[5] Претварач Ее- саставни дијелови 4

Transcript

1 ЕТФ Источно Сарајево Еe-Енергетска електроника 1 DC-AC ACпретварачи $-Миломир Шоја milomir.soja@etf.unssa.rs.ba 1

2 Енергетска електроника 1 DC-ACпретварачи Увод Напонски инвертори Струјни инвертори Резонантни инвертори Литература 2

3 Енергетска електроника 1 DC-ACпретварачи Увод Напонски инвертори Струјни инвертори Резонантни инвертори Литература 3

4 DC-AC.Увод Претварач/конвертор - појединачни степен за претварање ел. енергије (њених параметара), заснован на снажним полупроводничким прекидачима. Ниска цијена, велика поузданост и ефикасност, мале димензије и одличне карактеристике, основне особине које мора имати претварач Ее. [5] Претварач Ее- саставни дијелови 4

5 DC-AC.Увод Основни типови претварача, према природи електричне енергије која се појављује на њиховом улазу/излазу, односно врсти претварања: AC-DC(исправљачи) AC-AC(циклоконвертори) DC-DC(чопери) DC DC-AC AC(инвертори инвертори) DC-AC (инвертори) (деф.): 4Q претварачи (не)регулисаног DC улаза (исправљач-филтер, батерија, обновљиви извор) у регулисани АC излаз(напон, струја, фреквенција). Примјена: Системи Беспрекидног Напајања (Uninterruptible Power Supplies - UPS), Управљање 3f АС(BLDC, PMSM) моторима, [21] Обновљиви извори(renewable Energy Sources),... 5 [5]

6 DC-AC.Увод. Увод.4Q претварачи Подјела претварача на једно (1Q) и вишеквадрантне врши се према поларитету напона и струје које могу дати на излазу (одређено топологијом и типом прекидача): 1Q:U out >0,I out >0 2Q:U out >0,I out ><0 4Q:U out ><0,I out ><0 [10] Излазне карактеристике 4Q претварача 6

7 DC-AC.Увод. Увод.Подјела Инвертор(DC-AC) се дијеле на: 1f, вишефазне. напонске, струјне. мрежом вођене, независне, резонантне. синусне, са правоугаоним излазним напоном, са више нивоа.... 7

8 DC-AC.Увод. Увод.Подјела. Подјела.Напонски и струјни инвертори У зависности да ли су прикључени на напонски или струјни извор постоје напонски (Voltage-Source Inverters - VSI) и струјни (Current-Source Inverters - CSI) инвертори. Извори DC напона за VSI: акумулаторске батерије, гориве ћелије, соларне ћелије, DC генератори, исправљачки DC извори. Код CSI се користи DC извор приближно константне струје. Природа извора узрок је различитог понашања у практичним примјенама. i o v DC C v o [25] i DC L i o v DC v o Напонски и струјни инвертор 8

9 DC-AC.Увод. Увод.Подјела. Подјела.Напонски и струјни инвертори Код напонског инвертора (VSI), улаз је DC напон V DC, излазни напон v o је функција инверторског рада, а струја оптерећења i o је функција природе оптерећења. Код струјног инвертора (CSI) улаз је струја I DC (добије се спајањем великог индуктивитета у серију са DC напонским извором), излазна струја i o је функција инверторског рада, а излазни напон v o је функција природе оптерећења. i o v DC C v o [25] i DC L i o v DC v o Напонски и струјни инвертор 9

10 Енергетска електроника 1.DC-AC претварачи Напонски инвертори Излазни напон Топологије Инветори са више нивоа Трофазни (3f) инвертори 10

11 Енергетска електроника 1.DC-AC претварачи Напонски инвертори Излазни напон Топологије Инветори са више нивоа Трофазни (3f) инвертори 11

12 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Излазни напон Типови и карактеристике Правоугаони напон Квази-синусни/правоугаони напон Филтрирање 12

13 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Излазни напон Типови и карактеристике Правоугаони напон Квази-синусни/правоугаони напон Филтрирање 13

14 DC-AC.....Излазни напон.типови и карактеристике На излазу прекидачког извршног органа напонског инвертора (напонски АС извор) појављују се следећи типови напона: правоугаони(1 импулс на Т/2, ширине == Т/2), квази-синусни(1импулс на Т/2, ширине < Т/2), више импулса на Т/2- елиминација појединих хармоника, више импулса на Т/2-синусна ШИМ, биполарни (у свакој полупериоди и + и импулси), униполарни (у + полупериоди импулси +/0, у полупериоди импулси /0). са више нивоа(амплитуда). 14

15 DC-AC.....Излазни напон.типови и карактеристике Излазни напон инвертора има основни хармоник (50/60 Hz) и више хармонике (нежељени, последица начина добијања излазног напона - ФИЛТРИРАЊЕ ВИШИХ ХАРМОНИКА). Тотална хармонијска дисторзија (THD) - мјера одступања излазног напона од идеaлног синусоидалног: THD 1 2 v. F. IEEE = Vo. n. rms Vo.1. rms n= V o. rms = Vo. rms Vo.1. rms = 1 100% Vo.1. rms Vo.1. rms 2 2 % THDv. F. IEEE Vo. rms = Vo. n. rms = Vo.1. rms 1+ n= THD 1 2 v. R. IEC = Vo. n. rms Vo. rms n= 2 1 = V V V o. rms o. rms o. rms o.1. rms Vo.1. rms o.1. rms v. F. IEEE v. R. IEC v. F. IEEE 2 v. F. IEEE Vo. rms % THDv. F. IEEE 1 THD I I 2 n i = o. n. rms, n = Io.1. rms n= 2 Zn V = 1 100% V THD THD = THD = THD V 2 [11] 15

16 DC-AC......Типови и карактеристике.1f напонски инвертори У идеалном случају, на излазу 1f напонског инвертора, који се користи за напајање (осјетљивих) потрошача (СБН), требао би бити СИНУСНИ напон константне: ефективне вриједности (220/230 V), амплитуде (220 2/230 2 V) и фреквенције (50/60 Hz) и без виших хармоника (THD==0). Синусни таласни облик излазног напона не представља увијек најбољи избор због: веће сложености уређаја (неопходан филтер), мање ефикасности (повећани прекидачки и губици филтрирања), мање поузданости, сложеније управљачке електронике, DT веће цијене. vo Vo.s/ks Vo.p vo.kv-sin vo.sin vo.p [27] t -Vo.p -Vo.s/ks T Најједноставније и најчешће алтернативе су правоугаони и тзв. квази-синусни/правоугаони таласни облик 16

17 DC-AC......Типови и карактеристике.1f напонски инвертори v o v o.kv-sin v o.sin [27] V o.s/ks v o.p V o.p v o.vn DT/2 t -V o.p -V o.s/ks T Таласни облици излазног напона инвертора 17

18 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Излазни напон Типови и карактеристике Правоугаони напон Квази-синусни/правоугаони напон Филтрирање 18

19 DC-AC Правоугаони напон.rl оптерећење [25], [26] V o v o I o i o i g t 1 T/2 T Правоугаони излазни напон и струја инвертора (RL оптерећење) 19

20 DC-AC Правоугаони напон.rl оптерећење [25], [26] V o I o t 1 v o i o T/2 i g T T Vo, 0 t 2 vo ( t) = T Vo, t T 2 d io T L + R io = Vo, i ( 0) = i ( T ) = i = I d t 2 o o o o i o ( t) t V o V o T τ Io + e, 0 t R R 2 =, t Vo V o T + τ Io + e, t T R R 2 τ = L R Правоугаониизлазни напон и струја инвертора (RL оптерећење) I o P T 2τ Vo 1 e =, t1 = τ ln 1 T + R 2τ 1+ e T 1 = i v d t o. ave o o T 0 Io R Vo 20

21 DC-AC Правоугаони напон.садржај хармоника [25], [26] a a b b b 0 π 2π 1 = Vo dθ Vo dθ 0 π = 0 π π 2π V o = cos nθ dθ cos nθ dθ = 0 π 1 bn = f ( v) sin nθ dθ π 0 n a 0 π 0 f ( v) = + ( an cos nθ + bn sin nθ ) 2 n= 1 π 2π V o Vo π 2π n = sin nθ dθ sin nθ dθ = cos nθ + cos nθ 0 π π nπ 0 π n n a a 0 n 2π 1 = f ( v) dθ, θ = ωt π 1 = π Vo = ( cos 0 cos nπ ) ( cos 2nπ cos nπ ) nπ + V Vo. rms = Vo o = ( 1 cos nπ ) ( 1 cos nπ ) nπ + Vo vo ( t) = π 2V o = ( 1 cos nπ ) V nπ o io ( t) = π = 0, за n = 2,4,6,... 4V o =, за n = 1, 3,5,... nπ b 1 4V o = π I o. n. rms 0 2π 0 2π ( ) f v cos nθ dθ 4 sin n= 1,3,5,... 4 sin nωt nz n= 1,3,5, V = nπ Z n o nωt n n 21

22 DC-AC AC Правоугаони напон.садржај хармоника 22 Амплитуд да хармоника у процент тима основног o ( ) v t = 4 V o sin n ω t π n n = 1,3,5,... Спектар хармоника правоугаоног напона

23 DC-AC Правоугаони напон.хармоници Правоугаони напон са укључених првих 9 хармоника 23

24 DC-AC Правоугаони напон.особине Правоугаони излазни напон инвертора се састоји од по једног позитивног и негативног импилса, у трајању по 1/2 перода: минимални прекидачки губици, једноставна реализација, поузданост. Vo Io t1 vo io T/2 ig T [27] веома неповољан садржај виших хармоника (THD>> >>), немогућност регулације ефективне вриједности (једино регулацијом V о ), ако је V о == амплитуди синусног мрежног напона (220 2/230 2 V) ефективна вриједност је >>, ако је V о ==ефективној вриједности синусног мрежног напона (220/230 V) амплитуда је <<, тежак за филтрирање, примјена код веома малог броја оптерећења. 24

25 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Излазни напон Типови и карактеристике Правоугаони напон Квази-синусни/правоугаони напон Филтрирање 25

26 DC-AC Квази-синусни/правоугаони напон.rl оптерећење V o v o [27] I o i o i g DT/2 a T/2 T Квази-синусни/правоугаони излазни напон и струја инвертора (RL оптерећење) 26

27 DC-AC Квази-синусни/правоугаони напон.rl оптерећење V o I o I 1 a v o i o DT/2 [27] T/2 T T Vo, a t a 2 T vo ( t) = Vo, + a t T a 2 T T 0, 0 t a; a t + a; T a t T 2 2 d i T 0 t t : L + Ri = V, i ( 0 ) = i = I ; i ( t ) = I d t 2 o 1 o o o o 1 o 1 o t V o V o Vo V τ o i o ( t) = 1 +, I o = 1 + I e I e R R R R t1 τ 0 t 0 t 1 T/2 Квазисинусни/правоугаони излазни напон и струја инвертора (RL оптерећење) T d io T t1 t : L + Rio 0, io = I1; io t 2 d t 2 i t o 0 ( t) = ( ) T t t 1 t t τ Vo 1 e τ τ o, I1 Ioe, Io T R 2τ = I e = = t1 I1 R 2 ln 1, Po. ave iovod t, o 0 1+ e L = τ + = τ = V T R 1 = I o 27

28 DC-AC Квази-синусни/правоугаони напон.садржај хармоника a n = 0 π a 2V o 2V o π a bn = sin nθ dθ cos nθ a π = nπ a 2V o = cos na cos n( π a), θ ωt nπ = cos n π a = cos nπ cos na + sin nπ sin na = cos nπ cos na ( ) 2V o 2V bn = na n na na n nπ nπ V o b = 0, за n = 2, 4,6,... b v i n n o o o [ cos na c os n π cos na ] = cos [ 1 cos π ] 4V o = cos na, з а n = 1, 3, 5,... nπ 4Vo cos nasin nωt t = π n ( ) ( t) n= 1,3,5,... 4Vo cos na sin nωt = π nz n= 1,3,5,... n I o I 1 v o i o DT/2 a T/2 0 t 0 t 1 T/2 [27] T 28

29 DC-AC Квази-синусни/правоугаони напон.садржај хармоника 4V 2 2V o b1 = cos a, b1. rms = o cos a π π 90 T bn. k = 0, за cos nan.0 = 0, an.0. k = k = k, k = 1,3, 5, n 2 n 4n 2t1 2 T 4a 2a D = = 2a = 1 = 1 T T 2 T π T 1 T 1 T a = ( 1 D) = t1 = ( π ωt1 ), t1 = 2a = π 2a , за T 1. 2 T T T n bn k = t n = a k n.0. k = k = n 2 n T T b3.1 = 0, за t1.3.1 = = 6.67 ms, a = 30 = = 1.67 ms T T a b5. 1 = 0, за t1.5.1 = = 8ms, a5.0.1 = 18 = = 1ms 5 20 T T b5.3 = 0, за t1.5.3 = = 4 ms, a = 54 = 3 = 3ms 5 20 Vo Io I1 [27] vo io DT/2 T/2 0 t0 t1 T/2 T 29

30 DC-AC Квази-синусни/правоугаони напон.садржај хармоника U1.ef U3.ef U5.ef [27].ef, U5.ef [% Uo] U1.ef, U tu [ms] Ефективна вриједност 1-ог, 3-ег и 5-ог хармоника квази-синусног/правоугаоног напона, у процентима V o 30

31 DC-AC Квази-синусни/правоугаони напон.садржај хармоника THD v. F. IEEE V V o. rms = o.1. rms % 2 2Vo Vo. rms = Vo D, Vo.1. rms = cos a π 2t1 2 T 4a D = = 2a = 1 T T 2 T T 1 T T a = ( 1 D) = t1, t1 = 2a THD THD V 1 2 o 2 v. F. IEEE = π 2 2 8V o cos 4a T a v.min 1. THD.min 1 100% T = 29%, за t = V o v o I o I 1 i o =.5m s, THD.min DT/2 a T/2 0 t 0 t 1 T/2 a = 1.25ms [27] T 31

32 DC-AC Квази-синусни/правоугаони напон.садржај хармоника [27] THD [%] tu [ms] Тотална хармонијска дисторзија квазисинусног/правоугаоног напона 32

33 DC-AC Квази-синусни/правоугаони напон.ефективна вриједност [27] 80 Uo.e ef [% Uo] V o. rms = V D = V o o 2t T tu [ms] Ефективна вриједност квази-синусног/правоугаоног напона, у процентима V 33 o

34 DC-AC Квази-синусни/правоугаони напон.хармоници [25] Квази-синусни/правоугаони напон са укљученим првих 9 хармоника, за α=0, α=π/6 и α=π/3 34

35 DC-AC Квази-синусни/правоугаони напон.особине Квази-синусни/правоугаони излазни напон инвертора се састоји од по једног позитивног и негативног импилса, у трајању < ½ перода: минимални прекидачки губици, једноставна реализација; поузданост, регулације ефективне вриједности (DT)(*), елиминација 1-ог вишег хармоника (*), рад са минималном THD(*) (**), амплитуда, ефективна вриједност и фреквенција могу бити ==као код синусног напона ( квази-синус )(***) [27] неповољан садржај виших хармоника (THD>), (*)-искључују се међусобно; (**)-амплитуда <<, (***)-неопходна регулација V о == 220 2/230 2 V (усложњавање и енергетског и управљачког дијела), постоје оптерећења која не подносе овакав напон. 35

36 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Излазни напон Типови и карактеристике Правоугаони излазни напон Квази-синусни излазни напон Филтрирање 36

37 DC-AC.Напонски инвертори.излазни напон.филтрирање Филтрирање /смањење садржаја хармоника - елиминација и поништавање одређених хармоника у излазном напону (један од највећих изазова код пројектовања инвертора) За разлику од DC-DC претварача код инвертора су хармоници у излазном напону веома значајни. Код DC-DC претварача задатак излазног филтра је да ограничи износ рипла излазног напона на жељени % средње вриједности излазног напона (пасиван приступ, ограничења - физичка величина кондензатора и пригушнице). Код DC-AC претварача смањење садржаја хармоника је активно и засновно на техникама управљања прекидачима, па тек онда на пасивном филтрирању Филтрирање може негативно утицати на основни хармоник и изазвати његово слабљење и фазни помјерај [25] 37

38 DC-AC.Напонски инвертори.излазни напон.филтрирање Хармоници који су присутни у излазном напону инвертора превелики су за већину примјена, нарочито ако се тражи чисти синусни напон. На излаз се поставља нископропусни филтер за елиминацију виших хармоника (на пр. 3-ћег и 5-ог, који су упоредиви са основним). За ефикасно филтрирање потребан већи број компоненти великих димензија(лоша динамика). Због тога се примјењује нека од активних прекидачких техника за елиминацију хармоника (управљање бројем и ширином импулса на полупериоду - поједностављење филтерског круга). Могуће је једноставним управљањем ширином импулса на полупериоду поништити одређене хармонике. Квази-синусни/правоугаони напон: управљање ширином 1-ог импулса елиминација 1-ог хармоника (за елиминацију 3-ћег хармоника α=π/6) [25] 38

39 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Елиминација хармоника.униполарни v o Увођењем више импулса управљиве ширине на полупериоду стварају се могућности за значајније елиминисање хармоника [10] Униполарни излазни напон 4V α1 π / 2 S Bn = sin( nθ ) dθ + sin( nθ ) dθ π 0 α 2 4V S 1 cos nα 1 + cos nα 2 = π n 4V B S n = n + n n + nπ За B = B = 0, α = и α = [ 1 cos α cos α cos α cos nα... ] O 1 2 O v ( ) o t = Bn sin nωt n= 1,3,5,. ( 1 cos3α 1 cos3α 2 ) ( α os5α ) + = 0 1 cos5 + c =

40 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Елиминација хармоника.биполарни v o [10] Биполарни излазни напон v ( ) o t = Bn n= 1,3,5,. sin nωt 4V α1 α2 π S Bn = sin( nθ ) dθ sin( nθ ) dθ + sin( nθ ) dθ π 0 α 1 α2 4V S 1 2cos nα 1 + 2cos nα 2 = π n 4V S Bn = n 1 n nπ O За B = B = 0, α = [ 1 2cos α + 2cos α 2cos nα + 2cos nα.. ] 5 1 O 2 и α2 = 33 40

41 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Елиминација хармоника.синусна ШИМ [1] Синусна ШИМ- биполарни и униполарни излазни напон 41

42 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Елиминација хармоника.синусна ШИМ [1] Синусна ШИМ- формирање биполарног излазног напона Претпоставља се да је управљачки напон константан на периоду прекидачке фреквенције 42

43 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Елиминација хармоника.синусна ШИМ [1] БИП. УНИ. Синусна ШИМ-садржај хармоника код биполарноги униполарног излазног напона 43

44 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Елиминација хармоника.синусна ШИМ Коефицијент амплитудне модулације: [1] ma = V ˆ Vˆ control tri Коефицијент фреквентне модулације: m f = Амплитуда основног хармоника: f f s 1 ( v ) Ao 1 ( Vˆ Ao ) 1 Vˆ V V = sin( ω t) = m sin( ω t) за m 1.0 control d d 1 a Vˆ 2 2 tri Vd = m 1. 2 за 0 a ma 1 a 44

45 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Елиминација хармоника.синусна ШИМ Хармоници се у излазном напону инвертора (синусна ШИМ) јављају у појасима око прекидачке фреквенције и њених цјелобројнихумножака(m f, 2m f, 3m f,...),за m a ε [0, 1] За m f 9 амплитуде хармоника практично не зависе m f (m f одређујефреквенције f h накојимасехармоницијављају) f h ( ) f k f 1 = j m ± h = j m ± k f [1] Хармоници постоје за непарне вриједности j вриједности k, и обрнуто и парне 45

46 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Елиминација хармоника.синусна ШИМ Генерализоване вриједности виших хармоника за m f >> [1] УНИ. БИП. УНИ. УНИ. 46

47 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Филтри [1] Блок шема инвертора са улазним и излазним филтром 47

48 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Филтри [10] Шеме филтера за елиминисање виших хармоника Нископропусни филтер (идеалан) - пропушта фреквенције испод критичне(множи са 1), не пропушта фреквенције изнад критичне(множи са 0) Недисипативни елементи(l, C) Серијска грана - импеданса расте са фреквенцијом(l) Паралелна грана - импеданса опада са фреквенцијом(с) 48

49 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Филтри [11] Oпшта шема филтера за елиминисање виших хармоника L s, C s -краткоспојникзаосновнихармоник(пропуштање) L р, C р - отпорностзаосновнихармоник(потискивање) L s123, C s123 -краткоспојницизапојединевишехармонике 49

50 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Филтри [11] Oпшта шема филтера за елиминисање виших хармоника Поједностављенашема филтера за елиминисање виших хармоника 50

51 DC-AC.....Филтрирање. Филтрирање.Филтри [11] Oпшта шема филтера за елиминисање виших хармоника Поједностављенашема (LC)филтера за елиминисање виших хармоника 51

52 Енергетска електроника 1.DC-AC претварачи Напонски инвертори Излазни напон Топологије Инветори са више нивоа Трофазни (3f) инвертори 52

53 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори 1fмост 1f полумост Пуш-пул 2Пуш-пул Топологије Пуш-пул + 2Т 53

54 DC-AC.....Топологије. Топологије.Основне топологије и прекидачи Основне топологије 4Q претварача, које се појављују у инверторским(dc-ac) колима су: МОСТ, ПОЛУМОСТ, ПУШ-ПУЛ. У инверторима (DC-AC) се користе двострани (бидирекциони) прекидачи (блокирање + напона, вођење + и струје) - комбинација управљивог прекидача (MOSFET, IGBT) и антипаралелно везане диоде. Диода интегрисана са прекидачем у једно кућиште, брза, са карактеристикама које одговарају прекидачу(sic без реверзне струје опоравка). 54

55 DC-AC.....Топологије. Топологије.1f мост T 1.G T 2.G Z o A B T 1.D T 2.D +,-: улазни DСнапон (V g, V DC ) А, В: излазни АСнапон (v, v o ) 1f мосни инвертор(mosfet) 55

56 DC-AC.....1fмост.Генеза. Генеза.2Q претварачи Основне топологије претварача, код којих се користе SРDT прекидачи, су 2Q (U out >0, I out ><0). С обзиром да су реални полупроводнички прекидачи SPST, стварно се ради о 1Q. Коришћењем двостраних (бидирекционих) прекидача (блокирање + напона, вођење + и струје) могуће је реално претворити основне топологије у 2Q Реални 1Q спуштач 56

57 DC-AC.....1fмост.Генеза. Генеза.2Q претварачи Основне топологије претварача, код којих се користе SРDT прекидачи, су 2Q (U out >0, I out ><0). С обзиром да су реални полупроводнички прекидачи SPST, стварно се ради о 1Q. Коришћењем двостраних (бидирекционих) прекидача (блокирање + напона, вођење + и струје) могуће је реално претворити основне топологије у 2Q У пару раде Т 1 D 2 и Т 2 D 1 Реални 2Q спуштач (једна грана Н моста) 57

58 DC-AC.....1fмост.Генеза. Генеза.2 2Q претварача 4Q (U out ><0, I out ><0) претварач се може реализовати спајањем оптерећења између излаза 2 2Q претварача (диференцијално). Излазни напон једнак је разлици напона 2Q претварача (напонипојединачнихпретварача+и0,аизлазнинапон+,,0). DC извор Претварач 1 Оптерећење [6] Претварач 2 4Q претварач (диференцијално спојено оптерећење) 58

59 DC-AC.....1fмост.Генеза. Генеза.2 2Q спуштача 4Q (U out ><0, I out ><0) претварач, реализован спајањем оптерећења између излаза 2 2Q спуштача. Првим 2Q спуштачeм се управља укључивањем прекидача са D, а другим са(1-d). Излазни напон је: Спуштач 1 V M DVg ( 1 D) ( 2D 1) Vg ( 2D 1) = = = V g [6] Спуштач 2 4Q претварач (диференцијално спојено оптерећење) 59

60 DC-AC.....1fмост.Генеза. Генеза.2 2Q спуштача.с+с=с Могуће је поједноставити 4Q (U out ><0, I out ><0) претварач, реализован спајањем оптерећења између излаза 2 2Q спуштача. Први корак је уједињавање кондензатора појединачних претварача у један и његово спајање паралелно оптерећењу. Спуштач 1 [6] Спуштач 2 4Q претварач од 2 2Q спуштача- поједностављење 60

61 DC-AC.....1fмост.Генеза. Генеза.2 2Q спуштача.l+l=l 4Q (U out ><0, I out ><0) претварач, реализован спајањем оптерећења између излаза 2 2Q спуштача, може се даље поједноставити уједињавањем пригушница Резултат је (Н) МОСТ. Користи се као 1f инвертор (DC-AC) или серво појачавач [6] 4Q претварач- МОСТ 61

62 DC-AC.....Топологије. Топологије.1f мост T 1.G T 2.G Z o A B T 1.D T 2.D 1f мосни инвертор(mosfet) 62

63 DC-AC.Топологије. Топологије.1f мост.карактеристике +, : улазни DCнапон (V g, V DC ) А, В: излазни АСнапон (v, v o ) T 1.G T 2.G Састоји се од 2гране, са 2серијски везана бидирекциона прекидача (2 2Q спуштача); Z o мора постојати заштита (електронска) од истовременог вођења прекидача у грани T 1.D T 2.D + / излазнинапон(v DC -2V sw ) се формирају вођењем дијагоналних прекидача, а излазни напон 0 вођењем горњих/доњих прекидача Једино мост може формирати УНИПОЛАРНИ излазни напон (на +полупериоди импулси +/0, а у полупериоди /0) БИПОЛАРНИнапон: на свакој полупериодии +и импулси Најбоље искорушћење прекидача - користи се на највећим снагама На улазу обавезно велики (електролитски) кондензатор, на излазу LC филтер(по потреби) 63 A B

64 DC-AC.....1fмост.Формирање v o.rl.v o >0, i o <0 Vo vo Io io T/2 T Vo vo Io io DT/2 a T/2 T 1fмосни инвертор(mosfet) 64

65 DC-AC.....1fмост.Формирање v o.rl. v o >0, i o >0 Vo i A vo Io io T/2 T T 1.G T 2.G A i o Z o B Vo vo Io DT/2 T 1.D T 2.D io a T/2 T i B 1f мосни инвертор(mosfet) 65

66 DC-AC.....1fмост.Формирање v o.rl.v o <0, i o >0 Vo vo Io io T/2 T Vo vo Io io DT/2 a T/2 T 1f мосни инвертор(mosfet) 66

67 DC-AC.....1fмост.Формирање v o.rl.v o <0, i o <0 Vo i B vo Io io T/2 T T 1.G T 2.G A i o Z o B Vo vo Io DT/2 T 1.D T 2.D io a T/2 T i A 1f мосни инвертор(mosfet) 67

68 DC-AC.....1fмост.Формирање v o RL.RL.v o =0, i o >0 i A i B T 1.G T 2.G A i o Z o B Vo vo Io DT/2 T 1.D T 2.D io a T/2 T 1f мосни инвертор(mosfet) 68

69 DC-AC.....1fмост.Формирање v o.rl.v o =0, i o <0 i A i B T 1.G T 2.G A i o Z o B Vo vo Io DT/2 T 1.D T 2.D io a T/2 T 1f мосни инвертор(mosfet) 69

70 DC-AC.....1fмост.Формирање v o.rl.v o =0, i o >0 T 1.G T 2.G A i o Z o B Vo vo Io DT/2 T 1.D T 2.D io a T/2 T i A i B 1f мосни инвертор(mosfet) 70

71 DC-AC.....1fмост.Формирање v o.rl.v o =0, i o <0 T 1.G T 2.G A i o Z o B Vo vo Io DT/2 T 1.D T 2.D io a T/2 T i A i B 1f мосни инвертор(mosfet) 71

72 DC-AC.....1fмост. мост.токови снаге V = DV g 1 D ( ) V g T 1.G T 2.G = 2D 1 ( ) V g A Z o B M = 2D 1 ( ) T 1.D T 2.D 1f мосни инвертор - вођење прекидача и токови снаге i o <0 i o >0 УНИ. v o >0 v o <0 P<0 P>0 D 1.G D 2.D T 1.G T 2.D P>0 P<0 T 2.G T 1.D D 1.D D 2.G v o >0 v o <0 БИП. P=0 P=0 v o =0 T 1.D D 2.D T 2.D D 1.D v o =0 T 2.G D 1.G T 1.G D 2.G 72

73 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори 1fмост 1f полумост Пуш-пул 2Пуш-пул Топологије Пуш-пул + 2Т 73

74 DC-AC.....Топологије. Топологије.1f полумост 1f полумосни инвертор(igbt) 74

75 DC-AC.....1f полумост.карактеристике +, : улазни DCнапон (V g, V DC ) А, В: излазни АСнапон (v, v o ) T 1.G C 2.G Састоји се од 1гране са 2серијски везана Z бидирекциона прекидача и 1 гране са 2 o серијски везана кондензатора; мора постојати заштита (електронска) од T 1.D C 2.D истовременог вођења прекидача у грани + / излазнинапон(v DC /2-V sw ) се формирају вођењем горњег / доњег прекидача Излазни напон 0, у принципу, није могуће формирати (C sw ) ЗаистиулазниDC напон(v g, V DC )напопблокирањапрекидача == као код моста, али је струја прекидача, за исту снагу, 2х већа него код моста; користи се на већим снагама / напонима На излазу LCфилтер (по потреби) A B 75

76 DC-AC.....1f полумост.формирање v o.rl.v o >0, i o <0 Vo vo Io io T/2 T 1f полумосни инвертор(igbt) 76

77 DC-AC.....1f полумост.формирање v o.rl.v o >0, i o >0 Vo vo Io io T/2 T 1f полумосни инвертор(igbt) 77

78 DC-AC.....1f полумост.формирање v o.rl.v o <0, i o >0 Vo vo Io io T/2 T 1f полумосни инвертор(igbt) 78

79 DC-AC.....1f полумост.формирање v o.rl.v o <0, i o <0 Vo vo Io io T/2 T 1f полумосни инвертор(igbt) 79

80 DC-AC.....1f полумост.токови снаге V Vg Vg = D + ( 1 D) 2 2 Vg = ( 2D 1) 2 A T 1.G C 2.G Z o B M = ( 2D 1) 2 T 1.D C 2.D 1f полумосни инвертор - вођење прекидача и токови снаге i o <0 i o >0 v o >0 v o <0 P<0 P>0 D 1.G С 2.G T 1.G С 2.G P>0 P<0 T 1.D С 2.D D 1.D С 2.D v o >0 v o <0 80

81 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори 1fмост 1f полумост Пуш-пул 2Пуш-пул Топологије Пуш-пул + 2Т 81

82 DC-AC.....Топологије. Топологије.Пуш-пул Z o A Tr B a b T 1 T 2 Пуш-пул инвертор(mosfet) 82

83 DC-AC.....Пуш-пул. пул.карактеристике +, : улазни DCнапон (V g, V DC ) А, В: излазни АСнапон (v, v o ) Z o Састоји се од 2бидирекционапрекидача и Tr 1f трафоа са средњом тачком на примару; (НЕ) мора постојати заштита (електронска) од истовременог вођења прекидача T 1 T 2 + и излазнинапон n(v DC -V sw ) се формирају наизмјеничним вођењем прекидача, (излазни напон 0, у принципу, није могуће формирати(c sw )) ПРАВОУГАОНИ излазни напон ЗаистиулазниDC напон(v g, V DC )напопблокирањапрекидача 2х већи него код моста; користи се на ниским улазним напонима (мали пад напона на прекидачима - води само 1 у свакомтренутку);??? Мрежни трафо обавезан- ЗАСИЋЕЊЕ На улазу обавезно велики (електролитски) кондензатор, на излазу LC филтер(по потреби) A a B b 83

84 DC-AC.....Пуш-пул.Формирање v o.rl.v o >0, i o <0 Vo vo I o i o Z o io T/2 T A Tr B a b T 1 T 2 i A Пуш-пул инвертор(mosfet) 84

85 DC-AC.....Пуш-пул.Формирање v o.rl.v o >0, i o >0 Vo vo I o i o Z o io T/2 T A Tr B a b T 1 T 2 i A Пуш-пул инвертор(mosfet) 85

86 DC-AC.....Пуш-пул.Формирање v o.rl.v o <0, i o >0 Vo vo I o i o Z o io T/2 T A Tr B a b T 1 T 2 i B Пуш-пул инвертор(mosfet) 86

87 DC-AC.....Пуш-пул.Формирање v o.rl.v o <0, i o <0 Vo vo I o i o Z o io T/2 T A Tr B a b T 1 T 2 i B Пуш-пул инвертор(mosfet) 87

88 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори 1fмост 1f полумост Пуш-пул 2Пуш-пул Топологије Пуш-пул + 2Т 88

89 DC-AC.....Топологије. Топологије.2 пуш-пулпул 2 Пуш-пул инверторa(mosfet) 89

90 DC-AC.....2пуш-пул. пул.карактеристике +, : улазни DCнапон (V g, V DC ) А, В: излазни АСнапон (v, v o ) Састоји се од 2 пуш-пул претварача, улази везани паралелно (дијеле струју), а излази у серију Излазни напон је сума напона појединачних претварача (временски помјерени - шифтовани); могућност регулације ефиктивне вриједности; v o ==0 када су појединачни напони супротног знака ЗаистиулазниDC напон(v g, V DC )напопблокирањапрекидача 2х већи него код моста; користи се на ниским улазним напонима (води по 1 прекидач у сваком тренутку), на већим снагама;??? Мрежни трафои обавезни- ЗАСИЋЕЊЕ На улазу обавезно велики (електролитски) кондензатор, на излазу LC филтер(по потреби) 90

91 DC-AC.....2пуш-пул. пул.формирање v o [10] пуш-пул инвертора- формирање излазног напона v o1 ( t) = A sinωt + A sin 3ωt + A sin 5 ωt π π π vo 2( t) = A1 sin( ωt ) + A3 sin 3( ωt ) + A5 sin 5( ωt ) π π vo = vo 1 + vo2 = 3 A1 sin( ωt ) + A5 sin 5( ωt )

92 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори 1fмост 1f полумост Пуш-пул 2Пуш-пул Топологије Пуш-пул + 2Т 92

93 DC-AC.....Топологије. Топологије.Пуш-пул+2T Пуш-пул инвертор са пражњењем енергије 93

94 DC-AC.....Пуш-пул+2T.Карактеристике +, : улазни DCнапон (V g, V DC ) А, В: излазни АСнапон (v, v o ) Састоји се од 1 пуш-пул претварача, додатног намотаја на трафоу и још 2 прекидача (воде када су основни прекидачи искључени) Могућност регулације ефиктивне вриједности излазног напона; v o ==0ако не воде основни, а воде додатни прекидачи ЗаистиулазниDC напон(v g, V DC )напопблокирањапрекидача 2х већи него код моста; користи се на ниским улазним напонима (води по 1 прекидач у сваком тренутку), на мањим снагама;??? Мрежни трафо обавезан- ЗАСИЋЕЊЕ На улазу обавезно велики (електролитски) кондензатор Напајање потрошача који подносе квази-синусни напон (рачунари и сл.) 94

95 DC-AC.....Пуш-пул+2Т.Формирање v o.rl.v o >0, i o <0 Vo vo Io io T/2 T Пуш-пул инвертор са пражњењем енергије 95

96 DC-AC.....Пуш-пул+2Т.Формирање v o.rl.v o >0, i o >0 Vo vo Io io T/2 T Пуш-пул инвертор са пражњењем енергије 96

97 DC-AC.....Пуш-пул+2Т.Формирање v o.rl.v o =0, i o >0 Пуш-пул инвертор са пражњењем енергије 97

98 DC-AC.....Пуш-пул+2Т.Формирање v o.rl.v o <0, i o >0 Vo vo Io io T/2 T Пуш-пул инвертор са пражњењем енергије 98

99 DC-AC.....Пуш-пул+2Т.Формирање v o.rl.v o <0, i o <0 Vo vo Io io T/2 T Пуш-пул инвертор са пражњењем енергије 99

100 DC-AC.....Пуш-пул+2Т.Формирање v o.rl.v o =0, i o <0 Пуш-пул инвертор са пражњењем енергије 100

101 Енергетска електроника 1.DC-AC претварачи Напонски инвертори Излазни напон Топологије Инветори са више нивоа Трофазни (3f) инвертори 101

102 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Инвертори са више нивоа Увод Diode-Clamped MultiLevel Inverter - DCMLI Flying-Capacitors MultiLevel Inverter - FCMLI Cascade Inverter Закључак 102

103 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Инвертори са више нивоа Увод Diode-Clamped MultiLevelInverter - DCMLI Flying-Capacitors MultiLevelInverter - FCMLI Cascade Inverter Закључак 103

104 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.увод Класични напонски инвертори (Voltage Source Inverters) на излазу дају 0 или ± V DC (у свакој полупериоди напон има 2 нивоа). Минималан садржај хармоника (рипл), помоћу неке од високофреквентних стратегија управљања прекидачима(шим). Због великих губитака на прекидачима и неопходности коришћења прекидача са великим вриједностима напона блокирања и струје вођења (серијско/паралелно везивање прекидача) ограничена употреба оваквих инвертора на високим напонима и при великим снагама Инвертори са више нивоа излазног напона (Multivel Inverters) могу радити са високим напонима и великим снагама са стандардним прекидачима јер омогућавају управљање напонским напрезањем прекидача помоћу структуре (топологије) претварача Рад са високим напоном, мали садржај хармоника, нема трансформатора [10] 104

105 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада Инвертори са више нивоа (Multivel Inverters) имају излазни напон у облику степенице која слиједи синусоиду. Сваком степенику одговара по један напонски ниво. Број нивоа (m) једнак је броју различитих вриједности напона на једној полупериоди излазног напона(рачуна се и 0 V) Нивои напона се формирају серијским спајањем једнаких кондензатора(m 1). Напони на свим кондензаторима су ==. Крајеви кондензатора се бидирекционим полупроводничким прекидачима спајају на излаз инвертора Топлогија инвертора са више нивоа треба да: [10] има што је могуће мање прекидача можедарадисавеликимснагамаивисокимнапонима има што је могуће мању прекидачку фреквенцију Једноставно филтрирање Примјена: Компензација реактивне енергије, повезивање PV система са мрежом, управљање моторима

106 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада [10] V C C 4 V 5 V 4 V C C 3 V DC V 3 O V o V C C 2 V 2 V 1 V C C 1 Грана инвертора са више (5) нивоа (инвертор) Напон на сваком кондензатору, као и вриједности напона појединих нивоа(чворова) у случају инвертора са m нивоа: VD C VC = m 1 0 V = V, 1 V = V, 2 V = V, 3 V = V,..., 1 V = V ( m ) C 1 C 2 C 3 C 4 C DC 106

107 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада v o V 5 V C C 4 V 4 V 5 V 4 V C C 3 V 3 V DC V 3 O v o V C C 2 V 2 V 2 V 1 V C C 1 V 1 Формирање напона гране инвертора - v o == 0 107

108 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада v o V 5 V C C 4 V 4 V 5 V 4 V C C 3 V 3 V DC V 3 O v o V C C 2 V 2 V 2 V 1 V C C 1 V 1 Формирање напона гране инвертора - v o == V DC /4 108

109 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада v o V 5 V C C 4 V 4 V 5 V 4 V C C 3 V 3 V DC V 3 O v o V C C 2 V 2 V 2 V 1 V C C 1 V 1 Формирање напона гране инвертора - v o == V DC /2 109

110 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада v o V 5 V C C 4 V 4 V 5 V 4 V C C 3 V 3 V DC V 3 O v o V C C 2 V 2 V 2 V 1 V C C 1 V 1 Формирање напона гране инвертора - v o == 3V DC /4 110

111 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада v o V 5 V C C 4 V 4 V 5 V 4 V C C 3 V 3 V DC V 3 O v o V C C 2 V 2 V 2 V 1 V C C 1 V 1 Формирање напона гране инвертора - v o == V DC 111

112 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада v o V 5 V C C 4 V 4 V 5 V 4 V C C 3 V 3 V DC V 3 O v o V C C 2 V 2 V 2 V 1 V C C 1 V 1 Формирање напона гране инвертора - v o == 3V DC /4 112

113 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада v o V 5 V C C 4 V 4 V 5 V 4 V C C 3 V 3 V DC V 3 O v o V C C 2 V 2 V 2 V 1 V C C 1 V 1 Формирање напона гране инвертора - v o == V DC /2 113

114 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада v o V 5 V C C 4 V 4 V 5 V 4 V C C 3 V 3 V DC V 3 O v o V C C 2 V 2 V 2 V 1 V C C 1 V 1 Формирање напона гране инвертора - v o == V DC /4 114

115 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.принцип рада v o V 5 V C C 4 V 4 V 5 V 4 V C C 3 V 3 V DC V 3 O v o V C C 2 V 2 V 2 V 1 V C C 1 V 1 Формирање напона гране инвертора - v o == 0 115

116 O DC-AC.....Формирање излазног напона инвертора V C C 4 C 4 V C V 5 V 4 V 5 V 4 V C C 3 C 3 V C V DC V 3 O v a v b O V 3 V DC V C C 2 C 2 V C V 2 V 1 V 2 V 1 V C C 1 C 1 V C v ab V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4 -V 5 116

117 O DC-AC.....Формирање излазног напона инвертора V C C 4 C 4 V C V 5 V 4 V 5 V 4 V C C 3 C 3 V C V DC V 3 O v a v b O V 3 V DC V C C 2 C 2 V C V 2 V 1 V 2 V 1 V C C 1 C 1 V C v ab V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4 -V 5 117

118 O DC-AC.....Формирање излазног напона инвертора V C C 4 C 4 V C V 5 V 4 V 5 V 4 V C C 3 C 3 V C V DC V 3 O v a v b O V 3 V DC V C C 2 C 2 V C V 2 V 1 V 2 V 1 V C C 1 C 1 V C v ab V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4 -V 5 118

119 O DC-AC.....Формирање излазног напона инвертора V C C 4 C 4 V C V 5 V 4 V 5 V 4 V C C 3 C 3 V C V DC V 3 O v a v b O V 3 V DC V C C 2 C 2 V C V 2 V 1 V 2 V 1 V C C 1 C 1 V C v ab V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4 -V 5 119

120 O DC-AC.....Формирање излазног напона инвертора V C C 4 C 4 V C V 5 V 4 V 5 V 4 V C C 3 C 3 V C V DC V 3 O v a v b O V 3 V DC V C C 2 C 2 V C V 2 V 1 V 2 V 1 V C C 1 C 1 V C v ab V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4 -V 5 120

121 O DC-AC.....Формирање излазног напона инвертора V C C 4 C 4 V C V 5 V 4 V 5 V 4 V C C 3 C 3 V C V DC V 3 O v a v b O V 3 V DC V C C 2 C 2 V C V 2 V 1 V 2 V 1 V C C 1 C 1 V C v ab V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4 -V 5 121

122 O DC-AC.....Формирање излазног напона инвертора V C C 4 C 4 V C V 5 V 4 V 5 V 4 V C C 3 C 3 V C V DC V 3 O v a v b O V 3 V DC V C C 2 C 2 V C V 2 V 1 V 2 V 1 V C C 1 C 1 V C v ab V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4 -V 5 122

123 O DC-AC.....Формирање излазног напона инвертора V C C 4 C 4 V C V 5 V 4 V 5 V 4 V C C 3 C 3 V C V DC V 3 O v a v b O V 3 V DC V C C 2 C 2 V C V 2 V 1 V 2 V 1 V C C 1 C 1 V C v ab V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4 -V 5 123

124 O DC-AC.....Формирање излазног напона инвертора V C C 4 C 4 V C V 5 V 4 V 5 V 4 V C C 3 C 3 V C V DC V 3 O v a v b O V 3 V DC V C C 2 C 2 V C V 2 V 1 V 2 V 1 V C C 1 C 1 V C v ab V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4 -V 5 124

125 O DC-AC.....Формирање излазног напона инвертора V C C 4 C 4 V C V 5 V 4 V 5 V 4 V C C 3 C 3 V C V DC V 3 O v a v b O V 3 V DC V C C 2 C 2 V C V 2 V 1 V 2 V 1 V C C 1 C 1 V C v ab V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4 -V 5 125

126 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.формирање излазног напона Излазни напон на позитивној полупериоди: v o m = VC n= 1 SF n [10] - SF n, прекидачка функција n-тог чвора (0,1) Што вишенивоа то је: излазни напон приближнији синусоидалном мања THD излазног напона могућ рад са већим напонима већи број прекидача и кондензатора сложенија управљачка структура 126

127 DC-AC.....Формирање излазног напона.садржај хармоника Излазни напон као сума појединачних напона 127

128 DC-AC.....Формирање излазног напона.садржај хармоника v ab = v + v + v v a1 a2 a3 am 1 a b v 0 n ab = a = 0 n π π π V DC = sin + sin sin nπ α1 α2 αm 1 ( nωt ) d ( ωt) ( nωt ) d ( ωt) ( nωt ) d ( ωt) m 1 4V DC = cos ( nα j ), за n = 1,3,5,... n π j = 1 4V sin = π n= 1,3,5,... j= 1 m 1 o ( t) cos( nα j ) ( nωt ) n cos ( 5α 1) + cos( 5α 2 ) + cos( 5α 3 ) + cos( 5α 4 ) = 0 ( 7α1 ) + ( 7α 2 ) + ( 7α 3 ) + ( 7α 4 ) = 0 ( 11α 1) ( 11α 2 ) ( 11α 3 ) + ( 11α 4 ) ( α ) + ( α ) + ( α ) + cos( α ) = ( m 1) cos cos cos cos cos + cos + cos cos = 0 cos cos cos M Услови за елиминацију 5, 7и 11хармоника 128

129 DC-AC.....Формирање излазног напона.садржај хармоника (1)Углове α ј изабрати тако да буду елиминисани најзначајнији хармоници у излазном напону (могуће елиминисати m 2 хармоника m 2 једначине) (2) Додатна једначина добије се из услова да максимум основне фреквентне компоненте има одређену вриједност у односу на максимални DC напон (M -индекс модулације) M = V 50 Hz.max ( m 1) V DC 129

130 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.подјела Постоје следећи типови инвертора са више нивоа: [10] са диодама(diode-clamped MultiLevel Inverter - DCMLI) са пливајућим кондензаторима (Flying-Capacitors MultiLevel Inverter - FCMLI) каскадни(cascade) 130

131 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Инвертори са више нивоа Увод Diode-Clamped MultiLevelInverter - DCMLI Flying-Capacitors MultiLevelInverter - FCMLI Cascade Inverter Закључак 131

132 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.са диодама (DCMLI) [10] V C V 5 C 4 D a1g S a1g D a2g S a2g V C V 4 C 3 D a3g S a3g V DC V C V 3 C 2 D a1d S a4g O S a1d v o D a2d S a2d V 2 S D a3d a3d V C C 1 V 1 S a4d Грана DCMLI са 5нивоа ГранаDCMLIса mнивоаима: m 1 кондензатора 2 (m 1)прекидача (m 1)(m 2) диода (истог напона блокирања) 132

133 DC-AC.....са диодама (DCMLI).Формирање v o Грана DCMLI са 5нивоа-v o == 0 133

134 DC-AC.....са диодама (DCMLI).Формирање v o Грана DCMLI са 5нивоа-v o == V DC /4 134

135 DC-AC.....са диодама (DCMLI).Формирање v o Грана DCMLI са 5нивоа-v o == V DC /2 135

136 DC-AC.....са диодама (DCMLI).Формирање v o Грана DCMLI са 5нивоа-v o == 3V DC /4 136

137 DC-AC.....са диодама (DCMLI).Формирање v o Грана DCMLI са 5нивоа-v o == V DC 137

138 DC-AC.....са диодама (DCMLI).Формирање v o [10] Грана DCMLI са 5нивоа-вођење прекидача v o V 5 =V DC V 4 =3V DC /4 V 3 =V DC /2 V 2 =V DC /4 V 1 =0 S a1g S a2g S a3g S a4g S a1d S a2d S a3d S a4d Сваки прекидач укључен једном у току периода У сваком тренутку укључена 4 сусједна прекидача Постоје парови комплементарних прекидача (када је један укључен, други је искључен) (S a1g, S a1d ), (S a2g, S a2d ), (S a3g, S a3d ), (S a4g, S a4d ) 138

139 DC-AC.....са диодама (DCMLI).Карактеристике Прекидачи имају једнаке напоне блокирања Диоде блокирају различите напоне, у зависности од позиције у структури (неке диоде морају имати велике напоне блокирања V D ) [10] m 1 k VD = m 1 V DC Различито струјно оптерећење прекидача, због различитих времена вођења Неједнаки напони на кондензаторима, због различитих струја 139

140 DC-AC.....са диодама (DCMLI).Карактеристике Предности: Ако је број нивоа довољно великисадржај хармоникау излазном напону је низак и нема потребе за филтрирањем Велика ефикасност јер прекидачи раде на мрежној фреквенцији Једноставно управљање [10] Мане: Ако је број нивоа великипотребан је и велики број диода Тешко управљање активном снагом у системима са више претварача 140

141 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.са ==диодама (DCMLI) [10] V 5 S a1g V C C 4 S a2g D 1 V 4 S a3g V C C 3 D 2 D 7 S a4g V DC V 3 D 11 D 8 D 3 O v o S a1d V C C C22 D 9 D 12 D 4 S a2d D 5 D 10 V 2 S a3d V C C 1 D 6 S a4d V 1 Грана DCMLI са 5нивоа-диоде са ==напонима блокирања 141

142 DC-AC.....са ==диодама (DCMLI).Побољшан [10] V 5 S a1g V C C 4 S a2g D 1 V 4 S a3g V C C 3 D 2 D 7 S a4g V DC V 3 D 3 D 8 D 11 O v o S a1d V C C 2 D 4 D 9 D 12 S a2d D 5 D 10 V 2 S a3d V C C 1 D 6 S a4d V 1 Грана DCMLI са 5нивоа-диоде са ==напонима блокирања 142

143 DC-AC.....са ==диодама (DCMLI).Побољшан.Формирање v o Грана ==DCMLI са 5нивоа-v o == 0 143

144 DC-AC.....са ==диодама (DCMLI).Побољшан.Формирање v o Грана ==DCMLI са 5нивоа-v o == V DC /4 144

145 DC-AC.....са ==диодама (DCMLI).Побољшан.Формирање v o Грана ==DCMLI са 5нивоа-v o == V DC /2 145

146 DC-AC.....са ==диодама (DCMLI).Побољшан.Формирање v o Грана ==DCMLI са 5нивоа-v o == 3V DC /4 146

147 DC-AC.....са ==диодама (DCMLI).Побољшан.Формирање v o Грана ==DCMLI са 5нивоа-v o == V DC 147

148 DC-AC.....са ==диодама (DCMLI).Побољшан.Карактеристике Постоји m 1 прекидачка ћелија састављена од m 1 прекидача и свака даје напон са 2нивоа [10] У сваком тренутку струју води m 1 компонента (прекидачи и диоде), без обзира на смјер струје У сваком тренутку укључено m 1 сусједних прекидача За свака 2 сусједна прекидача важи: вањски прекидач може бити укључен једино ако је унутрашњи прекидач укључен унутрашњи прекидач може бити искључен једино ако је вањски прекидач искључен 148

149 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Инвертори са више нивоа Увод Diode-Clamped MultiLevelInverter - DCMLI Flying-Capacitors MultiLevel Inverter - FCMLI Cascade Inverter Закључак 149

150 DC-AC.....са кондензаторима (FCMLI) [10] V 5 S a1g V C C 4 S a2g V 4 C a3 S a3g V C C 3 C a2 S a4g V DC V 3 V 4 C a3 V 3 V 2 C a1 O v o S a4d V C C 2 C a2 S a3d V 2 C a3 S a2d V C C 1 S a1d V 1 Грана FCMLI са 5нивоа 150

151 DC-AC.....са кондензаторима (FCMLI).Формирање v o Грана FCMLI са 5нивоа-v o == 0 151

152 DC-AC.....са кондензаторима (FCMLI).Формирање v o Грана FCMLI са 5нивоа-v o == V DC /4 152

153 DC-AC.....са кондензаторима (FCMLI).Формирање v o Грана FCMLI са 5нивоа-v o == V DC /2 153

154 DC-AC.....са кондензаторима (FCMLI).Формирање v o Грана FCMLI са 5нивоа-v o == 3V DC /4 154

155 DC-AC.....са кондензаторима (FCMLI).Формирање v o Грана FCMLI са 5нивоа-v o == V DC 155

156 DC-AC.....са кондензаторима (FCMLI).Формирање v o [10] Грана FCMLI са 5нивоа-вођење прекидача v o V 5 =V DC V 4 =3V DC /4 V 3 =V DC /2 V 2 =V DC /4 V 1 =0 S a1g S a2g S a3g S a4g S a4d S a3d S a2d S a1d Различите ознаке прекидача доње гране у односу на DCMLI У сваком тренутку укључена 4 прекидача Сваки прекидач једно укључење/искључење на периоду Постоји више комбинација укључености прекидача за добијање појединих нивоа напона 156

157 DC-AC.....са кондензаторима (FCMLI).Карактеристике Постоји m 1(заједничких) кондензатора везаних на DC напон и m 2 групе унутрашњих пливајућих (flying) кондензатора по свакој грани. Сви кондензатори су ==. Број унутрашњих кондензатора у свакој грани: ( )( ) N C. g = m 1 m 2 / 2 Укупан број кондензатора у грани: [10] N C m j= 1 ( m j) = Због постојања више комбинација укључености прекидача за добијање појединих нивоа излазног напона (редудантност) могуће је управљање напонима појединачних кондензатора (одржавање жељене вриједности напона) 157

158 DC-AC.....са кондензаторима (FCMLI).Карактеристике Предности: [10] Велики број кондензатора омогућава рад за вријеме напонских пропада Уравнотежење различитих нивоа напона (редудантност) Низак садржај хармоника у излазном напону Могућност управљања активном и реактивном снагом Мане: Велики број кондензатора (проблем паковања уређаја) За управљање активном снагом потребно веома сложено управљање и велика прекидачка фреквенција (губици) 158

159 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Инвертори са више нивоа Увод Diode-Clamped MultiLevelInverter - DCMLI Flying-Capacitors MultiLevelInverter - FCMLI Cascade Inverter Закључак 159

160 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.каскадни [10] v a V DC.4 B T 2.G T 1.G v a.4 T 2.D T 1.D A A T 1.G T 2.G v a.3 V B DC.3 T 1.D T 2.D V DC.2 B T 2.G T 1.G v a.2 T 2.D T 1.D A A T 1.G T 2.G v a.1 V B DC.1 T 1.D T 2.D n Грана каскадног инвертора са 5 нивоа Грана каскадног инвертора са m нивоа има: m 1 независних извора/мосних (Н) инвертора 4 (m 1)прекидача 160

161 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.каскадни. Каскадни.Формирање v o Грана каскадногинвертораса 5нивоа-v o == 0 161

162 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.каскадни. Каскадни.Формирање v o Грана каскадногинвертораса 5нивоа-v o == V DC /4 162

163 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.каскадни. Каскадни.Формирање v o Грана каскадногинвертораса 5нивоа-v o == V DC /2 163

164 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.каскадни. Каскадни.Формирање v o Грана каскадногинвертораса 5нивоа-v o == 3V DC /4 164

165 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.каскадни. Каскадни.Формирање v o Грана каскадногинвертораса 5нивоа-v o == V DC 165

166 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.каскадни. Каскадни.Формирање v o Излазни напон (гране) је сума напона појединачних инвертора.сваки инвертор може дати напон +V DC, 0 или -V DC. Управљањем угловима вођења прекидача појединачних инвертора могуће добити степенасти излазни напон са малим садржајем хармоника. Појединачни инвертори раде на мрежној фреквенцији и формирају свој напон (квази-правоугаони) временским помјерањем вођења прекидача у гранама(шифтовање) Сви прекидачи воде по 180⁰(једнако струјно оптерећење) Могуће је управљати појединачним инверторима тако да буде обезбјеђено уравнотежено оптерећење извора [10] 166

167 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.каскадни. Каскадни.КарактеристикеКарактеристике Предности: [10] Мањи број компоненти за исти број нивоа излазног напона Иста структура појединачних инвертора и непостојање великог броја диода и кондензатора омогућава оптимизацију конструкције уређаја Примјена техника меког прекидања (смањени губици) Могућност управљања активном и реактивном снагом За рад неопходни одвојени(независни) DC извори - примјена у системима са обновљивим изворима Мане: Потреба за независним изворима ограничава могуће примјене 167

168 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Инвертори са више нивоа Увод Diode-Clamped MultiLevelInverter - DCMLI Flying-Capacitors MultiLevelInverter - FCMLI Cascade Inverter Закључак 168

169 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.закључак. Закључак.Примјена Системи великих снага и напона [10] Компензација реактивне снаге (Reactive Power Compensation) Повезивање наизмјеничних извора или наизмјеничних извора и потрошача DC међукругом (промјена фреквенције, управљање током снаге) Управљање брзином електричних мотора (Аdjustable Speed Drives) 169

170 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.закључак Излазни напон и снага расту са порастом броја нивоа [10] Садржај хармоника опада са порастом броја нивоа Са порастом броја нивоа расте број углова управљања (елиминација хармоника) Ако се не користи техника ШИМ прекидачки губици практично не постоје(велика ефикасност, нема EMI) Повећање излазног напона и снаге не захтијева употребу компоненти са већим напонима блокирања Прекидачи природно дијеле напон и у стационарним и у динамичким режимима рада (не важи за диоде и кондензаторе) 170

171 DC-AC.....Инвертори са више нивоа.закључак Због природног дијељења напона између прекидача могућа примјена код управљања моторима великих снага и у дистрибуцији електричне енергије [10] Излазни напон одређен величином DC напона Фактор снаге 1(AC-DC) Нема потребе за коришћењем трансформатора Неопходни посебни електронски склопови за укључење/искључење прекидача (драјвери) 171

172 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Трофазни (3f) инвертори Генеза 3fмост 3fинветор са 4гране 3fинветор са више нивоа Закључак 172

173 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Трофазни (3f) инвертори Генеза 3fмост 3fинветор са 4гране 3fинветор са више нивоа Закључак 173

174 DC-AC.Напонски инвертори.3f инвертори.генеза. Генеза.3 1f инвертора Трофазни (3f) инвертори се обично користе за напајања потрошача веће снаге(сбн, ЕМП, обновљиви извори,...) 3f инвертор је могуће саставити од 3 1f инвертора, чији излазни напони имају фазни помак 120⁰. Потрошач се спаја помоћу трансформатора са 3 независна примарна намотаја и секундаром или Y (обично због елиминације хармоника трећег реда). За реализацију неопходна 3 1f трафоа, 12 транзистора и 12 диода Непрактично и скупо, излазни напони 1f инвертора морају бити потпуно избалансирани 174

175 DC-AC.Напонски инвертори.3f инвертори.генеза. Генеза.3 1f инвертора Блок шема Електрична шема Y оптерећење 3f инвертор састављен од 3 1f инвертора 175

176 DC-AC.Напонски инвертори.3f инвертори.генеза. Генеза.3 2Q претварача Трофазни (3f) 4Q претварач (3f инвертор) може се добити диференцијалним спајањем 3 2Q претварача За симетрично оптерећење је: DC извор Претварач 1 3f оптерећење 1 Vn = V + V + V 3 ( ) Претварач 2 Фазни напони: [6] V V V an bn cn = V V n = V V = V V n n [6] Претварач 3 3f4Qпретварач од 32Q претварача Управљање претварачима тако да су им DCкомпоненте у излазним напонима једнаке. Тада је V n =DC, па долази до поништавања, тј. фазни напони не садрже DC компоненту (СИНУС). 176

177 DC-AC.Напонски инвертори.3f инвертори.генеза. Генеза.3 2Q спуштача DC извор 3f оптерећење [6] 3f4Qпретварач од 32Qспуштача 177

178 DC-AC.Напонски инвертори.3f инвертори.3f мост [6] DC извор 3f оптерећење 3f4Qпретварачод 32Qспуштача -3fнапонски инвертор (3fМОСТ -3гране) 178

179 Енергетска електроника 1.DC-AC AC претварачи.напонски инвертори Трофазни (3f) инвертори Генеза 3fмост 3fинветор са 4гране 3fинветор са више нивоа Закључак 179

180 DC-AC.Напонски инвертори.3f инвертори.3f мост T 1.G T 2.G T 3.G [5] A A B C T 1.D T 2.D T 3.D 3f напонски мосни инвертор(mosfet) 180

181 DC-AC.Напонски инвертори.3f инвертори.3f мост +, : улазни DCнапон (V g, V DC ) T А, В, С: излазни АС напони 1.G T 2.G T 3.G Састоји се од 3гране, са 2серијски везана бидирекциона прекидача; мора постојати T 1.D T 2.D T 3.D заштита (електронска) од истовременог вођења прекидача у грани + / излазнинапони(v DC -2V sw ) се формирају истовременим вођењем 3(2) прекидача, а излазни напон 0 вођењем горњих/доњих прекидача (2) Могуће је формирати УНИПОЛАРНИ излазни напон (на +полупериоди импулси +/0, а у полупериоди /0) Најбоље искорушћење прекидача - користи се на највећим снагама На улазу обавезно велики (електролитски) кондензатор, на излазу LC филтер(по потреби) A B 181 C

182 DC-AC.Напонски инвертори.3f инвертори.3f мост 3f мост може да ради као исправљач или као инвертор (синхронизован са мрежом(обновљиви извор) или самосталан) У 3f мосту се користе бидирекциони прекидачи (управљиви прекидач са антипаралелном диодом) који омогућавају протицање струје у оба смјера (индуктивно оптерећење), при чему принцип рада инвертора не зависи од типа прекидача Укључењем/искључењем прекидача треба управљати тако да се на излазу добију == напони, фазно помјерени за 120⁰, чија је сумаусвакомтренутку==0 [24][25] Таласни облик излазног напона не зависи од смјера струје Прекидачиводепо180/120⁰(+ШИМ) 182

183 DC-AC.Напонски инвертори.3f инвертори.3f мост(v DC ) T 1.G T 2.G T 3.G v A N V DC v C v B T 1.D T 2.D T 3.D 3f напонски мосни инвертор(igbt) 183

184 DC-AC.Напонски инвертори.3f инвертори.3f мост(v DC /2) T 1.G T 2.G T 3.G V DC /2 v A M N V DC M v C V DC /2 v B T 1.D T 2.D T 3.D 3f напонски мосни инвертор(igbt) 184

185 DC-AC.....3f мост (V DC ).Карактеристични напони(180⁰) V DC v A T 1.D T 1.G T 1.G T 1.G T 1.D T 1.D T 1.D T 1.G T 1.G V DC V DC vb T 2.D T 2.D T 2.D T 2.G T 2.G T 2.G T 2.D T 2.D T 2.D v C T 3.G T 3.G T 3.D T 3.D T 3.D T 3.G T 3.G T 3.G T 3.D [25] V DC v AB -V DC V DC v BC -V DC V DC v CA -V DC V DC vn V DC v AN -V DC V DC v BN -V DC V DC v CN -V DC 185