ЈЕДНОСМЕРНИ ПРЕТВАРАЧИ

Транскрипт

1 ЈЕДНОСМЕРНИ ПРЕТВАРАЧИ

2 Подела једносмерних претварача према управљаној величини: једносмерни претварачи са управљаном струјом / чопери остварују излазну струју мале таласности, ΔI IZ <<I IZ једносмерни претварачи са управљаним напоном / једносмерни напајачи остварују излазни напон мале таласности, ΔU IZ <<U IZ

3 ЧОПЕРИ Подела чопера према остваривој тренутној и средњој вредности излазног напона и струје: једноквадрантни чопер U IZ >, I IZ > двоквадрантни чопери i. U IZ >, I IZ >< ii. U IZ ><, I IZ > i IZ / I IZ 1 кв. u IZ / U IZ i IZ / I IZ i. ii. 1 кв. 2 кв. i IZ / I IZ 1 кв. u IZ / U IZ u IZ / U IZ 4 кв. i IZ / I IZ четвороквадрантни чопер U IZ ><, I IZ >< 2 кв. 1 кв. u IZ / U IZ 3 кв. 4 кв.

4 ЈЕДНОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР коло: управљање (импулсно-ширинска модулација): U max u u m модулатор једноквадрантног чопера a/2 2 u G () +15V /2 a a 2 2 = u m U max a = u m U max Основни параметри ИШМ управљачког сигнала: период прекидања - Т фактор испуне - а.

5 ЈЕДНОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР - континуалан рад u G () +15V a 2 3 u IZ () U UL U IZ U IZ = a U UL < < a a < < i IZ () i C () a i D () I IZ 2 3 E < U IZ I IZ = U IZ E u CE = u IZ = U UL i C = i IZ = i UL i D = A u D = U UL I IZ = U Ul E i C = i UL = A i D = i IZ u D = u IZ = u CE = U UL I IZ = E i UL () i C i D i C i D i C i D

6 u IZ () i IZ () U UL a U IZ (U UL -E) / -E/ I IZ ЈЕДНОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР континуалан рад - вршне вредности i IZ : 1 2 = U UL 1 e a τ 1 e τ E = U UL 1 a e τ E 1 e τ - средње вредности u IZ и i IZ : Решење диференцијалне једначине 1. реда са константним улазом: U IZ = a U UL i IZ () = I IZ + (I IZ I IZ ) e τ τ=l/ U IZ = I IZ + U L + E U L= UIZ = I IZ + E < < a i IZ () = U UL E i IZ a = = U UL E + ( U UL E ) e τ + U UL E e a τ [1] I IZ = U IZ E = a U UL E a < < i IZ = E + ( + E ) e a τ i IZ = = E + + E e 1 a τ [2]

7 u IZ () i IZ () U UL a U IZ Е Δ (U UL -E) / 3 ЈЕДНОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР дисконтинуалан рад < < a i IZ () = U UL E a < < (1-Δ) (1 e τ) i IZ a = = U UL E (1 e a τ ) i IZ = E + ( + E ) e a τ -E/ -Δ < < I IZ 2 3 i IZ 1 = = E + + E = 1 a τ ln( E + 1) 1 a e τ u IZ = E u CE = U UL E i IZ = i C = i D = u D = E - средње вредности u IZ и i IZ : U IZ = a U UL + E U IZ = I IZ + E I IZ = U IZ E

8 ЧЕТВОРОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР коло: управљање (униполарна импулсно-ширинска модулација): U max u m,5 1-u m u G1,3 () +15V u u G1 u G3 u G1 u G3 2 u G1 униполарни ИШМодулатор): u G2,4 () +15V u G2 u G4 u G2 u G4 u G2

9 ЧЕТВОРОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР основна правила управљања полумостом: рад полумоста: u Gg =+15V i X > g = укљ. u xn = U UL u Gd = i X < D g = укљ. u xn = U UL u Gg = i X > D d = укљ. u xn = u Gd =+15V i X < d = укљ. u xn = 1. није дозвољено истовремено побудити оба транзистора у полумосту: u Gg =+15V, u Gd =+15V 2. тежи се да се транзистори у полумосту наизменично укључују: u Gg =+15V, u Gd = или u Gg =, u Gd =+15V 3. ограничење за правило 2. је неопходно мртво време потребно да се транзистор сигурно искључи пре укључења другог: u Gg =, u Gd = 4. међусобни утицај полумостова се може занемарити стање неке гране и вредност струје i X занемарљиво утичу на U UL u Gg = u Gd = i X > i X < D d = укљ. D g = укљ. u xn = u xn = U UL Рад пара транзистор / диода се испољава као рад прекидача који проводи струју у оба смера, а управљан је са u Gx.

10 < < a/2 i IZ () = U UL E a/2 < < /2 i IZ a/2 = = U UL E ЧЕТВОРОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР 1. квадрант + ( U UL E ) e τ i IZ = E + ( + E ) e a/2 τ i IZ /2 = = E + + E 1 2 = U UL 1 e a 2τ U IZ = a U UL I IZ = U IZ E + U UL E 1 e 2τ E = U UL 1 a e 2τ 1 e E 2τ = a U UL E e a 2τ [1] e 1 a 2τ [2] a = u m,5 U max /2 U max u m,5 1-u m u AN () u BN () u IZ () =u AN - u BN i IZ () i UL () U UL U UL U UL U IZ I IZ I UL u a/2 /2 (U UL -E) / -E/ I IZ = U IZ E UIZ = a U UL

11 < < a/2 i IZ () = U UL E a/2 < < /2 i IZ a/2 = = U UL E ЧЕТВОРОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР 4. квадрант + ( U UL E ) e τ i IZ = E + ( + E ) e a/2 τ i IZ /2 = = E + + E 1 2 = U UL 1 e a 2τ U IZ = a U UL I IZ = U IZ E + U UL E 1 e 2τ E = U UL 1 a e 2τ 1 e E 2τ = a U UL E e a 2τ [1] e 1 a 2τ [2] a = u m,5 U max /2 U max u m,5 1-u m u AN () u BN () u IZ () =u AN - u BN i IZ () i UL () U UL U UL U UL U IZ I IZ I UL u a/2 /2 (U UL -E) / -E/ UIZ = a U UL I IZ = U IZ E

12 < < a/2 i IZ () = U UL E a/2 < < /2 аналогија u m >,5 / u m <,5 u m >,5 u m <,5 u m,5 u m,5 U UL i IZ a/2 = = U UL E ЧЕТВОРОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР 3. квадрант + ( U UL E ) e τ i IZ = E + ( + E ) e a/2 τ i IZ /2 = = E + + E U UL U IZ = a U UL I IZ = U IZ E + U UL E e 1 a 2τ [2] 1 2 = U UL 1 a e 2τ = a U UL E 1 e 2τ = U UL 1 e a 2τ a = u m,5 U max /2 1 e 2τ U max 1-u m,5 u m u AN () e a 2τ [1] E E u BN () u IZ () -U UL i IZ () i UL () U UL U UL I IZ I UL u U IZ a/2 /2 2 -E/ (-U UL -E) / U IZ = a U UL I IZ = U IZ E

13 < < a/2 i IZ () = U UL E a/2 < < /2 аналогија u m >,5 / u m <,5 u m >,5 u m <,5 u m,5 u m,5 U UL i IZ a/2 = = U UL E ЧЕТВОРОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР 2. квадрант + ( U UL E ) e τ i IZ = E + ( + E ) e a/2 τ i IZ /2 = = E + + E U UL U IZ = a U UL I IZ = U IZ E + U UL E e 1 a 2τ [2] 1 2 = U UL 1 a e 2τ = a U UL E 1 e 2τ = U UL 1 e a 2τ a = u m,5 U max /2 1 e 2τ U max 1-u m,5 u m u AN () e a 2τ [1] E E u BN () u IZ () -U UL i IZ () i UL () U UL U UL I IZ I UL u U IZ a/2 /2 -E/ (-U UL -E) / U IZ = a U UL I IZ = U IZ E

14 пример управљивости - електромобил: ЧЕТВОРОКВАДРАНТНИ ЧОПЕР - представа машине једносмерне струје: u a = a i a + L a di a d + e a, e a = ω ψ f m el = i a ψ f G G J dω d = m el m meh M el / I IZ - усрењена представа машине једносмерне струје: ω / U IZ U a = a I a + E a, M el = I a ψ f M el = M meh E a = ω ψ f

15 пример управљивости - електромобил: - називни подаци машине и параметри: U an = 2, I an = 113A, n N = 25 o min, a =,2Ω, L a - радне тачке машине: 1) ω M(1) = +2 rad s, ψ f =ψ fn Ia(1) = 2 3 I an = 75,3A M meh = 2 3 M N - изведени подаци машине: U a(1) =,2 75,3 + 2,68 = 151,1V ω N = n N 2π 6 = 261,8 rad s ψ fn = U an a I an ω N =,68Wb 2) ω M(1) = 2 rad s, M meh = 2 3 M N ψ f =ψ fn Ia(1) = 2 3 I an = 75,3A U a(1) =,2 75,3 2,68 = 121, 3) ω M(1) = 2 rad s, M meh = 2 3 M N 4) ω M(1) = 2 rad s, M meh = 2 3 M N ψ f =ψ fn Ia(1) = 2 3 I an = 75,3A ψ f =ψ fn Ia(1) = 2 3 I an = 75,3A U a(1) =,2 75,3 2,68 = 151, U a(1) =,2 75,3 + 2,68 = 121,

16 ЈЕДНОФАЗНИ НАИЗМЕНИЧНИ ПРЕТВАРАЧ

17 ЈЕДНОСМЕРНИ НАИЗМЕНИЧНИ ПРЕТВАРАЧ коло: управљање (униполарна импулсно-ширинска модулација):,5 униполарни ИШМ модулатор: Синусна модулација: Индекс амплитудске модулације: Индекс фреквенцијске модулације: u m =,5 +,5 m a sin(ω) m a = u m,5 U (max), m a 1 m f = f f m, m f > 9

18 ЈЕДНОСМЕРНИ НАИЗМЕНИЧНИ ПРЕТВАРАЧ одзив величина у колу: хармонијски спектар излазног напона: u AC u p [V] i p [A] i AC [A] U AC(h) U DC U AC(1) U DC = m a -1 5 i DC [A] i DC [A] 2 m f 4 m f h хармонијски садржај излазне струје: x 1-3 I (h) = U AC(h) Z (h), Z (h) = 2 + (hωl) 2

19 ТРОФАЗНИ НАИЗМЕНИЧНИ ПРЕТВАРАЧ

20 трофазни ИШМ модулатор: коло: синусна модулација: u ma =,5 +,5 m a sin(ω) u mb =,5 +,5 m a sin(ω 2π 3 ) u mc =,5 +,5 m a sin(ω 4π 3 ) u = 1 ro(m f ω) m a 1 1 m a =,7, m f = 15,85 u u ma.5 u mb u mc u G1 [r.j.] 1 u G2 [r.j.] [s]

21 4 U DC = 32, m a =,7, m f = 15 u AN [V] ABC = 1Ω, L ABC = 2mH, e ABC = 79V 1 4 u BN [V] 4 u AB [V] U DC 1 3 U DC u A [V] -3 5 i A [A] 1 3 U DC 2 3 U DC

22 међуфазни напони: прорачун напона потрошача: фазни напони: u AB = u AN u BN u AN u BN u AB U DC U DC U DC U DC U DC U DC u An = u AN u nn u Bn = u BN u nn u Cn = u CN u nn [1] u An = A i A + L A di A d + e A u Bn = B i B + L B di B d + e B u Cn = C i C + L C di C d + e C симетричан потрошач: A = B = C = L A = L B = L C = L e A + e B + e C = потрошач повезан у звезду: i A + i B + i C = 1 2 u An = 2 3 u AN 1 3 (u BN + u CN ) u Bn = 2 3 u BN 1 3 u AN + u CN u Cn = 2 3 u CN 1 3 (u An + u Bn ) u An + u Bn + u Cn = [2] u AN U DC u BN u CN u An 2 3 U DC U DC 1 3 U DC U DC U DC 1 3 U DC U DC 1 3 U DC U DC U DC 1 3 U DC U DC U DC 3 U DC U DC U DC U DC

23 синусна модулација хармонијски спектар фазног напона: U An(1) = m a U DC 2 U An(h) Код синусне модулације индекс амплитудске модулације је ограничен на опсег m a.є{ 1}. Највећа ефективна вредност 1. хармоника фазног напона је U DC /2 2, а међуфазног 3U DC /2 2. Добијено искоришћење напона U DC је ниско: за U DC = 56 (колико износи једносм. напон на излазу трофазног диодног исправљача са капацитивношћу повезаног на мрежу U L = 4 ) остварени међуфазни напон на излазу трофазног наизменичног претварача је свега U AB = 343V h

24 u ma = m a [sin ω +,1636 sin 3ω ] синусна модулација са додатком 3. хармоника u mb = m a [sin(ω 2π 3 ) +,1636 sin 3ω ] m a 1,15 Mодулатор је непромењен u mc = m a [sin(ω 4π 3 1 ) +,1636 sin 3ω ],8 m a =,7, m f = 15 u u ma.5 u mb u mc u G1 [r.j.] 1 u G2 [r.j.] [s]

25 4 одзиви величина на потрошачу за исте вредности управљачких сигнала и податке потрошача као у огледу са синусном модулацијом U DC = 32, m a =,7, m f = 15 ABC = 1Ω, L ABC = 2mH, e ABC = 79V 1 u AB [V] -4 3 u A [V] -3 5 i A [A] [s]

26 синусна модулација са додатком 3. хармоника хармонијски спектар фазног напона: 12 1 U An(1) = m a U DC 2 U AC(h) Први хармоник фазног и међуфазног напона се не мења додатком 3. хармоника у модулишуће сигнале. Међутим, индекс амплитудске модулације је проширен на опсег m a.є{ 1,15}. Према томе, највећа ефективна вредност фазног напона и међуфазног напона је повећана за х1,15, а тиме и искоришћење напона U DC : за U DC = 56, oстварени међуфазни напон на излазу трофазног наизменичног претварача је сада U AB = 394V h

27 ПРИМЕНА НАИЗМЕНИЧНИХ ПРЕТВАРАЧА 1. погони машина наизменичне струје (АСМ или СМСМ): 2. уређаји беспрекидног напајања:

28 ПРИМЕНА НАИЗМЕНИЧНИХ ПРЕТВАРАЧА 3. претварачи повезани на електричну мрежу: P DC P AC Q AC I DC I INV основни принципи: активна снага: P DC = U DC I DC P AC = 3 U MŽ I INV cosφ реактивна снага; Q AC = 3 U MŽ I INV sinφ

29 ПРИМЕНА НАИЗМЕНИЧНИХ ПРЕТВАРАЧА 3.а VAr компензатор (извор / потрошач реактивне енергије): основни принципи: U INV = U MŽ + U L U L = jωl I INV Када претварач даје напон, U INV, који је у фази са напоном мреже, U MŽ, и веће амплитуде, производи ток струје, I INV, попут капацитивности; Q AC >. И обрнуто, када претварач даје напон, U INV, који је у фази са напоном мреже, U MŽ, и мање амплитуде, производи ток струје, I INV, попут индуктивности; Q AC <.

30 ПРИМЕНА НАИЗМЕНИЧНИХ ПРЕТВАРАЧА 3.б повезивање малих извора електричне енергије на мрежу: основни принципи: U INV U INV = U MŽ + U L U L = jωl I INV U L IINV(P>) U MŽ U L Када претварач даје напон, U INV, који угаоно предњачи у односу на напоном мреже, U MŽ, производи ток активне снаге ка мрежи, попут генератора; P AC >. И обрнуто, када претварач даје напон, U INV, који угаоно касни у односу на напоном мреже, U MŽ, производи негативан ток активне струје, попут потрошача; P AC <.

31 3.б двоструки претварач (back-o-back inverer): ПРИМЕНА НАИЗМЕНИЧНИХ ПРЕТВАРАЧА Враћање енергије у мрежу при кочењу машине. Повезивање две преносне електричне мреже (тзв. High Volage DC ransmission - HVDC, нпр. између Хокаиодо и Хоншу) или повезивање локалне мреже на преносну / дистрибутивну мрежу (нпр. ветроелектране у плитком мору и копна).