VISOKA ŠKOLA TEHNIČKIH STRUKOVNIH STUDIJA ČAČAK
Praktikum iz energetskih pretvarača i pogona
DC/DC pretvarači
Student:
Profesor:
Mandrapa Srdjan 206/16
Dr.Zoran Ristanović
Čačak, 2018
Sadržaj 1 Uvod ........................................................................................................................................ 3 2 Čoperi za snižavanje napona ...................................................... ................................................................................................ .......................................... 5 3 Čoperi za povećanje napona .............................................. ................................................... 8 4 Čoperi za povećanje/Sniženje napona ............................................................................... 10 – BACK ČOPERI.......................................................................................................... 12 5 Fly – BACK 6 Osnovno čopersko kolo bez akomulacionih elemenata ............................................... ..... 14 7 Izračunavanje efektivne vrednosti izlaznog napona I izlazne snage .............................. 15 8 Osnovne topologije čopera sa akumulacionim elementima I diodom ............................ 16 9 Primena čopera .................................................................................................................... 17 10 Čoper spuštač napona sa rekuperacijom .......................................................................... 19 11 Čopersko kolo za pobudu DC motora sa tiristorski kontrolisanomnezavisnom kontrolisanom nezavisnom pobudom.......................................................................................................................................19 12 Osnovno čopersko kolo za pobudu DC motora sa n ezavisnom pobudom – analiza......20 analiza......20 13 Osnovni tipovi čopera: REKAPITULACIJA ................................................................... 22 14 Zaključak .................................................. .................................................. ...................................................... ............................................................................ ...................... 23 15 Literarura Literarura ................................................. ...................................................... ............................................................................ ...................... 24
2
1
Uvod Impulsni regulatori jednosmernog napona,tj.čoperi, vr še konverziju jednosmernog ulaznog napona u jednosmerni izlazni napon, sa mogućnošću regulacije, podešavanja srednje vrednosti jednosmernog izlaznog napona(poznati kao DC-DC regulatori).Pošto većina jednosmernih potrošača (takvih kao motori za jednosmernu struju) reaguje reaguje na srednju vrednost naponaUdsr ,to je podešavanje efektivne (r.m.s.)vrednosti izlaznog napona generalno od malog interesa. Kako je ulazni napon jednosmerni, to je osnovni problem čo pera baziranih na jednooperacionim ventilima, odnosno SCR tiristorima,gašenje ,tj .komutacija istih.Kod ispravljača gašenje tiristora je prirodno,tj.putem naizmeničnog ulaznog napona mreže.U slučaju čo pera sa SCR tiristorima moraju postojati posebna kola (kola sa paralelnim kondenzatorom, rezonantna kola itd.) za forsiranu, prinudnu komutaciju.Kod kola baziranih na dvooperacionim ventilima,npr. energetskim tranzistorima, GTO tiristorima itd., gašenje ventila je bez dodatnih kola, putem upravljačke elektrode, što simplificira strukturu kola.U slučajevima kada postoji induktivno opterećenje, moraju postojati posebna kola (najčešće zamajne diode)koja omogućavaju disipaciju magnetne energije,kako se glavni ventili ne bi pregrijavali. Ovaj tip konvertora ima na jčešće zajedničk e ulazne i izlazne terminale.Kod nekih modifikacija ulazni i izlazni terminali elektr ič ično su izolovani putem izolacionog transformatora. Postoje sljedeći tipovi impulsnih regulatora -čopera: 1. čo peri za sniženje napona (step-down ili BUCK čoperi), 2. čo peri za povećanje napona (step-up ili BOOSTčoperi), 3. čo peri za sniženje/povećanje napona (BUCK -BOOST čoperi), 4.ĆUK-čoper (takodje omogućava sniženje/povećanje napona). Prva dva tipa regulatora čine bazične konvertorske topologije,dok ostala dva tipa čine njihovu kombinaciju.Analiza regulatora sprovedena je za stacionarno stanje,pri čemu su ventili uzeti kao idealni, a gubici u induktoru i kondenzatoru su zanemareni.Ulazni napon je pretpostavljen kao idealno ispravljen sa nultom impedansom.Radi jednostavnije analize opter eć ećenje je pretpostavljeno kao čisto aktivno(u slučaju motora jednosmerne struje on se ekvivalentira sa jednosmernim naponomi redno vezanom aktivnom i induktivnom otpornošću). Princip rada uprošćenog regulatora dat je na slici 1a i 1b.Srednja vrijednost napona u0 je
gdesu: ton-vrijeme uključenost iprekidača, toff -vrijeme isključenosti prekidača, T -perioda, T =ton + toff ,D =ton/T. Najčešći
metod
regulacije
je
širinskoimpulsna modulacija(PWMmetod)(T=konstanta,ton
=promenljiva),pri kome se podešava D,odn. na osnovu napon Uo=Uosr . Pri tome frekvenca prekidanja može biti od nekolikok Hz do nekoliko stotinak Hz.Drugi metodi,kao npr. metod prikome je T=promenljiva,t T =promenljiva,ton=promenljiva,ređe se koriste i to naj češće u kolima sa tiristorima sa prinudnom komutacijom. 3
Slika 1. Princip rada uprošćenog regulatora
Čoperi mogu raditi u režimima sa kontinualnom i diskontinualnom strujom,kao i u graničnom među njima.
4
2
Čoperi za snižavanje napona
Šema čopera je data na slici 2.uz pretpostavku da su elementi kola i prekidač S idealni. Kao što im ime kaže ova vrsta čopera omogućava dobijanje nižeg izlaznog jednosmernog napona Uo u odnosu na ulazni Ud. Pri zatvorenom prekidaču S, struja id teče kroz prigušnicu L filtera (iL = id), kondenzator C filtera i opterećenje R.
Slika 2. Šema čopera Napon na induktivnosti je konstantan i iznosi uL = U d − U o, a struja raste sa nagibomdi nagibomdiL /dt = = did /dt / dt = (U d − U o)/ L L. Otvaranjem prekidača S, napon na prigušnici se menja, odnosno L postaje naponski izvor i akumulirana energija u L se s e odaje opterećenju preko zamajne diode D (iL = iD ). Struja Struja kroz kalem opada sa nagibom nagibom di L /dt = di D /dt = (U d )/L. d − U o )/L. Struja i L se deli na struju potrošača I oi struju kondenzatora ic. Kapacitivnost C je pretpostavljena pretpostavljena dovoljno velika, tako da je pri promjenljivoj promjenljivoj struji kroz kondenzator u toku jedne periode uc = U o= const. To znači da struja potrošača ima konstantnu vrijednost I o = U o /R. Struja kroz kondenzator ic = Io – iL ima amplitudu Io – Idmin=(Idmax− Idmin)/2 i srednju vrednost Icsr u toku jedne periode jednaku nuli
S obzirom da je Icsr = = Iosr − ILsr , odnosno Iosr = = Io, sledi ILsr = Io.
2.1 Režim kontinualne struje
Pretpostavljajući stacionarno stanje, odgovarajući odgovar ajući dijagrami za slučaj kontinualne struje iL(t) dati su na slici 3. Srednja vrijednost ulaznog napona je UDsr = = UDD U stacionarnom stanju talasni oblici se ponavljaju od jednog ciklusa do drugog, pa je srednja vrednost uL u toku periode T jednaka nuli:
5
Odnosno
Slika 3. Dijagram napona za slučaj kontinualne struje
Iz slike 2. i slike s like 3. sledi s ledi da je napon na opterećenju jednak srednjoj vrijednosti ulaznog napona. Zavisnost Uo/Ud u funkciji D, data je na sllici 4.
6
Slika 4. Zavisnost u funkciji D
Pretpostavljajući elemente kola idealnim, srednja ulazna snaga jednaka je srednjoj izlaznoj snazi Pdsr = = Posr Odnosno
Na osnovu ovih obrazaca zaključuje se da je pri kontinualnoj struji BUCK čoper ekvivalentan jednosmernom transformatoru, gde se odnos struja i napona može kontinualno regulisati u dijapazonu od 0 do 1 regulacijom faktora popunjenosti D.
7
3
Čoperi za povećanje napona
Ovaj tip čopera (slika 5) omogućava dobijanje izlaznog jednosmjernog napona Uo većeg od ulaznog jednosmjernog napona Ud.
Slika 5. Čoperi za povećanje napona Za slučaj kontinualne struje iL(t) kada je idealni prekidač Szatvoren, struja teče kroz Li S, pa izvor napaja energijom induktor L. Otvaranjem S, izlazni dio kola dobija energiju kako od izvora, tako i od induktora.Ponovnim uključenjem uključenjem S, dioda D postaje inverzno polarisana, pa energija iz Cnapaja opterećenje. U stacionarnom stanju, stanju, uz pretpostavku da je C dovoljno veliko da se može pretpostaviti uo(t) = Uo= R Io= const., dijagrami napona i struja su dati na slici 6.
Slika 6. Dijagram napona
8
Srednja vrednost napona uLu toku periode T, za stacionarno stanje, jednaka je nuli, tj.
Odakle sledi
Grafički prikaz dat je na slici 7.
Slika 7. Srednja vrednost napona
Pretpostavljajući da je kolo bez gubitaka, važi:
Na osnovu ovog obrasca zaključuje se da je pri kontinualnoj struji ekvivalentan jednosmjernom transformatoru.
9
BOOST čoper
4
Čoperi za povećanje/Sniženje povećanje/Sniženje napona
Kod ovog čopera izlazni napon može biti veći ili manji u odnosu na ulazni, pri čemu je polaritet izlaznog napona suprotan ulaznom. To je u suštini kaskadna sprega BUCK i BOOST čopera, pa je ukupni odnos konverzije jednak proizvodu odnosa od nosa konverzije pojedinih čopera. Na osnovu prethodno izvedenih formula dobija do bija se:
veza može biti zamenjena jednim konvertorom datim na slici 8. Odgovarajuće talasne forme sudate na slici 9., pri kontinualnoj struji prigušnice iL(t). Odgovarajuće ekvivalentne šeme kola sa slike 8. pri ton i toff date su na slici 10. i slici 11. Kaskadna
respektivno.
Slika 8. Kaskadna veza zamenjena jednim konvertorom
Slika 9. Talasne forme pri kontinualnoj struji prigušnice
10
Slika 10. Prekidač S uključen
Slika 11. Prekidač S isključen
Polazeći od toga da je u stacionarnom režimu srednja vrijednost napona uL u toku periode jednaka nuli, sledi:
Na osnovu prethodnih obrazaca obr azaca zaključuje se da je izlazni napon zavisno od D veći ili manji od ulaznog (slika 12).
Slika 12. Grafički prikaz napona
11
5
Fly – BACK ČOPERI
Za čoper sa električno izolovanim terminalima (slika 13) naći odnos Uo/Ud pri kontinualnom režimu rada. Pretpostavka Pretpos tavka je da je transformator trans formator idealan, tj. da radi bez b ez gubitaka i na linearnom delu karakteristike magnećenja, kao i da su ostali elementi kola idealni.
Slika 13. Čoper sa elektro izolovanim terminalima Kako je u pitanju idealan transformator, za z a vrijeme intervala ton i toff ekvivalentna kola su data na slici 14 i slici 15, respektivno.
Slika 14. Prekidač D
12
isključen
Slika 15. Prekidač D uključen U toku intervala ton dioda D je je inverzno polarisana i ne provodi.Fluks grane magnećenja raste linearno:
Maksimalna vrednost fluksa se postiže za t = ton: U toku intervala toff usled akumulisane aku mulisane magnetne energije nastaviće da teče struja im prouzrokujući struju sekundara sekun dara iD (slika (slika 15). Napon sekundara je u2 = −Uo, pa fluks opada linearno:
U stacionarnom režimu ukupna promjena fluksa u toku T je nula, odnosno: Pa na osnovu prethodno izvedenog obrasca sledi:
Prethodna jednačina ukazuje da je u pitanju čoper za povećanje/sniženje napona. Direktni napon na prekidaču S u toku toff intervala intervala je:
što je koristan podatak pri dimenzionisanju prekidača. 13
6 Osnovno čopersko kolo bez akomulacionih elemenata
Ekvivalentna ulazna otpornost
14
7
Izračunavanje efektivne vrednosti izlaznog napona I izlazne snage
15
8
Osnovne topologije čopera sa akumulacionim elementima elementima I diodom
16
9
Primena čopera
Regulacija momenta (vučner sile) I brzine jednosmernih motora sa nezavisnom bobudom
17
18
10
Čoper spuštač napona sa rekuperacijom
19
11
Čopersko kolo za pobudu DC motora sa tiristorski kontrolisanom nezvisnom pobudom
20
12
Osnovno čopersko kolo za pobudu DC motora sa nezavisnom pobudom – analiza rada
21
13
Osnovni tipovi čopera: REKAPITULACIJA
22
14
Zaključak
Čoperi spadaju u grupu DC/DC energetskih pretvarača. Oni jednosmeran napon određene srednje vrednosti, koji se obično dobija iz neregulisanog izvora jednosmernog napona (akumulatorske baterije, neupravljivi ispravljači, ...) pretvaraju u jednosmeran napon druge srednje vrednosti. Napon na izlazu čopera se može regulisati tako da pomoću čopera možemo dobiti regulisani izvor jednosmernog napona.
Osim čopera, za dobijanje regulisanog jednosmernog napona postoje razni linearni elektronski regulatori jednosmernog napona i poluupravljivi ili potpuno upravljivi ispravljači. Međutim svi ovi izvori regulisanog jednosmernog napona imaju u odnosu na čopere nekoliko bitnih nedostataka. Linearni elektronski regulatori jednosmernog jednosme rnog napona imaju zbog svog načina n ačina rada značajne gubitke energije, tako da se njihova primena isplati samo pri napajanju elektronskih uređaja vrlo malih snaga. Njihova prednost u odnosu na primenu čopera se ogleda u jednostavnosti i niskoj ceni. Poluupravljivi i potpuno upravljivi ispravljači su, s druge strane isplativi i za napajanje potrošača velikih snaga, a dugo vremena su bili i jedina varijanta za dobijanje regulisanog jednosmernog napona iz mrežnog naizmeničnog napona. Otkako je postala aktuelna tema kvaliteta električne energije, došlo se do zaključka da svi ovi ispravljači unose dosta visok nivo harmonijskog izobličenja u elektroenergetsku mrežu. Njihov faktor snage vrlo varira u zavisnosti od režima rada, jer zavisi od ugla paljenja. Čoperi u odnosu na linearneregulatore jednosmernog napona imaju mnogo manje gubitke energije u toku rada.
Uodnosu na poluupravljive i potpuno upravljive ispravljače postižu mnogo veće prekidačke učestanosti, jer u svojoj topologiji sadrže prekidače tipa MOSFET-a ili IGBT-a, pa na taj način zahtevaju mnogo manje filtre. U kombinaciji sa neupravljivim ispravljačem za dobijanje jednosmernog napona iz mrežnog naizmeničnog napona, faktor snage je mnogo bolji nego kod poluupravljivih i potpuno upravljivih ispravljača koji su bazirani na tiristorima i GTO tiristorima. Konačno, čoperi obezbeđuju mnogo manju talasnost struje armature, čime se ujedno umanjuje i talasnost ostvarenog momenta jednosmernog pogona. Primenom čopera je moguća i brza regulacija struje armature, čime se umnogome poboljšavaju dinamičke karakteristike pogona
23
15 Literarura [1] Brodić Tomislav,Elektronski elementi i osnovni sklopovi, Beograd,1995. [2] Dokić Branko L. Energetska elektronika - pretvarači i regulatori. Beograd/Banja Luka:
Akademska misao/Elektrotehnički fakultet(2007). [3] Брoдић Томислав:Електронски елементи и основни склопови, БГ 1995 [4] Prof. Veljko Skočilić,Električne instalacije , Beograd, 1997.
24
