2. PRETVARAČI I MODULACIJSKE METODE

Transcript

1 . PRETVARAČI I MODULACIJSKE METODE Napetkom na podučju elektomotonih pogona pojavila se je poteba za napajanjem motoa naponima i stujama poizvoljnih valnih oblika. To mogu biti np. naponi sinusnog oblika a pomjenljive fekvencije ili amplitude (kod naponsko-fekvencijskog napajanja u/f metoda), ali i nepeiodički naponi i stuje poizvoljnog oblika, kao što ćemo vidjeti u nastavku. U ovome poglavlju ćemo pogledati osnovno načelo djelovanja tofaznih petvaačkih sklopova (petvaača, engl. powe convetes, njem. Umichte), pi čemu će nas oni zanimati isključivo u kontekstu utjecaja na ponašanje elektomotonih pogona. Zato ćemo izostaviti dublju analizu djelovanja te značajke njihovih sastavnih komponenata, no spomenuti ćemo ovlaš neke modulacijske metode. Peduvjet za djelovanje takovih napava jest azvoj enegetske elektonike (enegetskih dioda, tiistoa i tanzistoa), ali i digitalne i analogne tehnike te mikopocesoa čija je zadaća upavljanje učinskim elektoničkim komponentama. S obziom na način geneianja izlazne veličine, petvaače dijelimo u dvije skupine (Slika -). Kod diektnih petvaača izlazni napon nastaje neposednom modifikacijom ulaznog, mežnog napona. Pimje takvog petvaača je ciklokopetvaač (engl. Cycloconvete) (Slika - te Slika -). PRETVARAČI Petvaači s međukugom Diektni petvaači Petvaači s utisnutom stujom Petvaači s utisnutim naponom Konstantni napon međukuga Pomjenjivi napon međukuga Slika -: Osnovna podjela petvaača -

2 Slika -: Stuktua ciklokopetvaača Slika -: Oblici ulaznih i izlaznih napona te sednja tenutačna vijednost izlaznog napona kod ciklokonvetoa Kod petvaača za napajanje izmjeničnih elektomotoa manjih i sednjih snaga su najašieniji petvaači s istosmjenim međukugom. Za azliku od pijašnjeg slučaja ovi između mežnog i izlaznog napona sadže međukug s utisnutim naponom (engl. DC link, njem. Zwischenkeis). Stvaanje istosmjenog napona iz (obično) tofaznog -

3 mežnog napona je zadaća ispavljača, kojega najčešće sastavljaju diode te sklop za stabilizaciju. Izlaz iz tog sklopa može biti napon (najčešće) ili stuja. Slika -4 pokazuje blok šemu petvaača s naponskim međukugom čija je zadaća osiguavanje konstantnog istosmjenog napona. U nastavku ćemo se baviti samo tom izvedbom, iako postoje i vaijante sa stujnim međukugom (Slika -5). meža (5 Hz, x4 V) u, u, u i, i, i ~ = međukug = ~ naponi ili stuje poizvoljnih oblika u, u, u i, i, i S S S S S S AM ispavljač izmjenjivač Slika -4: Osnovni pincip djelovanja petvaača s naponskim međukugom u, u, u i, i, i ispavljač i vt ~ = = ~ izmjenjivač AM Slika -5: Osnovni pincip djelovanja petvaača s stujnim međukugom Izmjenjivač (Slika -6) je sastavljen iz tanzistoa ili tiistoa (te dodatnih elemenata, np. dioda) koji djeluju u sklopnom načinu ada. Za azumijevanje daljnjeg gadiva nije nužno detaljno poznavanje stuktue izmjenjivača pa ćemo se zato oganičiti tek na načelno objašnjenje. Zbog pojednostavljenja ćemo njegove poluvodičke komponente u nastavku ctati kao obične sklopke. Postoje i komplicianije inačice s pomjenljivim naponom. -

4 + - S S S S 4 S 5 S 6 u L L L L u S us u S u n Slika -6: Pojednostavljena stuktua izmjenjivača Zbog lakšeg azumijevanja petpostavimo da je konstantni (u idealnom slučaju) napon međukuga podijeljen na dva naponska izvoa polovičnog napona između kojih je točka s nultim potencijalom. Slika -6 pokazuje bitan uvjet kod peklapanja sklopki u mostu: dvije sklopke iste gane (np. S i S 4 ) nikada ne smiju povoditi istovemeno. U potivnom dolazi do diektnog katkog spoja istosmjenog napona. Iz toga slijedi da su stanja gonje i donje sklopke komplementana. Zbog toga nema potebe za posebnim označavanjem donjih sklopki, budući su u obatnom stanju od gonjih. Binana stanja gonjih sklopki označavamo bojevima "" i "": "" znači da gonja sklopka povodi stuju, a "" da ju ne povodi. Tenutno stanje petvaača s gonje slike ćemo dakle označiti kao,, (pve dvije sklopke povode stuju, dok je teća ne povodi). Slijedi da je boj mogućih kombinacija sklopki = 8. Kombinacije,, i,, su poseban slučaj; tada su stezaljke potošača (np. statoskih namota tofaznog motoa) na istom potencijalu (+ ili -), što znači da je azlika potencijala (napon) između dviju stezaljki V. Peklapanjem tanzistoskih sklopki (bez stanja,, i,,) dobit ćemo azličite vijednosti napona označenih na pethodnoj slici, a koje pokazuje Tablica -. -4

5 u L u L u L u n u S u S u S Kombinacija tanzistoskih slopki n = n = n = n = 4 n = 5 n = 6,,,,,,,,,,,, u vt u vt Tablica -: Stanja aznih napona na stezaljkama tošila (izmjeničnog) Za nas su najzanimljiviji tenutni fazni naponi u S, u S i u S, kao posljedica stanja sklopki. Pogledajmo kako to izgleda na pimjeu kombinacije sklopki petvaača (,,) koji napaja np. statoski namot asinkonog motoa u spoju zvijezda (Slika -7). (,,) nulište Z Z Z Slika -7: Fazni naponi tofaznog teeta u Y spoju uz kombinaciju tanzistoa (,,) -5

6 Stezaljke dugog i tećeg namota su na istom potencijalu, što znači da su namoti vezani paalelno. Budući su impedancije svih namota jednake (Z = Z = Z = Z), zamjenska impedancija ovih dvaju namota jednaka je polovici impedancije jednog namota: Z Z Z Z nad = = =, dok je impedancija cjelokupnog tošila (uključujući i pvi namot): Z cel Z = Z + Znad = Z + = Z. Iz jednostavnog izačuna slijedi, da je pad napona na pvom namotu / napona međukuga, dok je na peostalim dvama namotima /. Pazi! Gledano sa stajališta stezaljki motoa su naponi duge i teće faze negativni: -/. Dakle, Kichoffov zakon vijedi: (/ + (-/) + (-/)) = V. Analogno vijedi i za peostale kombinacije sklopki. Dosad smo gledali samo algebasku podjelu napona na pojedinim fazama, no želimo li vidjeti kakav je zajednički učinak svih faznih napona (ezultantni vekto), moamo uzeti u obzi i postonu aspodjelu pojedinih faza: u S j = us e + us e + us e u S us π j u S 4π j Posljedica stanja sklopki je dakle oblikovanje postonog vektoa ezultantnog napona. Uzmimo kao pimje stanje (,,). Pojedini fazni naponi su /, / i - /. Rezultantni vekto statoskog napona izačunamo po jednadžbi (.): -6

7 u S = e = + =.5 + j j cos + e π u vt π j cos = u vt j e = 4π π + j sin e π j. 4π sin 4π u vt =. Isti ezultat dobijemo i gafičkom konstukcijom (Slika -8). Pitom moamo paziti na to da je napon teće faze negativan, dakle usmjeen je supotno od vektoa koji pikazuje tu fazu. Slika -8: Rezultantni statoski napon pi kombinaciji (,,) I peostalim stanjima sklopki odgovaaju ezultantni naponi po jednadžbi: ( n ) j π u = u e, uz n =...6 n vt uz već poznato u = u =. 7 Nactamo li na istom dijagamu sve ezultantne vektoe, dobit ćemo sljedeću sliku -7

8 Im u (,,) u (,,) u 4 (,,) u 5 (,,) u (,,) u 7 (,,) { u (,,) Re u 6 (,,) Slika -9: Rezultante faznih napona za azličite kombinacije sklopki Iz zadnjih slika vidimo da izboom pojedinih kombinacija sklopki petvaača možemo dobiti samo šest aktivnih postonih vektoa napona te vijednost nula. Svaki pojedini postoni ezultantni vekto se dekomponia na fazne vijednosti napona teeta (np. AM) po već poznatim jednadžbama iz pvog poglavlja. To daje ukupno sedam mogućih vijednosti faznih napona, što nije dovoljno za pimjeeno napajanje motoa. Kao pimje zahtjeva koji se postavljaju ped petvaače ćemo uzeti zahtjev za napajanjem sinusnim faznim naponima (np. kod u/f metode). Sinusne fazne napone dobijemo dekomponianjem ezultantnog vektoa napona (i obatno) koji se vti kostantnom fekvencijom uz konstantnu magnitudu oko svoje osi. Kao što je poznato iz naponsko-fekvencijskog napajanja, ukoliko želimo postiči veću fekvenciju napajanja, moamo popocionalno povećati i magnitudu vektoa. Slika - pokazuje dva moguća slučaja: u pvom moamo geneiati naponski vekto neke fekvencije i magnitude. Ukoliko fekvenciju napona želimo povečati dvaput, za isti fakto moamo povečati i fekvenciju otacije. Vh vektoa se moa u vemenu T = π/f zaotiati za puni kug. -8

9 Slika -: U/f metoda pimje potebe za geneianjem dvaju otiajućih vektoa od kojih jedan ima dvaput veću magnitudu i kužnu fekvenciju Budući da nam petvaač daje mogućnost stvaanja samo 6 + vektoa, postavlja se pitanje kako odgovoiti na pijašnje zahtjeve? Zahtjevi se dodatno zakompliciaju ukoliko želimo napajati moto nepeiodičnim faznim naponima čija ezultanta je vekto koji u svakom tenutku mjenja magnitudu, kužnu fekvenciju otacije ili čak smje. Riješenje nude modulacijske metode. Suština svih modulacijskih metoda kod tofaznih petvaača jest bzo (od nekoliko stotina Hz kod tiistoskih, do nekoliko desetaka khz kod tanzistoskih petvaača) peklapanje sklopki, a time i sedam postonih vektoa napona koji će unuta katkog vemenskog intevala polučiti sednje vijednosti ezultantnog napona koji će biti čim vjenija kopija željenog vektoa napona. Ovdje ćemo se pozabaviti tek nekim mogućim ješenjima.. Vektoska šiinsko implusna modulacija - SVM Impulsno-šiinska modulacija ili kaće PWM (iz engl. Pulse Width Modulation, njem. Pulsweitenmodulation) je već duže vijeme najčešće pimjenjivani način modulacije. Za azliku od staih metoda, tzv. skalanih inačica PWM, gdje su se naponi moduliali odvojeno na svakoj fazi (np. pomoću pilastog napona), danas se kod mikopocesoski upavljanih stojeva najčešće upotebljava inačica PWM kod koje je se modulia ezultantni postoni naponski vekto (koji se poslije ionako dekomponia na fazne veličine), a koju zovemo modulacija postonog vektoa SVM (engl. Space Vecto Modulation). -9

10 Slika - pokazuje osnovni pincip SVM. Zadaća koju teba iješiti jest ealizacija željenog vektoa napona u ez koji se nalazi u pvom sekstantu. Budući se taj vekto nalazi između dvaju napona petvaača u i u, pi njegovoj ćemo ealizaciji upotijebiti ta dva vektoa (kombinacije sklopki,, i,,), no bitnu ulogu će igati i nul-vekto petvaača u = u = (kombinacije sklopki,, ili,,). 7 u e u u ez e jα u e u α u Slika -: Realizacija odeđenog postonog vektoa napona Kao što vidimo, neki željeni vekto u ez dobijemo vektoskim zbojem vektoa e u i e u, dakle uz množenje naponskih vektoa petvaača faktoima e in e. Jasno je da vektoe petvaača ne možemo neposedno množiti tim faktoima petvaač naime može "pužiti" samo cijele vijednosti vektoa u i u. Međutim, pibližno jednak efekt množenju vektoa s nekim faktoom (koji je manji od ) možemo postići modulacijom. Naime, ukoliko unuta nekoliko uzastopnih vlo katkih intevala T mod (njegove tipične vijednosti su µs) izabeemo vekto u za vijeme T T mod, a vekto u za vijeme T T mod, dobiti ćemo kao sednju vijednost željeni ezultantni vekto. Pitom vijedi T T e =, e = T T mod mod, a time i Zbog jednostavnosti ne ctamo sve postone vektoe petvaačkog napona, već samo pvi sekstant šestinu dijagama. -

11 u ez = u ez e jα = e u + e u. Takvim načinom je moguće u vlo katkim intevalima stvoiti bilo koji vekto unuta tokuta omeđenog dvama postonim vektoima petvaača. Naavno, isto načelo vijedi i za ostale sekstante. Zboj tajanja intevala vođenja sklopki pojedinih vektoa ne moa uvijek (a što je i najčešći slučaj) ispuniti cijeli inteval: T + T T mod, Zato ćemo peostali dio intevala ispuniti nultim vektoom: T + T + T = T mod. Sekvencija uklapanja dvaju "aktivnih" i nul vektoa unuta intevala modulacije T mod kod SVM je elativno složena (Slika -), što zahtijeva ealizaciju SVM upotebom vlo bzih mikopocesoa. Za takav edosljed uključivanja postoji nekoliko azloga, kojima se ovdje nećemo baviti. T mod T - T - S T - T - S T - T - S T = ( T - - T -) x T = ( T - - T -) x Slika -: Pimje sekvencije uključivanja tanzistoa u pvom sekstantu kod SVM -

12 Vektoi petvaača se u našem slučaju peklapaju po sljedećem edu: u u u u u u, odgovaajućim kombinacijama sklopki (,,) 7 u (,,) (,,) (,,) (,,) (,,) (,,). Vidimo da smo kao nulti vekto jednom izabali vekto u, a dugi put u 7. Pojedini nul vekto izabeemo tako da pijelaz s njega na susjedni aktivni vekto uzokuje čim manje sklapanja sklopki, a time, u konačnici, i što manje sklopne temičke gubitke... Stujno eguliana PWM (SVM) SVM je izvono namijenjen stvaanju nekog napona. Stuja je pak posljedica tog napona u ovisnosti od pijenosne funkcije. No, u modenim pogonima se vlo često pojavljuje poteba za stujnim izvoima, dakle izvoima koji će moći stvaati stuju kakvu želimo. Ne ulazeći u detalje pogledajmo načelo stujnog napajanja upotebom PWM odnosno SVM-a (Slika -). Nakon pavilno ealizianog naponskog izvoa (pomoću PWM), moamo zatvoiti egulacijsku stujnu petlju, te dimenzioniati egulato. Kod elektomotonih pogona (EMP) izabeemo obično klasični PI egulato, koji moa biti dimenzionian u skladu s pijenosnom funkcijom napon/stuja. Ukoliko je stvana stuja pemalena, očito teba povečati napon po PI algoitmu, i obatno. i* egulato u* PWM u AM i d Slika -: Pincip geneianja stuje pomoću PWM. Načelo dvopoložajne egulacije Za azliku od SVM, koja, u pimjeni gdje postoji poteba za stujnim izvoom, zahtijeva stujnu egulacijsku petlju, dvije međusobno slične metode, koje ćemo sada pedstaviti, čine se pimjeenije za upoabu kod stujnih izvoa u EMP. Obje metode su vlo jednostavne te zahtijevaju malo elektonike (bez upoabe mikopocesoa). Isto tako, obje metode su skalane, što znači da se, za azliku od SVM (kojoj je ciljna veličina -

13 željeni ezultantni naponski vekto, np. statoskog napona AM), kod njih obađuju veličine svake faze posebno. Pva metoda je ašiena u pimjenama gdje se ne upotebljava SVM, a ima nekoliko naziva: delta modulacija, bang bang modulacija, histeezna modulacija itd. Načelo je vlo jednostavan. Stuja (a ne napon, kao kod SVM) je eguliana veličina. Geška stuje je ulaz u dvopoložajni (histeezni) egulato, koji u jednoj gani otvaa gonji ili donji tanzisto: ukoliko je željena stuja pemala, uključuje gonji tanzisto (pozitivan napon) i obatno. Stvana stuja se keće između ganica histeeznog egulatoa h (Slika -4). Naavno, što je histeezni pojas uži, to je amplituda odstupanja od željenih vijednosti stvane stuje oko željene vijednosti manja, no time je ujedno i fekvencija peklapanja tanzistoa (a time i peklopni gubici) veća. Stoga je šiina histeeze kompomis između te dvije supostavljene činjenice. Pednost metode je svakako jednostavnost ealizacije (Slika -5), kao i neovisnost od paametaa (impedancije) EMP. stvana stuja h željena stuja Slika -4: Delta modulacija oblik stuja Za azliku od stujno eguliane SVM, gdje PI egulato moamo optimiati poznavajući pijenosnu funkciju teeta, a to je ponekad vlo zahtjevno. -

14 R +u L D i d upavlj. limito i* ff logika bazno upavlj. i d T Slika -5: Delta modulacija pincip djelovanja (pikazano samo za jednu fazu i jedan tanzisto) Dugačiji, a opet sličan, pistup jest vemensko disketna egulacija (engl. on-off, synchonous on-off). Ovdje se geška stuje povjeava u jednakim vemenskim intevalima te, ovisno o njenom pedznaku, uključuje odgovaajući tanzisto (Slika -6 i Slika -7). Ukoliko želimo manja odstupanja od željene vijednosti, moamo upotebljavati male vemenske intevale (np. µs fekvencija 5 khz), no time se opet povećavaju sklopni gubici. stvana stuja željena stuja µ s Slika -6: Vemensko disketna modulacija oblik stuja -4

15 R +u L D i d upavlj. limito i* sat ff logika bazno upavlj. i d T Slika -7: Vemensko disketna modulacija - način ada (pikazano samo za jednu fazu i jedan tanzisto) -5