Osnove učinske elektronike, I. dio: Topologije i funkcije pretvarača [2nd ed.] 953-6647-18-4 [PDF]

Zitiervorschau

UD ŽBENICI SVEUČILIŠTA U ZAGREBU UNIVERSITATIS STUDIORUM ZAGRABIENSIS

MANUALIA

Naslov izvornika John G. Kassakian, Martin

F.

Schlecht,

George C. Verghese Massachusetts Institute of Technology Principles of Power Electronics Copyright ©

Copyright ©

1991 by Addison-Wesley Publishing Company,

Ine.

za hrvatsko izdanje: GRAPHIS, Zagreb

Urednik Prof. dr. se. Zvonko Benčić Recenzenti Doc. dr. se. Gorislav Erceg Doc. dr. se. Željko Jakopović Prof. dr. se. Mira Milanović Preveo s engleskog Prof. dr. se. Zvonko Benčić Lektorica Marilka Krajnović, prof.

ISBN ISBN

978-953-6647-18-7 978-953-279-024-5

(cjelina) (Dio

1)

CIP zapis dostupan u računalnom katalogu Nacionalne i sveučilišne knjižnice u Zagrebu pod brojem

733346.

John G. Kassakian

Martin F. Schlecht

George C. Verghese

OSNOVE V

UCINSKE

ELEKTRONIKE

I.

dio: Topologije i funkcije pretvarača

II.

izdanje

APHIS

AGREB

Našim obiteljima

SADRŽAJ

Predgovor autora

XI

Predgovor prevoditelja I izdanju

1.

XV

Predgovor prevoditelja II izdanju

XVII

UVOD

1

1.1. Sklopovi učinske elektronike 1.2. Učinske poluvodičke sklopke

1 2 4 4 4 5 7 8

1.2.1. Dioda 1.2.2. Tranzistor 1.2.3. Tiristor

1.3. Transformatori 1.4. Nazivlje Bilješke i literatura

2. PREGLED: TOPOLOGIJE I FUNKCIJE PRETVARAČA

2.1. Funkcije učinskog sklopa 2.2. Izmjenično-istosmjerni pretvarači 2.2.1. Osnovna topologija i tok energije 2.2.2. Filtriranje

2.3. Istosmjerni pretvarači 2.3. 1. Osnovna topologija

2.4. Izmjenični pretvarači 2.4.1.0snovna topologija

2.5. Utjecaj odabrane vrste sklopke na topologiju 3. UVOD U ISPRAVlJAČKE SKLOPOVE

3.1. Tok energije u električnim mrežama 3.2. Poluvalni ispravljački sklopovi

sklopa

9 10 11 11 15 18 19 21 21 23 26 27 28

VIII

OSNOVE UČINSKE ELEKTRONIKE

3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 3.2.5.

Poluvalni ispravljački sklop opterećen djelatnim trošilom Poluvalni ispravljački sklop opterećen induktivnim trošilom Poluvalni ispravljački sklop s porednom diodom Zamjena sklopa nadomjesnim izvorom Periodično ustaljeno stanje

3.3. Reaktancija napojne

mreže i komutacija struje

3.3.1. Komutacijski procesi i nadomjesni sklopovi 3.3.2. Učinci komutacije

3.4. Mjere i učinci izobličenja 3.4.1. Faktor snage 3.4.2. Harmoničko izobličenje Bilješke i literatura 4. MOSNI I VIŠEFAZNI ISPR AVLJAČKI SKLOPOVI

4.1. Jednofazni punovalni ispravljački sklop u mosnom spoju 4.1.1. Izlazni napon 4.1.2. Komutacija i regulacija u jednofaznom mosnom sklopu

4.2. Uvod u višefazne ispravljačke sklopove 4.3. Komutacija u višefaznim ispravljačkim sklopovima 4.3.1. Komutacija u tropulsnom ispravljačkom sklopu 4.3.2. Komutacija u šesteropulsnom ispravljačkom mosnom sklopu Bilješke i literatura 5. FAZNO UPRAVLJIVI ISPRAVLJAČKI SKLOPOVI

5.1. Jednofazni sklopovi 5.1.1. Upravljivi poluvalni ispravljački sklop opterećen djelatnim trošilom 5.1.2. Punovalni fazno upravljivi ispravljački sklop u mosnom spoju 5.1.3. Faktor snage pretvarača

5.2. Fazno upravljanje, postoji 5.3. Granice izmjenjivanja

reaktancija na izmjeničnoj strani

5.3. 1. Izostanak komutacije 5.3.2. Kut sigurnosti komutacije

5.4. Fazno upravljivi trofazni pretvarački sklopovi Bilješke i literatura 6. VISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI SKLOPNI PRETVARAČI

6.1. Topologija istosmjernih pretvarača 6.2. Osnovni sklopni element 6.3. Izravni pretvarač 6.3. 1. Istosmjerni faktor pretvorbe izravnog pretvarača 6.3.2. Odabir sklopki 6.3.3. O faktoru vođenja

28 29 32 35 35 36 37 39 40 41 45 47 49 50 52 54 56 60

60

62 67 69 70 70 73 76 78 81 81 84 86 87

88 89 94 96 96 98 101

SADRŽAJ

6.4. Neizravni pretvarač 6.4. 1. Istosmjerni faktor pretvorbe neizravnog pretvarača 6.4.2. Odabir sklopki 6.4.3. Varijante osnovne topologije neizravnog pretvarača

6.5. Izbor

vrijednosti kapaciteta i induktiviteta

6.5.1. Model izravnog pretvarača za računanje valovitosti 6.5.2. Model neizravnog pretvarača za računanje valovitosti 6.5.3. Najmanja vrijednost induktiviteta L i kapaciteta C izravnog pretvarača 6.5.4. Najmanja vrijednost induktiviteta L i kapaciteta C neizravnog pretvarača 6.5.5. Proračuni za uzlazno-silazni pretvarač i Ćukov pretvarač

6.6. Naprezanje poluvodičkih komponenata 6.7. Rad pretvarača u isprekidanom načinu rada Bilješke i literatura 7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAČI

IX

102 102 103 104 107 108 109 110 114 114 115 117 119

S GALVANSKIM ODVAJANJEM

120

7.1. Izravni nesimetrični

121 121 125 127

7.1.1. 7.1.2. 7.1.3. 7.1.4.

pretvarač s transformatorom

Struja magnetiziranja i naponsko pritezanje Transformatorski spregnuta pritega Heterogeni mosni spoj Naprezanja sklopki u izravnom nesimetričnom pretvaraču s galvanskim odvajanjem

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

7.3. Neizravni pretvarač s transformatorom 7.4. Učinci rasipnog induktiviteta transformatora 7.4.1 . Učinci rasipanja u izravnom nesimetričnom pretvaraču

7.5. Pretvarači s

više izlaza

Bilješke i literatura 8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

8.1. Osnovni izmjenjivač promjenljive frekvencije u mosnom spoju 8.1. 1. Izmjenjivači u mosnom spoju opterećeni trošilom koji ima faktor snage manji od jedan 8.1.2. Upravljanje snagom trošila u kojem je izmjenični naponski izvor 8.1.3. Izmjenjivač s utisnutom strujom

8.2. Smanjivanje harmonika 8.2.1. Metoda uklanjanja harmonika

127 129 129 133 136 138 138 142 142 144 145 146 147 149 150 151

X

OSNOVE UČINSKE ELEKTRONIKE 8.2.2. Metoda poništavanja harmonika

8.3. Izmjenjivači s modulacijom širine impulsa 8.3.1. Oblikovanje valnog oblika i raspakiravanje 8.3.2. Visokofrekvencijski pretvarač u mosnom spoju 8.3.3. Generiranje d(t ) u PWM-izmjenjivačima

8.4. Pretvarači spregnuti transformatorom 8.4.1. Galvanska odvajanje visokofrekvencijskim transformatorom

8.5. Trofazni izmjenjivači 8.5.l. Nastanak trofaznog izmjenjivačkog spoja 8.5.2. Harmonici trošila trofaznog izmjenjivača

Bilješke i literatura 9.

REZONANCIJSKI PRETVARAČI

9.1. Pregled svojstava sustava drugog reda 9.1.1. Odziv u vremenskoj domeni 9.1.2. Odziv u frekvencijskoj domeni

9.2. Serijski rezonancijski pretvarač s utisnutim naponom 9.2.1. Filtar 9.2.2. Upravljanje izlaznim naponom 9.2.3. Odabir sklopki 9.2.4. Vrijednosti induktiviteta L i kapaciteta C

9.2.5. Sklopni gubici

9.3. Paralelni rezonancijski pretvarač s utisnutom strujom 9.4 Preinake topologije rezonancijskih pretvarača 9.4.1. Razdvajanje prigušnice u pretvaraču s utisnutim naponom 9.4.2. Smanjenje izobličenja napona na trošilu promjenom mjesta trošila

9.5. Mosna topologija 9.5.1. Upravljanje snagom

9.6. Isprekidani način

rada

9.6.1. Temeljni isprekidani način rada

9.7. Rezonancijski istosmjerni pretvarači 9.7.l. Osnovne topologije 9.7.2. Nesimetrične topologije

Bilješke i literatura

10.IZMJENIČNI PRETVARAČI

153 156 157 160 162 163 164 165 165 168 170 171 173 173 174 176 176 177 179 179 182 186 192 192 195 196 196 197 198 201 201 202 205 207

10.1. Zahtjevi za pohranu energije u pretvaraču s istosmjernim međukrugom

10.2.

Mrežom komutirani ciklopretvarač 10.2.1. Načela rada 10.2.2. Ciklopretvarači s višefaznim izlazom Bilješke i literatura

209 213 213 218 219

PREDGOVOR AUTORA

Ovaj tekst smo posebice prilagodili učenju učinske elektronike. Premda je gradivo opsežno, teme smo razradili dovoljno duboko da bismo razotkrili temeljna načela, zamisli, postupke, metode i spojeve prijeko potrebne za razumijevanje i pro­ jektiranje sustava učinske elektronike; za toliko različite primjene kao što su sklopni pretvarači i

5 vatni 500 megavatna krajnja postrojenja istosmjernog veleprijenosa.

Tradicionalno, učinska elektronika se razmatrala i tumačila kao skup zasebnih disciplina, primjerice: elektromotorni pogoni, istosmjerni pretvarači, ili statički ispravljački sustavi. Gotovo nezaobilazno studenti su se susretali samo s jednim aspektom učinske elektronike, ovisno o koncepciji knjige ili nastavnika. Štoviše, oni koji su stekli razumijevanje učinske elektronike »na poslu« obično imaju ograničeni uvid u učinsku elektroniku. Međutim, sve primjene učinske elektronike dijele zajed­ ničke osnove; zato smo pokušali na tu činjenicu jasno ukazati u ovoj knjizi. Knjiga se sastoji od četiri dijela. Na početku svakog dijela nalazi se pregled­ no poglavlje koje je okosnica preostalih poglavlja u njemu. Ovi pregledi su toliko važni da su smješteni u odvojena poglavlja. To je učinjeno i zbog nekih pedagoš­ kih razloga. Prvi dio: »Pregled: topologije i funkcije pretvarača« kičma je ove knjige. U tom dijelu objašnjavamo vezu između topologije učinskih spojeva i funkcije koju oni obavljaju. Uvode se zajednička obilježja spojeva koji obavljaju osnovne funkcije pretvorbe - ispravljanje, izmjenjivanje, istosmjernu pretvorbu i izmjeničnu pretvor­ bu. No, zbiljska namjena I. dijela je objašnjenje načina razmišljanja o sklopovima učinske elektronike i vizualiziranje njihova ponašanja. Sve to se može proširiti na nove okolnosti, pa može poslužiti kao polazište i za sintezu i za analizu. U

II.

dijelu, »Dinamika i upravljanje«, razmatramo važne probleme modeli­

ranja i upravljanja sustava učinske elektronike. Objašnjavamo analitičke pristupe modeliranju dinamičkog ponašanja sustava učinske elektronike i pokazujemo kako se ti pristupi primjenjuju u projektiranju i pri vrednovanju ostvarenih upravljačkih sustava s povratnom vezom. Zbog potencijalne važnosti analitičkih pristupa u pro-

XII

OSNOVE UČINSKE ELEKTRONIKE

jektiranju i njihove uloge pri vrednovanju stabilnosti potpuno digitalnih uprav­ ljačkih sustava, u II. dio su također uvrštene napredne teme u svezi s diskretnim modeliranjem i upravljanjem. U Ili. dijelu, »Komponente«, raspravlja se o ponašanju i karakterizaciji kom­ ponenata od kojih su sastavljeni sklopovi učinske elektronike. Bitni dio III. dijela posvećen je poluvodičkim komponentama; nadilaze se idealni modeli poluvodičkih sklopki koji su zadovoljavali potrebe u I. i II. dijelu. Vjerujemo da je isticanje polu­

vodičkih komponenata ispravno, ne samo zato što učinska elektronika zahvaljuje glavninu svog tehnološkog napretka novim poluvodičkim komponentama ili značajnom poboljšanju karakteristika konvencionalnih komponenata, već i zato što će se široka primjena učinske elektronike i u budućnosti uvelike temeljiti na nepre­ kidnim inovacijama poluvodičkih komponenata. Usto, u III. dio je uvršten potpuni ali razumljivo kratak pregled magnetike. Zato što se magnetske komponente goto­ vo uvijek susreću u primjeni, cilj poglavlja o magnetskim komponentama je dati praktične osnove za projektiranje magnetskih komponenata koje se upotrebljavaju u sklopovima učinske elektronike. U IV dijelu, »Pomoćni dijelovi«, sabrani su različiti važni dopunski sklopovi koje je potrebno poznavati pri projektiranju svakog sustava. Objašnjavamo: pobudne stupnjeve upravljačke elektrode i baze, prigušne članove, komutacijske krugove, te toplinsko modeliranje i odvođenje topline pomoću rashladnog tijela. Knjiga se može koristiti u nastavi učinske elektronike na nekoliko načina. Temelj naprednog predmeta dodiplomskog studija ili osnovnog predmeta posli­ jediplomskog studija može biti u cijelosti I. dio i pregledna poglavlja u II., III. i IV. dijelu. Može se uvrstiti i

22.

poglavlje (Pobudni stupnjevi upravljačke elektrode

učinskih poluvodičkih komponenata). Napredniji predmet poslijediplomskog studi­ ja može sadržavati pregled

I.

dijela i II. dijela (potanko). Ostali predmeti mogu se

sastaviti u skladu s potrebama, izborom poglavlja iz II., III. i IV dijela. Svako poglavlje u I., III. i IV. dijelu relativno je samostalno. Izbor

iz

II. dijela može se

učiniti na najmanje dva načina. Jedanaesto poglavlje (Dinamika i upravljanje: pre­ gled) i prvih nekoliko odsječaka 14. poglavlja (Projektiranje povratne veze) mogu se zajedno uvrstiti u predmet kojem je naglasak na upravljanju sustavima učinske elek­ tronike. Dvanaesto poglavlje (Modeli u prostoru stanja), intervalno linearni modeli) i zadnji odsječci

13. poglavlje (Linearni i 14. poglavlja (naprednije teme u svezi s

modeliranjem, vrednovanjem stabilnosti i upravljanjem) mogu se uvrstiti u napred­ niji predmet poslijediplomskog studija. U knjizi se uvelike upotrebljavaju primjeri za ilustriranje zamisli ili postupaka obrazloženih u tekstu, i također za usvajanje načina razmišljanja, metoda analize i aproksimativnih postupaka pri rješavanju zadataka. Primjeri su, uz to, osnova mnogih zadataka na kraju poglavlja, a kreativni nastavnik ih može upotrijebiti za stvaranje dodatnih vježbi, novih zadataka ili novih primjera. Zadaci na kraju svakog poglavlja koncipirani su tako da potiču razmišljanje o gradivu sadržanom u pripadajućem poglavlju. Dakle, zadaci nisu namijenjeni vježbanju studenata glede upotrebe pojedinih jednadžbi. Često se uvode novi spo­ jevi, zamisli ili metode rješavanja zadataka; pri tome su prethodne rasprave u tek-

PREDGOVOR AUTORA

XIII

stu polazište za razmatranje novoga gradiva. Nadalje, dajemo varijante spojeva koje se primjenjuju u praksi. Bilješke i literatura na kraju svakog poglavlja ukazuju na odabrane članke iz znanstvene literature, te na knjige koje podržavaju, dopunjuju ili proširuju gradivo toga poglavlja. Ta literatura, međutim, nije iscrpna. Glavnina ovog teksta upotrebljavala se niz godina na MIT-u u obliku zabilješki za dodiplomske predmete iz učinske elektronike i upravljanja električnim strojevi­ ma. Zato je tekst znatno poboljšan sugestijama, kritikama i recenzijama mnogih naših studenata i kolega. Toliko je mnogo onih koji su nam pomogli da ih sve ne možemo poimenice spomenuti, no svakom od njih smo veoma zahvalni. Osobito nas je zadužio prof. Malik Elbuluk s University of Akron i prof. David Torrey s Worcester Polytechnic Institute. Svaki od njih je pomno ocijenio ovaj rad, i iz per­ spektive studenta i iz perspektive nastavnika. Hvala svim ostalim recenzentima rukopisa: Donaldu J. Bosacku (Northern Illinois University), W Gerardu Hurleyju (University of Limerick), J. Benu Klaasensu (Delft University of Technology), Philipu J. Kreinu (University of Illinois at Urbana), Davidu Luchacou (Lutron Electronics Company), Danielu M. Mitchellu (Colins Defense Communications, Rockwell International Corporation), F. Luisu Pagoli (Universidad Pontificia Comilla) i Rudyju Sevemsu (Springtime Enterprises) koji su pomogli idejama i vrijednim savjetima. Larry Silva s MIT-a ustupio nam je fotografiju na temelju koje je izrađena slika na koricama, te mu zahvaljujemo što nam je to omogućio. Zahvalni smo članovima Upravnog odbora tvrtke MIT/Industry Power Electronics Collegium na potpori i poticanju. Na kraju, zahvaljujemo timu u Addison-Wesleyju zaduženom za izradu ove knjige. Pisanje ove knjige bio bi mnogo teži zadatak bez njihove str­ pljivosti, vođenja i fleksibilnosti.

Cambridge, MA

John G. Kassakian Manin F. Schlecht George C. Verghese

PREDGOVOR PREVODITELJA I. IZDANJU Prevođenja ove knjige prihvatio sam se iz dva razloga. Prvi, važniji razlog, jest što na hrvatskom jeziku ne postoji udžbenik

iz

pretvaračkih spojeva. Drugi, manje

važan razlog, jest što sam želio upoznati studentsku i inženjersku zajednicu s gradi­ vom koje se uči na dodiplomskom studiju na tako prestižnom fakultetu kao što je MIT. Predavajući predmete iz energetske elektronike uvjerio sam se da samo rijetki studenti mogu, kao prvi udžbenik iz energetske elektronike, uzeti udžbenik na stra­ nom jeziku. Ne radi se o tome da studenti ne znaju neki strani jezik, već se radi o tome da većina studenata ne razumije iznijansiranost misli na stranom jeziku. Tako se nauči gradivo, a ne zna ga se primijeniti. I još jedan argument, za mene daleko najvažniji, zašto je potrebno imati sveučilišni udžbenik na hrvatskom jeziku. Nesumnjivo postoji veza između upotrebe materinjeg jezika i blagostanja pripadajuće zajednice. Narodi koji ne upotrebljava­ ju materinji jezik u znanstveno-tehničkom i ekonomsko-industrijskom razvoju ekonomski i socijalno propadaju. Ako se upotreba jezika svede samo na kulturu i folklor, nepovratna se gubi komunikacija na specijaliziranim područjima. Preveden je samo prvi dio knjige: »Pregled: topologije i funkcije pretvarača«. Ostala tri dijela: »Dinamika i upravljanje«, »Komponente« i »Pomoćni dijelovi« prevest će se naknadno, ukoliko to bude potrebno. Osim toga, razlika između pri­ jevoda i izvornika je i u tome što nisu uvršteni zadaci iz izvornika. Naime, namjera je da se zadaci zajedno s analitičkim i simulacijskim rješenjima objave u posebnoj knjizi. Prijevod je u svim ostalim pojedinostima jednak izvorniku. Tekst nije proširivan radi veće jasnoće. Tamo gdje je bilo prijeko potrebno neko dodatno objašnjenje, stavljena je u napomenu i istaknuto da je to primjedba prevoditelja. Pri prevođenju strogo se vodila računa o tome opisuje li se sklop ili model sklopa. Primjerice, ako je riječ o sklopu, kaže se kondenzator, prigušnica, otpornik, realna dioda, se radi o modelu kaže se kapacitet, induktivitet, otpor, idealna dioda,

„.

.

„.

, a ako

XVI

OSNOVE UČINSKE ELEKTRONIKE

Zadržani su svi slovni simboli iz izvornika. To može zadavati poteškoće, jer su naši studenti i inženjeri naviknuti na slovne simbole u skladu s preporukama IEC-a. Poteškoće mogu biti naročito izražene pri pamćenju formula. Unatoč tome, slovni simboli nisu mijenjani. Ova knjiga namijenjena je prvenstveno studentima Fakulteta elektrotehnike i računarstva u Zagrebu (FER) i Fakulteta elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje u Splitu (FESB). Na FER-u pokriva gotovo sve gradivo iz redovitog predmeta na smjerovima: »Elektrostrojarstvo i automatizacija« i »Elektroenergetika« te izbor­ nog predmeta na smjerovima: »Automatika« i »Industrijska elektronika«. Nadam se da će poslužiti i studentima ostalih fakulteta u Hrvatskoj na kojima postoji osnovni predmet iz energetske elektronike. Zahvaljujem recenzentima knjige doc. dr. se. Željku Jakopoviću i doc. dr. se. Gorislavu Ercegu s Fakulteta elektrotehnike i računarstva u Zagrebu te prof. dr. se. Miri Milanoviću s Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatika u Mariboru. Zahvaljujem lektorici gđi Marilki Krajnović, prof. na njenim jezičnim savjetima. Posebno zahvaljujem mojem suradniku doc. dr. se. Željku Jakopoviću na raspravama u vezi s nazivljem i Mariu Tatu, dipl. ing. na kritičkom čitanju prijevoda.

Zagreb, rujna 1999.

Zvonko Benčić

PREDGOVOR PREVODITELJA II. IZDANJU Predgovor I. izdanju napisao sam točno pred osam godina, u rujnu 1999. godine. Nisam bio ni svjestan, dok se nisam prihvatio pisanja predgovora II. izdanju, da je prošlo toliko godina. Upotrebljavajući ovaj udžbenik za kolegije Osnove učinske elektronike i Labo­ ratorij učinske elektronike na Fakultetu elektrotehnike i računarstva u Zagrebu uočio sam, u prvom redu, očite pogrješke te nejasne ili nedovoljno jasne rečenice. U pro­ nalaženju ovih nedostataka uvelike su mi pomogli moji studenti. Ključna izmjena je u naslovu udžbenika; umjesto Osnove energetske elektronike, naslov sada glasi Osnove učinske elektronike. Naslov je nužno izmjenjen, naime naziv energetska elektronika ne ukazuje na bit ove elektroničke discipline, pa zbunjuje. Kod elektroničkih učinskih pretvarača bitna je prenesena energija u jedinici vreme­ na, a ne prenesena energija u neodređenom vremenu. U skladu s promjenom nazi­ va, izmjenjeni su i drugi nazivi, npr. energetski sklop u učinski sklop i energetski pret­ varač u učinski pretvarač. Engleski, njemački, francuski i ruski nazivi podupiru ove izmjene, oni su redom: power electronics, Leistungselektronik, ćlectronique de puis­ sance i CWl06aR 3!leKmponuKa. Iskustvo održavanja predavanja na Fakultetu elektrotehnike i računarstva u Zagrebu pokazalo je da je u osnovni kolegij učinske elektronike dovoljno uvrstiti poglavlja 1, 2, 3 i 4 (izostaviti izvod izlazne karakteristike u višim načinima rada), poglavlja 5 i 6 (izostaviti odsječke 6.5, 6.6 i 6.7), poglavlje 7 (izostaviti primjere 7.3 i 7.4 te odsječke 7.2.2 i 7.4), poglavlje 8 i 9 (izostaviti odsječke 9.4, 9.6 i 9.7) i poglav­ lje 10 (izostaviti primjer 10.2 i odsječak 10.2.2). Izostavljeni sadržaji mogu se uvrsti­ ti u kolegij Laboratorij učinske elektronike. Ponovno sam se uvjerio da udžbenik potiče na studiranje. Gotovo ga je nemo­ guće čitati bez olovke u ruci. Vrvi idejama, te potiče čitatelja na postavljanje pitanja i traženje vlastitih odgovora. Studetima preporučujem da se uvedu u učinsku elek­ troniku putem predavanja i vježbi, a da tek onda uzmu u ruke ovaj udžbenik. Nadam se da ću kroz godinu dana napisati zbirku primjera koji podupiru dano gradivo.

XVIII OSNOVE UČINSKE ELEKTRONIKE

Glede ovog II. izdanja, posebno zahvaljujem mojim suradnicima prof. dr. se. Željku Jakopoviću i prof. dr. se. Viktoru Šundeu na raspravama u vezi s nazivljem. Također zahvaljujem suradnicima tvrtke Graphis na tehničkom uređenju knjige.

Zagreb, rujna 2007.

Zvonko Benčić

1. UVOD

U ovom poglavlju predstavlja se učinska elektronika i daje se kratak uvod u poluvodičke sklopne i magnetske komponente. Uvod u te komponente elektronič­ kih sklopova je potreban jer se one koriste u prvom dijelu ove knjige, iako se po­ tanko o njima raspravlja u III. dijelu. Također se uvodi i nazivlje koje se upotreblja­ va u knjizi.

1.1. SKLOPOVI UČINSKE ELEKTRONIKE Danas prevladava primjena elektronike na području procesiranja informacija. Najveći korisnik poluvodičkih komponenata je računalna industrija, a onda i potrošačka elektronika, uključujući kamere. Dok sve te primjene zahtijevaju energi­ ju (iz utičnice ili baterije), njihova primarna funkcija je da procesiraju informacije, primjerice da digitalni optički signal proizveden kompaktnim diskom pretvore u analogni audiosignal. Sklopovi učinske elektronike se u načelu bave procesiranjem električne energije. Oni pretvaraju električnu energiju, iz oblika kakav je dan izvo­ rom 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 učinske elektronike (često se skraćeno kaže i učinski sklop). U mnogim primjenama pretvorba završava mehaničkim kretanjem. Tada učinski 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 djelotvornost, 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 sus­ tava. Sama ta činjenica diktira veličinu uređaja učinske elektronike. Zato učinski sklop mora biti projektiran tako da radi sa što je moguće većom djelotvornosti, koji

2

1.

UVOD

je u vrlo velikim sustavima veći od 99 %. Velika djelotvornost 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 � Jedine druge komponente u osnovnom učinskom sklopu su prigušnice i kondenzatori, tako da je idealni učinski sklop bez gubitaka. , - ------------------ --,

I

----'-!_..,. ulazni

napajanje I elektr!�nom energ1iom I I I I I I I I

I

filtar

učinski sklop

1----....a izlazni filtar

povratna veza po električnoj .__,__ b varija li

_,

_

b po udni stupnjevi za sklopke

upravljački sklop

povratna veza _,__ po mehaničkoj,_. b varija li

___,

___

I sustav učinske elektronike

L---------------------�

Slika 1.1. Blokovska shema tipičnog sustava učinske elektronike.

Sustavi učinske elektronike sadrže mnogo više od samog učinskog sklopa. T ipičan sustav prikazan je blokovskom shemom na slici 1.1. Sklapanjem sklopki nas­ taju valni oblici s višim harmoničkim članovima koji su nepoželjni jer smetaju trošilu i ostaloj opremi, pa se zato često upotrebljavaju filtri na ulazu u učinski 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 učinskom 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 učinskog sklopa.

1.2. UČINSKE POLUVODIČKE SKLOPKE Osnovne poluvodičke komponente koje se upotrebljavaju kao sklopke u sklo­ povima učinske elektronike su bipolarna i Schottkyjeva dioda, bipolarni spojni tranzistor, metal-oksid-poluvodič tranzistor s učinkom polja i klasa regenerativnih bipolarnih komponenata znanih kao tiristori, od kojih je najpoznatiji klasični tiris­ tor. 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 *

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

1.2. OČINSKE POLUVODIČKE SKLOPKE

anoda

+

katoda

(a) kolektor

baza

Slika 1.2.

I

ic

_L,_

vcE

Simboli i radna područja poluvodičkih komponenata koje se upotreblja­ vaju kao sklopne komponente u sklopovima učinske elektronike: a) dio­ da, b) bipolarni (NPN) spojni tranzistor (BJT), c) (u-kanalni) metal­ -oksid-poluvodič tranzistor s učinkom polja (MOSFET), d) klasični tiristor (SCR).

3

4

1 . UVOD

se ukratko opisati bitne radne karakteristike svake komponente na slici 1.2. Ta informacija nam omogućuje da iznesemo osnovno o radu sklopova učinske elek­ tronike bez prethodnog studiranja III. dijela. 1.2.1. Dioda Dioda, čiji su simbol i definicije varijabli pokazane na slici 1.2.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 negativan� 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 poluvo­ dičke 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 > O i iv> O. Kada ne vode, opteretive su samo s jednim polaritetom napona, za prikazane tranzistore je: vCE> O i vDs> O. Polariteti napona i smjerovi struja 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),** 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 elektro­ du, 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 ;:; O, a upravljačka elektroda više nema nikakvu sposobnost upravljanja komponentom. U stanju vođenja tiristor može voditi samo pozitivnu struju iA . T iristor 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· U ovom slučaju je:

n t ( vPP = � l - si w 1 ) = 6 S % O' 74 Vs 3.2.4. Zamjena sklopa nadomjesnim izvorom Sklop na slici

3.6.

daje priliku za objašnjenje još jedne vrlo korisne metode za

metode nadomjesnog izvora. Pod uvjetom da id nikada ne vd je određen bez obzira na podrobnosti kruga trošila. Zato

analiziranje sklopova, tzv. padne na nulu, napon

se ponašanje istosmjerne strane sklopa ili trošila može u cijelosti odrediti zamjenom napojne mreže i dioda naponskim izvorom valnog oblika

vd kao na slici 3.8.

Takva

zamjena sklopa nadomjesnim izvorom posebno je korisna metoda za numeričke si­ mulacije.

3.2.5. Periodično ustaljeno stanje Valni oblik struje id na slici

3.6.

ilustrira periodično

ustaljeno stanje.

Određeno

je i partikularnim i homogenim rješenjem diferencijalne jednadžbe mreže

(3. 10). U tom smislu ovo periodično

(3.9)

i

ustaljeno stanje razlikuje se od ustaljenog sta­

nja vremenski invarijantne linearne mreže koje određuje samo partikularna rješenje, obično kao odziv na sinusnu pobudu. Osim toga, sastavljena je od dva

O < m t < n i drugog < m t < 2 7t . Prvi je (3.5), ponovimo ga za odgovarajući interval:

različita analitička izraza, jednog za interval 7t

_ Rt

V id = ......!. sin(m t - O (induktivno trošilo), struja vremenski kasni za naponom, te se radi o induktivnom kutu faznogpomaka. O kapacitivnom kutu faznogpomaka radi se ako je kut () < O (kapacitivno trošilo). Uz djelatnu snagu P definira se i jalova snaga Q:

Q V.rrns I =

srms

sin 8

=

S sin()

(3.32)

Jalova snaga definirana je matematički tako da je zbroj kvadrata djelatne i jalove snage jednak kvadratu prividne snage:

IP + jQj = �rmJsrrns = S

(3.33)

Korisnost pojma jalove snage Q je u tome što kazuje, primjerice, kako kompen­ zirati trošilo koje sadrži reaktivne komponente (prigušnice i kondenzatore). Kompenzirati trošilo znači učiniti rezultirajući cos () napojne mreže jednak 1. Pri­ mjerice, jalova snaga koju daje napojna mreža na slici 3.15. pozitivna je i dana sa (3.32). Kondenzator spojen na priključke napojne mreže uzima negativnu jalovu snagu Qc jer je Đc =-n / 2 . Ako se odabere takva vrijednost kondenzatora da je jalova snaga Q' koju daje napojna mreža jednaka nuli, tada:

Q' = Qc + Q = -V.�s

Cw

+ Vsrms Isrrns sin () ::::: O

(3.34)

a napojna mreža daje samo djelatnu snagu. Rješenjem (3.34) dobije se potrebna vri­ jednost kondenzatora C:

44

3. UVOD U ISPRAVUAČKE SKLOPOVE c

=

lsrms sin8 (O

Vsrms

(3.35)

Sada se iz (3.33) može izračunati nova struja napojne mreže /�rms• ako P i dalje ima vrijednost danu sa (3.31):

(3.36) (3.37) Struja /�rms napojne mreže uz kompenzirano trošilo manja je od struje Isrms napojne mreže uz nekompenzirano trošilo. Zato napojna mreža može davati više djelatne snage pri danoj struji. Faktor snage u slučaju izobličenih valnih oblika. Rijetko kad su valni oblici napona i struje na mrežnim priključcima sklopa učinske elektronike sinusni, zbog sklopnih procesa u samom sklopu. Primjerice, niti jedan do sada prikazani ispravl­ jački sklop ne opterećuje napojnu mrežu sinusnom strujom, iako je napon napojne mreže sinusan. Zato pojam kuta faznog pomaka nije osobito koristan kada se raz­ matraju sklopovi učinske elektronike. U sljedećem izvodu faktora snage kp eksplicitno se uzima u obzir i izobličenje valnog oblika i fazni pomak harmoničkih komponenata koje imaju jednaku frekven­ ciju a pripadaju različitim varijablama. Tako se kp izražava kao umnožak dvaju fak­ tora, od kojih jedan predstavlja učinak izobličenja, a drugi učinak faznog pomaka:

kP

=

(�)

=

(3.38)

kd ke

U ovom izrazu ko je faktor faznog pomaka, a kd je faktor izobličenja. Da bismo izveli izraz za faktor snage, pretpostavljamo da na priključcima mreže, takvima kakvi su mreže N na slici 3.1., vladaju periodični napon i periodična struja. Nadalje uzimamo da je samo jedna varijabla izobličena, dok je ona druga sinusna; to je stanje koje je češće ispunjena nego neispunjeno. Njih ćemo analitički izraziti ovako: (3.39)

v(t) = V. sin wt

L ln sin (nw t + On) = 11 sin (w t+ 0 1) L ln sin ( na> t+ On) 00

i (t) =

00

+

n�

�I

(3.40)

Srednja snaga izražena pomoću ovih varijabli iznosi:

(p) =

1

-

T

iT 0

Vl dt .

VJ1 == --cos 0 1 = Vsrms11rms cos e , 2

(3.41)

gdje je cos e1 faktor faznog pomaka ko a Ii rms efektivna vrijednost osnovne kom­ ponente struje i. Izdvajanjem faktora /rms dobije se sljedeći izraz za faktor izobličenja kd:

3.4.

kd

=

45

MJERE I UĆINCI IZOBLIĆENJA

Jlrms

(3.43)

Jrms

3.4.2. Hannoničko izobličenje Druga mjera izobličenja valnog oblika je faktor harmoničkog izobličenja ili THD

faktor:

2 2 Ierms I1rms

(3.44)

-

THD =

2 11rms

gdje je Ilnns efektivna vrijednost osnovne harmoničke komponente struje napojne mreže ie. Izražavajući se praktično, faktor harmoničkog izobličenja THD je korijen omjera snage koja bi se disipirala na otporniku od viših harmoničkih komponenata i snage koja bi se disipirala samo od osnovne harmoničke komponente. Izračunajmo faktor harmoničkog izobličenja THD struje napojne mreže ie poluvalnog ispravljača s porednom diodom, slika 3.6. Pretpostavimo da je L/R= oo , pa struju napojne mreže čine periodični pravokutni impulsi amplitude ld, slika 3.16. Struja Iirms je efektivna vrijednost osnovnog člana Fourierova niza za ie= 11nns = =

1

r;;

v 27t

1

r;;

v 2 7t

1 ie 1"

2"

o

sinw t d(wt)

.

1d sm rot d(rot)

fi.1d

(3.45)

7t

= __

o

Kvadrat efektivne vrijednosti ukupne struje napojne mreže /�rms je:

I

1 nns

7T

1

=21t

1 iz

2 7T

2"

o

1

2

d (ro t) = _..1_ 2

37r

47T

(3.46)

57r

Slika 3.16. Valni oblik struje mreže ispravljača na slici 3.6. uz pretpostavku da je

LIR = oo .

46

3. UVOD U ISPRAVLJAČKE SKLOPOVE

Sada se može izračunati faktor harmoničkog izobličenja THD ovog valnog oblika:

IJ 2IJ 2 7t 2 121 % 21J _

THD =

=

(3.47)

7t 2

Ovaj valni oblik često se susreće, pa je korisno zapamtiti njegov faktor har­ moničkog izobličenja. Nadalje, ovaj faktor harmoničkog izobličenja može poslužiti kao priručna referenca za uspoređivanje s faktorima harmoničkog izobličenja drugih valnih oblika. Faktor harmoničkog izobličenja THD definiran formulom jednoznačna određuje faktor izobličenja kd:

(3.44)

kd - �2 -

(3.48)

� l + (THD)

Na temelju energetskih odnosa raspravljenih u odsječku 3 . 1 . može se izračunati faktor harmoničkog izobličenja THD struje napojne mreže ispravljačkog sklopa na slici (koja je u ovom slučaju jednaka id) bez eksplicitnog računanja Fourierovih koeficijenata. To se radi tako da se prvo izjednače srednje snage na istosmjernoj i izmjeničnoj strani ispravljačkog sklopa, da bi se odredila amplituda osnovne har­ moničke komponente struje mreže 11:

3.2.

(Pdc)

=

2n ih

!!!...._

0

ro

"sin2 i 2nR z

v·vdid d t = -

0

v2

m t d(m t) = -·-

4R

2

�JI -_ \Pđc I )- � (Pac ) -- 2 _

4R

(3.49) . (3.50) *

Otuda je: I

1

I h ms

= _!i_ 2R _ -

(3.51)

_!j_

2 .Ji.R

Sada se računa faktor harmoničkog izobličenja THD upotrebom efektivnih vri­ jednosti: * Uzeto je kao očito da je osnovni harmonik struje u fazi s naponom. (Prim. prev.)

3.4. MJERE I UČINCI IZOBLIČENJA

2 V. 1 f 2 1t · 2 2 � 2 2 l1 rms + .L.J lnrms = lrms = - J zd đ(wt) = -2 2n o1 4R n„1

47

(3.52)

što daje:

(3.53) Slijedi:

THD =

(3.54)

Bilješke i literatura Dobra rasprava oko sukoba osobnog i stručnog mišljenja između Edisona i Westinghousea nalazi se u [l]. Da se ova dvojica i nisu prepirala oko problema odabira istosmjernog ili izmjeničnog sustava električne energije, drugi bi već s vre­ menom to raspravili. Sukob također bjesni i u drugim zemljama sa sličnim rezulta­ tima. Još 1950. godine dio New Yorka bio je napajan istosmjernim sustavom umjesto izmjeničnim, a još do 1969. godine istosmjerni sustav je bio u nekim stu­ dentskim domovima bostonskog sveučilišta. Jednofazni ispravljači su opsežno opisani u [2]. Obuhvaćena su različita trošila i filtri, uključujući LR trošila i kapacitivne filtre. Ova knjiga je vrlo opsežna, ali je neprikladan izvor informacija za one koji ne znaju njemački jezik. Vrlo zanimljiv povijesni pregled komponenata za ispravljačke sklopove (vaku­ umske cijevi, plinom punjene cijevi, cijevi sa živinom katodom i poluvodičke kom­ ponente zasnovane na tehnologiji germanija) dan je u poglavljima 2 -5 knjige [3]. Knjiga sadrži brojne fotografije i skice tih ranih komponenata. Emanuelov članak [4] izvrsna je i opsežna obrada faktora snage u sustavima s nesinusnim varijablama. Šest detaljnih rasprava na kraju članka i Emanuelov odgo­ vor znatno pridonose vrijednosti ovog članka. Oni također objašnjavaju zbrku i sporna pitanja koja još postoje oko pojma faktora snage kod nesinusnih veličina. [l ]

T. Reynolds i T. Bernstein, »The Damnable Alternating Current«, Proc.

IEEE 64 (9): 1339-1343 (September 1976.)

[2]

Th. Wasserab, »Schaltungslehre der Stromrichtertechnik«, Berlin: Sprin­ ger-Verlag, 1962.

(3]

F. G. Spreadbury, »Electronic Rectification«, New Jersey: D. Van Nostrand Company, 1962.

48

3. UVOD U ISPRAVLJAČKE SKLOPOVE

[4]

A E. Emanuel, »Powers in Nonsinusoidal Situations

A Review of Definitions and Physical Meaning«, IEEE Trans. on Power Delivery 5 (3): 1377-1389 (July 1990.) -

MOSNI I VIŠEFA ZNI ISPRAVLJA ČKI SKLOPOVI 4.

U 3. poglavlju raspravljalo se o načelima rada ispravljača na jednofaznom polu­ valnom ispravljačkom spoju kao posredniku. Iako je lako razumljiv i učinkovit u nastavi, taj spoj se danas rijetko upotrebljava. Razlozi su sljedeći: ima visok omjer prividne snage izmjeničnog izvora i snage trošila (što znači da izmjenični izvor radi s malim faktorom snage), stvara istosmjernu komponentu u struji izmjeničnog izvo­ ra (što je nepovoljno za transformatore u napojnoj mreži) i zahtijeva jako filtriranje na strani trošila za dobivanje prihvatljive valovitosti. Čim upoznate druge spojeve, uvidjet ćete da je jedina prednost poluvalnog spoja ta što je samo jedan diodni pro­ pusni pad napona između njegove izmjenične i istosmjerne strane. U doba kada nije bilo praktične zamjene za vakuumske diode, ta prednost je učinila popularnim ovaj spoj, jer vakuumske diode imaju propusni pad napona u području od nekoliko dese­ taka do nekoliko stotina volti te s tim u vezi postavljaju značajne probleme glede gubitaka i zagrijavanja. Poluvodičke diode su učinkovito poništile tu prednost polu­ valnog spoja, osim u niskonaponskim primjenama velike snage, kakvih je najviše u elektrokemijskoj industriji (npr. niskonaponske elektrolitske ćelije za proizvodnju klora) ili u primjenama kod kojih valovitost nije bitna, kao što je punjenje baterija. Nedostatke poluvalnog ispravljačkog sklopa uvelike su prevladali punovalni ispravljački sklopovi. U tim sklopovima diode spajaju istosmjerno trošilo na izmjenični izvor tijekom oba, i pozitivnog i negativnog, poluvala napona izvora. Zato je struja izvora dvosmjerna, nema istosmjernu komponentu, a porast frekvencije valovitog napona smanjuje zahtjeve na istosmjerni filtar. Najuobičajeniji od ovih ispravljačkih sklopova je ispravljački sklop u mosnom spoju ili mosni ispravljački sklop ili mosni ispravljač. Druga mogućnost, punovalni ispravljački sklop u spoju sa srednjom točkom ili polumosni ispravljački sklop ili polumosni ispravljač, analiziran u zadatku 3.10., ima također široku primjenu. Višefazni ispravljač je uređaj koji se priključuje na nekoliko izmjeničnih napon­ skih izvora. Naponi naponskih izvora slažu se na izlazu i daju istosmjerni napon. Izvori imaju jednake amplitude i frekvencije, ali se međusobno razlikuju po fazi. I poluvalni i punovalni ispravljači mogu se projektirati kako za višefazne tako i za jed-

50

4. MOSNI I VIŠEFAZNI ISPRAVLJAČKI SKLOPOVI

nofazne izmjenične sustave. Višefazni ispravljači stvaraju manje izobličenje struje izmjeničnog izvora i imaju višu frekvenciju valovitog napona u istosmjernom naponu nego jednofazni ispravljači. Zbog tih se razloga u sustavima čija je snaga veća od oko 10 kW upotrebljavaju isključivo višefazni ispravljači.

U

ovom poglavlju se uvodi pojam punovalnog ispravljanja upotrebom spoja

koji nastaje odgovarajućim spajanjem dvaju poluvalnih spojeva. Tada se tako dobi­ veni mosni spoj koristi kao osnovna jedinica za izgradnju spojeva višefaznih puno­ valnih ispravljača. Osim toga raspravljaju se radne karakteristike tih spojeva na iz­ mjeničnoj i istosmjernoj strani.

4.1. JEDNOFAZNI PUNOVALNI ISPRAVLJAČKI SKLOP U MOSNOM SPOJU Jednofazni punovalni ispravljački sklop u mosnom spoju ili kraće jednofazni punovalni mosni ispravljač najviše je upotrebljavani jednofazni ispravljač. Struja nje­ gova izmjeničnog izvora ne sadrži istosmjernu komponentu, a frekvencija valovitog napona u istosmjernom naponu je dvostruko veća nego u poluvalnim ispravljačima iz

3. poglavlja. Uz jednak napon izmjeničnog izvora, srednja vrijednost izlaznog napona punovalnog ispravljača je dvostruko veća nego u poluvalnom sporednom diodom, iako je strujno i naponsko opterećenje dioda jednako u oba slučaja. Mana svih mosnih sklopova je ta što ulazni i izlazni priključci ne mogu imati zajednički priključak. Za ispravljače to znači da izvor i trošilo ne mogu imati zajedničko uzemljenje. Poluvalni ispravljač s porednom diodom na slici 4.1 . služi kao osnovna jedinica za izgradnju mosnog ispravljača, i u ovom kontekstu taj ispravljač se katkad naziva

polumosni ispravljač.

�

Dok god je struja id neisprekidana (veća od nule),

vd

ima

prikazani valni oblik

Ispravljač u svakom pogledu sličan onome na slici 4.1., osim u usmjerenju dioda (obrnuto), daje struju id i napon trošila vd jednaka valnog oblika ali suprotnog pola­ riteta. Ako se trošilo spoji između ta dva poluvalna ispravljača, njegov napon jednak je razlici napona tih dvaju poluvalna ispravljača, tj. va=vd1 - vdz kao što prikazuje slika 4.2.a). Valni oblik napona vd na slici 4.2.b) naziva se punovalni ispravljeni napon jer je istosmjerni napon sastavljen i od pozitivne i od negativne poluperiode napona izvora.

+

V, sin wt

D2

t vd

i

R

V,

vd

7r

27r

wt

Slika 4.1. Poluvalni ispravljački spoj s porednom diodom katkada se naziva i polu­

mosni ispravljački spoj.

* Struja trošila ne može biti isprekidana bez obzira na to kolika je vremenska konstanta troši­ la. Očito, ova rečenica se odnosi na stvaran pretvarački sklop. (Prim. prev.)

4.1. JEDNOFAZNI PUNOVALNI ISPRAVLJAČKI SKLOP U MOSNOM SPOJU

51

V, sin wt

(a)

1T

vd

Y-t/\ (\ (\ , · ·�·

--ll----� 1T ----' 2'1T-----l 3r... '1T.. -

wt

(b)

Slika 4.2. a) Jednofazni punovalni mosni spoj može se zamisliti kao spoj dvaju

poluvalnih spojeva s porednom diodom (polumosnih spojeva). b) Valni oblici varijabli spoja a).

Zbog istovjetnosti izmjeničnih izvora na slici 4.2.a) , anoda D1 i katoda D3 su na jednakom potencijalu te se mogu spojiti. Takav spoj stoga zahtijeva samo jedan iz­ mjenični izvor. Dva različita načina crtanja rezultirajućeg spoja prikazana su na slici 4.3.a). Takav spoj dioda se naziva mosni spoj, jer krugovi spojeni na njegovom ulazu i izlazu (izmjenični izvor i RL trošilo) topološki premošćuju jedan drugoga. Iako struje izvora is1 i is2 na slici 4.2. sadrže istosmjernu komponentu, struja is ekviva­ lentnog izvora na slici 4.3. je ne sadrži. Razlog je u tome što se struja izvora u mosnom spoju dobije zbrajanjem struja dvaju izvora na slici 4.2. koji imaju istosmjernu komponentu struje jednakog iznosa ali suprotnog smjera.

52

4. MOSNI I VIŠEFAZNI ISPRAVLJAČKI SKLOPOVI

V, sin wt

(a)

is ld

7T

o

37T

27T

47T

liJ(

- /d (b) Slika 4.3. a) Ekvivalentni načini crtanja spoja na slici 4.2.a) b) Rezultirajuća stru­

ja izvora Žs

=

.

is 1 + Žsz·

4.1.1. Izlazni napon Sve radne karakteristike jednofaznog mosnog ispravljača mogu se izvesti iz rad­ nih karakteristika poluvalnog ispravljača s porednom diodom. Prvo, jer se dva polu­ mosna ispravljača na slici 4.2.a) mogu promatrati kao nezavisni naponski izvori, vd1 i vd2' srednja vrijednost izlaznog napona masnog ispravljača je dvostruko veća od one poluvalnog ispravljača s porednom diodom danog sa (3.9). To je:

(Vd ) = (Vdl ) ( -

Vd2

)

=

2 V,

=

7t

0,64 V,

(4.1)

Za jednake istosmjerne struje efektivna vrijednost struje napojne mreže masnog ispravljača na slici 4.3. samo je 12puta veća od efektivne vrijednosti struje napojne

mreže poluvalnog ispravljača s porednom diodom. Faktor snage

kp izmjeničnog

izvora mosnog ispravljača je: k

P

=

(p) S

=

0, 64V., · ld

V

ii

· ld

=

o' 90

(4.2)

Za usporedbu, faktor snage poluvalnog ispravljača s porednom diodom je 0,64.

4. 1 . JEDNOFAZNI PUNOVALNI ISPRAVLJAČKI SKLOP U MOSNOM SPOJU

53

Polumosni ispravljački sklop se može upotrijebiti za dobivanje punovalno is­ pravljenog napona, ako se napaja iz naponskog izvora sa srednjom točkom, kao što je to u ispravljačkom sklopu sa srednjom točkom na slici 4.4.a) Koliki su (vd) i kp izvo­ .

ra?

wt

(a)

Slika 4.4. a) Polumosni ispravljački spoj sa srednjom točkom u izvoru. b) Valni

oblici varijabli spoja na slici a). Metoda pretpostavljenih stanja pokazuje da diode D1 i D2 ne mogu biti istodob­ no uklopljene ili isklopljene. Zbog toga se gornja i donja polovica spoja ponašaju nezavisno jedna od druge. Rezultirajuće valne oblike prikazuje slika 4.4.b ). Iako je

vd punovalno

ispravljeni napon, struja svakog izvora ima istosmjernu komponentu,

što rezultira faktorom snage od:

(4.3)

Ako se dva izvora polumosnog ispravljača izvedu korištenjem transformatora sa srednjom točkom u sekundaru, faktor snage na priključcima primara je 0,90 jer struja primara ne sadrži istosmjernu komponentu. Usprkos tome, presjek žice sekundamog namota treba projektirati prema lošijem faktoru snage od 0,64.

54

4. MOSNI I VIŠEFAZNI ISPRAVLJAČKI SKLOPOVI

4.1.2. Komutacija i regulacija u jednofaznom mosnom sklopu Komutacijski proces u mosnom ispravljaču s komutacijskim induktivitetom na izmjeničnoj strani može se sagledati korištenjem spoja na slici 4.5.a) koja prikazuje dva polumosna spoja s komutacijskim induktivitetom 2Lc Strujni izvor Id nadomje­ šta trošilo. Komutacija u dva polumosna spoja je istodobna, ali suprotno usmjerena. To znači, kada stuja trošila komutira sa D1 na Dz, istodobno komutira i sa D4 na D3. Tako su tijekom komutacijskog procesa sve četiri diode uklopljene, vx1 =vxz, a derivacije struja is1 i is2 su jednake. U intervalima kada nema komutacije, pad napona na komutacijskim induktivitetima je jednak nuli, jer je struja trošila kon­ stantna i nevalovita. Tako su u svakom trenutku anoda D1 i katoda D3 na jednakom potencijalu, pa se mogu spojiti. Rezultirajući spoj prikazuje slika 4.5.b) a to je mosni spoj s komutacijskim induktivitetom jednakim polovici komutacijskog induk­ tiviteta polumosnih spojeva na slici 4.5.a). Rad obaju spojeva na slici 4.5. je istovjetan. Tako je i vrijeme komutacij e u u mosnom spoju s komutacijskim induktivitetom Le jednako onome u polumosnom spoju s komutacijskim induktivitetom 2Lc. Izraz za vrijeme komutacije može se dobiti iz (3.22):

,

u=

- (1- � d) 2X

co s 1

I

(4.4)

(a)

V, sin wt

(b) Slika 4.5. a) Punovalni ispravljački spoj sastavljen od dva polumosna ispravljačka

spoja s komutacijskim induktivitetom. b) Punovalni mosni ispravljački spoj ekvivalentan je ispravljačkom spoju na slici a).

4. 1 . JEDNOFAZNI PUNOVALNI ISPRAVLJAČKI SKLOP U MOSNOM SPOJU

55

(a)

vd

v,t r\ f\ C\

wt

(b)

Slika 4.6. Valni oblici mosnog ispravljačkog spoja na slici 4.5.b ) : a) napon �

sin m t i struja is izvora, b) ispravljeni izlazni napon vd·

Vremena komutacije su jednaka jer se u mosnom spoju struja kroz komutacij­ ski induktivitet tijekom komutacije mijenja između Id i -Id (Ais = 2/d), dok se u poluvalnom spoju mijenja samo između Id i O. Srednja vrijednost istosmjernog napona u ovisnosti o struji Id (karakteristika regulacije istosmjernog napona trošilom, izlazna karakteristika) dvostruko je veća od one poluvalnog ispravljačkog spoja s porednom diodom i komutacijskom reaktanci­ jom 2Xc- Ako se (3.24) pomnoži s faktorom 2, dobije se:

( d) v

X ) _!_(1 ) (1-___E_t{_ XJd ) do (1V

==

n

== V

+ cos u

2 Vs

== __

n

I

V,.

(4.5)

Vs

gdje je Vdo oznaka za najveći mogući iznos izlaznog napona ispravljačkog spoja. Valni oblici struje izvora i8 i izlaznog napona vd spoja sa slike 4.5.b) prikazani su na slici 4.6. Normirane izlazne karakteristike na Vdo jednofaznog polumosnog i masnog spoja uspoređene su na slici 4.7. Mosni spoj ima dvostruko veću regulaciju istosmjernog napona trošilom od poluvalnoga. Jer se Ai8 i Xc uvijek pojavljuju kao umnožak u izrazu za O, 11 > O, V2 > O, 12 < O; napon i struju sklopke prikazuje slika 6.10., ovdje je komponenta struje ix kroz paralelni kontakt označena sa i; (i; = - iz na slici 6.8.a)). Struja i napon serijskog kontakta iy i vyx su pozitivni. Najprikladnija kompo­ nenta takve karakteristike jest tranzistor. Ako su napon ili struja veći od naponske ili strujne opteretivosti tranzistora, dolazi u obzir tiristor. Međutim, upotreba tiris­ tora unosi dodatne komplikacije, kao što je potreba za komutacijskim krugom za isklapanje (v. 22. poglavlje). Iz povijesnih razloga istosmjerni pretvarač s tiristorima naziva se čoper. Struja i napon paralelnog kontakta i; i Vxz suprotnog su smjera/polariteta, kao i u diodi. Nije odmah očito da se paralelni kontakt može zamijeniti neupravljivom komponentom. Ipak, dioda prisilno uklapa i isklapa sklapanjem serijskog kontakta.

6.3. IZRAVNI PRETVARAČ

99

Kada se serijski kontakt zatvori, napon V1 zaporno polarizira diodu, a kada se se­ rijski kontakt otvori, neprekinuta struja prigušnice L prisilno prebacuje diodu u stanje vođenja. Paralelni kontakt, glede funkcije i rada, istovjetan je porednoj diodi poluvalnog ispravljača na slici 3.6. Silazni pretvarač - sa serijskim kontaktom zami­ jenjenim tranzistorom a paralelnim kontaktom diodom - prikazan je na slici 6.1 1 .

11

-

y

X

+

iL

12

-

-

+

L +

Vi

p

vxz

c

Vz

�

z

Slika 6.11. Odabir sklopki u izravnom silaznom pretvaraču.

Katkad je potrebno spojiti dva istosmjerna sustava tako da su im zajednički pozitivni priključci. To je slučaj kod nekih primjena u motornim vozilima - prim­ jerice ako se uzemljuje pozitivni priključak baterije (tj. spaja s karoserijom vozila). Za takvu primjenu, u ovom primjeru, razmatra se silazni pretvarač. Vratimo se općem izravnom pretvaraču na slici 6.8.a). Zahtjev za sniženjem napona traži da je Vi 11 > O i V2/2 < O. Zahtjev za zajedničkim pozitivnim polom traži da je Vi < O i V2 < O. Stoga je I1 < O, a /2 > O. Pozivanjem na sliku 6.10. i polaritete priključnih varijabli za tu primjenuj oš uvijek, proizlazi da je serijski kontakt tranzis­ tor, a paralelni kontakt dioda. Međutim, jer su smjerovi vođenja suprotni onima koje imaju poluvodičke komponente u pretvaraču na slici 6.11„ poluvodičke kom­ ponente treba spojiti u suprotnom smjeru. Rezultirajući pretvarački spoj, koji ima zajednički pozitivni pol izvora i trošila, prikazuje slika 6.12. 12 > 0 +

Vi < O

L

c

+

\1i < O

Slika 6.12. Silazni pretvarački spoj izveden tako da su pozitivni polovi ulaznog i izlaznog prilaza zajednički.

100

6. VISOKOFREKVENCUSKI ISTOSMJERNI SKLOPNI PRETVARAČI

+

+ V. > O

\-2 > o

c L

Slika 6.13. Silazni pretvarački spoj sa zajedničkim pozitivnim polom ulaznog i

izlaznog sustava izveden zamjenom položaja induktiviteta i serijskog kontakta u spoju sa slike 6. 11.

Pretvarač na slici 6.12. može se još dobiti jednostavnom preobrazbom spoja na slici 6.1 1. Primijetite: induktivitet i serijski kontakt mogu se premjestiti u donje grane svojih petlji a da se ne promijeni funkcija spoja. Tako se dobije spoj na slici 6.13. Sada se jednostavno okretanjem spoja oko osi koja predočuje zajednički po­ zitivni pol dobije rezultat prikazan na slici 6.12. Uzlazni pretvarač. Sada razmotrimo odabir sklopki potreban za uzlazni pret­ varač. Sklopke treba tako odabrati da je tok energije u izravnom pretvaraču na slici 6.8.a) od strane nižeg napona V2 na stranu višeg napona V1. To je lako postići ili promjenom smjera struja ili promjenom polariteta napona na prilazima, u odnosu na silazni pretvarač o kojem smo upravo raspravljali. Ako se odluči da se promijeni smjer struja, strujama kroz kontakte na slici 6.10. treba okrenuti smjer. Tada paralelni kontakt postaje tranzistor, a serijski kontakt dioda. Rezultat je izravni uzlazni pretvarač na slici 6.14. Primijetite da je sada upravljiva sklopka paralelna sklopka, a ne serijska. X

+

L

+

p

�

V.

c

z

Slika 6.14. Odabir sklopki izravnog uzlaznog pretvarača.

Neke primjene istosmjernih pretvarača zahtijevaju tok energije u oba smjera. Dva primjera su: kočenje istosmjernog motora vraćanjem energije u izvor (tzv. rekuperativno kočenje) i stvaranje slike pomoću magnetske rezonancije za što je

6.3. IZRAVNI PRETVARAČ

101

z

Slika 6.15. Odabir sklopki izravnog pretvarača koje omogućuje dvosmjerni tok

energije reverziranjem napona (rad u I. i Iv. kvadrantu).

potrebno točno upravljati vremenski promjenjivim magnetskim poljem magneta. U oba slučaja naponi na priključcima mijenjaju polaritet i tako omogućuju odvođenje ili dovođenje energije magnetskog polja. Dakle, gledajući sliku 5.5.b), ti pretvarači rade u I. i lV. kvadrantu. Kako odabrati sklopke izravnog pretvarača za te primjene? Ponovno razmotrimo naponsko i strujno naprezanje kontakata izravnog pret­ varača na slici 6.10.; uočite: ako struje prilaza ne mijenjaju smjer, još uvijek stoji zahtjev da kontakti vode struju samo u jednom smjeru. Međutim, zbog reverziranja smjera toka energije promjenom polariteta prilaznih napona, kontakti moraju držati oba polariteta napona. Zahtijevane karakteristike ima kontakt ostvaren serij­ skim spojem diode i tranzistora. Rezultirajući dvosmjerni izravni pretvarač prikazu­ je slika 6.15. Primijetite da se mora zasebno upravljati objema sklopkama uz osigu­ ranje da nisu istodobno isklopljene. Zato, kada je tok energije od lijeve strane na desnu (Vi > O, V2 > O) baza Q2 se može trajno napajati strujom, jer sklapanje obav­ lja D2• Slično tome, kada je tok energije od desne strane na lijevu (V1 < O, V2 < O), baza Q1 se može trajno napajati strujom. Važno je uočiti da su diode u sklopu na slici 6.15. spojene na kolektore tranzis­ tora Q1 i Q2• Zato se mogu spojiti emiteri Q1 i Q2• Takvo rješenje pojednostavnjuje pobudne sklopove time što pobudni sklopovi obaju tranzistora imaju zajedničku re­ ferentnu točku.

6.3.3. O faktoru vođenja U odsječku 6.3.1. definiran je faktor vođenja izravnog pretvarača omjerom tra­ janja vođenja serijske sklopke i trajanja periode. No, uobičajeno je definirati faktor vođenja omjerom trajanja vođenja upravljive sklopke (tranzistora) i trajanja periode, bez obzira na to nalazi li se upravljiva sklopka na mjestu serijske ili paralelne sklop­ ke. Ako se prihvati ta definicija za D, faktori pretvorbe uzlaznog pretvarača na slici 6.14. slijede iz (6.6) i (6.7): (6.8)

102

6. VISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI SKLOPNI PRETVARAČI

12

1

- = - --

1-D

(6.9)

Katkad se izraz 1 - D zamjenjuje oznakom D'. Faktori pretvorbe istosmjernog pretvarača obično se izražavaju omjerom izlazne i ulazne veličine. Prema tome, naponski faktor pretvorbe uzlaznog pretvarača je:

"izlaz 1_ _!_ Vulaz 1 - D D' = _

=

(6.10)

Napokon, uobičajeni izrazi za faktore pretvorbe su dvosmisleni ako energija može teći u oba smjera; zato što se ni jedan vanjski sustav ne može definirati kao ulazni ili izlazni, a uz to obje su sklopke upravljive. Tada se upotrebljavaju nazivi koji odgovaraju trenutačnom smjeru energije.

6.4. NEIZRAVNI PRETVARAČ Neizravni pretvarački spoj osnovnog sklopnog elementa prikazuje slika 6.8.b). U ovom odsječku uvidjet ćete da se radne karakteristike neizravnog pretvarača uve­ like razlikuju od radnih karakteristika izravnog pretvarača. 6.4.1.

Istosmjerni faktor pretvorbe neizravnog pretvarača

Važna razlika između izravnih i neizravnih pretvarača je u polaritetima napona i smjerovima struja na njihovim prilazima, definiranim na slici 6.8. Naponi su istog predznaka u izravnom pretvaraču, ali su suprotnog predznaka u neizravnome. Oprečno, struje su suprotnog predznaka u izravnom pretvaraču, a istog predznaka u neizravnome. Odnosi između prilaznih varijabli neizravnog pretvarača na slici 6.8.b) mogu se izvesti razmatrajući napon na induktivitetu i struju kroz kapacitet. Napon na induk­ tivitetu je V1 dok je kontakt Sxy zatvoren, a V2 dok je kontakt Sxz zatvoren, pa jedan od ta dva napona mora biti pozitivan a drugi negativan da bi se zadovoljio uvjet da je srednja vrijednost napona na induktivitetu jednaka nuli. Slično tome, struja kroz kapacitet je -Ii. dok je kontakt Sxy zatvoren a 11 dok je kontakt Sxz zatvoren, tako struje 11 i 12 moraju biti istog predznaka da bi se zadovoljio uvjet da je srednja vri­ jednost struje kroz kapacitet jednaka nuli. Ako se kontakt Sxz ostavi dulje vrijeme zatvoren, V2 i 11 teže prema nuli bez obzira na vrijednosti Vi i 12• Zato oba omjera V2/ V1 i 11 /12 teže prema nuli. Međutim, ako se kontakt S ostavi dulje vrijeme zatvoren, ovi omjeri teže prema xy - oo i + oo. Ako dva kontakta sklapaju u protutaktu, ovi omjeri su negdje između tih dviju krajnosti; slično se zaključilo za izravni pretvarač. U neizravnom pretvaraču vrijednost faktora pretvorbe je u području od nule do beskonačnosti, u usporedbi s područjem od nule do jedan u izravnom pretvaraču.

6.4. NEIZRAVNI PRETVARAČ

103

Najjednostavniji način određivanja točne ovisnosti faktora pretvorbe o faktoru vođenja jest uvjetovanje da je srednja vrijednost napona na induktivitetu jednaka nuli izjednačavanjem pozitivnog i negativnog integrala napona po vremenu. Ako se D definira omjerom trajanja vođenja kontakta Sxy i trajanja periode T, srednja vri­ jednost napona na induktivitetu je jednaka nuli ako je:

Vi DT

= -

V2 (1 - D)T

što daje naponski faktor pretvorbe:

V2

D 1-D

-- = -

"1

(6. 1 1)

Slično tome, strujni faktor pretvorbe se određuje postavljanjem uvjeta da je srednja vrijednost struje kroz kapacitet jednaka nuli, tj.:

12

1-D D

(6.12) 11 Jednadžba (6.12) može se dobiti i iz (6.11) postavljanjem uvjeta da je tok energije u pretvarač jednak nuli. Neizravni pretvarač se obično naziva uzlazno-silazni pretvarač, zato što izlazna veličina može biti ili veća ili manja od ulazne. To je istinito i za napon i struju i to za bilo koji smjer toka energije. - == --

6.4.2. Odabir sklopki Nakon razmatranja naponskog i strujnog naprezanja sklopki, kao što je to učinjeno u izravnom pretvaraču, mogu se odabrati odgovarajuće poluvodičke kom­ ponente neizravnog pretvarača. I ovaj put mora se odabrati smjer toka energije i polaritet jednog od napona ili smjer jedne od struja na priključcima. Za tok energi­ je s lijeve strane na desnu u spoju na slici 6.8.b) (ne postoji strana višeg ili nižeg napona u neizravnom pretvaraču) i za Vi > O, kontakt Sxy vodi pozitivnu struju i blokira pozitivan napon (primijetite da je V2 < O za odabrani polaritet V1 i odabrani smjer toka energije). Stoga taj kontakt može biti tranzistor. Kontakt Sxz, s druge pak strane, vodi pozitivnu struju, ali zapire negativan napon, što ispunjava upravo dioda. Rezultirajući spoj neizravnog pretvarača prikazuje slika 6.16. c +

y

z

+

v;

Slika 6.16. Odabir sklopki neizravnog pretvarača koji omogućuje tok energije s lijeve strane na desnu uz Vi > O.

104

6. VISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI SKLOPNI PRETVARAČI

Jedan od načina dobivanja spoja neizravnog pretvarača u kojemu energija pro­ tječe s desne strane na lijevu iz spoja na slici 6.8.b) je okretanje sheme na slici 6.16. oko osi u kojoj je induktivitet. U tom slučaju napon na lijevom paru prilaza postaje negativan. Ako je zahtjev da taj napon bude pozitivan, potrebno je promijeniti polaritet napona i smjer struje za obje sklopke i okrenuti prilaze diode i tranzistora. Rezultirajući spoj prikazuje slika 6.17.

c

+

Iz -

y

z

+

Vj

na lijevu i V1 > O.

Slika 6.17. Odabir sklopki neizravnog pretvarača za tok energije od desne strane

6.4.3. Varijante osnovne topologije neizravnog pretvarača Postoje dvije važne varijante osnovne topologije neizravnog pretvarača.

I

za

jednu i za drugu varijantu faktori pretvorbe (6. 1 1) i (6.12) i dalje vrijede, a valni obli­ ci struje i napona poluvodičkih komponenata ostaju nepromijenjeni. Jedina promje­ na je u razdvajanju

L i C,

u svrhu filtriranja

visokofrekventnih struja koje teku kroz

sklopke i napona na sklopkama. Kapacitet i induktivitet neizravnog pretvarača na slikama 6.16. i 6.17. ispu­ njavaju funkciju visokofrekventnog filtriranja na sljedeće načine. Izmjenična kom­ ponenta struje koja teče kroz sklopke kruži kroz

C, te se ne pojavljuje na prilazima.

Uočite, jer se L može modelirati otvorenim spojem na sklopnoj frekvenciji, serijski spoj vanjskih mreža je paralelan sa kapaciteta

C

C.

Zato visokofrekvencijska impedancij a

mora biti mnogo manja od zbroja visokofrekvencijskih impedancija

vanjskih mreža. Slično tome, izmjenična komponenta napona koji vlada na sklop­ kama je na

L,

te se ne pojavljuje na prilazima. U tom se slučaju

C može modelirati

kratkim spojem na sklopnoj frekvenciji, pa je paralelni spoj dviju vanjskih mreža u seriji sa

L.

Zato, visokofrekvencijska impedancija induktiviteta

L

mora biti mnogo

veća od visokofrekvencijske impedancije paralelnog spoja vanjskih mreža.

(Ovi

uvjeti su iscrpnije razmotreni u odsječku 6.5.). Posljedice tih uvjeta su sljedeće: ako kondenzator treba biti prihvatljivih iz­ mjera, barem jedna od vanjskih mreža mora imati veliku impedanciju; ako prigušnica

6.4. NEIZRAVNI PRETVARAČ

105

treba biti mala, barem jedna od vanjskih mreža mora imati malu impedanciju. U ide­ alnom slučaju jedan vanjski sustav ima veliku, a drugi malu impedanciju. Na nesreću, oba vanjska sustava obično imaju veliku impedanciju, osobito ako je sklopna frekvencija velika, a spojne žice dugačke (rasipni induktivitet). U tim uvjetima prigušnica postaje neprihvatljivo velika. Ipak, ako se preinači osnovna topologija stavljanjem dodatnog kapaciteta paralelno jednom od dvaju prilaza, kao što to prikazuje slika 6.18.a), impedancija jednog od dvaju sustava postaje manjom. Primijetite, svrha kapaciteta C1 je da izmjenična komponenta napona na sklopkama ima svoj pad na prigušnici prihvatljivih izmjera. Kapacitet C1 ne pomaže prvotnom kapacitetu C12 pri filtriranju izmjenične komponente struje koja teče kroz sklopke. Ta komponenta struje i dalje teče kroz C12 zato što jedan od dvaju vanjskih sustava još uvijek ima veliku impedanciju.

c ,2 12

11

-

-

+

+

Vi

C1

L

Vi

(a)

+

+ Vi

L

(b) Slika 6.18. Varijante osnovne topologije neizravnog pretvarača sa svojstvom filtri­

ranja izmjeničnih komponenata napona na prilazima u slučaju priključka na dvije visokoimpedantne vanjske mreže: a) preinaka osnovne topologije neizravnog pretvarača dodavanjem kapaciteta C1; b) alternativni položaj kapaciteta na slici a). Ovaj spoj se obično naziva uzlazno-silazni pretvarački spoj.

Na sklopnoj frekvenciji, tri čvora osnovnog sklopnog elementa su kratko spo­ jena preko dva kapaciteta, slika 6.18.a). Isti rezultat se može postići rasporedom kapaciteta prema slici 6.18.b). Oba kapaciteta filtriraju izmjeničnu komponentu struje koja teče kroz sklopke, ako je induktivitet na sklopnoj frekvenciji otvoreni

106

6.

VISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI SKLOPNI PRETVARAČI

spoj. Svaki kapacitet vodi cijelu izmjeničnu komponentu struje, ako je njegova impedancij a mala u usporedbi s impedancijom njegovog vanjskog sustava. No, na svakom je kapacitetu istosmjerni napon samo njegovog prilaza, a ne zbroj napona na prilazima - s kojim je opterećen kapacitet u topologiji neizravnog pretvarača na slici 6.16. Tako je svaki od dva kapaciteta manji od prvotnog. Zapravo, uz neke pret­ postavke, može se pokazati da je zbroj vršnih energija dvaju kapaciteta jednak vršnoj energiji prvotnog kapaciteta (v. odsječak 6.5.5.). Naziv uzlazno-silazni ili silazno-uzlazni za razlikovanje pretvaračkih spojeva obično podrazumijeva varijantu spoja na slici 6.18.b) . c

c

1.

12

-

+

B

A

Vi Li

-

12

11

+

+

V2

Vi

-

--

+

Vz Li

c

(a)

Li (b)

c

(c) Slika 6.19. Varijante topologije neizravnog pretvarača sa svojstvom filtriranja iz­

mjeničnih komponenata struja na prilazima u slučaju priključka na dvije niskoimpedantne vanjske mreže: a) preinaka osnovne topologije neizravnog pretvarača dodavanjem induktiviteta L 1; b) alternativni položaj induktiviteta na slici a); c) spoj na slici b) nacrtan u obliku poz­ natom pod nazivom Ćukov pretvarač.

Ako oba vanjska sustava imaju malu impedanciju, za smanjenje valovitosti priključnih struja mora se upotrijebiti neprikladno veliki kondenzator. Međutim, impedancija jedne od vanjskih mreža može se povećati stavljanjem prigušnice L1 u seriju s njom, slika 6.19.a). To nas vraća na idealne prilike kad neizravni pretvarač spaja jednu mrežu velike i jednu male impedancije. Premda se sada može smanjiti veličina kondenzatora, dodana prigušnica nema utjecaja na veličinu prvotne prigušnice L12 osnovnog sklopnog elementa. Impedancija dvaju paralelnih vanjskih sustava je mala zato što barem jedan od njih ima malu impedanciju; tako se veći dio

6.5. IZBOR VRIJEDNOSTI KAPACITETA I INDUKTIVITETA

107

izmjeničnog napona koji je na sklopkama nalazi na L12• Za sada smo jednostavno smanjili izmjere kondenzatora na račun dodatne prigušnice. Od tri grane koje izlaze iz čvora C na slici 6.19.a) dvije imaju induktivitete koji se mogu modelirati otvorenim spojem na sklopnoj frekvenciji, ako su projektirani tako da uklanjaju valovitost iz prilaznih napona pretvarača. Zato je izmjenična stru­ ja koja teče kroz treću granu također jednaka nuli. Isti rezultat može se postići razmještajem induktiviteta Li i L2 prema slici 6.19.b). Sada oba induktiviteta pri­ donose filtriranju izmjeničnih napona na sklopkama. Svaki mora imati veliku impe­ danciju u usporedbi s impedancijom njegovog pripadajućeg vanjskog sustava. No, svaki preuzima samo prilaznu struju pretvarača, a ne zbroj prilaznih struja kojima je opterećen induktivitet L12. Zato su induktiviteti Li i L2 manji od L12• Za jednaku valovitost struja zbroj vršnih energija pohranjenih u tim dvama induktivitetima jed­ nak je vršnoj energiji pohranjenoj u L 12. Premda su na slici 6.19.b) induktiviteti spojeni u seriju s negativnim prilazima pretvarača, mnogo ih je praktičnije spojiti u seriju s pozitivnim prilazima pretvarača, kao što je to prikazano na slici 6.19.c). Takav raspored ništa ne mijenja funkcional­ no; no sada ulaz, izlaz i emiter tranzistora imaju zajednički čvor, što je praktično i često potrebno. Ova varijanta osnovnog neizravnog pretvarača obično se naziva , *

Cukov pretvarač.

6.5. IZBOR VRIJEDNOSTI KAPACITETA I INDUKTMTETA Do sada se u raspravi o istosmjernim pretvaračima pretpostavljalo da su visokofrekvencijski filtarski elementi L i C osnovnog sklopnog elementa dovoljno veliki, to jest da smanjuju sklopnu valovitost prilaznih varijabli na prihvatljivu razinu. Sada će se podrobnije razmotriti zahtjevi na te elemente. Ovu temu je važno raspra­ viti jer izmjere pretvarača bitno ovise o izmjerama komponenata za pohranu energi­ je. Usto, usporedba različitih pretvaračkih spojeva zasniva se na amplitudi valovitosti za zadanu količinu pohranjene energije. U ovom odsječku, za izravne i neizravne pretvarače, razmatra se uzrok va­ lovitosti prilaznih struja i napona, razvijaju se modeli za analiziranje valovitosti pri­ laznih struja i napona različitih pretvaračkih spojeva i navode se relativne vrijed­ nosti induktiviteta L i kapaciteta C. U tipičnom učinskom sklopu komponente filtra su tako velike da ograničuju valovitost prilaznih varijabli na malu vrijednost. Ako je tome tako, za izmjeničnu komponentu struje kondenzator je gotovo kratki spoj a prigušnica gotovo otvoreni spoj. Zato se za sljedeće analize uvode pretpostavke pojednostavnjenja: prigušnica je otvoreni spoj ako se raspravlja o valovitosti struje, a kondenzator je kratki spoj ako se raspravlja o valovitosti napona. Te pretpostavke omogućuju jednostavnu procjenu prvog reda valovitosti prilaznih varijabli.

»A

* S. ćuk i R. D. Middlebrook, new optimum topology switching dc-to-dc converter«, IEEE Power Electronics Specialists Conference Record, 1977, str. 160-179.

108

6. VISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI SKLOPNI PRETVARAČI

6.5.1. Model izravnog pretvarača za računanje valovitosti Prvo razmotrimo uzroke i raspodjelu izmjenične komponente struje u izrav­ nom pretvaraču na slici 6.8.a); ponovljenog, praktičnosti radi, na slici 6.20.a). Uz pretpostavku da je induktivitet L otvoreni spoj na frekvenciji valovitosti, struja i2 je nevalovita, a izmjenične komponente struja iy i iz jednake su i suprotnog smjera. Označimo izmjeničnu komponentu struje iy sa i;. U svrhu računanja izmjenične komponente struje ii. i i, zamijeni se krug desno od C na slici 6.20.a) s nadomjesnim strujnim izvorom vrijednosti i;. Konačni model za računanje izmjenične kompo­ nente struje prikazuje slika 6.20.b) . Primijetite: izmjenična komponenta struje i i ovisi o tome kako se i; dijeli između kapaciteta C i impedancije vanjske mreže Z1. Sada stvorimo model izravnog pretvarača za računanje izmjenične komponente napona na njegovom prilazu broj 2. Uz pretpostavku da je kapacitet C kratki spoj na frekvenciji valovitosti, izmjenična komponenta napona vw označena sa v�, prikazana je na slici 6.20.c). Proizlazi da se krug lijevo od L na slici 6.20.a) može nadomjestiti naponskim izvorom vrijednosti v �z· Rezultirajući model za računanje

i1

.....

+

1

A

+

vc = \'i-

V1

iy

-

ii

C

y Sxy

X

iz

jL = /2 -

+

L

--

c

�·f"

!B

1'2

(a) ii

-

-

+

+

21

-

(1

-

v;

+

+

vc'

D) /2

O -+-�-t--+-�-+--t�� DT T 2T (b)

;;

v2

v;z

(1

-

Z2

V�z

D)v;

O-+-�-+--+�--itomonojtetrenutku, Struje i d eal n transformatora t o padnu na nul aljeri iµbimoraodgovarajuća nastaviti tećisekundarna . Ne možestruja teći krozmoralpriamtećiarniunamot idsmjeru ealnog transformatora kri v om kroz toga, iµ prisiljava D3 da uklopi, pritežući kolektor tranzistora na a naStrujaUmjesto magneti z i r anja iµ mora postati jednaka nuli do početka sljedeće periode. Ako iµ nenebi palbi došao a na nuluuzasi, onaćenje. bi seDapovećavala od periode do periode sve dok trans­ formator bi se iµ vratio na nulu prij e početka sljedeće peri o de, mora bi t i negati v an u i n terval u u kojem je Q i s kl o pl j en. Zato napon mora biti većiQ. BiodtnoVi.je Kolda jeikovremenski mora bitiinvećitegral, tonapona ovisi o omjeru vremena vođenjaje Qi nevođenja u i n terval u u kojem iplskljen.oplTojensejednak vremenskom i n tegral u napona u i n terval u u kojem je Q ukl o ­ običnosuiskazuje ovako: primame volt-sekunde u intervalu u kojem je Q iQsklukloplojplenjen,jednake negati v ni m pri mmora amimbivoltitjednaka -sekundama uPriinterval u u akokojemje jeQ t j . bi l a nca vol t -sekunda nul i . m jerice, ukloplj(vp) en periode, mora biti jednak Primijetite da je taj uvjet jednak uvjetu Akovnihjeprimupravo jednak vrijednosti potrebnoj za uizjednačavanje pozinativnkrajihui negati arni h vol t -sekunda, magnetski se tok transformatoru svake peri o de vraća na vri j ednost koj u j e i m ao na početku peri o de. Zbog pri j el a zni h pojava ili nesavršenosti upravl janja, može se desi ti tokda početna vrijednostvećimagnet­ skog toka ni j e jednaka nul i . U tom je sl u čaju vršni u transformatoru nego štoiµ je) to potrebno, i još uvi j ek se mora bri n uti o zasi ć enju. Da bi se zajamči l o da je prireznivoltnapon se odabi re neštosprječava većim oddakristruja tičneiµvripostane jednostinegati potrebne za ijezjednačavanje -sekunda. Di o da v na, pa U trenutku u kojem D3 i s kl a ­ najmanja vri j ednost toka u transformatoru pa,uklovppiskokovi to pada na nulu i zadržava tu vrijednost sve dok tranzistor ponovno ne .Faktor vođenja je čestosluupravl jiµačkavrativarinajablnula, upa. Prise mmora odabrati takav da sevođenja sigurno,u pretvaraču i u najgorem čaju, jeri c e, što je veći faktor na sl i c i 7. 1 . , to su veće pozi t i v ne pri m arne vol t -sekunde, odnosno VcZajefaktore veći. Zbog togamanje se odabiodrenajvnaećeg,osnovi očekivanog najvećeg faktora vođenja. vođenja iµ se jednostavno vraća brže na nulu nego što je to potrebno, i za veći dio i n terval a u kojem tranzi s tor ne vodi vri ­ jedi Postoji dosta različitih načina ostvarenja pritezne funkcije; raspravit ćemo samo neke. U praksi se često kori s ti prekretna komponenta, kao što su to Zenerova dioda i metal-oksid varistor. Prekretna komponenta može izravno zamijeniti diodu i izvor priilgrani teznog napona na sl i c i 7. 1 . a ), ako je apsorbi r ana energi j a unutar njezi n i h čnihZbog vrijednosti . Pa ipraspravi ak, sadržana načela surazuml neovijsinave pritezne o posebnosti ma ost­ varenja. toga ćemo t i jednostavno sklopove, da bismo ilustrirali važna svojstva pritezne funkcije. D1,

D1

Vp

D1. V1 - Vc.

Vc

vp

Vc

vp

50 % = O. Vc

(

O = O,

Vc

vp

2V1.

D3

B

min = O.

Vc

Vc

Vp = 0.

124

7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAČI S GALVANSKIM ODVAJANJEM

Uzmimo da spoj na slici 7 .1.a) ima ulazni napon Vi = 50 V i da je prijenosni omjer transformatora N = 5. Pri faktoru vođenja tranzistora D, izlazni napon iznosi:

V2 = D · --1.. = D · 1 0, V N V.

(7. 1)

Ako je zahtjev na V2: O < V2 < 8 V, onda potrebni maksimalni faktor vođenja iznosi 80 % . Najmanja vrijednost Vc se nalazi izjednačavanjem pozitivnih i negativnih pri­ marnih volt-sekunda: (7. 2)

ili

50 Vj - = - = 250V Vc ---� 1 - Dmaks 0, 2

( 7. 3)

Pritezni napon treba biti nešto veći od te najmanje vrijednosti. Koliko veći ovisi o tome koliko smo sigurni da maksimalni faktor vođenja ne prelazi 80 % ili koliko temeljito poznajemo prijelazne pojave koje mogu uzrokovati zakazivanje resetiranja jezgre. Primijetite: tranzistor mora izdržati napon Vc koji je relativno velik prema ostalim naponima u krugu. Pritezni sklop apsorbira energiju prilikom svake prorade, tj. jednom u periodi. Tu energiju je obično teško i neekonomično preuzeti iz izvora Vc; zato je ona obično izgubljena. Iznos te energije može se izračunati integriranjem V:: ic po vremenu u intervalu u kojem D3 vodi. Napon Vc je konstantan, a struja ic linearno opada od vršne vrijednosti:

Iµ p =

VjDT

(7 . 4)

Lµ

prema nuli tijekom vremena: !::. t = -vc - Vi.

Lµ lµp

(7. 5 )

Zato, u svakoj periodi, izvor Vc apsorbira energiju:

Ec

==

[T+6.t m

I 1 � icdt = Vc _!!:!'_ l'it 2 2

== -

Lµ J�p ·-V-c� - Vj

(7 . 6)

Primijetite da je apsorbirana energija u jednoj periodi veća od energije LµIip/2 pohranjene u Lw Pritezni napon Vc se obično dobiva nabijanjem relativno velikog kapaciteta. Povećavanje Vc iz periode u periodu sprječava se elementima za odvođenje Ec­ Jednostavno rješenje sastoji se u tome da se paralelno s kapacitetom stavi otpor - R

7.1. IZRAVNI NESIMETRIČNI PRETVARAČ S TRANSFORMATOROM

125

na slici 7.1.b). Odabirom prave vrijednosti R dobiva se željeni pritezni napon. Naime, i energija koja ulazi i energija koja izlazi iz kapaciteta ovisi o Vc- Da bi se Vc održavao konstantnim, vrijednost tog otpora se mora mijenjati s mijenjanjem Vi i D. Zato se općenito uzima, umjesto jednostavnog otpora stalne vrijednosti, linearna mreža koja mjeri i regulira Vc- U pretvarača vrlo velikih snaga opravdano je upo­ trijebiti pomoćni istosmjerni pretvarač za prebacivanje Ec u izvor ili u trošilo.

Smještanjem regulatora ili izbojnog otpornika priteznog sklopa u paralelu s priteznim kondenzatorom (pretpostavlja se da je beskonačno velik), disipira se količina energije dana izrazom (7.6). Ako se otpornik, umjesto paralelno konden­ zatoru, spoji između kondenzatora i ulaznog naponskog izvora, kao što je prikazano na slici 7.2., dio energije kondenzatora se vraća u izvor. Omjer energije disipirane u otporniku ER i energije apsorbirane u pritezi Ec * tijekom jedne periode jednak je omjeru napona otpornika Vc - V1 i napona pritege Vc. Disipirana energija je dakle:

E = Ec Vc - VJ = .!.L 12 . � . Vc - V! = _!.. L I2 2 µ µp Vc V,I Vc 2 µ µp Vc R

(7.7)

-

Energija dana izrazom (7.7) manja je od one dane izrazom (7.6). Zato je otpornik na slici 7.2. učinkovitiji od onog na slici 7.1.b). r - - - - - - - - - -,

I I I I I I I

+

1 j

v;

7.1.2.

I I I I

C1

I

. li .

L- - - -

+

_ _ __

_J

�

Slika 7.2. Alternativni smještaj izbojnog

Transformatorski spregnuta pritega

Na slici 7.3. prikazan je drugi način dobivanja priteznog napona: transforma­ toru je dodan treći namot sa NT zavoja. Taj treći namot naziva se tercijarni ili pritezni * Apsorbirana energija u pritezi jednaka je zbroju energije potrošene u otporniku R i energi­ je vraćene u izvor V1. (Prim. prev.)

126

7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAČI S GALVANSKIM ODVAJANJEM

namot. On omogućuje zatvaranje struje prestane voditi. Struja iy prema tome je:

iµ

kroz primarni i pritezni namot kada Q

. = Np . Nr zµ

zy

Uočite: kada Q isklopi, iµ teče iz točke namota Np, uzrokujući da iy teče u točku namota Nn te D3 provede. Zato što je vp = Vy (Np/Nr) i Vy - Vi u intervalu kada D3 vodi, Lµ se prazni, kako se i željelo. Pa ipak, struja iy ne može postati negativna, i zato se magnetski tok transformatora smanjuje samo do nule. Prednost ovog pris­ tupa je u tome da se magnetska energija vraća izravno u izvor, umjesto u poseban pritezni sklop. =

+

I l

V1

r - -- - - - - - - - - - - - - - ,

Ii

-

I

t ilL

I I

1-

I VT '+ I I I

C1

I I

LIL

•

L - -

t jT

+

Vp

I

Np •

- - -- - - - -

li

Ns II +I vs I I I I •

____

I

Iz

-

+

D1 Dz

I I

_J

i i

V2

D3

Slika 7.3. Pritezna funkcija ostvarena tercijarnim namotom transformatora.

Vrijednost priteznog napona (napon na Lµ kada je Q isklopljen) namješta se mijenjanjem omjera Np/Ny. Ako je najveći faktor vođenja 50 %, najmanja vrijednost Np/Nr je 1. Ako je najveći faktor vođenja 75 %, najmanja vrijednost Np/Ny je 3. Primijetite da taj omjer brojeva zavoja utječe na blokimi napon tranzistora. Za omjer 1: 1 blokirni napon je 2Vi, a za omjer 3: 1 blokirni napon je 4V1• Problem sklopa na slici 7 .3. jest rasipni induktivitet između primarnog i terci­ jarnog namota. Bilo koji rasipni induktivitet onemogućuje trenutačnu komutaciju struje magnetiziranja na tercijarni namot kada tranzistor isklapa. Da bi se spriječilo prekomjerno povećanje napona na tranzistoru, paralelno mu treba spojiti jednu dodatnu pritegu. Ta pritega, tj. sklop za prigušenje prenapona, naziva se prigušni član. (Prigušni članovi se detaljno razmatraju u 24. poglavlju . ) Redovito je energija rasipnog induktiviteta mala prema energiji induktiviteta magnetiziranja, pa disi­ pacija u ovoj pritezi ili prigušnom članu nije problem, osim ako sklop ne radi na vrlo visokoj frekvenciji. Pritezni namot se može spojiti na V2, umjesto na V1 . U ovom slučaju energija magnetiziranja se prenosi na izlaz umjesto natrag na ulaz. Rezultat je malo

7. 1 .

IZRAVNI NESIMETRIČNI PRETVARAČ S TRANSFORMATOROM

127

poboljšanje djelotvornosti sklopa. Kod ovog rješenja dobra magnetska veza pri­ mamog i tercijamog namota se teško postiže, jer sigurnosni zahtjevi na izolaciju traže neki najmanji razmak između namota na strani izvora i namota na strani trošila. Veća disipacija uzrokovana većim rasipnim induktivitetom lako poništava očekivani dobitak na djelotvornosti. 7.1.3. Heterogeni mosni spoj Česta metoda održavanja neprekinutosti struje kroz induktivna trošila ukla­ pana i isklapana tranzistorom jest premošćivanje trošila diodom, slika 7.4.a). Problem primjene ove metode u istosmjernim pretvaračima s galvanskim odvaja­ njem jest u tome što je napon pražnjenja induktiviteta jednak samo zbroju pada napona na diodi i pada napona na otporu namota. No, spoj na slici 7.4.a) upućuje na drugu mogućnost. Kada je Q1 isklopljen, donji priključak trošila je spojen na po­ zitivnu sabirnicu preko D1• Dakle, ako bi se mogao gornji priključak trošila spojiti na negativnu sabirnicu, pražnjenje induktiviteta odigravalo bi se pod djelovanjem napona V1 To se može učiniti dodavanjem Q2 i Dz, kao što je to prikazano na slici 7.4.b). Tranzistori Q1 i Q2 uklapaju i isklapaju istodobno. Primijetite: diode ne omogućuju promjenu smjera struje iw pa se i u ovomBslučaju magnetski tok trans­ formatora resetira na minimalnu vrijednost od samo min= O. Taj spoj je još uvijek nesimetričan, a pretvarač se naziva izravni nesimetrični pretvarač s galvanskim odva­ janjem i ulaznim izmjenjivačem u heterogenom mosnom spoju, jer su dvije od četiri sklopke mosta upravljive. Ovaj pretvarač ima na primarnoj strani transformatora dvostruko više sklopki od onog na slici 7.3. No, sve sklopke su manje naponski napregnute. I kako struja magnetiziranja ne mora komutirati iz primarnog namota u pritezni namot, zaobilazi se rasipni induktivitet spoja na slici 7.3. Ipak, mora se upravljati dvama tranzistori­ ma čiji su emiteri na različim potencijalima. Ograničenje spoja je gornja granica fak­ tora vođenja - spoj ne može raditi s faktorom vođenja većim od 50 %. Na maksi­ malni faktor vođenja može se zaključiti razmatranjem valnih oblika struje na slici 7.4.c). Ti valni oblici se zasnivaju na pretpostavci da je rasipni induktivitet transfor­ matora jednak nuli. U stvarnom transformatoru to nije točno: postoji interval komutacije u kojem vode i dioda D3 i dioda D4, no o tome će se raspravljati u odsječku 7.4. -

7.1.4.

.

Naprezanja sklopki u izravnom nesimetričnom pretvaraču s galvanskim odvajanjem

Nedostatak izravnog nesimetričnog pretvarača s galvanskim odvajanjem jest u tome što energija prolazi kroz transformator samo u intervala DT. Budući da sklop besposličari u intervalu (1 D)T, naponsko i strujno naprezanje transformatora, sklopki i filtarskih elemenata veće je nego što bi bilo da sklop neprekidno prenosi energiju od ulaza do izlaza. Razlog tome može se uočiti analizom strujnog i napon­ skog naprezanja tranzistora u sklopu na slici 7.1. -

128

7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAĆI S GALVANSKIM ODVAJANJEM

(a)

11

-

.

r - - - - - - - - -,

-

l j

I I

'I +

V)

I

Vp

I I I I 1 L

.

I�

�I

+

·H„

I I

•

I -1 I I

_ _

12

+

D4

I

Vs i

· NI _:

_ _ _ _ _

D3

•+I

li

L,..

-

Vi

vd

.J

(b)

l,..p + !.?. N

ip i,..

!.?. -----

N

/µpb,

1,..p

, I

is

DT

2DT

DT

2DT

I

T

Vp Vs = N

o T

_

(c)

q v,

N

DT

2DT

�· · .

T

�.. :

Slika 7.4. a) Uobičajena primjena pritezne diode na induktivnom trošilu. b)

Proširenje spoja a) oblici spoja b) .

-

Lµ se prazni djelovanjem napona -V1. c) Valni

Ako je najveći faktor vođenja pretvarača na slici 7.1. 50 %, najmanji mogući pritezni napon, te zato i najmanji mogući vršni napon na tranzistoru, je 2 V1• Ako je P0 srednja snaga koja prolazi kroz pretvarač, primama struja, a to je struja koju vodi

7.2. IZRAVNI SIMETRIČNI PRETVARAČ S TRANSFORMATOROM

129

tranzistor Q (zanemarujući iµ), pravokutnog je valnog oblika, traje 50 % periode i amplituda joj je 2PJV1• Parametar naprezanja tranzistora je zato:

2P0 VQ IQp 2Vi p Vi =

·

=

4P,,

(7.8)

Parametar naprezanja pokazuje da u ovom spoju tranzistori rade s faktorom na­ prezanja 4. Slično tome, dvije izlazne diode vode izlaznu struju i izdržavaju dvostru­ ki izlazni napon, pa je njihov faktor naprezanja 2. Općenito, ako je najveći faktor vođenja Dmaks' pritezni napon najmanje je jed­ nak Vi/( 1 - Dmaks) , a struja tranzistora je jednaka PJ(DmaksV1 ). Parametar napreza­ nja tranzistora je zato: V,Q

l

I =P p Qp 0 Dmaks (1 - Dmaks )

(7.9)

Taj parametar je najmanji za Dmaks = 0,5. Čak i za najmanju vrijednost parametra naprezanja sklopka se mora odabrati za faktor naprezanja 4. Zato, ako ne treba gal­ vanska odvajanje, ne treba zamijeniti obični izravni pretvarač bez galvanskog odva­ janja onim koji sadrži transformator i jedan tranzistor, osim ako faktor pretvorbe V2/Vi nije manji od 0,25 (v. sliku 6.23.).

7.2. IZRAVNI SIMETRIČNI PRETVARAČ S TRANSFORMATOROM Iako je sekundarni napon transformatora pretvaračkog spoja na slici 7.4.b) iz­ mjenični i bez istosmjerne komponente, na izlazu se ne može upotrijebiti punoval­ ni ispravljač. Razlog tome su diode D1 i D2 koje sprječavaju da ip postane negativan, što je nužno ako se na sekundarni napon transformatora priključuje punovalni ispravljač. Zato je frekvencija valovitog napona vd jednaka sklopnoj frekvenciji tranzistora. Simetrični pretvarači omogućuju punovalno ispravljanje i udvostručenje frekvencije valovitog napona - i pored toga bolje iskorišćuju materijal jezgre trans­ formatora. Njihov je nedostatak da su složeniji od svojih nesimetričnih parova. 7 .2.1.

Izravni simetrični pretvarač s transformatorom, s izmjenjivačem i ispravljačem u mosnom spoju

Ako se diode i tranzistori u heterogenom mosnom spoju na slici 7.4.b) zamijene strujno dvosmjernim sklopkama, na izlazu pretvarača može biti punovalni isprav­ ljač. Taj spoj ima dvije prednosti. Prvo, izlazna prigušnica može biti manja, jer je frekvencija valovitog napona dvostruko veća od one u nesimetričnih spojeva. Drugo, materijal jezgre transformatora može biti bolje iskorišten jer struja magne­ tiziranja iµ može promijeniti smjer i time omogućiti mijenjanje magnetske indukci­ je između ± Bs, umjesto između O i + Bs. Bs je gustoća magnetskog toka pri kojoj materijal jezgre dolazi u zasićenje. Takav simetrični pretvarač prikazuje slika 7.5.a).

130

7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAČI S GALVANSKIM ODVAJANJEM

Valni oblik napona vd simetričnog pretvarača dobivenog punovalnim isprav­ ljanjem prikazuje slika 7.5.b). U ovom slučaju faktor vođenja definiramo u odno­ su na periodu izlaznog istosmjernog napona, umjesto u odnosu na sklopnu peri­ odu primarnih sklopki.* Ako je D 1, svaka primarna sklopka je uklopljena 50 % sklopne periode, te je (vd) = V1/N. Valni oblik vd se može dobiti upotrebom nekoliko sklopnih sekvenci primarnih sklopki. One se razlikuju po putu kojim teče struja iµ tijekom intervala ( 1 - D) T, a njihova ostvarivost je ograničena omjerom struje magnetiziranja iµ i transformirane struje trošila na primarnu stranu 12/N. Također se razlikuju u ostvarenjima sklopki. Ali u svakom slučaju jezgra se resetira tijekom intervala DT, ili prema +Bs ili prema - Bs. =

Jedini zadatak koji sklopke moraju obaviti za vrijeme (1 - D)T je održanje neprekinutosti iµ- U tom vremenu se ne mora narinuti na transformator resetirajući

•

i + I

I I v I s I I I -

L _ _ _ _ _ _ _ _ _J

(a)

�

N

Vp

DT

2T

T

-t

Vi o

- Vi

-t

DT (b)

Slika 7.5. a) Izravni simetrični pretvaračk:i spoj s mosnim spojem sklopki na pri­

marnoj strani. b) Izlazni napon vd i primarni napon vp.

* Nedosljedno, a i nepotrebno. (Prim. prev.)

7.2. IZRAVNI SIMETRIČNI PRETVARAČ S TRANSFORMATOROM

131

napon jer se jezgra resetira u slijedećem dijelu periode DT, u kojem vp mijenja polaritet. Neprekinutost struje iµ može se sačuvati upotrebom bilo koje od slijedeće tri opcije. Prva opcija: sve sklopke isklopljene, struja magnetiziranja prisilno teče kroz sekundarni namot, tj. is = Niµ - Druga opcija: uklopljene su sklopke S1 i S2; i treća opcij a: uklopljene su sklopke S3 i S4. Prva opcija u kojoj su sve primarne sklopke isklopljene, moguća je samo ako je is = Niµ < Ji; is =f: /2 omogućuju najmanje tri istodobno uklopljene sekundarne diode. Primjerice, ako je O < Niµ < /2, diode D5, D6 i D7 (ili alternativno D6, D7 i D8) su uklopljene, /2 teče kroz D5 i D7, a is = -Niµ u negativnom smjeru kroz D5 i u pozi­ tivnom smjeru kroz D6• Ako bi Niµ bila veća od /2, tada bi ukupna struja kroz D5 bila negativna, a to je suprotno pretpostavci da D5 vodi. (Primijetite: stanje D8 u tom intervalu je neodređeno, no ta činjenica ne mijenja rezultat.) Prednost prve opcije je da primarne sklopke vode samo struju jednog smjera. Ali nedostatak je da se ne može održati neprekinutost energije sadržane u bilo kojem rasipnom induktivitetu (nisu prikazani na slici) transformatora. Druga i treća opcija funkcionalno se ne razlikuju. U oba slučaja sklopke vode struju u oba smjera, postoji strujni put za održanje neprekinutosti energije sadržane u primarnom rasipnom induktivitetu, a struja magnetiziranja iµ dijeli se između pri­ marnog i sekundarnog namota. Raspodjela struje iµ između primarnog i sekun­ damog namota je funkcija parametara drugog reda, kao što su padovi napona na sklopkama i diodama i relativni odnos primarnog i sekundarnog rasipnog induk­ tiviteta. U praksi se koriste obje opcije tako da se izmjenjuju u svakoj periodi, prim­ jerice kao što je to u sklopnoj sekvenci S1,4, S4,3, S3,2 i S2, 1 . Tako je strujno napreza­ nje svih sklopki jednako. Pogodno ostvarenje sklopki za taj način rada prikazuje slika 7.6. -

-

+

1

i

+

Vp

Slika 7.6. Ostvarenje sklopki u izravnom simetričnom pretvaraču sa slike 7.5.a).

132

7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAČI S GALVANSKIM ODVAJANJEM

Odredimo primarnu struju ip simetričnog pretvarača na slici 7.5. Uzmimo sklopnu sekvencu S1,4, S4,3, S3,2 i S2,1 i pretpostavimo da ip u intervalu (1 D)T kola samo primarnom stranom kroz S1 i S2 ili S3 i S4. (Prisjetite se da je T perioda napona vd; pogledajte sliku 7.5.b ). ) Za to vrijeme ip ostaje konstantan i iznosi IµP ' jer je vp = O. Mogući put za struju /2' dok je Vp = O, poredni je put koji tvore uklo­ pljene diode D5 i D7 ili D6 i D8. Na početku intervala DT, u t = O, pretpostavljamo da je iµ (O) = Iµp· U inter­ valu DT vode St> S4, D5 i D8 te je primarna struja: -

-

1

ip = - 12 - Iµp N

+

1

Lµ

-

ft

Vjd t

(7.10)

o

U t = DT, iµ = +Iµp (pretpostavljamo rad u ustaljenom stanju), S1 isklapa a S3 ukla­ pa, održavajući put struji iµ - Uz Vp = O tijekom (1 D)T, iµ = IµP' sve dok S4 ne -

!J.

/:

ls

/N

primarna struja zbog !2

/ iµ

/ /marna struja zbog iµ

0 -+-.,,c.-.. i-�-�-r.-�-.,,C.-J.. �-"'w--

-l µp

�

"

_ b.

t

T + DT

N

b.

!J.

N - 1„P

lµ.p

0 -+-�--+--+-�-+--+-�-+--+-� - 1„P DT T \ 2T 3T \

!i, +

-N

N

I„P

T + DT

'- � - ! N

µ.p

12

-

µp

I

3T

-+----+"O -+--DT T 2T

-- + I µp N

v,b n nL DT T

(a)

2T

3T

(b)

Slika 7.7. Valni oblici izvedeni u primjeru 7.3. za spoj na slici 7.5. ili 7.6.: a) D5 i D7 ili D6 i D8 su uklopljene (tj. imaju funkciju poredne diode) u intervalu (1 - D)T, b) D5 i D8 ili D6 i D7 ostanu isklopljene u intervalu (1 - D)T.

7.2. IZRAVNI SIMETRIČNI PRETVARAČ S TRANSFORMATOROM

133

isklopi a 52 uklopi u t = T. Rezultirajući valni oblici iw ip i is!N prikazani su na slici 7.7.a). Premda je pretpostavljeno da Ji teče porednim putem ili kroz D5 i D7 ili kroz D6 i D8 u intervalu (1 - D)T, postoji mogućnost da u tom intervalu diode D5 i D8 ostanu uklopljene a D6 i D 7 isklopljene. Ako je tome tako, dodatna struja IifN kola kroz S3 i S4. Struja ip, za ovaj slučaj, prikazana je na slici 7.7.b). Neodređenosti nes­ taju ako se u model transformatora uključi i neko rasipanje, naime, is se ne može trenutačno promijeniti u t = DT te D5 i D8 ostanu uklopljene. 7.2.2.

Izravni simetrični pretvarač s transformatorom, s izmjenjivačem i ispravljačem u polumosnom spoju

Činjenica da su emiteri tranzistora na tri različita potencijala usložnjuje pobud­ ni sklop spojen na baze tranzistora u pretvaraču u mosnom spoju na slici 7.6. Ovaj problem se rješava upotrebom primamog namota sa srednjom točkom u spoju prema slici 7 .8.a). Tako su emiteri obaju tranzistora spojeni na istu točku - negativnu sabir­ nicu ulaznog izvora. Ovaj izmjenjivač se naziva protutaktni izmjenjivač, jer tranzis­ tori rade naizmjence. lako je na sekundaru punovalni ispravljač sa srednjom točkom, punovalni pretvarač u mosnom spoju podjednako je dobar. Izlaznim naponom vd upravlja se na jednak način kao i u izravnom simetričnom pretvaraču s izmjenjivačem i ispravljačem u mosnom spoju. No, beznaponski inter­ val (1 D)T u izlaznom naponu vd može se dobiti samo isklapanjem obaju primarnih sklopki. Ako se ne uzme u obzir struja magnetiziranja i ako se pretpostavi da trans­ formator nema rasipnog induktiviteta, struja obaju primarnih namota jednaka je nuli u tom beznaponskom intervalu. Transformator prisilno dijeli struju 12 ravno­ mjerno između dva sekundarna namota, tako je i'1 = iz. Sekundarni namoti su sada kratko spojeni, jer D3 i D4 vode. U toj situaciji svi naponi na namotima su jednaki nuli, zato je vd = O. Sada razmotrimo učinak struje magnetiziranja modeliranjem induktiviteta magnetiziranja Lµ induktivitetom spojenim paralelno donjem primarnom namotu idealnog četveronamotnog transformatora. Ako je sklopka 51 uklopljena, napon na Lµ je jednak -Vi, a iµ pada linearno od vršne pozitivne vrijednosti Iµp- Na kraju intervala vođenja S1 je iµ = -IµP' jer su sklopke upravljane tako da je valni oblik Vp simetričan s obzirom na vremensku os. U intervalu vođenja S1 je Vp negativan, D3 vodi, pa je i'i = 12• Budući da je i2 = -iµ u tom intervalu, i1 = iµ - 12/N, jer je zbroj svih umnožaka Ni po namotima idealnog transformatora jednak nuli. Kada S1 isklopi u trenutku DT, i1 postaje jednak nuli, a obje struje iµ ( = -Iµp) i 12 moraju nas­ taviti teći. Jedina mogućnost da se to dogodi je da vode i D3 i D4• Zato se 12 podijeli između dvije diode tako da je razlika između dvije sekundarne struje i'i - i2 = Niµ = = -NIµp- Spajajući taj izraz s uvjetom i't + i2 = lb dobije se: -

. , 12 - NIµp l1 = 2

(7.11)

(7.12)

134

7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENOJSKI PRETVARAČI S GALVANSKIM ODVAJANJEM

r-- - -

1 I

q

I

+

Vp

I

I I I I

+

I I I

iµ f

+

VLµ

Lµ

•

•

•

•

�l

L_ _ _ _

., z1 -

_ _ _ _

I I I I

_l

D3

(a) Vp

} iµ

- [O

Iµp µp

DT

DT

T /

l/l "I " '· ___, /T +

T T + DT

1-._

DT 2T

�

N

DT

T T + DT 2 T

2T T

(b) Slika 7.8. a ) Izravni simetrični pretvarački spoj s polumosnim spojem sklopki na

primarnoj strani. Izmjenjivač na primarnoj strani spregnut transforma­ torom se naziva protutaktni izmjenjivač. b) Valni oblici varijabli grana spoja a).

7.2. IZRAVNI SIMETRIČNI PRETVARAČ S TRANSFORMATOROM

135

Nastavljanjem ove analize za Iµp < 12/N dobiju se valni oblici na slici 7.8.b). U ovom slučaju struje sklopki su jednosmjerne i za ostvarenje S1 i S2 nisu potrebne diode. Međutim, ako je Iµ > 12/N, struje sklopki su dvosmjerne i diode su nužne. Primijetite da je iµ (t) + i2 ) = - i1(t - 1), tj. da su valni oblici struja sklopki jedna­ ki, ali vremenski pomaknuti za T. Kada se spozna da je induktivitet magnetiziranja Lµ dio transformatora, jasno je da je spoj simetričan. Induktivitet magnetiziranja Lµ može se modelirati induk­ tivitetom spojenim paralelno s bilo kojim od četiri namota (s time da se zamjenjuje vrijednošću LµIN2 ako je paralelno spojen sekundarnom namotu) ili čak spojenim paralelno s oba primama ili sekundama namota. U posljednjem slučaju simetrija je očitija.

Ct

Do sada se u ovom poglavlju raspravljalo samo o učinskim spojevima u kojima id

1

li

I r:

N/2 --

DT T T + D T 2T

Vp

-:11-+-t!-+------+-+ l--+1 t. � __.I -1--

lY y,

.

2NVj

2NVj -+---a)

b)

I

S1 , D1

- ·

T

I I S1,2

S2 , D2

.

2T

I I S1,2

Slika 7.9. a) Pretvarač s utisnutom strujom s izmjenjivačem i ispravljačem u polu­

mosnom spoju. To je pretvarač sa slike 7.8. s tako preinačenim položajem tranzistora i dioda da omogućuje tok energije od V2 (stru­ jnog izvora) prema V1 (naponskom izvoru) za Lµ = oo. b) Varijable grana spoja a).

.

136

7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAČI S GALVANSKIM ODVAJANJEM

energija teče od naponskog izvora prema strujnom izvoru osnovnog sklopnog ele­ menta. U 6. poglavlju je pokazana da energija može teći i u drugom smjeru ako se drukčije upravlja kontaktima. To se u praksi ostvaruje preinačenjem položaja tranzistora i dioda. Primjerice, slika 7.9. prikazuje pretvarač sa slike 7.8.a) s tako preinačenim položajem tranzistora i dioda da omogućuje tok energije od V2 prema Vi· U ovom primjeru se pretpostavlja da je Lµ beskonačan. Pretvarač u tom spoju naziva se pretvarač s utisnutom strujom. Kao što vrijedi za uzlazni pretvarač na kojem je zasnovan, izlazni napon Vi ovog pretvarača može biti u granicama od najmanje vrijednosti V2/N (ulazni napon transformiran omjerom broja zavoja) do besko­ načne. Rad pretvarača s utisnutom strujom nešto se razlikuje od rada pretvarača s utis­ nutim naponom. Ako se uklopi samo jedna sklopka, ulazna struja teče kroz trans­ formator prema trošilu i napon trošila određuje napon na transformatoru. Da bi se dobio interval u kojem energija ne teče u trošilo (interval (1 - D)T), uklope se obje sklopke S1 i S2. Ulazna struja se tada ravnomjerno dijeli između dva primarna namota, kao što se struja trošila dijeli između sekundarnih namota u pretvaraču s utisnutim naponom kada su obje sklopke isklopljene, kada je napon transformato­ ra prisilno jednak nuli. Varijable grana u pretvaraču s utisnutom strujom prikazuje slika 7.9.b).

7.3. NEIZRAVNI PRETVARAČ S TRANSFORMATOROM Neizravni pretvarački spoj lako se može pretvoriti u pretvarački spoj koji ima galvansko odvajanje između ulaza i izlaza, jer napon na induktivitetu filtra neizrav­ nog pretvaračkog spoja nema istosmjerne komponente. Primjerice, uzlazno-silazni spoj na slici 6.18.b) može se izvesti s galvanskim odvajanjem. Filtarski induktivitet L treba zamijeniti transformatorom induktiviteta magnetiziranja Lµ = L, kao što je to prikazano na slici 7.10.a). Kada Q uklopi, D isklopi, i energija teče u Lµ - Kada Q isklopi, D uklopi, i pohranjena magnetska energija teče u trošilo kroz sekundarni namot. Televizijski prijamnici imaju pretvarač ovog tipa sa N « 1 za napajanje vrlo visokim naponom stupnja za brzi povratak elektronskog snopa u kineskopu. Vizualno točka na zaslonu »leti natrag« u cilju početka iscrtavanja nove vodoravne linije. Zato se taj neizravni pretvarač s transformatorom na engleskom jeziku obično naziva flyback converter. Ako ne bi bilo rasipnog induktiviteta*, rad neizravnog pretvarača s transforma­ torom bio bi jednak radu običnog neizravnog pretvarača bez galvanskog odvajanja, s iznimkom uzlaznog ili silaznog djelovanja transformatora. U primamom rasipnom induktivitetu je pohranjena energija koja u spoju na slici 7.10.a), nema kamo otići nakon isklapanja tranzistora. Taj problem se obično rješava tako da se paralelno tranzistoru spoji priguJni član. * Rasipni induktivitet transformatora nije prikazan na slici 7 .1 O. Model transformatora s rasipnim induktivitetom prikazuj u slike 1 .3 . i 1 .4. (Prim. prev.)

7.3.

137

NEIZRAVNI PRETVARAČ S TRANSFORMATOROM

Transformatori koji se upotrebljavaju za galvanska odvajanje u izravnim pret­ varačkim spojevima (raspravljeni su ranije) drugačiji su od transformatora koji se upotrebljavaju za galvanska odvajanje u neizravnim pretvaračkim spojevima. Trans­ formatori u izravnim pretvaračkim spojevima projektiraju se na minimalnu struju magnetiziranja, a transformatori u neizravnim pretvaračkim spojevima, da bi mogli pohraniti energiju, na određenu vrijednost induktiviteta magnetiziranja. To su trans­ formatori za pohranu energije; u neizravnim pretvaračima, taj se transformator na engleskom naziva flyback transformer. Ćukova varijanta neizravnog pretvarača može se isto tako izvesti s galvanskim odvajanjem, kao što je to prikazano na slici 7.11. U ovome spoju, međutim, trans­ formator ne zamjenjuje filtarski induktivitet. Transformator radi jednako kao i u izravnom pretvaraču s transformatorom - transformira impedanciju ali ne pohra­ njuje energiju.

T

2T

DT 11

---t>- � Q +

ip

r - - - - - isl

_, + I

t l

I Vp

I

I

I I ! I

Lµ

t iµ .

N:l

-

l

D

+

I I

l I I

- I

L _ _ __

-

I

I

T + DT

_ .___ _ __ _ _ _ _ _

_J

lµ.p /µ I

(a)

2T

T DT

T + DT

T DT

2T

T + DT (b)

Slika 7.10. a) Neizravni pretvarački spoj s transformatorom, inačica sa slike

6.18.b). b) Varijable grana pretvarača na slici a).

138

7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAČI S

GALVANSKIM ODVAJANJEM

+

t

v;

i

Slika 7.11. Ćukov pretvaračk.i spoj s galvanskim odvajanjem.

7.4. UČINCI RASIPNOG INDUKTMTETA TRANSFORMATORA Do sada se u ovom poglavlju nisu detaljno razmatrali učinci rasipnog induk­ tiviteta transformatora. U ovom odsječku se iznosi kako rasipanje primamog prema sekundarnom namotu djeluje na rad pretvarača s galvanskim odvajanjem.

7.4.1.

Učinci rasipanja u izravnom nesimetričnom pretvaraču

U izravnom nesimetričnom pretvaraču s transformatorom bez rasipanja, pri­ kazanom na slici 7.1., struja trošila trenutačno komutira od D2 na D1 kada uklopi tranzistor Q, a napon vd skokovito poraste s nule na vrijednost V1/N. Slika 7. 12.a) prikazuje isti pretvarač s rasipanjem modeliranim induktivitetom Le u seriji sa sekundarnim namotam. U ovom slučaju, kada uklopi tranzistor, struja kroz D1 se ne može skokovito promij eniti. Umjesto toga, postoji interval komutacij e ru1 u kojemu obje diode vode, a napon komutacije je vx = Vi/N. Struja kroz Le tada raste linearno brzinom V1/NLe dok ne postigne vrijednost struje trošila Ii. kao što je prikazano val­ nim oblicima na slici 7.12.b). Vrijeme ru1 iznosi: 'l' u l =

Nlel2

V. 1

-

(7.13)

Tek nakon •ui isklapa D2 i omogućuje skokovitu promjenu napona vd na Vi/N. Izlazni napon V2 {vd) je manji od DVi/N, od vrijednosti koju bi imao u slučaju O a ne V1/N, Zato se, da bi se održao bez rasipanja, jer je tijekom komutacije vd željeni izlazni napon u zadanom području mijenjanja ulaznog napona, mora ili smanjiti prijenosni omjer N ili povećati najveći faktor vođenja. Za iste vrijednosti V2 i 12 smanjenje N povećava vršnu i efektivnu struju tranzistora i zaporni napon na diodama. Povećanje najvećeg faktora vođenja traži povećanje potrebne naponske klase tranzistora. !sklapanjem tranzistora energija pohranjena u Le prelazi u naponski izvor pritege na sljedeći način. Primarni napon transformatora Vp skokovito se promijeni od +V1 na - (Vc - Vi). Time započne komutacija 12 od D1 na D2. Komutacijski napon je sada -(Vc - Vi)IN, pa je zato vrijeme komutacije •uz različito od vremena komutacije •ui · U tom komutacijskom intervalu energij a teče od sekundarnog prema primamom namotu, kao što to prikazuje polaritet Vp i smjer i5. =

=

7.4. UČINCI RASIPNOG INDUKTIVITETA TRANSFORMATORA , - - - - - - - - - - - - -, .

I 1s

�

I

+

1 j

Vi

L - --

_ _ _ _ __ __

....J

(a)

� r-· · �

DT I T DT + Tu2

T Vp Vi -+------.

T

.!"!. N 0-+--'--1----"""

-t T

- � - Vi N

(b) Slika 7.12. a) Izravni nesimetrični pretvarački spoj s transformatorom; u shemu je

ucrtan rasipni induktivitet transformatora. b) Valni oblici i5, vd, vp i komutacijskog napona vx pretvarača na slici a).

139

140

7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAČI S GALVANSKIM ODVAJANJEM

Izravni nesimetrični pretvrač s transformatorom na slici 7.12.a) ima sljedeće parametre: V1 = 50 V, 12 = 40 A, N= S

fs = 200 kHz

Le = 1 00 nH,

Koliki mora biti D da se dobije izlazni napon od 5 V? Ako postoji rasipni induktivitet, faktor vođenja treba povećati da bi se uzelo u obzir vrijeme komutacije 'l'ut· Vrijeme komutacije se određuje iz (7.13): i- u i

=

9 5 · (1 00 X 1 0- ) · 40 50

= 0'4 µs

(7 . 1 4 )

To vrijeme iznosi 8 % sklopne periode. Zbog toga je faktor vođenja D = 58 %. Pritezni napon treba biti dovoljno velik da bi se, pri ovom faktoru vođenja, zadovo­ ljio uvjet resetiranja jezgre: (7.15) Iz tog uvjeta određuje se Jt;; i on iznosi najmanje 120 V. Ako ne postoji rasipni induktivitet, faktor vođenja je 50 %, i Vc je svega 100 V. Druga posljedica rasipanja u ovom spoju je povećanje naponske klase tranzistora, jer naponska klasa tranzistora mora biti najmanje jednaka Vc Maksimalna pohranjena energija Ee u Le iznosi: 1 2 Ee = - Le l2 = 80 µJ 2

(7.16)

Međutim, pritega preuzima više od Ee jer i ulazni izvor V1 predaje energiju pritezi tijekom izbijanja Le. Proračun te energije ostavljen je za zadatak na kraju poglavlja, no rezultat je u ovome slučaju Ec = 137 µJ; to je za otprilike 70 % više od Ee. Ako bi se ta energija disipirala u svakoj periodi, gubitak snage zbog rasipnog induk­ tiviteta bio bi 27,5 W ili oko 14 % izlazne snage. Alternativno, ako se upotrijebi učinkovitiji položaj izbojnog otpornika, koji je razmotren u primjeru 7.2„ gubi se samo Ee po periodi, ili 8 % izlazne snage. Zaključite iz primjera 7.5. da je znatan gubitak energije zbog rasipnog induk­ tiviteta u izravnom nesimetričnom pretvaraču s transformatorom. To je razlog zašto se energija nakupljena u pritezi želi vratiti u ulazni naponski izvor metodama prika­ zanima na slikama 7.3. i 7.4. Simetrični spojevi automatski vraćaju energiju koja bi se trebala nakupiti u pritezi u ulazni naponski izvor. Postojanje rasipanja u neizravnom pretvaraču s transformatorom uz to pove­ ćava naponsku klasu tranzistora - no zbog jednog drugog razloga. Slika 7.13. prikazuje neizravni pretvarač s transformatorom iz kojega je izbačen idealni trans-

141

7.4. UČINCI RASIPNOG INDUKTIVITETA TRANSFORMATORA

formator. To pojednostavnjenje ni na koji način ne mijenja njegov rad bitan za ovo razmatranje. Zbog jednostavnosti još pretpostavimo da je Lµ dovoljno velik, zato je iµ konstantna i iznosi Iµ - Ako se sada isklopi Q tako da iQ pada linearno do nule u vremenu r1, tada je tijekom opadanja vx = Le (Iµlrf), te napon na tranzistoru iznosi:

(7.17)

+

Slika 7.13. Analiza pojednostavnjenoga neizravnog pretvaračkog spoja s transfor­ matorom

u

cilju

sagledavanja

učinaka

rasipnog

induktiviteta.

Pretpostavljeno je da je struja magnetiziranja konstantna i da iznosi I

µ-

142

7. ISTOSMJERNI VISOKOFREKVENCIJSKI PRETVARAČI S GALVANSKIM ODVAJANJEM

Taj napon je veći od napona koji je na tranzistoru u slučaju bez rasipanja, tj. od Vi + V2, za iznos potreban za prisilnu komutaciju struje od Q na Le. Ako naponska pritega pritegne tijekom isklapanja napon na tranzistoru na V1 + V2, struja nikada ne komutira na Le. Zato rasipanje povećava naponsku klasu tranzistora za iznos određen željenom brzinom sklapanja. Ta karakteristika često čini topologiju neizravnog pretvarača s transformatorom manje željenom od one izravnog pret­ varača s transformatorom; osobito na velikim snagama kod kojih je opravdano utrošiti na komponente kojih nema neizravni pretvarač s transformatorom.

7.5. PRETVARAČI S VIŠE IZLAZA Pretvarači s galvanskim odvajanjem za napajanje elektroničke opreme, kao što su računala, obično imaju nekoliko izlaza različitih napona. Umjesto zasebnih napa­ jača za svaki izlazni napon, često je bolje dodati još jedan sekundarni namot trans­ formatoru, svaki sa svojim ispravljačem i izlaznim filtrom. Problem stvoren ovim pristupom je u tome što svaki izlaz neizbježno zahtijeva malo drugačiju vrijednost faktora vođenja D. Naime, izlazne karakteristike se razlikuju zbog razlika u sekun­ darnim namotima i ispravljačima. Jedan pristup rješavanju ovog problema je sljedeći. Izlazni napon izlaza najveće snage upravlja se izravno faktorom vođenja. Prijenosni omjer drugih izlaza odabire se tako da uvijek daje malo veći izlazni napon. Linearni regulator na svakom od ovih izlaza manje snage održava željeni izlazni napon.

Bilješke i literatura Neki problemi upotrebe transformatora u istosmjernim pretvaračima izvrsno su opisani u poglavlju 4.4. reference [lJ. Upotreba transformatora u neizravnom pretvaraču s transformatorom i rješavanje problema resetiranja jezgre detaljno su opisani u [2J. U Haradinom članku [3} raspravlja se o učincima kapacitivne sprege između namota transformatora u istosmjernom pretvaraču. Razvijeni su i ana­ lizirani podrobni modeli koji uključuju rasipanje i za dvonamotne i za tronamotne transformatore. Projektiranje transformatora za sklopne frekvencije veće od 100 kHz rasprav­ ljena je u [4]. Ovo je izvanredna referenca, ali prije nego se je latite trebate razum­ jeti 20. poglavlje. P. Severns i G. Bloom, »Modem DC-to-DC Switchmode Power Con­ verter Circuits«, New York: Van Nostrand Reinhold Co., 1985.

[ l ] R.

[2] J. N. Park i T. R. Zaloum, »A Dual Mode Forward/Flyback Converter«, IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC) Record (1982), 3-13. [3] K. Harada, T. Ninomiya i H. Kakihara, »Effects of Stray Capacitances Between Transformer Windings in the Noise Characteristics in Switching

BllJEšKE I LITERATURA

143

Power Converters«, IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC) Record (1981), 112-123.

[4]

N. R. Coonrod, »Transformer Cornputer Design Aid for Higher Frequ­ ency Switching Power Supplies«, IEEE Trans. Power Electronics, 1 (4): 248-256 ( October 1990).

IZMJENJIVA ČI PROMJENLJIVE FREKVEN CIJE 8.

Fazno upravljivi izmjenjivači, uvedeni u 5. poglavlju, zahtijevaju da je vanjski izmjenični sustav naponski izvor. Tipičan naponski izvor je izmjenična napojna mreža. Ovaj zahtjev je nužan jer fazno upravljivi izmjenjivač koristi promjenu pola­ riteta izmjeničnog napona za komutacijski proces. Zato je frekvencija električnih pojava u ovim sklopovima iznuđena jednaka frekvencij i izmjeničnog naponskog izvora. U ovom poglavlju odustaje se od ograničenja da je vanjski izmjenični sustav naponski izvor, no odustajanje od tog ograničenja traži druge načine isklapanja komponenata - različite od komutacije napojnom mrežom. Drugi načini mogu biti: upotreba pomoćnih sklopova za komutaciju tiristora (ti komutacijski sklopovi su raspravljeni u 22. poglavlju) ili upotreba punoupravljivih sklopki kao što su tranzis­ tori ili upravljačkom elektrodom isklopivi tiristori. (GTO je član porodice tiristora, isklapa se putem upravljačke elektrode, a raspravljen je u 15. i 19. poglavlju). Međutim, probitak je mogućnost upravljanja i veličinom i frekvencijom izmjeničnog napona. Ovi sklopovi, koji se nazivaju izmjenjivači promjenljive frekvencije, katkada se nazivaju i autonomni izmjenjivači jer za njihov rad ne treba izmjenična napojna mreža. Najuobičajenija primjena izmjenjivača promjenljive frekvencije je za napajanje izmjeničnih motora kojima treba mijenjati brzinu vrtnje. Ti elektromotorni pogoni promjenljive brzine vrtnje upotrebljavaju se za upravljanje brzinom električnih vozila kao što su vlakovi; za namještanje brzine vrtnje crpki i kompresora tako da rade s najvećom mogućom djelotvornosti pri promjenljivom opterećenju; za upravljanje brzinom transportera; za upravljanje i usklađivanje brzine niza valjaka u proizvodnim operacijama kakve su u ljevaonicama željeza te kod papirnih i tekstilnih strojeva; te za upravljanje brzinom i pozicijom alatnih strojeva. Ostale primjene izmjenjivača promjenljive frekvencije uključuju sustave za neprekinuta napajanje električnom energijom (koji upotrebljavaju akumulatorske baterije za pričuvna napajanje elek-

145

8.1. OSNOVNI IZMJENJIVAČ PROMJENI.JIVE FREKVENOJE U MOSNOM SPOJU

tričnom energijom), pretvarače frekvencije, prenosive napajače i sustave za prilagod­ bu izmjeničnih trošila dopunskim izvorima energije (npr. fotonaponski slogovi). U raspravi o istosmjernim pretvaračima u 6. poglavlju istaknuli smo da su ulazni i izlazni prilazi nedefinirani dok se ne odaberu sklopke i vanjske mreže. To isto vrijedi za izmjenjivače. Dok se ne odaberu sklopke koje će se upotrijebiti i mreže spojene na pretvaračke priključke, ne može se znati hoće li energija teći od istosmjerne strane k izmjeničnoj (izmjenjivanje) ili vice-versa (ispravljanje).

8.1. OSNOVNI IZMJENJIVAČ PROMJENLJIVE FREKVENCUE U MOSNOM SPOJU Osnovni izmjenjivač promjenljive frekvencije u mosnom spoju prikazuje slika 8.1.a). Taj spoj nije ništa drugo nego mosni spoj sklopki. Sklopke se upravljaju tako da periodički okreću polaritet napona na izmjeničnom sustavu - uklopljene su ili sklopke S1 i S4 ili sklopke S2 i S3• Tako je izvor uvijek spojen s trošilom. U ovom slučaju izmjenični sustav je otporno trošilo R (zato je to izmjenjivački spoj). Izmjenični napon je pravokutnog valnog oblika, slika 8.1.b). Frekvencija elek­ tričnih pojava izmjeničnog sustava ovisi o učestalosti uklapanja i isklapanja sklopki. Takav izmjenjivački spoj u kojem sklopke stvaraju izmjenični napon iz istosmjemog naponskog izvora naziva se izmjenjivač s utisnutim naponom. Njegov komplement, izmjenjivač s utisnutom strujom, stvara izmjeničnu struju iz istomjernoga strujnog izvora.

s1 .4

o

7T

s2,3

27T - ·

·

(b)

Vac

vdc (a)

-wt

o

- Y.Jc (c) Slika 8.1. a) Izmjenjivač u mosnom spoju opterećen otpornim trošilom. b) Valni

oblik izmjeničnog napona ako dijagonalne sklopke uklapaju i isklapaju istodobno. c) Valni oblik izmjeničnog napona ako su sklopke upravljane tako da stvaraju izmjenični napon promjenljive amplitude.

146

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE Parametri izmjeničnog napona (npr. njegova efektivna vrijednost ili amplituda

osnovnog harmoničkog člana) mogu se upravljati mijenjanjem napona na istosmjer­ nim prilazima. Za taj način upravljanja potreban je složeni istosmjerni sustav, prim­ jerice fazno upravljivi ispravljač ili istosmjerni pretvarač. Ovo rješenje je u načelu relativno jednostavno i više o njemu ne ćemo raspravljati. Alternativno rješenje je uvođenje trećeg sklopnog stanja * tijekom kojeg je vac nula. Tako se dobiva valni oblik

izlaznog izmjeničnog napona na slici 8.1 .c). U tom trećem sklopnom stanju, koje traje 2o/w, uklopljene su ili sklopke S1 i S3 ili sklopke S2 i S4, a izmjenični sustav je

kratko spojen. Izmjenjivač u mosnom spoju koji daje razinu nula napona na svojem izlazu poznat je pod nazivom trorazinski izmjenjivač. Razine se označuju brojevima 1, O i -1; ovi brojevi su omjer amplitude izlaznog izmjeničnog napona i istosmjernog ulaznog napona. Izbor parametara izlaznog izmjeničnog napona koji služe za upravljanje ovisi o posebnim zahtjevima trošila. Ovdje smo trošilo modelirali otpo­ rom, zato što možda želimo upravljati efektivnom vrijednosti izlaznog izmjeničnog napona. Efektivna vrijednost izlaznog izmjeničnog napona

ljačkoj varijabli o :

V..c rms =

i

-

J

1t-6 Vctcd(wt) = Vdc P! 1--

n a

Vac rms

o

2

ovisi o uprav­

(8.1 )

n

Općenito, izmjenična trošila izmjenjivača nisu tako jednostavna kao što j e otpor na slici 8.1.a). Gotovo uvijek faktor snage trošila nij e jednak jedan, i u mnogim slučajevima srednja snaga se prenosi samo na jednoj frekvenciji, obično osnovnoj. Primjerice, izmje­

nični rotacijski stroj (stroj bez komutatora, mehaničkog ili električnog) prima ili daje

srednju snagu samo na frekvenciji koja odgovara brzini vrtnje stroja:i' *

Iako izmjenjivači o kojima se raspravlja u ovom poglavlju mogu dati napon promjenljive frekvencije, oni su često spojeni s izmjeničnim izvorima (ili ponorima) konstantne frekvencije, primjerice s napojnom mrežom. U takvim primjenama,

kada izmjenični sustav ima konstantnu frekvenciju, zahtjev za velikim faktorom snage i malim izobličenjem na mjestu sučelja pretvarača s mrežom čini fazno upravljive izmjenjivače nepogodnim jer imaju visok THD mrežne struje i mali fak­ tor faznog pomaka pri velikim kutevima upravljanja a. Umjesto fazno upravljivih

izmjenjivača mogu se upotrijebiti izmjenjivači promjenljive frekvencije koji rade kao što je to opisano u odsječku 8.2.

8.1.1. Izmjenjivači u mosnom spoju opterećeni trošilom koje ima faktor snage manji od jedan Slika 8.2. prikazuje izmjenjivač s utisnutim naponom opterećen reaktivnim

L/R > n/w , treći harmonički član struje trošila ia je reda 10 % U tom slučaju ia je približno:

trošilom. Ako je osnovnog.

Vt) "" !01

sin

(w t - 8 )

(8 . 2)

* Sklopno stanje sklopa određuju sklopna stanja sklopki. Sklopka ima dva sklopna stanja: stanje vođenja i stanje nevođenja. (Prim. prev.) ** Odnosi između snage i frekvencij e u mrežama s više prilaza opisani su Manley-Roweovim relacijama. Pogledajte: Penfield, Frequency-Power Fonnulas, MIT Press, 1960.

147

8.1. OSNOVNI IZMJENJIVAČ PROMJENLJIVE FREKVENCIJE U MOSNOM SPOJU

Ja, Y.ic

vdc

+

wt

o

-

- Y.ic ]a 1

-

Slika 8.2. Izmjenjivač promjenljive frekvencije u mosnom spoju opterećen

trošilom koje ima faktor snage manji od jedan.

() = a -1( m L)

gdje je:

t n

-

R

Va1 I al - � w L 2 + R2 ( ) -

fn-8

4V 2V val = � sin (m t) d (w t) = � cos c5 n n 8

(8.3) (8.4)

(8.5)

Srednja snaga P predana otporu R iznosi:

(8.6) Uvrštavanjem (8.4) i (8.5) u (8.6) dobiva se: P

=

dc � 8 V2 cos 2 8 cosfJ n2 (m L)2 + R2

( 8.7)

Iz ove analize slijedi zaključak da je ovisnost snage P o kutu o kod opterećenja reaktivnim trošilom (8.7) različita od iste ovisnosti kod opterećenja otpornim trošilom. Ako bi se dodatno razmatrali doprinosi harmonika snazi, ovisnost bi bila složenija, ali bi još uvijek ovisila o kutu o i o faktoru faznog pomaka za osnovne i više harmoničke članove. Kod opterećenja pasivnim troši/om na slici 8.2 kut () je stalan, a snagom se može upravljati samo mijenjanjem kuta o ili napona Vdc· 8.1.2.

Upravljanje snagom trošila u kojem je izmjenični naponski izvor

Ako se otporno trošilo na slici 8.2. zamijeni izmjeničnim naponskim izvorom, upravljačka varijabla može biti uz kut o i kut (). Slika 8.3. prikazuje izmjenjivač u punoupravljivom mosnom spoju koji spaja istosmjerni naponski izvor Vdc s trošilom modeliranim serijskim spojem induktiviteta i sinusnog naponskog izvora vac· Ovaj model može opisivati, primjerice, jednofazni sinkroni motor u određenim radnim uvjetima (u kojima je izmjenični izvor model protuelektromotorne sile motora) ili na­ pojnu mrežu (u kojem slučaju je istosmjerni izvor model fotonaponskog sloga).

148

ltdc

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

+

Slika 8.3. Izmjenjivač u punoupravljivom mosnom spoju napaja izmjenično troši-

lo koje sadrži elektromotornu silu.

Izmjenjivač stvara trorazinski izlaz, slika 8.3. Budući da se može upravljati kutem () između va i Vao može se upravljati i faznim kutem između osnovnog harmoničkog člana struje ia i izmjeničnog napona Vac· Tako se dobiva još jedan način upravljanja snagom.

Zadatak se sastoji u određivanju vrijednosti kuteva c3 i () izmjenjivača na slici 8.3., tako da je snaga predana trošilu 10 kW Parametri spoja su: Vac

=

400 sin(377t),

Vctc

=

35 0 V

L

=

lO mH.

Ne postoji jedan par vrijednosti c3 i () pri kojem je snaga predana trošilu jedna­ ka 10 kW, ukoliko se ne doda zahtjev na karakteristike spoja. Izaberimo dodatni zahtjev: neka je faktor faznog pomaka osnovnog harmonika struje izmjeničnog izvo­ ra jednak jedan, tj. Vac je u fazi sa Ža r· Kompleksna amplituda osnovnog harmonika struje ia, ia 1 , je:

J

al

-Va1 -vac Ia 1 Vac =

(8 . 8)

_

jwL

Jer su Vac i ia1 u fazi, srednja snaga iznosi:

(p(t)) = P =

2

4 10 W

(8.9)

Dobiva se Ial = 50 A. Odabravši Pac za referentni fazor, tj. fazor od kojega se mjere kutevi (zato je Pac = �c), Va1 se može izraziti pomoću () i o te upotrijebiti (8.5) i (8.8) za određivanje traženih kuteva, tj.:

(4Vdc ) 7t

cos o

e je - V..c

jwL

(8.10)

= 50A

=

Izjednačavanjem realnog i imaginarnog dijela s obje strane jednadžbe dobije se: ()

=

- 25,2 o

c3

7,1 °.

149

8. 1 . OSNOVNI IZMJENJIVAČ PROMJENLJIVE FREKVENCIJE U MOSNOM SPOJU 8.1.3.

Izmjenjivač s utisnutom strujom

Induktivitet na slici 8.3. služi kao odvojni induktivitet između dvaju naponskih izvora, Va (stvorenog izmjenjivačem) i vac· Taj induktivitet preuzima trenutačnu raz­ liku tih dvaju napona, a njegova vrijednost ovisi o veličini i trajanju te razlike. U mnogim slučajevima vrijednost odvojnog induktiviteta je vrlo velika, reda vrijed­ nosti Vafwlamaks' te je zato faktor snage izmjenične mreže smanjen.* Alternativno, nužno odvajanje se može postići stavljanjem induktiviteta na istosmjernu stranu masnog spoja. Ako je induktivitet dovoljno velik, serijski spoj istosmjernog naponskog izvora i induktiviteta može se modelirati strujnim izvorom. To je često upotrebljavani način odvajanja, jer se induktivitet može odabrati po volji velik a da se ne smanji faktor snage izmjenične mreže. Ali induktivitet pogoršava dinamičke karakteristike pretvarača, jer je potrebno više vremena za odziv struje trošila na promjenu upravljačkog signala. Izmjenjivač s utisnutom strujom ovog tipa prikazuje slika 8.4. Sada ćemo analizirati njegove karakteristike.

S_1

Slika 8.4. Izmjenjivač u mosnom spoju s mrežom na istosmjernoj strani modeli­

ranom strujnim izvorom. Pretvarač u ovom spoju poznat je pod nazi­ vom izmjenjivač s utisnutom strujom.

Shema spoja na slici 8.4. ne sadrži dovoljno informacija da bi se moglo znati je li funkcija pretvarača izmjenjivanje ili ispravljanje. Samo ako se navede način upravljanja sklopkama, može se odrediti smjer toka energije. Pretpostavimo da teče od istosmjerne strane prema izmjeničnoj (izmjenjivanje). Valni oblici na slici 8.4. opisuju tu situaciju. Srednja snaga isporučena izmjeničnom izvoru iznosi:

1

P=-

T

fT O

V 1 vac ia dt = � cos e 2

(8. 1 1 )

Ia1cos e je amplituda one komponente osnovne komponente struje ia . koja j e u fazi s naponom Vac izmjeničnog izvora. Dakle, kod odabranog kuta o, može se upravljati srednjom snagom isporučenom izmjeničnom izvoru (tj. trošilu) mijenjanjem kuta e. Kut e se mijenja odabirom sklopnih trenutaka sklopki. No, zbog toga što amplitude svih harmoničkih komponenata struje ia ovise o kutu o, srednjom snagom se može * Za odabrani o i odabranu djelatnu snagu, faktor snage je to manji što je odvojni induktivitet veći. Dokažite! (Prim. prev.)

150

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

upravljati i mijenjanjem

Ja t

o.

11!-0 n 0

Računanjem Ia1 i izražavanjem pomoću

--.!!E..

tako da srednja snaga iznosi:

dobije se:

41

sin(ro t) d(ro t) --.!!E.. coso

21 =

o

p=

=

2Vac Idc

n

(8. 12)

n

coso cose

(8. 13 )

U nekim okolnostima upravljanje srednjom snagom mijenjanjem o prije nego mijenjanjem () je poželjnije jer upravljanje mijenjanjem () u općem slučaju zahtijeva

naponski bipolarne sklopke.

Potreba za naponski bipolarnim sklopkama u izmjenji­

vaču s utisnutom strujom najlakše se uočava proučavanjem valnih oblika na slici 8.4. Primijetite da napon na otvorenoj sklopki

S4 i S2, S3

i ako je

o

vac mijenja polaritet

tijekom vođenja

Si.

jednak nuli i ako je () promjenjiv. Stoga svaka sklopka treba

blokirati oba polariteta napona. Slično tome, može se pokazati da sklopke u izm­ jenivaču s utisnutim naponom vode

dvosmjernu struju. Ako je () jednak nuli,

upravl­

janje mijenjanjem o, i u izmjenjivaču s utisnutom strujom i u izmjenjivaču s utisnu­ tim naponom ne zahtijeva istodobno

naponski bipolarne i strujno dvosmjerne sklop­

ke. Drugi nedostatak smanjenja izlazne snage putem () je sniženje faktora snage na priključcima trošila. Primjerice, ako se smanji izlazna snaga izmjenjivača u spoju na slici 8.4. na nulu stavljanjem

e

=

n/2, još uvijek izlazna struja ima vršnu vrijednost

lctc te mnogi gubici u izmjenjivaču ostaju isti kao i pri punom opterećenju (()

=

O).

8.2. SMANJIVANJE HARMONIKA Smanjivanje sadržaja hannonika

napona ili struje na izmjeničnim priključcima

je jedan od najtežih izazova u projektiranj u izmjenjivača. Harmonici ne samo što smanjuju faktor snage na izmjeničnim priključcima, već i

smetnjama

koje izazivaju

u upravljačkim sklopovima ometaju rad vlastitog pretvarača ili drugih uređaja. Nadalje, ako pretvarač napaja elektromehaničko trošilo, kao što je motor, har­ monici mogu pobuditi mehaničke rezonancije i tako uzrokovati akustičku buku trošila. U

6.

poglavlju već ste spoznali da

niskopropusni filtri,

sastavljeni od paralelnog

kondenzatora i serijske prigušnice, služe za potiskivanje izmjeničnih komponenata na priključcima istosmjernog pretvarača. Te izmjenične komponete uzrokovane su sklapanjem sklopki u pretvaraču. Međutim, niskopropusni filtar nije ni približno tako učinkovit u izmjenjivaču. Razlog je u tome što je omjer sklopne frekvencije i ulazne ili izlazne frekvencije beskonačan u istosmjernom pretvaraču, ali konačan u izmjenjivaču. Zato u istosmjernom pretvaraču,

prigušenje valovitosti ograničuje frekvencijsko

samo fizička veličina prigušnice ili kondenzatora ili, možda, željena

područje upravljanja.

Međutim, u izmjenjivaču veličinu i djelotvornost filtarskih

komponenata određuju faktori kao što su prihvatljivo prigušenje ili fazni pomak osnovnog harmonika. Iz tih se razloga u izmjenjivaču obično upravlja sklopkama

8.2. SMANJIVANJE HARMONIKA

151

tako da se ostvari aktivno smanjivanje harmonika. U ovom poglavlju za to su raspravljene dvije metode. Prva metoda je metoda uklanjanja harmonika kod koje se sklopke upravljaju tako da se uklone određeni harmonici. Druga metoda je meto­ da poništavanja harmonika kod koje se zbrajaju izlazni naponi dvaju ili više pret­ varača tako da se ponište određeni harmonici. Drugi pristup smanjivanju harmonika jest seljenje harmonika na frekvencije koje su dovoljno visoke da je moguće filtriranje s manjim komponentama. Ta meto­ da se naziva metoda širinsko-impulsne modulacije (PWM), ona je raspravljena odvo­ jeno, u odsječku 8.3.

8.2.1. Metoda uklanjanja harmonika Značajni mogući probitak nadzora kuta o u pretvaraču na slici 8.2. je u tome što se njime može utjecati na amplitudu trećeg harmonika napona v0. Ustvari, odgo­ varajućim izborom o može se potpuno ukloniti treći harmonik. Fizička veličina pasivnih filtara je uglavnom određena najnižom frekvencijom harmonika kojeg treba ukloniti. Zato uklanjanje trećeg harmonika izborom o ima dominantni koris­ ni učinak na veličinu komponenata filtra na izmjeničnoj strani, jer je u tom slučaju peti harmonik najniži harmonik napona v0 . Ako se pretvarač na slici 8.3. upravlja tako da je () O (ova pretpostavka nešto pojednostavnjuje matematički postupak, ali nije nužna za dobivanje rezultata), amplituda trećeg harmonika va iznosi: =

2V va3 = � n

fn-o 0

4V

sin 3wt d(wt) = � cos 3o 3n

(8.14)

Prema tome, treći harmonik ne postoji ako se sklopke upravljajaju tako da je o = = n/6. Uistinu uklonjeni su svi harmonici reda 3n. Za taj valni oblik se kaže, u tehničkom žargonu, da je oslobođen od harmonika 3n. Naravno, parametar o se ne može više koristiti za upravljanje naponom Val ili snagom jer je fiksan. Do sada smo pretpostavljali da je razina O našeg trorazinskog izmjenjivača ste­ penica između razina 1 i 1 To nije nužno, niti je nužno da postoje samo dvije razine O u periodi. Mnogo je profinjenije upravljanje harmonicima stvaranjem razina O tijekom razina 1 i -1 izlaznog valnog oblika. Razine O tijekom razina 1 i -1 nazivaju se žljebovi. -

.

Umetanjem razine O širine 20 između razina 1 i -1 i žljebova trajanja y u razine 1 i -1 istodobno se uklanjaju treći i peti harmonik iz pravokutnog valnog oblika. Valni oblik napona v0 sa samo jednim žljebom u svakoj poluperiodi prikazuje slika 8.5. Umetanjem dvaju žljebova u svaku poluperiodu istodobno se uklanjaju i treći i peti harmonik. Umjesto da se računa treći i peti harmonik takvog valnog oblika u ovisnosti o o i o mjestu i širini žljebova, za određivanje mjesta i širine žljebova može se upotrijebiti zornija grafička metoda.

152

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

-V

dc

Slika 8.5. Trorazinski valni oblik sa žljebovima širine y.

Voc

v.(t)

wt

o

- Voc

(a) v.(t)

o

(b) Voc

va(t)

o -

vdc

(c) Slika 8.6. a) Grafički prikaz integranda integrala (8.14). Pozitivne (slabo zatam­

njene) i negativne (jako zatamnjene) površine su jednake; zato je uklonjen treći harmonik iz pravokutnog valnog oblika. b) Valni oblik a) bez trećeg harmonika položen na sinusoidu sin S w t. c) Pravokutni valni oblik sa žljebovima smještenim tako da su uklonjeni i treći i peti har­ monik. Površina ispod krivulje umnoška sinusoide sin5wt i valnog obli­ ka napona va(t) jednaka je nuli.

8.2. SMANJIVANJE HARMONIKA

153

Najprije razmotrimo grafički prikaz integrala (8.14) na slici 8.6.a) za o = 30° el. Dovoljno je promatrati samo jednu poluperiodu napona va' jer je va neparna funkci­ ja. Integral (8.14) jednak je zatamnjenoj površini ispod krivulje umnoška sinusoide sin3wt i valnog oblika napona va. Pozitivne slabo zatanmjene površine jednake su negativnim jako zatamnjenim površinama. Žljebove u valni oblik napona va treba umetnuti tako da ostane uklonjen treći harmonik. Zato žljebove treba umetnuti tako da se istodobno oduzmu jednake površine iz zatamnjenih pozitivnih i negativnih površina na slici 8.6.a). Taj kriterij zadovoljavaju žljebovi koji su smješteni simetrično oko 60 ° el. i 120 ° el., tj. simetri­ čno oko prolaska sinusoide sin 3wt kroz nulu. Naravno, ti žljebovi trebaju zadovoljiti i drugi kriterij, a to je kriterij uklanjanja petog harmonika. Sinusoida sin5wt i valni oblik napona va položeni su jedan na drugi na slici 8.6.b ). Rezultat integriranja njihovog unmoška (postupak kojim se računa amplitu­ da petog harmonika) opet je prikazan pozitivnim (slabo zatamnjenim) i negativnim (jako zatamnjenim) površinama. Zbroj površina je negativan, i taj rezultat se očeki­ vao jer je peti harmonik napona va u protufazi (fazno pomaknut za 180° el.) prema prikazanoj sinusoidi sin5wt. * Mjesta oko kojih se mogu umetnuti žljebovi (wt = 60° el. i 120° el.), a da ostane uklonjen treći harmonik, označena su na slici 8.6.b). Ta mjesta se nalaze unutar negativnih površina, a upravo se negativne površine žele smanjiti. Pitanje je sad: koliko su široki ti žljebovi? Razmatranjem slike 8.6.b) i vizualno zamišljajući žljebove različite širine oko 60° el. i 120 ° el. zaključuje se da se sa žljebovima širine 12° el. postiže cilj: površina ispod krivulje unmoška sinusoide sin5wt i valnog oblika napona va jednaka je nuli. Rezultirajući napon Va bez trećeg i petog harmonika prikazan je na slici 8.6.c). Pozitivni i negativni mali trokutasti isječci poništavaju jedan drugi, a zbroj dviju ne­ gativnih površina osnovice četvrtine periode poništava jednu pozitivnu površinu osnovice poluperiode. 8.2.2. Metoda poništavanja harmonika Do druge metode smanjivanja harmonika dolazi se putem spoznaje da se tro­ razinski valni oblik napona Va na slici 8.6.a) može dobiti dodavanjem dvaju napona pravokutnog valnog oblika amplitude Vacl2 fazno pomaknutih za 60° el.* * Ova ideja se može ostvariti upotrebom dvaju izmjenjivača s utisnutim naponom spojenim prema slici 8.7. Izlazni napon svakog izmjenjivača je pravokutnog valnog oblika. Sklapanje jednog kasni za 60° el. prema sklapanju drugog. Zato napon Va nema treći harmonik. Takvo smanjivanje harmonika već smo razmatrali prilikom grafičke inte­ gracije kojom smo dobili koeficijente članova Fourierova reda. Izostanak trećeg harmonika u naponu Va na slici 8.7. može se tumačiti i poništavanjem dvaju har­ monika jednake frekvencije (trećih harmonika) i amplitude, i fazno pomaknutih za 3 · (60 °) el. = 180° el. * Fazni položaj petog harmonika dobije se iz razvoja funkcije va u Fourierov red. (Prim. prev.) * * U strogom smislu ne može se govoriti o faznom pomaku. (Prim. prev.)

154

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

i

-=--

V2dc o

_

v.lc 2

· r;; · . r ,

51.4 -------+--

s _ 2_ .3__ „ _ _

vdc 2

Ss.s

o

_

v.;c 2

56.7

8T

56,7

I

-· · ·

T

-

....-

T o

8T

- v.;

c

-

Slika 8.7. Poništavanje harmonika postignuto dodavanjem fazno pomaknu­

tih napona dvaju jednakih pretvarača u mosnom spoju.

+

+ •

1 l

Va

+•

li

•

Slika 8.8. Dva pretvarača u mosnom spoju sa zajedničkim naponskim izvorom na

istosmjernoj strani i dva transformatora na izmjeničnoj strani. Doda­ vanjem fazno pomaknutih napona na izmjeničnoj strani postiže se poništavanje nekih harmonika.

8.2. SMANJIVANJE HARMONIKA

155

Spoj na slici 8.7. ima dvostruko više sklopki od spoja na slici 8.3. No, svaka sklopka je opterećena samo s polovicom napona od onog koji je na sklopkama spoja na slici 8.3. To smanjena naponsko naprezanje može biti važna prednost, ako se traži vrlo visoki izmjenični napon. Ostvarenje spoja na slici 8.7. nije osobito praktično zato jer se moraju upotri­ jebiti dva odijeljena istosmjerna izvora; tj. izvori ne smiju imati zajednički priključak. Praktičniji spoj prikazuje slika 8.8. Istosmjerne strane dvaju mostova imaju zajednički priključak, a izmjenične strane su izolirane od istosmjernih trans­ formatorima. Sekundari transformatora su spojeni u seriju tako da se naponi na izmjeničnim stranama zbrajaju.

Spojem na slici 8.8., uz prikladan način upravljanja, može se dobiti izlazni iz­ mjenični napon bez trećeg i petog harmonika. To se radi tako da se sklopke i jednog i drugog mosta upravljaju tako da se iz napona v1 i v2 ukloni treći harmonik; i zatim da se sklopke jednog mosta prema drugom upravljaju tako da je napon v2 pomaknut prema naponu v 1 upravo za toliko da se poništi peti harmonik.

1 180"1

150°

L

1 3601

....

_ _ _

li· �860 I

-

o

I

r== '

... �

180"

[" ' . wt

wt

Voc

186° � 02 --+--+ - -4L -+........_ wt --1t �� +- -,-���� -

-� 2

I

150° 1 80"

- vck:

Slika 8.9. Valni oblici spoja na slici 8.8. pokazuju da se treći i peti harmonik mogu

istodobno izbaciti iz izmjeničnog napona.

156

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

Naponi vi i v2 su jednaki naponu Va na slici 8.6.a). Ni napon Vi ni napon v2 nemaju treći harmonik, te ni bilo kojom linearnom kombinacijom vi i v2 ne može ponovo nastati. Zato se v2 slobodno može pomaknuti za toliko da je njegov peti har­ monik u protufazi s petim harmonikom napona vi. Taj pomak iznosi 180° / 5° = 36° el. od osnovne periode. Onda, ako se zbroji napon Vi s fazno pomaknutim naponom v2, poništi se peti harmonik. Napone Vi i v2 te njihov zbroj prikazuje slika 8.9. Fazni pomak napona v2 jednostavno se postiže kašnjenjem sklopne sekvencije donjeg mosta prema sklopnoj sekvenciji gornjeg mosta za 36 ° el. Sklopni raspored obaju mostova je jednak. Dobiveni valni oblik izmjeničnog napona naziva se ste­ peničasti valni oblik, dok se valni oblik izmjeničnog napona na slici 8.5. naziva žlje­ basti valni oblik. Stvaranje stepeničastog valnog oblika, poput napona v a na slici 8.9., zahtijeva složenije sklopovlje nego stvaranje žljebastog valnog oblika, ali zato stepeničasti valni oblik ima mnogo manji faktor harmoničkog izobličenja. Primjerice, žljebasti valni oblik ima faktor harmoničkog izobličenja 63 % a stepeničasti valni oblik 17,5 %, iako su i žljebasti valni oblik na slici 8.6.c) i stepeničasti valni oblik na slici 8.9. bez trećeg i petog harmonika. Žljebovima na slici 8.6.c) uklanja se samo peti harmonik, dok se dodavanjem dvaju fazno pomaknutih napona - kojima se stvara stepeničasti valni oblik na slici 8.9. - poništava ne samo peti harmonik.

8.3. IZMJENJIVAČI S MODULACUOM ŠIRINE IMPULSA U raspravi o istosmjernim pretvaračima u 6. poglavlju istaknuto je da se izlazni napon silaznog pretvarača može mijenjati od nule do ulaznog napona V;, ovisno o faktoru vođenja D. Ako bi se D mijenjao sporo od jedne do druge sklopne periode, mogao bi se oblikovati valni oblik čija je srednja vrijednost vremenski ovisna i iznosa d(t)V;. Interval u kojem se računa srednja vrijednost mora biti dug u odnosu na tra­ janje periode, ali kratak u odnosu na vrijeme znatnije promjene d(t). Općenito, rezultatpostupka usrednjavanja neke veličine x(t) je tzv. trenutačna srednja vrijednost veličine x(t), a označuje se potezom iznad x, tj. x(t). Primjer silaznog pretvarača s moduliranim D, koji se označuje sa d(t), prikazu­ je slika 8.10. Ovdje je d(t) = 0,5 + 0,25sinwat, a T « L!R « 2n/Wa. Napon vd je dobiven postupkom modulacije širine impulsa. Ima istosmjernu komponentu, osnovnu komponentu frekvencije Wa i dodatne neželjene komponente pri sklopnoj frekvenciji 1/T i iznad nje. Napon na trošilu v2 je trenutačna srednja vrijednost vd. Dobije se filtriranjem vd, upotrebom niskopropusnog filtra sastavljenog od induk­ tiviteta L i otpora R. Napon v2 ima istosmjernu komponentu iznosa Vi/2. U ovom odsječku istražuje se primjena opisanog PWM postupka karakterizira­ nog visokim sklopnim frekvencijama, tj. postupka oblikovanja valnog oblika, u upravljanju i izgradnji izmjenjivača promjenljive frekvencije. Prednost PWM pos­ tupka karakteriziranog visokom sklopnom frekvencijom pred već raspravljenim postupcima na relativno niskim sklopnim frekvencijama je u lakšem filtriranju neželjenih harmonika na izlazu. Naime, frekvencija neželjenih harmonika na izlazu je kod PWM postupka mnogo veća nego kod postupaka na niskim sklopnim frekvencijama.

8.3. IZMJENJIVAČI S MODULACIJOM ŠIRINE IMPULSA

L

+ d(t)

R

157

+

Vz

vd

V.

I ����mrn�� � � � ���mrn�� � �

Vz

„

-

•

T 2T

0,75\'i 0,5 \'i 0,25\'i 1T

21T

Slika 8.10. U ovom silaznom pretvaraču faktor vođenja je moduliran tako da na­

pon na trošilu ima samo istosmjernu komponentu i sinusnu komponen­ tu frekvencije wa mnogo manje od sklopne frekvencije.

8.3.1. Oblikovanje valnog oblika i raspakiravanje Ako je faktor vođenja d(t) moduliran tako da je Vz jednak I Vzsinwaf I, tj. da je valnog oblika jednak onome koji daje punovalni ispravljač, za raspakiravanje napona Vz na opteretnom otporu može se upotrijebiti mosni spoj sklopki. Pretvarački spoj koji tako radi prikazuje slika 8.11 . Tranzistori masnog spoja sklapaju u stjecištima napona Vz. Potrebni vremenski ovisni faktor vođenja za stvaranje napona vz je d(t) = k I sinwat I ; k je konstanta između nule i jedan, a poznata je pod nazivom dubina modulacije. Amplituda rezultirajućeg sinusnog napona na otporu je Vz = kVi. Ovaj spoj, iako je poslužio za objašnjenje dobivanja sinusnog izlaznog napona, može dobiti općenitiju funkciju - funkciju učinskogpojačala u sklopnom načinu rada. Ako je f(t) signal bilo kojeg valnog oblika širine pojasa manje od R/L (npr. Mozartova sonata) i normiran tako da je IJ(t)I < l , signal d (t) IJ(t)\ može se pojačati postav­ ljanjem d(t) IJ(t)I i upravljanjem sklopkama masnog spoja u skladu s polaritetom f(t) . Problem spoja na slici 8.11. je u tome što se napon Vz ne približuje nuli po sinu­ soidi, kao što to prikazuje slika 8.1 1 . I struja iz i napon Vz se približuju nuli asimp­ totski, jer struja iz opada brzinom Vz/L a Vz = Riz. Ovaj problem ilustrira slika 8.12.a); ovdje su u svrhu ilustracije naponi vd i Vz sa slike 8.11. uvećani oko wat = rc. Zbog toga što napon Vz nikada ne dosegne nulu u trenucima wt = nrc, u tim trenuci­ ma nastaju skokovi u raspakiranom valnom obliku napona Vac' slika 8.12.b). =

=

=

158

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

Posljedica tog tzv. prijelaznog izobličenja valnog oblika napona Vac su harmonici. Frek­ vencija tih harmonika je višekratnik od Wa· Ako su harmonici preveliki, oni mogu ugro­ ziti prednost PWM postupka (karakteriziranog visokim sklopnim frekvencijama). d(t) = k jsin wtl

L

d(t)

+

vd

kV,

i2 -

1 j

+

R

V2

+ v.c -

�

.

�

�

wt stjecišta

Slika 8.11. Oblikovanje valnog oblika upotrebom silaznog pretvaračkog spoja i nje­

govo raspakiravanje upotrebom upravljivog mosnog spoja. Tako se na opteretnom otporu dobije sinusoidalni napon.

'--

V1

I I 11 I I I I I I

-

li

7T

li

(a)

I I li I I

V1

. .

.

(b)

= nn. b) U valnom obliku izlaznog napona Vac opaža se tzv. prijelazno izobličenje.

Slika 8.12. a) Uvećanje napona vd i v2 sa slike 8. 1 1 . oko Wat

8.3. IZMJENJIVAČI S MODULACIJOM ŠIRINE IMPULSA

159

Okretanjem polariteta napona na induktivitetu L, prikazanog na slici 8.11., struja iz se može prisilno dovesti do nule, kako se i želi. To se postiže tako da se in­ duktivitet L premjesti na izmjeničnu stranu mosta, slika 8.13. Na toj su slici usto pri­ kazani željeni izlazni napon vac = va i struja ia. Budući da je krug trošila sada indukti­ van, struja ia zaostaje za naponom Vac· Zbog tog zaostajanja, struja iz je kratkotrajno negativna. Prema tome treba odabrati takvu topologij u silaznog pretvarača za obliko­ vanje izlaznog napona koja omogućuje dvokvadrantni rad: pozitivni Vz te pozitivni i negativni iz. Sklopke mosnog spoja isto tako trebaju voditi dvosmjernu struju.

+

1 j

+

v;

+

R

27r O-+-�.,,_���-+-�.,._���--+-�� wt

Slika 8.13. Oblikovanje valnog oblika upotrebom silaznog pretvaračkog spoja i nje­

govo raspakiravanje upotrebom upravljivog mosnog spoja. Induktivitet je premješten na izmjeničnu stranu mosnog spoja, u cilju smanjenja tzv. prijelaznog izobličenja.

i2

��+---�

+

----4..---�--.�������+-�� � Qs �-.-�---.����� +

Slika 8.14. Praktično ostvarenje izmjenjivača prikazanog na slici 8.13.

160

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

Praktično ostvarenje izmjenjivača na slici 8.13. prikazano je na slici 8.14. Taj spoj ima manje prijelazno izobličenje valnog oblik.a napona vac od spoja na slici 8.11., no upravljanje je složenije. Ne samo da se silaznim pretvaračem mora uprav­ ljati u ovisnosti o polaritetu iz, nego i uvedeni mogući kratkospojni putovi zahtijeva­ ju točnije sklopne trenutke. Primjerice, ako se intervali vođenja Q1 i Q2 preklope, Q5 uklapa kratkospojni put. Induktivitet L ne omogućuje odvajanje na mjestu u kojem se sada nalazi, no omogućavao je izvjesno odvajanje dok je bio smješten na isto­ smjernoj strani masnog spoja, slika 8.11. Osim toga, dodane su četiri niskofrekven­ cijske mosne diode (Di. Dz, D3 i D4), jedna visokofrekvencijska dioda (D5) i jedan visokofrekvencijski tranzistor (Q6). Ista funkcija se može postići jednostavnijim spo­ jem, utjelovljenjem funkcije visokofrekvencijskog oblikovanja valnog oblika u mosni spoj. Ovo ćemo odmah raspraviti.

8.3.2. Visokofrekvencijski pretvarač u mosnom spoju Ako S5 ostane uklopljena a S6 isklopljena, za oblikovanje valnog oblika napona va na slici 8.13. dovoljno je upravljati samo mosnim sklopkama. Tako više, za obliko­ vanje valnog oblika, ne trebaju sklopke 55 i 56 silaznog pretvarača. Kada je v0 = Vi, sklopke S1 i S4 su uklopljene; kada je va = O, sklopke S1 i 53 ili S2 i S4 su uklopljene; kada je v0 = -V1, sklopke S2 i 53 su uklopljene. Nadalje, pozorno razmatranje ove sklopne sekvencije pokazuje sljedeće: kada je va ::::: O, sklopka S4 može ostati uklopljena, a napon v0 se može dobiti protutaktnim skla­ panjem S1 i S2• Slično tome, kada je v0 � O, sklopka S3 ostaje uklopljena, a S1 i S2 sklapaju u protutaktu. Dakle, S1 i S2 sklapaju na visokoj frekvenciji nosioca 1/T, dok S3 i S4 raspakiravaju modulirani nosilac sklapanjem na mnogo nižoj frekvenciji w0• Tako smo dobili spoj koji obavlja istu funkciju kao onaj na slici 8.13., ali s četiri sklopke umjesto sa šest i, štoviše, samo dvije od njih su visokofrekvencijske sklopke. Slika 8. 15. prikazuje praktično ostvarenje visokofrekvencijskog pretvarača u mosnom spoju, zajedno sa skicom valnog oblika napona Va i sklopnom sekvencijom. Niskofrekventna komponenta napona va ' tj. vac = va, jest željeni napon na trošilu. Premda je u ovom slučaju opet pretpostavljeno da je napon sinusan, on se može vremenski mijenjati i drugačije - sve dok je mijenjanje dovoljno sporo da je filtri­ ranje zadovoljavajuće. Vrijednost induktiviteta L odabire se tako velika da struja trošila nema komponente visoke sklopne frekvencije, tj. L >> - >> T R Wa

2n

-

(8.15)

Osim željenog niskofrekventnog osnovnog harmonika, napon va sadrži har­ monike nagomilane oko sklopne frekvencije 1/T. Harmonici su premješteni na više frekvencije i u tome je prednost PWM postupka prema postupcima smanjivanja harmonika iznesenim u odsječku 8.2. Tako je filtriranje olakšana. Međutim, faktor harmoničkog izobličenja THD valnog oblika dobivenog PWM postupkom je veći od faktora harmoničkog izobličenja pravokutnog valnog oblika, što je izračunata u primjeru 8.4.

8.3.

161

IZMJENJIVAČI S MODULACDOM ŠIRINE IMPULSA

Sve u svemu, važan ishod PWM postupka je gotovo uvijek spektar struje trošila. Harmonike struje je najlakše ograničiti u slučaju PWM valnog oblika napona. Nadalje, kod žljebastog ili stepeničastog valnog oblika teško je istodobno upravljati amplitudom osnovnog harmonika i držati pod nadzorom više harmonike. +

(a) Va]

{

t+- S3 uklopljena S1,2 moduliraju

{

T 2T

S4 uklopljena

S1 ,2 moduliraju

}

I I I

:

}-i

I I I

/

/

I

--+t

(b) Slika 8.15. a) Praktično ostvarenje sklopki visokofrekvencijskog pretvarača u mosnom

spoju na načelu modulacije širine impulsa (PWM postupak). b) Napon Va dobiven PWM postupkom i izlazni napon Vac = va.

U ovom primjeru računa se faktor THD sinusnog PWM valnog oblika, takvog kakav je va na slici 8.15.b), i uspoređuje se s faktorom THD pravokutnog valnog oblika. PWM valni oblik nastaje sinusnim mijenjanjem d(t): (8.16) Ako je sklopna frekvencija mnogo veća od izlazne frekvencije, može se pretpostavi­ ti da je sinwat konstantan tijekom svake sklopne periode. Ako je amplituda isto­ smjemog napona Vdc • onda je amplituda svakog impulsa Vdc' a kvadrat efektivne vrijednosti impulsa u trenutku t0 iznosi: (8.1 7)

162

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

Sada se može odrediti kvadrat efektivne vrijednosti niza PWM impulsa,

V� rms>

usrednjavanjem (8.17) u vremenu jednakom polovici periode napona va. Dobije se:

1 2 Va rms = -

fn v2

2 Vd� . (8.18) dc smw0t d(w at) = -n o n Jer je pretpostavljeno da se d(t) mijenja od O do 1 , vac ima vršnu vrijednost jednaku Vctc i efektivnu vrijednost Vac rms = Vdc !fi; pa se može izračunati faktor THD upotre­ bom definicijskog izraza (3.44):

2

Va rms -

THD =

Va2c

vacrms 2

rms

= 52 %

(8. 19)

Da bismo dobili uvid u vrijednost ovog faktora TIID, usporedimo je s onom pra­

V, nje­ V, a njegov osnovni harmonik ima amplitudu 4V/n

vokutnog valnog oblika frekvencije %· Ako pravokutni valni oblik ima amplitudu gova efektivna vrijednost je isto tako

i efektivnu vrijednost 2�V/n. Faktor TIID tog pravokutnog valnog oblika iznosi:

V' - (� J (2�V J

THD =

= 48 %

(8 . 20)

Dakle, valni oblik va(t) i pravokutni valni oblik imaju u osnovi jednak faktor THD, iako značajni harmonici PWM valnog oblika imaju mnogo veću frekvenciju od onih pravokutnog valnog oblika. Ako se trošilo napaja preko jednostavnog induktivnog filtra, kao što to prikazuje slika 8.15., za postizanje željenog faktora THD valnog oblika struje, vrijednost induktiviteta je mnogo manja u pretvarača

oblikom izlaznog napona napona.

nego u pretvarača

s PWM valnim s pravokutnim valnim oblikom izlaznog

8.3.3. Generiranje d(t) u PWM izmjenjivačima Uobičajeni način generiranja sinusnog faktora vođenja

njivača

d(t) kod PWM izmje­ sinusne i trokutne funkcije. Bitna obilježja Napon v5 amplitude k (sastavljen od sinusnih

dobiva se postupkom presijecanja

ovog postupka prikazuje slika 8. 16.

poluvalova, dobije se punovalnim ispravljanjem) i napon v 7 (trokutni, j ednopolarni)

dovode se na ulaze veći od napona

vy.

komparatora.

Izlaz komparatora

naponu v5 u tom trenutku, tj.

d(t)

�

k I sin wi ! ;

pobuđuju visokofrekvencijske tranzistore mjence na

g(t) je visok

kada je napon

v5

Trajanje svakog izlaznog impulsa je prema tome razmjerno što se i želi. Ti impulsi zatim

Q1 i Q2 na slici 8 . 1 5.a), dolazeći naiz­

Q 1 i Q2 u svakoj poluperiodi izlaznog napona Vac .

Amplitudom osnovnog harmonika upravlja se mijenjanjem dubine modulacije

k.

Mijenjanjem k mijenja se trajanje impulsa g(t), ali njihovo relativno trajanje osta­

je isto. Međutim, smanjivanje amplitude osnovnog harmonika putem smanjivanja dubine modulacije dovodi do povećanja faktora THD napona Va·

163

8.4. IZMJENJIVAČI SPREGNUTI TRANSFORMATOROM

komparator

(a) (b) Slika 8.16. Generiranje niza impulsa g(t) sinusno promjenljivog faktora vođenja

d(t) postupkom presijecanja sinusne i trokutne funkcije. a) Spoj kojim se uspoređuje napon v5 (sastavljen od sinusnih poluvalova) s naponom vT (trokutni) u svrhu generiranja niza impulsa g(t). b) Valni oblici v5, vT i g(t).

8.4. IZMJENJIVAČI SPREGNUTI TRANSFORMATOROM U načelu, bilo koji izmjenjivač se može spregnuti s trošilom upotrebom odgo­ varajuće projektiranog transformatora. Primjerice, upotrebom transformatora se može spregnuti s trošilom i pretvarač u mosnom spoju s PWM valnim oblikom izlaznog napona na slici 8.15. i pretvarač s pravokutnim valnim oblikom izlaznog napona na slici 8.1. U oba slučaja umjesto otpora se spoji primar transformatora, a otpor se premjesti na sekundar. Transformator mora imati dovoljan presjek jezgre da bi mogao prenijeti osnovnu komponentu magnetskog toka bez zasićenja. (O tom zahtjevu raspravlja se detaljnije u 20. poglavlju.) Važan ograničavajući uvjet je: umnožak presjeka jezgre A0 najveće dopuštene gustoće toka Bs i broja zavoja pri­ mamog namota N treba biti veći od maksimalne vrijednosti vremenskog integrala izlaznog napona izmjenjivača. Dakle: (8.21) Maksimalna vrijednost vremenskog integrala izlaznog napona je otprilike jed­ naka i u pretvaraču s PWM valnim oblikom izlaznog napona i u pretvarača s pra­ vokutnim valnim oblikom izlaznog napona. Međutim, u pretvaraču s PWM valnim oblikom izlaznog napona, napon va sadrži harmonike mnogo veće frekvencije od onih u pretvaraču s pravokutnim valnim oblikom izlaznog napona. Prema tome, u pretvaraču s PWM valnim oblikom izlaznog napona mora se za gradnju transfor­ matora upotrijebiti magnetski materijal boljih visokofrekvencijskih svojstava, osim ako se ti visokofrekventni harmonici ne filtriraju prije transformatora.

164

8. IZMJENJIVAĆI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

8.4.1.

Galvansko odvajanje visokofrekvencijskim transformatorom

PWM modulacijskim postupkom, o kojem smo dosad raspravljali, dobije se niskofrekventna komponenta frekvencije Wa u naponu Va. Ovim postupkom pre­ mještaju se svi harmonici (i osnovni harmonik i svi ostali harmonici) moduliranog napona na frekvencije u blizini sklopne frekvencije, pa omogućuje ostvarenje potrebne izolacije mnogo manjim transformatorom. Nesrećom, sada je potreban demodulacijski sklop (umjesto jednostavnog niskopropusnog filtra) za dobivanje niskofrekventne komponente frekvencije Wa u naponu va· +

�

1 t y_ . "( s1

vdc

va '

Vc1c

-

•

I

si .4 wt

o

- Vdc

\

-

(a)

s2. 3

Va L

. . li ·

Ss

S1

T

1 I

Va

Ss

vdc

+

wt

o R

- Vdc

+

Vac

�

v.c

o

(b)

-.

wt

Slika 8.17. Metoda PWM modulacije, kojom se premještaju svi harmonici napona v�

u frekvencijsko područje iznad sklopne frekvencije, omogućuje upotrebu manjeg transformatora: a) modulator i valni oblik priroarnog napona transformatora, b) demodulator i valni oblik sekundamog napona transformatora. Prijenosni omjer transformatora T je 1 : l.

PWM modulacijski postupak kojim se premješta najniži harmonik primamog napona transformatora na sklopnu frekvenciju prikazuje slika 8.17.a). Sklopke S1 i S4 se upravljaju tako da se na primar transformatora naizmjence dovode impulsi suprotnog polariteta. Rezultat toga je valni oblik v �- Najveća vrijednost vremenskog

8.5. TROFAZNI IZMJENJIVAČI

165

integrala napona je približno jednaka površini najvećeg impulsa. Usporedite taj rezultat sa zbrojem površina svih impulsa između wat = O i n kod PWM izmjenjivača na slici 8.15. Zato je transformator koji spaja modulator i demodulator pretvarača na slici 8. 17. znatno manji od onoga koji treba pretvarač na slici 8.15. Iako (8.21) pokazuje da se izmjere transformatora mogu smanjiti (implicitno u Ac) razmjerno smanjenju vremenskog integrala napona, smanjenje izmjera u praksi je manje. Uzrok tome je što obično pri visokim frekvencijama (onih valnog oblika na slici 8.17.a)) treba smanjiti i vrijednost Bs u materijalu magnetske jezgre. Slika 8.17.b) je jedna inačica demodulatora koja se može upotrijebiti za dobi­ vanje željenog niskofrekventnog valnog oblika iz v �- Prikazani spoj je sličan spoju za raspakiravanje na slici 8.11., razlika je jedino u tome što se raspakirava svaki impuls umjesto svaka poluperioda željenog izlaznog valnog oblika. Valni oblik napona va na slici 8.17.b) zapravo je PWM valni oblik sa slike 8.15. Napon Va se filtrira niskopro­ pusnim filtrom te se tako dobije željeni napon vac· Cijena relativno malog transformatora sklopa prema slici 8.17. je veća slo­ ženost upravljanja i rad svih sklopki sklopa na visokoj sklopnoj frekvenciji.

8.5. TROFAZNI IZMJENJIVAČI Mnoge primjene, posebice upravljanje rotacijskim strojevima, zahtijevaju tro­ fazne izmjenične izvore promjenljive frekvencije. Trofazni sustav napona se može dobiti upotrebom triju jednofaznih izmjenjivača; primjerice onih o kojima se do sada raspravljalo. Sklopke se upravljaju tako da je izlazni napon svakog izmjenjivača fazno pomaknut za ±2n/3 prema izlaznom naponu drugih dvaju izmjenjivača. Međutim, šest od 12 mosnih sklopki, tj. sklopke za raspakiravanje, je suvišno; prak­ tični trofazni izmjenjivački spoj ima svega 6 sklopki koje tvore trofazni mosni spoj. 8.5.1.

Nastanak trofaznog izmjenjivačkog spoja

Slika 8.18.a) ilustrira spoj od tri izmjenjivača za dobivanje trofaznog sime­ tričnog sustava napona. Međutim, trofazna trošila su rijetko sastavljena od tri zaseb­ na trošila, obično su u Y-spoju ili Li-spoju. Kod Y-spoja jedan izlazni priključak svakog izmjenjivača spojen je na zajedničku točku trošila (tj. zvjezdište ). Kod Li­ -spoja izlazni priključci izmjenjivača su spojeni u seriju. Jer svi izmjenjivači dijele zajedničke istosmjerne sabirnice, sklopke se ne mogu upravljati nezavisno, već ih se mora uskladiti da ne bi nastao kratki spoj istosmjernog izvora. Razmotrimo trošilo u Li-spoju i spoj od dva pretvarača u mosnom spoju, slika 8.19.a). Ovdje je jasno da je jedna od sklopki Sa3 i Sb1 suvišna, isto tako i jedna od sklopki Sa4 i Sbz· Primijetite: ova suvišnost onemogućuje nezavisni rad dviju sklopki a time i nezavisno upravljanje pojedinim pretvaračima. Ako se doda treći pretvarač, sklopke Sal> Saz, Sb3 i Sb4 imaju svog suvišnog para. Prema tome, može se izbaciti 6 sklopki iz inačice sastavljene od tri nezavisna izmjenjivača. Rezultirajući pretvarač u trofaznom mosnom spoju prikazuje slika 8.19.b).

166

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE +

+

+ b

+

(a) a

c

a

b

(b)

c

b (c)

Slika 8.18. a) Trofazni pretvarački spoj sastavljen od tri jednofazna spoja. b)

Trofazno trošilo u Y-spoju. c) Trofazno trošilo u .1.-spoju.

Golema većina trofaznih trošila je simetrična (faze trofaznog sustava su opte­ rećene jednakim impedancijama) i zahtijevaju napajanje iz simetričnog sustava napona. Posljedično, kod trošila u Y-spoju, struja nul vodiča je jednaka nuli. U tom slučaju simetričnog trofaznog trošila pretvarač na slici 8.19.b) može napajati i trošilo u Y-spoju.

Slika 8.19.a) Pojednostavnjenje trofaznog pretvaračkog spoja sastavljenog od

nezavisnih pretvaračkih spojeva za napajanje trošila u .1-spoju. a) Spojevi između dvaju nezavisnih pretvaračkih spojeva.

8.5. TROFAZNI IZMJENJIVAČI

V� Vab

+

s. ,

I

sb ,

l

se ,

- �c

l +

+

Lt

L f Sc2

I I I

i

57T 7T

I� 6

2

6

r

vdc vca

o

wl

Wl

27T

- Vd c

vbc

sb2

J I 7T

6

Vbc

Vab

Y.Jc

77T

167

3

+

Vca

�:r

- Y.ic

a, l b2 I bi l c d c,

1°2 1

a1 bi Ci

a, b, Ci

� 3

az b, C2

L a2 b, c,

wt

az bi c,

Slika 8.19.b) Pojednostavnjenje trofaznog pretvaračkog spoja sastavljenog od

nezavisnih pretvaračkih spojeva za napajanje trošila u A-spoju. b) Pojednostavnjeni trofazni pretvarački spoj sa šest sklopki i njegovi linijski naponi.

Trofazni izmjenjivač napaja trošilo u Y-spoju iz istosmjemog izvora sa srednjom točkom, slika 8.20. U prikazanom spoju svaku fazu napaja zasebni izmjenjivač u polumosnom spoju, omogućujući nezavisno upravljanje faznim naponima. Zato kut vođenja svake grane mosta može biti 180 ° el., kao što prikazuju valni oblici na slici 8.20. Međutim, moguć je samo dvorazinski rad, razina nula nije moguća. Prednosti ovog spoja su: srednja točka Y-trošila može se spojiti sa srednjom točkom izvora i uzemljiti, sklopke su strujno dobro iskorištene jer vode 180 ° el. umjesto 120 ° el. i osigurano je napajanje Y-trošila simetričnim sustavom napona čak i ako trošilo nije simetrično. Nedostaci spoja su: ne može se stvoriti razina nula, te trošilo mora biti u Y-spoju i imati dostupnu srednju točku. Bez spoja srednje točke trošila i srednje točke izvora, spojevi na slici 8.20. i 8.19.b) su jednaki.

168

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

Van

v�1

QI

1

- l1ctc

vbn

l1ctc

21T 1T 3

o

- l1ctc

1T Q3

Q4 Vcn

l1ctc o

- l1ctc

Q5

3

3

Q6

Qi

QI

51T 21T 3

wt

wl

Q4

1T 41T 1T

-

121T

Q5

21T

wt

Slika 8.20. Trofazni izmjenjivački spoj sa srednjom točkom u istosmjernom izvoru i

valni oblici njegovih faznih napona.

8.5.2. Harmonici trošila trofaznog izmjenjivača Trožična trofazna trošila, tj. trošila bez srednje točke, postavljaju važna ogra­ ničenja na harmonički sadržaj faznih napona i struja. Primjerice, ako se primijeni Kirchhoffov zakon napona i Kirchhoffov zakon struje na izlazne priključke izmje­ njivača na slici 8.19.b), i zbroj napona i zbroj struja mora biti jednak nuli. Ako se te struje i naponi izraze Fourierovim redom, tri reda za struju i tri reda za napon, ne mogu sadržavati članove čiji zbroj ne daje vrij ednost nula. Primjerice, ako su tri fazne struje:

169

8.5. TROFAZNI IZMJENJIVAČI

ia = 11 sinm t + 12 sin 2 m t + 13 sin3 m t + · · ·

( (

ib = 11 sin m t +

) )

( (

) )

( (

) )

2 7t 2 1t 2 1t + l2 sin 2 m t + + l3 sin 3 m t + + ··· 3 3 3

2n 2n 2n . 1·c = l1 sm m t - 3 + l2 sm 2 m t - 3 + 13 sm 3 m t - 3 + · · · ·

·

zbroj ia + ib + ic se sastoji samo od harmonika trećeg reda (nazivaju se 3 n har­ monici). Kirchhoffov zakon struje isključuje postojanje tih harmonika. Može se po­ kazati da to vrijedi i za napone Vab> vbc i vca· Zanimljiva posljedica je da se ne može upravljati sklopkama izmjenjivača na slici 8.19. tako da nastanu 3n harmonici.

Izmjenjivač na slici 8.19.b) napaja djelatno trošilo u �-spoju, kako prikazuje slika 8.21.a). Pokazat ćemo da fazne struje ia, ib i ic ne sadrže 3n harmonike.

ja

l

Veo

!

+

+

ia �(vab

a

-

=

Vab vbe +

-

Veo )

2 \.-dc R

b

c

R

wt

o

_

2 \.-dc R

(a)

(b)

Slika 8.21. a) Trofazno trošilo u L'l-spoju. b) Struja faze a.

Fazna struja ia jednaka je zbroju granskih struja koje su spojene na tu fazu a, ili:

. =vab - vca a

l

R

R

Taj valni oblik struje prikazuje slika 8.21.b). Fazne struje ib i ic imaju jednak valni oblik, ali su pomakute za ±120° el. prema faznoj struji ia. Budući da je fazna struja jednaka zbroju dviju granskih struja, fazna struja ne sadrži harmonike koji ne pos­ toje u granskim strujama. Odatle slijedi da nema nijednog 3n harmonika u granskoj struji (koja ima jednostavniji valni oblik). Granska struja jednaka je granskom naponu, prikazanom na slici 8.19.b) , podijeljenim s granskim otporom R. Odabirući svojevoljno a-b granu, amplituda harmonika In granske struje iab iznosi: 51t

l

n

=

2 Vd 2 Vd c f6 smn e de Rn

J� 6

.

c = --

(

)

nn 5 nn cos - - cos-6 6 Rnn

(8.22)

170

8. IZMJENJIVAČI PROMJENLJIVE FREKVENCIJE

Budući da je amplituda harmonika I,1 jednaka nuli za vrijednosti n koje su višekrat­ nici broja 3, fazne struje ne sadrže 3 n harmonike.

Bilješke i literatura Uklanjanje harmonika odgovarajućim izborom PWM sklopnog rasporeda pred­ met je [1] - [3]. U [1] Patel i Hoft su izveli sklopne rasporede za uklanjanje pet har­ monika iz izmjeničnog valnog oblika, a u [2] razmatraju kako se mijenjanjem tih sklopnih rasporeda može upravljati i naponom i harmonicima. Predmet članka [3] je sklopovlje regulatora koji ne primjenjuje preglednu ili poglednu tablicu (eng. look­ -up table) za biranje sklopnog rasporeda, i koji omogućuje neprekinuto upravljanje amplitudom osnovnog harmonika. U [4] radi se o rješavanju problema zasićenja transformatora kod PWM iz­ mjenjivača, zbog asimetrije sklopnog rasporeda. Rješenje tog problema je presudno kod bilo kojeg visokofrekvencijskog pretvarača s transformatorom. Autori sugerira­ ju načine otkrivanja prijetećeg zasićenja i načine ispravljanja sklopnog rasporeda u cilju izbjegavanja zasićenja. U [S] radi se o primjeni PWM postupka (karakteriziranog visokim sklopnim frekvencijama) za generiranje sinusne struje. Posebna primjena je ·u međusklopu između napojne mreže i sunčanog fotonaponskog izvora. Određena je veličina fil­ tarskih komponenata potrebnih za postizanje zahtijevanog harmoničkog izobličenja. U [5] je jasno objašnjeno prijelazno izobličenje valnog oblika, ono koje je zorno prikazano na slici 8.12. [l ]

H. S. Patel i R. G. Hoft, »Generalized Techniques of Harmonic Elimina­ tion and Voltage Control in Thyristor Inverters: Part I - Harmonic Elimi­ nation Techniques«, lEEE Trans. Industry Applications IA-9 (3): 3 10-317 (May/June 1973).

[2)

H. S. Patel i R. G. Hoft, »Generalized Techniques of Harmonic Elimi­ nation and Voltage Control in Thyristor lnverters: Part II - Voltage Con­ trol Techniques«, IEEE Trans. /ndustry Applications IA-10 (5): 666-673 (September/October 1974).

[3]

S. Bolognani, G. S. Buja i D. Longo, »Hardware and Performance­ -Effective Microcomputer Control of a Three-Phase PWM Inverter«, International Power Electronics Conference (IPEC) Record, (Tokyo, 1983), 360-371.

[4)

H. R. Weischedel i G. R. Westerman, »A Symmetry Correcting Pulse­ width Modulator for Power Conditioning Applications«, IEEE Trans. lndustry Applications IA-9 (3): 318-322 (May/June 1973).

[S]

M. F. Schlecht, »Novel Topological Alternatives to the Design of a Harmonic-Free Utility/DC Interface«, IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC) Record (1983), 206-214.

9.

REZONANCIJSKI PRETVARAČI

Rezonancijski pretvarači, kao i fazno upravljivi pretvarači iz 5. poglavlja, spaja­ ju istosmjerni sustav s izmjeničnim sustavom. Također im je zajedničko da je sklop­ na frekvencija jednaka frekvenciji izmjeničnog sustava. Ali, od fazno upravljivih pretvarača se razlikuju u tome što se tokom energije obično upravlja mijenjanjem sklopne frekvencije, a ne mijenjanjem faznog položaja upravljačkih impulsa. Ako su upravljani na taj način, rezonancijski pretvarači se mogu upotrijebiti samo ondje gdje nije važno strogo održavanje frekvencije izmjeničnog sustava. U protivnom, tokom energije treba upravljati mijenjanjem istosmjernog napona. Jedna od primjena rezonancijskih pretvarača jest indukcijsko zagrijavanje. Pri toj primjeni rezonancijski pretvarač napaja svitak izmjeničnom strujom. Ova izm­ jenična struja transformatorskim djelovanjem inducira struju u vodljivom predme­ tu. Inducirana struja u vodljivom predmetu stvara toplinu i tako ga zagrijava. Ovaj proces zagrijavanja odvija se zadovoljavajuće u relativno širokom frekvencijskom području (omjer graničnih frekvencija je najmanje dva prema jedan). Zato se tokom energije može upravljati mijenjanjem sklopne frekvencije. Sljedeća česta primjena rezonancijskih pretvarača je u visokofrekvencijskim istosmjernim napajačima koji rade na vrlo visokoj sklopnoj frekvenciji. U takvim istosmjernim napajačima izlazni se izmjenični napon rezonancijskog pretvarača naj­ prije pretvara u istosmjerni, a zatim filtrira u svrhu dobivanja istosmjernog napona. Ovakav pristup istosmjernoj pretvorbi naročito je probitačan u pretvarača s transfor­ matorom za galvanska odvajanje, jer u njima ionako treba stvoriti izmjenični međukrug. U ovom poglavlju objasnit će se zajednička svojstva rezonancijskih pretvarača, a ne će se analizirati pojedine topologije premda postoji mnogo topoloških varijan­ ti rezonancijskih pretvarača. Evo kratkog pregleda tih svojstava. Prvo, sklopke u rezonancijskom pretvaraču stvaraju izmjenični pravokutni valni oblik iz istosmjernog izvora. Prigušnice i kondenzatori zatim uklanjaju neželjene harmoničke članove iz tog izmjeničnog pravokutnog valnog blika. S obzirom na to

172

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

da je razlika u frekvenciji između osnovnog i najnižeg višeg harmoničkog člana (trećeg) vrlo mala, za uklanjanje viših harmoničkih članova upotrebljava se rezo­ nantni L C krug ugođen otprilike na sklopnu frekvenciju, a ne niskopropusni filtar. Odatle i naziv rezonancijski pretvarač. Ugođeni filtar je vrlo selektivan, ako je dobro izbočenje ili udubljenje karakteristike ovisnosti impedancije o frekvenciji. Dakle, faktor dobrote Q filtra mora biti dovoljno velik. Na toj selektivnosti, detaljnije raspravljenoj u odsječku 9.1., zasniva se jedan način upravljanja tokom energije. Drugo, sklopke u rezonancijskom pretvaraču moraju omogućiti tok energije u oba smjera zato što mreža sastavljena od rezonantnog filtra i vanjskog izmjeničnog sustava ima reaktivnu impedanciju na svim frekvencijama osim na rezonantnoj. Stoga sklopke trebaju ili voditi dvosmjernu struju ili držati bipolarni napon. Tako rezonancijski pretvarač, projektiran za tok energij e iz istosmjemog sustava u izmje­ nični, može poslužiti i za prijenos energije u drugom smjeru, ako to zahtijeva pri­ mjena. Treće, poluvodičke sklopke u rezonancijskim pretvaračima mogu imati znatno manje sklopne gubitke nego poluvodičke sklopke u visokofrekvencijskim istosmjer­ nim ili izmjeničnim pretvaračima. Izgubljena energija tijekom uklapanja ili iskla­ panja poluvodičke sklopke Q iznosi:

Eizg

=

ito , off 0

vQ iQ đ t

(9.1)

gdje je t0n' off vrijeme porasta ili vrijeme pada struje i/ili napona, tj. vrijeme u kojem se odigrava uklapanje ili isklapanje poluvodičke komponente. Rezonancijski pretvarač se može projektirati tako da je jedna od varijabli sklopke za to vrijeme vrlo blizu nule, što rezultira malim sklopnim gubicima. Zapamtite riječ »može«. Nemaju sve topologije rezonancijskih pretvarača to svojstvo. U onima koje imaju, zbog smanjenih sklopnih gubitaka, mogu se neke komponente (npr. bipolarni tranzistori) upotrijebiti na višim sklopnim frekvencijama nego što je inače moguće u visoko­ frekvencijskim sklopnim pretvaračima. Ta prednost je često presudna pri odluci o upotrebi topologije rezonancijskih pretvarača. Na žalost, u zamjenu za male sklop­ ne gubitke dobiveno je veće naponsko i strujno naprezanje poluvodičkih kompone­ nata, te su parametri naprezanja veći od onih u nerezonancijskim pretvaračima iste razine snage. Zbog toga su često potrebne skuplje komponente, a obično su i povećani gubici vođenja. Još recimo da postoje dvije vrste rezonancijskih pretvarača - jedna je dualna drugoj. Kod prve, sklopke stvaraju napon pravokutnog valnog oblika koji se dovodi na serijski titrajni krug. To je serijski rezonancijski pretvarač. Kod druge, sklopke stvaraju struju pravokutnog valnog oblika koja se dovodi na paralelni titrajni krug. To je paralelni rezonancijski pretvarač. U mnogim spojevima rezonancijskih pretvarača struja sklopke titra te bi promi­ jenila smjer da je sklopka dvosmjerna. U takvim spojevima naročito je pogodno upotrijebiti tiristore (SCR-e), jer se tiristor isklapa dovođenjem struje na nulu. Naime, rezonantnim djelovanjem spoja struja tiristora nastoji postati negativna. Ovaj se proces naziva rezonantna komutacija. Da bismo pojednostavnili raspravu, pretpostavljamo da je pretvarač projekti­ ran za izmjenično napajanje djelatnog trošila. Ako je trošilo reaktivno, njegove

173

9. 1 . PREGLED SVOJSTAVA SUSTAVA DRUGOG REDA

reaktivne komponente mogu biti dijelovi rezonantnog filtra, kao što je to kod induk­ tivnog zagrijavanja. U odsječku 9.7. raspravlja se o upotrebi ispravljačkog trošila* kod istosmjerne pretvorbe. Ovo poglavlje započinje kratkim pregledom svojstava sustava drugog reda.

9.1. PREGLED SVOJSTAVA SUSTAVA DRUGOG REDA U svakom od svojih topoloških stanja rezonancijski pretvarač je u osnovi sustav drugog reda. Za proučavanje tih spojeva pripremit ćemo se kratkim pregledom ponašanja sustava drugog reda u vremenskoj i frekvencijskoj domeni. 9.1.1. Odziv u vremenskoj domeni Analizirajmo uklapanje RLC kruga na slici 9.1. Da bismo odredili napon v0 pretpostavimo početne uvjete: ia(O) = O i vc(O) = O. Uočivši da je ia = C(dvcfdt) i primijenivši Kirchhoffov zakon napona na RLC krug za t > O, dobiva se diferencijal­ na jednadžba za vc koja se može napisati ovako:

d 2 vc

ci?

+

R L

dvc

dt

+

1 LC

Vctc

Vc = LC

(9.2)

Neka je a = R/2L i Wo= 1/.../L C, sada se (9.2) može preurediti i napisati ovako:

dvc d1 vc + 2a + 2 Vc = OJ 2oVđc dt OJ o dt 2

-

(9.3)

--

Ta jednadžba ima prirodne frekvencije s1 i s2: (9.4)

R

�

2

-

4>

31T 2

-

4>

Slika 9.1. RLC krug sa sklopkom za analiziranje sustava drugog reda.

* Ispravljačka trošilo je ispravljač opterećen trošilom. (Prim. prev.)

174

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

Ako je

w0 > a, tada su s1 2 kompleksni i zgodno ih je izraziti pomoću prigušene rezo­ nantne frekvencije wd RL'c kruga: (9.5) s1,2 = -a ± jwd Slijedi opće rješenje

w d = �w � - a 2

(9.3): Vc

(9.6)

= e-a' (A sin w d t + Bcoswdt) + vdc

(9.7)

gdje je Vdc partikularna rješenje, tj. vrijednost napona vc nakon dovoljno dugo vre­

mena. Početni uvjeti za

vc su:

Primjenom tih uvjeta na

(9.7)

vc(O) == Veo dve O dt o =

I

određuju se A i

a(

B

(9.8) (9.9) :

)

Vco - Vctc A = -� --� wd B == Veo - Vctc Rješenje postavljenog problema je:

-

c

V c = (veo Vct )e -at

(:d sin w dt + coswdt) +

(9.10) (9.1 1)

vdc

(9.12)

-V.,,V"'[�1 +(wad J cos(wdl+�)J+v..,

i može se pojednostavniti spajanjem sinusnog i kosinusnog člana:

vc = (Vc,

uz upotrebu oznake � = tan -I

(: }

Ukoliko u RLC krugu n a slici

načno dugo titrao oko Vctc s

d

9.1.

(9.1 3)

Valni oblik napona v c prikazuje slika

9 .1.

ne bi bilo otpora, napon na kapacitetu bi besko­

neprigušenom rezonantnom frekvencijom Wa

=

lNLC.

Uvijek treba biti pažljiv u razlikovanju neprigušene rezonantne frekvencije koja se označava sa w0 i prigušene rezonantne frekvencije koja se označava sa wd.

9.1.2. Odziv u frekvencijskoj domeni Upravljanje rezonancijskim pretvaračem često se zasniva na frekvencijskoj ovisnosti prijenosne funkcije između ulaza i izlaza. Jer se rezonantni filtar pretvarača

pobuđuje naponom ili strujom pravokutnog valnog oblika, učinkovitost filtra glede potiskivanja harmonika može se vrlo lako odrediti analizom u frekvencijskoj domeni.

Zbog toga je razumijevanje svojstava sustava drugog reda u frekvencijskoj domeni veoma važno.

9. 1 . PREGLED SVOJSTAVA SUSTAVA DRUGOG REDA

175

log YGw) I

I I

V., sin wt

o I I

Y(jw)

1og:R 1

L

+

log

Vc

C

1

V2 R

-­

R

I

-+------1t-- log w_. (b)

(a)

Slika 9.2. a) Serijski titrajni krug. b) Iznos admitancije Y(jw) kruga na slici a).

Admitancija serijskog RLC kruga na slici 9.2., izražena pomoću kompleksne frekvencije s = jw, iznosi: Y(s)

sC

1 =

l sL + - + R sC

= ------

s2LC + sRC + l

(9.14)

Taj se izraz može preurediti i napisati ovako: Y(s)

=

2as 2 R s + 2a s + m �

_.!._

(9. 15)

Ovisnost admitancije o frekvenciji grafički prikazuje slika 9.2. U rezonanciji, tj. kod s = jWa, impedancij e induktiviteta i kapaciteta se poništavaju, te je admitancija jed­ naka vodljivosti 1/R. Mjera oštrine krivulje admitancije (9.15) njezina je širina ograničena točkama u kojima je njezina vrijednost manja od maksimalne za faktor 1/-fi".±Te točke se nazi­ ) vaju točke polovične snage ili točke 3 dB. Nalaze se kod s = j(w0 a . Dakle, tako definirana širina krivulje iznosi 2a . * Omjer w0/2a je normirana mjera selektivnosti filtra, tj. normirana mjera učinkovitosti izdvajanja željene frekvencije i odbacivanja svih ostalih. Taj se omjer naziva faktor dobrote ili Q filtra. Što je on veći, krivulja admitancije je oštrija. Izražena pomoću Q jednadžba (9.15) postaje: I

s

(9. 1 6)

Zadnja važna opaska u vezi sa svojstvima rezonantnih krugova odnosi se na utjecaj faktora dobrote Q na iznos jedne ili druge varijable stanja. U rezonanciji je napon na otporu, slika 9.2., jednak naponu izvora. Ali, ako se izračuna napon na * Bolji je naziv širina frekvencijskog pojasa. (Prim. prev.)

176

9. REZONANCUSKI PRETVARAČI

kapacitetu, uviđa se da može biti znatno veći od napona izvora. Prijenosna funkcija između Vc i Va je:

Za w

=

w0

VI vca I

dobiva se:

I Vcl

w2o = s 2 + 2as + w;

Va (ro = ro . )

(9.17)

(9.18)

2a - Q -�

Taj rezultat znači: ako je amplituda napona izvora 100 V i Q = 10, vršna vrijednost napona na kapacitetu je Q puta veća od amplitude napona izvora, ili 1000 V! Takvo nadvišenje napona (ili struje u paralelnom rezonantnom krugu) često je vrlo ozbilj­ na zapreka primjeni rezonancijskih pretvarača, posebno kod malih tereta kada je Q velik.

9.2. SERUSKI REZONANCUSKI PRETVARAČ S UTISNUTIM NAPONOM Najprije ćemo raspraviti onu topologiju rezonancijskog pretvarača kod koje sklopke stvaraju izmjenični napon pravokutnog valnog oblika, a serijski rezonantni krug služi za izdvajanje osnovnog harmonika. Pretpostavimo da je istosmjerni sus­ tav naponski izvor, tj. da je njegova impedancija na frekvenciji upravljanja ws skoro jednaka nuli. Ako istosmjerni sustav nema malu impedanciju na w5, u paralelu mu se može dodati veliki kondenzator. Slika 9.3.a) prikazuje nadomjesnu shemu serij­ skog rezonancijskog pretvarača s utisnutim naponom; istosmjerni izvor i sklopke zamijenjene s naponskim izvorom pravokutnog valnog oblika va9.2.1. Filtar Serijski rezonantni LC filtar na slici 9.3.a), spojen u seriju s djelatnim trošilom R, uzrokuje da je struja trošila i0 skoro sinusna. Na rezonantnoj frekvenciji w0 impedancije induktiviteta i kapaciteta se poništavaju, pa je admitancija RLC kruga 1/R. Zato, ako je sklopna frekvencija rezonancijskog pretvarača Ws = w0, osnovna komponenta pravokutnog napona, koja ima amplitudu �1 = 4Vctcfn, u cijelosti je na trošilu. Ako je Q filtra velik, udio viših harmonika u struji Ža je malen, i odatle slije­ di zaključak da je struja trošila Ža skoro sinusna. Prema tome je: i0

:::::: I Y(jw0 ) I v.i1 sin w0 t = _.!_ · R

4Vdc 1t

sin w0 t

(9.19)

Tu struju i njen položaj prema naponu Va prikazuje slika 9.3.b). Važno je uočiti da su ia i Va »U fazi«.* * Ovakvo izražavanje spada u tehnički žargon. U fazi mogu biti samo sinusne veličine. Ovdje to znači da se nultočke sinusne veličine podudaraju s nultočkama pravokutne veličine. (Prim. prev.)

v.iMFVa o

- \ide

I

"\

9.2. SERIJSKI REZONANCIJSKI PRETVARAČ S UTISNUTIM NAPONOM

t

177

�

T

TT 2

(a)

{b)

Slika 9.3. a) Osnovna topologija serijskog rezonancijskog pretvarača. Sklopke i

istosmjerni izvor zamijenjeni su s naponskim izvorom pravokutnog valnog oblika napona va . b) Valni oblik struje trošila ia za w0 = ws =

= 2n/T.

9.2.2. Upravljanje izlaznim naponom Za zadovoljavajuće filtriranje harmonika struje ia , u LC krugu, nije nužno da je ws = w0. Zapravo, ako je ws malo veći ili manji od w0 , LC filtar se ponaša kao mali induktivitet ili kao veliki kapacitet. Ta dodatna impedancija smanjuje iznos napona na djelatnom trošilu. Ako je Q filtra velik, i malom promjenom ws može se postići promjena izlazne snage za više od reda vrijednosti. Na tom pomicanju pobudne frekvencije, prema tome, može se zasnovati upravljanje izlaznom snagom ili naponom. Pri upravljanju izlaznim naponom pomicanjem pobudne frekvencije u području ispod rezonantne frekvencije može se desiti (ako je Ws dovoljno ispod w0) da treći harmonik pravokutnog izlaznog napona ima frekvenciju za koju je prijenosna funkcija filtra relativno velika. Tada je treći harmonik struje trošila znatan. Taj pro­ blem je naročito izražen ako je Q filtra mali, tj. ako je krivulja admitancije na slici 9.2. široka. Rješenje tog problema je u ograničenju minimalne frekvencije uprav­ ljanja i/ili minimalnog Q filtra. Tako se postiže malo izobličenje izlaznog napona. Međutim, ako je pobudna frekvencija veća od w0, viši harmonici pravokutnog izlaznog napona su uvijek dostatno filtrirani, jer je uvijek l Y(nws) I « I Y(ws) I za ws > > Wa· No, i ta varijanta upravljanja ima svoja ograničenja, zato što poluvodičke kom­ ponente imaju svoju graničnu sklopnu frekvenciju.

Ako je rezonancijski pretvarač na slici 9.3.a) upravljan frekvencijom većom od rezonantne za faktor wsfw0 = f3, tada impedancija serijskog spoja induktiviteta i kapaciteta na frekvenciji ws iznosi: (9.20)

178

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

gdje je:

Le

=

L(1-_!_) /32

(9.21)

Dakle, serijski se LC krug, za osnovni harmonik napona Va, svodi na jedan induk­ tivitet Le. Slika 9.4.a) prikazuje ekvivalentni krug za određivanje osnovnog har­ monika ia1 struje trošila ia rezonancijskog izmjenjivača. Na ekvivalentnom serijskom LeR krugu napon je va 1 . Pretpostavlja se da su viši harmonici dovoljno dobro filtri­ rani tako da je ia ,::; ial· Uz tu pretpostavku struja ia ima amplitudu Ial i zaostaje za osnovnim harmonikom napona Va za kut e. Prema tome je: (9.22) Ia l

-

4 Vdc nR

. -:====

(9.23)

(9.24) Primijetite da je za ws > w0 amplituda struje ia manja nego za ws = %· Amplituda struje za Ws = Wa dana je izrazom (9.19). Ako je rezonancijski pretvarač upravljan frekvencijom manjom od rezonantne za faktor wsfw0 = y, tada impedancija serijskog spoja induktiviteta i kapaciteta na frekvenciji Ws iznosi: (9.25)

c.

(a)

R

(b)

ws °"" w0: a) ekvivalentni krug i valni oblici za Ws > w0, b) ekvivalentni krug i valni oblici za ws < w0 •

Slika 9.4. Ponašanje kruga sa slike 9.3.a) za

9.2. SERIJSKI REZONANCIJSKI PRETVARAČ S UTISNUTIM NAPONOM

gdje je:

c ce = -2

179 (9.26)

1-y

Dakle, serijski se LC krug, za osnovni harmonik napona va' svodi na jedan kapacitet Ce. Na ekvivalentnom serijskom CeR krugu napon je Va l · Ako ws nije previše ispod w0, udio viših harmonika u struji ia je malen i ponovno se može pretpostaviti da je ia ::::! ial· Prema tome je:

i0 ::::! 101 sin(m / + Đ )

Ia

=

1

4 Vdc nR

(9.27)

· ----====

1

(m s Ce R)

----

2

+I

(9.28)

(9.29) Ekvivalentni krug i valni oblici za ws < w0 su prikazani na slici 9.4.b ).

9.2.3. Odabir sklopki Može se upotrijebiti bilo koji od nekoliko načina dobivanja napona pravokut­ nog valnog oblika iz izvora na slici 9.3.a). Primjerice, ako su raspoloživa dva isto­ smjerna izvora, može se upotrijebiti polumosni spoj prema slici 9.5.a). Da bi se polučilo upravljanje, sklopke spoja na slici 9.5.a) moraju voditi struju u oba smjera jer ws odstupa od w0• Na rezonantnoj frekvenciji w0 struja trošila i0 je u fazi s osnovnim harmonikom napona Va, pa je prema tome pozitivna kada je sklop­ ka S1 uklopljena a negativna kada je sklopka S2 uklopljena. Prema tome, obje sklop­ ke uvijek vode pozitivnu struju. Na bilo kojoj drugoj frekvenciji, međutim, struja ia ili prethodi ili zaostaje za osnovnim harmonikom napona va' kao što je to prikazano na slikama 9.4.a) ili 9.4.b). Zato obje sklopke moraju voditi struju u oba smjera. Jedno od mogućih ostvarenja sklopki prikazuje slika 9.5.b ). Umjesto tranzisto­ ra na slici 9.5.b) mogu se upotrijebiti tiristori ako se sklopna frekvencija ws ograniči tako da je uvijek manja od w0: ws < w0• Naime, tijekom vremena vođenja diode, pri­ padajući antiparalelni tiristor se odmara i zadobiva svoja blokirna svojstva. Upotre­ bu tiristora u ovom spoju podrobnije ćemo istražiti rješavanjem primjera 9.3.

9.2.4. Vrijednosti induktiviteta L i kapaciteta C Za prigušenje viših harmonika pravokutnog izlaznog napona i za postizanje širokog područja upravljanja izlaznim naponom s malom promjenom sklopne frekvencije, nužno je da je faktor dobrote Q filtra što veći. Međutim, što je faktor Q veći, veći su i zahtjevi na vršnu pohranjenu energiju u prigušnici i kondenzatoru. Ta veza se vidi iz definicije faktora Q: *

* Ova definicija vrijedi i za serijski titrajni krug i za paralelni titrajni krug. Dokažite to! (Prim. prev.)

180

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

+

v,

"dc c

L

+

v.

+

Vz

"dc (a)

Jtdc

iQ , t

+

Q,

+ V1

D,

L

c v.

Jtdc

iv ,

-

iv,

-

+

iQz t

+

+ Vz

Dz

Qz

(b) Slika 9.5. Generiranje napona va prikazanog na slici 9.3.a) iz dva istosmjerna

naponska izvora: a) osnovna topologij a i b) ostvarenje sklopki.

Q

=

2nx vršna pohranjena energija

prigušnici ili kondezatoru energija disipirana u jednoj rezonantnoj periodi u

(9.30)

Energija disipirana u jednoj rezonantnoj periodi (T = 21r,/w0) proporcionalna je snazi trošila, a snaga trošila je određena primjenom. Prema tome, jedini način povećanja Q jest povećanje vršne pohranjene energije. Još jedan uvid u vezu faktora Q i vršne pohranjene energije u prigušnici ili kon­ denzatoru, za serijski rezonantni filtar, dobije se razradom (9.30):

- 2n(±LI�)

Q-

1- RJ 2

1:__JJ_

(J) o l

1

= R = (J) o RC

(9.31)

9.2. SERIJSKI REZONANCIJSKI PRETVARAČ S UTISNUTIM NAPONOM

181

IP je vršna struja filtra. Iz tog izraza se vidi da induktivitet L mora biti što veći a kapacitet C što manji da bi faktor dobrote Q bio što veći. Jer je struja trošila određena primjenom (tj. otpor R je fiksan), oba zahvata povećavaju vršnu pohra­ njenu energiju i u prigušnici i u kondenzatoru, dakle: E

L

= !._ Ll2 2 p

(9.32) (9.33)

Otporni grijaći element vrijednosti R = 10 Q treba napajati sinusnim naponom vršne vrijednosti � = 100 V i frekvencije f = 40 kHz iz rezonancijskog pretvarača topologije prema slici 9.5.b) . Snaga predana trošilu iznosi:

y2

(9.34) = -L = SOO W 2R Dodatni je zahtjev da se snaga može smanjiti na 125 W smanjivanjem frekvencije najviše za 20 %. Odredite najmanju vrijednost napona istosmjemog izvora Vdc i vri­ p_maks

jednosti induktiviteta L i kapaciteta C koje su potrebne za ispunjenje postavljenih zahtjeva. Napon na trošilu je maksimalan ako je sklopna frekvencija pretvarača jednaka rezonantnoj frekvenciji titrajnog kruga (neovisno o vrijednosti napona Vdc isto­ smjemog izvora). U tom je slučaju cijeli osnovni harmonik pravokutnog napona na trošilu. Amplituda � sinusnog napona na trošilu iznosi:

VP

=

4

100 = ;- Vctc

(9.35)

te se dobije: vdc � 80 V. Budući da je rezonantna frekvencija % = 2rr(40 x 03) rad/s vrijedi: LC -

[

I

2rr · (40 x l03)

]2

I

(9.36)

Zahtijeva se da je admitancija RLC kruga dva puta manja od rezonantne na frekvenciji w8 koja je za 20 % manja od rezonantne, tj. na frekvenciji w8 = 0,8 Wa = 2rr(32 x 103) rad/s. To smanjenje frekvencije smanjuje struju trošila dva puta, a snagu predanu trošilu četiri puta, odnosno na 125 W Vrijednost admitancije za s = j 0,8 % određuje se iz (9.15):

I Y(j 0,8w0)I = _!_ · R

2 (0,8 - 0 8 ) I

l+Q

1

,

2

(9.37)

182

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

Admitancija za s = j 0,8 w0 mora biti jednaka

Rješavanjem

1/(2R), pa vrijedi:

�

1 I Y(j 0,8w0)1 = - = ]__ 2R R V 1 +-0,2Q2

(9.38) po Q dobije se:

Q= Potom, rješavanjem C:

(9.38)

wo L = 3' 87 R

(9.39)

(9.36) i (9.39) dobiju se vrijednosti induktiviteta L i kapaciteta L

=

c

154 µH

=

0,1 µF.

Vršna pohranjena energija je najveća za ws = % i jednaka je za induktivitet i kapacitet. U rezonanciji je IP = VplR = 10 A, te vršna pohranjena energija iznosi:

1 EL = Ec = l (154x10-6 ) · 102 = 7, 70mJ

Vršna struja IP oba elementa, induktiviteta L i kapaciteta C, je vršni naponi VLp i Vcp iznose: I VcP = _P_ = QRJP = 387V w0C

(9.40) 10 A, te njihovi (9.41) (9.42)

VLp = w0 Llp = QR !P = 387V

Primijetite: kako su visoki ovi naponi u usporedbi s vršnim naponom na trošilu koji iznosi 100 V! To je kazna zahtjeva za što većim Q. Da bi se odredila vrijednost trećeg harmonika struje trošila, treba najprije izra­ čunati vrijednost admitancije za w = 3ws. Za ws treba uvrstiti sklopnu frekvenciju kod koje je treći harmonik najveći, a to je sklopna frekvencij a kod koje pretvarač radi s najmanjom snagom. Prema tome, vrijednost admitancije treba izračunati za ws = = 0,8 %. Uvrštenjem w = 2,4ws u (9.16), nakon računanja, dobije se:

I Y(j 2,4woll =

�.

(

I

1 + Q 2 2, 4 - :

24

J

=

0·�3

(9.43)

Kako je amplituda trećeg harmonika pravokutnog napona samo trećina amplitude osnovnog harmonika (Va3 = Va113 = 33,3 V), maksimalna amplituda trećeg har­ monika struje je 0,433 A ili 4,33 % maksimalne struje trošila ili 8,66 % struje trošila kod četvrtine snage. Snaga napajanja trećeg harmonika struje nije nikada veća od 1 % snage osnovnog harmonika, pa je prema tome bila opravdana odluka da se zanemare svi viši harmonici struje trošila osim osnovnoga.

9.2.5. Sklopni gubici U uvodu ovog poglavlja je spomenuto da je jedna od potencijalnih prednosti rezonancijskih pretvarača u smanjenju sklopnih gubitaka poluvodičkih komponena­ ta. Pretvarač topologije prema slici 9.5. ima umanjene sklopne gubitke ako je sklop-

9.2. SERIJSKI REZONANCIJSKI PRETVARAČ S UTISNUTIM NAPONOM

183

na frekvencija jednaka rezonantnoj frekvenciji. Jedino na toj frekvenciji struja sklopke, koja je jednaka struji trošila, prolazi kroz nulu točno u trenutku kada sklop­ ka mijenja stanje; to se može zaključiti iz valnih oblika na slici 9.3.b). Dakle, za OJ5 = w0, na svakoj sklopci pri promjeni stanja pojavljuje se skok napona, no struja je približno jednaka nuli. Zato su gubici energije na poluvodičkim komponentama mali. Međutim, ako pretvarač radi sa sklopnom frekvencijom različitom od rezo­ nantne, na sklopkama se istodobno pojavljuje i skok napona i skok struje. Fizičke sklopke, naravno, imaju nezanemariva vrijeme porasta ili pada napona i/ili struje, što uzrokuje sklopne gubitke. 2Vc1c

VI

/lp

o

(a)

Ws > QJO

2Vdc l1

p

o

V1 ,"' • ..,, , ,

;Q,

T

Ia p Vc1c

la p

vdc

o

o -v dc

-/ op

-l ap

(b)

(c)

Slika 9.6. a) Valni oblici napona i struje sklopke S1 u spoju na slici 9.5.a) za w5 > > %. b) Varijable spoja na slici 9.5.b) za ws > w0. c) Isto kao pod b), ali za w5 < w0•

Slika 9.6.a) prikazuje tipičan valni oblik napona i struje idealne sklopke sa slike 9.5.a) ako je sklopna frekvencija w5 veća od rezonantne frekvencije % (w5 > %)· Trošilo je na tim frekvencijama induktivno, pa struja trošila zaostaje za osnovnim harmonikom napona Va - Zato svaka sklopka započinje vođenje s negativnom stru­ jom i završava s pozitivnom. Ako je sklopna frekvencija w5 manja od rezonantne frekvencije % (w5 < %), sklopke započinju vođenje s pozitivnom strujom i završa­ vaju s negativnom. Struju diode D1 i tranzistora Q1 sa slike 9.5.b) za w5 > % prikazu­ je slika 9.6.b), a za w5 < % slika 9.6.c).

184

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

Primijetite da se i pri uklapanju i pri isklapanju sklopke na njoj istodobno pojavljuje skok struje i napona, upravo kao i u visokofrekvencijskim istosmjernim pretvaračima raspravljenim u 6. poglavlju. Prema tome, topologija na slici 9.5. nema presudno svojstvo malih sklopnih gubitaka, ponajčešće pripisivano rezonancijskim pretvaračima. U odsječku 9.4. raspravljena je preinačena topologija koja ima to svojstvo. U spoju na slici 9.5.b) postoje četiri komutacije poluvodičkih komponenata u periodi napona va· Dvije upravo raspravljene se događaju kada pravokutni napon mijenja polaritet. Druge dvije se događaju kada struja trošila mijenja smjer. Kod te dvije potonje komutacije, struja jednostavno komutira s diode na antiparalelni tranzistor, ili vice versa, a napon na sklopci ostaje jednak nuli. Zato su te komutaci­ je bez gubitaka. Zaključujemo da svaka od četiri poluvodičke komponente ima samo jedno sklapanje s gubicima. Ako je ws > w0, struja trošila u početnom dijelu svake poluperiode teče kroz diodu, a tek nakon što promijeni smjer poteče kroz antiparalelni tranzistor, kao što je to prikazano na slici 9.6.b). Gubici, prema tome, nastaju tijekom uklapanja diode i tijekom isklapanja tranzistora. Ako je w5 < w0, struja trošila prethodi osnovnom harmoniku napona va. U početnom dijelu svake poluperiode struja trošila teče kroz tranzistor, a kada mijenja smjer komutira na antiparalelnu diodu, kao što je to prikazano na slici 9.6.c). Gubici sada nastaju tijekom uklapanja tranzistora i tijekom isklapanja diode. U spoju na slici 9.5.b) može doći do kratkog spoja istosmjernih izvora ako se dogodi da su oba tranzistora istodobno uklopljena. To neugodno stanje je pozna­ to pod nazivom prospoj, a uzrokovano je uklapanjem sljedećeg tranzistora prije nego što je prethodni isklopio. Zbog izbjegavanja prospoja, uvodi se kašnjenje uklapanja jednog tranzistora prema isklapanju drugog. To kašnjenje ne sprječava vođenje sklopke tijekom vremena kašnjenja - sprječava samo vođenje tranzistora sklopke. Primjerice, ako je w5 > w0 dioda sklopke vodi u početnom dijelu polupe­ riode. Zato, ako gornji tranzistor isklopi, donja dioda prisilno provede, premda pobuda baze donjeg tranzistora kasni. U drugom slučaju, ako je ws < w0, dioda gornje sklopke vodi u završnom dijelu poluperiode. Zato se gornji tranzistor može isklopiti prije nego što se prisilno isklopi gornja sklopka uklapanjem donjeg tranzistora. Jedna prednost rada u području Ws < w0 je u tome što se mogu upotrijebiti tiristori umjesto tranzistora. Zato što svaki tiristor prirodno komutira kada struja trošila mijenja smjer, nije potreban dodatni komutacijski krug. Pa ipak, zbog vre­ mena oporavljanja tq tiristora, mora se osigurati da dioda vodi u vremenu duljem od tq. Taj vremenski interval omogućuje antiparalelnom tiristoru da se oporavi i da preuzme blokirni napon prije uklapanja sljedećeg tiristora. U suprotnom, tiris­ tor koji bi trebao isklopiti ponovno bi uklopio i nastao bi prospoj. Taj zahtjev određuje gornju granicu Wa i donju granicu razlike w0 i ws (tj. koliko se ws smije približiti %) ·

9.2. SERIJSKI REZONANCIJSKI PRETVARAČ S UTISNUTIM NAPONOM

185

U primjeru 9.2. projektiran je serijski rezonancijski pretvarač za maksimalnu snagu pri sklopnoj frekvenciji Ws jednakoj rezonantnoj w0• Pri sklopnoj frekvenciji ws w0 moguć je rad, jer je pretpostavljeno da sklopke nemaju ograničenje glede vremena odmaranja, primjerice ako se radi o tranzistoru. Ako se umjesto tranzisto­ ra upotrijebe tiristori, što je prikazano na slici 9.7., koji imaju vrijeme oporavljanja tq = 5 µs,* maksimalna sklopna frekvencija mora biti dovoljno ispod rezonantne da bi antiparalelna dioda sigurno vodila barem 5 µs. Upotrebom vrijednosti elemena­ ta izračunatih u primjeru 9.2., koje daju faktor kvalitete titrajnog kruga Q = 3,87, može se odrediti najveća dopuštena vrijednost sklopne frekvencije w8, te njezine posljedice na sadržaj harmonika u naponu trošila. =

10.n

0, l µF

153 µH

QI

�---Va---- +

Slika 9.7. Serijski rezonancijski pretvarački spoj sa sklopkama ostvarenim anti­

paralelnim spajanjem tiristora i diode.

Ako se, kao što je prikazano na slici 9.4.b), sa () označi fazni kut admitancije RLC kruga pri frekvenciji w8, može se napisati zahtjev: () - � Sµs ws Fazni kut admitancije kod frekvencije w8 je:

(9.44)

(9.45)

Spajanjem (9.44) i (9.45) dobije se transcendentna jednadžba, koju je moguće riješiti iteracijom. Rješenja su: m8 = 0,8 1 % i () = 58,4 °. Primijetite da je najveća dopuštena sklopna frekvencija vrlo blizu frekvencije četvrtine maksimalne snage trošila (500 W) u primjeru 9.2. Projektni zahtjev na fil* Samo rijetki komercijalni tiristori strujne opteretivosti od nekoliko ampera imaju vrijeme oporavljanja 5 µs. (Prim. prev.)

186

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

tar u primjeru 9.2. je bio da je snaga trošila četvrtina maksimalne snage (125 W) kod sklopne frekvencije ms = 0,80w0• No, ovdje se traži da je snaga trošila maksimalna kod sklopne frekvencije w5 = 0,81 w0• Budući da je admitancija filtra kod te frekven­ cije I Y(j 0,8la>a)I � 1/(2R), vrijednost napona istosmjernih izvora mora biti gotovo dvostruko veća od vrijednosti određene u primjeru 9.2., tj. 160 V umjesto 80 V. Ako se to učini, naponsko naprezanje poluvodičkih komponenti je gotovo dvostruko veće od onoga u primjeru 9.2. Uz to, da bi se snaga trošila smanjila na četvrtinu maksimalne snage, mora se smanjiti sklopna frekvencija za toliko da admitancij a fil­ tra iznosi 1/(4R). Upotrebom (9.15), uvrštenjem s = jws, dobije se da je nova frek­ vencija četvrtine maksimalne snage ws = 0,62w0• Kod te vrijednosti sklopne frekven­ cije, admitancija filtra za treći harmonik struje iznosi:

I Y(j l

,8

6 w 0) I =

_!_R

l

l+Q2(1,86--1,861-)

2

0, 1 9 R

(9.46)

Nastavljajući postupkom provedenim u primjeru 9.2., kojim se izračunala struja trećeg harmonika, nalazi se da je struja trećeg harmonika trostruko veća od one u primjeru 9.2. Kod četvrtine maksimalne snage trošila struja trećeg harmonika je 25 % struje osnovnog harmonika.* Viši potreban napon izvora i veće harmoničko izobličenje izlaznog napona su dvije posljedice upotrebe tiristora u rezonancijskom pretvaraču topologije prema slici 9.5.a). Problema ne bi bilo da je vrijeme oporavljanja tq samo manji dio peri­ ode. Zato treba smanjiti rezonantnu frekvenciju filtra i sklopnu frekvenciju pret­ varača (pretpostavljajući da to dopušta primjena). Ali, da bi iznos faktora dobrote Q filtra ostao nepromijenjen, mora se povećati induktivitet i kapacitet. Općenito se može reći da veliki broj spojeva rezonancijskih pretvarača s tiristorima ne može raditi na rezonantnoj frekvenciji. Zato su komponente rezonancijskih pretvarača s tiristorima napregnute višim naponom i/ili većom strujom u usporedbi s istim rezo­ nancijskim pretvaračima ostvarenim s tranzistorima. Ali, tiristori su dobavljivi za mnogo veća naponska i strujna opterećenja od tranzistora, pa je u mnogim visoko­ učinskim primjenama tiristor ipak komponenta izbora.

9.3. PARALELNI REZONANCUSKI PRETVARAČ S UTISNUTOM STRUJOM Paralelni rezonancijski pretvarač s utisnutom strujom je dualan pretvaraču s utis­ nutim naponom. Potrebno je da istosmjerni sustav radi kao istosmjerni strujni izvor, tj. da ima veliku impedanciju za struje sklopne frekvencije. Ovaj zahtjev se obično ostvaruje stavljanjem prigušnice u seriju s istosmjernim sustavom. Sklopke tada stvaraju struju pravokutnog valnog oblika, i ona se utiskuje u paralelni RLC krug, * Amplituda trećeg harmonika struje iznosi 1 ,29 A, a amplituda osnovnog harmonika struje kod četvrtine najveće snage trošila 5,10 A (Prim. prev.)

187

9.3. PARALELNI REZONANCIJSKI PRETVARAČ S UTISNUTOM STRUJOM ia

I n

I J_"1 - 1 LJ 1dc

L

ia

c

+

R

Va

dc

(a)

Jog /Z(jw) /

Va

log R R Jog v'2

T

log ws

logw0

/

4

- -I 7T dc R

(c)

(b)

=

Slika 9.8. Paralelni rezonancijski pretvarački spoj s utisnutom strujom: a) osnov­

na topologija, b) krivulja impedancije, c) valni oblik napona trošila ako je w0 ws 2n/T. =

a

v

kao što je prikazano na slici 9.8.a). U spoju na slici prepoznaje se strujni izvor ia pra­ vokutnog valnog oblika, kojim su nadomještene sklopke i istosmjerni strujni izvor. Slika 9.8.b) prikazuje ovisnost impedancije, kojom je opterećen izvor ia, o frekvenciji; krivulja impedancije ima isti oblik kao i krivulja admitancije na slici 9.2.b ). Tu impedanciju je moguće izraziti pomoću izraza za admitanciju (9.15), ali s koeficijentom otpora R umjesto s koeficijentom vodljivosti l/R, dakle:

s

Z(s) = R

P (1) 0 (s) 1 s (J) o

+-

-

Q (J) o

+1

(9.47)

gdje je Q = w0RC za paralelni rezonantni krug. Napon na opteretnom otporu je pri­ bližno jednak umnošku osnovnog harmonika utisnute struje i ove impedancije. Zato krivulja na slici 9.8.b) usto prikazuje prijenosnu funkciju pretvarača, tj. omjer između osnovnog harmonika izlaznog napona i osnovnog harmonika ulazne struje. Ako je ws = Wa, impedancija za osnovni harmonik struje ia jednaka je otporu R trošila. Impedancija za više harmonike je mnogo manja, pa je napon trošila va goto­ vo sinusan i u fazi je s osnovnim harmonikom struje ia, kao što to prikazuje slika 9.8.c).

188

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

Kao i u serijskom rezonancijskom pretvaraču s utisnutim naponom, i u paralel­ nom rezonancijskom pretvaraču upravljanje snagom trošila postiže se pomicanjem sklopne frekvencije ws prema w0• Za ws > w0 paralelni LC krug ima konačnu imped­ anciju, naime kapacitivnu (umjesto beskonačne impedancije pri frekvenciji %)· Taj efektivni kapacitet Ce, koji je paralelan trošilu, smanjuje napon na trošilu i uzroku­ je njegovo kašnjenje prema osnovnom harmoniku pravokutne struje, kao što je prikazano na slici 9.9.a). Za ws < w0 paralelni LC krug je, u biti, induktivan. Kao i prije, efektivni induktivitet Le preuzima dio struje strujnog izvora i tako smanjuje struju i napon trošila. U ovom slučaju osnovni harmonik napona Va l prethodi osnovnom harmoniku struje ia 1 , kao što je prikazano na slici 9.9.b). +

c.

L,

4 -I

'1T dc

(a)

(b)

Slika 9.9. Nadomjesni spoj paralelnog rezonancijskog pretvarača sa slike 9.8. i osnovni harmonik napona trošila Val> ako je: a) ms > m0 i b) Ws < m0.

Kod ovog se pretvarača nailazi na iste probleme kao i kod serijskog rezonan­ cijskog pretvarača, ako se frekvencija ws suviše udalji od rezonantne. Ako se ws spušta, kod neke vrijednosti ws frekvencija trećeg harmonika struje ia približiti će se %, te treći harmonik struje ne će biti dovoljno prigušen. Ako se ws podiže, mora se pomno razmotriti granica sklopne frekvencije poluvodičkih komponenata. Ovi uvjeti ograničuju područje mijenjanja ws, pa prema tome i područje upravljanja pos­ tizivo upotrebom ove metode. Slika 9.10.a) prikazuje paralelni rezonancijski pretvarač s utisnutom strujom dualan serijskom rezonancijskom pretvaraču s utisnutim naponom sa slike 9.5.a). Prisjetimo se da se u serijskom rezonancijskom pretvaraču mora osigurati da obje sklopke nisu istodobno uklopljene, da bi se izbjegao prospoj. U paralelnom rezo­ nancijskom pretvaraču mora se osigurati da obje sklopke nisu istodobno isklopljene da bi se izbjegao prazni hod strujnog izvora.

9.3. PARALELNI REZONANCIJSKI PRETVARAČ S UTISNUTOM STRUJOM c ia

-

L

q. + V1

t

iz + Vz

R + Va

s1

-

Ide

Sz

(a) c ia

-

D1 +

L +

+

R + Va -

VI

D2

Vz

Ide

(b) Slika 9.10. a) Paralelni rezonancijski pretvarački spoj s utisnutom strujom ostvaren

s dva strujna izvora. b) Ostvarenje sklopki. V:lp

i1

2/de/ o -

I I I

VI

/� I I

TI I

2

T

/ t

I

I I

�/

(a)

(b)

(c)

Slika 9.11. a) Valni oblici struje i napona sklopke S 1 u spoju na slici 9.10.b) za

ws > w0 • b) Valni oblici napona diode i tranzistora u spoju na slici 9.10.b) za ws > w0• c) Isto kao pod b), ali za ws < w0.

189

190

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

Sljedeća razlika između ove dvije vrste pretvarača je u ostvarenju sklopki. Prisjetite se da serijski rezonancijski pretvarač treba sklopke koje moraju voditi struju u oba smjera, a paralelni rezonancijski pretvarač treba sklopke koje moraju blokirati napon oba polariteta, ako se mijenja sklopna frekvencija (tj. ako se ne podudara s re­ zonantnom). Za serijski rezonancijski pretvarač to potvrđuju valni oblici struje i napona sklopki na slici 9.6, a za paralelni rezonancijski izmjenjivač valni oblici na slici 9.11.a). Sklopka u paralelnom izmjenjivaču može se ostvariti serijskim spajanjem dio­ de i tranzistora, slika 9.10.b) Također se mogu upotrijebiti i tiristori, no ako se želi da se tiristori međusobno isklapaju mora se ograničiti područje rada sklopa na ws > %· U paralelnom rezonancijskom pretvaraču, ako radi sa sklopnom frekvencijom različitom od rezonantne, struja i napon sklopke se istodobno skokovito mijenjaju i pri uklapanju i pri isklapanju, slika 9.1 1.a). To predmijeva da su oba sklopna proce­ sa s gubicima. Kao i u serijskom rezonancijskom pretvaraču na slici 9.5.b), jednu sklopku tvore dioda i tranzistor, slika 9.10.b), pa i dioda i tranzistor imaju samo jedno sklapanje s gubicima. Ako je ws > Wa, slika 9.11.b), dioda iskazuje sklopne gubitke samo tijekom isklapanja, a tranzistor samo tijekom uklapanja. Zanimljivo je primijetiti sljedeće: budući da sklopka isklapa zapornim djelovanjem diode (kada druga sklopka uklapa), a ne isklapanjem tranzistora, vrijeme zatezanja isklapanja tranzistora ne utječe na vremensko upravljanje sklopkama dokle god je ispunjena da suvišni nosioci naboja u bazi tranzistora nestanu tijekom stanja zapiranja diode (pojmovi: vrijeme zatezanja isklapanja i suvišni nosioci naboja objašnjeni su u odsječku 15.3.2.). Ako je ws < wm slika 9.11.c), dioda iskazuje sklopne gubitke samo tijekom uklapanja, a tranzistor samo tijekom isklapanja. Kao što je već spomenuto, sklopke paralelnog rezonancijskog pretvarača s utis­ nutom strujom mogu se ostvariti upotrebom tiristora. Iz valnih oblika na slikama 9.9. i 9.11. se vidi da je uvjet uvjet komutacije tiristora ws > % · Kada jedan tiristor uklopi, na drugom tiristoru, koji je prethodno vodio, se pojavi zaporni napon koji ga prisilno isklapa. .

Slika 9.12.a) ilustrira paralelni rezonancijski pretvarač u kojem su strujni izvori ostvareni serijskim spajanjem istosmjernog naponskog izvora i velikog induktiviteta. Pretpostavlja se da su induktiviteti po volji veliki. S obzirom na to da su prilazi induktiviteta na strani izvora na jednakom potencijalu, izvori se mogu ujediniti u jedan izvor, što prikazuje slika 9.12.b). Pretvarač predaje 10 kW opteretnom otporu R = 5 Q. Koji iznos napona Vctc ispunjava taj zahtjev? Još se pretpostavlja da je rezonantna frekvencija w0 dovoljno niska tako da je osigurano vrijeme potrebno za isklapanje tiristora, čak i onda ako je sklopna frekvencija ws blizu, ali ipak veća, od rezonantne w0• Za ws !::;! w0, napon trošila Va je sinusan, amplitude Va, a naponi na tiristorima v1 i v2 prikazani su na slici 9.12.c). Iz zahtjeva za snagom predanoj trošilu može se odrediti amplituda napona na trošilu Va :

9.3. PARALELNI REZONANCIJSKI PRETVARAČ S UTISNUTOM STRUJOM

191

z

v_ a _ i_ = 1 04

(9.48)

5

Va = 3 1 6 V

Zato što napon na prigušnici Ld ne može imati srednju vrijednost, Vde = (v1). Aprok­ simiranjem napona v1 s poluvalovima sinusoide dobije se: (9.49) Tako ostvareni strujni izvor, bez povratne veze za upravljanje strujom Ide' daleko je od idealnog. Primjerice, ako bi jedan od tiristora ostao uklopljen, struja Ide bi rasla bez ikakvih ograničenja. Također, u tako ostvarenom strujnom izvoru, stru­ ja Ide ovisi o opteretnom otporu R i sklopnoj frekvenciji Ws· c

L

/dc

--

R

+ Va

Ld Vc1c

Q2

-

(a) c

Ld Vc1c

Ic1c

-

QI

i.

-

/dc

L

R

+

+ v. -

V1

--

+

V2

Ld

Q2

(b)

2

(c) Slika 9.12. a) Ostvarenje strujnog izvora u paralelnom rezonancijskom pretvaraču.

b) Pojednostavnjenje spoja na slici a) ujedinjenjem dvaju naponskih izvo­ ra. c) Napon na tiristorima Q1 i Q2 za ws "" w0•

192

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

9.4. PREINAKE TOPOLOGUE REZONANCUSKIH PRETVARAČA Za mnoge primjene rade se manje preinake ovih dviju osnovnih topologija rezonancijskih pretvarača. U ovom odsječku raspravit ćemo neke od mogućih preinaka, razloge preinaka i posljedice tih preinaka na rad spoja. 9.4.1. Razdvajanje prigušnice u pretvaraču s utisnutim naponom U pretvaraču s utisnutim naponom na slici 9.5., za ws < w0, kada tranzistor uklopi, pojavljuje se skok napona va- Taj skok zaporno polarizira prethodno vodeću diodu. No, fizička dioda ne može odmah preuzeti zaporni napon, već kratkotrajno vodi u zapornom smjeru. Vođenje diode u zapornom smjeru tijekom njezinog iskla­ panja je svojstveno fizičkoj diodi i opisano je karakteristikom oporavljanja (v. 17. poglavlje). Zbog toga, u zbilji, postoji vrijeme u kojem vode gornja i donja sklopka, stvarajući nakratko prospojni kratki spoj. Spoj na slici 9.5. nema nikakvi element koji bi ograničio nastajuću struju prospoja.

---

vdc

"dc

.... ..... s1 \ \ I

D1 I

+

- - --

/

/

I

I I

+

T T 2 2 + 11 (a)

T

(b)

Slika 9.13. a) Maphanov izmjenjivački spoj: serijski rezonancijski pretvarač s razd­

vojenom prigušnicom. b) Valni oblici varijabli spoja na slici a).

9.4. PREINAKE TOPOLOGIJE REZONANCIJSKIH PRETVARAČA

193

Za ograničenje struje prospoja obično se stavlja mala prigušnica, tzv. uklopni prigušni član, u seriju sa sklopkom, pa njezin induktivitet ograničuje brzinu porasta struje kroz sklopku (u 24. poglavlju potanko se raspravlja o uklopnim prigušnim članovima). Potreba za ograničenjem struje prospoja spoja na slici 9.5. vodi k topo­ logiji prikazanoj na slici 9.13. Pretvarač ove topologije poznat je pod nazivom Maphanov izmjenjivač. Induktivitet rezonantnog kruga razdvojen je na dva induk­ tiviteta koji su smješteni u sklopkine grane. Na tim mjestima osiguravaju više nego dostatno ograničenje struje prospoja. Druga posljedica te preinake jest da sklopka ne može isklopiti sve dok struja kroz pripadni induktivitet ne padne na nulu.

Li

\.dc

Li c

c -

VR

- Vc

+

\.dc

+

Li

t i2

- VR

- Vc

+

+

\.dc

(a)

(b)

Slika 9.14. Dva topološka stanja pretvaračkog spoja na slici 9.13.a) tijekom jedne

poluperiode O < wsf < n : a) sklopke S1 i S2 su uklopljene (O < ws t < ws t1) i b) sklopka S1 je uklopljena a S2 isklopljena (w8t1 < w/ < n) .

Analiza ovog preinačenog spoja za ws < Wa = 1!°'1L C zahtijeva veći trud nego prije, jer sklopke više ne stvaraju jednostavan pravokutni napon koji se filtrira jed­ nim serijskim rezonantnim krugom. U jednom dijelu svake poluperiode vode obje sklopke, pa je nadomjesni spoj onaj prikazan na slici 9.14.a). Interval nakon toga vodi samo jedna sklopka, pa je nadomjesni spoj onaj prikazan na slici 9.14.b). Druga poluperioda počinje kada ponovo provede druga sklopka. Sada ćemo analizirati spoj na slici 9.13.a) uz pretpostavku da prije trenutka t = = O vodi sklopka S2 i da u trenutku t = O uklopi sklopka S1. Zato je i 1 (0) = O. Usto pretpostavimo početne uvjete:

v c (O) = -V0 i2 (O) = -Jo

(9.50) (9.51 )

Struja i2 je negativna jer, z a ws < Wa, na kraju intervala vođenja sklopke S2 vodi dioda D2• Tako dugo dok je i2 < O, nadomjesni spoj je onaj prikazan na slici 9.14.a). Za to vrijeme sljedeće jednadžbe opisuju struje i i . i2 i napon vc: (9.52)

194

9. REZONANCUSKI PRETVARAČI

1

di2

Li

- = -

dt

[v

1 ( 1,.

dvc dt

c

- = -

dc

+ vc +

) - 1.2

R (·11 - 1.2 )]

(9.53) (9.54)

U trenutku t = t1 je struja i2 = O, te sklopka S2 isklapa. (U upotrijebljenoj sklopci isklapa dioda. Tranzistor, koji je prestao voditi struju prije t = O, može se isklopiti u bilo kojem trenutku između t = O i t = t1). U tom trenutku t1 rubni uvjeti su: Vc(t1) = \'i. i1 (t1 ) = 11

(9.55)

i2 (t1 ) = o

(9.57)

(9.56)

Sljedeće jednadžbe opisuju ponašanje spoja u intervalu t 1 < t < T/2, kada je nadomjesna shema ona na slici 9.14.b): d4 1 .) ( (9.58) d t L,

=

di2 dt

Vdc - vc - Rzi

=o

(9.59)

dvc i1 -- = c dt

Rubni uvjeti u trenutku t ljenom stanju, su:

=

(9.60)

T/2, uzimajući u obzir da se radi o periodičkom usta­

i{ �) = (� ) (� ) =

Vc

i2

i1 (0) = -10

= Vc(O) = i1 (O) = O

-vo

(9. 6 1) (9.62) (9.63)

Sada se rješavanjem sustava jednadžbi (9.52)-(9.63) mogu naći nepoznanice i1 , iz, Vo Jo, II> Vo, vl i ti. Prikladno je upotrijebiti iterativnu metodu, već obrazloženu u

primjeru 3.1. Rezultirajuće valne oblike kvalitativno prikazuje slika 9.13.b). Primijetite da su se izbjegla dva sklapanja s gubicima koja postoje u osnovnom se­ rijskom pretvaraču na slici 9.5.b). Pri uklapanju sklopke još uvijek se na sklopki pojavljuje skok napona, ali sada induktivitet ograničuje brzinu porasta struje, tj. onemogućuje skok struje prikazan na slici 9. 6 .c). Slično tome, pri isklapanju sklop­ ke struja sklopke se približava nuli konačnom brzinom. Jedan nedostatak ovog spoja je u tome što je napon na otvorenoj sklopci viši nego u spoju na slici 9.5. Razlog je taj što napon na otvorenoj sklopci, primjerice S1, iznosi: (9.64)

195

9.4. PREINAKE TOPOLOGIJE REZONANCIJSKIH PRETVARAČA

U jednom dijelu periode derivacija struje sklopke je negativna, pa je najveća vrijed­ nost napona v1 veća od 2Vdo tj. od napona na otvorenoj sklopci osnovnog serijskog rezonancijskog pretvarača na slici 9.5. Upotreba riječi »rezonancija« u svezi sa spojem na slici 9.13.a) je maglovita. U jednom dijelu periode aktivan je jedan induktivitet, a u drugom dijelu oba (kao na slici 9.14.b)). U tehničkom žargonu, ws < w0 znači da je sklopna frekvencija dovoljno niska, toliko niska da je sigurno da će struja sklopke promijeniti smjer prije nego što druga sklopka uklopi. 9.4.2. Smanjenje izobličenja napona na trošilu promjenom mjesta trošila Popratna pojava razdvajanja filtarskog elementa jest povećanje izobličenja napona na trošilu. Izobličenje napona na trošilu u pretvaraču s razdvojenim induk­ tivitetom na slici 9.13. je očito ako se pogleda valni oblik struje ia- * Uzrok izobličenju je u tome što je frekvencija titranja struje w 1 = lNLC kada je uklopljena samo sklopka S1 , a w2 lN(L/2) C kada su uklopljene obje sklopke. =

s1 vdc

+

R - VR +

c

""dc

ia

-

+

Slika 9.15. Promjena mjesta trošila radi smanjenja izobličenja napona na trošilu u

pretvaračima s razdvojenom prigušnicom na slici 9.13.a).

Smanjenje izobličenja napona na trošilu može se postići spajanjem opteretnog otpora paralelno kapacitetu, slika 9.15. U prvom približenju, posebice ako je faktor kvalitete Q kruga velik, napon na trošilu iznosi:

VR "" � f iadt

(9.65)

Time su harmonici reda n smanjeni za faktor 1/n. Međutim, nedostatak ovog spoja je što napon na kondenzatoru, u određenim uvjetima, može imati istosmjernu kom­ ponentu. To je neprihvatljivo za neke vrste trošila, primjerice za trošilo spregnuto transformatorom. * Pozivanje na izgled valnog oblika napona nije dokaz. (Prim. prev.)

196

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

9.5. MOSNA TOPOLOGUA Nedostatak polumosnih spojeva, koji su upotrijebljeni za dobivanje pravo­ kutnog napona ili struje, jest u tome što zahtijevaju dva izvora, Vdc ili Ide> i zato što naponsko naprezanje sklopki iznosi 2Vdc ili strujno 2/dc· Upotrebom četirij u sklop­ ki u mosnom spoju potreban je samo jedan istosmjerni izvor, smanjuje se pojedi­ načno naprezanje sklopki i dobiva se dodatna metoda upravljanja. Jasno, mosni spoj zahtijeva dvostruko više sklopki. 9.5.1. Upravljanje snagom Razmotrili smo kako se upravlja razinom snage rezonancijskog pretvarača pomicanjem sklopne frekvencije na više ili na niže na strmom dijelu frekvencijske karakteristike impedancije rezonantnog filtra. Ova metoda upravljanja razinom

+ - Va----

(a) ia

Ide

t

Ide

o-

(b)

1T - a

a

I

1T

t!Ls,,lrt s3.4 s" _j S1 .2

Slika 9.16. Mosni spoj: a) s utisnutim naponom i b) s utisnutom strujom. U oba se slučaja mijenjanjem faznog kuta a upravlja razinom snage.

-w,t

9.6. ISPREKIDANI NAČIN RADA

197

snage ima dva nedostatka. Prvi nedostatak je u ograničenju pomaka sklopne frekvencije ws na više ili na niže od Wo; pomak ws na više ograničen je sklopnim karakteristikama sklopke, a pomak ws na niže ograničen je povećanjem udjela trećeg harmonika u naponu Va ili u struji ia. Drugi nedostatak se pojavljuje u slučaju da faktor dobrote Q rezonantnog RLC kruga nije dovoljno velik. Tada je frekvenci­ jska karakteristika impedancije preširoka oko %, te je potreban velik.i pomak frekvencije za postizanje širokog podrnčja upravljanja. Posljedica je, katkad, otežana upravljanje razinom snage u željenom području upravljanja. Rješenje ovih problema u serijskom rezonancijskom pretvaraču prikazuje slika 9.16.a). Trošilo je smještena unutar masnog spoja. U t = O vode sklopke 52 i 54, pa je Va = o. u t = afws isklopi 52 a uklopi SI> pa je Va = vdc· u t = (1t - a)ws isklopi 54 a uklopi 53, pa je Va = O. Takav redoslijed sklapanja se nastavlja i rezultira valnim oblik.om va prikazanim na slici 9.16.a). Taj valni oblik napona Va može se shvatiti da je nastao zbrajanjem dvaju pra­ vokutnih izmjeničnih napona amplitude VdJ2 i međusobnog »faznog« pomaka 2a. Ako se naponski izvor Vdc razdvoji na dva naponska izvora iznosa VdJ2 s dostupnom srednjom točkom, može se zamisliti da svaki polumosni spoj, 51,2 i 53,4, stvara pra­ vokutni napon između svoje srednje točke i srednje točke naponskih izvora. Valni oblik napona Va na slici 9.16.a) naziva se kvazipravokutni valni oblik. Njegov osnovni hannonik je:

4V

val = � cos a

(9.66)

1t

Za ws = w0 ovaj osnovni harmonik je na trošilu R. Ako se postavi ws w0, naponom trošila se može upravljati promjenom a u području od O do n/2. Pored širokog područja upravljanja, koje omogućuje ova topologija, dodatna je prednost i kon­ stantna sklopna frekvencija u slučajevima kada je to poželjno. (Jedna prednost upravljanja naponom pri konstantnoj frekvenciji je mogućnost upotrebe ugođenih filtara velikog faktora dobrote Q za potiskivanje smetnji uzrokovanih sklopnom frekvencijom koje bi mogle djelovati na osjetljive uređaje u okolici učinskog sklopa.) Razdvajanje prigušnice ili kondenzatora moguće je i u mosnom spoju. Mosni spoj se može upotrijebiti i za ostvarenje paralelnog rezonancijskog pretvarača, slika 9.16.b). =

9.6. ISPREKIDANI NAČIN RADA Do sada se u ovom poglavlju raspravljalo o rezonancijskim pretvaračima u tzv. neisprekidanom načinu rada. Kod ovog načina rada, sklopkama se upravlja tako da su rezonantna struja ia (u pretvaračima s utisnutim naponom) i rezonantni napon va (u pretvaračima s utisnutom strujom) neisprekidani, što znači da se titraji ne preki­ daju. Drugi su, glede načina rada, rezonancijski pretvarači u tzv. isprekidanom načinu rada. Kod ovog načina rada, rezonantna struja ia ili rezonantni napon Va svaku se periodu ili svakih pola periode prekidaju, a tijekom tih prekida su obično

198

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

jednaki nuli. Snagom se upravlja mijenjanjem trajanja prekida, slično kao što se upravlja istosmjernim pretvaračima mijenjanjem faktora vođenja. 9.6.1. Temeljni isprekidani način rada Osnovni serijski rezonancijski pretvarač u isprekidanom načinu rada prikazuje slika 9.17. Kada tranzistor Q1 uklopi, struja trošila zatitra, najprije pozitivnom polu­ periodom kroz Q1 a zatim negativnom poluperiodom kroz diodu D1. Dok dioda D1 vodi, tranzistor Q1 ne vodi, ali tranzistor Q2 još nije uklopljen. Kada struja padne na nulu i dioda D1 isklopi, sva četiri poluvodička elementa su isklopljena, te je struja ia jednaka nuli. Nakon nekog vremena, tijekom kojega nema toka energije prema trošilu, tranzistor Q2 uklopi i sklopna sekvenca se ponovi za donju polovicu spoja. Time je završena jedna perioda. Slika 9.17. prikazuje rezultirajući valni oblik struje trošila ia.

titraj izazvan uklapanjem Q1

titraj izazvan uklapanjem Q2

(b)

(a) Slika 9.17. Isprekidani način rada serijskog rezonancijskog pretvarača: a) serijski

rezonancijski pretvarački spoj, b) struja trošila.

Valja primijetiti da se ovim načinom rada izbjegavaju sklopni gubici bez razdva­ janja elemenata filtra. Tijekom uklapanja sklopke, napon na sklopci pada na nulu, ali struja sklopke počinje rasti od nule i raste s nagibom di/dt ograničenim filtarskim induktivitetom. Slično tome, neposredno prije isklapanja sklopke, struja sklopke polagano pada na nulu, umanjujući tako probleme u svezi s oporavljanjem diode. Negativna strana isprekidanog načina rada je ta što izlazni napon nije više sinu­ san; naime u jednom dijelu periode izlazni napon je jednak nuli. No, postoje mnoge

9.6. ISPREKlDANI NAČIN RADA

199

primjene za koje nije potreban izmjeničan napon bez viših harmonika, primjerice visokofrekvencijsko indukcijsko zagrijavanje i napajanje fiourescentnih lampi.

Potrebno je izračunati ukupnu energiju predanu trošilu za vrijeme svakog titraja serijskog rezonancijskog pretvarača na slici 9.17.a) . Usredotočimo se na titraj koji započinje uklapanjem sklopke S1 i nadima rezultirajući valni oblik stru­ je trošila. Najprije je potrebno utvrditi početne uvjete titraja. Početna struja kroz induktivitet ia(O) jednaka je nuli; ovo slijedi iz definicije isprekidanog načina upravljanja. Međutim, početni napon na kapacitetu ve(O) traži izvjesnu analizu, jer pozitivni poluval titraja nije simetričan negativnom zbog prigušenja izazvanog otporom R. Posljedica toga je da struja ia tijekom pozitivnog poluvala u kapacitet dovodi veću količinu naboja nego što je tijekom negativnog odvodi. Stoga je na kraju prigušenog titraja kapacitet nabijen na viši napon nego što je bio na početku. U ustaljenom stanju taj je porast napona na kapacitetu uravnotežen odgovara­ jućim padom napona tijekom prigušenog titraja koji započinje uklapanjem sklop­ ke S2, pa je ukupni naboj predan kapacitetu na kraju sklopne periode T jednak nuli. Ako se pretpostavi da je vc(O) = -Ve0 u trenutku uklapanja gornje sklopke S1, struja trošila je:

ia

(9.67)

=

gdje je: a = R/(2L), Q = Wal2a i wd = ...Jw; - a2• Struja trošila prestaje teći u trenutku t = 2n/wd, kada završava jedan titraj. Integracijom struje trošila od t = O do t = 2n/wd dobije se ukupni naboj predan kondenzatoru nakon jednog titraja: A

IJ.q

=

i-;;; 211

o

z. d t = '

vdc + Veo

�J1-(2�r

[ ] 1

-e

211a

-;d

-

w;

(j) -

d

(9.68)

Napon na kondenzatoru nakon ove promjene naboja, u ustaljenom stanju, zbog simetrije*, iznosi vc(T/2) = + Veo· Uočite da je vrijednost napona na kraju titraja vc(T/2) jednaka negativnoj vrijednosti napona na početku titraja vc(O). Zato je: * Simetrija ovdje znači da je y(x)

=

-y(x

+

T/2). (Prim. prev.)

200

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

(9. 69)

Veo = Vdc

--[ e w: ) 2 Jia

Wo wd

I

1 -e

(9.70)

2Jia wd

Slika 9.18. prikazuje rezultirajuće valne oblike struje trošila ia i napona na kapacite­ tu Vc. Energija predana trošiJu za vrijeme jedne sklopne periode iznosi: 21!

E

Snaga predana trošilu je:

=

2 f wd Jo

Ria2

dt

(9.71)

P = �E (9.72) 2n Snaga predana trošilu je linearna funkcija sklopne frekvencije w5 = 2n/T, sve dok je ws dovoljno nizak da je struja trošila isprekidana.

(a)

T 2

(b) Slika 9.18. Struja trošila a) i napon na kapacitetu b) u isprekidanom načinu rada pretvarača na slici 9.17.a).

9.7. REZONANCIJSKI ISTOSMJERNI PRETVARAČI 9.7.

201

REZONANCLJSKI ISTOSMJERNI PRETVARAČI

Važna primjena rezonancijskih pretvarača je za istosmjernu pretvorbu. Iako je u 6. poglavlju objašnjeno kako se takva pretvorba može ostvariti s općim sklopnim elementom, poluvodičke komponente u tim visokofrekvencijskim istosmjernim pretvaračima imaju relativno velike sklopne gubitke. Tijekom svakog sklapanja istodobno se mijenjaju i struja kroz sklopku i napon na sklopci, pa se može dogodi­ ti da se izgubi znatna energija tijekom sklapanja. U ovom poglavlju pokazali smo da rezonancijski pretvarači omogućuju skla­ panje s malo gubitaka tijekom kojeg je ili struja kroz sklopku ili napon na sklopci blizu nule. Ispravljanjem i filtriranjem na izmjeničnom izlazu rezonancijskog pret­ varača postiže se istosmjerna pretvorba bez sklopnih gubitaka, uvelike prisutnih u općem sklopnom elementu ostvarenom pomoću fizičkih sklopki. Takav pristup ukazuje na mogućnost povećanja sklopne frekvencije iznad vrijednosti koju omogućuje tehnologija poluvodičkih komponenata za nerezonantne topologije ili za topologije karakterizirane pravokutnim valnim oblicima. Važno je prisjetiti se da su naprezanja poluvodičkih i filtarskih komponenti u rezonancijskim pretvaračima veća nego u pretvaračima zasnovanim na općem sklopnom elementu. Valja također imati na umu da ispravljač na izmjeničnom izlazu rezonancijskog pretvarača treba niskopropusni filtar. Prema tome, rezonancijski istosmjerni pretvarač sadrži, uz komponente za pohranu energije koje tvore rezo­ nantni filtar, i komponente koje tvore niskopropusni filtar. 9.7.1. Osnovne topologije Istosmjerni izlaz iz rezonancijskog pretvarača (o topologijama se raspravljalo u odsječcima 9.2-9.4) dobije se umetanjem masnog ispravljača i velikog istosmjernog filtra između trošila i rezonantnog filtra. Istosmjerni filtar može se izvesti na dva načina: ili s velikim kapacitetom u paraleli s trošilom ili s velikim induktivitetom u seriji s trošilom. Kapacitet čini trošilo naponskim ponorom, a induktivitet strujnim ponorom. Slika 9.19. prikazuje serijski rezonancijski pretvarač u polumosnom spoju s istosmjernim filtrom izvedenim na oba spomenuta načina. * Gledajući s izmjenične strane masnog ispravljača, zbog njegovog ispravljačkog djelovanja, trošilo se ponaša poput naponskogponora pravokutnog valnog oblika ako je na njegovoj istosmjernoj strani kapacitet, a poput strujnog ponora pravokutnog valnog oblika ako je na njegovoj istosmjernoj strani induktivitet. U prvom slučaju kapacitivnog filtra, kada krug trošila ima karakteristiku naponskog ponora, trošilo se ne može spojiti u paralelu s rezonantnim kapacitetom C„ već samo u seriju s rezonantnim induktivitetom L„ Suprotno tome, u slučaju induktivnog filtra, kada krug trošila ima karakteristiku strujnog ponora, trošilo se ne može spojiti u seriju s induktivitetom već samo u paralelu s kapacitetom Cr. Diode masnog ispravljača u ovim topologijama imaju male sklopne gubitke, jer se tijekom sklapanja ili napon na sklopci ili struja kroz sklopku mijenjaju po sinu­ soidi. U krugu trošila s karakteristikom naponskog ponora, slika 9.19.a), napon na *

Pretvarač s naponskim ponorom detaljno je objašnjen u primjeru 12.3. (II. dio ove knjige). (Prim. prev.)

202

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI

diodama skokovito poraste, ali ovaj skok se događa kada izmjenična struja ia prolazi po sinusoidi kroz nulu. Suprotno tome, u krugu trošila s karakteristikom strujnog ponora, slika 9.19.b), struja kroz diode skokovito poraste, ali ovaj skok se događa kada izmjenični napon vc prolazi po sinusoidi kroz nulu.

(a)

-

c,

(b) Slika 9.19. Jezgra ovog istosmjernog pretvarača je serijski rezonancijski pretvarač:

a) trošilo pretvoreno u naponski ponor filtriranjem istosmjernog na­ pona velikim kapacitetom cd i b) trošilo pretvoreno u strujni ponor filtriranjem istosmjerne struje velikim induktivitetom Ld.

9.7.2. Nesimetrične topologije Dosad raspravljeni rezonancijski pretvarači bili su simetrični. To znači da je re­ zonantni filtar bio istovjetno pobuđivan u pozitivnoj i negativnoj poluperiodi. Nesimetrični istosmjerni pretvarač prikazan je na slici 9.20.a). Tiristor uklapa i pobu­ đuje titraj, a kada struja ia padne na nulu, tiristor isklapa. Rezonancijski kapacitet

9.7.

203

REZONANCIJSKI ISTOSMJERNI PRETVARAČI

se nakon toga izbija kroz opteretni otpor. Napon v0 ima istosmjernu komponentu, te zato nesimetrični spojevi imaju ograničenu primjenu. Primjerice, općenito nisu prikladni za napajanje trošila preko transformatora. Mogu se upotrijebiti za generi­ ranje visokonaponskih ili jakostrujnih impulsa, a da su pri tome sklopni gubici mali. Nadalje, mogu se upotrijebiti za izgradnju istosmjernih pretvarača - osnovnom sklopu treba dodati niskopropusni filtar između kondenzatora C, i trošila R. Ovaj pretvarač je poznat pod nazivom kvazirezonancijski istosmjerni pretvarač. i.

�

Q

v.k

c,

vo R

+

Vo 7T

wd

-

(b)

(a)

Slika 9.20. a) Nesimetrični rezonancijski pretvarački spoj. b) Valni oblici struje ia

kroz induktivitet i izlaznog napona v0.

Slika 9.21. prikazuje pretvarač sa slike 9.20. s dodanim velikim induktivitetom Ld u seriji s opteretnim otporom. Dodani induktivitet Ld i opteretni otpor R tvore niskopropusni filtar. Poredna dioda D sprječava prepolarizaciju kapaciteta strujom Id na veliki negativni napon dok je sklopka Q isklopljena. Izračunajte potrebno tra­ janje sklopne periode T ako napon na opteretnom otporu V0 treba biti 30 V? Rad ovog spoja je jednostavan. Za ovu analizu, serijski spoj filtarskog indukti­ viteta i opteretnog otpora modelirat ćemo strujnim ponorom. Kada Q uklopi, ia O i vc = O. Poredna dioda D vodi sve dok struja ia ne postane jednaka Id, u tom trenutku L, i C, stvore titrajni krug. Započinje neprigušeni titraj. Titraj nije prigušen zato što je trošilo modelirano strujnim ponorom. Titrajna frekvencija iznosi O je: =

. Za = Id +

Vdc . fE L, c,

S1Il (.t)0 (

(9.73) (9.74)

204

9. REZONANCIJSKI PRETVARAČI jd

L,

-

Q

Ld

+

vdc

Vc

D

c,

R

+

V,,

=

20 µ.H

C, = 5 µ.F

Y.Jc

SO V 20 A ld = 30 V V,, Ld � ..!_ T R =

=

i. sinusoida

pravac

toff < t < toff + /IJ2

O

1off

- a11

10ff + /IJ2

Slika 9.21. Nesimetrični rezonancijski istosmjerni pretvarački spoj. Pretvarač ove

topologije poznat je pod nazivom kvazirezonancijski istosmjerni pre­ varač.

Izjednačavanjem (9.73) s nulom i rješavanjem po t0fi dobije se trenutak isklapanja Q:

t0ff = -1- sin-1 (i) o

fh dvc:' = 40,7 µs

-I

vđc

(9.75)

Iz (9.74) dobije se vc(t0ff) = 80 V Vrijeme potrebno da struja Id izbije kondenzator Cr na nulu iznosi 20 µs. Valni oblici ia i vc prikazani su na slici 9.21. Sada se može izračunati srednja vrijednost izlaznog napona V0• Ona je jednaka srednjoj vrijednosti napona na kondenzatoru Vc u sklopnoj periodi T:

vo = (vc ) =

� [f:off vdc (l - cos wot ) dt + � . 80 . (20 x l 0-6) ]

3, 24 x l 0-3

= ----

T

Uvrštenjem V0 = (vc) = 30 V dobije se T = 108 µs.

(9.76)

BILJEŠKE I LITERATURA

205

Kvazirezonancijski pretvarač na slici 9.21. sliči spoju izravnog pretvarača s općim sklopnim elementom iz 6. poglavlja. Zapravo, kada bi sklopna frekvencija 1/T bila dovoljno visoka, u pretvaraču s općim sklopnim elementom ne može se zane­ mariti parazitni induktivitet L, i kapacitet PN prijelaza C, diode D. U svih pretvarača opisanih u ovom poglavlju struja istosmjemog izvora ima visokofrekventne komponente. Te visokofrekventne komponente se potiskuju niskopropusnim filtrom između istosmjernog izvora i sklopki. Primjerice, u spoju na slici 9.21., filtar sadrži kapacitet paralelno spojen izvoru vdc - to je kapacitet općeg sklopnog elementa.

Bilješke i literatura Literatura obiluje člancima o rezonancijskim pretvaračima. Priloženi popis lite­ rature je uzorak dobrih članaka iz nekoliko područja. U članku [l] predstavljen je Maphamov izmjenjivač; ovaj izmjenjivač je izvorno razvijen s tiristorskim sklopka­ ma. Članci [2]-[4] predlažu projektne inovacije postojećih pretvaračkih sklopova. Primjena raspravljena u [2] uvod je u kućanske aparate za kuhanje, možda ćete ustanoviti da je to posebice zanimljivo. Izmjenjivač s vremenskim rasporedom (engl. time-shared inverter) uveden u (4] omogućuje upotrebu tiristora na frekvencijama nekoliko puta većim od granice koju određuje vrijeme opravljanja tq . U člancima [5] i [6] riječ je o projektiranju i modeliranju. U članku [7] prvi put se raspravljalo o koncepciji kvazirezonancijskog pretvarača. U članku [8] raspravljene su i primijenjene metode usporedbe i vrednovanja spojeva; ove metode pomažu da dođete do nezavisnih zaključaka o karakteristika­ ma novih topologija, jer je većina novih topologija opisana svojim zagovornicima. Dva dobra članka, koja pažljivo uspoređuju nove topologije, jesu [9] i [10].

[l]

N. Mapham, »An SCR Inverter with Good Regulation and Sine Wave Output«, IEEE Trans. Industry and General Applications 3 (2): 176-187 (March/April 1967).

[2]

H. Omari, M. Nakaoka, H. Yamashita i T. Maruhashi, »A Novel Type Inductions-Heating Single-Ended Resonant Inverter Using New Bipolar Darlington Transistor«, IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC) Record (1985) 590-599.

[3]

J. G. Kassakian, »A New Current Mode Sine Wave Inverter«, IEEE Trans. Industry Applications 18 (3): 273-278 (May/June 1982).

(4]

M. Nakaoka, N. M. Vietson, T. Maruhashi i M. Nfshimura, »New Voltage­ Fed Time-Sharing High Frequency Thyristor Inverter Circuits and Their Applications«, Proc. IEEE !AS Annual Meeting (1979) 399-413.

[5]

D. M. Divan, »Design Considerations for Very High Frequency Resonant Mode dc/dc Converters«, IEEE Trans. Power Electronics 2 (1): 45-54 (January 1987).

206

9. REZONANCIJSKI PRETVARAĆI

[6]

[7]

R. J. King i T. A Stuart, »Modeling the Full Bridge Series Resonant Power Converter«, IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems 18 (4) : 449-460 (July 1982).

K.-H. Lie, R. Oruganti i F. C. Lee, »Resonant Switches-Topologies and Characteristics«, IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC) Record (1985), 106-116.

[8]

M. F. Schlecht i L. F. Casey, »Comparison of the Square-Wave and Quasi­ Resonant Topologies«, Proc. IEEE Applied Power Electronics Conference (APEC) (San Diego, 1987), 124-134.

[9]

R. L. Steigerwald, »A Comparison of Half-Bridge Resonant Converter Topologies«, Proc. IEEE Applied Power Electronics Conference (APEC) (San Diego, 1987), 135-144.

[10]

S. D. Johnson, A F. Witulski i R. W. Erickson, »A Comparison of Reso­ nant Topologies in High Voltage DC Applications«, Proc. JEEE Applied Power Electronics Conference (APEC) (San Diego, 1987), 145-156.

10. IZMJENIČNI PRETVARAČI

Izmjenični pretvarači uzimaju snagu iz jednog izmjeničnog sustava i daju je drugome, uz izmijenjene valne oblike priključnih varijabli po amplitudi, frekvenciji ili fazi. Izmjenični sustavi mogu biti jednofazni ili višefazni, a jalova snaga može pos­ tojati na ulaznoj strani, na izlaznoj strani ili na obje strane, zavisno od toga kakva je topologija pretvarača. Glavna primjena izmjeničnih pretvarača je u elektromotornim pogonima promjenljive brzine vrtnje. Raspon složenosti takvih uređaja vrlo je širok, od jednostavnih izmjeničnih regulatora u proizvodima poput električnih bušilica pro­ mjenljive brzine vrtnje ili u kuhinjskim aparatima, pa do visokosofisticiranih četve­ rokvadrantnih pretvarača s modulacijom širine impulsa u vučnim elektromotornim pogonima. Sva projektna rješenja izmjeničnih pretvarača se zasnivaju na neizravnoj i izravnoj pretvorbi. Pretvarači zasnovani na neizravnoj pretvorbi nazivaju se pret­ varači s istosmjernim međukrugom, jer imaju istosmjerni sustav između izmjeničnih sustava. Istosmjerni međukrug se još naziva istosmjerni međustupanj, istosmjerne međusabirnice ili istosmjerne sabirnice. Pretvarači zasnovani na izravnoj pretvorbi nazivaju se izmjenični regulatori i ciklopretvarači. U pretvarača s istosmjernim međukrugom najprije se ispravljanjem izmjenični sustav pretvara u istosmjerni, a zatim izmjenjivanjem u izlazni izmjenični sustav. Kondenzator ili prigušnica između dva stupnja pretvarača pohranjuje trenutačnu razliku između ulazne i izlazne snage. Ispravljačem i izmjenjivačem se može upravljati nezavisno samo ako su srednje snage ulaznog i izlaznog sustava jednake. Ovisno o primjeni, ulazni i izlazni stupanj pretvarača s istosmjernim međukru­ gom može biti fazno upravljivi pretvarač, visokofrekvencijski izmjenjivač ili rezo­ nancijski pretvarač. Topologije spomenutih pretvarača već smo proučili u poglavlji­ ma 3-9. Zato ćemo u ovom poglavlju raspravu o pretvaračima s istosmjernim međukrugom usredotočiti na zahtjeve koji se postavljaju na komponente istosm­ jernog međukruga za pohranu energije.

208

10. IZMJENIČNI PRETVARAČI

Ciklopretvarač nema istosmjerni međukrug. Ulazni izmjenični valni oblici priključnih varijabli izravno se pretvaraju u željene izlazne izmjenične valne oblike priključnih varijabli. Slika 10.1. ilustrira osnovno načelo ciklopretvarača. Ulazni napon vi je sinusan i više frekvencije od izlaznog (u ovom slučaju tri puta više). Upravljanjem sklopkama sastavlja se napon v0 koji ima frekvenciju osnovnog har­ monika jednaku frekvenciji željenog izlaznog napona vac· Viši harmonici napona v0 potisnu se filtriranjem. U ovom ilustrativnom primjeru naponski izvor vi je jednofazan. Mnogo češće se upotrebljavaju višefazni naponski izvori jer ciklopretvarači s višefaznim ulazom imaju bolje karakteristike.

+ V;

+

filtar

(a) 27T

.I

.

(b) Slika 10.1. Ilustracija načela rada ciklopretvarača: a) elementarni spoj ciklopre­

tvarača i b) valni oblici izmjeničnog naponskog izvora v;, nefiltriranog izlaznog napona va i filtriranog izlaznog napona vac·

10.1. ZAHTJEVI ZA POHRANU ENERGUE U PRETVARAČU S ISTOSMJERNIM MEĐUKRUGOM

209

Općenito uzevši, sklopkama ciklopretvarača se upravlja tako da se izlazni priključci pretvarača spajaju na one priključke ulaznog naponskog izvora čiji je napon najbliži željenom izlaznom naponu u tom trenutku. Sklopke koje omogućuju takvo spajanje najčešće moraju biti naponski bipolarne a strujno dvosmjerne. Ovo je još jedan razlog zašto su ciklopretvarači vrlo složeni. Izmjenični regulator, opisan u 2. poglavlju, može se smatrati topološki najjednostavnijim ciklopretvaračem, ali on se može upotrijebiti samo onda kada nije potrebna pretvorba frekvencij e. Za visokoučinske primjene, primjerice za vučne pogone na željeznici ili za valja­ čke pogone u željezarama potrebno je upotrijebiti tiristore, zato što su u tim pogoni­ ma radni naponi i struje veliki.* Pretvarači s istosmjernim međukrugom projektirani s tiristorima moraju u izmjenjivačkom stupnju imati posebne sklopove za komutaci­ ju tiristora; takva komutacija se katkad naziva prisilna komutacija. Važna prednost ciklopretvarača za ove visokoučinske primjene je ta da se komutacija tiristora može izvršiti izmjeničnom mrežom; takva komutacija se kadšto naziva prirodna komutaci­ ja, no bolji je naziv komutacija mrežom. Ciklopretvarač koji radi na taj način se katkad naziva prirodno komutirani ciklopretvarač* * .

10.1. ZAHTJEVI ZA POHRANU ENERGIJE U PRETVARAČU S ISTOSMJERNIM MEĐUKRUGOM Općenito, snaga na ulazu u pretvarač s istosmjernim međukrugom nije u svakom trenutku jednaka snazi na izlazu iz pretvarača. Neka, primjerice, ulazni i izlazni valni oblici prilaznih varijabli imaju zanemariva izobličenje (dakle, sinusni su), ali neka se razlikuju po amplitudi, frekvenciji ili fazi, kao što prikazuje slika 10.2. Valni oblik snage na oba prilaza ima i istosmjernu i izmjeničnu komponentu (frekvencija izmjenične komponente snage je dvostruko veća od osnovne frekvenci­ je pripadnih prilaznih varijabli). Ove valne oblike ulazne Pi i izlazne snage Po također prikazuje slika 10.2. Ako je djelotvornost pretvarača 100 %, srednja izlazna snaga je jednaka srednjoj ulaznoj snazi, pa su istosmjerne komponente snaga na slici 10.2.a) i b) jednake. No, pošto ulazna i izlazna frekvencija mogu biti različite, izmjenične komponente snaga ne moraju biti jednake. Razliku između trenutačne ulazne i izlazne snage mora primiti ili predati element za pohranu energije u samom pretvaraču. U pretvaraču s istosmjernim međukrugom, element za pohranu energije koji služi za izjednačavan­ je opterećenja nalazi se u istosmjernom međukrugu. Element za izjednačavanje opterećenja pohranom energije može biti ili kapacitet ili induktivitet ili oboje. Izbor ovisi o topologiji ulaznog i izlaznog stupnja pretva­ rača. Za topologije koje zahtijevaju da istosmjerni sustav ima karakteristiku napon­ skog izvora, potreban je kapacitet; a za topologije koje zahtijevaju da istosmjerni sustav ima karakteristiku strujnog izvora, induktivitet. * Knjiga je napisana u doba kada još nije bio razvijen visokoučinski IGBT. (Prim. prev.) * * Bolji naziv je »mrežom komutirani ciklopretvarač«. (Prim. prev.)

210

1 0. IZMJENIĆNI PRETVARAĆI

(a)

(b)

Slika 10.2. Valni oblici napona, struje i snage na ulaznim i izlaznim prilazima pret­

varača s istosmjernim međukrugom (uz zanemarenje harmoničkog izobličenja): a) ulazni napon vi, struja ii i snaga Pi(t) i b) izlazni napon v0, struja i0 i snaga p0(t).

Primjerice, u odsječku 8.3.2. naučili ste kako se dobije izmjenični napon iz istosmjernog upotrebom masnog spoja sklopki; modulacijom faktora vođenja mosnih sklopki dok rade s visokom sklopnom frekvencijom. Ako sklopke imaju antiparalelno spojene diode, tok energije može biti u oba smjera. Stoga se jedan takav pretvarač može upotrijebiti za ulazni a drugi za izlazni stupanj pretvarača s istosmjernim međukrugom. Oba pretvarača zahtijevaju naponski izvor na svojim istosmjernim prilazima, pa se na istosmjerne sabirnice stavlja veliki kapacitet, kao što prikazuje slika 10.3.a). Za ulazni i izlazni stupanj pretvarača s istosmjernim međukrugom može se još upotrijebiti fazno upravljivi pretvarač. Proučavanjem 5. poglavlja uvidjeli ste da fazno upravljivi pretvarač mora imati veliki induktivitet u seriji s istosmjernim pri­ lazom za održavanje istosmjerne struje konstantnom tijekom cijele periode mrež­ nog napona. Taj induktivitet je element za izjednačavanje opterećenja pohranom energije u pretvaraču s istosmjernim međukrugom, slika 10.3.b ). Upotreba fazno upravljivih pretvarača uvjetuje da se i ulazni i izlazni stupanj moraju priključiti na izmjenični naponski izvor (mrežu). Upravo taj način spajanja dva izmjenična susta­ va je u istosmjernom veleprijenosu istosmjerne sabirnice su, zapravo, istosmjerni prijenosni vod. Tipični fizički pretvarač s istosmjernim međukrugom ima fazno upravljivi ispra­ vljač za preuzimanje energije iz napojne mreže i izmjenjivač s utisnutim naponom za predaju energije izmjeničnom trošilu. Prvi zahtijeva strujni, a drugi naponski izvor u istosmjernom međukrugu. U ovom slučaju sklop za izjednačavanje opterećenja s pohranom energije je ostvaren pomoću dviju komponenti: serijske prigušnice i paralelnog kondenzatora, slika 10.3.c). -

211

10. 1 . ZAHTJEVI ZA POHRANU ENERGUE U PRETVARAĆU S ISTOSMJERNIM MEĐUKRUGOM

+

ulazni

�c

izmjenični sustav

izlazni izmjenični sustav

(a)

ulazni

izlazni

izmjenični

izmjenični

sustav

sustav

(b)

+

ulazni izmjenični

�c

sustav

izlazni izmjenični sustav

(c) Slika 10.3. Mogući izbor elemenata za pohranu energije na istosmjernim sabirni­

cama: a) kapacitet, ako oba izmjenjivača zahtijevaju istosmjerni napon­ ski izvor, b) induktivitet, ako oba izmjenjivača zahtijevaju istosmjerni strujni izvor, c) kapacitet i induktivitet, ako jedan izmjenjivač zahtijeva istosmjerni naponski izvor a drugi istosmjerni strujni izvor.

Vrijednost elementa za izjednačavanje opterećenja pohranom energije ovisi o iznosu valovitosti njegove energije i o dopuštenom iznosu valovitosti njegove vari­ jable stanja. Primjerice, da bi se odredila vrijednost kapaciteta C8 na slici 10.3.a)

212

1 0. IZMJENIČNI PRETVARAČI

potrebno je najprije naći razliku između vremenskog tijeka ulazne i izlazne snage. Integral ove razlike jednak je vremenskom tijeku energije koju kondenzator C8 periodički prima i daje. Dovođenjem u vezu valovitosti energije kapaciteta od vrha do vrha llEc i valovitosti napona na kapacitetu od vrha do vrha Livdo ako je (vdc) = = vde> dobije se:

A EC

= _!_ C 2

B

[(v

A dc + vdc 2

Odavde se određuje vrijednost C8.

) - (v 2

dc

_

Avdc 2

)] 2

(10.1)

Treba odrediti vrijednost kapaciteta C8 u pretvaraču s istosmjernim međukru­ gom na slici 10.3.a) tako da je Avdc < 0,1 Vdo tj. tako da je valovitost napona isto­ smjernog međukruga manja od 10 % Vdc· Uzmimo da ulazne i izlazne prilazne va­ rijable imaju zanemariva izobličenje. Najprije treba odrediti valovitost energije kapaciteta od vrha do vrha llEc nastalu zbog razlike vremenskog tijeka ulazne i izlazne snage, a zatim upotrijebiti jednadžbu (10.1) za dobivanje C8. Ulazna snaga ima istosmjernu i izmjeničnu komponentu (drugi harmonik), slika 10.2.a). Ako su ulazni napon i struja u fazi, amplituda drugog harmonika Piz jednaka je vrijednosti istosmjerne komponente PiO. Ako pak nisu u fazi, postoji ulaz­ na jalova snaga, te je Piz > Prn . * Općenito vrijedi:

Pi2 - � cos (}i

(10.2)

e; je fazni pomak između struje i napona.

Izlazna snaga isto tako ima istosmjernu i izmjeničnu komponentu (drugi har­ monik), i vrijedi ista veza između amplitude drugog harmonika P02 i vrijednosti istosmjerne komponente P00. * * Istosmjerne komponente snaga PiO i P00 su jednake, a razliku između izmje­ ničnih komponenata snaga Pi2 i P02 preuzima kondenzator C8. Ako su frekvencije ulaznog i izlaznog sustava w; i w0, izmjenične komponente snage su: * * * P;2 (t) = P;2 cos 2W ;t

P;

=

o- cos2w;t -cos (} i

Poo P02 (t) = P02 COS 2W0t = -- COS 2 W0t cos e o

(10.3) (10.4)

Uvažavanjem PiO = P00, i odbijanjem (10.4) od (10.3) dobije se:

*

P;2 (t) - p02 (t) = � (cos2w;t - /3 cos 2w 0 t) cos e ;

*"' Indeks o označuje izlaz (od engl. output). (Prim. prev.)

( 1 0.5)

Indeks i označuje ulaz (od engl. input). (Prim. prev.)

* * * Nije uzet u obzir međusobni fazni položaj 8i2 i 802. Račun će pokazati da to za procjenu valovitosti energije Me nije potrebno. (Prim. prev.)

213

10.2. MREŽOM KOMUTIRANI CTKLOlf.ETVARAČ

gdje je j3 = cos Đ/cos e0• Ukupna energija Ec(t) kondenzatora CB istosmjernog međukruga sastoji se od istosmjerne komponente Ectc i izmjenične komponente Eac(t). Izmjenična kompo­ nenta se može odrediti integriranjem (10.5):

- f[

Eac (t) -

P;2(t) - Po2 (t)] dt -

(

- � sin2w; t COS lJ; 2W;

13

sin2w 0 t 2wo

)

(10.6)

Pozitivni vrh ove funkcije je za sin2wit = 1 i sin2waf = - 1, a negativni vrh za sin2w/ = = - 1 i sin2w0t = 1 . Zato promjena Ec od vrha do vrha iznosi: D.. Ec =

�(_l._+L) cosĐ; W;

(10.7)

W0

Izjednačavanjem Me s promjenom energije kapaciteta zbog promjene napona od 0,95 vdc do 1,05 vdc (10 % ), dobije se CB:

Cs =

1

2

[(1,05 vdc )2 - (0,95 vdc )2

1

(10.8)

Za Pm = 10 kW, wi = 2rc · 60, w0 = 2rc · 400, ()i = rc/6, 00 = O i Vctc = 200 V, dobi­ je se fJ = 0,866, Me =34,6 J i CB = 8 650 µF.

10.2. MREŽOM KOMUTIRANI CIKLOPRETVARAČ Glavna primjena ciklopretvarača je za izmjeničnu pretvorbu u području veoma velikih razina snage, tipično većih od 100 kW Jedina poluvodička komponenta koja ima potrebnu naponsku i strujnu opteretivost u ovom području veoma velikih razi­ na snage je tiristor. * U mrežom komutiranom ciklopretvaraču tiristori ne trebaju po­ sebne krugove za komutaciju. Zato ćemo se u ovom odsječku ograničiti na mrežom komutirane ciklopretvarače u kojima se upotrebljavaju tiristori. Ciklopretvarači manjih razina snage mogu se izvesti s punoupravljivim sklopka­ ma, primjerice s tranzistorima. No, najčešće je povoljniji izbor izmjenični pretvarač s istosmjernim međukrugom, jer ciklopretvarači imaju veliki broj sklopki i složene upravljačke krugove.

10.2.1. Načela rada U odsječku 5.4. raspravljalo se o radu šestopulsnog fazno upravljivog pretvara­ ča, kojeg ponovo prikazuje slika 10.4.a). Izlazni napon tog pretvarača, kod kuta upravljanja a, je: (10.9) * Knjiga je napisana u doba kada još nij e bio razvijen visokoučinski IGBT. (Prim. prev.)

214

1 0. IZMJENIČNI PRETVARAČI

Vee je amplituda linijskog napona. Primijetite: ako kut upravljanja a raste od O do 7t, izlazni napon pada od Vdo do - Vdo· Ako se kut a mijenja sporo, tj. ako je frekven­ cija mijenjanja kuta a mala u usporedbi s frekvencijom ulaznog napona wi, onda trenutačna srednja vrijednost napona vd(t), vd(t), predstavlja vremenski promjenljivi izlazni napon v0(t). Dakle, v 0(t) vd(t). Ovaj postupak sintetiziranja vremenski pro­ mjenljivog valnog oblika mijenjanjem kuta upravljanja a sličan je postupku obliko­ vanja valnog oblika izlaznog napona istosmjernog pretvarača opisanom u odsječku 8.3. U opisanom postupku upotrijebljen je vremenski promjenljivi faktor vođenja d(t) za moduliranje izlaznog napona. Oblikovanje izlaznog napona istosmjernog pretvarača modulacijom širine impulsa jednostavno je zbog linearne ovisnosti trenutačne srednje vrijednosti napona o faktoru vođenja d(t). Oblikovanje valnog oblika izlaznog napona fazno upravljivog pretvarača, međutim, složenije je zbog nelinearne ovisnosti trenutačne srednje vrijednosti vd(t), dane izrazom (10.9), o kutu upravljanja a(t). Neka se, primjerice, traži da je vd(t) = v0 sinusan, tj.: =

(10.10)

Va vb

+

1 J

1 j

Vo

vd

Vc

Q4

Qz

(a)

vbc

Vca

,,.

Vcb

vab

V�

(b)

Slika 10.4. a) Šestopulsni, fazno upravljivi, dvokvadrantni (I. i II. kvadrant) pret­

varački spoj. b) Izlazni napon, ako se spojem a) upravlja tako da je mrežom komutirani ciklopretvarač. Napon v� je željeni valni oblik izlaznog napona. Ako je L ispravno dimenzionirao, onda je v0 "' v�

10.2. MREŽOM KOMUTIRANI CIKLOPRETVARAČ

215

gdje je m0 « mi i V0 < Vdo· Traženi kut upravljanja a(t) mora biti takav da je: vo

=

vdo cosa(t) = vdo sin w o t

(10.1 1)

( ::

(10.12)

Prema tome, uvjet na vremensko mijenjanje kuta upravljanja a je: a(t) = co s-

1

)

sin m0t

Slika 10.4.b) prikazuje valni oblik napona vd(t) koji daje takav a(t). Valni oblik napona koji se želi sintetizirati je v � ; ako je Wa « mi, induktivitet učinkovito prigušuje više harmonike napona vd, pa je v0 � v � . Međutim, što su m0 i mi bliži, izlazni filtar sve više utječe i na fazu i na amplitudu osnovnog harmonika napona vd· U izvedenim upravljačkim sklopovima, funkcija a(t), dana formulom (10.12), najčešće se ostvaruje neizravno, usporedbom linijskih ulaznih napona sa željenim valnim oblikom izlaznog napona v�· Sljedeći tiristor uklapa tek kada bi uklapanjem nastali napon vd bio bliži željenom naponu v� od postojećeg napona vd· Primjerice, tik prije trenutka t1 na slici 10.4.b), napon vbc je spojen preko Q3 i Q2 na izlaz. U trenutku t1 struja komutira od Q2 na Q4. Iza trenutka t 1 na izlaz je spojen napon vba preko Q3 i Q4. Trenutak t1 je trenutak u kojem se naponi vbc i vba jednako razlikuju od napona v� ali iza trenutka t1 napon vbc se udaljuje dok se napon vba približuje naponu v � . Dakle, u tom odabranom trenutku t1 okida se Q4, odigra se komutacija struje između Q2 i Q4, a vd poprima vrijednost vba- Trenutak sljedeće komutacije se odredi usporedbom vca - v � sa v � - vba' i tako dalje. Q5 v. vb

+

L

+

1

1

Vo

j

vd

vc

Q6

j

(a) Vbc

Vba

Vab

vo'

(b) Slika 10.5. a) Dvokvadrantni (III. i IV kvadrant), tzv. negativni pretvarački spoj. b)

Napon vd pretvaračkog spoja a) i željeni valni oblik izlaznog napona v�

216

1 0. IZMJENIĆNI PRETVARAČI

Nedostatak do sada razvijenog izmjeničnog pretvarača je u tome što izlazna struja može biti samo pozitivna, makar izlazni napon može biti i pozitivan i negati­ van. Za dobivanje dvosmjerne izlazne struje (tj. dvosmjerne struje trošila) potrebno je paralelno s ovim tzv. pozitivnim pretvaračem, koji daje pozitivnu struju, spojiti isti takav s obrnuto usmjerenim tiristorima, tzv. negativni pretvarač, koji daje negativnu struju. Negativni pretvarač prikazuje slika 10.5.a). Njegov izlazni napon prikazuje slika 10.5.b). Primijetite: zbog obrnuto usmjerenih tiristora, izlazni napon ima ne­ gativni skok kod komutacije. Sastavljeni spoj, poznat pod nazivom četverokvadrantni mrežom komutirani cik­ lopretvarački spoj, prikazuje slika 10.6.a). Valni oblici na slici 10.6.b) pokazuju kako ta dva pretvarača stvaraju izmjenični izlazni napon za zadanu izlaznu struju. Primijetite: smjer skoka napona vd u trenutku komutacije pokazuje u kojem dijelu periode radi pozitivni pretvarač a u kojem dijelu negativni. U trenutku t0 vođenje se prebacuje s negativnog na pozitivni pretvarač.

L

(a)

Vab

Vac

Vbc

Vba

Vca

/

Vcb

Vab

(b)

Slika 10.6. a) Mrežom komutirani četverokvadrantni ciklopretvarački spoj dobiven

sastavljanjem pozitivnog i negativnog fazno upravljivog pretvaračkog spoja. b) Izlazni napon i struja ciklopretvaračkog spoja na slici a).

10.2. MREžOM KOMUTIRANI CIKLOPRETVARAČ

217

Slika 10.7. prikazuje blokovsku shemu sklopa prikladnog za upravljanje sa šest mrežom komutiranih sklopki ciklopretvarača na slici 10.6. Automat s konačnim bro­ jem stanja ima šest stanja, po jedno za svaku sklopku (dvanaest tiristora). Izlazni napon vd1 analognog multipleksora MUXi je sintetizirana signalna inačica napona pretvarača vd· Izlazni napon vdZ drugog analognog nmltipleksora MUX2 je jednu komutaciju ispred napona vdl i vd· Prema tome, napon vdZ pretkazuje 60 ° el. ranije što će se dogoditi s naponom pretvarača vd· Bit ideje ove upravljačke sheme je da komutacija pretvarača započne u trenutku kada su valni oblici napona vdi i vdZ jednako udaljeni od valnog oblika v� ali su na njegovim suprotnim stranama. U tom trenutku algebarski zbroj napona v1 = vd1 - v� i v2 = vd2 - v� jednak je nuli. Primjerice, tik prije trenutka t1 na slici 10.4.b) je vd1 = vd = vbc i Vdz = vba- U trenutku ti je Vi < O i v2 = - Vi. pa detektor nule signala prebaci automat s konačnim brojem stanja jedan korak dalje, te se odi­ gra komutacija tiristora i sklapanje multipleksora. Gornji opis se temelji na pretpostavci da je struja trošila i0 pozitivna i da zato vodi pozitivni pretvarač. U tom je slučaju prelazak preko nule signala v3 od pozi­ tivnih vrijednosti k negativnim. Ako je struja trošila negativna, prelazak preko nule signala v3 je od negativnih vrijednosti k pozitivnim, kao što se vidi na slici 10.5.b) .

na

v. Vb

�

]r

vc-

Vab

6 sklopki ciklopretvarača (i2 tiristora)

vab Vac vbc Vba Vca vcb

Vac vbc Vba vca Vcb vab

MUX1 -o

V� MUX2

detektor nule signala

jo

-o

'

Vo

Slika 10.7. Blokovska shema sklopa za upravljanje ciklopretvaračem sa slike 10.6.

218

10.

IZMJENIČNI PRETVARAČI

Smjer struje trošila je zato ulazni signal u detektor nule signala. On određuje koji je smjer prolaska signala v3 preko nule valjan u tom trenutku.

Va ib

�

vb

vdh

(b)

(a) Slika 10.8. a)

Ciklopretvarački spoj s trofaznim ulazom i trofaznim izlazom sas­

tavljan od šest tropulsnih usmjerivačkih spojeva sa srednjom točkom. b) Valni oblici faza

10.2.2. Ciklopretvarači

s

a

i

b ciklopretvarača na slici

a).

višefaznim izlazom

Većina visokoučinskih primjena zahtijeva ciklopretvarače s višefaznim izla­ zom; primjerice, za pogon velikog trofaznog stroja promjenljive brzine vrtnje,

BILJEŠKE I LITERATURA

219

napajanog iz raspoložive trofazne mreže stalne frekvencije. Za dobivanje tri potreb­ na izlaza mogu se upotrijebiti tri ciklopretvarača, tri puta onaj sa slike 10.6., ali se izlazi pojedinih ciklopretvarača ne mogu izravno spojiti u trokut ili zvijezdu. Razlog tome je taj što su izlazni priključci svakog ciklopretvarača, putem tiristora koji vode, izravno spojeni na ulazne naponske izvore. Ako bi se spojila dva takva priključka, došlo bi do kratkog spoja ulaznih naponskih izvora. Zato, ako se za svaku fazu upotrijebi posebni ciklopretvarač, da bi se izlazi pojedinih ciklopretvarača mogli međusobno spojiti na strani trošila, u sklop se moraju staviti ulazni ili izlazni izo­ lacijski transformatori. Drugi način tvorbe trofaznog ciklopretvarača, kojim se izbjegavaju izolacijski transformatori i ujedno prepolovljuje broj potrebnih sklopki, prikazuje slika 10.8.a). Ovim načinom, tri izlazna napona se dobivaju upotrebom tri tropulsna fazno upravljiva pretvarača. Svaki pretvarač ima šest tiristora: tri vode pozitivnu struju trošila, a tri negativnu. Ulazni naponi su označeni kao fazni naponi da bi se lakše shvatilo dobivanje izlaznih valnih oblika. Slika 10.8.b) prikazuje fazne izlazne napone vda i vdb· Primijetite: jer svaki tropulsni pretvarač može iskoristiti samo po­ zitivne poluperiode ulaznih napona (negativne poluperiode nisu iskoristive), komutacije su dvostruko rjeđe nego u šestopulsnih pretvarača. Zbog toga je odstu­ panje napona vda, vdb i vdc od v�a> v�b i v�c veće od odstupanja napona vd od v� na slici 10.5.b ). U svemu ostalom vda' vdb i vdc imaju iste osobine kao i izlazni napon vd' uključujući pozitivan skok kod komutacije za pozitivnu struju trošila a negativni za negativnu struju trošila.

Bilješke i literatura U [1] su iscrpno i detaljno obrađeni ciklopretvarači. Rasprava je više zasnovana na matematici i teoriji nego na praksi, ali tu je dobro poglavlje o upravljanju ciklo­ pretvaračima koje uključuje brojne blokovske sheme ostvarenih upravljačkih sustava. Izmjenični pretvarač, katkad spominjan pod nazivom visokofrekvencijski pret­ varač s istosmjernim međukrugom, opisali su u brojnim člancima Fransisc Schwartz i J. Ben Klaassens. U [2] je dan dobar uvod u njegovu zamisao, a u [3] se može naći detaljnije glede njegove primjene. Visokofrekvencijski pretvarač s istosmjernim međukrugom posebno je pogodan u okolnostima u kojima je potrebno galvanska odvajanje između dva izmjenična sustava. Međutim, djelovanje, a osobito upravlja­ nje, bitno je složenije nego u opisana dva pretvaračka sustava u ovom poglavlju. [l] [2] [3]

L. Gyugyi i B. Pelly, »Static Power Frequency Changers«, New York: Wiley Interscience, 1976. F. C. Schwarz, >>A Doublesided Cycloconverter«, IEEE Power Electronics

Specialists Conference (PESC) Record (1979), 437-447. J. B. Klaassens, »Dc-ac Series Resonant Converter System with High Interna} Frequency Generating Multiphase ac Waveforms for Multi­ kilowatt Power Levels«, IEEE Trans. Power Electronics 2 (3): 247-256 (July 1987).

KAZALO

admitancija (admittance) 18 -, krivulja admitancije (admittance func­ tion) 175 aktivno smanjenje harmonika (active har­ monic reduction) 150 alati (tools) -, prenosivi (portable) 28 -, ručni, napajani iz mreže (ac powered, hand) 33 alatni stroj (machine tool) 219 alternativni izvor energij e (alternative energy source) 145 aparati, mali, upravljanje (appliances, small, control of) 33 autonomni pretvarač (stand-alone converter) 144 baterija (battery) 1, 10, 18, 144 -, automobilska (automotive) 99 Bedford, B.D. 87 Bernstein, T. 47 bipolarni spojni tranzistor (bipolar junction transistor) v. BJT BJT (bipolar junction transistor) 2-4 blokirni napon (off-state voltage) 126 Bloom, G. 1 19, 142 Bolognani, G. 170 brzina vrtnje (speed), v. upravljanje brzinom vrtnje Buja, G.S. 170 Casey, L.F. 206

ciklopretvarač (cycloconverter) 21, 22, 87, 207-209 -, četverokvadrantni (jour quadrant) 216 -, dvokvadrantni (two quadrant) 215 -, komutirani mrežom (prirodno) (naturally commutated) 209, 213-219 -, upravljanje (control) 214-215 -, višefazni (polyphase) 218-219 Coonrod, N.R. 143 četkica, istosmjerni motor (brush, dc motor) 37 četverofazni poluvalni ispravljač (jour­ -phase, half-wave rectifier) 56 četverokvadrantni ciklopretvarač (jour­ -quadrant cycloconverter) 216 čoper (chopper) 19, 98 Ćuk, S. 1 19 Ćukov pretvarač (Ćuk converter) 106, 1 14, 1 19, 137 delta spoj (delta connection) - izvora (delta-connected source) 58 - trošila (delta-connected load) 165-166 demodulator (demodulator) 164-165 detektor vršne vrijednosti (peak detector) 34 Dillard, J. K. 68 dioda (diode) 3-4 -, numeriranje u trofaznom mosnom spo­ ju (numbering in three-phase bridge) 62

222

OSNOVE UĆINSKE ELEKTRONIKE

-, oporavljanje (reverse recovery) 192, 198 -, poredna (bypass) 32 -, vakuumska (vacuum) 49 -, Zenerova (Zenner) 123 disipacija (dissipation) 2 diskontinuirani način upravljanja (discontin­ uous mode control), v. isprekidani način upravljanja distorzija (distortion) , v. izobličenje diskontinuirano vođenje (discontinuous conduction) , v. isprekidano vođenje Divan, D. M. 205 djelatna snaga (real power) 42 dobivanje slike magnetskom rezonancijom (magnetic resonance imagi,ng), v. MRI dubina modulacije k (depth of modulation) 157

dvokvadrantni (two-quadrant) - ciklopretvarač (cycloconverter) 215 dvosmjerni triodni tiristor (bidirectional tri­ ode thyristor), v. trijak Edison, Thomas A. 26, 47 elektrokemijska industrija (electrochemical industry) 29, 49, 70 elektrokemijski procesi (electrochemical processes) 28 elektrolitski članak (electrolytic cell) 49 elektrolitski proces (electrolytic process) 1 1 , 70

elektroliza (electrolysis) 29 elektromagnet (electromagnet) 75 elektromagnetska interferencija (electromagnetic interference), v. EMI elektromagnetska radijacija (electromagnetic radiation ) v. EMI elektromehanički pretvornik (electro­ mechanical transducer) 1 elektromehanički teret (electromechanical load) 150 elektromotorni pogon (motor drive) - promjenljive brzine vrtnje (variable speed) 144, 207, 219 Emanuel, A. E. 47 EMI 9, 89 energija (energy) -, pohrana (storage) 28, v. također pohranjena energija - - , transformator (transformer) 136 - - , u istosmjernog pretvarača (in dc/dc converter) 1 1 0-114 - - , u izravnog pretvarača s transfor­ matorom (in forward converter) ,

121

- - , u rezonantnog filtra (in resonant filter) 1 8 1 - - , uravnoteženje opterećenja (load balancing) 23, 210 -, razlika između ulazne i izlazne energije (mismatch) 23 -, smjer toka (direction of energy flow) 10, 15

- - , dvosmjerni (bidirectional) 10, 1 5 - - , u istosmjernog pretvarača (in dc/dc converter) 25, 98 - - , u izmjenjivača (in dc/ac converter) 145 - - , u izmjenjivača s utisnutom stru­ jom (in current-source inverter) 149

- - , u izravnog pretvarača (in direct converter) 98 - - , u neizravnog pretvarača (in indi­ rect converter) 103 - - , u pretvarača s istosmjernim međukrugom (jl.ow, direction in dc-link converter) 212 energija magnetiziranja (magnetizing energy) 121-127

-, u izravnog pretvarača s transforma­ torom (in forward converter) 1 2 1 Erickson, R. W 206

faktor faznog pomaka ko (displacement fac­ tor) 44 -, kapacitivni (leading) 43 -, induktivni (lagging) 43 faktor izobličenja kd (distortion factor) 44 - izražen pomoću THD (in terms of THD) 46 faktor dobrote (quality factor) 1 75-176, 180 faktor snage (power factor) 41, 44 - fazno upravljivog pretvarača (ofphase controlled converter) 76-78 - izobličenih valnih oblika (of distorted waveforms) 44 - ispravljača u funkciji predregulatora (of ac/dc preregulator), v. predregulator -, jedinični, izmjenjivača (unit}; of dc/ac inverter) 148 - jednofaznog mosnog ispravljača (of sin­ gle-phase bridge rectifier) 52 - jednofaznog poluvalnog ispravljača (of single-phase half-wave rectifier) 49 -, kod nesinusnih varij abli (nonsinusoidal variables) 44, 87 -, kod sinusnih varijabli (of sinusoidal variables) 42

KAZALO -, kompenzacij a

(compensation) 43, (improving,

67

-, punovalni mosni spoj

87

-, s reaktancijama na izmjeničnoj strani

(with ac side reactance) 78-86 (direction ofpower), v.

- poluvalnog spoja s porednom diodom

(of half-wave circuit with freewheeling diode) 52 -, procesor (processor) 9 -, proračun (calculation) 41-42 -, smanjenje zbog harmonika (reduction by harmonics) 150 - trošila izmjenjivača (dc/ac inverter load) 146-147 faktor vođenja

(duty ratio)

19, 89, v. također

uzlazno-silazni pretvarač - izravnog pretvarača

(of direct converter)

96, 1 0 1

(of indirect con­

- neizravnog pretvarača

verter)

103

- vremenski ovisan d(t)

(time dependent)

156, 1 62

(phase-controlled

fazno upravljivi pretvarač

rectifier)

15, 69-87

(two-quadrant) 75 (powerfactor) 76, 78 -, granice izmjenjivanja (inversion limits) -, dvokvadrantni

-, faktor snage

81

(regulation

-, izlazne karakteristike

curves)

79

-, izlazni napon

(output voltage) 7 1 , 73 (inversion

-, izmjenjivački način rada

mode)

69, 75, 81-85

(commutation

-, izostanak komutacije

failure)

81-85

-, jednofazni spojevi

circuits)

(single-phase

70-81

-, komutacijski napon

age)

(commutation volt­

81

-, kut upravljanja -, kvadranti rada

(full-wave bridge)

73-76

-, poboljšanje, metode

method of)

223

(firing angle) 7 1 (quadrants of operation)

74 -, linearizacija upravljačke karakteristike

(linearizing control characteristic) 73 (disadvantage) 146 -, negativni izlazni napon (negative output voltage) 73 -, nedostaci

-, oblikovani valni oblik izlaznog napona

(waveshaped output) 213-21 5 (half­ wave with resistive load) 70-72

-, poluvalni, s djelatnim trošilom

-, primjena kod odvođenja pohranjene energije iz magneta

charge application)

(magnet dis­

75

-, smjer snage

energija, smjer toka -, trofazni most

(3-phase bridge)

86

-, u pretvarača s istosmjernim međukru-

(in dc-link converter) 210 (control characteristic) 7 1-75, 80 faza izobličenog valnog oblika (phase of dis­ torted waveform) 30 fazna struja (phase current) - u trošilu spojenu u trokut (in delta-con­ nected load) 169 fazni napon (line-to neutral voltage) 58 fazni pomak (phase shift) 41 gom

-, upravljačka karakteristika

- u transformatora spojenog u trokut ili zvijezdu (in delta/wye transformer connection) 58 fazno upravljivi ispravljač (phase-controlled rectifier), v. fazno upravljivi pretvarač filtar (filter) - drugog reda (second order) 94, 171 -, kapacitivni (capacitive) 47 - na izmjeničnoj strani (ac side) 16 -, niskopropusni (low pass) 12, 13, 88, 150 - općeg sklopnog elementa (in canonical cell) 107 -, rezonantni (resonant) 18 -, serijski induktivitet (series inductor) 92 - u izmjenjivača (in dc/ac converter) 150 - u izravnog pretvarača (in direct converter) 1 07-109, 1 10-1 1 4 - u neizravnog pretvarača (in indirect converter) 109-1 10, 1 14-1 1 5 - u PWM izmjenjivača (in PWM inverter)

162

(effectiveness of) 92, 107 (high pass) 1 1 filtar na izmjeničnoj strani (ac side filter) 1 6 filtriranje (filtering) 15-17 - u rezonancijskog pretvarača (in reso­ nant converter) 1 7 1 -, učinkovitost

-, visokopropusni

- u visokofrekvencijskog pretvarača u mosnom spoju (in high-frequency bridge converter) 1 60 - na PWM izlazu (of PWM output) 156 fotonaponska ćelija, slog (solar photovoltaic array) 81, 144, 148, 170 Fourierov niz (Fourier series) 27, 46, 168,

169

224

OSNOVE UČINSKE ELEKTRONIKE

-, koeficijenti dobiveni grafičkom inte­ gracijom (coefficients by graphical integration) 151-153 frekvencija (jrequency) -, sklopna (switching) v. npr. 188 galvaniziranje (electroplating) 1 1 , 28, 29, 70 galvansko odvajanje (electric isolation) 120, 127 geit (gate), v. upravljačka elektroda geitom isklopivi tiristor (gate tum-off thyristor), v. GTO Gentry, F. E. 87 granični uvjet (boundary condition) 31, 36 GTO (gate tum-off thyristor) 144 Gutzwiller, F. W 87 Gyugyi, L. 219 Harada, K. 143 harmonici 3n (triple-n harmonics) 151, 169 harmoničko izobličenje (total hannonic distortion), v. THD harmonik (harmonic) -, izobličenje (distortion) 163, v. također THD -, komponente (components) 8 -, peti (fifth ), v. peti harmonik -, poništavanje (cancellation) 150, 153-156 -, smanjivanje (reduction) 150-156 -, treći (third), v. treći harmonik -, u trofaznim trošilima (in three-phase loads) 168-170 -, u trošilu u �-spoju (in delta connected load) 169 -, uklanjanje (elimination) 150-153 heterogeni mosni spoj (hybrid bridge) 127 Hoft, R. G. 87, 170 Holonyak, N. 87 homogeni odziv (homogenous response) 3 1 HVDC prijenos (HVDC transmission) 70, 210 idealne sklopne karakteristike (ideal switch characteristics) 3, 1 1 idealni transformator (ideal transfonner) 5 impedancija (impedance) -, inkrementalna (incremental) 16 - izvora (source) 176 -, transformacija (transformation) 5 impuls upravljačke elektrode (gate pulse) 4 indukcijsko zagrijavanje (induction heating) 1 1 , 171, 199

induktivitet magnetiziranja (magnetizing inductance) 5, 6, 121 induktivni faktor snage (lagging power factor) 43 integriranje, grafičko (integration, graphic) 15 1-153 ipsilon spoj (wye connection) - izvora (wye connected source) 58 - trošila (wye connected load) 165-166 ispravljač (rectifier) 13, 26 -, četverofazni, poluvalni (four-phase, half-wave) 56 -, dvanaestopulsni (twelve-pulse) 59 -, faktor snage (powerfactor) 52 -, frekvencija valovitog napona (ripple frequency) 50 -, harmonici linijske struje (Zine current harmonics) 67 -, jednofazni (single-phase) 47 -, mosni (bridge) 50-56 -, komutacija, kod šestopulsnih (commutation in six-pulse) 62-67 -, komutacija, kod tropulsnih (commuta­ tion in three-pulse) 60-62 -, mosni, nedostaci (bridge, disadvantage of) 50 -, polumosni (half-bridge) 50, 53 -, poluvalni (half-wave) 28, 32, 49, 55 -, punovalni (jull-wave) 49, 50 - s cijevima punjenim plinom (with gas filled tubes) 47 - s vakuumskim cijevima (with vacuum tubes) 47 - sa srednjom točkom (centertapped) 49, 53 -, šesteropulsni (six-pulse) 57 -, trofazni, poluvalni (three-phase half-wave) 56 -, trofazni, punovalni (three-phase full-wave) 57 -, tropulsni (three-pulse) 57 -, višefazni (polyphase) 56-67 -, živina katoda (mercury pool) 47 isprekidani način upravljanja (discontinuous mode control) 197-200 isprekidani valni oblik (chopped waveform) 89 isprekidano vođenje (discontinuous conduc­ tion) - ispravljača (of rectifier) 30, 36 - izravnog pretvarača (of direct converter) 1 17-1 19 - uzlazno-silaznog pretvarača (of up/down converter), v. uzlazno-silazni pret­ varač

KAZALO istosmjerna komponenta (dc component) 1 1 - na izlazu ispravljača (in rectifier output) 29 - na izlazu rezonancijskog pretvarača (in resonant convener output) 195 istosmjerna sabirnica (dc bus) 23, 207 -, kondenzator (capacitor) 23, 212 istosmjerni izvor sa srednjom točkom (cen­ tertapped dc source) 167 istosmjerni međukrug (dc-link) 23, 207 istosmjerni motor (dc motor) 1 -, četkice (brush) 37 -, struja armature (armature current) 37 -, upravljanje brzinom vrtnje (speed control) 70 istosmjerni pretvarač (dc/dc converter) 10, 18, 88-1 19, v. također izravni pretvarač, neizravni pretvarač -, primjena u automobilskoj industriji (automotive application) 99 -, rezonancijski (resonant) 201-205 -, serijski spoj izmjenjivača (as cascaded dc/ac) 20 -, smjer energije (direction of energy) 25 -, spajanje dvaju istosmjerna izvora (linking two dc sources) 25 -, visokofrekvencijsko sklapanje (high fre­ quency switching) 88 istosmjerni sustav (dc system) -, natjecanje između istosmjernog i iz­ mjeničnog sustava (ac/dc battle) 26, 47 iterativna rješenje (iterative solution) 32, 34, 194 izlaz (output) -, priključci (termina/s) 10 -, ravnina (plane) 74 izlazna karakteristika (regulating characteris­ tic) - jednofaznog mosta (ofsingle-phase bridge) 55, 56 - jednofaznog s porednom diodom (of single-phase with freewheeling diode) 39, 40 - poluvalnog i punovalnog, usporedba (half-wave and full-wave compared) 56 - šesteropulsnog ispravljača (ofsi.x-pulse rectifier) 62, 67 izmjenična komponenta (ac component) - sklopne struje (switch current) 104 - sklopnog napona (switch voltage) 104 izmjenična mreža (ac mains) 1

225

izmjenična sklopka s tri elektrode (triode ac switch), v. trijak izmjenični motor (ac motor) 150 izmjenični pretvarač (ac converter) 1 0, 21, 207-219, v. također ciklopretvarač izmjenični regulator (ac controller) 21, 70 -, faktor snage (power factor) 41 izmjenični stroj (ac machine) 146 izmjenični sustav (ac system) - natjecanje između istosmjernog i izm­ jeničnog sustava (ac/dc battle) 26, 47 izmjenjivač (invener) 13, 75, v. također pret­ varač -, fazno upravljivi (phase-controlled) 69 -, Nlaphanov izmjenjivač (A.faphan inverter) 192, 205 - s utisnutim naponom (voltage-source) 145, 176 - s utisnutom strujom (current-source) 145, 149, 150 -, trorazinski (tristate) 146 - s podjelom vremena (time-shared) 205 -, visokofrekvencijski (high-frequency) 88 izmjenjivanje (inversion) 13, 73 -, fazno upravljivog pretvarača (ofphase-controlled converter) 8 1-86 -, granica (limit) 81 -, utjecaj komutacijske reaktancije (effect ofcommutating reactance) 84-85 izobličenje (distortion) -, faktor (factor), v. faktor izobličenja -, harmoničko (harmonic) 4047, 160-162 - izmjenične struje mreže (of ac /ine current) 50, 146 -, prijelazno (crossover) 157-158 izostanak komutacije (commutation failure) - nadomjesni krug tijekom izostanka komutacije (equivalent circuit during commutation failure) 83 -, posljedice (effect of) 84 -, povratak u normalni rad (recovery from) 81, 82 - u fazno upravljivog pretvarača (of phase-controlled converter) 81-86 izravni pretvarač (direct converter) 96-102 -, dvosmjerni (bilateral) 100-101 -, faktor vođenja (duty ratio) 101 -, istosmjerni faktor pretvorbe (dc conversion ratio) 96 -, odabir sklopki (implementation of switches) 98 izravni pretvarač s transformatorom (for­ ward converter) 120 ,

OSNOVE UČINSKE ELEKTRONIKE

226

-, nesimetrični izvor

(single-ended)

121

(source) (equivalent) 35, 93 (source inductance)

-, induktivitet izvora 32

37,

komutacijski napon

(commutation voltage)

38

(in phase-controlled converter) 8 1 komutator (commutator) 3 7 , 1 4 6 konvejer (conveyer) 1 44 kovarijabla (covariable) 1 0 , 27 Kresser, J. V. 68 kut kašnjenja a (delay angle) 7 1 , v. kut -, u fazno upravljivom pretvaraču

- sa srednjom točkom (split source) 1 7 -, nadomjesni naponski (equivalent volt-

age)

108-1 1 0

- , nadomjesni strujni

(equivalent cu1Tent)

108-1 1 0

(reactive power) 42 jedinični faktor snage (unity power factor)

jalova snaga

148, v. također faktor snage jednofazni ispravljač

(single-phase rectifier)

47 jednofazni mosni ispravljač, komutacija

(single-phase bridge rectifier, commutation in) 54-56

S. D.

Kakihara,

H.

143

(capacitance) rasipni (stray) 142

kapacitivni faktor snage

(leading power fac-

tor) 43 kapacitivni filtar

(capacitive filter)

33, 47

Kassakian, J. G. 205

A. W. 68 King, R. J. 206 Klaasens, J. B. 220 kompaktni disk (compact disk) 1 kompleksna amplituda (complex amplitude) Kelley,

8, 148 komutacija

(commutation) 36-38 (jailure), v. izostanak

-, izostanak

komutacije -, kod poluvalnog ispravljača

-wave rectifier)

upravljanja kut kašnjenja komutacije kod šesteropul­ snog ispravljača (commutation delay angle, in six-pulse rectifier) 65 kut okidanja a (firing angle) 71, v. kut upravljanja kut sigurnosti komutacije y

(margin angle)

84-86

a (angle of retard, ft.ring angle) 71 kut vođenja (conduction angle) - sklopke trofaznog izmjenjivača (of switch in 3-phase inverter) 167 kvadranti rada (quadrants of operation) 74, kut upravlj anja

206

kapacitet -,

(commutation circuit)

54, 6 1

-, ekvivalentni

Johnson,

komutacijski krug

(in half-

37

- , kod šesteropulsnog spoja

(in six-pulse

79

kvazipravokutni valni oblik

wave) 197

(quasi-square

kvazirezonancijski pretvarač

converter) 203, 205

(quasi-resonant

Landsman, E. 1 1 9

F. C. 206 K.-H. 206 linearno(i) (linear) - pojačalo (amplifier) 1 1 - regulator napona (voltage regulator) linijski napon (!ine-to-fine voltage) 58 Longo, D. 1 70 lučna cijev (are tube) 87 Lee, Lie,

I

circuit) 62-67 (in 3-phase bridge converter) 86 -, kod tropulsnog spoja (in three-pulse cir­ cuit) 60-62 -, kod višefaznih ispravljača (in polyphase rectifiers) 60-67

-, kod trofaznog mosnog pretvarača

-, načini rada šesteropulsnih ispravljača

(modes in six-pulse rectifiers) 64-67 (jorced) 144 -, rezonantna (resonant) 172 komutacijska reaktancija (commutation reactance) 36--40 -, prinudna

magnet

(magnet)

-, odvođenje pohranjene energije

charge application)

(dis­

75

-, pohranjena energija, odvođenje izm­

(magnetic stored energy removal by inversion) 75 -, zakazivanje komutacije, napajač (com­ mutation failure, power supply) 83 magnetska rezonancija (magnetic resonance) 75, v. MRI Manley-Roweove relacije (Manley-Rowe relations) 146 jenjivanjem

227

KAZALO način rada glede komutacije višefaznog

Mapham, N. 205 Maphamov izmjenjivač

(Mapham inverter)

192, 205 Maruhashi,

T.

205

McMurray, W 87

međusklop bez gubitaka

(lossless interface)

ispravljača (mode, ofpolyphase rectifier commutation) 64-67, 87 nadomjesni izvor (equivalent source) 35, 93 nadomjesni naponski izvor (equivalent volt­ age source) -, u modelu za računanje valovitosti

91 mehanička rezonancija

nance)

(mechanical reso­

(method of assumed states) 28 -, analiza (analysis) 26, 28, 30, 53 -, proračun (calculation) 35 metoda nadomjesnog izvora (equivalent source method) 35 metoda pretpostavljenih stanja

Middlebrook, R. D . 1 1 9

(modulation) (depth of modula­

-, dubina modulacije

tion)

157

- širine impulsa

(pulse-with ), v.

PWM

modulacijska frekvencija ciklopretvarača

(modulating frequency, of cycloconverter) 22 Moltgen, G. 87

(one-shot flip-flop) 73 (metal-oxide-semiconductorfield effect transistor) 2-4 mosni ispravljač (bridge rectifier) 50-56, v.

monostabil MOSFET

nadomjesni strujni izvor

(equivalent current

source) -, u modelu za računanje valovitosti stru­ je

(in ripple current model)

1 08-1 10

Nakaoka, M. 205

(power supply) (mobile) 144 -, računala (computer) 88 napojna mreža (utility grid, mains) 10, 147 -, valni oblik (waveform) 1 0 napon između faze i zemlje (Zine to ground voltage) 58 naponski ponor (voltage sink) 201 naponsko-vremenski integral (volt-time inte­ gral) 103, 163 -, PWM valnog oblika (of PWM wave­ form) 164 narinuti odziv (driven response) 3 1 napajač

natjecanje između izmjeničnog i istosm-

(ac/dc battle) 26, 47 (nomenclature) 8 negativni pretvarač (negative converter) 216 neisprekidani način rada (continuous mode control) 197 neisprekidano (neprekidno) vođenje (con­ tinuous conduction) - ispravlj ača (of rectifier) 32 - uzlazno-silaznog pretvarača (of up/down converter), v. uzlazno-silazni pret­ jernog sustava

nazivlje

ispravljač -, nedostaci, 50

(bridge converter) 1 2 (bridge circuit) 1 2 , 5 1 -, heterogeni (hybrid) 127 motor (motor) -, istosmjerni (dc), v. istosmjerni motor -, izmjenični (ac) 150 -, izmjenični, bez kolektora (ac commutatorless) 146 -, jednofazni, sinkroni (single-phase syn­ chronous) 14 7 -, promjenjiva brzina vrtnje (variable speed) 10 -, upravljanje brzinom vrtnje (speed con­ trol), v. upravljanje brzinom vrtnje -, upravljanje položajem (position control), v. upravljanje položajem mosni pretvarač

mosni spoj

motorni pogon, promjenjiva brzina vrtnje

(machine drive, variable speed)

144, 207,

varač neizravni pretvarač

MRl 75

(multiplexor)

217

(indirect converter)

95,

102-107 -, istosmjerni faktor pretvorbe

version ratio)

(dc con­

1 03

(implementation of switches) 103 -, varijante (variations on) 104-107 -, odabir sklopki

neizravni pretvarač s transformatorom

back converter)

(fly­

120, 136

nejednako vrijeme vođenja

time)

217 multipleksor

(in ripple voltage model)

-, prenosivi

Mitchell, D.M. 1 1 9 modulacija

napona

108-110

150

(asymmetric on­

19

neprigušena rezonantna frekvencija w0

(undamped resonant frequency)

1 74

228

OSNOVE UČINSKE ELEKTRONIKE

nesimetrična topologija

(single-ended topol­

ogy) 202-205 (unsymmetrical

nesimetrično upravljanje

gate ft.ring) 87 neutralna točka

(in dc-bus capacitor) 2 1 2 (in leakage inductance) 126, 1 3 1 , 140 u rezonantnom filtru (in resonant filter) krugu

-, u rasipnom induktivitetu -,

(neutral point) 58

181

Ninomiya, T 143

-, u istosmjernom pretvaraču

Nishimura, M. 205

converter)

niskopropusni filtar

(low-pass filter), v.

fil­

-, u izravnom pretvaraču

tar, niskopropusni nul-dioda

verter)

(null-diode), v. poredna dioda (numerical simulation)

numerička simulacija 35

synthesis waveform)

(waveshaping ili

156

-, visokofrekvencijsko

(high frequency)

157-160 odvođenje topline

(thermal management) 9 (gate

okidni sklopovi upravljačke elektrode

trigger circuits) H., 205

87

-, u izravnom pretvaraču s transforma­

(in forward converter) 121 (in indirect converter) 1 14-115 -, u transformatoru (in transformer) 136 -, uravnoteženje opterećenja (load balancing) 20, 210 polumosni spoj (halfbridge) 17, 49 poluvodička komponenta (semiconductor device) 2 torom

opći sklopni element

-, BIT, v. BIT -, GTO, v. GTO

Omori,

-, metal-oksid varistor

(canonical cell) 94,

tor)

1 1 9, 120, 205 -, spojevi

-, kod rezonancijskog pretvarača

nant converter) 192, opteretivost (ratings) 70 ortogonalne komponente

ponents)

-, naprezanje

(in reso­

stress parameter)

papirni stroj

(winding resistance) 7 (wiring resistance) 92

(paper mill)

144

(particular solution)

31

170

Pelly, B. 219

(periodicity) 3 1

periodično ustaljeno stanje

state)

(periodic steady

15, 35, 121

(fifth harmonic) 1 7 (elimination) 151, 155 pobudni stupanj baze (base drive circuit) peti harmonik

-, uklanjanje

123 prenosivi napajači

(mobile power supply)

144 presijecanje sinusne i trokutne funkcije,

133 pohranjena energija

(circuit symbols) 3 (thyristor) v. tiristor -, Zenerova dioda (Zener diode) 1 23 pomoćne funkcije (ancillary function) 1 1 poredna dioda (freewheeling diode, bypass diode, catch diode) 37 poremećaj (perturbation) 9 potrošačka elektronika (consumer electronic) 1 povratna veza (feedback) 2 pozitivni pretvarač (positive converter) 2 1 6 predregulator (preregulator) 70 pregledna ili pogledna tablica (look-up table) 170 prekretna komponenta (breakover device) -, simboli, grafički

N. 142

periodičnost

(forward drop) 28

-, tiristor

1 86-1 87 partikulamo rješenje

(breakover

123

, propusni pad napona

(parallel resonant converter) 172, 1 86-19 1 paralelni RLC krug (parallel RLC circuit)

H. S.

device)

(switch

116

-, SCR, v. SCR

paralelni rezonancijski pretvarač

J.

1 15

- , prekretna komponenta

(orthogonal com-

27

otpor namota

(stress)

-, parametar naprezanja sklopke

198

Oruganti, R. 206 otpor ožičenja

(metal-oxide varis-

123

-, MOSFET, v. MOSFET

(connections) 95 (reverse recovery)

oporavljanje

Pate!,

(in direct con­

1 10-1 12

-, u neizravnom pretvaraču

oblikovanje valnog oblika

Park,

(in dc/dc

1 1 0-1 15, 1 1 9

(stored energy)

- kondenzatora u istosmjernom među-

metoda 162

(sine-triangle intercepf. method)

229

KAZALO (converter) 9-25 (stand-alone) 144 -, ciklopretvarač (cycloconverter), v. ciklo-

pretvarač

-, u polumosnom spoju s utisnutom stru­ jom

-, autonomni

pretvarač -, Ćukov, 137, 159 -, fazno upravljivi

(dc/dc), v.

istosmjerni pret­

varač -, istosmjerno-izmjenični u seriji

ed dc/ac)

(cascad­

20, 23

-, izmjenično-istosmjerni

-, visokofrekvencijski s istosmjernim međukrugom

(ac/ac), v.

izm­

(quasi-resonant) 203,

205

(bridge)

-, naponski izvor

12, 51, 127

(voltage source), v.

pret-

(indirect), v. neizravni pret­

varač -, neizravni s transformatorom

(flyback)

136

(single-ended)

121

(waveshaping)

im izmjenjivačem u heterogenom mos­ nom spoju

(isolated hybrid bridge)

127

pretvarač s istosmjernim međukrugom

(dc­

23, 207

-, pohrana energije

(energy storage in)

209

prigušena rezonantna frekvencija wd

(damped resonant frequency) 1 74 (snubber) 126 -, uklapanje (tum-on) 193 prijelazno izobličenje (crossover distortion) prigušni član

144

(variable fre-

(forced response) 3 1 (clamp) -, diodna (diode) 203 -, izbojni otpor (discharge resistor)

prinudni odziv pritega

144-170

(push-pull) 133, 135 (pulse-with modulation) 156-163 rezonancijski (resonant), v. rezonancijs-

-, protutaktni -, PWM

ki pretvarač - s galvanskim odvajanjem

(natura! response) 3 1 (forced commutation)

prinudna komutacija

156

-, promjenljive frekvencije

(isolated)

1 20-143 - s istosmjernim međukrugom

(dc-link),

23, 207

(ac-link) 20 - s utisnutim naponom (voltage-source converter) 145, 176 - s utisnutom strujom (current source converter) 145, 149, 150, 186 - s više izlaza (with multiple outputs) 142 -, simetrični (double-ended) 129 -, statički (static) 9-25 -, strujni izvor (current-source), v. pret- s izmj eničnim međukrugom

varač s utisnutom strujom

(three-phase variable frequency) 1 65-170 -, trofazni upotrebom polumosnih spoje­

(three-phase using halfbridges)

167

125,

140 -, kod izravnog pretvarača s transforma­ torom (in forward converter) 121-127 -, pritezni namot 125-126 -, napon

(voltage)

(clamp winding) . 123

-, preuzeta energij a

(energy absorbed by)

124, 140

(trans­ !ormer coupled) 125 prividna snaga S (apparent power) 41, v. -, transformatorski spregnuta

također snaga promjenljiva brzine vrtnje

(variable speed),

v. također upravljanje brzinom vrtnje -, pogon

(drive)

1 1 , 144

(variable frequency) (converter) 144 propusni pad napona (forward drop) 28 prospoj (shoot-through) 184, 192 protuelektromotorna sila (back-emf) 147 protutaktni pretvarač (push-pull converter)

promjenljiva frekvencija -, pretvarač

-, trofazni promjenljive frekvencije

va

(isolated converter,

1 38-142

pretvarač s galvanskim odvajanjem i ulazn­

prirodni odziv

-, oblikovanje valnog oblika

-,

pretvarač s galvanskim odvajanjem, utjecaj

157-158

-, nesimetrični

quency)

(high-fre­

quency switching) 20

-link converter)

varač s utisnutim naponom -, neizravni

-, visokofrekvencijsko sklapanje

effects of leakage)

jenični pretvarač -, kvazirezonancijski

(high frequency link)

219

rasipnog induktiviteta

(ac/dc), v.

ispravljač -, izmjenično-izmjenični

-, mosni

135

25, 1 20-142

(phase-controlled), v.

fazno upravljivi pretvarač -, istosmjerni

(current-fed half-bridge)

-, visokofrekvencijski s galvanskim odva­ janjem (isolated high-frequency) 22,

133, 135

230

OSNOVE UČINSKE ELEKTRONIKE

punovalni ispravljač

(full-wave rectifier) 49,

50

(resonant converter)

rezonancijski pretvarač 17, 88, 171-205

- sa srednjom točkom 53

(centertapped) 49,

(battery charger) 28, 70 (phase control of) 80 -, utjecaj komutacijske reaktancije (effect of commutating reactance) 80-81 punjenje baterija (battery charging) 49 punjač baterija

-, istosmjerna komponenta na izlazu

component in output)

pulse-with modulation) 156-163 (advantage of) 160 -, pretvarač (converter) 156-163 - -, odabir sklopki (switch implementations) 159, 1 6 1 - -, transformator, upotreba (trans­ former, use of) 163-165 -, valni oblici, THD (waveform, THD of)

-, prednosti

1 60-163 rasipni induktivitet

(leakage inductance)

5,

6, 126, 1 3 1 , 133, 136, 138-142 rasipni kapacitet (stray capacitance) 142

(unfolding) 157 -, most (bridge) 158 reaktancija (reactance) -, faktor (factor) 40, 84, 85 -, imaginarni dio (imaginary part) 148 -, komutacijska (commutating) 36 - na izmjeničnoj strani (ac side) 3 6 - , realni dio (rea! part) 148 regulacija (regulation) -, karakteristika (curve) 40, v. izlazna raspakiravanje

karakteristika

(load) 3 3 regulator napona (voltage regulator) 1 regulator svjetla (light dimmer) 10, 21, 41, - trošilom

70 resetiranje jezgre

(resetting the core), v.

transformator, resetiranje

resetiranje toka (jha offset) 124

(resonance in Mapham inverter) 195 rezonantna frekvencija (resonant frequency) 18

(in

195

-, neprigušena w 0 (undamped) 173 -, prigušena wd (damped) 174 rezonantna komutacija (resonant commuta­

tion)

(resonant ft/ter) -, selektivnost (selectivity) 175

(Mapham inverter) 192, 205 -, mosni (bridge) 196 -, nedostaci (disadvantage of) 176 -, nesimetrični (single-ended) 203-205 -, odabir sklopki (switch implementation) -, Maphamov izmjenjivač

172

(para/le/) 1 72, 186-191 (application) 1 7 1 - s podjelom vremena (time-shared) 205 - s razdvojenom prigušnicom (with split inductor) 1 92-195 -, serijski (series ) , v. serijski rezonancijski

-, paralelni

-, primjena

pretvarač

- s upotrebom SCR-a

(using SCRs)

185-186, 190, 205 -, upravljanje

(control of)

171, 174

Rissik, H. 87

(boundary condition) 3 1 , 36 (ac powered hand tools) 4 1

rubni uvjet

ručni alati napajani iz mreže

Schaefer,

J.

68

Schlecht, M. E 1 70, 206

Schwartz, F. C. 220 SCR

(silicon controlled switch)

2-4, 69

serijski rezonancijski pretvarač

nant converter) mode)

(series reso-

17-18, 1 72, 1 76-186

-, isprekidani način rada

(discontinuous

1 97-200

-, odabir sklopki

(switch implementation)

(control of)

17

177

serijski RLC krug (series RLC

circuit)

17,

1 73

Severens, R. P. 1 1 9, 142

silazni pretvarač (down

converter) 97-100, v.

također izravni pretvarač

simetrična topologija

g}')

simetrični pretvarač

converter)

(double-ended

129

(balanced load) 165-166 (waveform synthesis)

sinteza valnog oblika 157

(double-ended topolo­

129

simetrično trošilo

172

rezonantni filtar

203,

205

-, upravljanje

Reynolds, T. S. 47

Mapham inverter)

-,

179, 185-186

rezonancija u Maphamovu izmjenjivaču

- u Maphamova izmjenjivača

(as dc/dc converter) 201-205 kvazirezonancijski (quasi-resonant)

-, kao istosmjerni pretvarač

-, fazno upravljanje

PWM, modulacija širine impulsa (PWM,

(dc

195

KAZALO - vremenskim mijenjanjem a

(by time

srednja vrijednost

varying a) 213 sklapanje (switching) -, gubici (loss) 172

(average value) 8 (of switch variable)

- sklopne varijable 9 1-92 statički pretvarač

- - , kod rezonancijskog pretvarača

(in resonant converter)

1 82-184,

(static converter) 9

Stefanovic, V. R. 87

Steigerwald, R. L. 206

1 88-190, 198 -, učinsko pojačalo (power amplifier) 157

stepeničasti valni oblik

-, visokofrekvencijski pretvarač u sklop-

struja magnetiziranja

(high-frequency switching converter) 88 sklopka (switch) -, idealna (ideal) 3 -, naprezanje (stress) - - , faktor (factor) 1 1 7 - - , parametar (parameter) 1 1 6 - - - , izravnog pretvarača (for direct converter) 1 1 6 - - - , neizravnog pretvarača (far indirect converter) 1 1 6 nom načinu rada

- - -, pretvarača s galvanskim odva­

(of isolated converter)

janjem

127-129

(in resonant converter) 172 -, opteretivost (rating) - -, kod izmjenjivača (in inverter) 155 -, odabir (implementation) 23 - -, kod izmjenjivača (in dc/ac converter) 159 - - -, rezonancijskog pretvarača

- -, kod izmjenjivača s utisnutom strujom

er)

(in cu"ent-source invert­

150

inverter)

150

- -, kod PWM masnog pretvarača PWM

bridge converter)

resonant converter)

(photovoltaic a"ay), v. fotonaponske ćelije snaga (power) -, djelatna (rea!) 42 -, jalova (reactive) 42 -, prividna (apparent) 41 -, srednja (average) 27, 4 1 spoj u zvijezdu (ttye connection) 58,

slog fotonaponskih ćelija

165-166

F. G. 47 (average power) 27, 4 1

srednja snaga

1 73-176 sustav učinske elektronike

ics system)

(power electron­

2

(uninter­ ruptible power supply, UPS) 23, 144

sustav za neprekinuta napajanje

šesteropulsni ispravljač

(six-pulse rectifier)

63

šum

of) 62-67, (noise)

(as building block) 57 (commutation modes

87

- uzrokovan harmonicima

monics)

(in

tekstilni stroj

(canonical cell), v.

opći sklopni element

Spreadbury,

(in forward converter) 121 (in push-pull converter) 153 struja neutralnog vodiča (neutral cu"ent) -, kod trošila spojenog u zvijezdu (in ttye-connected load) 166 -, kod izvora spojenog u zvijezdu (in ttye-connected source) 87 -, kod zvijezdastog spoja (in ttye-connection) 59 strujni ponor (cun-ent sink) 202 Stuart, T. A 206 stupanj djelovanja (efficiency) 1 sustav drugog reda (second-order system) torom

-, kod protutaktnog pretvarača

(caused by har­

150

172, 179, 189,

192 sklopni element, opći

(in

161

- -, kod rezonancijskog pretvarača

(magnetizing cu"ent)

-, kod izravnog pretvarača s transforma­

-, načini komutacije

(in voltage-source

(stepped waveform)

155

-, kao sastavni blok

- -, kod izmjenjivača s utisnutim naponom

231

(textile mill) 144 (tertiary winding)

tercijalni namot

(load), v. trošilo THD (total harmonic distortion)

126

teret

- fazno upravljivog pretvarača

controlled converter)

41, 46

(ofphase­

146

(in terms of rms amplitudes) 45 - linijske struje (of Zine cumnt) 46 - pravokutnog valnog oblika (of square waveform) 162 -, proračun (calculation) 46 - PWM valnog oblika (oj PWM waveform) 161-162 -, izražen u efektivnim vrijednostima

232

OSNOVE UČINSKE ELEKTRONIKE

- žljebastog valnog oblika (of notched waveform) 155 tiristor (thyristor) 2-4 -, SCR (silicon controlled switch) 69 -, GTO (gate tum-off thyristor) 144 -, prinudna komutacija (forced commutation) 144 točka polovične snage (half-power point) 175 točke 3 dB (3 dB point) 175 topologija (topology) 9-25 - ispravljača (rectifier) 1 1 - istosmjernih pretvarača (of dc/dc converters) 19, 1 19 - izmjeničnih pretvarača (of ac/ac con­ verters) 21 - izmjenjivača (inverter) 13 - karakterizirana pravokutnim valnim oblicima (square-wave) 201, 205-206 - nesimetričnih pretvarača (single-ended converters) 121, 202-205 -, simetrična (symmetry) 1 1 - simetričnih pretvarača (double-ended converters) 129 topologija i funkcija (form and function) 9-25 transcedentna jednadžba (transcendental equation) 32, 185 transformator (transformer) S -, dogovor o dvostrukim usporednim crtama (double bar convention) 7 -, dogovor o točkama (dot convention) 5 -, galvanska odvajanje (isolation) 5, 6, 20 - -, kod izmjenjivača (of dc/ac converter) 155, 163-165 - -, kod ciklopretvarača (of cycloconverter) 219 -, gubici u jezgri (care loss) 7 -, idealni (ideal) 5 -, impedancija (impedance) 5 -, izmjere žice (wire size) 53 -, kod visokofrekvencijskog pretvarača (in high frequency converter) 120-143 -, model (model) 5-7 -, neizravni pretvarač s transformatorom (fiayback) 136 -, otpor namota (winding resistance) 7 -, pohrana energij e (energy storage) 136 -, površina presjeka jezgre (cross-sectional area) 163 -, pritezni namot (clamp winding) 125-126 -, rasipni induktivitet (leakage inductance), v. rasipni induktivitet

-, resetiranje (reseting) 121-123, 164, 170 - sa srednjom točkom sekundara (centertapped secondary) 53 -, serijski spoj sekundara (secondaries in series) 155 -, spoj trokut/zvijezda (delta/wye connec­ tion) 59 -, spoj zvijezda/zvijezda (wye/wye connec­ tion) 59 -, sprezanje usmjerivača (coupling of dc/ac converters) 163-165 -, struja magnetiziranja (magnetizing cur­ rent), v. struja magnetiziranja -, tercijalni namot (tertiary winding) 125-126 -, trofazni spojevi (three-phase connec­ tions) 59 -, vremenski integral napona (volt-time integral) 123 -, zasićenje (saturation) 123, 163, 170 transformator za galvansko odvajanje (iso­ lated transformer) 20 tranzistor (transistor) -, bipolarni, spojni (bipolar, junction) 2-4 -, pobudni stupanj (driver) 133 - s efektom polja na bazi strukture metal-oksid-poluvodič (metal-oxide-semiconductorfield ejfect transistor) 2-4 treći harmonik (third harmonic) 16, 17, 146 - kod rezonancijskog pretvarača (in reso­ nant converter) 177, 188 -, uklanjanje (elimination of) 151, 155 trenutačna srednja vrijednost (/oca/ average) 8, 156 trijak (triac) 70 trorazinski izmjenjivač (tristate inverter) 146, 151 trorazinski valni oblik (tristate wavefomz) 147, 152 trošilo (load) -, elektromehaničko (electromechanical) 150 - faktora snage manjeg od jedan (nonuni­ ty powerfactor) 146 -, izmjenični naponski izvor (ac roltage source) 14 7 -, regulacija trošilom (regulation) 33, 39 -, simetrično, trofazno (balanced 3-phase) 165 - u delta spoju (delta-connected) 165-166 - u zvijezda spoju (wye-connected) 165-166

233

KAZALO -, uravnoteženje opterećenja pohranom energije

(balancing energy storage)

209 165-166

trošilo spojeno u zvijezdu

load)

converters)

(of multiple

155

(speed control) (of dc motor) 70 - malih kućanskih aparata (of small appliance) 41 - rotacijskog s troja (rotating machine) 165 upravljanje pozicijom (position control) 167 upravljanje pri konstantnoj frekvenciji (con­ stant frequency control) 97 upravljanje brzinom vrtnje

trošilo spojeno u trokut ( delta-connected

load)

- višestrukim pretvaračima

23,

(wye-connected

165-166

učin, snaga (power) -, kondicioner (conditioner) 9 -, pojačalo, sklapanje (amplifier,

- istosmjernog motora

upravljanje pri konstantnom vremenu

switching) 157 -, spektar (spectra) 27-28 -, srednja (average) 27, 41 -, trenutačna (instantaneous) 27 upravljačka elektroda (gate) 4 -, okidni impuls (trigger impulse) 4 upravljanje (control), v. također regulacija - alatnim strojevima (machine tools) 144

nevođenja

(constant off-time control) (controlled rectifier)

97

upravljivi ispravljač

69--87, v. također fazno-upravljivi pret­ varač

- brzinom vrtnje, v. upravljanje brzinom

(uninterruptible power supply) 23, 144 (periodic steady state) 15, 35, 121 uzemljena točka (ground point) 58 uzlazni pretvarač (up converter) 97, 100, v.

vrtnje - ciklopretvaračem

uzlazno-silazni pretvarač

(cycloconverter) 215,

217, 219-220

(ofphase angle)

- faznim kutem

15

- fazno upravljanim ispravljačem phase controlled rectifier) 72

ination of) 151, 169-170 -, isprekidani način rada (discontinuous mode)

197-200

- istosmjernim pretvaračima

converters)

(of dc/dc

1 19, v. uzlazno-silazni

pretvarač - izmjeničnim naponom 146 - izmjenjivačem

(of ac voltage)

(of dc/ac inverter)

170-171 - mijenjanjem

o (by varying o ) 146-150 - mijenjanjem e (by varying Đ) 147,

149-150 - osnovnim harmonikom

(of

fundamental) 162 - položajem (ofposition)

144 - pri konstantnoj frekvencij i (constant fre-

quency) 97 - pri konstantnom vremenu nevođenja (constant off-time)

97 - rezonancijskim pretvaračem

(resonant

converter)

17, 171, 174, 177, 188 - u neisprekidanom načinu rada (continu­

ous mode)

197

- uzlazno-silaznim pretvaračem

up!down converter), pretvarač

također izravni pretvarač

converter)

(up/down

103, 104-107, v. također

neizravni pretvarač

(of

(harmonics, elim­

-, harmonici, uklanjanje

UPS

ustaljeno periodično stanje

(of

v. uzlazno-silazni

VA opteretivost (VA rating) 40 VA umnožak (VAproduct) 41 vakuumska cijev (vacuum tube) 28, 47 vakuumska dioda (vacuum diode) -, pad napona (voltage drop) 49 valni oblik (waveform) -, kvazipravokutni (quasi-square wave) 197 -, pravokutni (rectangular) 13 -, stepeničasti (stepped) 155

(notched) 152 (ripple) 26 -, faktor (ratio) 1 1 1 - , filtriranje (filtering) 20 -, frekvencija (frequency) 129 - -, model (model) 108-1 10 -, žljebasti

valovitost

- -, kod ispravljačkih spojeva

fier circuits)

(in recti-

50

-, kod viskofrekvencijskog sklopnog pret­

(in high-frequency switching converter) 89, 92-94 -, na istosmjernim sabirnicama (on dc­ bus) 2 1 2 - , na izlazu ispravljača (in rectifier output) varača

29 -, napon

(voltage)

- -, kod izravnog pretvarača (in converter) 108-109

direct

234

OSNOVE OČINSKE ELEKTRONIKE

(in indirect converter) 109, 1 10 - -, prvog reda (first order) 1 08-1 10, - -, kod neizravnog pretvarača

1 12 - -, kod 1 2-pulsnog ispravljača

-pulse rectifier) 59 (calculation) 33-35 (cwTent)

(in 12-

- -, kod izravnog pretvarača

converter)

(in direct

1 08-109

(in indirect converter) 1 09-1 10 -, struje magneta (in magnet current) 75 vanjska mreža (extemal network) 1 5 - , utjecaj na neizravni pretvarač (influ­ ence on indirect converter) 1 04-107 varijabla, simboli (variable symbols) 8 - -, kod neizravnog pretvarača

varistor na bazi strukture metal-oksid

(metal-oxide varistor) 1 23 Vietson, N. M. 205 viličar

(jorklift)

(high frequency switching dc/ac converter) 88 visokofrekvencijski pretvarač s galvanskim

verter)

(isolated high-frequency con­

21, 120-143

visokofrekvencijski pretvarač s istosmjernim međukrugom (high frequency link con­ verter) 21 9-220 visokofrekvencij ski sklopni pretvarač (high frequency switching converter) 20, 88 visokonaponski istosmjerni veleprijenos

(high-voltage dc transmission), v. HVDC prijenos višefazni ispravljač

vremenska domena

(polyphase rectifier)

ILI spoj (as diode

O R gates)

56-68

u (commutation period) (in phase-controlled converter) 78-79 - jednofaznog mosnog spoja (jor sžngle-phase bridge) 54--55 - šesteropulsnog pretvarača (in six-pulse converter) 62-67 - tropulsnog pretvarača (in three-phase converter) 61 -, proračun (calculatžon of) 38 vrijeme odmaranja tq (circuit-commutated tum-off time) 70, 84 vrijeme oporavljanja t (tum-off time) 70, 84 q

vrijeme komutacije

Weischedel, H. R. 170 Westerman, G. R. 1 70 Westinghouse, G. 26, 47 Witulski,

A F. 206 L. 68

Witzke, R.

Yamashita, H. 205 Yudasky, W. F. 68 Zaloum, T. R. 142

(Zener diode) 123 (wall receptacle) -, opteretivost (loading oj) 4 1 zračene smetnje (radiated interference) Zenerova dioda

zidna utičnica

(disposition ofphases) 56 višestruki izlazi (multžple outputs) 142 višestruki pretvarači (multiple converters) 155

(conducted interference) 89

89, v.

također EMJ zvjezdište žarulja

(wye point) 58

(incandescent lamp) (dimmer)

-, regulator rasvjete

-, raspored faza

vodljive smetnje

(time domažn) 26,

1 73-174

56-67 - kao diodni

123

von Zastrow, E.E. 87

Wasserrab, Th. 47, 68

19

visokofrekvencijski sklopni izmjenjivač

odvajanjem

(volt-seconds) (primary)

- primarnog namota

- fazno upravljivog pretvarača

-, proračun -, struje

volt-sekunde

10, 2 1 , 4 1 ,

70

(steel mill) 144 (notched wavefonn) žljeb (notch) 151 -, mjesto (position) 151

željezara

žljebasti valni oblik

152