Vežbe II – Energetska elektronika

Vežbe II – Energetska elektronika

1. Princip rada u energetskoj elektronici

Fizika poluprovodnika

elektroni – u slobodnoj zoni

šupline – u valentnoj zoni _(nedostatak elektrona)

Silicijumska tehnologija:

Čist silicijum – kovalentne veze elektrona.

o Provodnik – na visokim temperaturama kada „pucaju“ kovalentne veze, kada postoji spoljnje polje dolazi do kretanja elektrona i struje

o Izolator – na niskim temperatura nema elektrona u slobodnoj zoni, pri izraženomspoljnom polju nema kretanja elektrona i struje

Primesni silicijum – dopiranje nečistoćama

o Dopiranje 3-valentnim i 4-valentnim primesama

Donori:

o elementi pete grupe (fosfor, arsen)

o višak elektrona u slobodnoj zoni

o n tip pločice

Akceptori:

o elementi treće grupe (bor, indijum)

o višak šuplina u velantnoj zoni

o p tip pločice

PN spoj

Efekti difuzije i rekombinacije – na mestu spoja

Raspodela naelektrisanja

o Osiromašena oblast – rekombinacija parova elektron–šupljina

o Kontaktni (ugrađeni potencijal) – prag vođenja

Prekidački režim rada

o ON-OFF režim rada

ON – zasićenje komponente

OFF – zakočenje komponente

S

S (ON)

S (OFF)

o Smanjena disipacija (manji hladnjak, manja cena, ušteda energije)

o Mana – diskontinualni režim rada

IS [A]

US [V]

t [s]

t [s]

t [s]

Pg [W]

OFF ON

tOFF tON

tLIN

2. Osnovne komponente energetske elektronike

Dioda

Definicija:

Dioda (PN spoj) je neupravljivi poluprovodnički element sa dva kraja (anoda i katoda) koja poseduje usmerački efekat gde struja prolazi slobodno u jednom pravcu (od anode ka katodi) prilikom direktne polarizacije komponente.

Šematska oznaka:

(energetski) krajevi anoda (A) i katoda (K)

KID

A

UAK

KA

Broj slojeva

dvoslojna komponenta: PN

Polarizacija:

Direktna (pozitivna) polarizacija – UAK>UPP

Inverzna (negativna) polarizacija – UAK<0

Prag provođenja:

Si diode – UPP≈0.5V

Ge diode – UPP≈0.2V

Upravljivost:

neupravljiva komponenta (ne može se uticati niti trenutkom paljenja niti trenutkom gašenja)

UI karakteristika:

ID [A]

UAK [V]

IMAX

-UP

Idealna

Realna Oblast direktne

polarizacije

Oblast inverzne polarizacije

Oblast proboja komponente -

Zenerov (lavinski efekat)

UPP

UPP – napon praga provođenja

IINV

Termičko uništenje komponente

Statička karakteristika

IINV – inverzna struja zasićenjaIMAX – maks. direktna struja

-UP – inverzni probojni napon

P N

većinski nosioci šupljine

većinski nosioci elektroni

prelazna oblast

fluid

Analogija

Tiristor – grč. thyra (vrata), eng. resistor (otpornik)

Definicija:

Tiristor je regenerativni poluupravljivi poluprovodnički element sa tri kraja (anoda i katoda i upravljački ulaz gejt – eng. gate - kapija) koja poseduje usmerački efekat gde struja prolazi slobodno u jednom pravcu (od anode ka katodi) prilikom direktne polarizacije komponente i simultanog postojanja strujnog impulsa na gejtu.

Šematska oznaka:

(energetski) krajevi anoda (A) i katoda (K)

upravljački kraj gejt (G)

K

ITR

A

UAK

G

KAG

Broj slojeva

četvoroslojna komponenta: PNPN (3 PN spoja)

Polarizacija:

Direktna (pozitivna) polarizacija

Regenerativna oblast

Inverzna (negativna) polarizacija – UAK<0

Okidanje komponente:

Strujni impuls na gejt ulazu (prelazak iz visokoomske-neprovodne u niskoomsku-provodnu oblast kroz regenerativnu oblast) pri direktnoj polarizaciji

efekat samookidanja – Napon samookidanja USO – tiristor postaje provodan bez potrebe za strujnim impulsom na gejt priključku

UI karakteristika:

IT [A]

UAK [V]

IMAX

-UP

Idealna

Oblast direktne

polarizacijeOblast inverzne

polarizacije

Oblast proboja komponente -

Zenerov (lavinski efekat)

UPP

UPP – napon praga provođenja

IINV

Termičko uništenje komponente

Statička karakteristika

IINV – inverzna struja zasićenjaIMAX – maks. direktna struja

-UP – inverzni probojni napon

USO

USO – napon samookidanja

fluid

Analogija

G Regenerativna oblast

Upravljivost:

poluupravljiva komponenta (može se uticati trenutkom paljenja a ne može trenutkom gašenja kod SCR, kod GTO se može i gasiti)

Vrste:

Triodni – SCR (eng. Silicon Controled Rectifier)

GTO tiristor – GTO (eng. Gate Turn Off)

Trijak – tiristorski naizmenični prekidač (eng. TRIode AC switch)

Definicija:

Trijak je regenerativni poluupravljivi poluprovodnički element sa tri kraja (MT1 i MT2 i upravljački ulaz gejt G) koji postaje provodna u oba smera (u zavisnosti od polariteta napona) prilikom postojanja strujnog impulsa na gejtu.

Šematska oznaka:

(energetski) krajevi: dva glavna izvoda (MT1 i MT2)

upravljački kraj gejt (G)

MT1 MT2

ITR

G

Broj slojeva

Petoslojna komponenta: NPNPN

Polarizacija:

Regenerativna oblast

Provodna oblast

UI karakteristika:

ITR [A]

UM12 [V]

IMAX

Idealna Termičko uništenje

komponente

Statička karakteristika

IMAX – maks. direktna struja

USO

USO – napon samookidanja

fluid

Analogija

G

-USO

-IMAX

Regenerativna oblast

Regenerativna oblast

Okidanje komponente:

Strujni impuls na gejt ulazu (prelazak iz visokoomske-neprovodne u niskoomsku-provodnu oblast kroz regenerativnu oblast)

efekat samookidanja – Napon samookidanja USO – trijak postaje provodan bez potrebe za strujnim impulsom na gejt priključku

Upravljivost:

poluupravljiva komponenta (može se uticati trenutkom paljenja a ne može trenutkom gašenja)

Tranzistor – (eng. Transfer Resistor)

Definicija:

Tranzistor je punoupravljivi poluprovodnički element sa tri kraja (upravljački, referentni i izlazni) koji poseduje pojačavačko svojstvo u smislu da male promene signala između ulazne i referentne elektrode dovode do velikih promena signala između izlazne i referentne elektrode.

Vrste:

bipolarni (strujno upravljiv): baza B (base), emiter E (emitter), kolektor C (collector)

mosfet (metal oxide semiconductor field effect transistor - naponski upravljiv): gejt G (gate), sors S (source), drejn D (drain)

hibridni IGBT (insulated gate bipolar transistor): gejt G, emiter E, kolektor C

Šematska oznaka:

BE

CIB

IC

IE

NPN

BC

EIB

IE

IC

PNPBipolarni

GS

D

ID

N-MOS P-MOSMOSFET

GD

S

ID

Broj slojeva

Troslojna komponenta (bipolarni): NPN i PNP

MOSFET – n-kanalni i p–kanalni

Polarizacija:

Provodna oblast (UBE>0 i UCE>0) – pojačavačko svojstvo

Zakočenje (UBE=0) – otvoren prekidač

Zasićenje (UBE>0, UCE>0, UBC>0) – zatvoren prekidač

Upravljivost:

punoupravljiva komponenta (može se uticati trenutkom paljenja i gašenja – kod bipolarnog strujom a kod MOSFET-a naponom)

3. Topologije energetskih pretvarača

Ispravljači (AC–DC pretvarači) i invertori (DC–AC pretvarači)

~

-~ -

Ispravljač

Invertor

Uu =const.fu ≠0

Ui =fi =0

const.var.

Uu =const.fu =0

Ui =

fi =

const.var.

const.var.

≠0

Napajači (DC–DC pretvarači)

-

-- -

Napajač

Uu =const.fu =0

Ui =

fi =0

const.var.

Naizmenični regulatori (AC–AC pretvarači)

~~

Naizmenični regulatorUu =const.fu ≠0

Ui =

fi =

const.var.

const.var.

≠0

~~

Ispravljači – AC–DC

Neupravljivi monofazni (diodni) ispravljač

Mrežno komutovan uređaj

Mosna sprega, Grecov spoj, Dvopulsni ispravljač

C

D1 D2

D3 D4

D1 D2

D3 D4

Rp

UDC

IDC

Up

Ip

DC međukolo

Izlazni DC/DCstepen

Lp

Pobuda MJS

Ispravljač kao ulazni stepen Ispravljač koji napaja RL potrošač

Srednja vrednost izlaznog napona

����� =

1

��� ��|sin(��)|�� =

��

�

−2

2�� cos(��)|�

=2

�� =

2√2

����

Talasni oblici napona i struje na izlazu

Neupravljivi trofazni (diodni) ispravljač

Mrežno komutovan uređaj

Trofazni most, Šestopulsni ispravljač

C

D1 D2

D4 D5

D3

D6

D1 D2

D4 D5

D3

D6

IDC Ip

DC međukolo

UDC

Rp

Up

Lp

Pobuda MJS

Izlazni DC/DC stepen

Ispravljač kao ulazni stepen Ispravljač koji napaja RL potrošač

Talasni oblici napona i struje na izlazu (šest pulseva)

Srednja vrednost izlaznog napona

����� =

6

2� √2����

��� sin��� −

6��(��)

/�

/�=

3√6

����

�»2.34×����

�

Uporedna analiza

o Srednja vrednost izlaznog napona – veća kod trofaznog u odnosu na monofazni

3√6

/2√2

=

3√3

2

o Talasnost napona i struje – manja kod trofaznog u odnosu na monofazni pri istim vrednostima C i L (troduplo više impulse po periodi mrežnog napona kod trofazne varijante)

o Potreba za trofaznom mrežom – monofazni ispravljač ne zahteva trofaznu mrežu što je pogodno na mestima gde ista nije dostupna

Neupravljivi tiristorski ispravljač

Mrežno komutovan uređaj

Mosna sprega sa tiristorima, Grecov spoj sa tiristorima

T1 T2

T4 T5

T3

T6

MJS

LdodIa

T1 T2

T3 T4

Ldod

MJSUa Ua

Ia

Monofazni tiristorski ispravljač Trofazni tiristorski ispravljač

Talasni oblici napona i struje na izlazu:

Srednja vrednost izlaznog napona – funkcija ugla paljenja �

�����(��)

=1

� √2���� sin(��) �(��)��

a=

2√2

���� cos(a)

�����(��)

= 2√2����

3

sin(

3)cos(a) ≈ 2.34����cos(a)

Uporedna analiza

o Srednja vrednost izlaznog napona – veća kod trofaznog u odnosu na monofazni

3√6

/2√2

=

3√3

2

o Talasnost napona i struje – manja kod trofaznog u odnosu na monofazni pri istim vrednostima C i L (troduplo više impulsa po periodi mrežnog napona kod trofazne varijante)

o Potreba za trofaznom mrežom – monofazni ispravljač ne zahteva trofaznu mrežu što je pogodno na mestima gde ista nije dostupna

o Upravljivost – tiristorska konfiguracija obezbeđuje promenljivu srednju vrednost u odnosu na diodnu, što je pogodno za regulaciju brzine kod pogona MJS velikih snaga

o Linearnost pretvarača – pretvarač je nelinearan (srednja vrednost izlaznog napona je kosinusna funkcija ugla paljenja a) sa transportnim kašnjenjem ��

�� =1

2

trajanjeperiode

brojpulsevauperiodi

Naizmenični regulatori – AC – AC pretvarači

Monofazni naizmenični regulator napona

Mrežno komutovan uređaj

Punotalasni naizmenični pretvarač (omsko opterećenje – regulacija osvetljenja)

R

TR

UAC

Iiz

UizUul

Efektivna vrednost izlaznog napona

������

= �1

��� ���

� (�)����

�

= ���

�� 2����

� sin�(��) ���/��

�/��

= �����1 −�

�+

1

2�sin2�

Talasni oblici napona i struje na izlazu:

5 10 15 20

Uul

t[ms]

Um α = 45º

5 10 15 20

Uiz

t[ms]

Um

5 10 15 20

Ig

t[ms]

α = 45º 5 10 15 20

Iiz

t[ms]

Im=UmR

Trofazni naizmenični regulator napona

Mrežno komutovan uređaj

Trofazni punotalasni naizmenični pretvarač, soft–start uređaj (pretežno induktivno opterećenje – regulacija brzine obrtanja AC mašina, upuštanje u rad, regulacija reaktivne snage kondenzatorskih baterija)

Talasni oblici fazne struje na izlazu za različite vrednosti opterećenja:

struja praznog hoda struja pri srednjim

opterećenjima nominalna struja

Karakteristike pretvarača:

o jednostavna konfiguracija

o snažna komponenta za upuštanje asinhronih motora velikih snaga

o različite varijante uređaja – sa i bez promene redosleda faza, sa i bez kontaktora za premošćenje

o neadekvatan za upuštanje određenih karapteristika opterećenja u EMP

o nemogućnost promene frekvencije napajanja

o frekvencijski spektar signala struje pretvarača zaprljan višim harmonicima (kvalitet električne energije?)

DC – DC pretvarači – čoperi i napajači

Pretvarači na bazi punoupravljih tranzistorskih komponenti!!!

Podela:

o Čoperi – u regulisanim EMP

o Napajači – kola za napajanje potrošača elektronike

Komutacija na bazi PWM (eng. Pulse Width Modulation)

Ra

E

S1

Diout

uout

iout

Ton Toff

t

La

+

PWM

UDC

uout

TPWM

Čoperi (eng. chope – “odseći”)

Impulsno širinski modulisani (PWM) uređaj

Primena: Elektromotorni pogon MJS za efikasnu regulaciju brzine obrtanja

Topologije:

o Jednokvadrantni čoper – rad u I kvadrantu, brzina i momenat uvek pozitivni

MJS

UDC

ia

+

III

IVIII

+

S1

ua ua

ia

o Dvokvadrantni čoper – rad u dva kvadranta – moguća rekuperacija energije u izvor (generatorski režim rada)

Slika Gore: brzina pozitivna i negativna a momenat uvek pozitivan, POGON LIFTA

Slika Dole: brzina pozitivna a momenat pozitivan i negativan, POGON ELEKTRIČNOG VOZILA NA TERENU BEZ MOGUĆNOSTI KRETANJA U RIKVERC

ia

MJS

+I

IV

+

S1

S2

D2

UDC ua

ua

ia

ia

MJS

+

III

+

S1

S2

UDC

ua

ua

ia

D1

o Četvorokvadrantni čoper (H most) – rad u sva četiri kvadranta – moguća rekuperacija energije u izvor (generatorski režim rada) pri promeni brzine obrtanja i znaka momenta opterećenja

ia

MJS

+III

IVIII

+

S1

S2 S4

S3

UDC ua

ua

ia

Uporedna analiza talasnih oblika napona i struje tiristorskog i 1kv DC–DC pretvarača

Karakteristike pretvarača:

o Učestalije prekidanje na PWM učestanosti (1kHz – 20kHz) – manja talasnost struje (momenta) na izlazu u odnosu na tiristorski mrežno komutovani uređaj

o Potreba za dodavanjem induktivnosti izbegnuta usled pretežno induktivne prirode potrošača – motora (za mašine male snage se uvećava PWM učestanost)

o Realizacija na mikroprocesoru!!!

Napajači – direktni (propusni) pretvarači

Impulsno širinski modulisani (PWM) uređaj

Primena: Napajanje elektronskih uređaja

Konfiguracija uključuje pasivne komponente L i C za filtriranje napona i struje potrošača!!!

PWM frekvencija reda od 100 kHz do 10MHz:

Topologije:

o Spuštač napona (Buck konvertor)

S1

L

C RUDCD

o Podizač napona (Boost konvertor)

S1 C RUDC

DL

Karakteristike pretvarača:

o Izražena učestanost prekidanja PWM (20kHz – 1MHz) – manja talasnost struje i napona na izlazu uz male dimenzije L i C

o Realizacija na mikroprocesoru!!!

o Postoje varijante sa galvanskom izolacijom!!!

DC – AC pretvarači – invertori

Pretvarači na bazi punoupravljih tranzistorskih komponenti!!!

Podela:

o Čoperi – u regulisanim EMP

o Napajači – kola za napajanje potrošača elektronike

Komutacija na bazi PWM (eng. Pulse Width Modulation)

Gradivna jedinica – grana polumosta sa prekidačima u komplementarnom režimu (T1 ON T2 OFF, T1 OFF T2 ON)

0.0

t

t

refoutU

PWMoutU

Tu

pwmnT pwmTn 1

0.0

‚

T1

T2

APWM

uANUDC

Topologije:

o dvostepeni AC–AC pretvarač (diodni ispravljač + DC – AC pretvarač)

Mogućnost rada invertora u sva četiri kvadranta

Rekuperacija energije u mrežu nije moguća – otpornik za kočenje u DC međukolu sa prekidačem T7

Pretvarač omogućuje promenu učestanosti napajanja kao i efektivnu vrednost trofaznog napona!

C

T1

T2

T3

T4

A

N

D1 D3

D2 D4

T5

T6C

uAB(t )

iA(t )

BuAN

uBN

D5

D6

UDCAM/SM

uam

T7

Rk

o dvostepeni back–to–back AC–AC pretvarač (dva DC – AC pretvarača)

C

T1

T2

T3

T4

A

N

T5

T6C

uAB(t )

iA(t )

BuAN

uBN

UDCAM/SM

uam

T7

T8

T9

T10

L1

T11

T12

L3L2

Mogućnost rada invertora u sva četiri kvadranta

Rekuperacija energije u mrežu je moguća – otpornik za kočenje se izostavlja

Pretvarač omogućuje promenu učestanosti napajanja kao i efektivnu vrednost trofaznog napona!

Popravka faktora snaga dodatnim invertorskim stepenom na ulazu (mrežni invertor) – kvalitet električne energije?

LITERATURA

V. Vučković, Električni pogoni, Elektrotehnički fakultet, Beograd, 1997.

B. Dokić, B. Blanuša, Power electronics, Springer, 2015.

N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, John Wiley & Sons, 2003.