U N I V E R Z I T E T U N I Š U ELEKTRONSKI FAKULTET U NIŠU TROFAZNI PRETVARAČ NAPONA. (Tehničko rešenje)

U N I V E R Z I T E T U N I Š U ELEKTRONSKI FAKULTET U NIŠU TROFAZNI PRETVARAČ NAPONA (Tehničko rešenje) Niš, 2013 1

UNIVERZITET U NIŠU ELEKTRONSKI FAKULTET U NIŠU Naziv dokumenta:tehničko rešenje TROFAZNI PRETVARAČ NAPONA Trofazni pretvarač napona je uređaj visoke upotrebne vrednosti čija je glavna funkcija transformacija jednosmernog napona od 24V na trofaznih 3 380V. Ulaznih 24V se mogu najjednostavnije dobiti rednim vezivanjem dva akumulatora od po 12V nakon čega se preko trofaznog konvertora (koji je realizovan ovim tehničkim rešenjem i koji će u nastavku ovog rada biti detaljno opisan) na izlazu iz sistema dobija navedeni trofazni napon. Takođe, opisani su trofazni sistemi za koje se pretvarač može koristiti, asinhrone mašine kao krajnji potrošači i impulsni odzivi i upravljački signali pretvarača snimljeni na osciloskopu. Autori: Prof. dr Dragan Antić, dipl. inž Zoran Icić, Vanr. prof. dr Zoran Jovanović, Prof. dr Vlastimir Nikolić, Vanr. prof. dr Žarko Ćojbašić, dipl. inž Saša Nikolić, dipl. inž Staniša Perić, dipl. inž Miroslav Milovanović, dipl. inž Dejan Mitić, Mr. Ivan Ćirić U Nišu, 04.02.2013.godine Vanr. prof. dr Zoran Jovanović POTVRDA o tehničkom rešenju Eviden. broj Institucija Adresa Tehničko rešenje Autori Opis Primena 35005 (projekat) Elektronski fakultet Aleksandra Medvedeva 14, 18000 Niš TROFAZNI PRETVARAČ NAPONA Autori: Prof. dr Dragan Antić, dipl. inž Zoran Icić, Vanredni profesor Zoran Jovanović, Prof. dr Vlastimir Nikolić*, Prof. dr Žarko Ćojbašić*, dipl. inž Saša Nikolić, dipl. inž Staniša Perić, dipl. inž Miroslav Milovanović, dipl. inž Dejan Mitić, dipl. inž Ivan Ćirić* *MAŠINSKI FAKULTET U NIŠU Upravljačka logika trofaznog pretvarača napona bazirana je na mikrokontroleru ATMEGA8 preko koga se vrši kontrola i upravljanjem ovim uređajem. Pomoću dva stabilizatora napona vrši se napajanje relea, fetova, mikroprocesora i ostalih elektronskih komponenti koje se nalaze na upravljačkoj ploči. Uređaj poseduje i zaštitnu funkciju koja se ogleda u tome da se u slučajevima pada napona na akumulatorima (ispod određene vrednosti) oni isključuju iz kola sistema, čime se štite i održavaju funkcionalnim za dalju upotrebu. Takođe, implementirana je signalizacija prilikom zaštitnog isključenja akumulatora, kao i svetlosni indikator kada je pretvarač u radnom režimu. Trofazni pretvarač napona koristi se za pretvaranje napona akumulatora na trofazni izlatni napon. Prvenstveno je namenjen za napajanje elektromotornih trofaznih pumpi 2

sistema za centralno grejanje prilikom nestanka struje. Takođe se koristi u sistemima grejanja vagona, kao i kod svih ostalih pogona u kojima se koriste asinhroni motori. Napomena Odgovorno lice za tehničko rešenje Vanr. prof. dr Zoran Jovanović Recenzenti 1. Prof. dr Ljiljana Živković, Fakultet zaštite na radu u Nišu 2. Prof. dr Sreten Stojanović, Tehnološki fakultet u Leskovcu Prilog Mišljenje korisnika projekta MP ELECTRONIC, Župska 3, 18000 Niš, Srbija PR Dejan Milošević Klasifikacija tehničkog rešenja M82 INDUSTRIJSKI PROTOTIP 3

SADRŽAJ UVOD... 5 Trofazni sistemi....6 Asinhrone mašine.....8 Akumulatori....9 OPIS TROFAZNOG PRETVARAČA NAPONA....10 UPRAVLJAČKA JEDINICA... 11 KARAKTERISTIKE UPRAVLJAČKIH IMPULSA... 14 ZAKLJUČAK... 14 4

UVOD Zadatak ovog tehničko rešenja je realizacija trofaznog pretvarača napona koji bi ulazni jednosmerni napon akumulatora konvertovao u izlazni trofazni napon za napajanje trofaznih potrošača. Najpre će u tu svrhu biti opisani trofazni sistemi i njihove najvažnije karakteristike, asinhrone mašine kao najrasprostranjeniji predstavnici trofaznih mašina i napokon neka elementarna svojstva akumulatora. Nakon toga će biti opisan trofazni pretvarač napona koji je i tema tehničkog rešenja, biće predstavljene osnovne karakteristike uređaja i uprošćena električna šema veze uređaja sa akumulatorom kao ulaza, i motorom kao krajnjeg korisnika konvertovanog trofaznog napona. Treći deo je ujedno i suština ovog tehničkog rešenja. Predstavljena je upravljačka jedinica uređaja, mikroprocesor, i prateće instalirane komponente na štampanoj ploči pretvarača napona. Prikazane su prateće električne šeme vezivanja komponenti, opisan način njihovog funkcionisanja i predstavljen je PCB prikaz realizacije štampane ploče upravljačke jedinice. Zatim su prikazani snimljeni impulsni odzivi sa osciloskopa kojima se vrši upravljanje radom uređaja, i to prikaz impulsa koji se dovode na ulaze odgovarajućih kontrolera za svaku fazu, i prikaz impulsa koji se dovode na sve tri grane upravljačke jedinice i željene fetove. Kontrolom ovih impulsa mikroprocesor postiže konverziju napona u željeni trofazni napon sa odgovarajućom frekvencijom od 50Hz. Kroz praksu se pokazalo da je postojanje ovakvih pretvarača izuzetno važno za kontinuirani i neprekidni rad mnogih uređaja.vremenski period tokom koga će pretvarač napajati krajnjeg potrošača zavisi prvenstveno od kapacitivnosti akumulatora kao izvora električne energije. Ukoliko u sistem imamo akumulator od 90Ah, on će moći da napaja potrošača na primer 1h ukoliko je struja 90A, ili na drugoj strani čitavih 90h ukoliko je za napajanje potrošača potrebna struja od samo 1A. U skladu s tim izuzetno je važno odabrati pravi akumulator koji će napajati preko trofaznog pretvarača krajnjeg korisnika i ispuniti tražene zahteve. U sledećem poglavlju biće prikazane najvažnije karakteristike trofaznih sistema koji su od osnovnog značaja za dalji rad na ovom tehničkom rešenju. 5

Trofazni sistemi Osnovu trofaznog sistema predstavlja trofazni naponski izvor koji je preko mreže i transformatora spojen na trofazni potrošač. Za dobijanje takvog izvornog napona koristi se trofazni generator. Generator se sastoji od tri identična namotaja koji se okreću oko iste ose istom ugaonom brzinom ω. Namotaji su tako postavljeni da su njihove normale pod uglom od 120 i u njima će se indukovati elektromotorne sile iste amplitude (efektivne vrednosti) koje su fazno pomerene za (120 ). Fazom nazivamo kraj namotaja koji se nalazi na nekom potencijalu, dok je drugi kraj namotaja najčešće uzemljen i naziva se nulom. Trofazni sistem se smatra simetričnim ako su efektivne vrednosti elektromotornih sila jednake i ako je razlika faza između dve uzastopne elektromotorne sile. Praktična realizacija generatora je takva da su namotaji u žlebovima statora prostorno pomereni za, dok rotor u suštini predstavlja elektromagnet obično napajan iz izvora vremenski konstante elektromotorne sile koji rotira stalnom ugaonom brzinom ω. Svojstvo elektromagneta rotor dobija protokom struje kroz namotaj oko rotora. Na slici 1 predstavljena je skica poprečnog preseka trofaznog generatora, dok je na slici 2 grafički prikazan princip rada ovog generatora. Slika 1. Trofazni generator Slika 2. Princip rada trofaznog generatora Za simetrične trofazne sisteme, koji se u praksi i najviše koriste, mogu se izvesti sledeće jednačine indukovanih elektromotornih sila: 6

Na osnovu prethodnih jednačina može se nacrtati grafik trenutnih vrednosti elektromotornih sila (slika 3), kao i fazorski dijagram simetričnog trofaznog sistema (slika 4). Slika 3. Trenutne vrednosti EMS Slika 4. Fazorski dijagram Namotaji trofaznih sastava (generatora, transformatora, motora) vezuju se na dva načina. Ako su krajevi namotaja mašine spojeni u jednu tačku takva veza ima oblik zvezde pa se takav spoj naziva veza u zvezdu (Y veza), dok se zajednička tačka naziva zvezdište ili nulta tačka. Dati prikaz vezivanja se može videti na slici 5. Na drugoj strani, ukoliko su namotaji mašine vezani redno (kraj prve za početak druge faze, kraj druge za početak treće faze i kraj treće za početak prve faze) onda ovako formirano kolo obrazuje vezu u trougao - Δ veza (slika 6). Slika 5. Veza u zvezdu Slika 6. Veza u trougao Snaga trofaznog sistema jednaka je zbiru snaga pojedinih faza:. Snaga jedne faze određuje se kao proizvod faznog napona, fazne struje i kosinusa ugla između njih:. Za simetričan sistem važi da su snage svih faza iste pa je ukupna snaga jednaka trostrukoj snazi jedne faze: napona i struja može se predstaviti kao:.. Snaga trofaznog sistema izražena preko linijskih 7

Asinhrone mašine Asinhrona mašina je vrsta električne mašine za naizmeničnu struju. Kod asinhronih mašina, brzina obrtanja rotora i brzina obrtanja obrtnog magnetnog polja nisu sihnronizovane, pa su na osnovu toga i dobile ime. Razlika između ove dve brzine opisuje se veličinom koja se naziva klizanje. Asinhrone mašine za razliku od sinhrone ne mogu da proizvode reaktivnu snagu, pa se uglavnom koriste kao elektromotori. To je zbog toga što su namotaji mašine po svojoj prirodi omsko-induktivnog karaktera a za magnećenje magnetnog materijala i vazdušnog zazora između statora i rotora potrebna je reaktivna energija. Kako asinhrona mašina ne može da proizvodi reaktivnu energiju ona je mora uzimati iz mreže tako da će struja koju napon mreže tera kroz namotaj uvek biti induktivna. Zbog toga je asinhrona mašina i u motorskom i u generatorskom režimu potrošač reaktivne energije. U generatorskom režimu asinhrona mašina se koristi u okviru autonomnih elektroenergetskih sistema i tada se reaktivna energija obezbeđuje iz kondenzatorske baterije. U velikim industrijskim potrošačima sa puno asinhronih motora velikih snaga često se postavljaju statički kompenzator za popravku faktora snage. U zavisnosti od namotaja rotora asinhrone mašine se dele na dve grupe. Ukoliko je u žlebove rotora postavljen trofazni namotaj spojen u zvezdu reč je o asinhronim mašinama sa namotanim rotorom, odnosno kliznim prstenovima. U tom slučaju se tri kraja spajaju u neutralnu tačku dok se preostala tri izvode do tri klizna prstena koja su međusobno izolovana od vratila (slika 7). Druga grupa asinhronih mašina je sa kaveznim rotorom, izliven od aluminijuma i kratko spojen (slika 8). Slika 7. Namotani rotor Slika 8. Kavezni rotor Sinhrona brzina asinhronog motora se može izraziti preko jednačine, gde je frekvencija struja a p broj pari polova statorskog namotaja motora. Ipak ono što je od najvećeg interesa za ovaj rad, a i generalno gledano za upravljanje sistemima, je regulacija brzine asinhronog motora. Kontrola brzine može se ostvariti promenom napona statora, promenom otpornosti rotora, promenom frekvencije statorskog napona. Izraz koji definiše brzinu asinhronog motora i preko kojeg se vrši regulacijama motora može se predstaviti na sledeći način:, gde je frekvencija mreže, frekvencija klizanja (frekvencija struja u rotoru) a broj pari polova u rotoru. 8

Akumulatori Elektični akumulatiori su sekundarni obnovljivi hemijski izvori električne energije, jer pri punjenju električnu energiju pretvaraju u hemijsku a pri pražnjenju hemijsku energiju pretvaraju u električnu i postaju izvori električne energije jednosmerne struje. Akumulatori se generalno dele u dve grupe: na olovne (koji su i najviše u upotrebi) i nikl-kadmijum akumulatore. Po naponu uglavnom se proizvode od 6V i 12V, ali postoje i određeni tipovi od 24V. Ćelije su osnovni deo akumulatora. Jedna ćelija predstavlja "akumulator u malom" i njen napon je 2,0-2,1V (slika 9). Sastoji se od određenog broja pozitivnih i negativnih ploča. Pozitivne ploče su izrađene od olovnog oksida,a negativne od čistog olova. Između pozitivnih i negativnih ploča nalazi se separator-izolator. Slika 9. Ćelija olovnog akumulatora Slika 10. Punjenje akumulatora Željeni napon se postiže rednom vezom, i to spajanjem pozitivnog pola jedne ćelije sa negativnim polom druge ćelije. Smatra se da je pražnjenje akumulatora normalno ukoliko napon po ćeliji ne spadne ispod 1,8 V. Sa ovim naponom akumulator se može dovesti u ispravno upotrebno stanje nakon punjenja (slika 10). Ukoliko napon padne ispod 1,8 V po ćeliji, onda nije sigurno da će se akumulator dovesti u ispravno stanje punjenjem. Kapacitet akumulatora predstavlja proizvod jačine struje i vremena pražnjenja [Ah]. Na primer, akumulator koji ima 45Ah može davati struju od 45A u vremenu od 1 sat, ili recimo 1A u vremunu od 45 sati. Na slici 11 prikazan je grafik punjenja i pražnjenja akumulatora (jedne njegove ćelije). Slika 11. Kriva punjenja i pražnjenja akumulatora 9

OPIS TROFAZNOG PRETVARAČA NAPONA Trofazni pretvarač napona prvenstveno je u upotrebi za napajanje elektromotornih trofaznih pumpi centralnog grejanja prilikom nestanka struje. Njegova primarna funkcija je transformacija jednosmernog napona od 24V na trofaznih 3 380V. Rednim vezivanjem dva akumulatora od po 12V dobija se željeni ulazni napon nakon čega se preko trofaznog konvertora na izlazu iz sistema dobija trofazni napon 3 380V. Upravljačka logika trofaznog pretvarača napona bazirana je na mikrokontroleru ATMEGA8 preko koga se vrši kontrola i upravljanjem ovim uređajem. Preko dva stabilizatora napona vrši se napajanje relea, fetova, mikroprocesora i ostalih elektronskih komponenti koje se nalaze na upravljačkoj štampanoj ploči. Na sledećoj slici je prikazana blok šema na čijem principu je zasnovan rad ovog trofaznog pretvarača. Slika 12. Blok šema dobijanja trofaznog naizmeničnog napona Način funkcionisanja celokupnog sistema sa slike 12 je sledeći: na početku, motor se napaja trofaznim naponom preko mreže. Sve tri mrežne faze se dovode takođe i na ploču konvertora gde se vrši detekcija faza. Ukoliko su sve tri faze detektovane motor će se napajati direktno sa mreže. Kada detektor faza registruje nedostatak bilo koje faze šalje se upravljački signal za početak rada pretvarača. Tada se drugim upravljačkim signalom preko relea vrši promena položaja kontaktora na izlazu gde će se oni iz položaja kojim je obezbeđivan mrežni napon prebaciti u položaj koji će omogućiti napajanje motora pomoću akumulatora i trofaznog pretvarača napona. Zatvaranjem električnog kola pretvarač počinje sa konverzijom akumulatorskog jednosmernog napona na željeni trofazni. Nakon dobijanja faza, napon se pretvara na izlaznih 3 380V pomoću trofaznog trafoa koji je vezan u zvezda-trougao vezu. Na taj način se potrošač snabdeva ponovo stabilnim izvorom napajanja, a vreme rada pretvarača zavisiće od snage trofaznog akumulatora. Motor okvirne snage 10

600W koristi akumulatorsku struju od 25A. Tako da ukoliko je kapacitet akumulatora 100VA u navedenom slučaju će pretvarač raditi do 4h. Trofazni pretvarač napona poseduje i zaštitnu funkciju. U slučajevima pada napona na akumulatorima ispod 20V vrši se njihova zaštita isključenjem istih sa mreže. Na taj način se čuvaju ćelije baterije od preteranog pražnjenja i održavaju funkcionalnim za dalju upotrebu. Nakon isključenja akumulatora sa mreže korisnik je o tome obavešten putem svetlosne signalizacije. Pored signalizacije isključenja akumulatora uređaj preko svetlosnog indikatora obaveštava korisnika i o radu samog pretvarača. Nakon formiranja sistema i pretvarač krene sa radom, neophodno je izvršiti njegovu sinhronizaciju na mrežu. Sinhronizacija i eventualne korekcije se ostvaruju praćenjem smera okretanja motora i promenom reda faza na izlazu iz konvertora, što će detaljnije biti pojašnjeno u daljem delu ovog tehničkog rešenja. U sledećem poglavlju biće opisana upravljačka jedinica pretvarač kao najvažnija komponenta uređaja. UPRAVLJAČKA JEDINICA Upravljačka logika je elementarni deo ovog uređaja i omogućuje konverziju jednosmernog ulaznog na specificirani trofazni izlazni napon. Na slici 13 prikazana je električna šema upravljačke jedinice, tj. trofaznog konvertora napona. Slika 13 Električna šema upravljačke jedinice Sa prethodne slike se uočava trofazni most sa drajverima koji se sastoji od tri grane sa po dva FET-a N-tipa (IRF3205). Na svakoj od grana se dobija po jedna faza budućeg trofaznog naponskog izlaza. Pomoću kontrolera i drajvera IR2184 vrši se upravljanje navedenim FET-ovima. To upravljanje se vrši dovođenjem upravljačkih impulsa na ulaze PB0 do PB5 tri kontrolera IR2184. Glavna komponenta upravljačke logike je mikrokontroler ATmega8 (slika 14). Na svaku granu mosta se iz ovog procesora dovode posebni signali (promenljivi u vremenu) koji omogućuju 11

stvaranje trofaznog sistema. Između dva FET-a na svakoj grani se vezuje primar trofaznog trafoa (koji može biti vezan u zvezdu ili trougao) pa se u sekundaru trafoa stvara željenih 3 380V. Slika 14. Mikrokontroler upravljačke jedinice Sinhronizacija uređaja na mrežu se ostvaruje tako što se prvo u rad pušta motor direktnim priključenjem na mrežu (bez konvertora) i zapamti se smer okretanja motora. Zatim se motor uključi preko trofaznog pretvarača napona. Ukoliko je smer okretanja motora isti i u jednom i u drugom slučaju, onda nije potrebno vršiti bilo kakve promene. Ako se smerovi okretanja ne podudaraju potrebno je izvršiti zamenu dveju faza. Na ploči se još nalaze dva stabilizatora napona od 12V i 5V. Stabilizator od 12V služi za napajanje relea i drajvera kontrolera IR2184. Drugi stabilizator od 5V služi za napajanje mikrokontrolera ATmega8. Detektovanje svih faza se ostvaruje pomoću tri diode, otpornika i optokaplera (Slika 15). Naredna komponenta na ploči je stabilizator napona koji ulazni napon akumulatora (24V) konvertuje na radni napon procesora ili na napon iz pretvarača od 5V. Realizacija izlaznog relea koji se koristi da preko kontaktora pušta trofazni mrežni napon prikazana ja na slici 16. Slika 15. Detektovanje faza Slika 16. Izlazni rele sa kontaktorima 12

Na slici 17 prikazana je fotografija štampane ploče upravljačke jedinice nakon instaliranja svih potrebnih komponenti na njoj. Slika 17. Upravljačka jedinica Na slici 18 predstavljen je PCB grafički prikazi štampane ploče, na kojoj se mogu uočiti instalirane komponente i njihova pozicija na samoj ploči, kao i način povezivanja komponenti unutar upravljačke jedinice. Slika je urađena. pomoću programskog paketa PROTEL. Slika 18. PCB prikaz štampane ploče 13

KARAKTERISTIKE UPRAVLJAČKIH IMPULSA Dobro poznata karakteristika električnih mreža je da funkcionišu na frekvenciji od 50Hz. U skladu s tim, jedan od zadataka upravljačke logike je da kreira upravljačke impulse potrebnog trajanja kako bi se obezbedila frekvencija dobijenog trofaznog napona od 50Hz. Na slici 19 su prikazani impulsni odzivi svake od grana upravljačke jedinice. Trajanje svakog impulsa je 10ms čime se na izlazu iz pretvarača obezbeđuje frekvencija trofaznog napona od 50Hz. Na slici 20 prikazani su upravljački impulsi koji se dovode na 3 grane i odgovarajuće FET-ove na njima. Slika 19. Impulsni odzivi grana upravljačkog kola Slika 20. Upravljački impulsi ZAKLJUČAK Realizacija trofaznog pretvarača napona pomoću mikrokontrolera Atmega 8 i prateće upravljačke logike je prikazana kroz ovo tehničko rešenje. Primena ovakvog pretvarača je velika i gotovo da ne postoje trofazni potrošači za čije napajanje ne može da se koristi. Uređaj je baziran na konverziji jednosmernog napona od 24V u trofazni napon od 3 380V. U radu su navedene karakteristike trofaznih sistema, svojstva akumulatora i važnost poznavanja istih za stabilan rad pretvarača. Pored mikrokontrolera suštinu upravljačke logike čine i kontroleri IR2184 koji se koriste za kontrolu izlaznog trofaznog napona i slanje odgovarajućih upravljačkih imuplsa na ulaze FET-ova na svakoj grani upravljačke jedinice. Prikazana je takođe i zaštitna funkcija uređaja kojom se ćelije akumulatora čuvaju u optimalnom stanju i omogućuje dug životni vek samog akumulatora. PCB prikazom štampane ploče predstavljen je položaj komponenti na samoj ploči i način na koji ih je potrebno međusobno povezati. Na kraju su predstavljeni impulsni odzivi i upravljački impulsi kojim se omogućuje dobijanje trofaznog napona na potrebnoj frekvenciji od 50 Hz. 14