenciji izlaznog sustava.
10.2
Izmjenični pretvarač napona i frekvencije
Opisani sklop na slici 90 se može uz drugačiji sklopni raspored upotrijebiti za
izravnu pretvorbu napona i frekvencije. Na slici 92 može se vidjeti načelo rada pretvarača
frekvencije.
82
Energetska elektronika
Sl. 92. Pretvarač napona i frekvencije
Pretvarač na slici 92 a), jednak je pretvaraču na slici 90. Razlika između
njih je samo u redoslijedu okidanja pojedinih tiristora. Valni oblik napona na izlazu iz
sklopa za slučaj pretvarača frekvencije koji na svom izlazu daje frekvenciju napona 5
puta manju od ulazne frekvencije prikazan je na slici 92 b).
Rad pretvarača frekvencije može se opisati na slijedeći način. Pretpostavimo da je
ulazni sinusni izmjenični napon prikazan na slici 92 a) doveden na ulaz sklopa. Neka
T
duljina poluperiode izmjeničnog napona iznosi 1 . Ako sada okidamo samo tiristor Tr1
2
83
Energetska elektronika
tri puta uzastopno, uvijek na početku triju pozitivnih poluperioda sinusnog signala, te
izostavimo okidanje tiristora Tr2 za dvije negativne poluperiode izmjeničnog signala, pa
zatim okidamo tri puta uzastopce tiristor Tr2 na početku negativnih poluperioda da bi
izostavili okidanje tiristora Tr1 za dvije pozitivne poluperiode, dobit će se na trošilu R
valni oblik napona prikazan na slici 92 b).
Valni oblik napona sastoji se od 3 pozitivna pulsa i 3 negativna pulsa. Na istom
grafikonu crtkano je prikazan pravokutni napon koji predstavlja srednju vrijednost
pulzirajućeg napona T2 . Ako se pogleda duljina poluperiode srednje vrijednosti izlaznog
T
T
pravokutnog napona T2 , vidljivo je da je 2 = 5 ⋅ 1 . Ako je poluperioda (a time i
2
2
perioda) izlaznog napona 5 puta dulja od poluperiode (periode) ulaznog napona, onda je
f
frekvencija izlaznog napona f 2 = 1 ( f1 je frekvencija ulaznog napona). Ovo proizlazi iz
5
jednostavne relacije koja povezuje period izmjeničnog napona i njegovu frekvenciju
1
f = .
T
Ovaj pretvarač može istodobno smanjivati i frekvenciju i ulazni napon (slika 92
c). Sve što je potrebno jest da se okidanje tiristora vrši nakon određenog kuta kašnjenja
α . Na taj način se smanjuje površina pozitivnih i negativnih poluperioda izlaznog
napona, a time i srednja vrijednosti izlaznog napona (crtkani pravokutni napon) biva
manja. Na slici 92 c prikazan je valni oblik na izlazu pretvarača koji smanjuje frekvenciju
i napon (frekvencija a izlazu se smanjuje za 5 puta u odnosu na ulaznu frekvenciju).
10.3
Ciklopretvarači
Ciklopratvarači su izmjenični pretvarači napona i frekvencije bez istosmjernog
međukruga koji se primjenjuju kod većih izlaznih snaga (100 kW i više). Tipična
primjena im je u regulaciji broja okretaja propulzijskog sinkronog motora na brodovima s
elektropropulzijom. Topologija ciklopretvarača prikazana je na slici 93.
Sl. 93. Topologija ciklopretvarača
Energetska elektronika
84
Ciklopretvarač se može prikazati kao mosni spoj od četiri preklopke S1 - S4 .
Sklopke S1 , S 4 te sklopke S 2 , S3 preklapaju istovremeno i u protutaktu. Da bi se iz
napona va dobio sinusni izmjenični napon vac na izlazu ciklopretvarača , napon va se
filtrira u izlaznom filteru. Valni oblici napona na pojedinim dijelovima sklopa prikazani
su na slici 94.
Sl. 94. Valni oblici napona ciklopretvarača sa slike 93.
T=
2π
ωi
Gornji grafikon na slici 94 prikazuje ulazni izmjenični napon vi duljine perioda
. Srednji grafikon prikazuje valni oblika napona va na ulazu u filtar. Redoslijed
preklapanja sklopki S1 , S 4 i S 2 , S3 također je prikazan na srednjem grafikonu. Treba
ponovo napomenuti da sklopke S1 , S 4 uklapaju i isklapaju zajedno, baš kao i sklopke
S 2 , S3 . Sklopke S1 , S4 preklapaju u protutaktu sa sklopkama S2 , S3 . Kada su sklopke
S1 , S 4 uključene, a sklopke S2 , S3 isključene tada je va = vi . Kada su sklopke S2 , S3
uključene, a sklopke S1 , S 4 isključene tada je va = −vi (reverzira se ulazni napon).
Energetska elektronika
85
Donji grafikon prikazuje izlazni napon iz filtera vac . Napon vac jednak je
filtriranom naponu va ( iz napona va je izdvojena samo frekvencija osnovnog harmonika
napona, dok su ostale više frekvencije potisnute).
Na slici 95. prikazan je način na koji se može dobiti sinusni izlazni napon bez
upotrebe izlaznog filtera (koji izdvaja osnovni harmonik napona va ).
Sl. 95. Ciklopretvarač s faznim upravljanem
Ovaj ciklopretvarač snižava frekvenciju ulaznog napona za 12 puta (duljina
poluperiode izlaznog napona je 12 puta veća od duljine poluperiode ulaznog napona). Na
slici 95 se vidi da ciklopretvarač na svom izlazu generira 12 poluperioda pozitivnog
napona, pa zatim 12 poluperioda negativnog napona. Pri tome koristi i fazno upravljanje,
pa pozitivne poluperiode počinje propuštati s kutom upravljanja α ≈ 130D , te ih postupno
smanjuje na α ≈ 30D (maksimalna pozitivna vrijednost izlaznog sinusoiudalnog napona),
da bi ponovo do kraja pozitivne poluperiode izlaznog sinusnog napona kut upravljanja
povećao na α ≈ 130D . Slična razmatranja vrijede i za negativne poluperiode izlaznog
napona.
Na slici 96 prikazan je ciklopretvarač realiziran s dva punoupravljiva jednofazna
mosna spoja, pomoću kojeg se mogu realizirati valni oblici napona na slici 95 (uvjet je da
je trošilo otporno).
86
Energetska elektronika
Sl. 96. Ciklopretvarač sa otpornim trošilom
Ciklopretvarač na svojem izlazu mora davati oba polariteta napona i oba smjera
struje (karakteristika izmjenično-izmjeničnog pretvarača), s tim da struja mora moći teći
u bilo kojem smjeru za bilo koji polaritet izlaznog napona. To se može ostvariti,
primjerice, antiparalelnim spojem dva tiristorska usmjerivača sa srednjom točkom koji je
prikazan na slici 97. No, u tom slučaju, valni oblik izlaznog napona ovisi o faznom
položaju izlazne struje.
Sl. 97. Ciklopretvarač s antiparalelnim spojem tiristora
Na slici 98 prikazani su valni oblici izlaznog napona i struje kroz trošilo (trošilo je
radno-induktivno).
Energetska elektronika
87
Sl. 98. Valni oblici struje i napona ciklopretvarača s antiparalelnim spojem tiristora
Na slici 98 prikazani su trofazni naponi sekundara, te izlazni napon u2 (debela
crta ) i izlazna struja iz ciklopretvarača i2 ( crtkano ). Ako želimo kroz trošilo protjerati
izlaznu struju i2 oblika kako je prikazana na slici 98 (crtkana krivulja), tada do trenutka
t1 katodna grupa tiristora (1,2,3) mora raditi u ispravljačkom režimu rada – struja i2 teče
od desna na lijevo prema srednjoj točki izvoda transformatora i postepeno raste. Trošilo
se puni magnetskom energijom.
Od trenutka t1 do trenutka t2 struja trošila i2 je i dalje pozitivna (zadržava isti
smjer) i pada na nulu. U ovom periodu srednja vrijednost napona na izlazu pretvarača je
negativna, struja je ostala pozitivna, katodna grupa tiristora radi u izmjenjivačkom režimu
rada, trošilo vraća energiju u mrežu.
Nakon pauze od trenutka t2 do trenutka t3 , izlazna struja i2 mijenja smjer. Od
trenutka t3 struja trošila i2 je negativna i raste – struja ide od srednje točke
transformatora s lijeva na desno kroz trošilo. U ovom periodu srednja vrijednost napona
na izlazu pretvarača je negativna. anodna grupa tiristora (4,5,6) radi u ispravljačkom
režimu rada, trošilo se nabija energijom. Na sličan se način može nastaviti priča o radu
ciklopretvarača.
Fazni pomak između izlaznog napona u2 i izlazne struje i2 mijenja valni oblik
izlaznog napona. Energija akumulirana u trošilu mora se moći vračati u pojnu mrežu.
Zato svaki usmjerivač mora moći raditi i u ispravljačkom i u izmjenjivačkom načinu
Energetska elektronika
88
rada. Zapamtite da i katodna i anodna grupa tiristora moraju omogućavati oba polariteta
izlaznog napona uz oba smjera izlazne struje kroz trošilo.
Ukoliko se želi dobiti sinusoidalniji oblik izlaznog napona, treba koristiti
složenije pretvaračke spojeve. Primjerice, umjesto dva antiparalelna tiristora mogu se
upotrijebiti dva antiparalelna mosna spoja, koja su prikazana na slici 99.
Sl. 99. Ciklopretvarač sa dva antiparalelna mosna spoja
Ovaj ciklopretvarač se može rastaviti na usmjerivač A i usmjerivač B . Na slici 99
prikazan je usmjerivača A te valni oblici napona vd (prije prigušnice L ), i vd ' (poslije
prigušnice L ). Na slici 100 prikazano je isto za usmjerivač B .
Energetska elektronika
Sl. 99. Usmjerivač A ciklopretvarača sa slike 99.
89
Energetska elektronika
90
Sl. 100. Usmjerivač B ciklopretvarača sa slike 99.
Na slici 101 prikazan je rad ciklopretvarača sa slike 99. Izlazna struja i izlazni
napon su fazno pomaknuti.
Energetska elektronika
91
Sl. 101. Valni oblici izlaznog napona i struje.
Na slici 101 se vidi da usmjerivači A i B nekada rade u ispravljačkom, a nekada u
izmjenjivačkom modu rada, što ovisi o polaritetu i smjeru izlazne struje.
I na kraju ove skripte spomenimo da postoji još niz vrsta ciklopretvaračkih
sklopova. Ciklopretvarači su općenito vrlo komplicirani uređaji energetske elektronike sa
kompleksnim upravljačkim uređajima, i nezamjenjivi su za pogone većih snaga.

APA 40/12

OPERACIONI POJAČAVAČI

MPPT 30-24-12

PITANJA I ZADACI - KONTURNE STRUJE, THEVENINOV

VREMENSKE BAZE. TIRATRON.

Izmjenjivač INFOTON SP4000/24

JEDNOSMJERNI IZVORI NAPONA Jednosmjerni izvori koji se

PROTOČNI ANALIZATOR ANTENE DAA 10

pravna osoba - Oglasnik javne nabave