FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU

Izmjenični pretvarači – izravni i neizravni

UČINSKA ELEKTRONIKA

Izmjenična pretvorbaJednofazni regulator naponaTrofazni regulator napona CiklopretvaračiMatrični pretvarači Neizravni izmjenični pretvarači

Ak. god. 2011/2012 Zagreb, 08. 11. 2011.

Izmjenična pretvorba – izravna i neizravna

2

Izmjenična pretvorba – izravna i neizravna

3

Izmjenična pretvorba može biti izravna ili neizravna.

Najjednostavniji primjer izravnog izmjeničnog pretvarača je izmjenični regulator (pretvarač) napona.

Primjena jednofaznog regulatora napona je kod rasvjete, univerzalnih motora itd. Primjena trofaznog regulatora napona je za upuštanje asinkronih motora, naponsko upravljanje asinkronim motorima, jednostavnu promjenu smjera vrtnje.

Neizravni izmjenični pretvarači imaju dva stupnja pretvorbe i istosmjerni međukrug. To je najčešća struktura pretvorbe kod suvremenih pretvarača za izmjenične strojeve.

Jednofazni regulator napona

Izmjenični regulator napona;principna shema spoja i neki od mogućih valnih oblika izlaznog napona (moguće inačice upravljanja).

Potrebno je koristiti odgovarajuće sklopke.

Jednofazni regulator napona

Da bi se dobio sljedeći valni oblik izlaznog napona:

izmjenični regulator napona se ostvaruje ovako:

Radi se o faznom upravljanju.

Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

6

Valni oblik struje jednak je valnom obliku napona na trošilu.

Izlazni napon je izmjenični napon.

Promijenila se efektivna vrijednost izlaznog napona.

Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

Upravljačka karakteristika daje ovisnost efektivne vrijednosti izlaznog napona u kutu upravljanja . Upravljačka karakteristika je nelinearna.

Izraz za efektivnu vrijednost izlaznog napona je:

2

2sin1

2

2sin1

2

sin1

,

22,

rmss

s

srmsd

U

U

ttdUU

Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

Slijedi izraz za efektivnu vrijednost struje kroz djelatno trošilo:

2

2sin1

2

2sin1

2sin

1 ,2

2

,

d

rmss

d

s

d

srmsd R

U

R

Uttd

R

UI

i izraz za snagu P na djelatnom trošilu R:

2

2sin1

sin1

2,

222,

d

rmss

d

s

d

rmsdd R

U

R

ttdU

R

UP

Kroz svaki od ventila struja teče samo u jednoj poluperiodi, pa se izraz za efektivnu vrijednost struje tiristora razlikuje za faktor √2.

2

2sin1

22

2sin1

2sin

2

1 ,2

2

,

d

rmss

d

s

d

srmsT

R

U

R

Uttd

R

UI

Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

Napon i struja trošila bogati su višim harmonicima, što se vidi iz slike. Posljedica je onečišćenje napojne mreže.

Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

Faktor snage λ

Budući da je trošilo djelatno, pretpostavka je da u sklopu ne postoji jalova snaga, i da je faktor snage jednak 1.

Da li je ova pretpostavka ispravna?

Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

Postupak računanja faktora snage je izravan:

2sin2

11

2sin 2

IUttd

IUP ss

2s

rms

UU

2sin2

11

2sin

1 22,,

IttdIII rmsdrmss

2sin

2

11

2

IUS s

2sin2

11

S

P

Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

Pretpostavka je bila pogrešna.I sklopovi s djelatnim trošilom mogu imati faktor snage manji od 1.Zašto?

Faktor snage u ovisnosti o kutu upravljanja za jednofazni regulator napona.

2sin2

11

S

P

Zadatak: Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

Jednofazni regulator napona napaja se iz izmjeničnog izvora amplitude 120 V i frekvencije 60 Hz. Otpor djelatnog trošila je R = 15 . Izračunajte:

(a) kut upravljanja tiristora potreban da se trošilu preda snaga 500 W, (b) efektivnu vrijednost struje izvora, (c) efektivnu i srednju vrijednost struje tiristora, (d) faktor snage izvora i (e) ukupno harmoničko izobličenje (THD) struje izvora.

Zadatak: Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

a) Efektivna vrijednost napona potrebna da trošilu preda snagu od 500 W je:

VRPU

R

UP

rmsd

rmsd

6,8615500,

2,

Veza između efektivne vrijednosti napona na trošilu i kuta upravljanja (upravljačka karakteristika) određena je izrazom:

2

2sin1,, rmssrmsd UU

Upravljačka se karakteristika može prikazati grafički.

Zadatak: Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

Iz slike se približno može odrediti potrebni kut upravljanja iz normiranog izlaznog napona 86,6/120 = 0,72, te slijedi = 90 el. Točnije rješenje dobiva se numeričkim postupkom, rješavanjem izraza:

1,8802

2sin11206,86

2

2sin1,, rmssrmsd UU

Zadatak: Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

(b) Efektivna vrijednost struje izmjeničnog izvora izračunava se pomoću izraza:

A77,515

6,86,,,

R

UII rmsd

rmsdrmss

(c) Efektivna struja tiristora jednostavno se može izračunati iz izraza:

A08,42

77,5

2,

, rmsdrmsT

II

A86,11,88cos1152

1202cos1

2)(sin

2

1

R

Utdt

R

UI SST

dok se srednja vrijednost struje jednog tiristora izračunava pomoću izraza:

Zadatak: Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

(d) Faktor snage slijedi iz izraza:

no može se izračunati i iz izraza :

(e) Efektivna vrijednost struje izvora (trošila) uz kut upravljanja = 0 el jednaka je:

AR

UI rmssrms 8

15

120,

Efektivna vrijednost osnovnog harmonika struje može se odrediti pomoću unaprijed nacrtanog grafa prikazanog na slici.

Zadatak: Jednofazni regulator napona – djelatno trošilo

Faktor osnovnog harmonika je C1 = 0,61 , te se dobiva efektivna vrijednost osnovnog harmonika

AICI rmsrms 9,4861,01,1

Sada se na temelju od prije poznatog izraza izračunava ukupno harmoničko izobličenje struje:

%6363,09,4

9,477,5 22

,1

2,1

2

rms

rmsrms

I

IITHD

Jednofazni regulator napona – induktivno trošilo

Ako je trošilo induktivno, strujno-naponski odnosi i izračunavanje izraza nešto su složeniji.

d

d

R

Larctg

Ne postoji potpuna sloboda u izboru kuta upravljanja. Minimalni kut upravljanja jednak je kutu trošila . Strujno-naponski odnosi kod minimalnog kuta upravljanja jednaki su onima bez tiristora.

Jednofazni regulator napona – induktivno trošilo

Kut prestanka vođenja u ovisnosti o kutu upravljanja. Kut trošila je parametar.

Od = 0 do = ne može se upravljati naponom.

Trofazni regulator napona

U slučaju trofaznog trošila i regulatora napona, strujno-naponski odnosi su znatno složeniji, što se može vidjeti iz slike.

Trofazni regulator napona

Primjena: Naponsko upravljanje asinkronim motorom

Pomoću trofaznog regulatora napona moguće je naponsko upravljanje brzinom vrtnje asinkronog motora (uz ograničene mogućnosti i svojstva).

Dodavanjem još dvaju parova tiristora moguća je i promjena smjera vrtnje asinkronog motora. Radi se o promjeni redoslijeda faza napona napajanja.

Izravna pretvorba napona i frekvencije

Izmjenični regulatori napona mijenjaju efektivnu vrijednost napona. Frekvencija izlaznog sustava jednaka je frekvenciji ulaznog sustava.

Izmjenični regulator napona može se, uz drugačiji sklopni raspored, upotrijebiti za izravnu pretvorbu napona i frekvencije (uz ograničenja).

Izravna pretvorba napona i frekvencije (ciklopretvarači)

To je ideja ciklopretvarača. Ciklopretvarači su izravni pretvarači napona i frekvencije (bez istosmjernog međukruga).

Ciklopretvarač zasnovan na jednofaznom mosnom spoju.

Izravna pretvorba napona i frekvencije (ciklopretvarači)

Načelo upravljanja frekvencijom.

Izravna pretvorba napona i frekvencije (ciklopretvarači)

Načelo upravljanja naponom.

anvelopa krivulja koja u svakoj svojoj točki dodiruje po jednu od beskonačno mnogo istovrsnih crta u ravnini.

fr. enveloppe omot, kuverta, ovoj, omotač, oplet

Ciklopretvarači na ovom načelu rada nazivaju se anvelopni ciklopretvarači (riječ anvelopa nije upotrijebljena u matematičkom smislu).

Ciklopretvarači – djelatno trošilo

Ako se žele dobiti navedeni valni oblici napona, a trošilo je djelatno, ciklopretvarač se ostvaruje ovako:

Svaka sklopka je ostvarena s dva antiparalelna tiristora.

Ciklopretvarači – induktivno trošilo

U općem slučaju, ciklopretvarač na svojem izlazu mora dati oba polariteta napona i oba smjera struje. Potrebne su sve kombinacije: pozitivni smjer struje i oba polariteta napona, te negativni smjer struje i oba polariteta napona.

Ciklopretvarači s trofaznim spojevima

Ciklopretvarač zasnovan na trofaznom spoju sa srednjom točkom daje sinusoidalni valni oblik izlaznog napona; primjerice ciklopretvarač od dva trofazna tiristorska usmjerivača sa srednjom točkom u antiparalelnom spoju.

Ako je trošilo induktivno, valni oblik izlaznog napona ovisi o faznom pomaku struje trošila.

Ciklopretvarači s trofaznim spojevima

Fazni pomak između izlaznog napona i struje trošila mijenja valni oblik izlaznog napona. Dakle, energija akumulirana u trošilu mora se moći vraćati u napojnu mrežu. Zato, svaki usmjerivač radi u ispravljačkom i izmjenjivačkom načinu rada.

Ciklopretvarači s trofaznim spojevima

Ciklopretvarači s trofaznim spojevima

Sinusoidalniji valni oblik izlaznog napona dobije se upotrebom složenijih pretvaračkih spojeva. Primjerice, umjesto dva antiparalelna spoja sa srednjom točkom mogu se upotrijebiti dva antiparalelna mosna spoja:

tU

Ut

tUtUu

d

d

00

0

000

sinarccos

sincos

Zakon upravljanja:

Ciklopretvarači s trofaznim spojevima

Šestopulsni, fazno upravljivi, dvokvadrantni (I. i II. kvadrant) tzv. pozitivni pretvarač.

Valni oblik izlaznog napona i filtriranog izlaznog napona ako se spojem upravlja tako da je mrežom komutirani ciklopretvarač.

Ciklopretvarači s trofaznim spojevima

Šestopulsni, fazno upravljivi, dvokvadrantni (III. i IV. kvadrant) tzv. negativni pretvarač.

Valni oblik izlaznog napona i filtriranog izlaznog napona ako se spojem upravlja tako da je mrežom komutirani ciklopretvarač.

Ciklopretvarači s trofaznim spojevima

Valni oblici izlaznog napona, filtriranog izlaznog napona i struje trošila kod ciklopretvarača bez strujne pauze.

Ciklopretvarači s trofaznim spojevima

Valni oblici izlaznog napona, filtriranog izlaznog napona i struje trošila kod ciklopretvarača sa strujnom pauzom.

Ciklopretvarači – rješenje s prigušnicama kružne struje

Zakon upravljanja:

)180cos(cos

180

21

21

2

)()()(2

tututu BA

Rješenja za trofazna trošila su složena

Matrični pretvarači – izravni pretvarači napona i frekvencije (primjer u IPES+_on-line)

Moguća je istovremena izravna pretvorba napona i.frekvencije

Neizravni izmjenični pretvarači

Neizravni izmjenični pretvarači su danas najčešće korišteni pretvarači za izmjenične elektromotorne pogone. U ulaznom dijelu nalazi se ispravljač (najčešće diodni), a iza istosmjernog međukruga nalazi se izmjenjivač.

L1

L2

L3

UDC

BR1

UG-

CDC

RLade U

V

W

T1

T4 T6 T2

T5T3

Brem

schopper

BR2

RBrem

s

UG+

Auswertung Steuerkarte

Isp

ravl

jač

Pre

na

po

nsk

a z

ašt

ita

Og

ran

iče

nje

st

ruje

pu

nje

nja

Ka

pa

cite

t m

eđ

ukr

ug

a

Izm

jen

jiva

č

Mje

ren

je

izla

zne

str

uje

Prik

ljuča

k m

oto

ra

Mre

ažn

i p

riklju

čak

Ko

čni k

rug

Neizravni izmjenični pretvarači

ULAZNI DIO:

a) Diodni ispravljač

b) Tiristorski usmjerivač

c) PWM usmjerivač (eng. active front end -AFE)

IZLAZNI DIO:

a) VSI izmj. s nap. ulazom

b) CSI izmj. sa str. ulazom

Neizravni izmjenični pretvarači – rješenja EM kočenja

Ulazni stupanj – PWM usmjerivač (engl. Active Front End)

Ulazni stupanj – PWM usmjerivač (engl. Active Front End)

Ulazni stupanj – PWM usmjerivač (engl. Active Front End)

Uzimanje energije iz mreže uz faktor snage = 1 Vraćanje energije u mreže uz faktor snage = -1

Opterećenje mreže proizvoljnim faktorom snage Mogućnost kompenzacije utjecaja ostalih trošila