Energetska 1

UNIVERZITET U NOVOM SADU FAKULTET TEHNIČKIH NAUKA



Prof. dr Vladimir A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1 - Komponente i AC/x pretvarači - skripta -

Novi Sad, 2015

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

2

Autor: prof. dr Vladimir Katić

Naziv: ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1 – Komponente i AC/x pretvarači - skripta -

Nastavno-naučno veće Fakulteta tehničkih nauka u Novom Sadu, koje je održano dana 30. 03. 2016. godine, na osnovu predloga Odluke Saveta za bibliotečku i izdavačku delatnost br.: xxxxxxxx, odobrilo je korišćenje skripte „Energetska elektronika 1 – Komponete i AC/x pretvarači“, kao udžbenik-skriptu u nastavi na predmetima studijskog programa Energetika, elektronika i telekomunikacije i to na predmetu Energetska elektronika 1 na studijskim grupama Elektroenergetika – elektronergetski sistemi i Elektroenergetika – energetska elektronika i električne mašine, kao i na predmetu Energetska elektronika na studijskoj grupi Mikroračunarska elektronika Primenjena elektronika.

Recenzenti: Xxxxxxxxxxxxx Xxxxxxxxxxxxx Izdavač: Univerzitet u Novom Sadu, Fakultet tehničkih nauka Dizajn korica: Vladimir Katić Tehnički uredio: Vladimir Katić Priprema za štampu: Ivan Pintjer Štampao: Fakultet tehničkih nauka, GRID, Novi Sad CIP klasifikacija Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

3

PREDGOVOR

Široka primena i značaj energetske elektronika doprineli su da se ova oblast uspešno predaje na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu već skoro 40 godina. Predstavljena je u dva predmeta - Energetska elektronika 1 i Energetska elektronika 2, koji se predaju za studente studijskog programa Energetika, elektronika i telekomunikacije (E1). U sklopu prvog predmeta proučavaju se teme vezane za izučavanje snažnih poluprovodničkih komponenti (diode, tiristori, snažni tranzistori, hibridne i nove komponente), rešavanje osnovnih energetskih pretvarača i detaljno proučavanje direktnih AC/x pretvarača, odnosno pretvarača sa naizmeničnim naponom ili strujom na ulazu (AC/DC – ispravljači, AC/AC – naizmenični pretvarači). U drugom predmetu, koji predstavlja nastavak učenja problematike energetske elektronike, razmatraju se direktni DC/x pretvarači, odnosno pretvarači sa jednosmernim naponom ili strujom na ulazu (DC/AC – invertori, DC/DC – čoperi), te velika oblast Napajača, odnosno složenih pretvarača za obezbeđivanje stabilnog napajanja DC i AC naponom (stabilisani izvori DC napona/struje, odnosno stabilisani izvori AC napona/struje). Ova skripta namenjena je za studente studijskog programa E1 i to za studijske grupe Elektroenergetike - Elektroenergetski sistemi i Elektroenergetike - Energetska elektronika i električne mašine. Ona predstavljaja gradivo kursa Energetska elektronika 1, koji se predaje studentima treće godine u zimskom semestru. Takođe, skriptu mogu koristiti i studenti četvrte godine na studijskoj grupi Mikroračunarska elektronika Primenjena elektronika, kao literaturu za prvi deo kursa Energetska elektronika, koji je izborni u zimskom semestru.

U Novom Sadu Marta 2016. god.

Autor

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

4

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

5

SADRŽAJ 1. UVOD ........................................................................................................... 13 1.1. Ime i definicija .................................................................................................. 13 1.2. Mesto u elektrotehnici...................................................................................... 14 1.3. Značaj Energetske elektronike (Ee)................................................................ 17 1.4. Osnovni elementi i funkcije ............................................................................. 19 1.5. Oblasti primene energetske elektronike ......................................................... 20 1.6. Istorijat razvoja energetske elektronike......................................................... 22 1.6.1. Elektronski prekidači – cevna tehnologija .................................................. 22 1.6.2. Elektronski prekidači – poluprovodnička tehnologija ................................ 23 1.6.3. Energetski elektronski pretvarači - istorijat ................................................ 25 1.7. Kratak sadržaj kursa ....................................................................................... 27 1.7.1. Sadržaj kursa Energetska elektronika 1 ...................................................... 27 1.7.2. Sadržaj kursa Energetska elektronika 2 ...................................................... 29 1.8. Literatura.......................................................................................................... 30 1.8.1. Knjige i udžbenici ....................................................................................... 30 1.8.2. Zbirke zadataka........................................................................................... 31 1.8.3. Laboratorijski priručnici ............................................................................. 31 1.8.4. Ostali nastavni materijal i ON-LINE kursevi.............................................. 31 1.9.

Najznačajniji naučni skupovi iz Energetske elektronike u Srbiji .......... 32

1.9.1. Međunarodni simpozijum Energetska elektronika – Ee u Novom Sadu..... 32 1.9.2. EPE-PEMC 2012 ECCE Europe: velika međunarodna konferencija iz oblasti Energetske elektronike u Srbiji ............................................................................. 34

2. SAVREMENE KOMPONENTE ENERGETSKE ELEKTRONIKE.... 36 2.1. Podela snažnih poluprovodnika ...................................................................... 36 2.2. Idealni prekidač: .............................................................................................. 37

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

6

2.3. Snažna dioda..................................................................................................... 38 2.4. Tiristor .............................................................................................................. 42 2.5. Trijak................................................................................................................. 50 2.6. Dijak .................................................................................................................. 53 2.7. GTO tiristor (Gate Turn-off) .......................................................................... 54 2.8. Bipolarni tranzistor (BJT ili BPT) .................................................................. 56 2.9. Snažni MOSFET .............................................................................................. 60 2.10. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) .................................................. 62 2.11. Nestandardne komponente............................................................................ 64 2.11.1. Statički-indukovani transistor (SIT – Static Induction Transistor) ........... 64 2.11.2. Statički-indukovani tiristor (SITh – Static Induction Thyristor)............... 65 2.11.3. MOS upravljivi tiristor (MCT – MOS Controlled Thyristor) ................... 66 2.12. Integracija snažnih prekidača ....................................................................... 68 2.12.1. Složeni prekidači....................................................................................... 68 2.12.2. Snažni moduli ........................................................................................... 69 2.12.3. Integrisani snažni pretvarači ..................................................................... 70 2.13. Poređenje komponenti energetske elektronike ............................................ 71

3. MATERIJALI ZA SNAŽNE KOMPONENTE ....................................... 73 3.1. Silicijum kao osnovni materijal u Energetskoj elektronici........................... 74 3.2. Novi materijali u Energetskoj elektronici ...................................................... 74 3.2.1. Osobine silicijum-karbidnih (SiC) materijala ............................................. 75 3.2.2. Osobine galijum-nitridnih (GaN) materijala ............................................... 77 3.2.3. Osobine dijamatske (C) podloge................................................................. 78 3.2.4. Primena komponenti od novih materijala ................................................... 79

4. NAPREZANJA I ZAŠTITA SNAŽNIH KOMPONENTI....................... 81 4.1 Naprezanja snažnih poluprovodničkih komponenti ...................................... 81 4.2. Redno i paralelno vezivanje............................................................................. 81 4.2.1. Redno:......................................................................................................... 81 4.2.2. Paralelno: .................................................................................................... 81

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

7

4.3. Zaštita snažnih poluprovodničkih komponenti ............................................. 82 4.3.1. Prenaponska: ............................................................................................... 82 4.3.2. Prekostrujna: ............................................................................................... 83 4.3.3. Dinamička:.................................................................................................. 84 4.3.4. Termička: .................................................................................................... 84

5. PASIVNE KOMPONENTE Ee.................................................................. 86 5.1. Otpornici ........................................................................................................... 86 5.2. Kondenzatori .................................................................................................... 88 5.3. Prigušnice.......................................................................................................... 88 5.4. Senzori struje, brzine, pozicije, temperature ................................................. 89 5.4.1. Merenje struje ............................................................................................. 89 5.4.1.1. Holove sonde ...................................................................................... 89

6. UVOD U ENERGETSKE PRETVARAČE .............................................. 91 6.1. Energetski elektronski pretvarači - definicije................................................ 92 6.2. Klasifikacija energetskih elektronskih pretvarača........................................ 93 6.3. Metode upravljanja energetskih pretvarača.................................................. 95

7. PROSTI PRETVARAČI (REŠAVANJE OSNOVNIH KOLA) ............. 97 7.1. Prosti pretvarači (osnovna kola) sa snažnim diodama.................................. 97 7.1.1. Diodni ispravljač sa R potrošačem i AC napajanjem (AC/DC pretvarač) .. 97 7.1.2. Diodni ispravljač sa RL potrošačem i AC napajanjem ............................... 99 7.1.3. Diodni ispravljač sa RLE potrošačem i AC napajanjem ........................... 106 7.1.4. Diodni ispravljač sa RC potrošačem i AC napajanjem ............................. 108 7.1.5. Diodni pretvarač sa RL potrošačem i DC napajanjem .............................. 112 7.1.6. Diodni pretvarač sa RC potrošačem i DC napajanjem.............................. 113 7.1.7. Diodni pretvarač sa RLC potrošačem i DC napajanjem ........................... 114 7.2. Prosti pretvarači (osnovna kola) sa tiristorima ........................................... 117 7.2.1. Tiristorski ispravljač sa RL potrošačem i AC napajanjem........................ 117 7.2.2. Tiristorski pretvarač sa RL potrošačem i DC napajanjem ........................ 119 7.3. Kombinovani tiristorsko-diodni prosti pretvarači ...................................... 120

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

8

7.3.1. Tiristorsko-diodni ispravljač sa RL potrošačem i AC napajanjem ........... 120 7.3.2. Tiristorsko-diodni ispravljač sa RLE potrošačem ..................................... 123 7.4. Komutacija tiristora....................................................................................... 127 7.4.1. Prirodna, mrežna komutacija .................................................................... 127 7.4.2. Prinudna komutacija (primer) ................................................................... 128

8. ISPRAVLJAČI (AC/DC).......................................................................... 131 8.1 Definicija .......................................................................................................... 131 8.2 Vrste, klasifikacija: ......................................................................................... 131 8.3 Jednofazni ispravljač sa srednjom tačkom: .................................................. 134 8.3.1. Ulazno/izlazne karakteristike .................................................................... 136 8.3.2. Naprezanje komponenti ispravljača: ......................................................... 136 8.3.3. Proračun snage transformatora: ................................................................ 137 8.3.4. Uticaj komutacije tiristora......................................................................... 138 8.4 Jednofazni, mostni ispravljač......................................................................... 139 8.4.1. Ulazno/izlazne karakteristike .................................................................... 140 8.4.2. Karakteristika regulacije ........................................................................... 141 8.4.3. Naprezanje komponenti ispravljača: ......................................................... 142 8.4.4.Proračun snage transformatora: ................................................................. 142 8.5. Jednofazni, mostni polu-upravljivi ispravljači ............................................ 143 8.5.1. Ulazno/izlazne karakteristike .................................................................... 143 8.5.2. Karakteristika regulacije ........................................................................... 144 8.5.3. Naprezanje komponenti ispravljača: ......................................................... 145 8.6 Uticaj nelinearnog rada ispravljača – viši harmonici .................................. 145 8.6.1. Pojedinačna harmonijska distorzija........................................................... 147 8.6.2 Ukupna harmonijska distorzija .................................................................. 147 8.7. Faktor snage ................................................................................................... 148 8.8. Trofazni ispravljači ........................................................................................ 150 8.9. Trofazni, tropulsni ispravljač sa srednjom tačkom .................................... 151 8.9.1. Ulazno/izlazne karakteristike .................................................................... 153

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

9

8.9.2. Naprezanje komponenti ispravljača: ......................................................... 154 8.9.3 Regulacija izlaznog napona ....................................................................... 154 8.9.4. Proračun snage transformatora: ................................................................ 156 8.10. Izvođenje opštih izraza ispravljača............................................................. 158 8.10.1. Rad kola pri

LC  0 ............................................................................ 158

8.10.2. Rad ispravljača pri

LC  0 ................................................................... 160

8.10.3. Određivanje ugla komutacije  ............................................................ 161 8.10.4. Uticaj komutacije:................................................................................... 163 8.10.5. Spoljna karakteristika – karakteristika opterećenja................................. 164 8.11. Trofazni, šesto-pulsni, mostni ispravljač.................................................... 165 8.11.1. Ulazno/izlazne karakteristike .................................................................. 167 8.11.2. Naprezanje komponenti ispravljača: ....................................................... 169 8.11.3. Proračun snage transformatora: .............................................................. 169 8.11.4. Viši harmonici struje i napona ................................................................ 169 8.11.4.1. Viši harmonici ulazne struje ........................................................... 170 8.11.4.2. Viši harmonici izlaznog napona ..................................................... 171 8.11.5. Faktor snage ............................................................................................ 174 8.11. Modelovanje ispravljača.............................................................................. 175

9. NAIZMENIČNI PRETVARAČI ILI PRETVARAČI NAIZMENIČNE STRUJE (AC/AC) ......................................................................................... 177 9.1. Definicija ......................................................................................................... 177 9.2. Klasifikacija AC/AC pretvarača ................................................................... 177 9.2.1. Podela po konstrukciji: ............................................................................. 178 9.2.2. Podela po funkciji ..................................................................................... 178 9.2.3. Podela po vrsti komutacije........................................................................ 179 9.2.4. Beskontaktni prekidači.............................................................................. 179 9.3. Matrični pretvarač ......................................................................................... 180 9.4. Tehnike regulacije naizmeničnog napona .................................................... 181

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

10

9.5. Regulatori napona.......................................................................................... 183 9.5.1. Monofazni regulatori napona sa R potrošačem:........................................ 183 9.5.1.1. Regulatori sa faznom regulacijom.................................................... 183 9.5.1.2. Regulatori sa širinskom regulacijom (simetričnim odsecanjem)...... 185 9.5.1.3. Regulatori sa ON-OFF regulacijom................................................. 186 9.5.1.4 Poređenje efekata regulacije ............................................................. 187 9.5.2. Monofazni regulatori napona sa RL potrošačem ...................................... 188 9.5.3. Trofazni regulatori napona sa R potrošačem............................................. 189 9.5.4. Trofazni regulatori napona sa RL potrošačem .......................................... 193 9.6. Bipolarni ispravljač........................................................................................ 194 9.7. Ciklokonvertori .............................................................................................. 197 9.8. Indirektni naizmenični pretvarači ................................................................ 199 9.8.1. Vrste.......................................................................................................... 200 9.8.2. Primeri ...................................................................................................... 200 9.9. Beskontaktni prekidači .................................................................................. 202 9.9.1. Monofazni beskontaktni prekidači............................................................ 202 9.9.2. Trofazni beskontaktni prekidači................................................................ 203 9.9.3. Hibridni prekidači ..................................................................................... 203

10. PRIMENA ENERGETSKIH ELEKTRONSKIH AC/x PRETVARAČA ......................................................................................................................... 204 10.1. Uvod............................................................................................................... 204 10.2. Stanje na tržištu............................................................................................ 204 10.3. Primena u industriji ..................................................................................... 210 10.3.1. Regulacija brzine jednosmernog motora................................................. 211 10.3.2. Primena za regulaciju asinhronog motora (regulacija Uef, f=const)........ 213 10.3.3. Primena u hemijskoj industriji ................................................................ 215 10.3.4. Primena za DC elektrolučne peći ............................................................ 216 10.4. Primena u električnim elektranama ........................................................... 217 10.5. Primena u prenosu električne energije - HVDC........................................ 218

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

11

10.6. Primene za FACTS uređaje......................................................................... 219 10.7. Primene za punjače baterija/akumulatora (skladištenje energije) .......... 220 10.7.1. Punjači akumulatora za besprekidno napajanje ...................................... 220 10.7.2. Punjači baterija/akumulatora u automobilima......................................... 221 10.7.3. Skladištenje električne energije (Energy Storage) .................................. 222

11. BIBLIOGRAFIJA ................................................................................... 224

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

12

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

13

1. UVOD Elektroenergetika proučava generisanje, prenos, distribuciju i korišćenje električne energije, koja se danas smatra najčistijim i najplemenitijim oblikom energije. S obzirom na izraženu zabrinutost za životnu okolinu, emisiju gasova staklene bašte i evidentne klimatske promene, primena ove vrste energije u kombinaciji sa njenim generisanjem iz obnovljivih izvora, doprinosi razvoju zdravijeg i energetski održivog društva. Dodatne velike promene u elektroenergetskim sistemima uvođenjem deregulacije i stvaranjem koncepta pametnih mreža (Smart Grids), te sve veća digitalizacija i napredne metode upravljanja doprinele su da elektroenergetika ponovo bude u fokusu interesovanja studenata, inženjera i istraživača. Energetska elektronika, koja se bavi procesiranjem, promenom parametara električne energije i njenim upravljanjem, afirmisala se u domenu električne potrošnje omogućavajući dostizanje vrhunskih performansi električnih uređaja i mašina, kao i visoke stepene energetske efikasnosti. Međutim, poslednih decenija sve više se primenjuje i u ostalim delovima elektroenergetike (generisanju, prenosu i distribuciji), pa je danas nezaobilazan segment svih elektroenergetskih mreža u cilju njihovog kvalitetnijeg rada i postizanja visokog iskorišćenja. Najnoviji trendovi primene električne energije i u ostalim segmentima (transport, domaćinstvo, poslovni prostor), pogotovu u onim gde je moguća brza i efikasna zamena fosilnih goriva, uveli su energetsku elektroniku u nove oblasti, tako da danas praktično nema nekog električnog uređaja, a da se u njemu ne nalazi bar jedan sklop energetske elektronike.

1.1. Ime i definicija Na srpskom jeziku se javlja više imena: Energetska elektronika, sa skraćenicom Ee Elektronika snage Snažna elektronika Jaka elektronika Ipak, naziv Energetska elektronika je usvojen kao zvaničan na srpskom jeziku i kao takav se široko koristi na srpskom jezičkom području, a definisan je i u nacionalno standardu za Energetsku lektroniku SRPS IEC 60050-551:2014. Ime ove oblast se različito naziva u raznim jezicima: Power Electronics (engleski) Electronique de Puissance (francuski)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

14

Силовая электроника (ruski) Leistungselektronik (nemački) Močnostna elektronika (slovenački) Teljesítmény elektronika (mađarski) Učinska elektronika (hrvatski) Na osnovu prdavanja i razmatranja profesora Zvonka Benčića1 treba uočiti da „Definicija mora iskazati u koje veće područje spada predmet definicije i u čemu se predmet definicije razlikuje od tog većeg područja. Dakle, mora se iskazati najbliži rod (genus proximum) i vrsna razlika (differentia specifica).“ Po srpskom standardu SRPS IEC 60050-551:2014 Energetska elektronika — Međunarodni elektrotehnički rečnik — Deo 551: Energetska elektronika (poglavlje Termini i definicije) data je sledeća definicija za Energetsku elektroniku: „Energetska elektronika je deo elektronike, koji se bavi energetskom tehnikom.“ Nešto šira definicija, ali sa sličnim smislom, data je u prvom udžbeniku iz ove oblasti2, odnosno na pomenutom predavanju prof. Benčića: „Energetska elektronika je dio elektronike (najbliži rod) koji se koristi za pretvorbu parametara električne energije i za upravljanje tokom električne energije (vrsna razlika).“

1.2. Mesto u elektrotehnici Posle više od 100 godina razvoja, Energetska elektronika danas ima posebno mesto u elektrotehnici primenjujući principe elektronike za ciljeve energetike. Osnovna razlika između ove dve ključne oblasti elektrotehnike može se objasniti na sledeći način (slika 1.1): Energetika – bavi se proizvodnjom, pretvaranjem, prenosom, distribucijom i korišćenjem električne energije, ali PAŽNJA SE OBRAĆA ENERGETSJKOJ EFIKASNOSTI, GUBICIMA I SNAZI

1

Zvonko Benčić, „Prolegomena Energetske elektronike“, Predavanje na Tehničkom fakultetu u Rijeci, Rijeka, Hrvatska, 2002/03. http://www.riteh.uniri.hr/ 2

Z. Benčić, Plenković: „Energetska elektronika – Poluvodički ventili“, Školska knjiga, Zagreb, 1978.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

15

Elektronika – bavi se proizvodnjom, prenosom, prijemom, te obradom raznih signala (informacija), ali PAŽNJA SE POSVEĆUJE TAČNOSTI, POUZDANOSTI, SADRŽAJU INFORMACIJA

Slika 1.1 - Klasična organizacija elektroenergetskog sistema i podela potrošača.

Energetska elektronika je bliže energetici jer joj je cilj visoko efikasno pretvaranje električne snage, sa što manjim gubicima. Zove se, tj. spada u elektroniku, jer osnovni princip pretvaranja nije elektromagnetska indukcija (kao kod električnih mašina) već fizički fenomeni u poluprovodnicima (ili vakuumu, gasovima). Drugi način prikazivanja mesta i uloge Energetske elektronike (Ee) je da se posmatra podela elektronike, odnosno energetike i pozicija Energetske elektronike u ovakvoj klasifikaciji. Sa slike 1.2 se vidi da je Ee deo primenjene elektronike i to njenih industrijskih primena (ovo treba shvatiti u širem smislu, jer danas Ee nije ograničena samo na industriju). Alternativna klasifikacija, data na slici 1.3, pokazuje da se elektronika po oblasti delovanja deli na informacionu i eergetsku (energijsku), što se u stvari poklapa sa prikazom sa slike 1.1. Posmatranjem sistematizacije u elektro-energetici (slika 1.4), vidi se da je pozicija Energetske elektronike u oblasti potrošnje, odnosno elektro-enegetskih pretvarača, koji koriste polu-provodnički princip, za razliku od termičkih i elektromagnetnih pretvarača. Međutim, i ovu poziciju treba shvatiti uslovno, jer se pretvarači Ee danas nalaze i u okviru elektro-energetskih sistema (FACTS uređaji), efektivno omogućavaju prenos energije (HVDC sistemi), a bez njih nema ni generisanja električne energije zbog njihove uloge u radu i povezivanju savremenih obnovljivih izvora energije (vetrogeneratora, foto-naponskih elektrana i dr.) na mrežu. Ova nova uloga se reflektuje u novoj organizaciji elektro-energetskog sistema (EES), koja podrazumeva veliki udeo Ee i IT tehnologija i poznata je pod popularnim nazivom – Smart grids. Neke karakteristike ove organizacije EES-a, prikazane su na slici 1.5.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

16

elektronika e

fizička fe

primenjena pe

telekomunikaciona te

ostalo

industrijska ie

tehnološka tie (procesna)

informaciona iie

energetska-Ee

Slika 1.2 – Podela elektronike na uže oblasti – 1. način.

elektronika

informaciona (obrada informacija)

energijska (obrada energije)

Slika 1.3 – Podela elektronike na uže oblasti – 2. način.

el. energetika

el. energ. sistemi

termički

el. energ. pretvarači

indukcioni tj. na principu el.magn. indukcije

poluprovodnički ili ranije: vakuumski, gasni tj.elektronski

Slika 1.4 – Podela elektro-energetike na uže oblasti.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

17

Izvor: http://www.nuritelecom.com/news/spotlight/jeju_smart_grid.html

Slika 1.5 – Prika organizacije modernih EES-a – Smart Grids.

1.3. Značaj Energetske elektronike (Ee) Zadatak Energetske elektronike je (pretvaranje) kontrola protoka snage pomoću menjanja oblika napona iz mreže a koristeći snažne poluprovodničke komponente. Nagli razvoj ove oblasti posledica je: 1. 2. 3. 4.

rasta mikroelektronike i uvođenja digitalnig tehnologija napretka tehnologije izrade snažnih poluprovodnika širenja područja primene i plasmana (tržišta) uređaja za Ee svesti o potrebi racionalnog korišćenja energije.

Širenje tržišta: a)

b) c) d) e)

- regulisani pogoni u procesnoj industriji - robotizovane fabrike - saobraćaj (električna vozila) - korišćenje obnovljivih izvora energije - napajanje i UPS za PC, TV i druge kućne aparate - razvoj telekomunikacija - napajanje - štednja energije (energetska efikasnost) → jeftiniji uređaji - ekologija – racionalno trošenje postojeće energije, manje zagađenje!

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

18

Značaj Eneregetske elektronike je u tome što ona omogućuje značajno povećanje efikasnosti prenosa i korišćenja električne energije. Smatra se da regulisani sistemi, koji koriste pretvarače Ee, mogu da doprinesu uštedi do 30% energije u odnosu na neregulisane. S obzirom da ovi pogoni troše oko 65% električne energije u USA, mogućnosti uštede su velike. Energetska elektronika predstavlja sintezu više disciplina elektrotehnike. Može se podeliti na: linearnu i prekidačku. Ipak, zbog zahteva za visokom energetskom efikasnošću, danas preferira prekidačka Ee. To se uklapa i u savremene strategije Evropske Unije poznate pod nazivom 202020, koje podrazumevaju da se do 2020. godine 20% energije dobija iz obnovljivih izvora, 20% smanji emisija gasova staklene bašte i za 20% poveća energetska efikasnost. Današnji stručnjaci iz ove oblasti treba da poznaju ne samo komponente energetske elektronike, energetske pretvarače, električne mašine, analognu i digitalnu elektroniku i teoriju upravljanja, već isto i mikroračunare (mikroprocesore), VLSI kola i CAD (computer aided design). Svaka od ovih oblasti se ubrzano razvija i omogućuje velike izazove za bavljenje i praksu stručnjacima (slika 1.6).

Slika 1.6 – Neophodna znanja i unutršnje oblasti Energetske elektronike

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

19

1.4. Osnovni elementi i funkcije Osnovni elemenat: elektronski ventil (prekidač) ima osobinu da u propusnom smeru ima mali otpor a u nepropusnom veoma veliki: kao idealni prekidač. Osnovna funkcija: energetsko elektronsko pretvaranje = promena jedne ili više karakteristika nekog elektro-energetskog sistema pomoću elektronskih ventilskih komponenata, pri čemu je bitno da nema značajnijeg gubitka snage. Karakteristike elektro-energetskog sistema su, na primer, napon, broj faza, frekvencija (uključujući frekvenciju nula). Vrste snažnih elektronskih komponenti (prekidača): -

vakuumski ventili jonski (gasom punjeni) ventili elektronski ventili (elektrode od tantala i olova Ta-Pb uronjene u sumpornu kiselinu. Elektroni mogu prelaziti samo od Ta ka Pb) mehanički električni ventili poluprovodničke komponente (ventili) transkonduktori (kombinacija upravljive prigušnice – jednosmernom strujom magnetizirana prigušnica sa oštrom krivom magnetisanja i neupravljivog ventila)

Poluprovodničke komponente se dele na: -

polikristalne (CuO bakar-oksid, Se selen) monokristalni (Ge germanijum, Si silicijum)

Današnja energetska elektronika se zasniva na silicijumskim poluprovodničkim komponentama. Svi ostali tipovi ventila su uglavnom napušteni. Energetska elektronika vrši promenu parametara električne energije korišćenjem energetskih elektronskih pretvarača, koji rade na principima: - linearnog pretvaranja - bez izobličenja, ali veliki gubici (samo za male snage: od 25 do 50 W) - prekidačkog načina pretvaranja – izobličen talasni oblik tj. viši harmonici ili minimalni gubici Za kvalitetno i visoko-efikasno pretvaranje savremeni pretvarači, pored pogonskih kola (drivera) za upravljanje snažnim komponentama (prekidačima), uključuju i regulaciona i upravljačka kola. Ova kola se danas realizuju pomoću savremenih mikroprocesorskih kola (PLC, Mikrokontroleri, DSP i dr.) i uključuju povratne sprege u zatvoremin petljama. Na slici 1.7 data je blok šema sistema Energetske elektronike, gde se vidi da ovaj sistem uključuje „energetski“ deo, koji obuhvata pretvarač parametara električne energije i pogonsko kolo i „elektronski“ deo, koji obuhvata regulaciono-upravljačke sklopove.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

20

Sistem energetske elektronike: ENERGIJA

Pretvarač energije

ENERGIJA

pogonska kola (drajveri) INF:

Regulacioni deo

Upravljanje

Slika 1.7 - Prikaz sistema Ee.

1.5. Oblasti primene energetske elektronike a)

DOMAĆINSTVO -

frižideri i zamrzivači grejanje air conditioning kuvanje osvetljenje (č20% potrošnje u USA) PC i zabavna elektronika

b) POSLOVNI PROSTOR -

grejanje, ventilacija i air conditioning osvetljenje kompjuteri i biro oprema besprekidni sistemi napajanja (UPS) liftovi

-

pretvaranje upravljanje prenos čuvanje

V.A. Katić c)

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

21

INDUSTRIJA – elektromotorni pogoni (~65% potrošnje u USA) - pumpe - kompresori - ventilatori - mašine alatljike - regulisani pogoni sa AC, DC motorima - roboti – indukcione i elektrolučne peći – industrijsko osvetljenje – zavarivanje

d) SAOBRAĆAJ e)

ENERGETSKI SISTEM -

f)

podzemna željeznica el. lokomotive vagoni tramvaji, trolejbusi električni automobili punjači akumulatora automobilska elektronika

HVDC static VAR generatori i harmon. komp. obnovljiv izvori električne energije (vetrenjače, fotonaponske sunčeve elektrane, male hidroelektrane, ...) oprema generatora (pobuda sinhronih generatora) skladištenje električne energije (akumulatori, baterije, superkondenzatori)

AVIONSKE I SVEMIRSKE LETILICE -

sistemi napajanja u avionima sistemi napajanja u svemirskim letilicama sistemi napajanja u satelitima

g) TELEKOMUNIKACIJE -

punjači baterija napajanje (DC i UPS) za telef. centrale

h) ELEKTRO – HEMIJSKI PROCESI -

prečišćavanje metala elektroliza produkcija hemijskih gasova

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

22

1.6. Istorijat razvoja energetske elektronike 1.6.1. Elektronski prekidači – cevna tehnologija Krajem XVII veka i početkom XVIII veka je uočena i objašnjena luminiscencija u živinim barometrima. To je najstarija varijanta elektronskih ventila, koji su svoju praktičnu realizaciju doživeli 1902. kada je Peter Cooper Hewitt patentirao ventile sa živinim lukom (slika 1.8). Prve živine usmerače su bile u staklenim posudama i imale su mogućnosti ispravljanja struje do 50 A.

Slika 1.8 - 1902 Peter Cooper-Hewitt (USA) – Živina usmerača (Mercury arc rectifier MAR): Prva ispravljačka komponenta – smatra se začetkom Energetske elektronike Mađar Schäfer (Šefer) je 1911. izumeo živinu usmeraču u čeličnoj posudi, ali je za održavanje vakuuma morala stalno biti priključena na vakuumsku pumpu. Strujno opterećenje je povećano na 300 A. Godine 1925 su se pojavilu bespumpne živine usmerače, a 1929. živine usmerače za ispravljanje visokih napona (50 kV). Razvijani su i jonski ventili sa užarenom katodom i rešetkom za određvanje trenutka paljenja luka – tiratron. Mana im je bila veliki pad napona 25 – 30 V. Vakuumski ventili su takođe razvijani – 1903. je patentirana vakuumska dioda, a kasnije i vakuumski ventili sa užarenom katodom – kenotroni – 100 kV, ali samo za 0.5 A (pad napona 100V!).

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

23

1.6.2. Elektronski prekidači – poluprovodnička tehnologija

Još 1835. je ustanovljeno da kristali popoštaju struju samo u jednom smeru, a 1903. je patentiran kristalni detektor. Inače pojam “poluprovodnik” se prvi put pojavljuje kod A. Volte 1783. godine. Prvi poluprovodnički ventili (polikristalni) su patentirani 1929 (CuO) i 1930 (Se), ali su bili za male napone 6 V (CuO), 75 V (Se) i struje do 5 A. Godine 1940 je pronađena germanijumska dioda i iskorišćena za proizvodnju radara.

Posle rata je počeo nagli razvoj poluprovodnika. 1948. godine je pronađen tačkasti tranzistor (Bardeen, Schockley, Brattain; slika 1.9). 1952. godine je počela proizvodnja Si dioda. Energetske poluprovodničke komponente su počele da se proizvode 1957. god. – dioda, General Electric, SCR; a iste godine i tiristori. 1952. g. je počeo razvoj tranzistora (100 W), a tokomšezdesetih godina dolazi do pojave snaženih tranzistora (prvo bipolarnih a zatim i MOSFET). GTO i IGBT su najmlađe komponente.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

24

Najnoviji trend je razvoj integrisanih komponenti – modula.

Slika 1.9 - 1947 Bardeen, Schockley, Brattain: Transistor – začetnik moderne elektronike 1957 – Tiristor / Thyristor (Silicon Controlled Rectifier) 1964 – TRIAC (Triode for Alternating Current) 1970 – Snažni bipolarni tranzistor (Bipolar Junction Transostor – BJT), 500V, 20A 1978 – Snažni MOSFET (Metal-oxide Semiconductor Field-effect Transistor), 100V, 25A. 1981 – GTO (Gate Turn-off) Tiristor – snažni gejtom-isključivi tiristor, 2500V, 1000A

Slika 1.10 – Snažni bipolarni tranzistor 50A, 1200V – dvostruki Darlington tranzistor u modularnom kućištu (jedna grana)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

25

1982 – IGBT (Insulated-gate Bipolar Transistor) - 1980-1982 – H.W. Becke i C. F. Wheatley / B.J. Baliga: - IGBT – prva snažna hibridna komponenta sa otklonjenim tiristorskim efektom predložena je 1980. god. (Becke i Wheatley), ali je praktično primenljivo rešenje prezentovano 1982. god. (Baliga). 1990 – Intelligent Power Module (IPM) 1990 - 2000 – Modularizacija snažnih komponenti, posebno snažnih transistora kroz razvoj izlovanih kućišta 1997 – IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) / ETO (Emitter Turn-off Thyrostor) 2000 – Inverzno blokirajući IGBT (RBIGBT – Reverse Blocking IGBT)

Izvor: http://www.powerguru.org/from-packaging-to-unpackaging-trends-in-power-semiconductor-modules/

Slika 1.11 – IGBT Modul, 1200A, 3300V.

1.6.3. Energetski elektronski pretvarači - istorijat

1896 – 1897 - Monofazni mostni ispravljač – prvi ga opisao Ch. Pollak 1896, a zatim i prof Graetz 1897. (Teorijsko, matematičko objašnjenje je dao J. Puluj 1891). 1899 - Trofazni nostni ispravljač – Kallir 1912 - Prvi veliki ispravljači su izgrađeni po nacrtima Šefera. 1913 - Patentiran je invertor sa prisilnom komutacijom 1922 – Predstavljen ciklonvertor – F. Meyer 1924 - DC čoper – W. Burstyu 1931 - HVDC prenos - prvi eksperimenti u Rusiji 1953 – HVDC prenos - Švedska 50 kV, 50 km. 1981 – Invertori sa tri nivoa i diodnim klempom (Multilevel inverters - diodeclamped) - A. Nabae, I. Takahashi, and H. Akagi 1992 – Invertori sa tri nivoa i kapacitivnim klempom (Flying capacitors) - T. A. Meynard and H. Foch 1997 – Kaskadni Invertori sa više nivoa (Multilevel cascaded multicell with separate DC sources) - P. Hammond

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

2001 – Modul matričnog konvertora (ECONOMAC)

26

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

27

1.7. Kratak sadržaj kursa U ovom poglavlju će biti predstavljen kratak pregled sadržaja predmeta u kojima se proučava Energetska elektronika na Fakultetu tehničkih nauka. To su Energetska elektronika 1 i Energetska elektronika 2. Pored ovih predmeta, u studijskom programu Energetka, elektronika i telekomunikacije – modulu: Energetska elektronika i električne mašine ova oblast se izučava, kao priprema u predmetu Elektroenergetski pretvarači (II god.), a nastavlja predmetima Primena mikroprocesora u elektroenergetici, Upravljačka kola u energetskoj elektronici, Upravljanje energetskim pretvaračima i Energetska elektronika u pogonu i industriji.

1.7.1. Sadržaj kursa Energetska elektronika 1 PREDAVANJA 1. Uvod 1.1. Ime i definicija 1.2. Mesto energetske elektronike 1.3. Značaj energetske elektronike i potrebna znanja 1.4. Osnovni elementi i funkcije 1.5. Oblasti primene 1.6. Istorijski razvoj energetske elektronike 1.7. Kratak sadržaj kursa 1.8. Osnovna literatura 1.9. Najznačajniji naučni skupovi iz Energetske elektronike u Srbiji 2. Savremene komponente energetske elektronike 2.1. Vrsta pretvaračkih komponenti 2.2. Osnovne osobine snažne diode. 2.3. Snažni bipolarni tranzistor i MOSFET. 2.4. Tiristor, GTO tiristor i drugi četvoroslojni poluprovodnici. 2.5. Ostale poluprovodničke komponente. 2.6. Poređenje parametara poluprovodničkih komponenti. 2.7. Zaštita i zaštitna kola. 2.8. Diskusija gubitaka. 2.9. Metodi hlađenja i osnovni proračuni. 2.10. Redno i paralelno vezivanje. 2.11. Snažne magnetske komponente. 2.12. Ostale komponente – otpornici, kondenzatori i dr. 3. Snažna integrisana kola i moduli 4. Zaštita poluprovodničkih komponenti

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

28

5. Pasivne komponente energetske elektronike 6. Rešavanje osnovnih kola energetske elektronike 6.1. Osnovna kola sa snažnim diodama, tiristorima i GTO-tiristorima. 6.2. Komutacija tiristora. 6.3. Osnovna kola sa snažnim tranzistorima i ostalim komponentama. 7. Uvod u energetke pretvarače 8. Ispravljači (AC/DC) 8.1. Osnovni pojmovi, klasifikacija i bitni primeri. 8.2. Dosadašnji razvoj i respektive. 8.3. Diodni ispravljači. 8.4. Tiristorski ispravljači sa srednjom tačkom. 8.5. Tiristorski mosni ispravljači. 8.6. Analiza rada ispravljača. 8.7. Matematička analiza i postupak projektovanja. 8.8. Viši harmonici kao posledica rada ispravljača. 8.9. Faktor snage i faktor korisnog dejstva ispravljača. 8.10. Ispravljači sa prisilnom komutacijom i indirektni ispravljači. 9. Naizmenični pretvarači (AC/AC) 9.1. Osnovni pojmovi. 9.2. Naizmenični pretvarači napona sa konstantnom frekvencijom. 9.3. Ciklopretvarači. 9.4. Naizmenični pretvarači multiplikatori frekvencije. 10. Primeri primene uređaja energetske elektronike 10.1. Regulacija brzine jednosmernog i naizmeničnog motora. 10.2. Primena u proizvodnji i prenosu električne energije. 10.3. Sistemi besprekidnog napajanja. Kompenzacija reaktivne energije. 10.4. Drugi primeri. 11. Literatura VEŽBANJA 1. AUDITORNE VEŽBE Rešavaju se zadaci iz odgovarajućih oblasti energetske elektronike. Zadaci su ili edukativnog tipa ili primari problema iz prakse ili procedura projektovanja pretvarača (ili delova pretvarača). 1. 2. 3. 4. 5.

2. LABORATORIJSKE VEŽBE Osnovna kola energetske elektronike. Monofazni ispravljači. Trofazni ispravljači. Naizmenični regulatori napona. Energetska elektronika u obnovljivim izvorima energije i električnim vozilima

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

29

1.7.2. Sadržaj kursa Energetska elektronika 2 PREDAVANJA 1. Uvod 2. Invertori (DC/AC) 2.1. Osnovni pojmovi, dosadašnji razvoj i perspektive. 2.2. Mrežni invertori ili invertori sa prirodnom komutacijom. 2.3. Autonomni invertori - klasifikacija. 2.4. Matematička analiza rada monofaznog invertora – naponskog. 2.5. PWM invertori. 2.6. Regulacija izlaznog napona, frekvencije i podešavanje talasnog oblika. 2.7. Harmonijska analiza izlaznog napona. 2.8. Strujni i rezonantni invertori. 2.9. Trofazni invertori. 2.10. Izlazni filtri za dobijanje fundamentalne frekvencije. 2.11. Invertori sa više nivoa 2.12. Kaskadni invertori 3. Jednosmerni pretvarači (DC/DC) 3.1. Osnovni pojmovi. 3.2. Matematička analiza rada direktnog jednosmernog pretvarača – čopera. 3.3. Direktni jednosmerni pretvarači – čoperi; tranzistorski čoper. 3.4. Tranzistorski čoper sa bipolarnim i MOSFET tranzistorima. 3.5. Indirektni jednosmerni pretvarači. 4. Napajači – opšti pojmovi 5. Linearni napajači 6. Prekidački napajači 6.1. Pojam i podela 6.2. Prekidački napajači bez galvanske izolacija 6.3. Prekidački napajači sa galvankom izolacijom 7. Uticaj energetskih prevarača na okolinu 7.1. Uticaj na kvalitet električne energije - elektroenergetski sistem 7.2. Uticaj na rad ostalih potrošača. 7.3. Problemi elektromagnetne kompatibilnosti. 8. Primeri primene uređaja energetske elektronike 8.1. Regulacija brzine jednosmernog i naizmeničnog motora. 8.2. Primena u proizvodnji i prenosu električne energije. 8.3. Sistemi besprekidnog napajanja. Kompenzacija reaktivne energije. 8.4. Drugi primeri. 9. Literatura VEŽBANJA

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

30

1. AUDITORNE VEŽBE Rešavaju se zadaci iz odgovarajućih oblasti energetske elektronike. Zadaci su ili edukativnoh tipa ili primari problema iz prakse ili procedura projektovanja pretvarača (ili delova pretvarača). 2.

LABORATORIJSKE VEŽBE 1. Čoperi. 2. Monofazni invertori. 3. Trofazni invertori. 4. Jednosmerni neizolovani prekidački napajači 5. Jednosmerni izolovani prekidački napajači

1.8. Literatura 1.8.1. Knjige i udžbenici -

na srpskom jeziku: 1. 2.

3.

4. 5. 6. -

V. Katić, „Energetska elektronika 1 – komponente i AC/x pretvarači“, Skripta, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, 2015. N. Čelanović, I. Čelanović, Z. Ivanović, M. Vekić, S. Grabić, D. Majstorović, V. Katić, „Modelovanje pretvarača energetske elektronike u realnom vremenu“, Edicija Tehničke nauke – udžbenici, Broj 292, Univerzitet u Novom Sadu - Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, 2011. V. Katić, „Kvalitet električne energije – viši harmonici“, Edicija Tehničke nauke – Monografije, Broj 6, Univerzitet u Novom Sadu - Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, 2002. B. Dokić „Energetska elektronika – pretvarači i regulatori“, ETF – Banja Luka i Banjaluka Company, Banja Luka, 2000. T. Brodić, „Energetska elektronika“, Svetlost, Sarajevo, 1986. (na Srpskohrvatskom jeziku). Z. Benčić, Plenković: „Energetska elektronika – Poluvodički ventili“, Školska knjiga, Zagreb, 1978. (na Srpsko-hrvatskom jeziku). na engleskom jeziku:

1.

2. 3.

B. Dokić, B. Blanuša, „Power Electronics – Converters and Regulators“, 3rd Edition, Academic Mind, Belgrade, Faculty of Electrical Eng. of University of Banja Luka, and Springer-Verlag, Berlin-Helderberg, 2015. M. Rashid, „Power Electronics – Circuits, Devices and Applications“, 4th Edition, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 2013. B. Bose, “Power Electronics and Motor Drives: Advances and Trends”, Academic Press - Elsevier, Amsterdam, 2006.

V.A. Katić 4. 5. 6. 7. 8. 9. -

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

31

N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins, „Power Electronics – Converters, Applications and Design“, 3rd Edition, John Wiley & Sons, New York, 2002. B. Bose (Editor), “Power Electronics and Variable Frequency Drives: Technology and Applications”, IEEE Press, New York, 1997. K. Heumann, „Basic Principles of Power Electronics“, Springer – Verlag, Berlin, 1986 (Reprint, 2012). A. Kloss, „A Basic Guide to Power Electronics“, John Wiley & Sons, Chichester, 1984. S. Dewan, A. Straughen, „Power Semiconductor Circuits“, John Wiley & Sons, New York, 1975. F. Csákí, K. Gauszky, I. Ipsits, S. Marti, „Power Electronics“, Akademina Kiado, Budapest, 1975. na francuskom jeziku:

1.

H. Bühler, „Electronique de Puissance“, Dunod, Paris, 1981.

1.8.2. Zbirke zadataka 1. 2.

3.

V. Katić, „Rešeni zadaci iz Energetske elektronike 1“, Skripta, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, 2015. B. Dokić, P.Petrović, B. Blanuša, „Energetska elektronika – zbirka rešenih zadataka“, Elektrotehnički fakultet Banja Luka i Akademska misao Beograd, Banja Luka, 2006. V. Katić, „Energetska elektronika – zbirka rešenih zadataka“, Edicija: Univerzitetski udzbenik, Broj 66, Univerzitet u Novom Sadu, Novi Sad, 1998.

1.8.3. Laboratorijski priručnici 1. V. Katić, S. Grabić, I. Todorović, Z. Čorba, „Praktikum iz Energetske elektronike“, Skripta, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, 2015. 2. V. Katić, D. Marčetić, D. Graovac: "Energetska elektronika – Praktikum laboratorijskih vežbi", Univerzitet u Novom Sadu-Fakultet tehničkih nauka, Edicija Univerzitetski udžbenik, Broj 124, Novi Sad, 2000, tiraž 300 primeraka, strana 85, Pomoćni udžbenik, ISBN 86-499-0081-X. 1.8.4. Ostali nastavni materijal i ON-LINE kursevi “Interactive Power Electronics Seminar (iPES)“, ETH, Zurich, On-line Available: www.ipes.ethz.ch (poslednji put pristupljeno: 29. 11. 2015.)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

32

1.9. Najznačajniji naučni skupovi iz Energetske elektronike u Srbiji 1.9.1. Međunarodni simpozijum Energetska elektronika – Ee u Novom Sadu Konferencija Energetska elektronika održava se više od 40 godina, a prvi skup je održan u Beogradu davne 1973. godine. Ova duga tradicija pokazuje da su istraživači iz oblasti energetske elektronika u Srbiji aktivni i da imaju značajne, svetski priznate rezultate. Danas se ovaj skup odvija na dva nivoa – kao međunarodni simpozijum (na engleskom jeziku) i kao nacionalno savetovanje (na srpskom jeziku). Na taj način omogućeno je da istraživači i stručnjaci u Srbiji i regionu, ali i svi učesnici skupa, dobiju pregled rezultata najnovijih istraživanja u svetu i Srbiji i izlože svoja dostignuća i doprinose svetskoj nauci. Prvo nacionalno savetovanje iz Energetske elektronike (popularno Ee) održano je u Beogradu davne 1973. godine sa 47 prikazanih radova iz svih krajeva eksJugoslavije. Naredna savetovanja održana su u Beogradu 1975. godine sa 50 radova, u Zagrebu 1978. godine sa 94 rada, u Sarajevu 1981. godine sa 95 radova, u Ljubljani 1984. godine sa 104 rada, u Subotici 1986. godine sa 126 radova i u Beogradu 1988. godine sa 109 radova. Posle duge pauze, zbog nemilih događaja na prostoru bivše SFRJ, Energetska elektronika oživljava i nastavlja svoj rad u Novom Sadu 1995. godine sa 79 radova, ali sada u formatu naučnog simpozijuma i u novom okruženju - Međunarodnom sajmu elektronike i informatike. Sledeći simpozijumi su održani u Novom Sadu – 1997. godine, sa 98 radova i 1999. godine sa 82 rada. Značajno učešće stranih autora rezultiralo je podizanjem nivoa simpozijuma na međunarodni nivo i rad na engleskom jeziku. 2001. godine predstavljeno je 107 radova, 2003. godine 101 rad, u 2005. godini 94 radova, 101 rad u 2007. godini, odnosno 105 radova u 2009. godini. Od 2011. godine simpozijum se održava u sklopu „Dana energetike“ u Master centru Novosadskog sajma, kada je prezentovano 102 rada u 2011. godini. U 2013. godini održan je 17. simpozijum i savetovanje i tom prilikom obeležen je i veliki jubilej – 40 godina konfrencije Energetska elektronika. Predstavljeno je 69 radova iz 22 zemlje (slika 1.12).

Slika 1.12 – 40 godina konferencije Energetska elektronika.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

33

Tom prilikom napravljen je pregled svih do tada publikovanih radova u vidu seta od dva DVD-a (slika 1.13), koji predstavljaju dragocen prikaz razvoja Energetske elektronike u Jugoslaviji i Srbiji, kao i dostignuća istraživača i njohov doprinos svetskom razvoju ove oblasti.

Slika 1.13 – 40 godina konferencije Ee (Novi Sad,30. 10 – 01.11.. 2013.). 18-ti simpozijum, održan 2015. godine, predstavio je radove 269 autora i koautora i okupio učesnike, koji dolaze iz 20 zemalja: Belgije, Bosne i Hercegovine, Bugarske, Francuske, Hong Konga, Hrvatske, Iraka, Irana, Izraela, Japana, Kanade, Makedonije, Nemačke, Norveške, Poljske, Rumunije, SAD, Srbije, Ukrajine i Velike Britanije. Na slici 1.14 predstavljen je pregled broja izloženih radova na konferencijama Energetska elektronika od 1973 do 2015. god., odnosno od 1-og do 18-tog.

Slika 1.14 – Pregled predstavljenih radova na svim skupovima Energetske elektronike.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

34

18-ti simpozijum je održan na novoj lokaciji – u Centralnoj zgradi Univerziteta u Novom Sadu (slika 1.15). Na taj način će biti bliži akademskoj sredini, a posebno studentima, koji poslednjih godina pokazuju veliko interesovanje za energetiku i posebno, energetsku elektroniku.

Slika 1.15 – Poziv i plakat konferencije Ee 2015 (Novi Sad, 28-30. 10. 2015.).

1.9.2. EPE-PEMC 2012 ECCE Europe: velika međunarodna konferencija iz oblasti Energetske elektronike u Srbiji U Novom Sadu je od 4. do 6. septembra 2012 godine održana velika međunarodna konferencja iz oblasti Energetske elektronike: EPE-PEMC 2012 ECCE Europe. Ova konferencija je u Master centru Novosadskog sajma okupila preko 500 učesnika iz 55 zemalja sveta, sa svih kontinenata. Na slici 1.16 prikazan je plakat konferencije i izgled sale tokom otvaranja. Predsednik konferencije (General Conference Chair) bio je prof. dr Vladimir Katić sa Univerziteta u Novom Sadu, Fakulteta tehbničkih nauka (Srbija, a ko-predsednik bio je prof. dr Dusan Boroyevich sa Univerziteta u Virginiji (USA). Ovu veliku manifestaciju organizovao je Fakultet tehničkih nauka iz Novog Sada, a nosioci konferencije bili su Evropsko udruženje za energetsku elektroniku i pogone (EPE – European Power Electronice Society) iz Brisela (EU) i Udruženje za energetsku elektroniku i upravljanje kretanjem (PEMC – Power Electronics and Motion Control) iz Budimpešte. Glavni pokrovitelj je bilo udruženje IEEE – Društvo za energetsku elektroniku (IEEE – Institute of Electrical and Electrinics Engineers, PELS – Power Electronics Society) iz USA uz sudelovanje niza svetskih društava, kao iz uz podršku Ministarstva prosvete, nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije, Pokrajinskog sekretarijata za nauku i tehnološki razvoj AP Vojvodine, Srpske akademije nauka i umetnosti i Inženjerske komore Srbije.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

Slika 1.16 – Plakat konferencije i detalj sa otvaranja.

35

V.A. Katić

2.

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

SAVREMENE ELEKTRONIKE

KOMPONENTE

36

ENERGETSKE

Komponente energetske elektronike možemo podeliti na: - aktivne poluprovodičke komponente – snažni poluprovodnički prekidači i - pasivne komponente – otpornici, prigušnice i kondenzatori Postavlja se pitanje šta je snažni poluprovodnik? Pod snažnim poluprovodničkim komponentama podrazumevmo one poluprovodnike kod kojih je radni napon veći od 50 V i struja u provodnom stanju veća od 5 A. U energetskoj elektronici ih koristimo u prekidačkom režimu rada, pa ih nazivamo i snažnim poluprovodničkim prekidačima. Svoj rad zasnivaju na elektronskom principu, odnosno na kretanju naelektrisanja (elektrona i šupljina) u povezanim slojevima p i n tipa poluprovodnika. Snažni poluprovodnici imaju specijalnu unutrašnju strukturu, koja se razlikuje od signalnih poluprovodnika (komponenti malih i mikro snaga) i koja im omogućuje velika naponska i strujna naprezanja. Osnovni materijal, na bazi kog su konstruisani, je kristal silicijuma (Si).

2.1. Podela snažnih poluprovodnika Dele se u tri familije: 1. diode (dvoslojna struktura – pn), 2. tranzistori (troslojna struktura - pnp ili npn) i 3. tiristori (četvoroslojna struktura – pnpn ili npnp).

Dalja podela je moguća po sledećim kriterijumima: 1.

podela po vremenu pojavljivanja: -

3

konvencionalni (komercijalni) – koji su se pojavili pre 1980. g. dioda, tiristor, trijak, GTO3, BPT4, MOSFET5, IGBT6 tranzistor,

GTO – Gate Turn Off

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1 -

2.

neupravljivi - dioda, trijak poluupravljivi - tiristor, trijak punoupravljive - sve vrste tranzistora i GTO tiristori, kao i sve moderne komponente

podela po vrsti signala za aktiviranje: -

4.

moderni – posle 1980.g. - SIT7, SITh8, MCT9.

podela po načinu rada: -

3.

37

strujni - tiristor, bipolarni tranzistori, GTO, trijak naponski - mosfet, IGBT

podela po frekvenciji rada -

spori, za frekvencije rada manje od 2 kHz - tiristor, trijak, GTO brzi, za frekvencije rada manje od 10 kHz - bipolarni tranzistor ultrabrze, ultrasonične, za frekvencije rada veće od 20 kHz MOSFET, IGBT, moderne komponente

2.2. Idealni prekidač:

iP iP

P uP

+

uP

Slika 2.1 – Idealni prekidač: Simbol (levo) i Staička, U-I karakteristika (desno)

4

BPT – BiPolar Transistor

5

MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

6

IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor

7

SIT – Static Induction Transistor

8

SITh – Static Induction Thyristor

9

MCT – MOS Controlled Thyristor

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

38

Na slici 2.1 predstavljen je simbol i I-U karakteristike idealnog prekidača. Vidi se da on redstavlja komponentu u električnom kolu, koja menja stanje u kolu (uključeno ili isključeno), a da pri tome nema nikakvih gubitaka. Ovakve karakteristike idealnog prekidača pdrazumevaju da on ima sledeće osobine (tehničke i ne-tehničke):

Pgub

   ROFF       0    RON  0   

 Pdis    

 u off >>.

1.

Otvoren izdržava visoki napon

2.

Otvoren ima struju curenja (leakage current) jednaku 0,  ioff  0 .

3.

Zatvoren ima napon vođenja (conduction drop) jednak 0, u on  0 .

4.

Zatvoren  ion >>.

5.

Izdržava visoku temperaturu

6.

Ima visoku frekvenciju rada f>> odnosno vreme uključenja i isključenja 0, t on  t off  0 .

7. Snaga

Pon

izdržava

visoku

struju

vođenja

TJ >>.

potrebna za uključenje ili isključenja 0:  Poff  0 .

8. Ima visoko MTBF (= Mean Time Between Failure = srednje vreme kvara). 9. Ima nisku cenu.

Ovakav prekidač se ne može materijalizovati, ali mu se savremeni prekidači veoma približavaju. Idealni prekidač se često koristi u simulacijama i u edukativne svrhe. Najčešće se posmatra njegov rad u 2 kvadranta!

2.3. Snažna dioda Osnovna karakteristika snažne diode je da provodi (ima malu otpornost), ako je anoda na većem potencijalu od katode tj. direktno polarisana. Dioda ne provodi (ima veoma veliku otpornost) ako je inverzno polarisana. Snažna dioda ima PN strukturu, odnosno sastoji se od jako dopiranih P i N područja između kojih se nalazi slabo dopirano N ili P područje (slika 2.2). Ovakva struktura obezbeđuje visoki probojni napon, veliku

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

39

dopuštenu gustinu struje u provodnom smeru, malu inverznu struju i mali pad napona tokom vođenja. Osnovne veličine kojima se karakteriše snažna dioda su:

U RRM I FAV , I D

- maksimalni inverzni (UAK < 0) ponovljivi napon,

I SM , I FM , I DM IR U F ,U D U F 0 ,U D 0 t rr  op , T

- maksimalna udarna struja vođenja,

- srednja vrednost struje vođenja,

- inverzna struja, - pad napona u provodnom stanju, - napon praga provođenja, - inverzno vreme oporavka, - radna temperatura.

Statička U-I karakteristika se prostire u I i III kvadrantu (slika 2.3). Pri pozitivnoj polarizaciji, dioda počinje da provodi kad napon pređe prag provođenja

U D 0 . Otpor

tada naglo pada i struja nelinearno, naglo raste, dok pad napona ostaje mali. Ako struja pređe maksimalno dozvoljeno ( I DMAX ) dolazi do termičkog uništenja. Kod inverzne polarizacije kroz diodu, teče mala inverzna struja ( I R ), koja je reda mA. Kad inverzni

U RRM , dolazi do lavinskog efekta, naglo poraste inverzna struja i dioda probija. U D 0 je veće za veći U RRM jer je šira oblast n  koja unosi dodatnu otpornost. napon preraste dozvoljeni ponovljivi maksimum

(n)

Nd=1019cm-3

(n(p))

Nd=1014cm-3

(p)

Na=1019cm-3

Slika 2.2 – Poprečni presek diode

Slika 2.3 - Statička U-I karakteristika diode.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

40

Snažna dioda se najčešće proizvodi u tri oblika kućišta: 1. vretenasto, 2. tanjirasto i 3. modularno. Prvi oblik kućišta je karakterističan za snažne diode manjih snaga. Kućište nije izolovano, završava se vijkom i ono obično predstavlja anodu Katoda je odvojena od kućišta izolacionim prstenom i izvedena je u obliku krutog ili savitljivog provodnika sa omčastom stopicom. Tanjirasto kućište omogućava dobro hlađenje pa je pogodno za velike snage. Jedna strana je katoda, a druga anoda. Potrebni su specijalni držači za montiranje, koji su obično u sklopu hladnjaka. Snažne diode u modulima su najnovije rešenje. Modul se sastoji od dve ili više dioda, koje su povezane na određen način. Karakteristična osobina modula je izolovana metalna površina za pričvršćenje na hladnjak. Primeri komercijalnih realizacija raznih tipova dioda dati su na slici 2.4.

a)

b)

c) Slika 2.1.4 - Primeri komercijalnih realizacija raznih tipova kućišta dioda: a) vretensto kućište, b) tanjirasto kućište, c) modularno kućište (diodni moduli).

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

41

Dinamičke karakteristike (slika 2.5): -

uključenje : brzo ako je

-

u radu :

U D  U D0

U DF  U D 0  rI D Pg 

1 2 u  idt  U D 0  I Dsr  rI Def T

isključenje : 1. problem, 2. potrebno je izvesno vreme - t rr ., intezivna inverzna struja naročito ako je potrošač induktivnog tipa

-

(2.1) 3. javlja se

Slika 2.5 - Proces isključivanja diode za a) omski potrošač i b) induktivni potrošač. Snažne diode se najčešće proizvode kao: 1. 2. 3.

mrežne ili ispravljačke, šotki (schottkey), brze diode (fast-recovery).

Mrežne diode su predviđene za ispravljanje mrežnog naizmeničnog napona. Imaju nizak napon provođenja (0,7 - 1,2 V) i širok dijapazon vrednosti U RRM (od par stotina V do nekoliko kV) i vreme

I D (od desetak A do nekoliko kA). Zbog niske radne frekvencije f mr ,

t rr nije kritično i obično je reda nekoliko s.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

Šotki diode se karakterišu veoma niskim naponom provođenja

42

U DF (obično 0,3V) i

t rr (reda ns). Koriste u kolima sa niskim izlaznim naponom. Međutim, napon U RRM i I D su limitirani na niske vrednosti - oko 100V i kratkim vremenom oporavka 300A. Brze diode se koriste u visoko frekventnim kolima, gde su izraženi komutacioni gubici. Karakterišu se veoma kratkim vremenom oporavka t rr < 100 ns i visokim naponskim i strujnim limitima

U RRM < 3 kV i I D < 1 kA.

2.4. Tiristor Pod tiristorima (SCR - silicon controlled rectifier) se podrazumeva familija brzih poluprovodničkih prekidačkih elemenata čija je funkcija da regulišu snagu, struju i napon u električnim kolima jednosmerne ili naizmenične struje. Na slici 2.6 prikazan je simbol tiristora u električnim šemama sa oznakama krajeva i referentnim smerovima struja i napona. Poseduju tri kraja (priključka, terminala, elektrode): Anodu (A, pozitivan kraj), Katodu (K, negativan kraj) i Gejt (G, kapija ili bravica, komandni priključak)

Slika 2.6 – Električni simbol tiristora Dele se u tri glavne grupe: 1. tiristori (u užem smislu), 2. trijaci i 3. dijaci. Zajednička im je osobina da su to bistabilni elementi sa četvoroslojnom - pnpn ili npnp strukturom. Na slici 2.7 data je unutrašnja poluprovodnička struktuta, kao i tranzistorski ekvivalent tiristora.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

Tiristor se dovodi u provodno stanje pozitivnom polarizacijom ( U AK

43

 0 ) i strujnim

impulsom na gejtu ( I G ). Uključenje tiristora se može izvesti i povišenjem direktnog napona

iznad

maksimalno

( U DRM ),

dozvoljenog

povišenom

temperaturom,

prekoračenjem kritične brzine porasta blokiranog napona ( du

dt ) ili osvetljavanjem (zračenjem). Tiristor se isključuje ako mu struja padne ispod struje držanja ( I H ).

a) A p n p

n p

G

n K

b) Slika 2.7 – a) Unutrašnja poluprovodnička struktura tiristora; b) Tranzistorski ekvivalemnt tiristora Na slici 2.8 je predstavljena a) struktura tiristora, b) i c) njegov tranzistorski ekvivalent i d) njegova oznaka u električnim šemama.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

a)

b)

c)

44

d)

Slika 2.8 - Tiristori: a) Poprečni presek , b) i c) Tranzistorski ekvivalent i, d) oznaka. Sa slike 2.8.c) se dobija za struju tiristora:

I A  I B1  I C1  ( 2 I K  I R 2 )  (1 I A  I R1 )

(2.2)

I K  I A  IG

(2.3)

pa je:

IA 

I R  2 I G 1  (1   2 )

(2.4)

I R  I R1  I R 2 - ukupna inverzna struja,  1 i  2 - strujna pojačanja tranzistora, I G - struja gejta. Da bi se tiristor mogao dovesti u provodno stanje tj. da gde je

mala promena struje gejta izazove veliku promenu anodne struje, potrebno je da  1   2 bude blisko jedinici, dok da bi se ugasio, taj zbir mora biti blizak nuli. Tiristor se najčešće smešta u tri tipa kućišta, kao i snažna dioda: 1. vretenasto (slika 2.9.a), 2. tanjirasto (slika 2.9.b) i 3. modularno (slika 2.9.c). Poprečni presek i unutrašnja konstrukcija za vretenasto kućište prikazani su na slici 2.9.a. Na slici 2.10 dat je njihov izgled, kao komercijalnog proizvoda. Osnovne osobine tiristora su visoki inverzni i direktni probojni napon, veliko pojačanje u procesu uključivanja, velika vrednost struje vođenja, robusnost, mogućnost impulsnog strujnog preopterećenja, mala inverzna struja i pad napona u stanju vođenja.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

45

a)

Slika 2.9 - Kućišta tiristora: a) vretenasto - unutrašnja konstrukcija, b) tanjirasto, c) modul.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

46

d)

e)

f) Slika 2.10 – Komercijalni tiristori: a) primeri sa vretenastim kućištem, e) primeri sa tanjirastim kućištem i načini montaže, f) primeri modularnog kućišta.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

47

Na slici 2.11 date su statičke karakteristike tiristora - a) anodna (izlazna) i b) gejta (ulazna). Iz njih se vidi način rada tiristora. Kod direktne polarizacije, radna tačka se nalazi na jednoj od grana direktne zaprečne oblasti. Ako napon preraste U doći će do proboja i radna tačka će skočiti na provodnu granu. Normalno, tiristor se okida impulsom na gejtu i tad dolazi do skoka radne tačke na provodnu granu. Njen položaj zavisi od parametara kola. Tiristor se isključuje kad radna tačka padne ispod I i zbog negativne polarizacije ode u treći kvadrant u inverznu zaprečnu oblast. Karakteristika gejta je data kao površina sigurnog okidanja. Ona je omeđena krivom najgoreg i najboljeg pn spoja serije, krivom disipacije (u zavisnosti od tipa impulsa gejta) i minimalnim i maksimalnim vrednostima struje i napona. Ona zavisi od temperature. Da bi se tiristor uključio, potrebno je da radna tačka kola gejta bude u oblasti sigurnog okidanja.

Slika 2.11 - Statičke karakteristike tiristora: a) anodna, b) gejta. Osnovne kataloške veličine su:

U RRM - maksimalni inverzni ( U AK  0 ) ponovljivi napon, U DRM - maksimalni direktni ( U AK  0 ) ponovljivi napon, I TAV - srednja vrednost struje,

I TSM IR du dt di dt tq

- maksimalna udarna struja, - inverzna struja, - brzina promene napona, - brzina promene struje, - vreme odmora (oporavka).

Primer rada tiristora, kao upravljivog ispravljača dat je na slici 2.12. Predstavljeno je jednostavno kolo, gde se ulazni naizmenični napon (u) pretvara u jednosmerni na

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

48

potrošaču R (uR), uključivanjem tiristora pomoću kratkih strujnih impulsa na gejtu (iG). Naponsko napreezanje tiristora je dato padom napona između krajnjih priključaka (uA).

iA T iG u

R

uR

uA

Slika 2.12 – Prikaz rada prostog tiristorskog isravljača.

Dinamičke karakteristike tiristora mogu se prikazati preko izgleda struje i napona tokom uključivanja i isključivanja tiristora. Ovi dijagrami su dati slici 2.13 a) i b).

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

a)

49

b)

Slika 2.13 - Struja i napon tokom : a) uključivanja i b) isključivanja tiristora. Vreme uključivanja se sastoji od:

t d : vreme za koje struja gejta ulazi u tiristor, menja koncentraciju nosioca i suma  1   2 raste do blizu 1, tj. vreme koje protekne od

1. vremena kašnjenja (pomaka) -

uključenja do 10% porasta anodne struje. 2. vremena porasta - t r : vreme za koje se stvara velika koncentracija nosioca oko gejta i širi oko katode i istovremeno raste protok nosioca u anodnom regionu, odnosno vreme potrebno da anodna struja poraste od 10% do 90% svoje vrednosti. 3. vremena rasprostiranja - t ps : karakteristično samo za velike tiristore - vreme koje je potrebno da se nosioci rasprostru po celoj zapremini poluprovodnika. Vreme isključenja se sastoji od: 1. vremena pada -

t f : vreme za koje struja pada na vrednost ispod I H , odnosno ispod

nula i koje diktira spoljno kolo. Koncentracija viška nosioca opada. Ovo vreme se često ne računa u vreme isključenja. 2. vremena inverznog oporavka - t rr : vreme za koje spoljašnji pn spojevi prestaju da provode i postaju inverzno polarisani. Karakteriše ga negativna struja, čiji maksimum definiše prestanak pozitivne polarizacije tiristora tj. vođenja.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

3. vreme rekombinacije -

50

t s : vreme koje je potrebno za rekombinaciju nosioca na

unutrašnjem pn spoju (tiristor mora biti inverzno polarisan). Tek nakon njega se tiristor smatra potpuno isključenim i može da izdrži novu pozitivnu polarizaciju. Za isključenje tiristora definiše se vreme odmora

t q  t rr  t s kao kataloška veličina.

Da bi se tiristor sigurno isključio, potrebno je da vreme isključenja

t off  t q , s tim da se

t off definiše vreme od prolaska struje kroz nulu do ponovne pojave pozitivnog napona, odnosno sledećeg uključenja tiristora.

2.5. Trijak Trijak, čiji je ekvivalent antiparalelna veza dva tiristora, je četvoroslojna komponenta, koja može da provodi struju oba smera i izdrži napon oba polariteta (slika 2.14). Po toj svojoj osobini ona spada u bilateralne komponente, ali sa ograničenim mogućnostima upravljanja (uključuje se po želji, a isključenje zavisi od električnog kola).

Slika 2.14 - Trijak: Unutrašnja struktura (levo), tiristorski ekvivlent (u sredini) i oznaka u električnim šemama (desno)

Trijak (TRIAC) ima provodnu oblast u oba kvadranta U-I karakteristike (slika 2.15.a). Dovođenjem impulsa na gejt trijak će provesti bez obzira na polaritet ostalih priključaka, ako je napon izmedju njegovih krajeva veći od praga provođenja (U T0 = 2,0 - 2,5V). Na slici 2.16 dat je primer prostog kola sa trijakom i talasni oblici napona i struje na potrošaču R tipa.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

51

Međutim, usled složenosti integracije, karakteristike su lošije pa se rade uglavnom za manje snage u odnosu na tiristore (300-800A i 200-2000V). Za veće snage, koristi se konfiguracija sa antiparalelnim tiristorima – (back-to-back), koja je data na slici 2.17.

a) b) Slika 2.15 - U-I karakteristika i oznaka a) trijaka i b) dijaka.

Slika 2.16 – Prosto kolo regulatora napona sa otpornim potrošačem.

Slika 2.17 – Trijak za male snage (levo) i konfiguracija za veće snage (desno)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

52

Primeri komercijalnog izgleda trijaka su dati na slici 2.18. Javljaju se u obliku vretenastog kućišta, modularnog kućišta ili modula, i tanjirastog kućišta (za veće snage).

a)

b)

c) Slika 2.18 – Primeri izgleda trijaka: a) vretenasto kućište, b) modularno kućište i c) tanjirasto kućište.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

53

2.6. Dijak Dijak ima samo dva priključka i dovodi se u provodno stanje premašenjem direktnog probojnog napona. Na slici 2.15.b data je njegova statička karakteristika i simbol, koji se koristi u električnim kolima. Dijak se pravi samo za male snage i uglavnom se koristi u pomoćnim ili upravljakim kolima. Na slici 2.19 dat je unutrašnja struktura (slika 2.19.a) i komercijalni izgled trijaka (slika 2.19.b). Na slici 2.20 prikazan je primer njegove upotrebe - označen je sa D1 i koristi se u pogonskom kolu (kolu gejta) trijaka (Q1) za regulisanje nivoa osvetljaja sijalice (L1).

a)

b)

Slika 2.19 – Dijak: a) Unutrašnja struktura i b) spoljni izgled diaka KR100 (1A, 36V).

Slika 2.20 - Primer upotrebe diaka u kolima za regulaciju osvetljaja (tkzv. dimer).

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

54

2.7. GTO tiristor (Gate Turn-off) GTO tiristor ima četvoroslojnu strukturu, kao i tiristor, ali je n-poluprovod. katode znatno manji – radi omogućavanja isključenja negativnom strujom (tiristor se ne može ugasiti, jer ima veliku aktivnu površinu katode, pa bi dovođenje negativne struje izazvalo gašenje na jednom delu, a na drugom bi se koncentrisala struja, ‘hot spot’ i uništenje). Na slici 2.21 dat je poprečni presek ovog tiristora, kao i oznake u šemama. Katoda se pravi kao istaknuta ostrva u polju gejta (kod tiristora je obrnuto). Da bi se ubrzalo gašenje, vrši se skraćivanje i p-poluprov. anode ubacivanjem n+ polja. Zbog skraćene anode, GTO ima smanjenu vrednost inverznog blokirajućeg napona.

Slika 2.21 – GTO tiristor: Unutrašnja struktura i oznaka u šemama

Pojačanje kod isključivanja je veoma malo (5 ili manje), pa su potrebni veliki impulsi struje (na primer GTO 4000 V i 3000 A treba struju od –750 A za isključenje, koja traje nekoliko μs!). Za njihovo proizvođenje je idealan MOS FET tranzistor (mali napon, velika struja), ali se brzina porasta struje gejta

di G mora ograničiti (obično sa LG ), a dt

veličina podesiti podacima proizvođača (ako je manja, neće se GTO ugasiti, a ako je veća pregoreće). Uključivanje ide sa velikim maksim. struje ~10A da bi se sva katodna ostrva uključila. Struja gejta treba da stalno teče da bi se GTO sigurno komutovao – naročito kod isključenja zbog ‘repa’ struje anode. Na slici 2.22 data je statička karakteristika GTO tiristora sa prikazanim procesom uključivanja/isključivanja. Vidi se da je kod uključivanja potreban određeni pozitivan napon polarizacije (prag provođenja) i odgovarajuća struja gejta. Isključivanje se vrši pri provodnom stanju GTO tiristora, s tim da struja vođenja može biti velika.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

55

GTO je osetljiv na naponske prenapone pri isključenju induktivnih potrošača – mora da ima snaber kolo za smanjenje du/dt (slika 2.23). Naponsko snaber kolo smanjuje du/dt kod isključenja. Ovaj naponski pik javlja se kao posledica induktivnosti kad struja anode počne naglo da pada. Ovaj pik može da izazove sekundarni proboj. Na slici 2.24 prikazani su talasni dijagrami struje i napona na GTO tiristoru kod isključenja i uključenja. Strujni ‘rep’ se javlja zbog duže rekombinacije manjinskih nosilaca i pri tome se javljaju veliki gubici.

Slika 2.22 – Statička karakteristika GTO tristora sa procesom uključivanja/isključivanja.

C

A GEJT DRIVE KOLO

G

K R

D

Slika 2.23 – GTO tiristor sa naponskim snaberom.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

56

Slika 2.24 -Talasni dijagrami struje i napona na GTO tiristoru kod isključenja (gore) i uključenja (dole). Maksimalna naprezanja GTO tiristora su: Frekvencija rada 1 ÷ 2 kHz Napon do 4500 V Struja do 3000 A t off do 25 μs

2.8. Bipolarni tranzistor (BJT ili BPT) Snažni bipolarni tranzistor je troslojna punoupravljiva komponenta kod koje se baznom strujom kontroliše velika struja kolektora. To je linearna komponenta, koja radi u prekidačkom režimu. Na slici 2.25 prikazan je električni simbol i poprečni presek.

Slika 2.25 – Električni simbol i unutrašnji presek snažnog bipolarnog tranzistora.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

57

Struktura je sa različitom koncentracijom kolektorskog spoja (n+, n-), da bi obezbedio visoki probojni napon (n-). Takođe, bazni sloj mora biti debeo, zbog probojnog napona. Međutim, tada je pojačanje malo, pa treba velika bazna struja (hFE = 5 – 10). Da bi se to otklonilo koristi se Darlington spoj – dvostruki ili trostruki (slika 2.26).

C B1 T1

D

T2

B2

E

Slika 2.26 – Darlington sprega bipolarnog tranzistora. Direktno strujno pojačanje (forward current gain) je:



IC IE

(2.5)

Kako je strujno pojačanje u konfiguraciji sa zajedničkim emitorom:

 

IC  hFE IB

(2.6)

 1

(2.7)

dobija se

  Sada je strujno pojačanje:



IC  M  D  M  D IB

(2.8)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

58

Na slici 2.27 je prikazana: a) - osnovna struktura snažnog bipolarnog tranzistora, b) – poprečni presek tranzistorskog modula, c) - njegova električna šema i d) - spoljni izgled samog modula.

Slika 2.27 - Snažni bipolarni tranzistor u modularnom kućištu.

Osnovne kataloške veličine su UCE0 - napon kolektor-emitor pri otvorenoj bazi, UCE0(SUS) - napon kolektor-emitor sa otvorenom bazom prilikom isključivanja pri datoj struji kolektora i za induktivni potrošač; UEB0 - napon emitor - baza pri otvorenom kolektoru; IC - struja kolektora (srednja vrednost); IB - struja baze; PC - ukupna disipirana snaga; hFE - jednosmerno pojačanje; UCESAT - napon kolektor-emitor u oblasti zasićenja; UBESAT napon baza emitor u oblasti zasićenja; tON, td, tr, ts, tf - vreme uključenja, kašnjenja, porasta struje, nagomilavanja, pada struje, Tj - maksimalna temperatura PN spoja. Snažni bipolarni tranzistor se karakteriše velikom gustinom struje, visokim probojnim naponom, dobrim strujnim pojačanjem, velikom brzinom komutacije, jednostavnim upravljanjem, širokim opsegom radne temperature, velikom disipacijom i relativno niskom cenom. Velika prednost tranzistora u odnosu na tiristor je što nisu potrebni dodatni elementi za isključivanje, te mnogo veća frekvencija rada. Uključivanje se obavlja uspostavljanjem pozitivne struje u kolu baze. Tranzistor je u uključenom stanju

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

59

dokle god postoji struja baze, a radi brže komutacije, isključenje se izvodi negativnom strujom odnosno strujnim impulsom. Izlazna statička karakteristika predstavlja zavisnost struje kolektora od napona kolektoremitor sa strujom baze kao parametrom (slika 2.28). Na njoj razlikujemo šest karakterističnih oblasti: oblast zasićenja (1), linearnu oblast (2), oblast termalnog proboja (3), direktnu zaprečnu oblast (4), inverznu oblast (5) i oblast inverznog proboja (6).

Slika 2.28 - Izlazna karakteristika tranzistora. U energetskoj elektronici snažni tranzistor se prvenstveno koristi kao prekidač, odosno kad provodi on se nalazi u oblasti zasićenja ili na granici te oblast (kvazizasićenje). Duboko zasićenje i kvazi zasićenje se javljaju zbog velikog n - sloja kolektora. Sa velikom baznom strujom javlja se virtuelna baza sa velikom koncentracijom ubačenih nosilaca i tada se tranzistor teško gasi. U linearnoj oblasti tranzistor ostvaruje pojačavačku funkciju. Pojava sekundarnog proboja (termalni efekat) – zbog brzog porasta struje kod otvaranja tranzistora, kad VCE nije dovoljno opao, pa se javlja velika disipacija. Struja se koncentriše na malu površinu – crowding effect (hot spot), pa dolazi do termalnog proboja. Da bi se to smanjilo emiter se meša sa bazom – kao prsti. U direktnoj zaprečnoj i inverznoj oblasti tranzistor je u neprovodnom stanju, s tim da je u prvom slučaju direktno, a u drugom inverzno polarisan. Pri tom kroz njega teče veoma mala direktna odnosno inverzna struja i ima se mali inverzni napon u odnosu na tiristor i snažnu diodu. Poseban problem je uključivanje/isključivanje induktivnog potrošača, jer se javlja process koji može da dovede do sekundarnog proboja.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

60

2.9. Snažni MOSFET Snažni MOS-FET tranzistori su se pojavili u poslednjih desetak godina i to pod raznim imenom YMOS, SIPMOS, VMOS, HEXFET i dr. To su tranzistori sa efektom polja u tehnici sa metalnim oksidom, specijalno konstruisani da podnose veliku disipaciju. Za sada se koriste samo za manje snage, ali se očekuje njihovo usavršavanje i prodor ka većim snagama. Takođe su troslojne konstrukcije, a krajevi su DREJN, GEJT i SORS. Osnovna im je prednost jednostavno upravljanje - dovođenjem odgovarajućeg naponskog nivoa između gejta i drejna. Dalje, nema pojave sekundarnog proboja, veoma velika brzina komutacije i ulazna otpornost. Jednostavno se paraleluju (MOS FET ima pozitivni temperaturni koeficijent). Problem je relativno velika otpornost u stanju vođenja, koja onemogućuje veće snage (trenutno se kreću do 10 kW) kao i njena zavisnost od temperature. Na slici 2.29 je predstavljena struktura MOS-FET tranzistora a) i njegova oznaka u električnim šemama - b). Snažni MOS-FET tranzistor se često realizuje u obliku modula (4 ili 6 tranzistora u konfiguraciji monofaznog ili trofaznog mosta), a takođe i u kombinaciji sa bipolarnim tranzistorom - BIMOS, MOSBI (slika 2.29.c). Gejt je izolovan od tela tranzistora sa slojem SiO2, pa nema efekta bipolarnog tranzistora. Izgleda da tranzistor ne može da vodi, jer je uvek jedan pn spoj između D i S inverzno polarisan. Dovođenjem VGS > 0 će konvertovati površinu Si ispod gejta u n+ kanal i tako povezati S i D. Tranzistor je vertikalnog tipa a n- sloj treba da obezbedi visok pobojni napon. Upravljanje je naponom VGS > 15 V, a vreme uključenja je veoma kratko, pa se posti\u visoke frekvencije rada f = 30 - 100 kHz!

Slika 2.29 - Snažni MOS-FET tranzistor.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

61

Naponsko-strujna karakteristika je sličnog oblika kao i za snažni bipolarni tranzistor, s tim da zavisnost struje drejna od napona drejn-sors kao parametar ima napon gejt-sors. Na slici 2.30 je prikazana karakteristika za dve različite temperature. Uočava se velika promena otpornosti u stanju vođenja.

Slika 2.30 - Izlazna karakteristika MOS-FET tranzistora

MOS FET nema efekat sekundarnog proboja, pa je SOA karakteristika ograničena gubicima i primarnim probojem (slika 2.31).

Slika 2.31 – SOA karakteristika MOS FET-a.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

62

2.10. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT je u osnovi hibridni tranzistor tj. bipolarni tranzistor koji se uključuje/isključuje preko MOS gejta. On u sebi kombinuje dobre osobine MOS FETa, BPT i tiristora. Komercijalno je predstvaljen 1983. godine. Na slici 2.32 prikazane su dve varijante električnog simbola, kao i ekvivalentna šema za unutrašnju strukturu. Arhitektura je slična MOS FETu, osim što je kod drejna dodat jedan p+ sloj (slika 2.33).

Slika 2.32 – IGBT tranzistor: električni simbol i unutrašnja električna struktura

Slika 2.33 – Unutrašnja poluprovodnička struktura i uslovi za pojavu tiristorskog efekta. Ako je VGS > 0, indukovaće se n- kanal u p- sloju. To će provodno polarisati pnp tranzistor i one će provesti struju IDS. Pad napona je sad mnogo manji nego kod običnog MOS FETa, a gustina struje je veća nego kod BPT. Problem je parazitni npn tranzistor, koji zajedno sa pnp tranzistorom sačinjava strukturu tiristora (slika 2.32). Da bi se izbegao rad kao kod tiristora (lako se uključi, a teško isključuje) mora se pažljivo izraditi i kontrolisati otpornost p - sloja. Parazitni tiristor se aktivira (latching action) u slučaju veće struje (ako se pređe IDM) i tad zbog velike disipacije komponenta strada (jer se ne može normalno isključiti).

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

63

Za upravljanje ovim tranzistorom bitna je pojava parazitnih kapacitivnosti između priključaka, koje mogu izazvati pikove napona i dodatno naprezati strukturu. Na slici 2.34 prikazan je IGBT sa položajem parazitnih kapacitivnosti. Statičke karakteristike IGBT-a prikazane su na slici 2.35. Levo je data izlazna karakteristika (IDS - VDS), a desno transfer karakteristika (IDS - VGS). Zadatak n- sloja je da obezbedi visoki probojni napon u inverznom smeru i tada IGBT ima inverznu karakteristiku kao tiristor – simetrični IGBT. Međutim, tOFF je veliko. Isključuje se sa VGS = 0, ali se javlja ‘rep struje’ zbog sporog gašenja BPTa. Sloj n+ se dodaje da se ubrza gašenje i inverzni blokirani napon na samo par volti – nesimetrični IGBT.

Slika 2.34 – Parazitne kapacitivnosti u strukturi IGBT-a.

Slika 2.35 – Statičke karakteristike IGBT-a: a) Izlazna karakteristika i b) Transfer karakteristika.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

64

SOA karakterisitika je termalno ograničena i IGBT ne pokazuje fenomen sekundarnog proboja (isto kao MOS FET). Pošto deo struje ide preko MOS FETa (da se ne bi aktivirao tiristor), za veće struje problem je disipacija. Danas se komponente prave za maksimalno 500V, 400A ili maksimalno 1000V, 100A. U budućnosti se očekuje 1200V, 400A. Zbog velike ulazne otpornosti lako se može upravljati sa integrisanim drajverima koji daju galvansku izolaciju i zaštitu. Ulaz na drajver je CMOS ili LSTTL.

2.11. Nestandardne komponente 2.11.1. Statički-indukovani transistor (SIT – Static Induction Transistor) Statički-indukovani tranzistor (SIT – Static Induction Transistor) je u stvari poluprovodnička verzija elektronske cevi triode. Pronađena je 1970. godine, ali je komercijalno predstvaljena 1987. godine. Na slici 2.36 prikazana je unutrašnja struktura i električni simbol SIT-a. Karakteriše ga vertikalna struktura sa n- kanalom. Gejt je utisnut između drejna i sorsa i ponaše se kao rešetka kod triode. Ima negativnu logiku rada – normalno je uključena kada je VGS = 0. Ako je VGS > 0 oko p slojeva se javlja „ispražnjen sloj” (depletion layer) i struje prestaje da teče.

Izvor: http://www.otpornik.com/elektronika/komponente/sitsith-static-induction-transistor-thyristor.html

Slika 2.36 – SIT : Unutrašnja struktura i simbol u šemama.

Prednost: velika brzina – brži od MOS FETa, SOA bez sekundarnog proboja, pozitivni temperaturni koeficijent (lako paralelovanje). Problem: veliki pad napona kad vodi. Na primer 1500V, 180A SIT tranzistor ima otpornost 0.5Ω tj. 90V pad napona! Zbog ovog problema, ima malu efikasnost, pa nije stekao ozbiljniji obim primene, osim za specifične aplikacije.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

65

2.11.2. Statički-indukovani tiristor (SITh – Static Induction Thyristor) Statički-indukovani tiristor (SITh – Static Induction Thyristor) je komponenta koja se uključuje/isključuje slično GTO. Pojavila se 1988. godine. Struktura je ista kao kod SITa, s tim što je dodat p+ sloj anode. Na slici 2.37 prikazana je unutrašnja struktura i električni simbol SITh-a. Radi brže komutacije pravi se skraćena anoda, kao kod GTOa. Po strukturi se vidi da je SITH u osnovi p+nn+ dioda sa ugrađenim p+ slojem gejta u obliku rešetke. Karakteriše ga negativna logika: normalno je isključen VGK = 0. Tada je n- sloj zasićen manjinskim nosiocima. Za brže uključenje koristi se mali pozitivni impuls IG=5A, tON=2μs.

Izvor: http://www.otpornik.com/elektronika/komponente/sitsith-static-induction-transistor-thyristor.html

Slika 2.37 – SITh : Unutrašnja struktura i simbol u šemama.

Proble: Ako je VGK < 0 javlja se „ispražnjen sloj” (depletion layer) oko rešetke i protok struje se blokira. Potreban visok negativni impuls od IG ≈ 300 A za glavnu struju od IA = 800 A, s tim da je vreme komutacije ts + ts = 3,1 μs. Na slici 2.38 prikazan je ovaj problem, tj. pojava „ispražnjenog sloja”.

Slika 2.38 – Problem isključenja SITh-a

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

66

Tipična vrednost SITh-a je 1200V, 300A. Ako se uporedi sa GTO tristorom, može se kkonstatovati sledeće:      

Pad napona je veći od GTO: tipično 4V. Strujno pojačanje gejta kod isključenja je manje od GTO – tipično 0 isključenje - Ima Simetrično i asimetrično blokiranje - Ima velika brzina rada tON=0,2μs, tOFF=2μs - Ima visoku radnu temperaturu Tj = 150 ºC ( sa dodatnim rešenjima do 300 ºC). - Osetljiv je na visoko dv/dt

Slika 2.39 – Unutrašnja struktura, ekvivalentna šema i oznaka MCT toristora.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

67

U tabeli 2.1 predstavljene su najvažnije karakteristike sve tri pomenute nestandardne prekidačke komponente: SIT, SITh i MCT. Poređenjem mogu se videti njihove međusobne prednosti i nedostaci. Tabela 2.1 – Poređenje karakteristika nestandardnih komponenti. SIT

SITH

MCT

Naponski i strujni opsezi

800V, 18A (DC)*

1200V, 300A (eff)*

600V, 60A (eff)*

Sadašnje mogućnosti snage

1200V, 300A

1200V, 300A

-

Linearni/okidni

Linearni

Linearni

Okidni

Naponsko blokiranje

Asimetrično

Asimetrično

Asimetrično

Selektovanje

Naponsko

Strujno

Naponsko

Opseg Tj [°C]

-50 do 150

-40 do 125

-55 do 150

Oblast sigurnog rada (SOA)

Ograničenje Tj

Ograničenje Tj

Ograničenje Tj

Pad napona pri provođenju [V] , pri nazivnoj struji

18

4

1.1

Pad osetljivosti sa T[°C]

Pozitivan

Ngativan

Negativan

Učestanost prekidanja [Hz]

Do 70 000

Nekoliko Hz**

Do 20 000

Strujno pojačanje (pri isklj.)

-

Ispod 3

-

Pripadajuće dv/dt [V/μs]

Veoma veliko

2 000

5 000

di/dt pri isključenju [A/μs]

Veoma veliko

900

1 000

Vreme uključenja [μs]

0.25

2

1.0

Vreme isključenja [μs]

0.3

9

2.1

Struja curenja [μA]

0.1

25

1.0

Snaber

Polarisani (moguć je rad bez snabera)

Polarisani

Polarisani (moguće je rad bez snabera)

Zaštita

Kontrola gejta

Brzi osigurač blokiranje gejta

Primena

Indukciono grejanje Generatori ultrazvuka AM/FM generatori

Indukciono grejanje Statička VAR kompenz.

Pogoni AC motora UPS sistemi Statički VAR i harmon. kompenzatori

Komentari

Na raspolaganju od Tokin America Inc.

Na raspolaganju od Toyo Elec. Co.

*TOKIN 2SK182

*TOKIN DENKI – jedini elemenat ** Određeni elementi rade na višoj frekvenciji

Moguć je opseg Tj od –196 do +250 Karakteristike slične IGBT-u, osim nižeg pada napona Elemenat nije još komerc. dostupan *HARRIS MCTA 60P60 (razvojni element)

ili

Brzi osigurač blokiranje gejta

ili

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

68

2.12. Integracija snažnih prekidača Radi lakše upotrebe i boljeg rada u uslovima većeg naprezanja vrši se integracija, odnosno kombinovanje pojedinih prekidača i njihovo smeštanje u jedinstvena kućišta. Time se dobijaju: - složeni prekidači, - snažni moduli - integrisani snažni pretvarači. Ove komponente se u praktičnom korišćenju pojavljuju kao jedinstvene, koje imaju naprednije karakteristike od standardnih.

2.12.1. Složeni prekidači Složeni prekidači predstavljaju kombinaciju dva ili više elementarnih snažnih prekidača, koji se konstruišu radi kvalitetnijeg rada i boljih mogućnosti. Poznati primeri složenih prekidača su: - trijak (anti-paralelna veza dva tiristora) - snažni tranzistor (antiparalelna veza tranzistora i diode) - darlington tranzistor (kaskadna veza dva ili tri snažna tranzistora) - inverzno-blokirajui IGBT (kaskadna veza diode i IGBT) - bilateralni prekidač Bilateralni prekidač je vrsta složenog prekidača, koji se konstruiše radi omogućavanja dobijanja jedinstvenog matričnog pretvarača, kao univerzalne pretvaračke jedinice. Ovaj prekidač ima osobine, koje su najbliže idealnom prekidaču, odnosno zahtevima da se obezbedi kontrola provođenja prekidača u oba smera, kao i izdržavanja naponskih naprezanja oba polariteta. Moguća su tri rešenja: - diodni most sa tranzistorskim prekidačem - anti-serijska veza snažnih tranzistora - anti-paralelna veza diodne-tranzistorskog kaskadnog prekidača Na slici 2.40 dat je prikaz primera ove tri vrste složenih, bilateralnih prekidača.

Slika 2.40 – Tri vrste složenih, bilateralnih prekidača

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

69

2.12.2. Snažni moduli Snažni moduli predstavljaju osnovni vid integracije snažnih prekidača, kojim se formiraju snažni moduli. Snažni moduli u sebi sadrže ili delove energetskih elektronskih pretvarača ili kompletne pretvarače. Prednosti primene snažnih modula je u njihovoj kompaktnosti, jednostavnijem priključenju u strujno kolo, te u izolovanom hladnjaku, tako da se mogu bez problema postavljati na isto rashladno telo. Mogu se podeliti na: 1. Diodni (ispravljački) moduli – polumostni ili mostni 2. Tiristorski moduli – polumostni ili mostni 3. Tranzistorski (invertorski) moduli – polumostni ili mostni Takođe, snažni moduli mogu biti: 1. Monofazni 2. Trofazni Neki primeri snažnih diodnih modula dati su na slici 2.41 – trofazni i monofazni diodni ispravljači u mostnoj konfiguraciji.

Izvori: https://www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-datasheet-skd-31-07190990 http://www.chtechnology.com/bridge_rectifiers.html

Slika 2.41 – Primeri snažnih modula diodnih ispravljača. Na slici 2.42 dat je snažni tiristorski polumostni modul. U pitanju je jedna grana tiristorskog mosta u AC/DC pretvaraču. Prikazana je unutrašnja struktura snažnog modula i način povezivanja. Kombinovanjem dva ovakva modula, može se dobiti monofazni mostni ispravljač, a sa tri modula poređana u paraleli formira se trofazni mostni ispravljač. S obzirom da postoji unutrašnja galvanska izolacija, svi moduli se mogu postaviti na isti hladnjak, te se time dobija praktična i kompaktna konstrukcija i optimalna zapremina rashladnog tela. Upravljački impulsi se vode na priključke gejtova, koji se nalaze sa strane. Uočljivo je da svaki gejt ima dva kontakta – gejt i katodni, na koji se dovode impulsi. Pobudno kolo za generisanje impulsa takođe mora biti galvanski izolovano, obično pomoću impulsnih transformatora ili opto-kaplera. Ovi sklopovi se ne nalaze u snažnom modulu, već se moraju izvesti posebno u sklopu upravljačkopobudnog kola.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

70

Izvor: https://www.element14.com/community/blogs/powergurublog/2013/03/15/power-module-basics

Slika 2.42 – Unutrašnja struktura snažnog modula i tok struje i toplote.

2.12.3. Integrisani snažni pretvarači

Kada se snažnim modulima dodaju upravljačka, integrisana kola, koja regulišu rad snažnih prekidačkih komponenti, dolazi do integracije energetskog i upravljačkog dela, odnosno dobijaju se integrisani snažni pretvarači. Ovakvi sklopovi su pogodni za dalju minijaturizaciju, ali i ugradnju pretvaračkih sklopova u električne mašine. Na slici 2.43 prikazana su dva ovakva rešenje namenjena za hibridna-električna ili baterijskaelektrična vozila. U rešenju datom na slici 2.43.a) u sklopu priključne kutije AC motora dodat je invertor (DC/AC pretvarač) i odgovarajuća upravljačka elektronika. U rešenju sa slike 2.43.b) pretvarački sistem je kompaktniji i prati zakrivljenost kućišta motora.

a)

b) Izvor: a) http://www.edn.com/Home/PrintView?contentItemId=4420304 b) http://emd.utcluj.ro/mircea-ruba/teaching/is/Curs%202.pdf

Slika 2.43 – Primeri primene integrisanih snažnih pretvarača.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

71

Pored ovakvih aplikacija integrisani snažni pretvarači se konstruišu i za manje snage, pre svega za DC/DC pretvarače za napajanje i upravljanje raznih elektronskih – kućnih ili poslovnih i prenosnih (mobilnih) uređaja.

2.13. Poređenje komponenti energetske elektronike Poslednjih godina uočen je brz razvoj tehnologije, pa se na tržištu pojavljuje čitav niz novih komponenti zasnovanih na novim materijalima. Tradicionalno, snažne konmponente bile su zasnovane na pravcima razvoja signalne elektronike, gde je silicijum (Si) korišćen kao podloga. Međutim, za razliku od signalne elektronike, gde je ključna sigurnost informacije, u energetskoj elektronici teži se povećanju energetske efikasnosti, pa se pravci razvoja delimično razilaze. Za nove komponente (snažne prekidače) koriste se i materijali na bazi galijum-arsenida (GaAs), silicijum-karbida (SiC), galijum-nitrida (GaN) ili čak industrijski dijamanti (C), pa se dobijaju GaAs ili SiC MOSFET-ovi ili druge vrste puno-upravljivih prekidača. Osnovni pravci razvoja su: - Teži se ostvarenju idealnog prekidača, tj. prekidača, koji nema gubitke u radu. - Razvoj ide ka komponentama a) visoke snage b) jednostavnog upravljanja c) visoke frekvencije U tabeli 2.2 dato je poređenje nekih karakteristika snažnih komponenti zasnovanih na tradicionalnim i novim materijalima. Vidi se da najbolje karakteristike poseduju „dijamantski“ tranzistori, čiji FOM koeficijent je 22,21, dok je za standardne silicijumske on tek 0,58. Tabela 2.2 – Poređenje kompenenti FOM Sistem

Lfm -2

Bfm 8.5×10

Cfm 16

3.8×10

Apsolutno 25

5.5×10

10

Normalizovano

poly-Si/Si/Si

1.1×10 cm

0.58

AlGaAs/GaAs/GaAs

1.1

13.4

4.2

9.5

1.00

AlGaAs/Ge/GaAs

1.1

15.6

4.2

11.1

1.17

6H-SiC/3C-SiC/6H-SiC

1.1

8.5

37.3

53.7

5.65

SiC/Si/dijamant

1.1

8.5

146.5

211.0

22.21

Na slici 2.44 dato je poređenje snažnih komponenti, koje su predstavljene u ovom poglavlju spram njihove snage i radne učestanosti. Može se uočiti dominacija tiristora (Tiristor, GTO ili MCT) za velike snage, kao i MOSFET-a za visoke radne frekvencije.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

72

Za srednje snage i frekvencije IGBT je potisnuo bipolarni tranzistor (BPT), tako da se on danas praktično više ne ugrađuje u nove uređaje.

Slika 2.44 – Poređenje komponenti energetke elektronike P = f(kHz). S druge strane, nove komponente, zasnovane na novim materijalima polako osvajaju delove tržišta. Na slici 2.45 dat je šematski prikaz pozicija njihovog „prodora“ spram mesta primene (frekvencije – „Product range“) i naponskog nivoa. Može se uočiti da se GaN tranzistori pozicioniraju za VF aplikacije malih snaga potiskijući silicijumske MOSFET-e, dok SiC tranzistori „nagrizaju“ srednje snage, tj. tradicionalne područje primene IGBT-ova.

Izvor: http://www.yole.fr/

Slika 2.45 – Mesto novih komponenti energetske elektronike.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

73

3. MATERIJALI ZA SNAŽNE KOMPONENTE Nove snažne prekidačke komponente, koje se razvijaju poslednjih godina ili komponente u razvoju, imaju za cilj da se dalje približe idealnom prekidaču. To zahteva smanjenje gubitaka, ali i povećanje frekvencije i naponskih, strujnih i termičkih naprezanja. Postojeće elektronske komponente izrađene su na bazi kristala silicijuma, koji ima svoja ograničenja, pa na taj način limitira dalji razvoj. S druge strane traže se novi materijali, kao podloge za snažne poluprovodničke komponente. Umesto Si (silicijuma) i GaAr (galijum arsenid), predlažu se SiC (silicijum karbid), GaN (galijum nitrid), AlN (aluminijum-nitrid), pa i čist ugljenik (C), odnosno dijamant, kao savršeni 4-valentni kristal. Od ovih materijala se očekuje da u budućnosti omoguće dalji razvoj u smislu povećanja snage komponenti i smanjenja gubitaka. Na bazi osnovnog materijala (podloge) poluprovodnici se dele na: - konvencionalne (osnova: Si i GaAr) - komponente sa velikim energetskim procepom (osnova: SiC i GaN) - komponente sa ekstremno velikim energetskim procepom (osnova: C – Dijamant, AlN) U tabeli 3.1 date su neke osnovne osobine ovih poluprovodnika iz kojih se mogu uočiti prednosti novih materijala (Conven. – konvencionalni poluprovodnički materijali, WBG – materijali sa velikim energetskim procepom, EBG – materijali sa ekstremno velikim energetskim procepom). Vidi se veći energetski procep (Eg - Band gap), niža dielektrična konstanta (εr), bolja termalna provodnost (λ), bolja mobilnost nosilaca (μn) i veće električno polje Ec kod novijih poluprovodničkih materijala u odnosu na konvencionalne.

Tabela 3.1 – Poređenje konvencijalnih i novih materijala. Materijal

Eg (eV)

Si

1,12

Direct/ Indirect I

ni

εr

-3

(cm )

1,42

D

2

Ec

vsat 7

λ

(cm /Vs)

(MV/cm)

(10 cm/s)

(W/cmK)

1,5 1010

11,8

1350

0,2

1,0

1,5

6

13,1

8500

0,4

1,2

0,55

a

*

Conven. GaAr

μn

1,8 10

-10

9,9

1000 2000**

3,3 3,75a

2,5

1,3

GaN

3,39

D

1,9 10

SiC

3,26

I

8,2 10-9

10

720a 650c

2,0a

2,0

4,5

I

-27

5,5

3800

10

2,7

22

*

1,7

2,85

WBG

Dijam.

5,45

1,6 10

EBG AlN

6,2

D

~ 10

-34

8,5

300

12

Napomene: a – pokretnost duž a-ose, c-pokretnost duž c-ose, *Procenjena vrednost, **2DEG

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

74

GaN uzgajan na SiC može imati sličnu toplotnu provodnost kao SiC GaN uzgajan na Si može smanjiti troškove podloge, imati veći veličinu podloge i koristiti Si peć kod procesiranja Izvor: T.P. Chow, „Living in a Wide Bandgap World in 2025:What Conquered and What Next?”, 8th FEPPCON, Verbania, Sep.2005.

3.1. Silicijum kao osnovni materijal u Energetskoj elektronici Silicijum (Si) je osnovni materijal u elektronici, pa i energetskoj elektronici. Potisnuo je germanijum (Ge) i ostale polikristale selen (Se) i bakar-monoksid (CuO), koji su se koristili u ranom periodu poluprovodničke elektronike (1930-1960). To je hemijski elemenat, koji ima 4-valentnu kristalnu strukturu, a njegov atomski broj je 14. U prirodi je prisutan u velikim količinama (osmi je najčešći elemenat), ali veoma retko kao čist kristal. Obično se javlja u vidu oksida (SiO2 – kvarcni pesak), silikata ili silikatnih minerala. Simensovim procesom dobija se čist kristal Si (čistoće 6N – 6 devetki ili 99,9999%), ali za potrebe mikroelektronike to nije dovoljno. Zato se posebnim procesom (Čohralski proces) vrši prečišćavanje na stepen 9N – 12N. Silicijum je tvrd materijal, dobre termičke provodnosti i visoke temperature topljenja. Ima negativni temperaturni koeficijent (NTC) otpornosti, jer elektroni postaju pokretljiviji sa porastom temperature. Kao kristal ima strukturu dijamantske kocke, slično ugljeniku i germanijumu. Na slici 3.1 prikazan je ciklus proizvodnje snažnih komponenti (modula) korišćenjem silicijuma. Proces se sastoji od pripreme Si podloge, njene obrade i dobijanje snažnog prekidača, u ovom slučaju IGBT-a kao komercijalnog proizvoda, te njegove primene u invertoru za električne pogone vozova velikih brzina. Prvo se od monokristalnog silicijuma priprema Si podloga u obliku silicijumske šipke (Si ingot), koja se reže na tanke kružne pločice (wafer) na kojima se može formirati poluprovodnička komponenta. Ova podloga je od Si kristala visoke čistoće (99,9999%), koji se zatim reže na kockice u kojima se formiraju komponente (IGBT). Dobijeni tranzistori (Device) se zatim postavljaju u kućišta, dodaju im se kontakti i formiraju se moduli (Packaging). Od IGBT-a se formira invertor, odnosno DC/AC pretvarač, koji je jedan od ključnih pretvarača u električnim pogonima vozova velikih brzina.

3.2. Novi materijali u Energetskoj elektronici Od 2001. god. se pojavljuju prve SiC diode, a od 2006. god. GaN 600 V šotki diode. Komponente sa GaN se razvijaju na Si podlozi (od 2011. god.). Novi materijali se klasifikuju kao komponente sa velikim energetskim procepom (WBG - Wide-Bandgap poluprovodnici) i komponente sa ekstremno velikim energetskim procepom (EBG Extreme Bandgap poluprovodnici). Novi materijali se dele na:    

SiC – silicijum karbid (WBG), GaN – galijum nitrid (WBG) AlN – Aluminijum-nitrid (EBG) C – dijamant (EBG)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

75

Izvor: http://www.yole.fr/

Slika 3.1 – Kompletan lanac proizvodnje Si podloge, snažne poluprovodničke komponente (IGBT), snažnog modula i njegove primene.

Istorijski nove komponente bazirane na novim materijalima se razvijaju već niz godina. Na slici 3.2 prikazano je tržišno pojavljivanje komercijalnih snažnih prekidača na bazi konvencionalnih i novih poluprovodničkih materijala.

Izvor: T.P. Chow, „Living in a Wide Bandgap World in 2025:What Conquered and What Next?”, 8th FEPPCON, Verbania, Sep.2005.

Slika 3.2 – Pojava komponenti od novih materijala

3.2.1. Osobine silicijum-karbidnih (SiC) materijala U poslednje vreme se sve više razmatra dobijanje snažnih prekidačkih komponenti od silicijum-karbidnih (SiC) materijala. Ova podloga ima odgovarajuće prednosti kod određenih primena u uređajima energetske elekltronike.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

76

Silicijum-karbid ili karborandum je mešavina silicijuma (Si) i ugljenika (C) i u prirodi se javlja u obliku veoma retkog minerala mosanajta. Poseduje visoku tvrdoću, pa je do sada uglavnom korišćen za abrazivne primene i precizna sečenja. Kao podloga za izradu poluprovodnika istraživan je još devedesetih godina XX veka, ali se prva komercijalna komponenta izrađena od SiC-a pojavila tek 2008. godine – unipolarni transistor. To je komponenta sa velikim energetskim procepom (WBG - wide band gap), visoke topotne provodnosti i dobre elektronske pokretljivosti. To joj omogućuje primenu za fabrikaciju komponenata visokog napona i velike snage. Posebna prednost je mogućnost da se ostvari proizvodnja ovih materijala bez novih značajnijih ulaganja u vrhunske (veoma skupe) proizvodne linije. U tabeli 3.2 napravljeno je poređenje karakteristika snažnih tranzistora izrađenih od SiC i to SiC MOSFET-a, SiC JFET-a (JFET – Junction FET, jednospojni FET) i SiC BJT-a (BJT – bipolar junction transistor, bipolarni tranzistor). Poređenje je urađeno na bazi kvalitativnih ocena (od 1 – 5) i to: 1 – loše, 2 – podnošljivo, 3 – prosečno, 4 – vrlo dobro, 5 – odlično. Vidi se da je najbolji SiC JFET transistor, pa SiC BJT i SiC MOSFET, ali je u praksi mala razlika pa od konkretnte primene zavisi koji od ovih vrsta tranzistora će se upotrebiti. Na slici 3.3 prikazan je izgled prvog SiC modula, koji je na tržište plasirala kompanija Cree 2012. godine. To je SiC MOSFET polumostni modul maksimalnog napona 1200V, struje 100A i temperature pn-spoja (poluprovodnika) Tj=175ºC.

Tabela 3.2 – Poređenje karakteristika SiC tranzistora Izvor: http://www.electronicproducts.com/Discrete_Semiconductors/Transistors_Diodes/SiC_transistors_Futuristic_potential_or_practical_solution.aspx

Parametar

SiC MOSFET

SiC JFET

SiC BJT

Površina podloge

3

5

5

Gubici u vođenju

5

5

5

Gubici u prekidanju

5

5

5

Naponsko naprezanje

5

5

5

Temperatura (Tj)

1

5

5

Pogonsko kolo

3

1

1

Anti-paralel. dioda

3

1

1

Tvrdoća

5

5

5

Pouzdanost

1

5

3

31

37

35

Ukupno:

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

77

Slika 3.3 - Prvi SiC MOSFET Modul (kompanija CREE) – 1200V, 100A (2012) i njegova električna šema.

3.2.2. Osobine galijum-nitridnih (GaN) materijala

Galijum-nitrid je hemijsko jedinjenje, koje karakteriše velika tvrdoća i mehanička stabilnost, kao i visoki toplotni kapacitet i velika termička provodnost. Može se postaviti u vidu tankog filma na razne osnove, pa i na Si ili SiC. Prvo se primenjivao za razne vrste LED dioda, a devedesetih godina prošlog veka je napravljen i GaN MOSFET laboratorijski tranzistor. Tek od 2006. godine počinju da se pojavljuju komercijalne GaN komponente većih snaga primenljivih za pretvarače energetske elektronike. Posebno je specifičan HEMT GaN tranzistor (HEMT – High Electron Mobility Transistor), koji se koristi za radio-frekventne (RF) opsege. U poređenju sa Si i SiC ima povoljnije karakteristike i manje gubitke – na slici 3.4 dato je poređenje probojnog napona i nivoa gubitaka GaN-a i silicijumskih materijala (Si i SiC). Ove prednosti dovele su da GaN tranzistori počnu da potiskuju silicijumske MOSFET-ove iz oblasti najviših frekvencija.

Izvor: http://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/papers/Gallium%20Nitride%20GaN%20Technology%20Overview.pdf

Slika 3.4 – Poređenje otpornosti u provodnom stanju i probojnog napona za Si, SiC i GaN (levo) i gubitaka između Si MOSFET-a i GaN FET-a.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

78

Na slici 3.5 (levo) prikazan je niz eHEMT GaN tranzistora za naponske nivoe od 100 V, 90 A do 650 V, 7 A firme GaN Systems na bazi tehnologije GaN na silicijumskoj podlozi. Takođe, prikazana je oznaka u električnim šemama (desno gore) i oznake priključaka (desno dole) za povezivanje u električna kola. Karakteristične su male dimenzije što je pogodno za razne aplikacije od tankih TV aparata do električnih vozila produženog opsega.

Izvor: http://www.gansystems.com/transistors.php

Slika 3.5 – Primeri GaN tranzistora sa probojnim naponima od 100V do 650V (levo), oznaka u električnim šemama (desno gore) i oznake priključaka (desno dole).

3.2.3. Osobine dijamatske (C) podloge

Najbolje mogućnosti ima čist C, odnosno industrijski dijamanta – u obliku sintetičkog tankog filma, ali je to komercijalno još nedostupno. Danas se istražuje dijamantski MOSFET, koji je u stvari MOSFET na polikristalnom (crnom) dijamantu. Ova struktura prikazana je na slici 3.6.(levo). Dijamantski MOSFET ima superiorne osobine i to: - 6 puta veću snagu, - 50 puta veću frekvenciju, - UF manji za red veličine, - Tj ~ 600°C, - Probojni napon oko 1800 V Ove karakteristike, a posebno izuzetno visoka frekvencija i temperatura, pogodne su za male snage, ali i za neke aplikacije kod HVDC pretvarača, električnih automobila i dr. Opseg predviđenih primena prikazan je na slici 3.6 (desno). Vidi se da su osobine dijamantskog tranzistora superiorne u odnosu na SiC i GaN tranzistore i da je glavna namena u telekomunikacionoj industriji - snage 1 kW - 10 kW i frekvencije 0,1 GHz 50 GHz. Međutim, oblast snaga oko i preko 10 kW je interesantna i za aplikacije u energetskoj elektronici, pa se očekuje njihova šira primena u budućnosti.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

79

Izvor: https://www.wrs.waseda.jp/seeds/en/researchSeeds/detail/2016-0203-06 http://www.ee.saga-u.ac.jp/pelab/topics-en.html

Slika 3.6 – Prikaz strukture MOSFET-a na dijamantu i očekivana oblast primene dijamantskih tranzistora u P(W)=f(frekv., [Hz]) domenu.

3.2.4. Primena komponenti od novih materijala

Novi materijali otvaraju nove mogućnosti primene snažnih poluprovodnika. S obzirom na svoje osobine postavlja se pitanje da li su oni konkurencija ili se dopunjuju na širokom tržištu energetskih elektronskih pretvarača, odnosno uređaja energetske elektronike. Postoje različite analize i predviđanja budućnosti tranzistorskih komponenti zasnovanih na SiC ili GaN tehnologijama. S obzirom na prednosti SiC u domenu visokih napona i snaga, a s druge strane značajan prodor GaN tranzistora na oblast MHz frekvencija, jedan od najčešćih predviđanja pozicije ove dve vrste snažnih prekidača predstavljen je na slici 3.7. Vidi se da su SiC tranzistori predviđeni za aplikacije većih snaga, kao što su primena u onovljivim izvorima električne energije, vozovima velikih brzina i regulisanim elektromotornim pogonima u industriji. S druge strane, GaN tranzistori nalaze primene kolima za korekciju faktora snage ispravljača (PFC), DC/DC peretvaračima primenjenim u računarskoj tehnici, kao i u data centrima. Istovremeno, očekuje se da će obe vrste tranzistora biti primenjene u raznim pretvaračkim uređajima modernih električnih ili hibridnih automobila, ali i drugih vozila, kao i za nove konfiguracije foto-naponskih (PV) panela sa ugrađenim mikroinvertorima. Ipak, u primenama ove dve vrste tranzistora postoji značajna razlika. Dok se za GaN predviđa masovna primena u opsegu srednjih napona (2H+ +2e). 11. Druge vrste pretvarača - laser, električni luk, ....

Energetska efikasnost ovih pretvarača je različita i obuhvata opseg od petnaestak procenata (14-18% za FN ćelije) do preko devedeset ili čak devedeset pet procenata (transformatori 95-96%, DC/DC pretvarači 92-96% itd) Generalna šema i princip energetskih pretvarača se može predstaviti preko prikaza na slici 6.1 i odgovarajućih opštih matematičkih postavki datih u sklopu iste slike.

Slika 6.1 – Opšti princip rada energetskih elektronkih pretvarača.

T

1 S T 0 dtdS  0

0

0

izračena energija kroz zatvorenu površinu S

1 t u idt  0 T

0

0

Slika 6.1 – Princip i atematičke postavke energetskih pretvarača

6.1. Energetski elektronski pretvarači - definicije Ključne definicije, vezane za energetske elektronske pretvarače (Power Electronics Conerters) su date u IEC standardima, koji su prihvaćeni i kao Srpski (ranije jugoslovenski) standard: 1.

Energetski elektronski pretvarač (JUS N.A0.551 551 – 02 – 01)

Uređaj za energetsko elektronsko pretvaranje koje sadrži jednu ili više ventilskih komponenti (553 – 03 – 01) i eventualno transformatore, filtre i pomoćne sklopove.

V.A. Katić 2.

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

93

Ventilska komponenta (elektronska) (553 – 03 – 01)

Nedeljiva komponenta koja sadrži jednu ili više neupravljivih ili bistabilno upravljivih jednosmernih provodnih puteva. 3.

Ispravljač (energetski) (elektronski) (551 – 02 – 02)

Elektronski pretvarač za ispravljanje. 4.

Ispravljanje (energetsko) (elektronsko) (551 – 01– 05)

Elektronsko pretvaranje naizmenične struje u jednosmernu. 5.

Pretvaranje (energetsko) (elektronsko) (551 – 01– 02)

Promena jedne ili više karakteristika nekog električnog energetskog sistema pomoću elektronskoh ventilskih komponenti, pri čemu je bitno da nema značajnijeg gubitka snage. Karakteristike električnog sistema su, na primer, napon, broj faza i frekvencija (uključujući frekvenciju nula).

Osnovne osobine energetskih elektronskih pretvarača: - pretvaranje karakteristika (parametara) električne energije (napona, struje, frekvencije, broja faza, faznog stava) - regulacija i upravljanje električnim parametrima pomoću digitalne elektronike – mikrokontrolera (μC), PLC-a ili DSP-a (u otvorenoj ili zatvorenoj petlji, samostalno ili u sklopu električnog pogona, galvanski izolovano) - pretvaranje bez (bitnih) gubitaka (na komponentama i u upravljačkom kolu) - za pretvaranje se koriste snažni poluprovodnici kao prekidači (diode, tiristora, tranzistori i dr) - pretvaranje se vrši bez emisije gasova, pojave otpadnih materija, bez vibracija, obrtnih sklopova i sa minimalnom ili potpuno bez buke.

6.2. Klasifikacija energetskih elektronskih pretvarača Energetski elektronski pretvarači (EeP) mogu se klasifikovati i sistematizovati na različite načine: prema primeni, prema toku energije, prema konstrukciji, prema izlaznim krakteristikama (karakteru potrošača) i prema ulaznim katakteristikama (karakteru izvora).

Prvi način – prema primeni (slika 6.2): - ispravljači (AC/DC)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

94

- invertori (DC/AC) - naizmenični pretvarači (AC/AC) – regulatori napona, pretvarači učestanosti (frekventni pretvarači), stabilizatori napona, matrični pretvarači i dr. - jednosmerni pretvarči (DC/DC): čoperi, napajači i dr.

~

=

1. Ispravljač

~

~

3. Pretvarač učestanosti, stabilizator napona i dr.

=

~

2. Invertor

=

=

3. Čoper

Slika 6.2 – Klasifikacija EeP prema primeni

Drugi način – prema toku energije (slika 6.3): - direktni (sa jednostrukim pretvaranjem): ispravljači, čoperi, invertori, naizmenični pretvarači - Indirektni (sa dvostrukim pretvaranjem): frekventni pretvarač, back-to-back pretvarači i dr. - Trostruki indirektni (sa višestrukim pretvaranjem): izolovani napajači

Treći način – prema konstrukciji: - bez međusobne komutacije (prosta kola, tranzistorski pretvarači) - sa prirodnom komutacijom – spolja vođeni (mrežni-ispravljači i invertori; i preko tereta - strujni invertori) - sa prinudnom komutacijom – samovođeni – čoperi, invertori, AC motori...

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

~

ispravljač

=

95 direktni pretvarač indirektni pretvarač trostruki ind. pretvarač

čoper

naizmenični pretvarač

~

= invertor

Slika 6.3 – Klasifikacija – prikaz toga energije

Četvrti način – prema izlaznim karakteristikama - karakteru potrošača: - strujni pretvarači: na izlazu je velika induktivnost, odnosno izlazna struja je kontinualna ili konstantna - naponski pretvarači: na izlazu je velika kapacitivnost, odnosno izlazni napon je kontinualan ili konstantan.

Peti način - prema ulaznim karakteristikama - karakteru izvora: - naizmenični pretvarači ili AC/x: izvor napajanja (napojna mreža) je naizmenična (AC), a pretvaranje se može vršiti u DC ili AC – isptavljači (AC/DC) ili naizmenični pretvarači (AC/AC) - jednosmerni pretvarači ili DC/x: izvor napajanja (napojna mreža) je jednosmerna (DC), a pretvaranje se može vršiti u AC ili DC – invertori (DC/AC) ili jednosmerni pretvarači (DC/DC)

6.3. Metode upravljanja energetskih pretvarača Savremene komponente energetske elektronike su uticale da se tehnika pretvaranja razvije od fazno upravljanih (ili linearnih), preko PWM (impulsno-širinsko upravljanje), ka pretvačima sa rezonantnim upravljanjem. Prve komponente su se jednostavno upravljale (gasile prirodnom komutacijom), ali je frekvencija rada mala, veliki gubici, veliki gabarit-fazno upravljani pretvarači. Povećanje frekvencije je neophodno radi smanjenja veličine, cene i boljih performansi pretvarača. Povećanjem frekvencije rastu i gubici, pa je neophodno koristiti snaber kola. Snaberom se smanjuju gubici na komponenti i njena temperatura, ali su ukupni gubici povećani. Ovu tehniku koriste PWM pretvarači.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

96

Razvojem brzih komponenti za rad na višim frekvencijama, veličina i gubici snabera su smanjeni. Čak je moguć rad i bez snabera, unutar SOA karakteristike. Gubici na prekidačkoj komponenti se mogu prektično eliminisati, ako se prekidanje vrši pri nultom naponu (ZVS = zero voltage switching) ili pri nultoj struji (ZCS = zero current switching). Ovo je moguće u rezonantnim i kvazi-rezonantnim pretvaračima. U tom slučaju ima se visoka efikasnost, smanjen hladnjak, poboljšana pouzdanost i rad bez snabera. Današnji trend u energetskoj elektronici je prelaz sa faznog upravljanja (pretvarač visokih snaga i manji – dioda, tiristor, trijak, GTO tiristor) na PWM upravljanje (pretvarač srednjih snaga i manji – BPT, MOS FET, IGBT i nove komponente), upravljanje sa više nivoa (multi level, uglavnom IGBT, MOS FET i nove komponente), odnosno na rezonantne pretvarače (pretvarači manjih snaga – MOS FET i nove komponente).

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

97

7. PROSTI PRETVARAČI (REŠAVANJE OSNOVNIH KOLA) Prosti pretvarači, odnosno osnovna kola u Energetskoj elektronici podrazumevaju izučavanje rada električnih kola u kojima se nalazi neki od snažnih poluprovodničkih prekidača u najjednostavnijoj funkcionalnoj konfiguraciji. Kao opterećenje koristiće se otpornici (R), koji predstavljaju ekvivalent za rezistivne potrošače, redna veza otpornika i induktivnosti (RL), koja reprezentuje elektromagnetne potrošače i paralelna veza otpornika i kapacitivnosti (RC), što je ekvivalentno kapacitivnim potrošačima ili savremenim elektronskim-računarskom uređajima napajanim iz AC mreže. Često, ova kola predstavljaju i najjednostavnija rešenja za odgovarajuću konverziju parametara električne energije i kao takva se primenjuju, bilo kao pojedinačna rešenja, bilo kao deo složenijih pretvaračkih šema.

7.1. Prosti pretvarači (osnovna kola) sa snažnim diodama Prosti pretvarači sa snažnim diodama javljaju se u kolima koja se napajaju iz naizmeničnih (AC) izvora. Dioda ima ispravljačku funkciju, odnosno AC/DC pretvarača, a primenjuju se za kola sa R i RL potrošačem. Ovde će se izučiti i slučaj RLE potrošača, gde je E ekvivalenta elektromotorna sila, koja se javlja kod DC motora. Moguće su primene i za kola sa jednosmernim (DC) napajanjem, ali je tada rad kola ograničen na prelazni period. U ovom pod-poglavlju će biti proučene obe varijante.

7.1.1. Diodni ispravljač sa R potrošačem i AC napajanjem (AC/DC pretvarač)

Prosti diodni ispravljač prikazan na slici 7.1.1 napaja otporni potrošač Rd. Napon i struja potrošača se obeležavaju sa indeksom „d“, što označava DC stranu pretvarača. Dioda provodi kada je napon na njoj pozitivan, odnosno veći od UDO. Međutim, u rešavanju ovog kola i svih narednih, zanemariće se realne osobine prekidača, radi jednostavnijeg matematičkog rešavanja ovih kola. Za dobijanje potpune, realne slike o radu ovih kola izvršiće se ispitivanje u laboratoriji u sklopu laboratorijskih vežbi. Na osnovu gornje pretpostavke, za napon potrošača može se napisati kao:

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

u  u d  Rd  id  0 

98

, 0  t   ,   t  2

(7.1)

gde je

u  2U sin t ,   2f

, ( f  50 Hz , U  220V )

(7.2)

Slika 7.1.1 - Dodni ispravljač sa R potrošačem.

Struja potrošača je:

 2U sin t , 0  t    u id  d   R R 0 ,   t  2  

(7.3)

Na slici 7.1.2 prikazai su talasni oblici napona i struje potrošača. Ovakav AC/DC pretvarač daje srednja vrednost napona potrošača u iznosu: 

T

U di 0

1 1 2U   udt  2U sin( t )d ( t )  (cos 0  cos  )  T0 2 0 2 U di 0 

2U  0 ,45U 

(7.4)

(7.5)

gde u Udi0 indeksi d, i, 0 označavaju DC stranu, idealan slučaj i nulti ugao upravljanja (paljenja) diode.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

99

7.1.2 - Napon i struja potrošača u kolu sa slike 7.1.1.

Srednja vrednost struje potrošača je:

Id 

U di 0 U   ,45 Rd Rd

(7.6)

Snaga potrošača je data sa:

U2 2 Pd  U di 0 I d  di 0  2 Rd 

U    Rd

2

 U   ,203     Rd

  

2

(7.7)

7.1.2. Diodni ispravljač sa RL potrošačem i AC napajanjem

Na slici 7.1.3 prikazana je električna šema ovog ispravljača. Osnovna jednačina za napon potrošača je:

u , 0  t   ,    did  u d  R  id  L  dt 0 ,   t  2 

(7.8)

gde je napon napajanja u dat sa (7.2), β ugao gašenja diode, a u rešavanju se polazi od pretpostavke da je struja potrošača u početnom trenztku id(0+) = 0, odnosno da nema

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

100

akumulirane energije u prigušnici L. Rešavanjem jednačine dobija se izraz za struju potrošača:

Slika 7.1.3 - Dodni ispravljač sa RL potrošačem.

did  t  dt   id t   I m  sint    sin   e   ,   u  2U sint  u  R  id  L

(7.9)

gde je:

0  t   Im 



Um  Z

(7.10)

2U R 2  L 

2



2U R 1   

2

L L L    arctg , tg    R R R

(7.11)

(7.12)

Struja je prisutna u potrošaču u periodu pozitivnog napajanja kola (pozitivne poluperiode napona napajanja), odnosno za interval 0  t   . Očigledno je da ugao β zavisi od induktivnosti potrošača L, odnosno od vremeske konstante potrošača τ. Na slici 7.1.4. prikazana je ova zavisnost kroz vremenski dijagram napona na potrošaču. Ako se analizira talsni oblik struje dat sa (7.2), vidi se da se radi o nelinearnom talasnom obliku, koji odstupa od sinusnog oblika (slika 7.1.5). Dioda će voditi u intervalu

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

101

0  t   , a ugao β zavisi od parametara potrošača. Za izračunavanje DC karakteristika potrošača neophodno je poznavati vrednost ugla β.

Slika 7.1.4- Zavisnost napona potrošača od vremenske konstante.

Slika 7.1.5 - Analiza struje potrošača.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

Ugao β određuje se iz uslova da je struja potrošača nula

102

id ( t   )  0 . Sada se

dobija:

i d ( t   )  0   sin    sin   e





0  

(7.13)

Ova jednačina nema eksplicitno rešenje, već se može rešiti grafički ili nekom numeričkom metodom.

Druga mogućnost je rešavanje primenom aproksimacija. Izraz (7.13) se može napisati kao:

 sin    sin   e S obzirom da je napisati kao:





(7.14)

    2 može se uvesti zamena β´= β-π . Sada je izraz (7.14) može

sin´   sin   e

´



(7.15)

Ako se u (7.15) izrazi koji sadrže ugao β razviju u Tajlorov red10, dobija se:

( ´  )2 n 1 sin´    ( 1 ) ( 2 n  1 )! n 0 

n

10

Tajlorovi razvoji u red za funkcije sinx i ex su: 

sin( x )   ( 1 )n n 0



ex   n 0

x 2 n 1 , xR ( 2n  1 )!

xn , xR n!

(7.16)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

103

Najgrublja aproksimacija se dobija ako se pretpostavi samo jedan član niza, tj. za n=0. Tada je:

sin´   ( ´  )

(7.17)

Ova aproksimacija je prihvatljiva za male uglove (β´-φ), odnosno za

0  ( ´  )   / 6 (greška je manja od 5%)

(7.18)

Desna strana jednačine (7.15)

( ´/  )n n! n 0 

e ´/   

(7.19)

Opet, za najgrublju aproksimaciju, koja se dobija ako se pretpostavi samo jedan član niza, tj. za n=0, dobija se:

e ´/   ´/ 

(7.20)

Ako se izrazi (7.17) i (7.20) uvrste u (7.15), dobija se:

( ´  )  sin   ( ´/  )

(7.21)

Sada se ugao β´ može dobiti (u približnom obliku) kao:

´ 

   tg      sin  tg  sin  1  cos 

Za male uglove φ (0< φ 2+, odnosno kontinualnu struju potrošača Kada provodi tiristor T (    min ) struja potrošača je data sa: t  t     E       id ( t )  I m sin( t   )  sin(    )  e  1    e   R  

 I min  e

(7.93)

t   

dok kad provodi zamajna dioda D2 struja je

id (t )  I MAX  e



t  

t   E     e  1 R  

(7.94)

I min , I MAX približno jednake strujama na krajevima poluperioda, s tim što je I   i1   dato sa (7.90).

gde su

Napon potrošača je

 u(t ) ,   t   ud   0 ,  < t  2 + 

(7.95)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

127

7.4. Komutacija tiristora Komutacija je prenošenje struje sa jedne paralelne grane na drugu, odnosno prevođenje tiristora iz isključenog stanja u uključeno i obrnuto. Ovde se radi o komutaciji jednog tiristora drugim, što je slučaj kod mrežnih ispravljača. Moguća je i komutacija između tiristora i diode, kao u tiristorsko-diodnim pretvaračima sa AC napajanjem. Međutim, u kolima sa jednosmernim napajanjem tiristor se ne može isključiti komandom, pa je potrebno pribeći prinudnom isključenju (prinudnoj komutaciji). Dakle, komutacija može biti: a) b)

prirodna (mrežna) prinudna (forsirana)

7.4.1. Prirodna, mrežna komutacija

Da bi se tiristor ugasio porebno je dovesti inverzni napon na njega. Promena mrežnog napona izaziva inverznu polarizaciju i komutaciju tiristora T1 (slika 7.4.1). Istovremeno, tiristor u narednoj grani, tiristor T2, postaje pozitivno polarisan i on se može uključiti, tj. on treba da preuzme struju. To je prirodna ili mrežna komutacija. Na slici 7.4.1. dat je primer za trofazni ispravljač. Napon na tiristoru, koji treba uključiti je dat sa (slika 7.4.1):

u k  u 2  u1  0

(7.96)

Dok je ispunjen uslov (7.96) moguće je upaliti T2, odnosno ugasiti T1. Kako su fazni naponi dati sa:

u1  2U sin t 2   u 2  2U sin t   3  

(7.97)

napon komutacije se može izračunati sa:

u K  R K 2 i2  LK 2

di 2 di  uT 2  uT 1  LK 1 1  R K 1i1  0 dt dt

(7.98)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

128

Slika 7.4.1 – Prikaz procesa tokom prirodne (mrežne) komutacije. Struja tokom komutacije je:

i K  i2 , i  i1  i2  const. Ako je

(7.99)

RK 1  RK 2  RK  0 , uT 1  uT 2 , tada je:

u K  R K i 2  i1   LK

d i 2  i1  d i 2  i  i 2  di  LK  2 LK K . dt dt dt

(7.100)

7.4.2. Prinudna komutacija (primer)

Kod DC/DC pretvarača neophodno je regulisati ugao vođenja prekidačke komponente, tj. tiristora, da bi se obezbedila regulacija izlaznog napona. Najjednostavnije kolo za prinudnu komutaciju, odnosno komutaciono kolo je oscilatorno LC kolo. Ono omogućuje efikasnu komutaciju (gašenje) tiristora, ali je vreme vođenja tiristora

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

129

definisano trajanjem polu-periode oscilatornog LC kola. To je nedostatak ovog rešenja, pa je potrebno složenije kolo za potpuno upravljanje paljenjem i gašenjem tiristora. Mešđutim, za objašnjenje principa prinudne komutacije, ovo je sasvim dovoljno. Na slici 7.4.2 predstavljeno je LC komutaciono kolo, a na slici 7.4.3 kompletan proces komutacije.

Slika 7.4.2 – Tiristorski DC/DC pretvarač sa LC kolom za prinudnu komutaciju tiristora. Osnovni elementi komutacionog kola su:

u K  uC f  C

(7.101)

1

(7.102)

2 LC I  tq

(7.103)

UC

iC  C

du C du I I  I C  const .  C  C  u C  C t  u C 0 dt dt C C

Za sve vreme komutacije struja

I  const.

(7.104)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

Slika 7.4.3 – Talasni oblici u komutacionom kolu tiristora.

130

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

131

8. ISPRAVLJAČI (AC/DC) 8.1 Definicija Ispravljači su sklopovi energetske elektronike, koji služe za pretvaranje naizmenične struje (napona) u jednosmernu – AC/DC. To je jedan od najčešće primenjivanih vrsta pretvarača i predstavljaju vezu između dva električna sistema – naizmeničnog i jednosmernog. U ispravljačima se najčešće koriste diode i takav jednofazni ispravljač je poznat kao Gretzov spoj. Osim dioda, koriste se i tiristori, kada je moguće regulisati veličinu (srednju vrednost) izlaznog napona. U slučaju da je potreban konstantan izlazni napon, na jednosmernoj (DC) strani ispravljača se povezuje kondenzator (C-filtar, za „peglanje“ napona, odnosno smanjivanje valovitosti). Radi prilagođavanja veličine (srednje vrednosti) DC napona često je potrebno pre ispravljanja smanjiti vrednost (efektivnu vrednost) naizmeničnog (AC) napona. Za tu svrhu se koristi transformator. Zbog specifičnih zahteva, takav transformator se naziva ispravljački transformator.

8.2 Vrste, klasifikacija: Osnovna podela ispravljača je na: 

Strujne - karakterišu se pretežno induktivnim potrošačem, konstantnom ili kontinualnom DC strujom i



Naponske – karakterišu se pretežno kapacitivnim potrošačem, odnosno konstantnim ili kontinualnim DC naponom.

Strujni ispravljači se mogu podeliti, klasifikovati po: 1.

2.

broju faza: -

monofazni (1~)

-

trofazni (3~)

-

višefazni (n-fazni, n~)

broju pulseva DC napona u periodi:

odnosno

V.A. Katić

3.

4.

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

-

jednopulsni (1p)

-

dvopulsni (2p)

-

tropulsni (3p)

-

šestopulsni (6p)

-

dvanaestopulsni (12p)

-

višepulsni (N-pulsni, Np)

132

po vrsti regulacije: -

neupravljivi (neregulisani - jedno-kvadrantni, diodni)

-

poluupravljivi (regulisani – jedno-kvadrantni, diodno-tiristorski)

-

punoupravljivi (regulisani – dvokvadrantni, tiristorski)

po konfiguraciji kola: -

prosta

-

sa srednjom tačkom

-

mostni

Sa ova četiri parametra moguće je definisati svaki strujni ispravljač, odnosno oni su dovoljni da odrede svaki ispravljač, njegovu konfiguraciju, električnu šemu i način upravljanja. Pored ovih kriterijuma, ispravljači se mogu razlikovati, podeliti i na sledeći način: 5.

po načinu komutacije: -

prirodna (mrežna) komutacija

-

prisilna, komutacija posebnim kolom

Naponski ispravljači se mogu podeliti na sličan način kao i strujni, osim što se podela po broju pulseva ne primenjuje. Takođe, naponski ispravljači se najčešće prave kao neupravljivi (diodni) – Gretzov spoj. U poslednje vreme, naponski ispravljači se prave sa puno-upravljivim prekidačima, odnosno sa snažnim tranzistorima. Ovakvi ispravljači imaju mogućnost bi-direkcionog rada i pogodni su za aktivne AC/AC sklopove, koji su poznati kao „Back-to-Back“ (B2B) pretvarači (sklop naponski Ispravljač-Invertor).

Primeri raznih vrsta strujnih ispravljača:

a) 1~, 1p, upravljivi, prosti ispravljač:

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

~

133

=

Slika 8.1 - 1~, 1p, upravljivi, prosti ispravljač

b) 1~, 2p, punoupravljivi/neupravljivi, ispravljač sa srednjom tačkom:

Slika 8.2 - 1~, 2p, punoupravljivi (levo) / neupravljivi (desno) ispravljač u konfiguraciji sa sa srednjom tačkom

c) 1~, 2p, neupravljivi/polupravljivi/punoupravljivi, mostni ispravljači:

Slika 8.3 - 1~, 2p, punoupravljivi (levo) / neupravljivi (desno), mostni ispravljač

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

134

Slika 8.4 - 1~, 2p, poluupravljivi, mostni ispravljač

d) 3~, 6p, upravljivi/polupravljivi, mostni ispravljači:

~ ~ ~

=

~ ~ ~

=

Slika 8.5 - 3~, 6p, punoupravljivi (levo) / poluupravljivi (desno), mostni ispravljač

Kod projektovanja (razmatranja) ispravljača u osnovi je potrebno odrediti njegove spoljne karakteristike (izlaz/ulaz, srednja vrednost izlaznog napona, efektivna vrednost ulazne struje), unutrašnje karakteristike (naprezanje komponenti), kao i snagu upotrebljenog transformatora u odnosu na jednosmernu snagu. Takođe, za rad je bitna i regulaciona karakteristika ispravljača, odnosno da li je ispravljač predviđen za dvosmerni ili jednosmerni tok energije.

8.3 Jednofazni ispravljač sa srednjom tačkom: Polazne pretpostavke: 1. Svi elementi u kolu su idealni, tj. zanemaruje se pad napona na komponentama, vodovima i potrošaču. 2. Transformator je idealan, odnosno predstavljen je samo prenosjnim odnosom 3. Potrošač je induktivnog karaktera, odnosmo može se smatrati da je struja potrošača

I d  const.

Ld   , pa je

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

135

Slika 8.6 – Šema jednofaznog ispravljača sa srednjom tačkom sa RL potrošačem.

Prednost: jednostavna šema, mali broj tiristora (jeftino) Mane: tiristor mora da bude za relativno veće napone jer se na njemu javlja dvostruki napon. Zato se ta sprega koristi za manje napone do 110 V.

Slika 8.7 – Talasni oblici ispravljača sa srednjom tačkom: a) ud; b)Id; c)IT1 d) IT2; e) ip.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

136

8.3.1. Ulazno/izlazne karakteristike

Srednja vrednost DC napona (napona potrošača): T

U di   U di 

1 1   u d (t )dt  2  T 0 2

 



2U s sin(t ) d (t ) 



2U s cos  cos(   ) 

(8.1)

2 2  U s  cos  

(8.2)

gde je Us efektivna vrednost ulaznog (AC) napona, a u izrazu za Udiα indeksi označavaju d - izlaznu, DC stranu, i - idealan slučaj, kada se zanemaruje uticaj komutacije, α - fazni ugao uključivanja tiristora.

Najveća vrednost izlaznog napona, odnosno napona potrošača je za

U dio 

  0:

2 2  U s  0.9  U s 

(8.3)

Srednja vrednost izlaznog (DC) napona je manja od efektivne vrednosti ulaznog (AC) napona U s ! Sada je :

U di 

2 2  U s  cos   U di 0 cos  

(8.4)

8.3.2. Naprezanje komponenti ispravljača:

Napon na tiristoru:

U TRRM  2 2U   2 2 Ako se uzme koeficijent sigurnosti od

 U d  U d 2 2

k  1,5  2,5 dobija se za (Us=230 V)

(8.5)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

U TRRM  kU d  975 V  1.625 V

137

(veliki napon!)

(8.6)

1 Id 2

(8.7)

Struja tiristora:

I TAV 

- srednja vrednost struje kroz tiristor:

- efektivna vrednost struje kroz tiristor: Frekvencija tiristora:

I TRMS 

T I 1 2 i dt  d  T 0 2

(8.8)

f=50 Hz

8.3.3. Proračun snage transformatora:

Snaga transformatora se računa kao:

S Tr 

1 S   S  , 2

(8.9)

gde je STr - snaga transformatora, S´ - snaga na primaru transformatora, a S" snaga sekundara. Sada je:

S Tr 

1 U I   2U I  , 2

(8.10)

gde su efektivna vrednost struje i napona:

I  

1 2

I d  I TrMS

U   f U d ,  0  U  

(8.11)

 U di 0 2 2

(8.12)

Sekundar transformatora se bifilarno mota, da bi se rasipanje, prilikom prelaza struje sa jednog na drugi, svelo na minimum. Za n = 1:

I   I d , U   U 

(8.13)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

1   1  S Tr   U di I d  2 U di Id   22 2 2 2 2  1   2     I d U di       1  Pd  1.34  Pd 2 2 2 2 4 2 

138

(8.14)

gde je Pd snaga potrošača. Mana: treba transformator za 34% veći od snage jednosmernog potrošača.

8.3.4. Uticaj komutacije tiristora

Komutacija predstavlja promenu stanja uključenosti snažne prekidačke komponente, u ovom slučaju tiristora, odnosno uključivanje ili isključivanje tiristora. Prilikom komutacije tiristora u ispravljaču struja prelazi iz jedne grane u drugu, odnosno dolazi do preuzimanja struje od tiristora jedne grane tiristorom druge grane. Problem, koji se javlja prilikom komutacija je potrebno vreme da bi izvršio ovaj proces, odnosno pojava kratkog spoja na ulazima ispravljača. Ako se ispravljač napaja preko transformatora, da bi se izbegao kratak spoj na transformatoru u kolo se dodaje komutaciona prigušnica

LC . Ona se vezuje na red sa transformatorom i ograničava

struju kratkog spoja zajedno sa induktivnošću rasipanja transformatora. Ta induktivnost LK  L  LC ograničava struju kratkog spoja, ali i umanjuje preformanse ispravljača. Na slici 8.8 predstavljeni su talasni oblici napona i struje potrošača sa prikazanim uticajem komutacije. Proračun komutacione prigušnice:

u1  u 2  2 LK

di di di  2LK  2( X   X C ) dt d t  d t 

X   L  gde je

U u KT I n

(8.15) (8.16)

X  - reaktansa rasipanja, U´ - nominalni napon, I n - nominalna struja, u KT -

svedeni napon kratkog spoja transformatora (%).

X 

U´ U  u KT  UK I´ n Id

(8.17)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

139

Slika 8.8 - Talasni oblici ispravljača sa srednjom tačkom u slučaju RL potrošača i ugla komutacije μ: a) u d ; b)

id ; c) it1 ; d) it 2 ; e) i p .

8.4 Jednofazni, mostni ispravljač Rad ispravljača se odvija tako da naizmenično provode tiristori T1 i T4 (pozitivna poluperioda napona izvora) i tiristori T2 i T3 (negativna polu-perioda napona izvora). Pri tome je struja potrošača približno konstantna, jer je pretpostavljeno da je induktivnost potrošača veoma velika.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

140

Slika 8.9 – Šema jednofaznog, punoupravljivog mostnog ispravljača.

Ako se zanemari utical komutacije, tj. ako je LC=0, dobijaju se sledeći talasni dijagrami napona i struje ovog ispravljača (slika 8.10). Ispravljač počinje da vodi u trenutku paljenja tiristora T1 i T4 sa faznim uglom α. Ovaj ugao se meri od trenutka prolaska napona kroz nulu, tj. od ωt=0. Zbog uticaja induktivnosti, tiristori (T1 i T4) će voditi sve dok se ne uključi drugi par tiristora (T2 i T3) u π+α. Može se primetiti da se srednja vrednost izlaznog napona umanjuje kako ugao α raste. Ulazna struja je jednaka struji sekundara transformatora. Talasni oblik struje je isti i ne zavisi od ugla uključenja tiristora α.

8.4.1. Ulazno/izlazne karakteristike

Srednja vrednost DC napona:

U di

1  2 2

 



2U S sin td t  



U di  U di 0 

2U S cos   cos    

2 2 U S cos  

2 2 Us 

(8.18)

(8.19)

(8.20)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

141

Slika 8.10 - Talasni oblici napona i struje mostnog ispravljača u slučaju RLE potrošača.

Ako se ova konfiguracija uporedi sa onom sa srednjom tačkom, vidi se da se dobija manje naponsko naprezanje komponenti, manji transformator (samo jedan sekundar), manja snaga transformatora u odnosu na snagu potrošača, ali je potreban veći broj tiristora i složenije upravljanje.

8.4.2. Karakteristika regulacije

Puno-upravljivi ispravljači funkcionišu na bazi fazne regulacije, gde se regulacija ostvaruje promenom ugla uključivanja α. Iz izraza za srednju vrednost potrošača vidi se da je funkcija regulacije kosinusna, odnosno da je:

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

U di  cos  U di 0

142

(8.21)

Vidi se da se radi o kosinusnoj funkciji regulacije, što znači da kolo radi u ispravljačkom i invertorskom režimu (I i II kvadrant).

8.4.3. Naprezanje komponenti ispravljača:

Napon na tiristoru: Ispravljač daje istu srednja vrednost napona na izlazu, ali su naprezanja tiristora manja od onih u konfiguraciji sa srednjom tačkom:

U RRM  2U S  2 

 2 2

U dio 

 U dio ! 2

(8.22)

Strujna naprezanja tiristora su ista:

I Tsr 

I Tef  Frekvencija tiristora:

Id 2

(8.23)

Id 2

(8.24)

f=50 Hz

8.4.4.Proračun snage transformatora:

Sada je potrebna snaga transformatora manja, jer je potreban jedan sekundar transformatora i to sa naizmeničnom strujom. Ipak, zbog izobličenja struje (pravougaoni oblik), tj. prisustva viših harmonika, snaga transformatora je i dalje veća od snage potrošača:

S TR 

1 S   S   1 U I   U I   U I    U dio  I d 2 2 2 2

STR 

  Pd  1,11 Pd 2 2

(8.25)

(8.26)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

143

8.5. Jednofazni, mostni polu-upravljivi ispravljači

Polu-upravljivi ispravljači u mosnoj konfiguraciji se sastoje od 2 tiristora i 2 diode. Raspored tiristora i dioda može biti različit, pa se razlikuju: – nesimetrično poluupravljivi – simetrično poluupravljivi

8.5.1. Ulazno/izlazne karakteristike

Na slici 8.11 prikazane su električne šeme za obe konfiguracije, a na slici 8.12 talasni oblici napona i struja. Može se primetiti da je izlazni napon istog oblika, pa su izlazne karakteristike iste za obe šeme. Isto važi i za ulaznu struju, odnosno za talasni oblik i efektivnu vrednost struje sekundara ispravljačkog transformatora. Međutim, kod nesimetrično polu-upravljive konfiguracije strujno naprezanje dioda i tiristora je različito, dok je kod simetrične isto.

a)

b)

Slika 8.11 - Dve šeme poluupravljivog, mostnog ispravljača. a) nesimetrično poluupravljiv i b) simetrično poluupravljiv.

Za obe poluupravljive šeme je: - srednja vrednost napona potrošača: 

U di 

1 2 2 1  cos  2U s sin td( t )  Us    2

(8.27)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1 U di 0 

144

2 2 Us 

(8.28)

- efektivna vrednost struje sekundara:

I s ,eff .  I d

 , Ako je   0 : I s ,eff .  I d 

a)

(8.29)

b)

Slika 8.12 - Talasni oblici napona i struja ispravljača. a) nesimetrično poluupravljiv i b) simetrično poluupravljiv 8.5.2. Karakteristika regulacije Poluupravljivi ispravljači funkcionišu na bazi fazne regulacije, gde se regulacija ostvaruje promenom ugla uključivanja α. Iz izraza za srednju vrednost potrošača vidi se da je funkcija regulacije kosinusna, odnosno da je:

U di 1  cos   U di0 2

(8.30)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

145

Vidi se da se radi o funkciji “podignuti” kosinus, što znači da kolo radi samo u ispravljačkom režimu (I kvadrant).

8.5.3. Naprezanje komponenti ispravljača:

Nanponsko naprezanje tiristora, isto je za obe šeme. Maksimalni ponovljivi inverzni napon na tiristoru je:

U TRRM  2U s  2



 U di0  U di0 2 2 2

(8.31)

Ako se pretpostavi koeficijent sigurnosti k=1,5 ÷ 2,5, napon za nabavku realnog tiristora iznosi:

 U TRRM  k U di 0 2 Za k=2:

 U TRRM  2 U dio  U dio 2

(8.32)

veliki napon!

Strujno naprezanje tiristora se daje kroz srednju i efektivnu vrednost: - Srednja vrednost struje kroz tiristor je:

I TAV 

1 Id 2

(8.33)

- Efektivna vrednost struje kroz tiristor je:

I TRMS  Frekvencija tiristora je:

T I 1 2 i dt  d  T 0 2

(8.34)

f=50 Hz

8.6 Uticaj nelinearnog rada ispravljača – viši harmonici Usled prekidačkog rada komponenti ispravljača i približno konstantne struje potrošača, dolazi do odstupanja ulazne struje od sinusnog talasnog oblika, odnosno do odstupanja izlaznog napona od jednomerne vrednosti. Ova odstupanja predstavljaju pojavu viših harmonika ulazne (AC) struje i izlaznog (DC) napona. Na slici 8.13 predstavljeni su talasni oblici struje i napona za α=0.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

Harmonici struje



AC/DC

146

 Harmonici napona

Slika 8.13 – Ulazna struja (levo) i izlazni napon (desno) ispravljača.

Talasni oblici ulazne struje (struje sekundara transformatora) i izlaznog napona (napona potrošača) prikazani na slici 8.13 mogu se predstaviti sledećim matematičkim izrazima: 

i S   2 I n sin nt   a  n 1

(8.35)



U d  U do   2U dh sinht   h  h2

(8.36)

gde je n=1,3,5,7,... redni broj harmonika struje, h=2,4,6,.. redni broj harmonika napona.

Ako je

  0 dobija se: 

i S  2 I 1 sin t   1    2 I n sin nt   n 

(8.37)

n 3

 2   U d  U do 1   2 cos2ht   h   h 1 4h  1 

(8.38)

odnosno:

4Id 4I 1 sint  1   d  sin3t   3   ...   3

(8.39)

2  2  U d  U do 1  cos2t   2   cos4t   4   ... 15  3 

(8.40)

iS 

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

147

s obzirom da je: Prvi harmonik AC struje

I1 

4Id 2



Nulti harmonik (sred. vred.) DC napona:

2 2 Id 

U do 

2 2 US 

(8.41)

8.6.1. Pojedinačna harmonijska distorzija

Harmonici struje i napona se razlikuju. Kod AC struje postoje samo neparni harmonici tj. n= 3,5,7,9,....(samo neparni harm.), a kod DC napona postoje samo parni harmonici, tj. h)2,4,6, ..(samo parni harm.) DC napona. Pojedinačna (individualna) harmonijska distorzija AC stuje, odnosno DC napona definisana je kao:

HDn I ac  HDhU dc 

In 1  100%   100% I1 n

(8.42)

U dh 2  2 U do 4h  1

(8.43)

8.6.2 Ukupna harmonijska distorzija

Ukupna harmonijska distorzija AC struje i DC napona je definisana sa: 

I

THDI ac 

n2



2 n

I 12

 100%

THDU dc 

U h2

U do2

2 dh

 100% (8.44)

odnosno

THDI ac 



 HD I n2



n ac

1   2 n2 n

THDU dc 

2 U def

U do2

 1  100% (8.45)

Ukupna harmonijska distorzija AC struje se može izraziti sa:

THDI ac 

I ef2  I 12 I 12

 100 

I ef2 I 12

 1  100% (8.46)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

148

Ukupna harmonijska distorzija DC napona je sada:

U def  U S , U do 

2 2 U S 

(8.47)

odnosno

1

THDU 

2 2     

2

 1  100  48.3% !

(8.48)

S obzirom da je:

I ef  I d

I1 

1

(8.48)

4 2 2  Id   Id  2  

(8.49)

Ukupna harmonijska distorzija struje je:

I d2

THDI ac 

2

2 2  2      Id  

 1  100 %   (8.50)

2

       1  100 %   48 ,3 %  2 2  Vidi se da se javlja veliko harmonijsko izobličenje i napona i struje!

8.7. Faktor snage Faktor snage se definiše sa : 

P   S

U h 1

I cos h

h h

U ef  I ef

(8.51)

gde je pretpostavljeno da su napon i struja izobličeni, tj. da sadrže više harmonike. U gornjem izrazu h je red harmonika, a P i S su aktivna i prividna snaga definisani kao:

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

 1 1 P   p (t )  dt   u  i dt  U h I h cos  h T0 T0 h 1 T

149

T

(8.52)



u   2U h sin ht   h  h 1

(8.53)



i   2 I h sin ht   h  h 1

S  U ef  I ef 

(8.54) 

U n 1

2 n

Ako se pretpostavi da je u (8.53)  h





I h 1

2 h

(8.54)

 0 onda je



P   U h I h cos  h .

(8.55)

h 1

Obično je izobličenje mrežnog napona vrlo malo, pa se može pretpostaviti da je napon čista sinusoida, tj. da je: 

u   2U h sin ht   h   2U 1 sin(t ) h 1

(8.56)

Sada je:

P  U 1 I 1 cos1

(8.57)

pa se faktor snage može napisati kao:

 Sada je

U 1 I 1 cos 1 U 1 I 1 cos 1 I   1 cos 1 U ef I ef U 1 I ef I ef

(8.58)

cos1  faktor pomeraja = faktoru snage u kolima sa sinusnom strujom.

U kolima sa sinusnom strujom i naponom faktor snage je

  cos 

(8.59)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

150

Kako je: 



h2

h2

2 2 2 2 I ef  I 12   I h2  I dist .   I h  I ef  I 1

(8.60)



THDI 

I h2

I

2 h

2 1

i HDh 

Ih I1

(8.61)

dobija se faktor snage preko harmonijskih parametara:





cos 1 1  THD 2 I

(8.62)

Za monofazni ispravljač je:



2 2 cos 1 

(8.63)

8.8. Trofazni ispravljači Danas se ova vrsta ispravljača načešće primenjuje u industriskim elektro-motornim pogonima gde je potrebno fino regulisanje brzine. Takođe, primenjuju se i u električnoj vuči, pre svega u željeznici. Novije aplikacije su u obnovljivim izvorima električne energije (asinhroni generator sa namotanim rotorom), jednosmernom prenosu visokog napona (High Voltage DC - HVDC) is dr. Opšta šema primene ovog ispravljača obuhvata i povratne sprege za regulaciju i to po brzini i struji. Dele se u tri grupe: -

3-tro pulsni, sa srednjom tačkom 6-to pulsni, mosni 12-to pulsni, serijska veza dva šestopulsna ispravljača

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

151

Slika 8.14 – Opšta šema aplikacije ispravljača sa upravljačko-regulacionim kolom.

8.9. Trofazni, tropulsni ispravljač sa srednjom tačkom Na slici 8.15 i 8.16 prikazana je električna šema trofaznog, tropusnog, punoupravljivog ispravljača sa srednjom tačkom, koji napaja RLE potrošač. Pretpostavlja se da je induktivnost potrošača veoma velika (osobima jednosmernih motora), tako da je struja potrošača približno konstantna. Takođe, ispravljač je vezan za trofazni transformator, koji može biti povezan u spregu Δ/Y ili Y/Y, tako da se negativan kraj ispravljača vezuje za zvezdište sekundara transformatora. Na slici 8.16 prikazani su talasni oblici izlaznog napona (napona potrošača) i struje, kao i ulazne struje, tj. struje sekundara transformatora. Ispravljač radi sa faznom regulacijom, a na slici je prikazana vrednost faznog ugla α. Pri tome, uva žen je proces komutacije (uzeto je LC≠0), koji se odvija tokom komutacionog ugla µ. Može se uočiti da u izlaznom naponu postoje 3 pulsa. Takođe, vidi se da se zbog komutacije menja talasni oblik, što rezultira umanjenom srednjom vrednošću izlaznog napona. Maksimalna vrednost izlaznog napona dobija se za α=0, što odgovara slučaju neupravljivog (diodnog) ispravljača.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

Slika 8.15 – Trofazni, tropulsni, punoupravljivi ispravljač sa srednjom tačkom.

Slika 8.16 - Napon i struja potrošača i struja sekundara faze 1.

152

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

153

8.9.1. Ulazno/izlazne karakteristike

Ako se zanemari uticaj komutacije, odnosno ako se pretpostavi da je LC=0, dobija se:

U d  f  

(8.64)

Kod trofaznih ispravljača ugao uključenja se određuje od trenutka prirodne komutacije komponenata (dioda), tj. od π/6. To znači da je koordinatni početak za matematički izraz napona izvora pomeren u desno za π/6, odnosno da napon izvora treba predstaviti sa:

  u s  2U s sin t   6 

(8.65)

Tada je srednja vrednost napona potrošača:

U di

1  3 2 

U di  

2 

 

3

  2U s sin t  d t   6 

3 2  2     U S cos(   )  cos(    ) 2 6 3 6  

(8.66)

3 2  5    U S cos(   )  cos(   )  2 6 6   3 2    / 6    5 / 6    / 6    5 / 6    U S  2 sin sin   2 2 2 

3 2 3 2 3  U S  2 sin   / 2  sin(   / 3 )  U S 2 cos   2 2 2 3 6   U S cos  2 

Maksimalna vrednost izlaznog napona se dobija za α=0:

(8.67)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

154

3 6  U S  1,17  U S 2

(8.68)

U di 0 

Efektivna vrednost ulazne struje (struje sekundara transformatora) je:

Is 

1 2

 /3

2  I d d (t )  0

Id 3

(8.69)

8.9.2. Naprezanje komponenti ispravljača:

Naprezanja tiristora su:

U RRM  2 3U S

I Tsr 

I Tef 

Id 3

Id 3

(8.70)

(8.71)

 I Sef (8.72)

8.9.3 Regulacija izlaznog napona

Izlazni napons se reguliše na bazi fazne regulacije, promenom ugla uključivanja tiristora α. Regulaciona funkcija je cosinusnog tipa i data je sledećim izrazom:

U di 

3 6  U S cos  2

(8.73)

Na slici 8.17 predstavljena je funkcija regulacije ovog ispravljača. Vidi se da ispravljač radi u dva režima: ispravljačkom (0 < α < π/2) i invertorskom (π/2 < α < π). U ispravljačkom režimu energija ide od izvora (AC strana) ka potrošaču (DC strana). U slučaju da je potrošač DC motor, električna energija se pretvara u kinetičku. U invertorskom režimu, energija se iz potrošača vraća u izvor, odnosno kinetička energija motora se pretvara u električnu (rekuperacija).

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

155

Slika 8.17 – Funkcija regulacije izlaznog napona.

Opseg regulacije izlaznog napona je: 0 < α < αMAX. Međutim, ne može se iskoristiti kompletan opseg, jer je potrebno ostaviti vreme za gašenje tiristora – ugao δ. sada je maksimalni ugao regulacije:

 MAX     ,

(  je ugao

gašenja) Obično je

  t q  10 ( tq

 500s )

gde je tq vreme oporavka tiristora.

 ograničava  , jer se pri velikom  tiristor pali u uslovima negativnog faznog napona. U ispravljačkom ređimu t q nije kritično, jer je napon na U invertorskom režimu tiristoru pozitivan.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

156

Slika 8.18 – Funkcija regulacije izlaznog napona uz uticaj ugla gašenja tiristora.

8.9.4. Proračun snage transformatora:

Transformator: ispravljački – obično sa velikom rasipnom induktivnošću ili se dodaje komutaciona prigušnica bez transformatora (direktno na mrežu), ali tad se mora dodati komutaciona prigušnica

Snaga transformatora je:

S TR 

1 2



3U e I e  3U eI e

 (8.74)

Ako je sprega trofaznog transformatora trougao-zvezda (D/Y), tada su struja primara i sekundara transformatora iste po talasnom obliku, dok je struja mreže drugačija. Na slici 8.19 prikazane su ove struje - uočava se nelinearni karakter struje, koju ispravljač povlači iz mreže. Za proračun snage transformatora potrebno je odrediti efektivene vrednosti struja i napona na sekundaru i primaru transformatora:

I e 

I e 

Id 3

, U e 

3U S

2 I d , U e  U S 3

(8.75)

(8.76)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

157

Slika 8.19 – Talasni oblici struje transformatora i ulazne struje mreže (dole).

Sada je snaga transformatora:

S TR 

Id   3 2 3 2 U S  I  3 U   1  U S I d d S   2  3 3 2  3 

(8.77)

Kako je:

U dio 

3 6 2 US  US  U dio 2 3 6

(8.78)

dobija se:

3  2  2 2  2      1  U I   1  Pd dio d 2  3  3 6 6  3   1,345  Pd

S TR 

Ako se ispravljač posmatra sa strane mreže, onda je prividna snaga data sa:

(8.79)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

S mr  3U l I l  3  U S  

158

2 2  Id  2  U dio I d  3 3 6

2  Pd  1,21  Pd 3 3

(8.80)

8.10. Izvođenje opštih izraza ispravljača Polazeći od primera trofaznog, tropulsnog, punoupravljivog ispravljača (slika 8.20), potrebno je izvesti opšte oblike izraza za određivanje ključnih parametara svih vrsta ispravljača. Uslovi: 1. struja kontinualna 2. sve komponente idealne

Slika 8.20 – Trofazni, tropulsni, punoupravljivi ispravljač u konfiguraciji sa srednjom tačkom.

8.10.1. Rad kola pri

LC  0

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

159

Slika 8.21 – Talasni oblici napona i struje potrošača.

Srednja vrednost izlaznog (DC) napona se može izvesti iz opšteg izraza:

U di 

p 2

  p



2U S cost d t   2U S

   p

       sin      sin       p p   p 

p p    p p    2U S  2 cos   2U S sin cos  2 2  p

(8.81)

gde je p broj pulseva izlaznog napona. Sada je opšti izraz za srednju vrednost izlaznog napona:

sin U di  2U S

odnosno

 p

 p

 cos  (8.82)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

sin

U di  U dio cos

U di 0  2U S

160

 p

 p

(8.83)

Za različite tipova ispravljača (dvo-pulsni, tro-pulsni i šestopulsni), maksimalna vrednost izlaznog napona je: p

2

3

6

U dio

0.9US

1.17 US

2.34 US

8.10.2. Rad ispravljača pri

LC  0

Za analizu treba posmatrati talasne oblike izlaznog napona, ali tako da se koordinatni početak pomera sa tačke prirodne komutacije na sredinu jednog pulsa. Na slici 8.22 pokazana je ova nova referenca za izvođenje opšteg izraza. Sada je srednja vrednost izlaznog napona sa uvažavanjem uticaja komutacije data sa:

U d  U di  U dLC

U dLC

p  2

 





(8.84)

di  p LC T 2 d t    dt  2

Id

 L di C

C



0

XC  Id 2 p

(8.85)

Iz prethodne dve jednačine se dobija:

U d  U di 

X C Id  2U S 2 p

sin

 p

 p

 cos  

X C Id 2 p

(8.86)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

161

Slika 8.22 – Kad ispravljača u uslovima komutacije. 8.10.3. Određivanje ugla komutacije 

Radi određivanja ugla komutacije μ, potrebno je rešiti jednačine za napon tokom komutacije:

u S 2 t   u S 1 t   LC

diT 2 di  LC T 1 , dt dt

iT 1  iT 2  I d , iT 1  I d  iT 2 Sada je:

(8.87)

(8.88)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

162

  di 2    2U S cos t     2U S cos t    2 LC T 2 p p p dt  

(8.89)

Ako se razlika dve kosinusne funkcije predstavi u obliku proizvoda, dobija se:

2    2      t    t    t    t  di p p p  p p p  2 2U S sin sin  2 LC T 2     2 2 dt        

  di  2U S sin t sin    LC T 2 dt  p

(8.90)

(8.91)

Sad se dobija:

LC

  diT 2  2U S sin t sin  dt  p

Srednja vrednost pada napona na

U dLC

p  2

p 2



 





LC je:

di p LC T 2 d t   dt 2

2U S sin

(8.92)

 



2U S sin t sin



 cos  cos    p

 d t   p

(8.93)

odnosno:

U dLC 

1 p  2U S sin cos  cos    2  p

(8.94)

ili:

1 U dLC  U dio cos   cos    2

(8.95)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

163

Napona tokom komutacije je dat sa:

u d  u S 1  LC

diT 1 di  u S 2  LC T 2 dt dt

(8.96)

 2    u d  2U S cos t     2U S sin t sin  p p p   2U S cost cos  2U S cos

    2U S sint  sin  2U S sint  sin  p p p

 cos t p

(8.97)

Iz izraza (8.95) se može dobiti vrednost ugla komutacije kao:

 2U    arccos d  cos     U di 0 

(8.98)

Daljim izvođenjem, dobija se:

 6X C Id   arccos cos  3U s 

    

(8.99)

odakle se vidi da ugao komutacije ne zavisi od induktivnosti potrošača, već od komutacione induktivnosti, struje potrošača, napona sekundara transformatora i faznog ugla α.

8.10.4. Uticaj komutacije:

Na slici 8.20 prikazan je uticaj procesa komutacije na talasni oblik izlaznog napona, kao i na struje pojedinih tiristora. Vidi se da dolazi do smanjivanja srednje vrednosti izlaznog napona u periodu komutacie (μ je ugao komutacije i obično iznosi 5-10º). Iz izraza (8.85) može se izračunati iznos ovog smanjenja za tropulsni ispravljač (p=3):

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

U SR  U d  U di 

X C Id 3 3   X C Id  LC I d  3 fLC I d 2 2 2 p

164

(8.100)

Vidi se da ovo smanjenje zavisi od komutacione induktivnosti LC i iznosa struje potrošača.

Slika 8.23 – Uticaj komutacije na izlazni napon i struju tiristora.

8.10.5. Spoljna karakteristika – karakteristika opterećenja

Karakteristika opterećenja ili U-I karakteristika predstavlja ključnu spoljnu karakteristiku svakog pretvarača. Karakteristika jednog ispravljača data je na slici 8.24 punom linijom. Isprekidanim linijama predstavljeni su segmenti ove karakteristike, koji su poslužili za određivanje njenog krajnjeg oblika.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

165

Slika 8.24 – Spoljna karakteristika ispravljača.

8.11. Trofazni, šesto-pulsni, mostni ispravljač Trofazni mostni ispravljač se najčešće reće u regulisanim pogonima u industriji. Da bi se izlazni napon prilagodio nominalnom naponu jednosmernog motora sa nezavisnom pobudom, na ulazu ispravljače se stavlja ispravljački transformator. Ovaj transformator je obično spregnut u vezu trougao-zvezda (D/Y), čime se smanjuje nivo generisanih viših harmonika u mrežu i obezbeđuje pravilna komutacija tiristora. Radi sigurnijeg rada i manjig naprezanja tokom komutacije u kolo se ubaciju i komutacione prigušnice (LC). Pri analizi rada, prvo se pretpostavlja idealna situacija da se komutacija odvija trenutno, tj. da le LC=0, a nkon toga se posmatra uticaj komutacije. Treba, napomenuti da ugao komutacije (μ) ne zavisi od induktivnosti potrošača, nego isklju čivo od komutacionog kola, tj. od ukupne induktivnosti u komutacionom kolu: Lcom= LC+Lσ, gde je Lσ rasipna induktivnost transformatora. Trofazni mostni ispravljač se može posmatrati kao dva tropulsna ispravljača, gde jedan predstavljaju tiristori gornje polovine mosta (T1, T2, T3), a drugi donje polovine mosta (T4, T5, T6). Sada je napon na izlazu ispravljača definisan razlikom izlaznih napona ova dva ispravljača: napon UdI=Ud(AZ) je izlazni napon prvog 3p, ispravljača, dok je napon UdII = Ud(ZB) izlazni napon drugog 3p, ispravljača. Sada je:

Ud=UdI - UdII = Ud(AZ) – Ud(ZB)

(8.101)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

166

Izlazni napon prvog ispravljača Ud(AZ) je predstavljen anvelopom pozitivnih vrednosti faznih napona (vidi sl. 8.25), a izlazni napon drugog ispravljača Ud(ZB) je predstavljen anvelopom negativnih vrednosti faznih napona. Sada je izlazni napon 6p ispravljača u stvari anvelopa odgovarajućeg međufaznog napona, odnosno međufaznog napona onih faza čiji su tiristori aktivni.

Slika 8.25 - Trofazni, šestopulsni, punoupravljivi ispravljač.

Rad ispravljača odvija se u 12 ciklusa (stanja), gde ili vode dva tiristora (jedan iz gornje i jedan iz donje polovine mosta) ili je u toku komutacija, tj. prelazak struje sa jednog tiristora na drugi iste polovine mosta, dok tiristor iz suprotne polovine nastavlja sa radom. U tabeli 8.1 su predstavljena sva stanja u kolu, s tim da svako stanje predstavlja različito strujno kolo, odnosno zajedno predstavljaju prostor stanja u kom je opisan rad ispravljača (uključeno stanje tiristora je predstavljeno sa „1“, a isključeno sa „0“) .

Tabela 8.1 – Pregled stanja rada ispravljača Stanje Proces

T1 T2 T3 T4 T5 T6

1

Vođenje (T1,T5) 1

0

0

0

1

0

2

Komutac.

1

0

0

0

1

1

3

Vođenje (T1,T6) 1

0

0

0

0

1

4

Komutac.

1

0

0

0

1

1

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

5

Vođenje (T2,T6) 0

1

0

0

0

1

6

Komutac.

0

1

0

1

0

1

7

Vođenje (T2,T4) 0

1

0

1

0

0

8

Komutac.

0

1

1

1

0

0

9

Vođenje (T3,T4) 0

0

1

1

0

0

10

Komutac.

0

0

1

1

1

0

11

Vođenje (T3,T5) 0

0

1

0

1

0

12

Komutac.

0

1

0

1

0

1

167

Slika 8.26 - Talasni oblici napona i struja

8.11.1. Ulazno/izlazne karakteristike

Srednja vrednost izlaznog napona se može odrediti korišćenjem opšteg obrasca na dva načina:

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

168

a) preko veze 2 tropulsna ispravljača (p=3):

sin U di  2  2U S

 2  2U S

 p

 p

cos   2  2U S

sin  3

 3 cos  

3 3 3 6 cos   U S cos   2 

(8.102)

Maksimalni izlazni napon se dobija za α=0

U dio 

3 6 US 

(8.103)

odnosno, srednja vrednost izlaznog napona se može napisati kao:

U di  U di0 cos 

(8.104)

b) preko opšte formule za šestopulsni ispravljač (p=6): U ovom slučaju se u opštoj formuli umesto maksimalne vrednosti faznog napona (

2U S ), mora staviti maksimalna vrednost međufaznog napona ( 2 3U S ). Sada je:

U di  2 3U S



 6 cos   2 3U 6 1 cos   S   2 6

sin

3 6 U s cos  

(8.105)

Efektivna vrednost struje sekundara transformatora je (vidi sl.8.26):

I sef  2

1 2

2 / 3

I 0

2 d

d ( t )  I d 2

1 2 2  Id 2 3 3

(8.106)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

169

8.11.2. Naprezanje komponenti ispravljača:

Naprezanja tiristora su:

U RRM  2 3U S

I Tsr 

I Tef 

(8.107)

Id 3

Id 3

(8.108)

 I Sef (8.109)

8.11.3. Proračun snage transformatora:

Snaga transformatora je data sa:

STR 

1 2





3U e I e  3U eI e  3U eI e (8.110)

Zamenom se dobija:

STR  3 3U S I d 

2    6  U di 0 I d  U di 0 I d  3 3 3 6

  Pd  1,05  Pd 3

(8.111)

Vidi se da je sada snaga transformatora najbliža snazi potrošača, što ukazuje da je ovo rešenje ispravljača najekonomičnije do sada.

8.11.4. Viši harmonici struje i napona Za trofazni punoupravljivi, mostni ispravljač (slika 8.25), neka je LC=0 i Id=const. Talasni oblici napona i struja sa izraženim izobličenjima prikazani su na slici 8.26. Pojava viših harmonika se može izučiti analizom signala pomoću Furijeovih redova. Svaki periodični signal se može razviti i Furijeov red:

V.A. Katić y t  

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1  A0    An cos nt   Bn sin nt 2 n 1 n 1

170

(8.112)

gde su koeficijenti dati sa: 2

2 An  y t cos nt d t  2 0

2 Bn  2

2

 yt sin nt d t  0

(8.113)

a srednja vrednost (nulti harmonik) sa: 2

A0  2

1 y t  cos t d t  2  0

(8.114)

8.11.4.1. Viši harmonici ulazne struje S obzirom na osobine talasnog oblika struje mreže (slika 8.26): 1.

to je neparna funkcija

f  x    f x 

2.

polutalasno je simetrična:

f x  T / 2   f x 

za pojedine koeficijente se dobija:

An  0, Bn  0

n  2, 4, 6, ...

Talasni oblici ulazne i izlazne struje trofaznog mostnog ispravljača, predstavljeni na slici 8.26, mogu se izraziti sa:  / 6    t  5 / 6    Id ,  i S 1 (t )   0 , 5 / 6    t  7 / 6    11 / 6    t  13 / 6    I , 7 / 6    t  11 / 6    d

idc (t )  id (t )  I d  const.

(8.115)

(8.116)

odnosno postoje samo neparni harmonici. Sada se talasni oblik struje mreže može izraziti u obliku sume harmonika: 

iS 1 t    2 I n sin nt   n  n 1

(8.117)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

171

gde je efektivna rednost n-tog harmonika data sa:

In 

2 2 sin( n / 6 )  Id  , n  6 k  1 , k  0 ,1,2 ,... (8.118) 3 n / 6

Sad je efektivna vrednost prvog i n-tog harmonika, odnosno izraz za individualnu harmonijsku distorziju struje:

 2 2 Id  In 1    ,   HDiac  I1 n 2 2 1  In   Id  n  I1 

(8.119)

gde je n red harmonika. Za monofazne ispravljače n = 1, 3, 5, 7, ..., dok kod trofaznih ispravljača n = 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19, ... Na slici 8.27 prikazan je harmonijski spektar ulazne struje za trofazni ispravljač. Ukupna harmonijska distorzija je data sa:

THDiac 



 HD i 2

n2

ac





1

n n2

2

(8.120)

8.11.4.2. Viši harmonici izlaznog napona

Talasni oblik izlaznog (DC) napona prikazan je na slici 8.26. Razvojem u Furijeov red, trenutna vrednost izlaznog napona može se predstaviti kao: 

u d t   U di   2U ndc sin nt   n , n 6

n  kp (8.121)

Srednja (DC) vrednost izlaznog napona (Udiα) definisana je sa (8.81), ali se može dobiti i korišćenjem Furijeovih koeficijenata

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

172

Slika 8.27 – Harmonijski spektar ulazne struje ispravljača.

U di 

A0 1 p  2 2 2 2

 2

  p



2U S cos t d t  

   p

      p U S  sin     sin     2   p   p 

U di  2U S

p  sin cos   U dio cos   p

Furijeovi koeficijenti za harmonike izlaznog DC napona su:

An  2



p 2

p 2U S 

  p



2U S cost  cosnt d t  

   p   p

1  2 cos1  n t  cos1  n t d t  

   p

(8.122)

(8.123)

V.A. Katić



ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

 1       p 2 US  sin 1  n      siin1  n        2 p   p  1  n       1   sin 1  n      sin 1  n       ... 1 n  p  p   An  Bn

 1K U 1  n  cos1  n   1  n  cos1  n   dio 2

1 n

K 1   1  U dio 1  n sin 1  n   1  n sin 1  n   2

1 n

173

(8.124)

(8.125)

(8.126)

Sada se za više harmonike DC napona (efektivna vrednost )dobija:

U ndc 

Primer: U 6 dc

1  n 2  1  n 2  21  n 2 cos 2

2U dio 2 n2 1





(8.127)

0.04U dio ,   0    0.24U dio ,   2 

Pojedinačna harmonijska distorzija data je sa:

HDudc  HDudc 

U ndc U ndc  , U odc U dio



k  1,2 ,3,... (8.128)

1  n 2  1  n 2  21  n 2 cos 2

2 2 n 1 2

n  kp ,



(8.129)

Na slici 8.28 prikazan je spektar izlaznog napona za različite vrednosti faznog ugla α. Ukupna harmonijska distorzija izlaznog napona je:

THDu dc 



 HD u 2

n 1

dc

(8.130)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

174

Slika 8.28 – Harmonijski spektar izlaznog DC napona.

8.11.5. Faktor snage U slučaju ispravljača, faktor snage je različit od cosφ, jer je ulazna struja nesinusoidalna, a i kasni za napoom zbog fazne regulacije. Sada je:



3U 1 I 1 cos 1 P  S 3U ef I ef

(8.131)

Ako se pretpostavi malo izobličenje mrežnog napona, mogu se viši harmonici napona zanemariti, pa je:



U 1 I 1 cos  1 

3U 1

I n 1



2 n

3

2 2  I d cos  2 2 3 Id 3

(8.132)

odnosno:



2  cos  2

Na slici 8.29 prikazana je zavisnost faktora snage od ugla uključivanja tiristora α.

(8.133)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

175

Slika 8.29 – Zavisnost faktora snage od ugla uključivanja tiristora.

8.11. Modelovanje ispravljača Najjednostavniji model je ako se pretpostavi konstantna struja potrošača i ‘čisti’ sinusni ulazni napon. Neka se posmatra slučaj trofaznog, punoupravljivog, mostnog ispravljača prikazan na slici 8.25. Neka je prekidačka funkcija upravljanja data sa matricom T . sada se izlazni napon može predstaviti u obliku:

 

U d  T  u ac   T1 T2

u ac 1  T3  u ac 2  u ac 3 

(8.134)

Razvojem se dobija:

2  2    U d  T1  2U sin t  T2  2U sin t    T3  2U sin t   3  3   

(8.135)

odnosno:

2  U d  T1 t   2U sin t  T1  t  3  2  2     T1  t    2U sin  t   3  3   

2     2U sin  t  3  

   (8.136)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

176

Ulazna struja ispravljača je:

iac   T 

T

T1   iac1   I d  T2   I d  iac 2  T3  iac 3 

(8.137)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

177

9. NAIZMENIČNI PRETVARAČI ILI PRETVARAČI NAIZMENIČNE STRUJE (AC/AC)

AC/AC Slika 9.1 Oznaka u blok šemama za naizmenični pretvarač

9.1. Definicija Pretvarači AC/AC ili NS/NS su električni pretvarači za pretvaranje naizmenične struje. To su pretvarači najopštijeg oblika, jer povezuju dva sistema naizmenične struje različitih frekvencija, napona ili broja faze, tj. vrši pretvaranje sledećih parametara: 1. napona 2. struje 3. frekvencije 4. broja faza 5. faznog stava

Moguća je primena i bez promene parametara – beskontaktni prekidači (AC static switch)

9.2. Klasifikacija AC/AC pretvarača Podela se može izvršiti po nekoliko kriterijuma: - po konstrukciji

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

178

- po funkciji - po vrsti komutacije

9.2.1. Podela po konstrukciji:

1. Direktni – bez međuveza, direktno pretvaranje, npr. matrični pretvarač, ciklokonvertor, i sl. 2. Indirektni - sa JS-međuvezom (DC link)

Slika 9.2 Struktura indirektnog AC/AC pretvarača

9.2.2. Podela po funkciji

B.1. Pretvarači naizmeničnih napona:

u  var; f  const ;   const  Regulatori napona u  var; f  const ;   var 

Kompenzatori

B.2. Pretvarači frekvencije:

u  const ; f  var;   const  Ciklokonvertor (bipolarni ispr avljac); f 1  f 2 u  var; f  var;   const  Multiplikator frekvencije; f 1  f 2 , f 1  f 2 u  var; f  var; sa prisilnom komutacijom

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

179

B.3. Pretvarači broja faza 31

- bipolarni ispravljač

13

- frekventni konvertori u monofaznim sistemima

B.4. AC Stabilizatori napona ili učestanosti (AC napajači) 1. 2.

sa JS međuvezom direktni

9.2.3. Podela po vrsti komutacije

1. sa mrežnom komutacijom (tiristorski) 2. sa prisilnom komutacijom (tranzistorski)

Regulatori napona se najčešće primenjuju – izlazni napon se može podešqavati (regulisati), dok se ostali parametri, frekvencija i broj faza ne menjaju. Bipolarni ispravljači: menja smer obrtanja JS motora jednostavnim dovođenjem impulsa čas na ispravljač A čas na B. Daje četvorokvadratni pogon motora, koriste se za pogon i kočenje mašina za JS. Ciklokonvertori - Ako se izlazni napon reguliše u taktu (manje) učestanosti. Ovakvi direktni pretvarači ne mogu da rade više od f/3 (regulator učestanosti 0  f / 3 ). Ako je f  50 Hz

f  max  16

2 Hz . 3

Često se koriste i za pretvaranje učestanosti i za stabilizovanje napona ili učestanosti AC stabilizatori (tada su parametri pretvarača tolerancija ulaznih i izlaznih veličina).

9.2.4. Beskontaktni prekidači

AC/AC pretvarači se široko koriste i kao beskontaktni prekidači (statički prekidači, AC static switch). U tom slučaju nema promene parametara, već samo prekidačka funkcija : uključenje/isključenje strujnog kola.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

180

9.3. Matrični pretvarač Matrični pretvarač je univerzalni konverter, koji je namenjen da vrši pretvaranje opšteg tipa – parametre nekog hipotetičkog n-faznog sistema, proizvoljne frekvencije, može da konvertuje u željeni m-fazni sistem. Takav, generalni pretvarač se formira u obliku matrice n x m, gde se u svaku poziciju u matrici postavlja jedan bi-laterarni prekidač. Bilateralni prekidač je četvorokvadrantni prekidač Trijak, kao jedan oblik ovakvog prekidača ne zadovoljava u potunosti zahteve, jer se ne može isključiti po želji. Praktične opcije su složeni prekidači, sastavljeni od nekoliko snažnih prekidačkih komponenti – tranzistorski dualni prekidač ili diodni prekidač sa tranzistorkom dijagonalom.

a)

b)

c)

Slika 9.3 Bilateralni, četvorokvadrantni prekidači: a) Idealni rekidač, b) Dualni tranzistrski prekidač, c) Diodni prekidač sa tranzistorskom dijagonalom.

Trofazna varijanta matričnog pretvarača se najčešće istražuje – parametri trofaznog A,B,C sistema se konvertuju u trofazni a,b,c sistem promenljivog napona i frekvencije kojim se napaja asinhroni kavezni motor. Međutim, zbog neekonomičnosti (potrebe za bi-lateralnim prekidačem), većih gubitaka i nesavršenih upravljačkih algoritama, matrični pretvarač se danas malo primenjuje, odnosno i dalje je u fazi ubrzanog razvoja.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

181

Slika 9.4 Trofazni matrični pretvarač za regulaciju brzine asinhronog motora.

9.4. Tehnike regulacije naizmeničnog napona Osnovni elemenat je trijak, odnosno antiparalelna veza tiristora.

Slika 9.5 Električni simbol trijaka (levo), antiparalelna-veza dva tiristora (sredina) i kolo za paljenje tiristora (desno).

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

Zbog specifičnih osobina trijaka, moguće su sledeće vrste regulacije:

1. Fazna regulacija – ugao paljenja (regulacije) α

Slika 9.6 Princip fazne regulacije – fazni ugao α β ω

2. Širinska regulacija (sa simetričnim odsecanjem)

Slika 9.7 Princip širinske regulacije, sa simetričnim odsecanjem.

3. Impulsno-širinska regulacija

Slika 9.8 Princip impulsno-širinske regulacije

182

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

183

4. Regulacija prekidačkim radom (ON-OFF regulacija)

Slika 9.9 Regulacija prekidačkim radom (ON-OFF regulacija)

9.5. Regulatori napona Regulator napona menja efektivnu vrednost izlaznog napona i struje, dok ostali parametri ostaju nepromenjeni (frekvencija, broj faza i fazni stav).

9.5.1. Monofazni regulatori napona sa R potrošačem:

Monofazni regulatori napona sa R potrošačem realizuju se kao: 1. Regulatori sa faznom regulacijom 2. Regulatori sa širinskom regulacijom (simetričnim odsecanjem) 3. Regulatori sa ON-OFF regulacijom

9.5.1.1. Regulatori sa faznom regulacijom

Na slici 9.10 prikazan je monofazni regulator opterećen R potrošačem, kao i talasni oblici napona i struje. Ako je ulazni (mrežni) napon definisan sa:

u  2U sin t

(U=220V, ω=2πf, f=50Hz)

efektivna vrednost napona potrošača se može izvesti na sledeći način:

(9.1)

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

184

Slika 9.10 Monofazni regulator opterećen R potrošačem (levo) i talasni oblici (desno).



U R eff  2



1 1 u 2 ( t )d ( t )  ( 2U sin t )2 d ( t )   2    

 U

U2 ( 1  cos 2t )d ( t )    1 1      (sin 2  sin 2 )   2 

U R eff  U 1 

 sin 2   2

0 (9.2)

, 0 (9.3)

Faktor snage sa strane mreže je problem, jer se veštački uvodi fazni pomeraj struje potrošača, koja je jednaka struji mreže, prema ulaznom naponu (naponu u mreži).

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

185

2 2 RU Re U Re ff P RI R2  sin 2 ff / R      1  S UI eff UU Re ff / R U  2

(9.4)

Za manje fazne uglove uključenja, faktor snage je blizak jedinici, ali se porastom α on kvari. Na primer: za uglove uključenja do 30º faktor snage je visok, odnosno za α=30º on iznosi λ=0,985. Porastom α, on se smanjuje - za α=45º on je λ=0.81, dok za α=90º opada na λ=0.707.

9.5.1.2. Regulatori sa širinskom regulacijom (simetričnim odsecanjem)

Koriste bilateralne prekidače (kao kod matričnog pretvarača) da bi se obezbedilo uspostavljanje i prekidanje struje u istoj poluperiodi napona. Time se postiže slična regulacija, kao kod regulatora sa faznom regulacijom, s tim da je ugao uključivanja sada u opsegu 0     / 2 , a faktor snage nešto povoljniji za α 90 u regulatoru istovremeno provode samo dve faze. Napon na potrošaču je jednak polovini linijskog napona, pod uslovom da je opterećenje simetrično. Rad kola se može objasniti posmatranjem dijagrama sa slike 9.16. Za ugao uključivanja α = 90= π/2 napon uRS/2 je pozitivan, pa struja teče kroz tiristore T1 i T4. U trenutku π ovaj napon postaje negativan, te se tiristori T1 i T4 isključuju. Međutim, upravo tada je ostvaren fazni pomeraj α za tiristore u grani R i T, odnosno uRT > 0. Ponovo provodi tiristor T1,

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

190

ali sad sa T6. Kad ovaj napon padne na nulu, ponovo dolazi do komutacije. Ali sad je uST > 0, te provedu T3 i T6 itd. Na slici 9.16 dat je redosled vođenja svih tiristora. Vidi se da je ugao vođenja tiristora 60 + 60. Stoga je za pravilan rad kola neophodno da impulsi na gejtovima tiristora traju duže od 60. Za pouzdani rad je najpogodnije da oni traju svih 120. Ugao uključivanja α = 90 je granični za slučaj vođenja dve faze.

Slika 9.15 Trofazni regulator opterećen R potrošačem (grejač).

Slika 9.16 Napon jedne faze, napon na tiristoru i međufazni napon grejača.

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

191

Ako je α < 90, struja teče čas kroz sve tri faze, čas kroz samo dve. Za α = 30 ovi periodi su istog trajanja. Kad struja teče kroz sve tri faze, napon potrošača je jednak faznom naponu, dok kad teče kroz dve - polovini međufaznog. Na slici 9.17 dati su napon potrošača i napon na tiristoru T1 pri α = 30. Kad se dovede impuls na gejt tiristora T1 uslovi u kolu su sledeći: uRS je pozitivan, pa provode T1 i T4, uST < uTR - provodi i T5 sa T4. Posle 30, uST < uTR, pa se T5 isključuje, a T1 i T4 nastavljaju da provode. Sad je napon na potrošaču uR1 = uRS/2. Nakon novih 30 dovodi se impuls na T6, pa se struja tiristora T1 grana kroz T4 i T6. Napon potrošača je fazni uR1 = uRN. Kad je uST > uRS isključuje se T4 (ostaju da provode T1, T6), a napon na potrošaču je uR1 = -uTR/2. Posle 30 se dovodi impuls na T3, pa struja ponovo teče kroz sve tri grane: provode T1, T6 i T3. Napon potrošača je u R1 = uRN. Kad uRS postane manje od uTR gasi se T1, struja kroz tu granu ne teče, pa je napon nula. Za razliku od slučaja α = 90 , ovde impuls na gejtu tiristora mora da traje više od 120, jer svaki tiristor provodi 150. Kritičan trenutak je posle 120, kad postoji mogućnost da se tiristor ugasi, što nije poželjno. Zbog toga se tada mora dovesti novi impuls na gejt. Zbog jednostavnijeg upravljačkog kola, na gejtove se dovode impulsi tokom cele poluperiode, tj. tokom 180º.

Slika 9.17 Napon jedne faze i napon tiristora grejača.

Dakle, u zavisnosti od  postoje 4 načina rada: 1. =0

sve tri faze istovremeno vode struju

V.A. Katić

ENERGETSKA ELEKTRONIKA 1

2. 0