AUTONOMNI IZMJENJIVAČI

Autonomni izmjenjivači ili izmjenjivači promjenjive frekvencije (eng. switch-mode dc-ac inverters) su sklopovi za čiji rad ne treba izmjenična napojna mreža, te koji imaju mogućnost upravljanja i amplitudom i frekvencijom izmjeničnog izlaznog napona (struje).

Ovi izmjenjivači se primjenjuju u izmjeničnim elektromotornim pogonima, te za neprekidna izmjenična napajanja gdje je cilj proizvesti sinusni izmjenični izlaz promjenjive amplitude i frekvencije.

Izmjenični elektromotorni pogon prikazan je na slici 1. Izmjenični napon je dobiven ispravljanjem i filtriranjem linijskog napona i to najčešće pomoću diodnog ispravljača. Na izmjeničnom motoru želimo dobiti sinusni napon promjenjive amplitude i frekvencije, što upravo omogućuje izmjenivač na slici 1.

Ovaj izmjenjivač je u stvari pretvarač koji omogućuje tok energije u oba smjera. U svakom slučaju, većinu vremena tok energije je prema motoru što zahtijeva izmjenjvački režim rada. Stoga ćemo ih u ovoj primjeni nazivati izmjenjivačima.

Slika 1. Izmjenjivač u izmjeničnom elektromotornom pogonu

Da bismo usporili motor na slici 1, kinetička energija koja je povezana s inercijom motora i njegova tereta vraća se u mrežu, te u tom dijelu motor radi kao generator.

Za vrijeme kočenja motora, tok energije je od izmjenične strane prema istosmjernoj, te pretvarač radi kao ispravljač. Energija koja se vraća za vrijeme kočenja može se disipirati na otporniku koji se spaja u paralelu s kondenzatorom za slučaj na slici 1.

U svakom slučaju, u primjenama gdje je ovo kočenje učestalo bolje je rješenje regenerativno kočenje gdje se energija vraća u mrežu (slika 2). Da bi ovo bilo moguće potrebno je u prethodnom rješenju diodni most zamijeniti pretvaračem koji može raditi u dva kvadranta s promjenjivim smjerom istosmjerne struje, koji radi kao ispravljač u motorskom režimu rada, a kao izmjenjivač za vrijeme kočenja.

Slika 2. Motorski režim rada i regenerativno kočenje

Autonomne izmjenjivače možemo podjeliti na : a) Izmjenjivači sa utisnutim naponom b) Izmjenjivači sa utisnutom strujom c) Rezonantni izmjenjivači

Izmjenjivači sa utisnutim naponom

Izmjenjivači koji na ulazu imaju istosmjerni napon su izmjenjivači sa utisnutim naponom (engl.voltage source inverters, VSI). Ovi izmjenjivači se mogu podjeliti u 3 podgrupe:

1. Izmjenjiva č i sa sinusnim izlaznim naponom

Kod ovih izmjenjivača istosmjerni napon na ulazu je konstantne amplitude (slika 1.) ako se koristi diodni ispravljač za ispravljanje mrežnog napona. Stoga izmjenjivač mora upravljati amplitudom i frekvencijom izmjeničnog napona. Ovo se postiže sinusnom modulacijom širine impulsa (ŠIM). Sklopkama se upravlja tako da se na izlazu postigne naponski oblik (osnovni harmonik) što bliže sinusnom.

2. Izmjenjivači s pravokutnim izlaznim naponom

Ovi izmjenjivači mogu kontrolirati jedino frekvenciju izlaznog pravokutnog napona. Amplitudom izlaznog napona upravlja se pomuću amplitude ulaznog napona.

3. Izmjenjivači s kombiniranom modulacijom

U slučaju izmjenjivača s jednofaznim izlazom, moguće je upravljati amplitudom i frekvencijom izlaznog napona, iako je ulaz u izmjenjivač konstantan istosmjerni napon te sklopke nisu upravljane ŠIM-om. (napon na izlazu je pravokutan). Ovdje se radi o kombinaciji pravokutne i unipolarne ŠIM-e.

Izmjenjivači sa utisnutom strujom

Izmjenjivači koji na ulazu imaju istosmjernu struju (izvor istosmjernog napona s prigušnicom spojenom u seriju, nazivaju se autonomni izmjenjivači sa utisnutom strujom (engl. current source inverters, CSI).

Autonomni izmjenjivači s utisnutim naponom napajaju se iz izvora konstantnog napona, a napon trošila je stepeničastoga valnog oblika. Autonomni izmjenjivači utisnutom strujom na svom ulazu imaju izvor konstantne struje. Struja iz izvora konstantne struje efektivno je konstanta neovisno o događajima u izmjenjivaču u periodu od nekoliko ciklusa njegova rada.

U praksi se izmjenjivači s utisnutom strujom napajaju iz istosmjernog izvora preko prigušnice velikog induktiviteta (Slika 3.-a), tako da se promjene napona izmjenjivača ne mogu dogoditi. Promjene se otklanjaju pod utjecajem Ld(di/dt), ali s malim di/dt, i zato efektivno podržavaju realno konstantnu struju napajanja tijekom kratkih perioda. Shema spoja i valni oblici napona i struje autonomnog izmjenjivača sa utisnutom strujom prikazani sun a slici 3.

Slika 3. Autonomni izmjenjivač s utisnutom strujom: a) načelna shema spoja i b) valni oblici napona i struje.

Autonomni izmjenjivači s utisnutom strujom (engl. autonomuos constant current suorce inverters) na svome izlazu daju stalnu struju promjenljiva smjera, dok oblik i faza napona ovise o karakteru trošila(Slika 3.-b).

Ovi izmjenjivači mogu biti: a)jednofazni sa srednjom točkom, b)mosni i c) trofazni mosni.

Izmjenjivači sa utisnutom strujom upotrebljavaju se samo u izmjeničnim pogonima vrlo velikih snaga, tako da je njihova primjena ograničena.

Rezonantni izmjenjivači

Rezonantni pretvarači, kao i fazno upravljivi pretvarači ,spajaju istosmjerni sustav s izmjeničnim sistemom. Također im je zajedničko da je sklopna frekvencija jednaka frekvenciji izmjeničnog sistema. Ali, od fazno upravljivih pretvarača frekvencije se razlikuju u tome što se tokom energije obično upravlja mijenjanjem sklopne frekvencije, a ne mijenjanjem faznog položaja upravljačkih impulsa. Ako su upravljani na taj način rezonantni pretvarači se mogu upotrijebiti samo ondje gdje energije treba upravljati mijenjanjem istosmjernog napona. Odnosi struje i napona rezonantnog izmjenjivača prikazani su na slici 4.

Slika 4. Strujno-naponski odnosi rezonantnog izmjenjivača sa strujnim ulazom (utisnutom strujom)

Jedna od primjena rezonantnih izmjenjivača jest indukcijsko zagrijavanje. Pri toj primjeni rezonantni izmjenjivač napaja svitak izmjeničnom strujom.

Ova izmjenična struja transformatorskim djelovanjem inducira struju u vodljivom predmetu. Inducirana struja u vodljivom predmetu stvara toplinu i tako ga zagrijava.

Sljedeća česta primjena rezonantnih izmjenjivača je u visokofrekvencijskim istosmjernim napajačima koji rade na vrlo visokoj sklopnoj frekvenciji.

PRIMJENA AUTONOMNIH IZMJENJIVAČA

Najčešća primjena autonomnih izmjenjivača je napajanje izmjeničnih motora kojima treba mijenjati brzinu vrtnje.

Ti elektromotorni pogoni promjenjive brzine vrtnje (engl. ASD) upotrebljavaju se za upravljanje brzinom električnih vozila kao što su vlakovi; za namještanje brzine vrtnje crpki i kompresora tako da rade s najvećim mogućim stupnjem djelovanja pri promjenjivom opterećenju; za upravljanje brzinom vrtnje transportera; za upravljanje i usklađivanje brzina niza valjaka u proizvodnim operacijama kakve su u ljevaonicama željeza, te kod papirnih i tekstilnih strojeva; za upravljanje brzinom i pozicijom alatnih strojeva…

Ostale primjene autonomnih izmjenjivača uključuju sustave za neprekinuto napajanje električnom energijom, pretvarače frekvencije, sustave za prilagodbu izmjeničnih trošila obnovljivim izvorima energije, sustave rasvjete, sustave klimatizacije, pretvarače frekvencije i prenosive pretvarače.

Budući da je valni oblik izlaznog napona izmjenjivača nesinusan, u primjeni naponski harmonici imaju značajan utjecaj na perfomanse cijeloga sustava.

Ti se harmonici mogu potisnuti ali cijena raste sa složenošću izmjenjivačkog spoja tako da su ekonomski razlozi često presudni za donošenje odluke. Jedna od bitnijih uloga im je primjena u uređajima za reguliranje brzine izmjeničnih motora (asinhronih motora).