Kasakijan-Skripta_Osnove Energetske Elektronike I Dio

Osnove energetske elektronike I. dio Topologije i funkcije pretvarača John G. Kassakian Martin F. Schlecht George C. Verghese

2

Sadržaj 1.

UVOD ...................................................................................................................................................................................7 1.1

Sklopovi energetske elektronike .......................................................................................................................7

1.2

Energetske poluvodičke sklopke .......................................................................................................................8

1.2.1

Dioda ..................................................................................................................................................................8

1.2.2

Tranzistor..........................................................................................................................................................8

1.2.3

Tiristor ...............................................................................................................................................................8

1.3

Transformatori ....................................................................................................................................................... 10

1.4

Nazivlje....................................................................................................................................................................... 13

2.

PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA ................................................................................ 14 2.1

Funkcije energetskog sklopa ............................................................................................................................ 14

2.2

Izmjenično-istosmjerni pretvarači ................................................................................................................ 15

2.2.1

Osnovna topologija i tok energije ........................................................................................................ 15

2.2.2

Filtriranje ....................................................................................................................................................... 19

2.3

Istosmjerni pretvarači ......................................................................................................................................... 22

2.3.1 2.4

Izmjenični pretvarači ........................................................................................................................................... 24

2.4.1 2.5 3.

Osnovna topologija .................................................................................................................................... 23

Osnovna topologija .................................................................................................................................... 24

Utjecaj odabrane vrste sklopke na topologiju sklopa .......................................................................... 26 UVOD U ISPRAVLJAČKE SKOLOPOVE............................................................................................................. 28

3.1

Tok energije u električnim mrežama ............................................................................................................ 28

3.2

Poluvalni ispravljači ............................................................................................................................................. 29

3.2.1

Poluvalni ispravljački sklop opterećen djelatnim trošilom ..................................................... 30

3.2.2

Poluvalni ispravljački sklop opterećen induktivnim trošilom ............................................... 31

3.2.3

Poluvalni ispravljački sklop s porednom diodom ........................................................................ 33

3.2.4

Zamjena sklopa nadomjesnim izvorom ............................................................................................ 35

3.2.5

Periodično ustaljeno stanje ...................................................................................................................... 35

3.3

Reaktancija pojne mreže i komutacija struje ............................................................................................ 36

3.3.1

Komutacijski procesi i nadomjesni sklopovi .................................................................................. 36

3.3.2

Učinci komutacije ....................................................................................................................................... 38

3.4

Mjere i učinci izobličenja .................................................................................................................................... 39

3.4.1

Faktor snage .................................................................................................................................................. 40

3.4.2

Harmoničko izobličenje ........................................................................................................................... 43

4.

MOSNI I VIŠEFAZNI ISPRAVLJAČKI SKLOPOVI ......................................................................................... 45 4.1

Jednofazni punovalni ispravljački sklop u mosnom spoju ................................................................. 45

4.1.1

Izlazni napon................................................................................................................................................. 47

4.1.2

Komutacija i regulacija u jednofaznom mosnom sklopu .......................................................... 48 3

4.2

Uvod u višefazne ispravljačke sklopove ...................................................................................................... 50

4.3

Komutacija u višefaznim ispravljačkim sklopovima ............................................................................... 53

4.3.1 5.

Komutacija u tropulsnom ispravljačkom sklopu .......................................................................... 53

FAZNO UPRAVLJIVI ISPRAVLJAČKI SKLOPOVI .......................................................................................... 60 5.1

Jednofazni sklopovi .............................................................................................................................................. 61

5.1.1

Upravljivi poluvalni ispravljački sklop opterećen djelatnim trošilom ............................... 61

5.1.2

Punovalni fazno upravljivi ispravljački sklop u mosnom spoju ............................................ 63

5.1.3

Faktor snage pretvarača .......................................................................................................................... 65

5.2

Fazno upravljanje, postoji reaktancija na izmjeničnoj strani ............................................................. 66

5.3

Granice izmjenjivanja .......................................................................................................................................... 68

5.3.1

Izostanak komutacije ................................................................................................................................ 69

5.3.2

Kut sigurnosti komutacije ....................................................................................................................... 70

5.4 6.

Fazno upravljivi trofazni pretvarački sklopovi ........................................................................................ 72 VISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI PRETVARAČI U SKLOPNOM NAČINU RADA ..... 73

6.1

Topologija istosmjernih pretvarača .............................................................................................................. 73

6.2

Osnovni sklopni element .................................................................................................................................... 77

6.3

Izravni pretvarač ................................................................................................................................................... 78

6.3.1

Istosmjerni faktor pretvorbe izravnog pretvarača ...................................................................... 78

6.3.2

Odabir sklopki .............................................................................................................................................. 80

6.3.3

O faktoru vođenja ....................................................................................................................................... 82

6.4

Neizravni pretvarač .............................................................................................................................................. 83

6.4.1

Istosmjerni faktor pretvorbe neizravnog pretvarača ................................................................. 83

6.4.2

Odabir sklopki .............................................................................................................................................. 84

6.4.3

Varijante osnovne topologije neizravnog pretvarača ................................................................ 84

6.5

Izbor vrijednosti kapaciteta i induktiviteta ............................................................................................... 87

6.5.1

Model izravnog pretvarača za računanje valovitosti .................................................................. 87

6.5.2

Model neizravnog pretvarača za računanje valovitosti ............................................................. 88

6.5.3

Najmanja vrijednost induktiviteta L i kapaciteta C izravnog pretvarača ............................ 89

6.5.4

Najmanja vrijednost induktiviteta L i kapaciteta C neizravnog pretvarača ...................... 91

6.5.5

Proračuni za uzlazno-silazni pretvarač i Ćukov pretvarač ...................................................... 92

6.6

Naprezanje poluvodičkih komponenata ..................................................................................................... 93

6.7

Rad pretvarača u isprekidanom načinu rada ............................................................................................ 94

7.

ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAČI S GALVANSKIM ODVAJANJEM ........... 96 7.1

Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom ............................................................................... 96

7.1.1

Struja magnetiziranja i naponsko pritezanje ................................................................................. 97

7.1.2

Transformatorski spregnuta pritega .............................................................................................. 100

7.1.3

Heterogeni mosni spoj........................................................................................................................... 101

4

7.1.4 7.2

Naprezanja sklopki u izravnom nesimetričnom pretvaraču s galvanskim odvajanjem .. .......................................................................................................................................................................... 101

Izravni simetrični pretvarač s transformatorom ................................................................................... 103

7.2.1 Izravni simetrični pretvarač s transformatorom, s izmjenjivačem i ispravljačem u mosnom spoju .......................................................................................................................................................................... 103 7.2.2 Izravni simetrični pretvarač s transformatorom, s izmjenjivačem i ispravljačem u polumosnom spoju ................................................................................................................................................................... 106 7.3

Neizravni pretvarač s transformatorom .................................................................................................. 109

7.4

Učinci rasipnoginduktiviteta transformatora ........................................................................................ 110

7.4.1 7.5 8.

Učinci rasipanja u izravnom nesimetričnom pretvaraču ....................................................... 110

Pretvarači s više izlaza ..................................................................................................................................... 113 IZMJENJIVAČI PROMJENJIVE FREKVENCIJE ............................................................................................. 114

8.1

Osnovni izmjenjivač promjenljive frekvencije u mosnom spoju................................................... 114

8.1.1

Izmjenjivači u mosnom spoju opterećeni trošilom koje ima faktor snage manji od .......................................................................................................................................................................... 116

8.1.2

Upravljanje snagom trošila u kojem je izmjenični naponski izvor .................................... 117

8.1.3

Izmjenjivač s utisnutom strujom ...................................................................................................... 118

jedan

8.2

Smanjivanje harmonika ................................................................................................................................... 119

8.2.1

Metoda uklanjanja harmonika ........................................................................................................... 119

8.2.2

Metoda poništavanja harmonika ...................................................................................................... 121

8.3

Izmjenjivači s modulacijom širine impulsa ............................................................................................. 123

8.3.1

Oblikovanje valnog oblika i raspakiravanje ................................................................................. 124

8.3.2

Visokofrekvencijski pretvarač u mosnom spoju........................................................................ 126

8.3.3

Generiranje d(t) u PWM izmjenjivačima ....................................................................................... 128

8.4

Izmjenjivači spregnuti transformatorom ................................................................................................ 129

8.4.1 8.5

Galvanske odvajanje visokofrekvencijskim transformatorom ........................................... 129

Trofazni izmjenjivači ........................................................................................................................................ 131

8.5.1

Nastanak trofaznog izmjenjivačkog spoja .................................................................................... 131

8.5.2

Harmonici trošila trofaznog izmjenjivača..................................................................................... 133

9.

REZONANTNI PRETVARAČI .............................................................................................................................. 135 9.1

Pregled svojstava sustava drugog reda .................................................................................................... 136

9.1.1

Odziv u vremenskoj domeni ............................................................................................................... 136

9.1.2

Odziv u frekvencijskoj domeni .......................................................................................................... 137

9.2

Serijski rezonantni pretvarač s utisnutim naponom .......................................................................... 139

9.2.1

Filtar .............................................................................................................................................................. 139

9.2.2

Upravljanje izlaznim naponom .......................................................................................................... 139

9.2.3

Odabir sklopki............................................................................................................................................. 141

9.2.4

Vrijednosti induktiviteta L i kapaciteta C .......................................................................................... 142

9.2.5

Sklopni gubici ............................................................................................................................................ 144 5

9.3

Paralelni rezonantni pretvarač s utisnutom strujom ....................................................................... 147

9.4

Preinake topologije rezonantnih pretvarača ......................................................................................... 151

9.4.1

Razdvajanje prigušnice u pretvaraču s utisnutim naponom ................................................ 151

9.4.2

Smanjenje izobličenja napona na trošilu promjenom mjesta trošila ............................... 153

9.5

Mosna topologija ................................................................................................................................................ 154

9.5.1 9.6

Isprekidani način rada ..................................................................................................................................... 155

9.6.1 9.7

10.

Upravljanje snagom ................................................................................................................................ 154

Temeljni isprekidani način rada ....................................................................................................... 155

Rezonantni istosmjerni pretvarači ............................................................................................................. 158

9.7.1

Osnovne topologije ................................................................................................................................. 158

9.7.2

Nesimetrične topologije........................................................................................................................ 159

IZMJENIČNI PRETVARAČI .................................................................................................................................. 162

10.1

Zahtjevi za pohranu energije u pretvaraču s istosmjernim međukrugom........................... 163

10.2

Mrežom komutirani ciklopretvarač ...................................................................................................... 166

10.2.1

Načela rada ................................................................................................................................................. 167

10.2.2

Ciklopretvarači s višefaznim izlazom ............................................................................................. 171

6

1. UVOD

1. UVOD U ovom poglavlju predstavlja se energetska elektronika i daje se kratak uvod u poluvodičke sklopne i magnetske komponente. Uvod u te komponente strujnih krugova je potreban jer se one koriste u prvom dijelu ove knjige, iako se potanko o njima raspravlja u III. dijelu. Također se uvodi i nazivlje koje se upotrebljava u knjizi.

1.1 Sklopovi energetske elektronike Danas prevladava primjena elektronike na području procesiranja informacija. Najveći korisnik poluvodičkih komponentata je računalna industrija, a onda i potrošačka elektronika, uključujući kamere. Dok sve te primjene zahtijevaju energiju (iz utičnice ili baterije), njihova primarna funkcija je da procesiraju informacije, primjerice da digitalni optički signal proizveden kompaktnim diskom pretvore u analogni audiosignal. Sklopovi energetske elektronike se u načelu bave »procesiranjem« električne energije. Oni pretvaraju električnu energiju, iz oblika kakav je dan izvorom u oblik kakav je potreban trošilu. Primjerice, dio računala koji se priključuje na izmjenični napon i pretvara ga u istosmjerni napon od 5 V koji je potreban logičkim čipovima jest sklop energetske elektronike (često se skraćeno kaže i energetski sklop). U mnogim primjenama pretvorba završava mehaničkim kretanjem. Tada energetski sklop pretvara električnu energiju u takav oblik kakav je potreban elektromehaničkom pretvaraču, kao što je istosmjerni motor. Jedna od glavnih briga kod bilo kojeg sustava za »procesiranje« energije je stupanj djelovanja, jer se obično razlika između energije koja ulazi u sustav i energije koja izlazi iz sustava pretvara u toplinu. Iako katkad zabrinjava gubitak energije, ipak najneugodnija posljedica stvaranja topline je da ona mora biti odvedena iz sustava. Sama ta činjenica diktira veličinu uređaja energetske elektronike. Zato energetski sklop mora biti projektiran tako da radi sa što je moguće većim stupnjem djelovanja, koji je u vrlo velikim sustavima veći od 99 %. Veliki stupanj djelovanja postiže se upotrebom poluvodičkih komponenata u sklopnom načinu rada (napon je približno jednak nuli kada su uklopljene, a struja je približno jednaka nuli kada su isklopljene), da bi se smanjili gubici 1. Jedine druge komponente u osnovnom energetskom sklopu su prigušnice i kondenzatori, tako daje idealni energetski sklop bez gubitaka.

Slika 1.1 Blokovski shema tipičnog sustava energetske elektronike

1

Iznimaka je malo, npr. linearni regulator napona, zato se ne razmatraju u ovoj knjizi 7

1. UVOD

Sustavi energetske elektronike sadrže mnogo više od samog energetskog sklopa. Tipičan sustav prikazan je blokovskom shemom na slici 1.1. Sklapanjem sklopki nastaju valni oblici s višim harmoničkim članovima koji su nepoželjni jer smetaju trošilu i ostaloj opremi, pa se zato često upotrebljavaju filtri na ulazu u energetski sklop i na izlazu iz njega. Teret sustava, koji može biti električki ili elektromehanički, upravlja se dovođenjem električnih i/ili elektromehaničkih varijabli do upravljačkog sklopa. Taj upravljački sklop procesira povratne signale i upravlja sklopkama u energetskom sklopu u skladu sa zahtjevima tih povratnih signala. Sustav također uključuje i mehaničke komponente, kao što su rashladna tijela i noseće strukture za fizički velike komponente energetskog sklopa.

1.2 Energetske poluvodičke sklopke Osnovne poluvodičke komponente koje se upotrebljavaju kao sklopke u sklopovima energetske elektronike su bipolarna i Schottkvjeva dioda, bipolarni spojni tranzistor, metal-oksid-poluvodič tranzistor s efektom polja i klasa regenerativnih bipolarnih komponenata znanih kao tiristori, od kojih je najpoznatiji klasični tiristor. Na slici 1.2. dani su njihovi simboli i područja rada u v-i ravnini. O njima i o drugim poluvodičkim komponentama bit će više rečeno u III. dijelu knjige. Samo će se ukratko opisati

bitne radne karakteristike svake komponente na slici 1.2. Ta informacija nam omogućuje da iznesemo osnovno o radu sklopova energetske elektronike bez prethodnog studiranja III. dijela.

1.2.1

Dioda

Dioda, čiji su simbol i definicije varijabli pokazane na slici l.2.a), neupravljiva je poluvodička komponenta. Neupravljiva je jer naponi i struje sklopa odlučuju o tome vodi li ili ne, a ne naše djelovanje. Kada vodi, struja anode iA je pozitivna. Kada ne vodi, napon anoda-katoda VAK je negativan2. Dioda sklapa na poticaj priključnih varijabli. Ako ne vodi a sklop nastoji da napon VAK postane pozitivan, dioda će uklopiti. Ako vodi a sklop nastoji da struja iA postane negativna, dioda će isklopiti.

1.2.2

Tranzistor

Tranzistori, bilo bipolarni (BJT) ili tipa MOS, potpuno su upravljive poluvodičke komponente. Imaju treći priključak (priključak baze kod BJT-a i priključak upravljačke elektrode kod MOSFET-a) pomoću kojeg se mogu uklopiti i isklopiti. Simboli i priključne varijable za npn BJT i n-kanalni MOSFET prikazani su na slici 1.2.b) i c). Obje komponente vode struju u samo jednom smjeru, a za npn BJT i n-kanalni MOSFET ti smjerovi su iC > 0 i iD > 0. Kada ne vode, opteretive su samo s jednim polaritetom napona, za prikazane tranzistore: VCE > 0 i VDS > 0. Polariteti napona i struje su kod pnp BJT-a i p-kanalnog MOSFET-a obratni. Ali zbog razloga raspravljenih u III. dijelu, npn i n-kanalni tranzistori su najčešće upotrebljavani tipovi učinskih tranzistora.

1.2.3

Tiristor

Jedini iz porodice tiristora opisan u ovom uvodu je klasični tiristor (SCR) 3, čiji je simbol prikazan na slici 1.2.d). To je komponenta koja se na neki način može zamisliti kao poluupravljiva dioda. Ako se ne dovede signal na upravljačku elektrodu, tiristor je u stanju nevođenja, neovisno o polaritetu napona VAK. Da bi proveo, treba dovesti kratki strujni impuls iC na upravljačku elektrodu dok je napon VAK >0. To pokrene regenerativni proces uklapanja i dovede tiristor u samoodržavajuće stanje vođenja, pri čemu je VAK ≈0 a upravljačka elektroda više nema nikakvu sposobnost upravljanja komponentom. U stanju vođenja tiristor može voditi samo pozitivnu struju iA . Tiristor isklapa kada struja iA nastoji postati negativna. Dok vodi, tiristor se ponaša poput diode. Zaključno, tiristor je dioda čije uklapanje se sprječava nedovođenjem impulsa na upravljačku elektrodu.

Upotreba K vuče korijen od grčkog podrijetla riječi katoda; kathodos znači »put prema dolje«, tj. negativni priključak. 3 Od sada na dalje, klasični tiristor (SCR) nazivat ćemo jednostavno tiristor. SCR je prvoslovnica od silicon controlled rectifier 2

8

1. UVOD

Slika 1.2 Simboli i radna područja poluvodičkih komponenata koje se upotrebljavaju kao sklopne komponente u sklopovima energetske elektronike: a) dioda, b) bipolarni (npn) spojni tranzistor (BJT), c) (n-kanalni) metal-oksid-poluvodič tranzistor s efektom polja (MOSFET), d) klasični tiristor (SCR)

9

1. UVOD

1.3 Transformatori Transformatori su istaknuto obilježje sklopova energetske elektronike. Opširni je su obrađeni u III. dijelu (20. poglavlje), ali ovaj uvod u njihove karakteristike nam omogućuje da ih upotrebljavamo kao elemente spojeva u I. i II. dijelu. Transformatori se upotrebljavaju za galvansko odvajanje i podizanje ili snižavanje izmjeničnog napona i struje, idealni transformator prikazan na slici 1.3.a) ima dva namota od po N1 i N2 zavoja. Točke označuju smjer namatanju. Ako se narine napon na jedan namot tako da je točka pozitivna, krajevi drugih namota (u ovom slučaju samo jedan) označeni točkama su također pozitivni. Ako se pristupne varijable definiraju relativno prema točkama kao na slici 1.3 .a), idealni transformator je opisan sljedećim jednadžbama:

Izravna primjena ovih jednadžbi pokazuje sljedeće: ako se na pristupe 1-1' spoji impedancija vrijednosti Z1, na pristupima 2-2' mjeri se impedancija vrijednosti Z2 = = (N2/N1)2Z1. Upotrebom (1.1) i (1.2) može se također pokazati da je v1i1 = -v2i2 tj. trenutačna snaga koju prima jedan par pristupa jednaka je trenutačnoj snazi koju daje drugi par. Idealni transformator ne disipira i ne pohranjuje energiju.

Slika1.3 a) Model idealnog transformatora, b) Praktičniji model koji uključuje učinke induktiviteta magnetiziranja Lµ, i rasipnih induktiviteta Ll1 i Ll2. Transformator je idealan ako se može opisati jednadžbama (1.1) i (1.2), no ni jedan proizvedeni transformator nije idealan. U većine transformatora glavno odstupanje od idealnog je u tome što se dio napona i struje transformacijom »gubi« pa pristupne varijable nisu točno povezane jednadžbama (1.1) i (1.2). Model koji opisuje te učinke prikazuje slika 1.3.b). Dio pristupne struje odvodi se kroz induktivitet magnetiziranja Lµ ; ta struja se naziva struja magnetiziranja. Zato pristupne struje i nisu povezane jednadžbama (1.1) i (1.2), dok međutim struje i jesu. Slično tome, pristupni naponi i razlikuju se od vl i v2 zbog padova napona na rasipnim induktivitetima . U poglavlju 20. opisani su fizikalni izvori tih učinaka. Na slici 1.3.b) Lµ je spojen paralelno namotu N1. No, može se spojiti i paralelno namotu N2, redukcijom preko idealnog transformatora, kao što je prikazano na slici 1.4.a). To se katkada i radi jer je takav model analitički pogodniji za upotrebu.

10

1. UVOD

Slika 1.4 a) Preinačeni model sa slike l.3.b) smještanjem induktiviteta magnetiziranja na N 2 stranu idealnog transformatora, b)Pojednostavnjeni model sa slike l.3.b) dobiven transformacijomLl2 združivanjem sa Ll1. Model na slici 1.3.b) ima dva rasipna induktiviteta, po jedan za svaki namot, koji se često združuju redukcijom jednoga preko idealnog transformatora. To je dopušteno ako je pad napona na reduciranom rasipnom induktivitetu mali prema padu napona na Lµ. Tada se Lµ može premjestiti na drugu stranu tog reduciranog induktiviteta a da se ne čini velika pogreška. Rezultat toga je približni model prikazan na slici 1.4.b). Još jedna korisna transformacija modela sastoji se u tome da se cijeli krug jedne strane reducira preko idealnog transformatora na drugu stranu, lakva transformacija je prikazana na slici 1.5. U tom slučaju nije reduciran samo induktivitet magnetiziranja na stranu namota N1, nego i ostatak kruga na strani N2, C0 i R0. Naravno, funkcija galvanskog odvajanja je takvom transformacijom izgubljena, što ovaj model čini nepogodnim za analiziranje nekih sklopova. Induktivitet magnetiziranja i rasipni induktiviteti transformatora mogu se izračunati ili izmjeriti. Katkada transformatore konstruiramo tako da ti parametri imaju željene vrijednosti. Iako je ovdje raspravljen transformator s dva namota, malo složenije ali slično razmišljanje može se primijeniti pri modeliranju transformatora s više namota. Model koji je još bliži stvarnosti, npr. onaj koji uzima u obzir otpor namota ili gubitke u jezgri, dobije se dodavanjem odgovarajućih elemenata modelu sa slike 1.3.b). Slike 1.3.b) i 1.4. prikazuju model transformatora kakav se upotrebljava u ovoj knjizi. Model transformatora je u crtkanom pravokutniku. U ovome modelu transformatora jedan od elemenata je idealan transformator. Idealni transformator je predočen namotima između kojih su dvije paralelne crte koje prema nekim normama označuju željeznu jezgru, ali mi ih upotrebljavamo kao oznaku magnetski vezanih namota idealnog transformatora. Ovaj dogovor sprječava dvosmislenost i shematsku zbrku kada se radi o više od dva namota.

11

1. UVOD

Slika 1.5 a) Transformator sa RC trošilom na N2 strani, b) Spoj a) sa svim elementima reduciranim na N1 stranu, tako da se idealni transformator može izostaviti iz modela.

12

1. UVOD

1.4 Nazivlje U knjizi se upotrebljava nekoliko različitih vrsta varijabli, te ih je potrebno definirati da bi se kasnije izbjegla zabuna.

1. Vremenski ovisne varijable označuju se malim pisanim slovima, npr.

. Kada je zbog

jasnoće potrebno, vremenska ovisnost se naglašava eksplicitno, npr.

2. Varijable izvedene iz vremenski ovisne varijable označuju se velikim slovima, npr. 3. Srednja vrijednost ili istosmjerna komponenta periodičke varijable označuje se stavljanjem te varijable u kutne zagrade, npr. . Primijetite da je srednja vrijednost izvedena iz vremenski ovisne varijable i da je zato označena velikim slovom.

4. Intervalna srednja vrijednost, definirana u 11. poglavlju, označuje se crtom iznad varijable,

). Primijetite da je intervalna srednja vrijednost funkcija vremena.

5. Odstupanja oko konstantne vrijednosti označuju se tildom, npr. 6. Harmoničke komponente nesinusne periodične veličine označuju se dodatnim indeksom koji pokazuje redni broj harmonika, npr.

7. Kompleksne amplitude sinusnih funkcija označuju se velikim slovima s krovićem: Kompleksna

amplituda od. Prefiks Re znači »realni dio od«.

Bilješke i literatura Na kraju većine poglavlja dan je komentar preporučene literature. Ova literatura je izvor dodatnih informacija o temama koje možda želite pomnije proučiti.

13

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

2.

PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

Energetski elektronički sklopovi mijenjaju parametre električne energije: istosmjernu u izmjeničnu struju, jednu razinu napona u drugu, ili nešto drugo. Takvi se sklopovi nazivaju: pretvarači, statički pretvarači (jer ne sadrže pokretne dijelove), učinski procesori ili učinski kondicioneri. Dio sustava koji zapravo upravlja tokom energije4 je energetski sklop. To je okosnica za ostale komponente sustava, kao npr. za upravljački sklop ili dijelove za odvođenje topline. Svaki energetski sklop ima neku osnovnu strukturu. Toj osnovnoj strukturi dodaju se druge komponente za obavljanje pomoćnih funkcija, kao što su sklopovi za zaštitu od prenapona i filtri za potiskivanje elektromagnetskih smetnji. Iako su i te druge komponente važne, one ne mijenjaju osnovnu funkciju energetskog sklopa, njihova je svrha da ublaže određene osobine osnovne strukture, kao što je brzina porasta struje ili napona. Studij energetskog sklopa sa svim tim dodatnim komponentama lako može postati zamagljen detaljima tako da se izgube temeljna načela. Zato se I. dio ove knjige bavi samo osnovnom topologijom (tj. topologijom osnovne strukture) energetskih sklopova. U II., III. i IV. dijelu opisane su metode nadgradnje osnovnih struktura i njihova preobrazba u praktične energetske sklopove i eventualno sustave. U I. dijelu je pokazano kako željena pretvaračka funkcija energetskog sklopa određuje osnovnu topologiju energetskog sklopa. Osim toga, ove topologije iskorištene su za ilustraciju analitičkog alata i metoda razmišljanja koje se primijenjuju pri proučavanju energetskih sklopova. U većini slučajeva zadržana je i jednostavnost pretvaračke funkcije i jednostavnost topologije. Tamo gdje se obrazlaže naprednija topologija, cilj je da se ukaže na njezinu povezanost s jednostavnijim topologijama i na korist dobivenu iz dodane složenosti.

2.1 Funkcije energetskog sklopa Prije navođenja osnovne topologije energetskog sklopa mora se definirati njegova funkcija. Općenito, funkcija mu je da mijenja parametre električne energije jednog vanjskog sustava u takve kakve traži drugi. Primjerice, napajač računala pretvara izmjenični sinusni napon pojne mreže (60 Hz, 110 V; u SAD-u) u istosmjerni od 5 V. Drugi primjer je izmjenični elektromotorni pogon promjenljive brzine vrtnje, energetski sklop uzima energiju iz akumulatora i daje sinusnu struju motoru. Vrste funkcija energetskog sklopa ograničene su samo vrstama sustava električne energije koje treba spojiti. Već su spomenute dvije moguće funkcije: pretvorba izmjeničnog sustava u istosmjerni i istosmjernog u izmjenični. Druge dvije funkcije odnose se na istovrsne sustave sličnih valnih oblika ali različitih amplituda. Ako su oba valna oblika vremenski konstantna, energetski sklop se naziva istosmjerni pretvarač, a ako su oba izmjenična, energetski sklop se naziva izmjenični pretvarač. Kod izmjeničnog pretvarača se može mijenjati frekvencija ili faza, a i amplituda. Važno je da ne zamišljate funkciju energetskog sklopa za svagda nepromjenjivom. Vrijednost energetskog sklopa nije samo mogućnost pretvorbe parametara električne energije nego i mogućnost pretvorbe tih parametara u skladu s upravljačkim signalom. Primjerice, izlazni napon napajača računala ostaje 5 V ako se amplituda pojne mreže promijeni čak za ±20 %. U nekim primjenama, kao što su regulatori rasvjete, jedina zadaća energetskog sklopa je upravljanje tokom energije. Energetski sklop je sučelje dvaju njemu vanjskih sustava i zbog toga nameće odnose između naponskih i strujnih valnih oblika na jednim priključcima i onima na drugim. Točnije rečeno, kakvi su valni oblici na tim priključcima ne ovisi samo o nametnutim odnosima, nego i o tome kako ta dva vanjska sustava djeluju jedan na drugi kada su spojena na taj način. Stoga je uvijek važno opisati rad energetskog sklopa zajedno s vanjskim sustavima s kojima je spojen.

4

U ovoj knjizi, osnovno značenje pojma tok energije je srednja snaga. (Prim. prev.)

14

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

U određenim okolnostima jedan vanjski sustav, primjerice naponski izvor, određuje valni oblik na jednim priključcima neovisno o energetskom sklopu ili o drugom vanjskom sustavu. U takvim slučajevima uzima se da je naponski izvor na ulazu, te se kaže da energetski sklop procesira ulazni valni oblik i stvara izlazni valni oblik. Stvoreni vanjski sustav na izlazu tada određuje valni oblik svoje kovarijable (u ovom slučaju struje), a energetski sklop valni oblik kovarijable na ulazu. Takvi primjeri se često koriste, radi jednostavnosti, u sljedećim poglavljima za prikazivanje osnovne topologije. Smjer toka energije obično određuje koji priključci su ulazni a koji izlazni. Međutim, mnogi energetski sklopovi mogu procesirati energiju u oba smjera i identifikacija njihovih priključaka kao ulaznih ili izlaznih je dvosmislena. Tu dvosmislenost još otežava činjenica da smjer toka energije određuje i vrsta poluvodičkih komponenata upotrijebljenih za izgradnju energetskog sklopa. Tako dva energetska sklopa jednake osnovne topologije mogu procesirati energiju u suprotnim smjerovima. To je važan zaključak, i često se navodi, jer ističe da dva vizualno različita sklopa mogu imati mnoga zajednička svojstva. Osnovna koncepcija energetskog sklopa potječe prvenstveno od potrebe za učinkovitom pretvorbom parametara električne energije. Ta potreba isključuje upotrebu tranzistora kao linearnog pojačala, bez obzira o kojoj je razini snage riječ. U gotovo svim primjenama pretvorbe parametara električne energije takav bi sklop jednostavno disipirao previše energije u odnosu na prenesenu 5. Slično tome, upotreba otpornika zajedno s nekim spremnikom energije nije rješenje za gradnju nisko-propusnih ili visokopropusnih filtra kroz koje prolazi energija. Sve komponente u osnovnoj strukturi energetskog sklopa, ili barem njihovi modeli, moraju biti bez gubitaka. Taj zahtjev ostavlja nam dvije vrste komponenata za gradnju energetskih sklopova: sklopke (poluvodičke komponente koje su ili potpuno uklopljene ili potpuno isklopljene) i spremnike energije (prigušnice i kondenzatore).

2.2 Izmjenično-istosmjerni pretvarači Ako se ne uzme u obzir smjer toka energije, izmjenično-istosmjerni pretvarači obuhvaćaju najširu vrstu sklopova energetske elektronike. Postoje u svakom dijelu elektroničke opreme koji se napaja iz pojne mreže, od stolnih radioprijamnika do velikih računala. Uvelike se upotrebljavaju u industrijskim postrojenjima i procesima (za upravljanje), kao što su regulirani elektromotorni pogoni, indukcijske zagrijavanje, galvanizacije i elektrolitička proizvodnja kemikalija. Osnovna topologija energetskog sklopa ovih pretvarača, zbog simetrije, načelno omogućuje dvosmjerni tok energije; tj. pretvaračkim sklopovima jednake osnovne topologije može se pretvarati izmjenični sustav u istosmjerni ili istosmjerni u izmjenični. Zbog toga se ne pridaje nikakvo značenje redoslijedu pridjeva u nazivu izmjenično-istosmjerni pretvarač.

2.2.1

Osnovna topologija i tok energije

Prvi primjer energetskog sklopa odnosi se na dobivanje istosmjernog napona iz izmjeničnog naponskog izvora. U tom slučaju energetski sklop stvara napon takvog valnog oblika koji ima srednju vrijednost (istosmjerni napon) iz napona koji ju nema (izmjenični naponski izvor). Željeni valni oblik napona dobiva se upotrebom sklopki topološki raspoređenih prema slici 2.1.a). Ovdje nema dvosmislenosti glede ulaznih ili izlaznih priključaka, jer je otpornik jedan od vanjskih sustava priključenih na pretvarač. Tok energije mora biti od izvora prema otporniku. Kada je izmjenični napon pozitivan, uklopljene su dvije sklopke označene sa P, a isklopljene dvije sklopke označene sa N, tako je pozitivni priključak naponskog izvora spojen s pozitivnim priključkom otpornika. Kada je izmjenični napon negativan, stanja sklopki se promijene, spoj priključaka naponskog izvora s priključcima otpornika se okrene, i tako je izlazni napon opet pozitivan.

Linearno pojačalo može se odabrati za nekoliko primjena. Premda definicija energetskog sklopa ne uključuje te sklopove, mnogi navodi u ovoj knjizi izravno se odnose na njihovo projektiranje. 5

15

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

Slika 2.1 a) Shema spoja energetskog sklopa, sastavljena samo od sklopki, za pretvorbu izmjeničnog napona u napon s istosmjernom komponentom . b) Shema spoja izmjenično-istosmjernog pretvarača a) s dodanim filtarskim elementima L i C za potiskivanje neželjenih harmoničkih komponenata iz .

16

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

Slika 2.2 a) Pretvaračka topologija na slici 2.1.a) tako spojena s vanjskim sustavima i tako upravljana da omogućuje izmjenjivanje, b) Uobičajeni način crtanja sheme spoja pretvarača u mosnom spoju. Napon , valnog oblika kao na slici 2.1.a), sadrži istosmjernu komponentu (jednaku ), ali sadrži i neželjene izmjenične komponente, koje se mogu prigušiti dodavanjem spremnika energije. Primjerice, ako se upotrijebi niskopro-pusni LC filtar, kakav je prikazan na slici 2.1.b), većina izmjeničnih komponenata napona stvorenog sklopkama je na prigušnici umjesto na izlazu. Na nama je da, u jednoj fazi procesa projektiranja, izaberemo dovoljno velike vrijednosti komponenata za postizanje željene razine prigušenja. Izmjenično-istosmjerni pretvarač kroz koji prolazi energija od izmjeničnog sustava prema istosmjernom naziva se ispravljač. Međutim, upotrebom baterije kao izvora energije na mjestu istosmjernoga vanjskog sustava, kao što pokazuje slika 2.2.a), energija teče u drugom smjeru. Takav pretvarač se naziva izmjenjivač. Primijetite da isti energetski sklop omogućuje obje funkcije. U praksi funkciju određuju vanjski sustavi, ostvarenje sklopki i upravljanje sklopkama. Topologija ovog spoja od četiri sklopke naziva se most. Uvelike se upotrebljava u energetskoj elektronici i obično se crta kao na slici 2.2.b). Primjer 2.1. Pretvarač koji spaja dva izvora Ako su induktivitet i/ili kapacitet niskopropusnog filtra topologije prema slici 2.1.b) dovoljno veliki, izlazni napon je konstantan i iznosa . Tada se mogu kapacitet i otpor nadomjestiti naponskim izvorom te vrijednosti, kao što je prikazano na slici 2.3.a), a da se ne promijeni rad sklopa. Dakle, pristupi pretvaračkog spoja su spojeni na izvore koji mogu davati energiju. Koji je smjer toka energije?

17

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

Slika 2.3 a) Topologija pretvarača na slici 2.1.b) s opteretnim otporom i filtarskim kapacitetom nadomještenim naponskim izvorom iznosa jednakog srednjoj vrijednosti istosmjernog napona , b) Valni oblici kad se sklopke upravljaju tako da daju negativnu srednju vrijednost napona ,

Odgovor baš i nije očit, jer se ne može odrediti struja bez znanja o prethodnom radu sklopki, a smjer određuje smjer toka energije. Ono što se može je da se napiše izraz za u ovisnosti o (koji je određen sklopkama) i o :

18

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

Slika 2.3. a) prikazuje napon se P i N sklopke upravljaju tako da izmjenjuju vođenje u trenucima kada napon prolazi kroz nulu. Srednja vrijednost tog napona, u intervalu je:

Dakle, se ne može promijeniti. To je uvjet rada u periodičnom ustaljenom stanju, jer je sklop u istom stanju na početku i na kraju svakog sklapanja sklopki. Ako biL bio vrlo velik (L ≈ ∞), struja se ne bi mijenjala čak ni tijekom intervala . Ako bi se neprekidno upravljalo sklopkama na taj način, srednja vrijednost napona na L bi bila jednaka nuli i bi uvijek bio jednak nuli. Međutim, može se upravljati trenutkom otvaranja i zatvaranja sklopki. Pomakom sklopnih trenutaka za kuta od sjecišta napona s nulom, kao stoje prikazano na slici 2.3.b), nastaje na L napon čija je srednja vrijednost različita od nule. laj napon uzrokuje promjenu struje, u ovom slučaju njezin pad (struja postaje negativna). Kada struja dosegne vrijednost koja odgovara željenoj snazi, trenuci sklapanja sklopki vrate se na sjecište napona s nulom, slika 2.3.a). Srednja vrijednost napona je ponovno jednaka nuli i se više ne mijenja. Primijetite: sklopke se ne mogu upravljati tako da se dobije pozitivna srednja vrijednost napona jer je odabrani napon istosmjernog izvora jednak najvećoj mogućoj vrijednosti istosmjerne komponente napona Time je moguć tok energije samo od istosmjerne mreže prema izmjeničnoj. Tok energije u oba smjera omogućila bi manja vrijednost . Sklop ove topologije, upravljan kako je opisano, primjer je skupine sklopova nazvanih fazno upravljivi pretvarači. Podrobnije su razmotreni u 5. poglavlju.

2.2.2

Filtriranje

Upotreba osnovnih topologija elektroničkih energetskih pretvarača, takvih kakva je osnovna topologija izmjenično-istosmjernog pretvarača na slici 2.1.a), često rezultira odstupanjem valnog oblika jedne ili više pristupnih varijabli od željenog. T&da se mora preinačiti topologija dodavanjem filtara za potiskivanje neželjenih komponenata iz pristupnih varijabli. Jedan od načina prikazuje slika 2.1.b) za istosmjernu stranu izmjenično-istosmjernog pretvarača. Sada razmotrimo ovaj predmet sveobuhvatnije. Jednostavnija alternativa filtra na slici 2.1.b) dobije se izbacivanjem kapaciteta i znatnim povećanjem induktiviteta. Nastali filtar ima jedan pol kod . Smještajem tog pola pri frekvenciji koja je dovoljno niža od frekvencije sklapanja sklopki, struja induktiviteta (i otpora) postaje približno konstantna i iznosi . Sada je struja izmjeničnog izvora pravokutnog umjesto sinusnog valnog oblika, što je nepoželjno zbog razloga o kojima se raspravlja u 3. poglavlju. Mora se upotrijebiti još jedan filtar za otklanjanje svih komponenata osim osnovne iz struje . Slika 2.4.a) prikazuje topologiju izmjenično-istosmjernog pretvarača s filtrom na istosmjernoj strani preinačenim i skladu s prethodnom raspravom i filtrom drugog reda koji se sastoji od na izmjeničnoj strani. Protutaktni rad P i N sklopki stvara struju pravokutnog valnog oblika naizmjeničnim okretanjem smjera struje . Naime, struja preslikava se preko sklopki u struju . Karakteristike izmjenične mreže jako utječu na topologiju izmjeničnog filtra. U ovom slučaju mreža je jednostavno naponski izvor kojemu je inkrementalna impedancija na svim frekvencijama jednaka nuli. Zato samo poredni filtar nije dovoljan, te topologija filtra mora biti takva da je na svim (idealno) frekvencijama osim osnovne u seriji s naponskim izvorom neka impedancija (u ovom slučaju ).

19

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

Slika 2.4 a) Topologija izmjenično-istosmjernog pretvarača na slici 2. l.a) s nisko-propusnim filtrom (RL) prvog reda na istosmjernoj strani i niskopro-pusnim filtrom (LaCa ) drugog reda na izmjeničnoj strani, b) Druga mogućnost: učinkovitiji filtar na izmjeničnoj strani U praksi niskopropusni izmjenični filtar ne radi previše dobro. Razlog je taj što je prva, i najveća, neželjena harmonička komponenta struje treća. Jer je preblizu osnovnoj harmoničkoj komponenti, frekvencija pola filtra se ne može odabrati tako da filtar znatno prigušuje treću harmoničku komponentu a da istodobno ne prigušuje osnovnu. Slika 2.4.b) prikazuje drugo rješenje filtra. Ovdje su upotrijebljeni: serijski filtar, L3 i C3, za kratko spajanje treće harmoničke komponente, i niskopropusni filtri, L5 i C5, za potiskivanje pete i svih viših harmoničkih komponenata. Ovi primjeri pokazuju da filtri usložnjuju osnovnu topologiju energetskog sklopa potrebnu za funkciju pretvorbe. Jednako je važno da uočite utjecaj vanjskih mreža na topologiju i učinkovitost filtra. Ako su filtri dijelovi energetskog sklopa, karakteristike pretvarača se mogu odrediti samo uz poznavanje karakteristika vanjskih mreža, tj. samo uz poznavanje primjene. Primjer 2.2, Rezonantni pretvarač U primjeru 2.1. raspravljeno je upravljanje tokom energije pomoću mijenjanja faznog kuta između sklopnih trenutaka i sjecišta izmjeničnog napona s nulom. Ako se na izmjeničnim priključcima pretvarača nalazi rezonantni filtar, može se katkad upotrijebiti drugi način upravljanja zasnovan na jakoj frekvencijskoj ovisnosti prijenosne funkcije filtra.

20

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

Slika 2.5 a) Topologija izmjenično-istosmjernog pretvarača u polumosnom spoju s ugođenim serijskim filtrom na izmjeničnoj strani, b) Naponski odnosi između nefiltriranog napona i izlaznog napona ako je filtar ugođen na sklopnu frekvenciju .

Slika 2.5.a) prikazuje topologiju izmjenično-istosmjernog pretvarača s rezonantnim filtrom na izmjeničnoj strani. Ta topologija, koja se sastoji od naponskog izvora sa srednjom točkom i samo od dvije sklopke, naziva se polumosni spoj. Slika 2.5.b) prikazuje valne oblike napona i ako je filtar ugođen na frekvenciju napona . Dakle, sklopna frekvencija , jednaka je rezonantnoj frekvenciji . Ako je serijskog RLC kruga velik, filtar je vrlo selektivan i napon je gotovo sinusan. Na sklopnim frekvencijama različitim od , amplituda izlaznog napona određuje se iz apsolutnog iznosa admitancije :

je amplituda osnovne

, harmoničke komponente u

.

Frekvencijska ovisnost apsolutnog iznosa admitancije prikazana je na slici 2.6. Sklapanje na frekvenciji većoj od i dalje omogućuje filtru da dovoljno dobro prigušuje harmoničke komponente iz . Naglo prigušenje filtra osigurava gotovo sinusan izlazni napon. Stoga se može mijenjajem sklopne frekvencije upravljati snagom predanom opteretnom otporu.

21

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

Slika 2.6 a) Ovisnost admitancije RLC kruga o frekvenciji. RLC krug se nalazi na izmjeničnoj strani pretvarača, slika 2.5a). Topologija na slici 2.5.a) jest topologija serijskog rezonantnog pretvarača. Taj pretvarač je samo jedan iz skupine rezonantnih pretvarača, skupine koja pripada porodici istosmjerno-izmjeničnih pretvarača. Obično se koriste za dobivanje visoko-frekvencijskih struja i napona, te se često primjenjuju na području indukcijskog zagrijavanja. Primijetite: opisani način upravljanja tokom energije rezultira promjenjivom izlaznom frekvencijom. Zato taj način upravljanja nije primjenjiv kada se traži konstantna izlazna frekvencija.

2.3 Istosmjerni pretvarači Istosmjerni pretvarači uvelike se upotrebljavaju u napajačima elektroničke opreme, gdje upravljaju tokom električne energije između dva istosmjerna sustava. Istosmjerni pretvarač priključuje se na istosmjerni izlazni napon izmjenično-istosmjernog pretvarača i pretvara ga u druge istosmjerne napone potrebne za napajanje elektroničkih sklopova, primjerice u 5 V i ±15 V. Ovi pretvarači se nadalje upotrebljavaju u postrojenjima napajanim iz baterije. Upotrebljavaju se i u električnoj vuči za upravljanje brzinom vrtnje istosmjernih motora, primjerice u viličarima i istosmjernim elektromotornim vlakovima. Jedna vrsta istosmjernih pretvarača koja se većinom upotrebljava u električnoj vuči naziva se čoper.

Slika 2.7 Osnovna topologija istosmjernog pretvarača. Faktor pretvorbe mijenjati između ±1.

22

može se

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

2.3.1

Osnovna topologija

Osnovna topologija istosmjernog pretvarača prikazana je na slici 2.7. Izrazita značajka ove topologije je njezina sličnost s topologijom izmjenično-istosmjernog pretvarača na slici 2.1.b). Zapravo, jedina razlika je u upravljanju sklopkama. U ovom istosmjernom pretvaraču sklopke se upravljaju tako da nastane napon koji ima istosmjernu komponentu. Tu komponentu onda propušta niskopropusni LC filtar i na izlazu je istosmjerni napon V2. Kao i prije, P i N sklopke rade u protutaktu. Umjesto da je svaki par sklopki zatvoren točno polovicu periode, kao u izmjenično-istosmjernom pretvaraču, ovdje se parovi upravljaju tako da imaju nejednaka vremena vođenja. Zato napon ima istosmjernu komponentu. Primjerice, ako P sklopke vode 3/4 periode T, dobije se napon valnog oblika prikazanog na slici 2.7. Njegova srednja vrijednost je . Namještanjem relativnog vremena vođenja parova sklopki (tj. omjera vremena vođenja i periode T), srednja vrijednost napona može se mijenjati između i . Relativno vrijeme vođenja sklopke naziva se faktor vođenja sklopke i označuje se sa D. U ovom primjeru je faktor vođenja P sklopki 0,75, a N sklopki 0,25. Primjer 2.3, Pojednostavnjena topologija istosmjernog pretvarača Tbpologija na slici 2.7. može se pojednostavniti ako se zahtijeva izlazni napon samo jednog polariteta: 0