Пун назив ЕНЕРЕГЕТСКА ЕЛЕКТРОНИКА - 1 Статус Семестар ЕСПБ Фонд часова (П+А+Л) обавезан V 2 2 1 5,0 ЕЕ-1-029 Шифра предмета Школска година од које се програм реализује 2005/2006 Врста и ниво студија, студијски програми: Академски студиј електротехнике. Први циклус. Скраћени назив Студијски програм: Електроенергетика Условљеност другим предметима: Нема услова пријављивања и слушања предмета. Потребна предзнања из: Основи електротехнике I и II, Теорија електричних кола I и II, Електроника I и II. Циљеви изучавања предмета: Теоријско упознавање са претварањем електричне енергије и/или њених параметара у полупроводничким претварачима ради оптималног напајања потрошача; теоријско и практично упознавање са полупроводничким (и другим) компонентама и претварачима који се користе у енергетској електроници, њиховим начином рада, принципима управљања и примјеном. Име и презиме наставника и сарадника: Доц. др Миломир Шоја-наставник, дипл. инг. Марко Икић - асистент Метод наставе и савладавање градива: Предавања, аудиторне вјежбе, показне вјежбе на рачунару и лабораторијске вјежбе. Учење, тестови, задаће, семинарски радови и консултације. Садржај предмета по седмицама: Миломир Шоја milomir.soja@etf.unssa.rs.ba 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Увод. Обавезе и оцјењивање студената. Задатак ее, значај и примјена. Претварачи ее. Компоненте ее. Карактеристике и типови снажних полупроводничких компоненти ее. Наизмјенични прекидачи/подешавачи напона. Једнофазни подешавачи напона. Наизмјенични прекидачи/подешавачи напона. Трофазни тиристорски подешавачи напона. Исправљачи. Диодни и тиристорски исправљачи. Једнофазни исправљачи. Исправљачи. Трофазни исправљачи. Исправљачи. Фазно управљање. Карактеристике исправљача (I, U, IU, IUU). I парцијални испит Чопери. Принципи рада, основне функције, режими. Спуштачи, подизач напона. Чопери. Ћуков, 4Q полумосни/мосни, флајбек, форверд претварач. Резонантни претварачи. Чопери. Управљање DC/DC претварачима. ШИМ. Напонско управљање. Струјно управљање. Инвертори. Принцип рада, врсте прекидача, топологије. Напонски инвертор. Инвертори. Једнофазни, трофазни. Управљање, излазни напон, филтрирање. Инвертори. Инвертори у СБН, у VSD, струјни и резонантни инвертори. Циклоконвертори. Начин рада, реализација и примјена. једнофазни и трофазни циклоконвертори. Примјена уређаја ее. Проблеми које изазивају уређаји ее и њихово рјешавање. II парцијални испит Оптерећење студента по предмету: Недјељно: Кредитни коефицијент 5/30=0,167 Недјељно оптерећење: =0,167 x 40 сати = 6 сати и 40 минута У семестру: Укупно оптерећење за предмет: 5 кредита x 30 сати/кредиту=150 сати Активна настава: 5 x15=75 сати предавања и вјежби, Континуална провјера знања: 15 сати Завршна провјера знања: 5 сати Самосталан рад: учење, консултације 55 сата Обавезе студента: Похађање наставе, задаће и тестови, колоквијуми, консултације. Литература: 1. N.Mohan,..., POWER ELECTRONICS, Converters, Applications, and Design, John Wiley Marko Ikić marko.ikic@etf.unssa.rs.ba &Sons,Inc, 2003.; 2. B. L. Dokić, ENERGETSKA ELEKTRONIKA, pretvarači i regulatori, ETF Banja Luka, 2000.; 4. M. Radmanović, D. Mančić, Zbirka rešenih zadataka uz energetske elektronike, EF, Niš, 1996. Облици провјере знања и оцјењивање: Присуство настави до 10 бодова, колоквијуми, тестови и задаће до 60 бодова, завршни испит до 30 бодова. Пролазна оцјена 50 или више бодова. Посебна напомена за предмет: 1
Задатак Ее: Процесирање и управљање током електричне енергије уз обезбјеђење напона и струја у облику који је оптималан за оптерећење.[1] Ее обезбјеђује потребну везу између електричног извора и оптерећења. Извор и оптерећење могу имати различите фреквенције, амплитуде напона, број фаза. Уређаји Ее омогућавају преношење енергије од извора ка оптерећењу претварањем напона и струја из једног облика у други.!!! Извор и оптерећење могу замијенити улоге.[3] [1] У сваком процесу претварања/конверзије енергије веома је важна велика енергетска ефикасност, због цијене изгубљене енергије и тешкоћа са одвођењем дисипиране енергије. Веома су важни и димензије/тежина, цијена и поузданост. 2
[1,3]Енергетска електроника (Power Electronics) Оптерећење Процесор снаге Мјерење Управљачки сигнали Управљање Задана вриједност Блок дијаграм система Ее 3
Примјена (уређаја) Ее[1] : Зграде за становање - фрижидери и замрзивачи - загријавање простора - климатизација -кухање - освјетљење - електронски уређаји (компјутери и сл.) Комерцијалне зграде - загријавање, вентилација, климатизација - централни замрзивачи - освјетљење - компјутери и канцеларијски уређаји - беспрекидна напајања -лифтови Индустрија -пумпе - компресори - вентилатори -машине и роботи - лучне и индукционе пећи - освјетљење - индустријски ласери - индукционо гријање - заваривање Саобраћај и транспорт - електрична вуча - пуњачи батерија возила - електричне локомотиве - електрични аутомобили и тролејбуси - подземна жељезница - електроника за управљање моторима 4
Примјена (уређаја) Ее[1] : Електропривреда - високонапонски DC пренос (HVDC) - статички компензатори(svc) - системи за чување/складиштење енергије - вентилатори и напојне пумпе Летилице - напајања у космичким бродовима и сателитима -напајања у авионима Телекомуникације - пуњачи батерија - напојне јединице и беспрекидна напајања (UPS) 5
[1]Процесор снаге као комбинација претварача (конвертора) Процесор снаге Већина топологија које се користе у пракси захтијева коришћење елемента за складиштење енергије (кондензатор, индуктивитет). У случају више претварача тај елемент раздваја њихове улазе и излазе 6
[1] Ток снаге/енергије кроз претварач Претварач/конвертор је општи термин На слици ac/dc претварач Исправљачкиначин рада -енергија од acкаdc Инверторскиначин рада -енергија тече од dcкаac 7
[1] AC електромоторни погон (Motor Drive) Примјер процесора снаге Претварач 1- исправљање(напон мрежне фреквенције у dc) Кондензатор C- филтрирање, складиштење енергије, раздвајање претварача... Претварач 2- генерисање ac напона/струја мотора Поларитет dc напона остаје непромјењен 8
[1] Матрични претварач (а) Матрични претварач, (б) напонски извор Општа структура Употреба двосмјерних (bi-directional) и bi-polarity прекидача Специфична примјена 9
[1] Подјела процесора снаге и претварача Подјела према облику улаза и излаза или фреквенцији(f) Најчешћи улаз је дистрибутивна мрежа(ас, 50/60 Hz) Зависно од примјене излаз може бити: 1.dc (а) константе вриједности (б) промјењиве вриједности 2.ас (а) константне f, промјењиве амплитуде (б) промјењиве f и амплитуде Улаз и излаз могу бити 1 или 3-фазни (независно један од другог). Уобичајени ток енергије је од мреже ка оптерећењу. Фотонапонскисистем-токенергијеодdcизворакаасмрежи Постоје системи код којих се ток енергије мијења, зависно од радног стања(електромоторни погон) 10
[1] Интердисциплинарна природа Ее Веза Ееи других области науке и технике 11
[3]Улога Ее Уређај Ее као веза/интерфејс извора и оптерећења Уређај Ее омогућује пренос енергије/снаге од извора ка оптерећењу, претварањем напоја и струја једног облика у други, при чему извор и оптерећење могу замијенити улоге. Управљачки систем обезбјеђује да се пренос енергије (претварање напона и струја) обавља са великом ефикасношћу и великом густином снаге. 12
[3]Учешће појединих потрошача у укупној потрошњи електричне енергије (САД) освјетљење информационе технологије мотори 13
[3]Напајање уређаја информационих технологија Регулисана dc напојна јединица са ниским излазним напонима 14
[6] Напајање лаптоп рачунара Блок структура 15
[6]Дистрибуирани систем напајања десктоп рачунара Блок структура 16
[3] Подизач напона dc-dc подизач за уређај напајан са батерије(1.5 V) 17
[3]Моторни погон са промјењивомбрзином (Adjustable Speed Drives) Блок структура 18
[6]АСмоторни погон са промјењивомбрзином (variable-speed ac motor drive system) Блок структура 19
[3] Индукционо гријање (Induction Heating) 20
[3] Електрично заваривање (Electric Welding) 21
[3]Флуоресцентне сијалице (Compact Fluorescent Lamps- CFL) 22
[3] Саобраћај Хибридни електрични аутомобил 23
[6] Напајање електричног возила (electric vehicle) Блок структура 24
[3] Обновљиви извори енергије Фотонапонски систем (Photovoltaic Systems) (а) IUкарактеристика фотонапонскећелије, (б) повезивање са мрежом 25
[3] Обновљиви извори енергије Добијање електричне енергије из вјетра (Wind-Electric Systems) 26
[3]Систем беспрекидног напајања (Uninterruptible Power Supply) 27
[3] Космичке и војне примјене Ее 28
[8] Примјена Ее у новим технологијама 29
[9] Примјена Ее струја компоненти напон компоненти 30
[6] Напајање у космичком броду (spacecraf) 31
[3] Потреба за великом ефикасношћу(efficiency) и великом густином претварања/преношења енергије(density) Коефицијент корисног дејства (efficiency) снага ефикасност 32
[3]Структура везе извор-оптерећење остварене помоћу уређаја Ее Напонска веза Структура напонске везе (voltage-link) Прекидачи/транзистори са униполарним блокирањем напона(напон dc међукруга не мијења поларитет) Раздвајање претварача помоћу кондензатора Неосјетљивост на краткотрајне прекиде напона мреже 33
Струјна веза Структура струјне везе (current-link) Прекидачи са униполарним вођењем струје (струја dc међукруга не мијења поларитет) Раздвајање претварача помоћу индуктивитета/пригушнице Неосјетљивост на краткотрајне прекиде напона мреже 34
Веза помоћу матричног претварача [1] (а) Матрични претварач, (б) напонски извор Општа структура Употреба двосмјерних (bi-directional) и bi-polarity прекидача Употреба у специфичним случајевима 35
[3]Прекидачкипретварачиса стране оптерећења (switch-mode load-side converter) Промјењиви dc или нискофреквентни синусни ac излаз -управљањеdcиacмоторима - системи беспрекидног напајања - регулисана dc напајања без галванске изолације Високофреквентни ac излаз - флуоресцентне лампе - индукциона гријања - регулисана dc напајања са галванском изолацијом од улаза (претварач интерно ради са високом фреквенцијом, изолација високофреквентним трансформатором па исправљање) 36
[3]Актуелна и потенцијална унапређења уређаја Ее Нове компоненте (kv, ka) ASIC DSP Микроконтролери FPGA Интегрисани интелигентни снажни модули SiC, GaN компоненте Високоенергетски кондензатори 37
[3] Примјена Ее у енергетици Дистрибуирана производња (Distributed Generation - DG) Обновљиви извори(вјетар, Сунце...) Гориве ћелије и микро-турбине Складиштење: батерије, суперпроводни магнети, замајци.. Електронска оптерећења-(adjustable Speed Drives) Поправљање квалитета електричне енергије (Power Quality) Двострука напајања Беспрекидна напајања Стабилизатори напона Пренос и дистрибуција Високонапонски DCпренос (High VoltageDC-HVDC) Флексибилни АС пренос (Flexible AC Transmission-FACTS) Паралелна компензација (Shunt Compensation) Серијска компензација (Series Compensation) Статичка контрола фазног угла 38
[3] Дистрибуирана производња(dg) Блок структура 39
[3] Вјетрогенератор 40
[3] Соларно напајање (Photovoltaic- PV) 41
[3] Складиштење енергије (Energy Storage) Складиштење енергије помоћу замајца 42
[3] Електронско оптерећење Електромоторни погон са промјењивом брзином 43
[3] Поправљање квалитета електричне енергије Двоструко напајање Беспрекидно напајање Стабилизатор напона 44
Високонапонски DC пренос [3] Пренос и дистрибуција Средњенапонски DC пренос 45
[3] Флексибилни AC пренос(facts) 46
[3] Паралелна контрола напона Управљање ефективном серијскомреактансом(effective Series Reactance) 47
[3] Обједињено управљање током електричне енергије (Unified Power Flow Controller - UPFC) 1. Управљање амплитудом E 2. Промјена реактансе линије X, и/или 3. Промјена угла δ. 48
[1]Преглед основних електричних и магнетних кругова [1] Симболи и конвенције Токови снаге/енергије Симболи Поларитет напона, смјер струје MKS SIјединице 49
[1] Синусоидалне величине Синусоидалне величине у стационарном стању 50
[1] Трофазни систем U a + Ub + Uc = 0 U + U + U = ab bc ca 0 U = U U ab a b U = U U bc b c U = U U ca c a U U U ab bc ca = U = U = U ba cb ac 51
[1]Несинусоидалниталасни облици у стационарном стању у Ее 52
[1] Фуријеова анализа 53
[1] Изобличење (Distortion) улазне струје Улазни напон синусоидалан 1 - основна хармонијска компонента (fundamental) Угао између основних компоненти напона и струје 54
[1] Фазорско представљање 55
[1]ОдзивLиC u L = di L dt L i C = du C dt C 56
[1]Напон и струја индуктивитетау стационарном стању V*sec на периоду T=0(волт-секундни баланс) 57
[1]Напон и струја кондензатора у стационарном стању A*sec на периоду T=0(ампер-секундни баланс) 58
[1] Трансформатор (а) Трансформатор, (б) В-Н карактеристика језгра 59
[1] Еквивалентне шеме трансформатора (а) Реални намотаји на идеалном језгру, (б) идеални трансформатор 60
[1] Еквивалентне шеме трансформатора са хистерезним губицима (а) Реални намотаји са примарне и секундарне стране, (б) Елементи секундара пресликани на примар 61
[1] Карактеристика језгра трансформатора В-Нкарактеристика језгра трансформатора са хистерезоми магнетним губицима 62
[1] Рачунарске симулације Ее (Computer Simulation) Систем кога треба симулирати (моделирати) - изазов 63
[1] Рачунарске симулације Ее (Computer Simulation) Симулација на нивоу великих амплитуда сигнала (Large-Signal System Simulation) Симулација система у отвореној петљи Најједноставнији модели компоненти 64
[1] Рачунарске симулације Ее (Computer Simulation) Линеаризовани модел система на нивоу малих сигнала у сврху пројектовања управљачке структуре (Small-Signal Linearized Model for Controller Design) Систем линеаризовану околини радне тачке (стационарног стања) 65
[1] Рачунарске симулације Ее (Computer Simulation) Рад у затвореној петљи са значајним поремећајима (Closed- Loop Operation: Large Disturbances) Најједноставнији модели компоненти Укључене нелинеарности, ограничења и тд. 66
[1] Рачунарске симулације Ее (Computer Simulation) Моделирање прекидачког рада (Modeling of Switching Operation) Детаљни модели компоненти Посматрање свега неколико прекидачких циклуса 67
[1] Рачунарске симулације Ее (Computer Simulation) PSpice MATLAB 68
[2]Ее-настанакиразвој Прва електронска револуција - Џон Бардин (Bardeen), Валтер Бретејн (Bratain) и Вилијам Шокли (Schockley) 1947. год. направили први транзистор у Беловим лабораторијама (Bell Telephone Laboratories)- Нобелова награда 1956. год. 69
[2]Ее-настанакиразвој Друга електронска револуција - проналазак комерцијалног тиристора 1958. год. у Џенерал електрик (General Electric Company)- почетак ере Ее Стални развој нових компоненти и претварачких техника Повећање животног стандарда захтијева све више (електричне) енергије. Ее омогућава ефикасније коришћење електричне енергије и смањење потрошње (револуција у управљању енергијом) Побољшање прекидачких карактеристика и проширени струјни и напонски опсези прекидача проширују подручје примјене Ее. Практично сви нови електрични и електромеханички уређаји садрже уређаје и системе Ее 70
[2] Дефиниција Ее Ее се бави примјеном електронских система у претварању енергије и у управљању енергијом Ее проучава електронске кругове који се користе за управљање током електричне енергије, при чему је снага којом се управља много већа од снаге појединачних компоненти Примјер: MTW20N50 (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor - MOSFET) са струјом дрејна од 20 A и пробојним напоном дрејн-сорс (drain-source breakdown voltage) од 500 V, и номиналном властитом дисипацијом (rated power dissipation) oд250w.компонентаможеуправљатитокомснагеод10kw. 71
[2] Ее обједињује енергетске системе, електронику и управљање На студију електротехнике Ее мора бити позиционирана на исти ниво као дигитална, аналогна и радио-фреквентна електроника Развој Ее је до последњих година био одређен компонентама (device-driven), а у задње вријеме примјеном (applicationsdriven) Напредни полупроводнички прекидачи за практично све нивое снаге од ширег интереса и минијатуризација омогућили уградњу напредних уређаја Ее у широку класу нових производа 72
[2] Кључне карактеристике Ее Снажни претварач Ее управља током енергије између извора и потрошача. Пресудно утиче на ефикасност и поузданост система. У САД, електрична енергије је доступна 99.999% (нестанци неколико минута годишње), а претварач мора имати много бољу поузданост. У уређајима Ее користити компоненте без губитака - прекидаче што приближније идеалним, кондензаторе, пригушнице и трансформаторе. Механички прекидач има 100 000 операција у животу, а полупроводнички у секунди. 73
[2] Поузданост- једноставност и инеграција Први принцип: напон, струја и дисипација на компонентама морају бити унутар дозвољених граница. Други принцип: поједностављивање (софистицарне технике управљања то омогућују). Трећи принцип: интеграција (снажних компоненти у интелигентне модуле, управљања...). Интегрисане компоненте и ожичења повећавају издржљивост на температуру, вибрације, имуност на електро-магнетне сметње и тд. 74
[5] Ее Ее - претварање параметара електричне енергије и/или управљање њеним током помоћу електронских претварача заснованих на снажним полупроводничким прекидачима, са циљем да се потрошачу обезбиједи најбоље могуће напајање. Један од главних трендова на пољу Ее је захтјев за топологијама и одговарајућим управљачким техникама које омогућавају постизање ефикаснијег претварања електричне енергије уз смањење габарита претварача и побољшање њихових карактеристика. 75
Кључна улога Ее у претварању и потрошњи електричне енергије. Осим традиционалних примјена (напајања, управљање електромоторима), очекује се све већа улога Ее и у области производње и испоруке електричне енергије, као и поправке квалитета електричне енергије (PQ), гдје се уређаји Ее појављују као изазивачи 80% поремeћаја мрежног напона, али и као једини који те поремећаје могу да отклоне. Учешће Ее у снабдијевању потрошача електричном енергијом 76
[8] Укупна енергија, електрична енергија и Ее 77
[5] Основни правац развоја Ее је интеграција чији су резултати: Нове и старе снажне полупроводничке компопненте са побољшаним карактеристикама Функционално сасвим нове активне (прекидач са двосмјерним вођењем струје и MOS улазом, тзв. superjunction компоненте, снажне компоненте са интегрисаним галвански изолованим мјерним претварачима) и пасивне компоненте (нископрофилне феритне пригушнице/трансформатори са намотајима на штампаним плочама) Електро-магнетно-термо-механичко интеграциона технологија, која је довела до појаве IPEM (интегрисани снажни електронски модул) чијa je примјенa увела у Ее принципе на којима је заснован развој микроелектронике (стандардизација, модуларност, интеграција), са истим последицама (поједностављење производње, масовна производња, смањење цијена) 78
[5] Основни правац развоја Ее је интеграција чији су резултати: Интеграција енергетских дијелова претварача у једну цјелину ради постизања мањих димензија, једноставније монтаже и сервисирање, а веће поузданости и лакшег задовољавања захтјева за ЕМС. Овдје спадају и вишенамјенски претварачи. Обједињавање претварача Ее и потрошача(индукциони мотор у коме су интегрисани трофазни инвертор и PFC круг). Све већа примјена дигиталне електронике - омогућава ефикасно остваривање многих старих, а и нових идеја у области теорије управљања и теорије електричних машина. 79
[5] Претварачи Ee Претварач/конвертор је 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. 80
[5] Подјела претварача Ее Оснавни 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/AC(инвертори) 81
[5] Ее и микроелектроника Микроелектроника се бави обрадом сигнала, а Ее обрадом енергије Функционална подударност. Уређај микроелектронике на улазу има сигнале/информације, на излазу даје обрађене сигнале/информације и приликом обраде троши енергију. Уређај Ее обрађује улазну енергију и, на основу управљачких сигнала/информација, на свом излазу даје енергију прилагођену потрошачу. 82
Енергија Улазни уређаји Излазни уређаји Аналогни улази А / D конверзија Процесирање бројева D / А конверзија Аналогни излази а) Управљачки сигнали Улазна енергија Излазна енергија А / D D / А б) [5] Микроелектроника(а) и Ее(б)- паралеле Масовна производња уз стално опадање цијена, повећање квалитета и поузданости. Развој заснован на јасно одређеним правилима и ослањању на претходна провјерена рјешења, мали број корака у току производње и употреба малог броја различитих материјала. 83
[8] 84
[4] Дефиниција Ее Појам Ее се односи на управљање и претварање електричне енергије помоћу уређаја заснованих на полупроводничким прекидачима. Ера Ее почиње са појавом тиристора (silicon-controlled rectifiers - SCR). Прије тиристора коришћени су исправљачи са елементима на бази живиног лука (mercury-arc), са ограниченим подручјем примјене. Опсези снага, код којих се примјењују уређаји Ее се крећу од неколико VA/W до више MVA/MW, уз коришћење великог броја типова полупроводничких прекидача. 85
[6] Увод у процесирање снаге Dc-dc претварање: Промјена и управљање Амплитудом напона Ac-dc исправљање: Управљање dc напоном,(ac струјом) Dc-ac инвертовање: Синусни напон промјењиве А и f Ac-ac циклоконверзија: Промјена и управљање А и f напона 86
[6] Неопходност управљања Претварач Ее са управљачком структуром 87
[6] Велика ефикасност од суштинске важности Смањени губици у претварачу Мање димензије и поузданији рад Ефикасност је одлична мјера квалитета претварача 88
[6] Претварач са великом ефикасношћу рада Задатак: Направити претварач малих димензија, са великом ефикасношћу процесирања енергије 89
[6] Доступне компоненте 90
[6] Доступне компоненте Процесирање сигнала: НЕ КОРИСТИТИ магнетне компоненте 91
[6] Доступне компоненте Power processing: avoid lossy elements Процесирање снаге: НЕ КОРИСТИТИ компоненте на којима долази до дисипације 92
[6] Неке примјене Ее Ниво снаге претварача у разним примјенама мањеод1wубатеријскимпортаблуређајима 10-тине, 100-тине и 1000-де W за напајање рачунара и канцеларијских уређаја kw-mwкодуправљањабрзиноммотора 1000MWуисправљачимаиинверторимазаdcпренос 93
[7]ШтајеЕе? Претварање и управљање електричном енергијом помоћу полупроводничких компоненти/уређаја ОпсегснагаоднеколикоWдовишеGW Прекидачкирад==великаефикасност96%до99% Осим уобичајених, постоје и хибридна претварања: ac-dc-ac, dc-ac-dc, ac-ac-ac, и тд. Претварање и регулација напона, струје или снаге се дешавају истовремено. Уређај Ее изгледа као ефикасни прекидачки појачавач снаге 94
[7] Карактеристике Ее Хармоници иemiса стране оптерећења и са стране извора Нелинерни временски дискретни системи Сложена анализа, моделирање, симулација, пројектовање и тестирање Буран развој у последњих 30-так година Брз пораст примјене у: - индустрији -трговини - грађевинарству - ваздухопловству -војсци - електропривреди - саобраћају Глобално ширење технологије и примјене 95
[7]Зашто је Ееважна? Велика ефикасност претварања електричне енергије Уређаји су: јефтини, мали, поуздани, дуговјечни Веома важан елемент у процесирању енергије и у индустријској процесној контроли Брз пораст глобалне потрошње енергије Заштита животне средине Уштеда енергије Пораст примјене чистих обновљивих извора енергије (вјетар, Сунце, гориве ћелије) 96
[7] Примјена Ее 97
[7] Ее- интердисциплинарност 98
[7] Развој Ее 99
[7]4 генерације Ееса полупроводничким компонентама Прва генерација (1958-1975)(Тиристорска ера) Диода(Diode) Тиристор(Thyristor) Тријак(Triac) Друга генерација (1975-1985) Снажни биполарни транзистор(bjt) Снажни MOSFET GTO Микропроцесор (Microprocessor) ASIC PIC Напредна управљања (Advanced control) 100
[7]4 генерације Ееса полупроводничким компонентама Трећа генерација (1985-1995) IGBT (Intelligent power module - IPM) DSPs Напредна управљања Четврта генерација (1995-) IGCT CoolMOS PEBB(power electronic building block) Управљање без сензора(sensorless control) Фази логика (fuzzy logic), неуронске мреже (neural networks), генетски алгоритми (genetic algorithm) 101
[7] Историја Ее 1891- Ward-Leonard dc motor speed control is introduced 1897- Тhree-phase diode bridge rectifier(graetz circuit) 1901- Glass-bulb mercury-arc rectifier(peter Cooper Hewitt) 1906-Kramerdriveisintroduced 1907- Scherbius drive is introduced 1926- Hot cathode thyratron is introduced 1930 - New York subway installs grid-controlled mercury-arc rectifier(3mw)fordcdrive 1931 - German railways introduce mercury-arc cycloconverters for universal motor traction drive 1933- Slepian invents ignitron rectifier 1934 - Thyratron cycloconverter-synchronous motor (400 hp) was installed in Logan power station for ID fan drive (first variable frequency ac drive) 102
[7] Историја Ее 1948-TransistorisinventedatBellLabs 1956-Siliconpowerdiodeisintroduced 1958 - Commercial thyristor (or SCR) was introduced to the marketplace by GE 1971- Vector or field-oriented control for ac motor is introduced 1975-GiantpowerBJTisintroducedinthemarketbyToshiba 1978-PowerMOSFETisintroducedbyIR 1980-High-powerGTOsareintroducedinJapan 1981- Multilevel inverter(diode clamped) is introduced 1983-IGBTisintroduced 1983-SpacevectorPWMisintroduced 1986-DTCcontrolisinventedforinductionmotors 1987-Fuzzylogicisfirstappliedtopowerelectronics 1991-Artificialneuralnetworkisappliedtodcmotordrive 1996-ForwardblockingIGCTisintroducedbyABB 103
[7] Гдје наћи информације о Ее? Кључне књиге (аутори) - Bose, Mohan, Rashid, Еrickson,... IEEE публикације(ieeexplore.ieee.org) Веб сајтови са публикацијама разних аутора - scholar.google.com, scopus.com,... Conference Records and Transactions - IAS (Industry Applications Society), IES (Industrial Electronics Society), PELS (Power Electronics Society), PES, SES, APEC, PEDS/PEDES, CIEP- Mexico, etc. Proc. of the IEEE Conference Records of: - EPE(Europe) -ICEM - IPEC(Japan) - PCC(Japan) -PCIM, etc. Подаци о производима на веб сајтовима водећих произвођача: - ABB, GE, Fuji, Toshiba, Hitachi, Mitsubishi, Siemens, Rockwell, Samsung,... 104
[7] Шта је симулација? Зашто симулирати? Виртуелна или софтверска представа физичких кругова и система Потребан опис модела помоћу математичких једначина или шеме круга Сложени претварачи и управљачке стратегије захтијевају симулацију прије развоја прототипа Уштеда времена и новца код развоја нових производа Симулације су веома поучне Модерни симулациони програми веома ефикасни и лаки за коришћење Симулациони резултати онолико добри колико је добар опис модела Управљање у реалном времену и дијагностички програми могу често бити генерисани директно из симулационог програма Може се примјенити итеративни метод за оптимално пројектовање Нема оштећења због грешака и ненормалног рада 105
[7] Програми за симулацију MATLAB/SIMULINK SimPowerSystems(симулација система) PSPICE(симулација кругова) PSIM EMTP ACSL MATRIXX SIMNON SABER C 106
[7] Карактеристике PSPICE Шематски оријентисан симулатор Библиотеке компоненти са симболима, атрибутима и моделима компоненти Доступни интерна конверзија шеме у нет листу и аналитичке једначине Врши следеће анализе: (TRANSIENT ANALYSIS) (FREQUENCY-DOMAIN ANALYSIS) (FOURIER ANALYSIS) (PARAMETRIC ANALYSIS) (TEMPERATURE ANALYSIS) (MONTE CARLO ANALYSIS) (SENSITIVITY/WORST-CASE ANALYSIS) (GRAPHICAL PLOTTING OF RESULTS USING PROBE ) Није могуће директно пројектовање круга, али итеративна анализа може помоћи оптимизацији круга Може се користити за симулацију система у форми еквивалентних кругова 107
[7] MATLAB алати за рјешавање проблема Ее SIMULINK* SIGNAL PROCESSING CONTROL SYSTEM CURVE FITTING DATA ACQUISITION ROBUST CONTROL SYSTEM IDENTIFICATION OPTIMIZATION FUZZY LOGIC NEURAL NETWORK GENETIC ALGORITHM 108
[7] Карактеристике Simulink Симулациони програм у MATLAB окружењу за моделзасновану симулацију и снажном математичком подршком Графички кориснички интерфејс(gui) Симулација нелинеарних динамичких система (LINEAR/NONLINEAR) (CONTINUOUS/DISCRETE TIME) (MULTIRATE) (HIERARCHICAL MODELS) Библиотека графичких градивних блокова Кориснички интерфејс за MATLAB, FORTRAN, или C код Генерисати Скод из модела за управљање у реалном времену Повезивање симулације са другим тул боксовима Резултате симулације може обрађивати MATLAB Проширене графичке могућности 109
[7] Карактеристике SimPowerSystems Моделирање и симулација енергетских система(укључује Ее и погоне) Проширена SIMULINK симулација са GUI Хибридна симулација садржи блокове SIMPOWERSYSTEMS и SIMULINK Модели енергетских елемената и уређаја у библиотеци Шематски оријентисана симулација кругова и система(као PSPICE) Потребно SIMULINK и MATLAB окружење Могуће повезивање симулације са другим тул боксовима Примјери скупина блокова (POWER SYSTEM BLOCKSET-PSB) и библиотека (powerlib): (MODELS OF POWER ELECTRONICS COMPONENTS) (MODELS OF DC, INDUCTION AND SYNCHRONOUS MACHINES) (ELECTRICAL SOURCES AND CIRCUIT ELEMENTS) (ELECTRICAL CIRCUIT MEASUREMENTS) (CIRCUIT AND SYSTEM ANALYSIS WITH GUI) 110
[10] Ee 111
[10] Примјери примјене Ее 112
[10] Историја Ее 113
[10] Претварач Ее 114
[10] Паметни (Smart) систем напајања 115
[4] Мултидисциплинарност Ее 116
[4] Технологија и примјена Ее 117
[4] Правци развоја Ее 118
[4] Основе Ее 119
[4] Систем Ее 120
[4] Основни претварачи Ее 121
[4] Основни претварачи Ее 122
[4] Претварачи Ее 123
[4] 4Q претварач Ее 124
[4] Бидирекциони претварач 125
[4] Снаге претварача Ее 126
[4] Развој Ее 127
ЛИТЕРАТУРА: [1] Ned Mohan, Tore Undeland, and William Robbins, Power Electronics: Converters, Applications and Design, John Wiley& Sons, 2003. [2] MUHAMMAD H. RASHID, POWER ELECTRONICS HANDBOOK, ACADEMIC PRESS, 2001. [3] Ned Mohan, POWER ELECTRONICS AND DRIVES, MNPERE, Minneapolis, 2003. [4] xxx, INTRODUCTION TO POWER ELECTRONICS, XXX, 0000. [5] Миломир Шоја, Нови прилози у примјени струјног управљања у DC/DC и DC/AC претварачима, ЕТФ Источно Сарајево, 2008. [6] Robert W. Erickson Dragan Maksimovic, Fundamental of Power Electronics, Springer Science+Business Media, LCC, 2001. [7] Bimal K. Bose, Power Electronics and Motor Drives Advances and Trends, Elsevier Inc.,2006. [8] Fred C. Lee, Power Electronics System Introduction, Virginia Tech, 0000. [9]T. Paul Chow, Power Electronics SystemsIntegration, Rensselaer Polytechnic Institute, 2005. [10] MUHAMMAD H. RASHID, POWER ELECTRONICS: Circuits, Devices And Applications, Pearson Prentice Hall, 2004. 128