v.katic - ee2 - 2. invertori _dc-ac

V.Kati ENERGETSKA ELEKTRONIKA

114

8. INVERTORI SADRAJ: 1. Definicija: 2. Podela-vrste 3. Tranzistorski invertori

-pravougaoni tranzistorski invertor-princip rada -analiza rada -kvazi-pravougaoni invertor -PWM invertor -objanjenje PWM tehnike -analiza monofaznog PWM invertora -delta modulac

4. Trofazni tranzistorski invertor 5. Strujni invertor 6. Rezonantni invertor 7. Izlazni filtri


115

8.1. DEFINICIJA:

Invertor su direktni pretvarai jednosmerne u naizmeninu struju (AC/DC). Koriste snane elektronske prekidae punoupravljivog tipa tranzistore. To su ureaji kojima se povezuju dva energetska sistema uestanosti f=0 i f=f, s tim to snaga ide sa jednosmerne strane na naizmeninu. Razlika u odnosu na invertorski rad ispravljaa je to to se ovde komutacija radi prinudno. Koriste se i kao indirektni u konfiguraciji AC/DC + DC/AC Tiristorski invertori se vie ne proizvode, zbog sloenije konstrukcije i slabijih performansi, osim za invertore najveih snaga, za koje ne postoje odgovarajui tranzistori. Danas se sve vie koriste u industrijskim elektromotornim pogonima i saobraaju, jer se jednosmerni pogon zamenjuje naizmeninim. 8.2. VRSTE:

a) Po prekidakoj komponenti

1. Tiristorski invertori (vie se ne koriste) 2. Tranzistorski invertori

b) prema optereenju: 1. zavisni (sa prirodnom komutacijom) 2. nezavisni (autonomni, sa prinudnom komutacijom)

c) prema vrsti komutacije: Komutacija se obavlja prisilno pomou komutatora ili drugaije Podela: 1. sa prirodnom komutacijom 2. sa prinudnom komutacijom:

-paralelni -redni(rezonantni) -ostali

d) po principu rada: 1. naponski 2. strujni

e) po konfiguraciji: - prosti -sa srednjom takom: -na transformatoru -na izvoru jednosmerne struje -mostni

f) po broju faza - monofazni - trofazni - viefazni (polifazni, n-fazni)

g) po broju komutacija: -dvopulsni -tropulsni -estopulsni

h) po nainu upravljanja (regulacije) - pravougaoni - kvazi pravougaoni


116

- sa impulsno-irinskom modulacijom (IM=PWM)

esto se nalaze kao sastavni delovi kaskada JS JS: INV + ISP OP => Napajai sa galvanskom izolacijom. Ovo se radi kada se eli galvansko odvajanje ugradnjom u naizmenino kolo transformatora.

i) NS NS: ISP + INV, ova kombinacija esto se koristi i to za: 1. za dobijanje vee uestanosti 2. pretvaranje uestanosti ili broja faza 3. stabilnost napona sa rezervom u sluaju nestanka struje

mrea f = fmree

SBN sistem za besprekidno napajanje

j) regulacija brzine kaveznog AM:

f = varijab

AM


117

8.3. TRANZISTORSKI INVERTORI Danas su potpuno potisnuli tiristorske invertore osim za najvee snage gde se korist GTO invertori i u sluaju mreom komutovanih invertora. U najrairenijm aplikacijama se koriste tranzistorski invertori i to sa MOSFET tranzistorima pri manjim snagama odnosno sa VRT i IGBT tranzistorima za vee snage. Po principu regulacije tj. obliku izlaznog napona dele se na:

1. pravougaone invertore 2. kvazi pravougaone 3. impulsno irinski modulisane (PWM)

Pravougaoni tranzistorski invertor

S2

Ud

S1id

+

S3 S4RpUp

ip

d

T

dpeff UdtUT

U == 2/

0

212 , pdpeff RUI = , constR

UIRP dpeffpR ===

22 , Rdeffdd PIUP ==

1=d

R

P

P- idelani invertor

ip =Ud/Rp

Up

S1 S4 S2 S3 S1 S4 S2 S3

ip

id id=Ud/Rp

Ud

-Ud


118

S2

Ud

S1id

+

S3 S4

Rp

Lp

Up

ip

D3 D4

D1 D2

dpeff UU = , ddef UUU 9,022

1 == ,

=2/

0

212T

ppeff dtiT

I ,

20,

Tt

dt

diLiRU

p

pppd


119

1. vii harmonici 2. komutacija (mrtvo vreme) 3. nema regulacije izlaznog napona 4. povratna struja u jednosmernom kolu

8.3.1 REAVANJE PROBLEMA VIIH HARMONIKA U IZLAZNOM NAPONU

UdUiz

Dobija se pravougaoni napon a eli se sinusoida.

dpef UU = ddefp UUU 9,022

1 == %331

1

==ef

ef

pU

UTHDU

=

=1

)2

)12sin(()12(

4

k

dp t

Tk

k

UU

1 3 5

1/3

1/5

n red harmonika

HDu/HD1

Da bi dobili sinusoidu stavljamo LC filtar.

C

L Ip

-40 dB/dek.

Realni LC filtar

21

1)(

LCssW

+=


120

Primer: L=10 H, fg=100Hz

LC

1= => F25,0

L)f2(

1C

2=

=

Uc=220V, f=50Hz, => KVAXU

c

380Qc2

==

Realni problem je to za dobru filtraciju reaktivna snaga kondezatora je Qc je proporcionalna sa Ppot, to znai da e struja kroz tranzistor biti mnogo vea. Da bi se ovaj problem otklonio izvriemo N komutacija u periodi. IM prvobitna ideja N komutacija u periodi

N~50

Ui

-E

E

Tk Tn

T1 T2

+1+

1

Srednja vrednost napona u k-tom odseku: kAVU

+k EU =1

k EU =1

kkk T=++

ET

Uk

kkk

AV

+ =

Ako je k = 1N tada odreujemo na sledei nain:

= +

2sinN

k

Tk

kk sinusoidan PWM, tada je

= 2sinN

kEU kAV , k = 1N

Cilj uvoenja IM je pomeranje dominantnih viih harmonika na frekvencije koje je mogue lako i ekonomino eliminisati prostim (LC) filtrima. esto se induktivnost filtera zamenjuje parazitnim induktivnostima elektrinog kola i potroaa, tako da se filtar svodi na paralelno postavljanje kondenzatora. 8.3.2. PROBLEM KOMUTACIJE

U realnom invertoru potrebno je posebno analizirati proces komutacije. Pretpostavke: 1. potroa je induktivan 2. induktivnost potroaa je takva da se struja tokom komutacije moe smatrati konstantnom.


121

Postoje dve vrste komutacije i to: 1. sa diode na tranzistor 2. sa tranzistora na diodu Proces rada invertora: a) pravougaoni:

D1S1D3S3D1S1 D4S4D2S2D4S4

b) PWM S3D1S1D3S1 D3 S3D1S3 D1..S1 D4S4D2S4 D2 S2D4S2 D4..S4

Vae jednaine Bulove algebre: D1+S1+D3+S3 = 1

D2+S2+D4+S4 = 1 tj. da u jednoj grani uvek vodi samo jedna komponenta.

S2

Ud

S1id

+

S3 S4

Rp

Lp

Up

ip

D3 D4

D1 D2

a) PRAVOUGAONI Komutacija dioda tranzistor nije kritina jer se vri prilkom prolaska struje kroz nulu.

D3 S3

1.

D3S3

Ip

Struja tee kroz D3 2.

D3S3

Ip

IB3


122

Ukljuujemo S3 pre nego ID3 padne na nulu jer ne znamo kad nastupa taj trenutak. Struja IB3 tee kroz PN spoj tranzistora ali nema IC3. 3.

D3S3

Ip

IB3

Struja ID3 pada na nulu i D3 se gasi. Ui poraste i tranzistor postaje pozitivno polarisan. Struja IB3 postoji pa se tranzistor odmah ukljuuje pri nultoj struji pa nema preoptereenja. 4.

D3S3 IC3

Ip

IB3

Vodi samo S3 b) PWM

D3 S1

1.

D3S3

Ip

IB3

Ui

E

+

Struja tee kroz D3. IB3 postoji jer ne znamo taan smer ip. 2.


123

D3S3

IpUi

Iskuljuimo S3 i pravi se pauza od ts da se ne napravi kratak spoj. 3.

D3S3

IB1

Ui

Pravimo pauzu i posle toga dovodimo IB1. Kolektorska struja S1 raste. Struja D3 opada. 4.

D3S3

IB1

Ui

Vodi samo S1.


124

ts

IB3

0,5-1*tsS3 20s

IB1

-0,7V vodi D3

Eprenapon

QB2

tf

QRR

100-300 s = tRR brza dioda

ID3

Ip

30%

kratak spoju mostu

QB2 su nagomilani nosioci u bazi. Prenapon se javlja zbog pika struje koji je vei ako su vee parazitne induktivnosti. QRR su nagomilani nosioci u diodi. T2 i D2 su u istom kuitu.

ID3

IB3

UDUCES

Ui

IC3

KOMUTACIJA TRANZISTOR DIODA

S3 D1

1.


125

IC3

IB3

Ip

Vodi samo S3

2.

D1

S3

IB3=0

Ui

Prekidamo stuju baze IB3. Struja kolektora S3 polako opada. Zbog debalansa struje u voru A raste napon Ui i dioda D1 poinje da vodi. 3.

D1

S3IB3=0

IB1=0

Struju pruzima dioda D1 4.

IB1 0

Ukljuujemo S1. Struju vodi D1. Struja IB1 tee kroz oba PN spoja tranzistora ali nema Ic1.


126

ts

IB3

0,5-1*ts

IB1t

tfIS3

ID1

mrtvo vreme

Ui

Pojava prenapona: a) Zbog spore diode u komutaciji tipa A. b)

t

iDC

di/dt

di/dt je jako veliko i na rasipnoj induktivnosti vodova izmeu kondezatora i invertora se javlja

prenapon. Otklanjaju se RCD zatitom na celom mostu. dt

diLEU DCrasM +=

UM

LrasE

S1Lras+S2

S3

S4

REUc


127

8.3.3. REGULACIJA IZLAZNOG NAPONA

Zasniva se na istim principima kao i kod tiristorskog invertora. a) u invertoru: 1. Kvazi prvougaoni invertor 2. PWM invertor b) van invertora 8.3.4. KVAZI - PRAVOUGAONI INVERTOR

+

-

T1Ud

T3

T2

T4

A

B

N

T1UAN T3T1

1800

UBN T4

t

Ud

T2

1800

1800- d

d

Up

T4

d

=2

cos4

nUn

U dpn , 0= : dobija se pravougaoni invertor dpn Un

U4

=

1

0,253

7

THD

d

ph

U

U

4


128

8.3.5. PWM INVERTOR

Realni inertori obino imaju na ulazu diodne isparvljae, koji zajedno sa kondezatorom C, daju konstantni jednosmjerni napon. Da bi se obezbjedio konstantan odnos U/f izlaznog napona, to je uslov za rad sa stalnim momentom kod asinhronog motora, invertor mora da regulie napon i frenkfenciju. To se omoguuje impulsno irinskom modulacjom prekidaa invertora PWM invertor. Ima raznih tehnika PWM sa ciljem da se dobije inusni izlazni napon, a najpoznatija je sinusna PWM (SWPM). Kod PWM tehnika razlikujemo: 1. Moduliui ili kontrolni signal vcontr. On se koristi da modulie vreme voenja prekidaa tako da

izlazni napon bude to blii sinusoidnom fundamentalne frekvencije f1 (0< f1


129

Izlazni napon u taki A nezavisno od smjera struje je:

>

>

=

OFFT

ONTU

OFFT

ONTU

contr

d

ccontr

d

A

1

3

3

1

0

,2

,2

, Posmatra se napon UA0

jer se tu prikljuuje potroa u polu mostnoj emi. Pretpostavka: 1. fs > f1 2. unutar Ts smatra se da je vcontr = const 3. vcontr Vc

-Ud/2

2Vc

vc

Ud/2

Ts/2

UA0sr

vcontr= Vcountrsinw1t

UA0

Ts

tk tk+1

Posmatra se srednja vrednost (osnovni harmonik) unutar jednog intervala, a cilj nam je da te

vremenski nedovezane srednje vrednosti saine sinusoidu, to je u stvari digitalna rekonstrukcija sinusoide. Za proizvoljni k-ti interval vai:

221

2

1

2

1

0

d

s

k

T

t

d

s

t

d

s

Asrk

U

T

tdt

U

Tdt

U

TU

k

k

k

=

+

= ,

( ) ccontrc

s

k

c

s

contrc

k

V

vv

T

t

V

T

vV

ttg

22

22 ==

=

22221 d

c

contrd

c

contrc

Asr

U

V

vU

V

vvU =

=

Ako je vcontr sinusna funkcija, tada je to i osnovni harmonik UA0(t) tVv contrcontr 1sin= ,

= =

====N

k

N

k

d

c

contrd

c

contrk

srkAA

Utw

V

VU

V

vUU

1 11001 2

sin....2

201d

A

UMU =

Ovaj postupak se naziva usrednjavanje u prostoru stanja i koristi se u matematikoj analizi (simulaciji) rada invertora. Izlazni napon je skupimpulsa i on varira izmeu Ud/2 i Ud/2. Nas interesuje fundamentalni harmonik pa je potrebno analizirati spektar:

( ) twUMtU dA 10 sin2=


130

0

1

1

0,8

UAonUd/2

3F-6.. 3F-2 3F 3F+2.. 3F+62F-3 2F 2F+3 2F-1 2F+1

F-2 F F+2

Osobine spektra: 1. maksimalna amplituda osnovnog harmonika je MUd/2 za 0100 Ali pri veoma velikim snagama F < 9 kvazi pravougaoni invertor Malo F ako je F 21 Veliko F ako je F > 21

4. Moduliui i nosei signal treba da su sinhronizovani sinhrona PWM, odnosno F mora biti ceo broj. Ako to nije (to se esto deava kao greka u regulacionom kolu) onda se javljaju sub harmonici. Meutim ovaj problem je znaajan samo za malo F tj, F 21. Kod velikog F amplitude subhrmonika su male, pa se mora voditi rauna o sinhronizaciji. Obino se uzima fc = const, a f1 se varira. Ipak kada je f1 blizu nule male amplitude subharmonika e izazvati velike struje, to nije poeljno. Zbog toga treba izbegavati asinhronizam. Nadmodulacija (M>1) Za 0 < M < 1 linearna regulacija. PWM gura harmonike u oblast visokih frenkfencija to je poeljno, ali vrednost osnovnog harmonika mala 0 < UA01 < Ud/2. Da bi se poveala amplituda osnovnog harmonika ide se na nadmodulaciju M > 1. Meutim tada broj i nivo niih harmonika raste. Dalje poveanje M dovodi do zasienja tj. do prelaska u pravougaoni oblik.

2

4

2 01d

Ad UU

U


131

-

+

Ud

T1

T3

0

Ud/2

AUd/2

N

ipC Rp

LpUp

+

==

ONTOFFTvvU

OFFTONTvvU

UU

ccontrd

ccontr

d

Aop

21

21

2

2

( )

=

+=1

sinn

pnp nnwtUU , 22nnpn baU +=

n

nn b

atg = an, bn - koeficijenti furijevog reda

UAo je neparna funkcija i simetrina u odnosu na T/4, odnosno: ( ) ( )tUtU AoAo = i ( ) ( )tUTtU AoAo =+ 2/ pa je:

02 == kk ba ( ) ( ) +=+4/

0

12

212sin

8 T

Aok dtt

tktU

Tb

, k=0,1,2..Za prvi harmonik uzima se k=0 pa je:

( ) ( ) ( ) ===4/

0

2/

0

001 2sin

2

82sin

8 T dAA

UMwtwtdwtUdt

T

ttU

Tb

, pa je 21d

p

UMU =

Problemi koji se javljaju su: 1. mala amplituda osnovnog harmonika 2. naprezanje komponenata UT = Ud, IT = ipmax Mostna ema jednofaznog PWM invertora a) Sa bipolarnim prekidanjem:

1. amplituda osnovnog harmonika Ud 2. naprezanje UT = Ud, IT = ipmax

+

-

T1Ud

T3

T2

T4

A

B

N

Ud/2

Ud/2

id

Up=UA0-UB0

ipiA0

iB0

Grane A i B se upravljaju inverznim signalima: UB0 = -UA0. Na bazi prethodne analize vidi se da je:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )tUtUtUtUtUTtUtU

ABAp

AAB

000

000

2

2/

==

==

dakle izlazni napon varira izmeu Ud, odnosno amplituda osnovnog harmonika je:

1

410

1

1

>


132

Jednaina invertora:

[ ] [ ]220

0 d

B

AdT

B

A

ac

U

T

TUT

U

UU

==

= (1)

00 BAp UUU = (2)

[ ]T je prekidaka matrica odnosno prenosna funkcija invertora, a TA i TB su prekidake funkcije grana A i B. Ovaj tip invertora se naziva PWM invertor sa bipolarnim prekidanjem.

( )[ ] [ ] ( )[ ] [ ] ( )( )

==

ti

tiTtiTti

B

A

acd

0

0

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) pAAAAAAABBAAd iTtiTtiTtiTtiTtiTti 22 000000 ==+=+= Ako je ip=ipsinwt a spektar TA dat na prethodnoj slici tada je id=Id + id2 + idVF , idVF 0. Najizraeniji je drugi harmonik dok se VF mogu lako filtrirati.

Problemi koji se javljaju su: 1. drugi harmonik u id 2. trenutno prekidanje tranzistora

b) PWM sa unipolarnim prekidanjem Grana A i B se upravljaju nezavisno poreenjem vc sa vcontr (grana A) i vcontr (grana B), pa posmatramo napone grana u odnosu na (N) kraj izvora:

Grana A: 03

1

=

ANccontr

dANccontr

UiONTvv

UUiONTvv

Grana B: 04

2

=

BNccontr

dBNccontr

UiONTvv

UUiONTvv

Poto ima povratne diode napon ne zavisi od smera struje. dBdABNANp UTUTUUU ==

( ) dBAp UTTU =


133

Izlazni napon se dobija iz kombinacije napona grana. Ima etiri kombinacije:

000,

0,

0,

0

43

21

23

4,1

===

===

===

===

pBNAN

pdBNdAN

dpdBNAN

dpBNdAN

UUUONTT

UUUUUONTT

UUUUUONTT

UUUUUONTT

Kada je napon Ud struja tee ili kroz par tranzistora (T1, T4) ili par dioda (D2, D3) razliitih grana i polovina mosta. Kada je napon 0 struja tee izmeu razliitih grana ali iste polovine mosta (T1, D2) ili (D1, T2) i tada je id=0. Ovaj nain prekidanja daje efekat u duplo veeoj prekidakoj frenkfenciji u izlaznom naponu, tako da se harmonici pojavljuju samo oko parnih multipla osnovne uestanosti (ali F mora biti parno).

VcVcontr

UAN

2p

UBN

Up

UAN = TAUd, UBN =TBUd, Up=UAN UBN

Faza: N BN = 180 F = 0, F je parno zato se ponitavaju svi dominatni harmonici kao i boni opsezi oko F, 3F


134

0

1

1

0,8

UphUd

4F 2F 2F-1 2F+1

F

Ui=0

Ui=E/2

+

E

Ui=E

UkAK=0

E/2

UkAk=E/2 Uk

Ak=E

Tk

-

Ako se ovako radi spektar e biti:

f Nf 3Nf

2E

Ako je N veliko, moemo da smanjimo LC faktor. Ovo je princip PWM modulac. Nedostaci koji se javljaju: 1. Bazira se ne pretpostavci da mogu da se precizno odrede + i to je teko postii, pa se PWM radi sa brzim tranzistorima kod kojih je mali ts.

Delta modulacija Princip koji se koristi za upravljanje bipolarnim tranzistorom.


135

S1

S2

+E/2

-E/2

1/s- Ui Uii - U Uih=1

integrator U=Uref - Uii komparator sa histerezisom

Uref +

Ovaj signal koristimo za upravljanje prekidaima S1 i S2.

ih

u

ih UA

H

A

UU +=

dU

-

+ +

-

Uii Uref Uref

Ui

H

-H

iii sUU = , s iz integratora

( )wtAdt

dsUsUUwtAU RiiiR sinsin ===

wtAwU i cos= 8.4. TROFAZNI PRAVOUGAONI INVERTOR:

+

-

T1

Ud

T3

T2

T4

A

B

N

Ud/2

Ud/2

id

ipiA0

C

ABC

T5

T6


136

Trofazni PWM invertor:

UAB = UAN - UBN UAC = UAN - UCN UBC = UBN - UCN

AN BN = 120

0 F =0 Ako je F neparno i multipla od 3! tada se harmonici ponitavaju i ostaju samo boni opsezi oko kF!

24,3,78,06

0.1,612.022

3

1

1

>==

=

MUUU

MMUMUU

ddAB

ddAB

0

1

1

0,8

UABhUd

3F-4 3F-2 3F 3F+2 3F+4 2F-1 2F 2F+1F-2 F F+2

8.5. STRUJNI INVERTORI Do sad razmatrani invertori su bili naponskog tipa. Razlika je to je kod naponskog jednosmerni napon konstatan dok je kod strujnog ulazna struja

konstantna. To podrazumeva (obino imamo naponski izvor) dodavanje rendne prigunice ija induktivnost je dovoljno velika da se struja moe smatrati konstantnom tokom jedne poluperiode. Naponski invertor: L rasipne imduktivnosti ili dodate da se izvor oslobodi harmonika. Cd za povratne struje daje neprekidan napon na ulazu i invertor Strujni invertor: Ld za peglanje struje id = Id Jednostavniji je, monogo prostija ema, ali je znatno vei. Ekonomski nema prednosti. Meutim ulazna struja je mirna pa ne treba element pre invertora. Izlazne veliine su manje izobliene i ema je prostija tj. pouzdanija, takoe postoji mogunost reverzibilnosti bez premoavanja(dobar za pogone sa koenjem) Uslov za komutaciju: > wtq >0


137

Rad invertora: Ukupno optereenje i C mora biti kapacitivno da bi napon prednjaio za . C preuzima akumulisanu energiju iz L2 tj. ne trebaju diode. Nedostaci: 1. Ako je R optereenje naponse priblii pravouglom tako da je sve manje ne komutira se. Zbog toga mora automatski regulator napona. 2. Tekoe sa radom motora zbog postojanja oscilacija nestabilan je rad sprege invertor i AM reava se sloenijom spregom (nepovoljnije u odnosu na naponski invertor).

T3 T4

T1 T2

Ud

Naponski

Ud

Ld

id IdiC C

iU

Strujni

U

iUd

iC + i = id

UId

id

naponski strujni

U

I

U

I

dURidt

diL =+

( ) ( )2Ttiti +=


138

d

d

Iidt

dUC

IURdt

dUC

=+

=+1

Udt

diLiR =+ 22 mora 0>> qwt

- + - + - +-

+ - +

8.6. IZLAZNI FILTRI

Cp Lp

Lr Cr

r

rr

wCL

=1

p

pp

wCL

=1

ili

C3 C5 C7 CL3 L5 L7

Lr Cr

r

rr

wCL

=1

, 333

1w

CL= , 5

55

1w

CL=

UDC

invertor

- idealni invertor (monofazni)

S2E

S1iDC+

S3 S4

Rp

LpUi

Ako se ukljue S1 i S4 => Ui = -E, iDC = -ip S2 i S4 => Ui = E, iDC = ip


139

ip ip =Ui/R

Ui

S1 S4 S2 S3

L=0

iDC

ip

L ? 0

iDC

PR = RI2 = const

PDC = EiDC

v.katic - ee2 - 2. invertori _dc-ac

Documents