Pojačala snage i upravljanje istosmjernim motorima

Lekcija 5 Pojačala snage i upravljanje istosmjernim motorima Doc.dr.sc. Jasmin Velagić Elektrotehnički fakultet Sarajevo Kolegij: Aktuatori

2/70

Elektromotorni pogon s istosmjernim motorom Kaskadni sistem regulacije brzine vrtnje i armaturne struje s tiristorskim ispravljačem (usmjerivačem).

Ωr – referentna vrijednost brzine vrtnje Iar – referentna vrijednost struje armature Uup – upravljački napon

Mrežni transformator Prilagodba mjernog signala struje i filter

Davač Ωr referentne veličine

Regulator Iar brzine vrtnje

Regulator U up struje armature

Generator impulsa

Mjerni strujni transformator

Tiristorski usmjerivač

M

Ω

Mm

TG

Mt Radni mehanizam

Prilagodba mjernog signala brzine vrtnje i filter

Upravljački dio

Energetski dio

3/70

5.1. Pojačala snage ƒ

Koriste se za upravljanje.

ƒ

Prema tehnici izvedbe dijele se na:

ƒ

¾

električka,

¾

pneumatska,

¾

hidraulička.

Električka pojačala prema izvedbi dijele se na: ¾

strujna (stroj kao pojačalo snage – rotaciona),

¾

elektromehanička (sklopnici),

¾

magnetska (masovno su se koristili 50-60 godina prošlog stoljeća),

¾

elektronička.

4/70

Pojačala snage ƒ

ƒ

Elektronička pojačala se dalje dijele na: ¾

pojačala s živinim ventilom (40-50 godina prošlog stoljeća),

¾

tiratroni (za manje snage),

¾

tiristori (od 60-tih godina prošlog stoljeća na ovamo),

¾

tranzistori snage (od 70-tih godina prošlog stoljeća).

Bez obzira na tehniku izvedbe pojačala snage, postavljaju se slijedeći zahtjevi na: ƒ

pojačanje snage,

ƒ

linearnost statičke karakteristike,

ƒ

malu vremensku konstantu.

5/70

5.1.1. Poluvodički elementi u pojačalima snage ƒ

Kao poluvodički elementi (sklopke) u pojačalima snage se koriste: ¾ tiristori, ¾ GTO (Gate turn-off) tiristori, ¾ bipolarni tranzistori, ¾ MOSFET tranzistori, ¾ IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors).

6/70

Tiristor ƒ ƒ ƒ

A

K

Tiristor je poluupravljivi poluvodički ventil. g Kada je potencijal anode manji od potencijala katode (zaporni smjer), tiristor ne vodi struju. U propusnom smjeru (potencijal anode veći od potencijala katode, uAK > 0) tiristor može preuzeti blokirni napon manji od probojnog ukoliko na upravljačkoj elektrodi (gate) nema pozitivnog napona. iA

iA Idealizirana ui karakteristika

stanje vođenja

Realna ui karakteristika

uklapanje

uklapanje

uAK blokiranje u zapornom smjeru

stanje vođenja

blokiranje u propusnom smjeru

probojni napon

uAK blokiranje u propusnom smjeru

7/70

Tiristor ƒ

Ukoliko se na tiristor dovede pozitivni napon (strujni impuls), tiristor će nakon regenerativnog procesa uklapanja preći u stanje vođenja, u kojem je na njemu pad napona tipičnog iznosa od 1 do 3 V. Jednom kad tiristor provede, upravljački se impuls može i ukloniti, a tiristor ostaje u samoodržavajućem stanju.

8/70

GTO tiristor ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

Preko upravljačke elektrode isklopljivi tiristor ili GTO (eng. gate turn-off thyristor) je posebna vrsta tiristora, koja pripada potpuno upravljivim sklopkama. Poput klasičnog tiristora i GTO se iz stanja blokiranja dovodi u stanje vođenja kratkim pozitivnim impulsom struje upravljačke elektrode i ostaje u stanju vođenja bez daljnjeg prisustva ove struje. Međutim, za razliku od klasičnog tiristora, GTO se može isklopiti pomoću kratkotrajnog ali snažnog negativnog impulsa struje upravljačke elektrode. Amplituda negativnog strujnog impulsa tipično iznosi 1/3 struje koja se isklapa. A

K g

9/70

GTO tiristor iA

iA Idealizirana ui karakteristika

isklapanje

stanje vođenja

Realna ui karakteristika

uklapanje

uklapanje

isklapanje

uAK blokiranje u zapornom smjeru

blokiranje u propusnom smjeru

probojni napon

uAK blokiranje u propusnom smjeru

10/70

IGBT tranzistori ƒ ƒ ƒ

ƒ

ƒ

IGBT tranzistori ujedinjuju dobre strane MOSFET i bipolarnih tranzistora. Ova vrsta tranzistora dominira u pojačalima srednjih snaga. Osnovne karakteristike IGBT tranzistora su MOS upravljačka elektroda, velika brzina preklapanja, mali pad napona u stanju vođenja, sposobnost vođenja velikih struja i visoki stupanj robusnosti. Ove su sklopke po karakteristikama najbliže “idealnim sklopkama” s tipičnim rasponima napona od 600 - 1700 V, s padom napona tokom vođenja od 1.7 - 2.0 V pri strujama do 1000 A i vremenima preklapanja od 200 - 500 ns. Pojava IGBT tranzistora je doprinijela padu cijena pojačala snage te je povećala broj ekonomski isplativih industrijskih aplikacija.

C

G E

11/70

IGBT tranzistori ƒ

ƒ

ƒ

IGBT tranzistori kombiniraju visoku ulaznu impedanciju i brzinu MOSFET tranzistora s visokom vodljivosti (visokom gustoćom struje) bipolarnih Darlington tranzistora. IGBT tranzistori pojednostavljuju G projektiranje sklopovlja u odnosu na bipolarne tranzistora i omogućuju preklapanja visoke frekvencije uz reducirani šum u pretvaračima te doprinose smanjenju veličine i težine pojačala snage kao uređaja u raznim primjenama. Slika prikazuje nadomjesnu shemu IGBT tranzistora, gdje se ulazni dio predstavlja MOSFET tranzistorom, a izlazni dio bipolarnim tranzistorom.

C

E

12/70

5.2. Tiristorska pojačala ƒ ƒ

ƒ

ƒ

Tiristorska pojačala napajaju se direktno iz mreže i “sjeckaju” mrežni napon Umsinωmt. Osnovna zadaća tiristorskih pretvarača je da se srednja vrijednost napona pojačala mijenja u skladu s vrijednosti upravljačkog signala (izlaza iz regulatora). Tiristorska pojačala razlikuju se od pojačala snage s tranzistorima i GTO tiristorima zbog svojstva poluupravljivosti tiristora kao elektroničke sklopke. Naime, gašenje tiristora nastupa kada struja kroz tiristor padne ispod struje držanja (IH) – to znači da će u danim uvjetima za isti trenutak uključenja tiristora trenutak gašenja tiristora ovisiti o karakteru tereta pojačala, npr. teret može biti tipa R, R+L ili R+L+E (istosmjerni motor).

13/70

Tiristorska pojačala ƒ

ƒ ƒ ƒ

Tiristorska pojačala se dijele na: ¾ ispravljače ¾ usmjerivače, ¾ izmjenjivače, ¾ pretvarače frekvencije (ciklokonvertori), ¾ pretvarače napona. Ispravljač – struja teče samo u jednom smjeru kroz teret (I ili IV kvadrant). Usmjerivač pretvara izmjeničnu u istosmjernu energiju. Predstavlja antiparalelni spoj dva ispravljača (za rad u sva četiri kvadranta). Postoje spojevi bez kružne struje, s kružnom strujom i križni spoj (s kružnom strujom).

14/70

Tiristorska pojačala ƒ

ƒ

ƒ ƒ ƒ ƒ

Usmjerivači se koriste kod upravljanja istosmjernim strojevima, punjenja akumulatorskih baterija, napajanja elektrolize, itd. Izmjenjivač pretvara istosmjernu u izmjeničnu energiju (akumulatorske baterije i istosmjerni generator → izmjenična energija). Pretvarač frekvencija pretvara izmjeničnu energiju jedne frekvencije u izmjeničnu energiju druge frekvencije. Upotrebljava se za upravljanje brzinom vrtnje asinhronog motora promjenom frekvencije napona napajanja. Pretvarač napona pretvara istosmjerni napon jednog iznosa u istosmjerni napon drugog iznosa. Sastoji se od izmjenjivača i usmjerivača.

15/70

5.2.1 Tiristorski ispravljač ƒ

ƒ

ƒ

Koristi se za regulaciju brzine vrtnje istosmjernih motora u samo jednom smjeru jer daje struju armature koja može teći samo u jednom smjeru. Osnovni spojevi tiristorskog ispravljača: ¾ jednofazni mosni spoj (poput Graez-ovog diodnog mosta) → m=2, ¾ trofazni zvijezda ili trokut spoj → m=3, ¾ trofazni punoupravljivi mosni spoj → m=6. Oznaka m predstavlja broj pulzacija ispravljenog napona u periodu mrežnog napona.

16/70

Tiristorski ispravljač uR

uS

uR

uT

uS

Punoupravljivi spoj ispravljača (m=6).

Trofazni zvijezda spoj ispravljača (m=3).

Tr

Tr

T1

T2

T3 ud

Transformator

T1

T4

T3

T6

T5

T2 ud

Prigušnica Pr Prigušnica smanjuje valovitost.

ua M

Pr

uT

ua M

17/70

Tiristorski ispravljač ƒ

ƒ

ƒ ƒ ƒ

Na slijedećoj slici je prikazana principijelna (nadomjesna) shema upravljivog ispravljača (prikazana je samo jedna faza zbog jednostavnosti). Oznake na slici imaju slijedeća značenja: eR – idealni naponski izvor, Rm, Lm – ekvivalentni otpor i induktivitet mreže, Rt, Lt – ekvivalentni otpor i induktivitet transformatora, – pad napona na tiristoru u stanju vođenja, uF Rp, Lp – otpor i induktivitet prigušnice, Ra, La – otpor i induktivitet armature, U općem slučaju imamo m faza. Pretpostavit ćemo da su elementi idealni (otpori i induktiviteti). Impulsni uređaj generira impulse sinhronizirane s napajanjem ispravljača. Ugao upravljanja je funkcija napona us: α=f(us).

18/70

Tiristorski ispravljač uS

Impulsni uređaj

Impulsni uređaj generira impuls na tiristoru da bi on prešao u stanje vođenja. Generira upravljačke impulse na upravljačke elektrode tiristora u trenutku ovisnom o vrijednosti izlaza iz regulatora (ugao upravljanja α). Predstavlja vezu između regulatora i tiristorskog ispravljača. Principijelna shema upravljivog ispravljača

uα

Lp

Rp

uF

(α) Rt La Lt

ud

ua Ra

Rm

Lm eR

e

19/70

Impulsni uređaj um

Mreža napajanja

Stabilizator izvora napajanja

Filter

uF

um

Generator referentnog napona

urn

uS Ulazno pojačalo

uS0(α)

up

Komparator

Generator impulsa

Pojačalo impulsa

Impulsni transformator

uα ( α)

20/70

Impulsni uređaj ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

ƒ

ƒ

Osnovni načini upravljanja tiristorom: Vertikalni – generira se referentni napon urn koji je pilastog ili sinusoidalnog oblika, te se uspoređuje s naponom up. Kada je up+urn=0 tada se generira impuls. Horizontalni – generira se urn, čija je faza funkcija up-a, tj. ϕrn=f(up). Kada je urn=0 počinje generiranje impulsa. Generator referentnog napona (sinhronizira urn sa up, tj. rad impulsnog uređaja sa naponom mreže) je element za sinhronizaciju. Filter – izrađuje se kao RC filter da se smanje izobličenja napona mreže. U industriji se rade filteri s ϕF = π/3 (za 6-pulsne usmjerivače). Ulazno pojačalo služi za prilagođenje regulatora i impulsnog uređaja (up= -us0- us ).

21/70

Impulsni uređaj ƒ

Komparator – određuje početak generiranja impulsa.

ƒ

Kada je urn+up=0 tada komparator mijenja stanje. npr. za urn+up>0 → uk=+5V (+10V), urn+up0, α=konst.

ƒ Ispravljački režim – energija iz mreže α m = 180 − (γ + δ 0 ) ≈ 150 o. u ispravljač. γ − ugao komutacije, δ 0 − ugao koji odgovara vremenu ƒ Invertorski režim –E|Ud|, dio uspostavljanja zapornih svojstava tiristora. energije se troši na otporima Minimalni α ovisi o tipu ispravljača koji napaja armaturnog kruga, a dio se vraća u mrežu (stroj radi kao generator). istosmjerni motor.

27/70

Dinamičke karakteristike tiristorskog ispravljača ƒ ƒ

ƒ

ƒ ƒ ƒ

Dinamičke karakteristike tiristorskih ispravljača vezane su uz: Diskretnost upravljanja – tiristor može doći u stanje vođenja u određenom trenutku unutar pulzacije napona. Početak vođenja ovisi o brzini promjene upravljačkog signala dα/dt. Nepotpunost upravljanja – stvara problem ako je dα/dt > ωm, jer se tada odzivi kod povećanja i smanjivanja upravljačkog signala razlikuju. Dinamička svojstva ovise o amplitudi i frekvenciji upr. signala → nelinearan element. Odziv na promjenu upravljačkog signala nije jednoznačan (ovisi o režimu vođenja). Diskontinuirano vođenje – prijelazni proces završava unutar jedne pulzacije, tj. ne vidi se djelovanje armaturne vremenske konstante → Ta = 0.

28/70

5.2.3. Tiristorski usmjerivači ƒ

Koriste se za regulaciju brzine vrtnje istosmjernih motora (bez reverzije i kočenja, onda se koristi ispravljač koji daje struju samo jednog smjera).

ƒ

Ako se zahtijeva reverziranje i kočenje onda se koristi usmjerivač koji se sastoji od dva ispravljača. Ispravljači su spojeni paralelno pa imamo tri spoja: ¾

antiparalelni spoj bez kružne struje (uključen samo jedan ispravljač)

¾

antiparalelni spoj s kružnom strujom (istovremeno uključena oba ispravljača, jedan u upravljačkom, a drugi u inverznom režimu.

¾

kružni spoj (istovremeno uključena oba ispravljača).

29/70

5.3. Tranzistorski pretvarači U

U

Tiristorski ispravljač

D1

D3

U

R

D5

C

Ud0 D2

D4

Ispravljač

T

D6

Vezni filter

Sklop za kočenje

Tranzistorski pretvarač (čoper)

L

U

30/70

5.3.1. Tranzistorski pretvarač (čoper) ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

ƒ ƒ

Trofazni izmjenični napon se dovodi da diodni most koji vrši punovalno ispravljanje. Na izlazu mosta zahvaljući kondenzatoru, koji se nabija na vršnu vrijednost, uzrokuje pad napona Ud0. Sklop za kočenje služi za trošenje energije koju ne vraćamo u mrežu. Energija se troši na otporu R. Napon Ud0 dovodi se na tranzistorski pretvarač (čoper) koji taj napon (istosmjerni napon) pretvara u istosmjerni nivo. Na slijedećoj je slici čoper prikazan pomoću sklopke koja je upravljana upravljačkim naponom Uup koji ima logičko značenje. Ako se na čoper priključi teret, kroz njega će teći struja i na njemu će se stvarati pad napon Ud. Za Uup=1 na teretu imamo napon Ud0, za Uup=0 na teretu je napon 0.

31/70

Tranzistorski pretvarač (čoper) ƒ

Čoperom se kontrolira višak energije koji se ne vraća u mrežu nego se troši na potrošaću (R). Čoper Uup

Uup Ud0

Ud

Teret

Ud0

Tuk Ud

Tisk Čoperom se regulira dotok energije

32/70

Tranzistorski pretvarač (čoper) ƒ

Frekvencija prekidanja je definirana na slijedeći način:

1 1 fc = = , Tuk + Tisk T ƒ

gdje su Tuk i Tisk intervali uključivanja, odnosno isključivanja. Slijedeći bitan parametar je popunjenost signala (duty cycle):

Tuk d= . T ƒ

Izlazni napon Ud iznosi:

U d = dU d 0 . ƒ

Promjena popunjenosti (pogodno za otvorene reg. krugove): ¾ fc=konst., Tuk ¾ Tuk=konst., fc

promjenjivo, promjenjivo.

33/70

Tranzistorski pretvarač (čoper) L

D1

T1

T3

D3 ia

Ud0

C

A

ia

La

Ra

E

B

ud

T4

D4

T2

D2

II

I

III

IV

ud

34/70

Rad u prvom kvadrantu ƒ

Pretpostavke za analizu rada čopera: sklopovi za upravljanje bazom tranzistora (ukapčanje, iskapčanje) prenose djelovanje upravljačkih signala, ¾ tranzistorske sklopke su idealne, ¾ atiparalelne diode su također idealne. ¾

ƒ

Rad u prvom kvadrantu T1, T2 uključeni – interval Tuk (ud=Ud0), ¾ ia>0, ud>0 (ia teče od A prema B), ¾ T1 ili T2 isključen – interval Tisk (ud=0). ¾

ia

La

Ra

E

ud D4

T2

35/70

Rad u prvom kvadrantu Kontinuirani režim vođenja

Diskontinuirani režim vođenja ud

ud Ud0

T1T2 T2D4 T1 T2

T1D3

Ud0 E

ia

Tuk

Tisk

t

t

ia

t

t

36/70

Rad u drugom kvadrantu ƒ

Rad u drugom kvadrantu T1, T2 isključeni – D4, D3 vode, ¾ ia>0, ud