Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Pretvorniki brez galvanske ločitve med vhodom in izhodom:
• direktni enosmerni pretvorniki za eno in večkvadrantno obratovanje• lastno vodeni usmerniki in razsmerniki
Prednosti:
• majhna teža, volumen• dobro razmerje med instalirano preklopno močjo in maksimalnopreneseno močjo
Direktni pretvorniki
Pri tem je: n število stikalnih ventilovUpν teoretično maksimalna napetost na ventilu νIpν teoretično maksimalen tok ventila ν
= ∙
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.1: Enosmerni nastavljalnik
Vezja za enokvadrantno delovanje
ENOSMERNISISTEM
NAPAJALNIK
ENOSMERNISISTEM
PORABNIK
==
Direktni enosmerni presmernik
(DC-DC pretvorniki)
- pretvornik navzdol (nem. Tiefsetzsteller, angl. Buck converter)
- pretvornik navzgor (nem. Hochsetzsteller, angl. Boost converter)
- zaporni pretvornik ali pretvornik dol-gor (nem. Sperrsteller ali Hochund Tiefsetzsteller, angl. Flyback ali Buck-Boost-Converter)
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.2: Shema pretvornika navzdol
iU
L
=
iV iE
iL
uL
V
DUe E
U > E
vhod Uizhod E
=
t0
iL
it
ib
Tg T0
Tg Tg + T0
t
L bt 0
1i i (U E)dtL
g
t
L tt T
1i i ( E)dtL
mine e 0
e = emax = U
Slika 11.3: Časovni potek toka
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.4: Nastavitveno območje (za iL IL in îV îV,max)
0
0 ≤ IU ≤ IU,MAX
iV,max iU
U
E
0
0 ≤ IE ≤ IE,MAX
iV,max iE
E
U
Območje vhoda Območje izhoda
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.5: Pretok energije v odprtem in zaprtem stanju ventila
NAPAJALNISISTEM
NAPAJANSISTEM
NAPAJALNISISTEM
NAPAJANSISTEM
odprt ventil
zaprt ventil
DUŠILKA
DUŠILKA
Krmiljenje enosmernega presmernika
Pri pulzno-širinskem načinu proženja stikal (ang. PWM -Pulse-Width Modulation) je stikalna frekvenca fS konstantna. Topomeni, da je perioda enaka TS = tvkl + tizkl.
Delovno razmerje določimo kot:S
vkl
T
t
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Princip pulzno-širinskega proženja stikal
žag
krm
S
vkl
U
u
T
tˆ
vhvhs
vkl
T
t
t
vhs
T
izhs
izh UUT
tdtdtU
Tdttu
TU
s
vkl
vkls
01)(1
00
žag
vhkrmkrm
žag
vhizh
U
UKuKu
U
UU ˆ;ˆ
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
V praksi se izkaže, da ima predstavljeno vezje dve pomembnipomanjkljivosti:
• Breme je največkrat induktivnega značaja. To pomeni, da se nastikalu sprošča induktivna energija, kar bi povzročilo uničenje.
• Izhodna napetost zavzema dva nivoja (0 V in Uvh), kar povzročavisoko vsebnost višjih harmonskih komponent v napetosti nabremenu.
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Vsak pol: -6 dB/oktavo-20 dB/dekado
Vsaka ničla: +6 dB/oktavo+20 dB/dekado
Delovanje pretvornika pri zveznem toku skozi dušilko
izhvhL UUu
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Ko stikalo izklopimo, teče tok zaradi inducirane napetosti še naprej v isti smeri in velja:
izhL Uu
V ustaljenem stanju je srednja vrednostnapetosti na dušilki enaka nič:
s vkl S
vkl
T t T
t
LLL dtudtudtu0 0
0
To pomeni, da sta površiniA in B enaki:
vklSizhvklizhvh tTUtUU
S
vkl
vh
izh
T
t
U
U
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
V tem načinu delovanja je izhodna napetost premosorazmernadelovnemu razmerju pri konstantni vhodni napetosti Uvh. Ostaleveličine torej ne vplivajo na izhodno napetost, zato lahkozapišemo:
S
izklvklvhizh T
ttUU
0
S
vkl
vh
izh
T
t
U
U
Če zanemarimo izgube v elementih vezja, je vhodna moč vezjaenaka izhodni:
izhvh PP
izhizhvhvh IUIU
1
izh
vh
vh
izh
U
U
I
I
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Razmere v vezju na meji med zveznim in nezveznim delovanjem
V tem primeru je srednja vrednost toka skozi dušilko enaka:
mejniizhizhvhS
izhvhvkl
LmejniL IUUL
TUU
L
tII ,, 22ˆ
21
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Delovanje vezja v področju trganega tokaV mnogih tehniških rešitvah je vhodna napetost konstantna,izhodno pa spreminjamo z delovnim razmerjem .
Na meji med zveznim in nezveznim delovanjem je srednjavrednost toka skozi dušilko:
12, L
UTI vhS
mejniL
Izhodni tok, ki ga moramo zagotoviti za zvezen načindelovanja pretvornika je največji pri = 0,5:
L
UTI vhS
mejniL
8
ˆ,
1ˆ4 ,, mejniLmejniL II
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Tudi v tem primeru je integral napetosti na dušilki prekoene periode enak nič:
01 SizhSizhvh TUTUU
1
vh
izh
U
U
pri čemer velja: 0,11
Sizh
L TL
UI 1ˆ
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
1,
1
111
ˆ4
2
22ˆ
mejniL
Svh
SizhSLizh
I
L
TU
L
TUTII
Če iz zgornje enačbe izrazimo 1:
L
izh
I
Iˆ41
Če zgornjo enačbo vstavimo v enačbo1
vh
izh
U
U
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
mejniL
izhvh
izh
I
IU
U
,
2
2
ˆ4
Na spodnji sliki vidimo krivulje odvisnosti Uizh/Uvh od Iizh/IL-maks.,mejni. ,ki so posnete pri konstantni vhodni napetosti Uvh in za različnevrednosti delovnega razmerja .Meja med zveznim in nezveznim delovanjem pretvornika jeprikazana s črtkano črto.
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Delovanje pretvornika pri trganem toku skonstantno izhodno napetostjo
Pri delovanju pretvornika, kjer se vhodna napetostspreminja, dosežemo konstantno izhodno napetost znastavitvijo ustreznega delovnega razmerja .
Ker velja enačba Uvh = Uizh/, je srednja vrednost tokaskozi dušilko pri delovanju pretvornika na meji medzveznim in nezveznim delovanjem določena z enačbo:
12, L
UTI izhS
mejniL
Iz enačbe je razvidno, da pri konstantni vrednosti izhodne napetosti Uizh,dosežemo maksimalno vrednost
mejniLI ,ˆ pri = 0:
L
UTI izhS
mejniL
2
ˆ,
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
V praksi je delovanje pri = 0 nemogoče, saj bi potrebovalineskončno visoko vhodno napetost Uvh
Iz zadnjih dveh enačb lahko dobimo:
1ˆ,, mejniLmejniL II
vh
izh
mejniL
izh
vh
izh
U
U
I
I
U
U
1
ˆ,
Za delovanje pretvornika, kjer je Uizh konstantna, je dobro poznati odvisnostdelovnega razmerja od
mejniLizh II ,ˆ/
Če uporabimo enačbi in , ki veljata za nezvezno
delovanje ne glede na to katera napetost je konstantna (Uvh ali Uizh), potem lahkoizračunamo:
1
vh
izh
U
U1,
ˆ4 mejniLizh II
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Karakteristike pretvornika navzdol pri konstantni izhodni napetosti Uizh.
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Valovitost izhodne napetostiValovitost napetosti na kondenzatorju oziroma na izhodupretvornika (Umaks – Umin) lahko izračunamo s pomočjo enačbe:
22211 SL
izh
TI
CC
QU
Za čas tizkl zapišemo:
Sizh
L TL
UI 1
Če vstavimo IL iz druge enačbe v prvo enačbo, dobimo:
SizhS
izh TL
U
C
TU 1
8
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Valovitost napetosti na izhodupretvornika navzdol
222
12
181
S
CS
izh
izh
f
f
LC
T
U
U
kjer fS stikalna frekvenca, fC pa je:
LCfC 2
1
Iz zgornje enačbe je razvidno, da lahkovalovitost izhodne napetosti zelozmanjšamo, če izberemo lastnofrekvenco nizkopasovnega filtra tako,da je
SC ff
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.6: Shema pretvornika navzgor
iE
=
L
=
iL iU
iV
V
D
UeE
U > E
vhod Eizhod U
Pretvornik navzgor
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.7: Časovni potek toka
t0
iL
it
ib
Tg T0
Tg Tg + T0
t
Lt 0
1i . EdtL
t
L bt 0
1i i . EdtL
g
t
L tt T
1i i . (E U)dtL
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.8: Nastavitveno območje (za iL IL in îV îV,max)
0
0 ≤ IU ≤ IU,MAX
iV,max iU
U
E
0
0 ≤ IE ≤ IE,MAX
iV,max iE
E
U
Vhodno nastavitveno območje Izhodno nastavitveno območje
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.9: Pretok energije v odprtem in zaprtem stanju ventila
NAPAJALNISISTEM
NAPAJANISISTEM
DUŠILKA
NAPAJALNISISTEM
NAPAJANISISTEM
DUŠILKA
Odprt ventil
Zaprt ventil
Pretvornik navzgor
Principialna shema pretvornika navzgor
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Pretvornik navzgor v zveznem načinu delovanja
Srednja vrednost napetosti na dušilki preko ene periode je enaka nič.
0 izklizhvhvklvh tUUtU
11
izkl
S
vh
izh
t
T
U
U
izhizhvhvh IUIU
1vh
izh
I
I
Če zgornjo enačbo preuredimo:
Če je vezje brez izgub, velja:
oziroma
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Meja med zveznim in nezveznim načinom delovanja
Tok iL je na koncu stikalne periode TS enak nič. Srednja vrednosttoka skozi dušilko je enaka:
122
1ˆ21
, L
UT
L
UII izhSvh
LmejniL
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Pri tem pretvorniku vidimo, da je iL = ivh. Srednja vrednost toka na izhodu je:
2, 12
L
UTI izhS
mejniizh
Tok skozi dušilko IL,mejni dosežemaksimalno vrednostpri = 0,5:
L
UTI izhS
mejniL
8
ˆ,
Maksimalno vrednost izhodnega mejnega toka Iizh,mejni dobimo pri = 0,33:
L
UT
L
UTI SizhS
mejniizh0
, 074,0272ˆ
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Odvisnost mejne srednje vrednosti toka skozi dušilko in mejnesrednje vrednosti izhodnega toka od njunih maksimalnih vrednostije enaka:
mejniLmejniL II ,,ˆ14
mejniizhmejniizh II ,2
,ˆ1
427
in
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Pretvornik navzgor v nezveznem načinu delovanja
Ponovno izračunajmo integral napetosti na dušilki preko ene periode:
01 SizhvhSvh TUUTU
1
1
vh
izh
U
U
oziroma:izhvh
vh
izh PPI
I
jeker1
1
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Pri trganem toku skozi dušilko je njegova srednja vrednost enakasrednji vrednosti vhodnega toka:
12
S
vhvhL T
L
UII
12
L
UTI vhS
izh
mejniizh
izh
vh
izh
vh
izh
I
I
U
U
U
U
,ˆ1
274
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Karakteristike pretvornika navzgor pri konstantni izhodni napetosti Uizh.
Energija, ki se v eni periodi prenese iz vhoda v izhodni kondenzatorin breme je enaka:
L
TUI
L SvhL
2ˆ
2
22
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Valovitost izhodne napetosti (pri zveznem toku)
Če predpostavimo, da teče srednja vrednost toka skozibreme, izmenični del pa teče skozi izhodni kondenzator,potem je sprememba napetosti na kondenzatorju:
C
T
R
U
C
TI
C
QU SizhSizh
izh
RCT
RC
T
U
U SS
izh
izh
jekjer
Valovitost izhodne napetostipretvornika navzgor
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.10: Shema zapornega pretvornika
iE
= L =iL
V D
U
E
iU
E U
Zaporni pretvornik
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.11: Časovni potek toka
t0
iL
it
ib
Tg T0
Tg Tg + T0
t
t 0
1i . UdtL
t
L bt 0
1i i . UdtL
g
t
L tt T
1i i ( E)dtL
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.12: Nastavitveno območje (za iLIL in îV = îV,max )
0 iV,max iE
E
U
0 iV,max iU
U
E
Vhodno nastavitveno območjeIzhodno nastavitveno območje
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.13: Pretok energije v odprtem in zaprtem stanju ventila
NAPAJALNISISTEM
NAPAJANISISTEM
DUŠILKA
NAPAJALNISISTEM
NAPAJANISISTEM
DUŠILKA
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.14: Kaskada pretvornika navzgor in pretvornika navzdol
=
L
=VU
UE
VE
Kaskadna vezava (Buck-Boost)
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.15: Shema pretvornika navzdol s spremembo smeri napetosti
=
L=U
VU 2
U 2D
e
UL
iL iE
E
vhod Uizhod E
Pretvornik navzdol s spremembo smeri napetosti
V prevaja (Tg): Tokovna veja : maxUe e2
V zaprt (To): Tokovna veja: minUe e2
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.15: Shema pretvornika navzdol s spremembo smeri napetosti
=
L=U
VU 2
U 2D
e
UL
iL iE
E
vhod Uizhod E
Pretvornik navzdol s spremembo smeri napetosti
maxUe e2
minUe e2
τg = 1:
τg = 0: V ustaljenem stanju je UL=0
E = e - uL
U UE2 2
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.16: Izhodno nastavitveno stanje sistema
iV,maxIE
E
U/2
-U/2
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.17: Shema pretvornika navzgor
izhod Uvhod E
LU
VU 2
U 2 De
UL
iLIE
=
= E
tokovna veja mora biti vzpostavljena
Pretvornik navzgor s spremembo smeri napetosti
minUe e2
maxUe e2
V prevaja (Tg): Tokovna veja
V zaprt (To): Tokovna veja;
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.18: Vhodno nastavitveno območje
iV,maxIE
E
-U/2
U/2
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.19: Shema nastavljalnika
L
VHU
e
UL
iL
IE
=
E
VT
Pretvornik navzdol Pretvornik navzgor
Možnosti delovanja:
a) Brez uporabe prostotečnih tokokrogov
b) Ločeno pokrivanje prvega in četrtega kvadranta
Enosmerni nastavljalnik v obliki asimetričnega polmostiča
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.22: Celotno nastavitveno območje
iV,maxIE
E
-U
U Napajanje / prosti tek (bI)
Prosti tek / Vračanje (bII)
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.23: Shema nastavljalnika
L
VH
U
IE=
E
VT
L
Dvokvadrantni nastavljalnik z obračanjem smeri toka
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.25: 2. Kvadrant
UL
VH
U
IE
E
VT
L
e
iL=
iV,max IE
E
U
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.27: Shema nastavljalnika, delovanje v 1. in 4. kvadrantu
VH
=
L
=U
VT U 2
U 2DT
e
ULiE
E
iL
DH
Štirikvadrantni nastavljalnik s spremembo smerinapetosti s srednjim odcepom
VH
=L
=U
VTU / 2
U /2DT
e
ULiE
E
iL
DH
Slika 11.28: Delovanje v 2. in 3. kvadrantu
1. IL>0 → Pripadajoče nastavitveno območje za E: 1. in 4. kvadrant
2. IL < 0 → Pripadajoče nastavitveno območje za E: 2. in 3. kvadrant
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.29: Skupno nastavitveno območje
iV,max IE
E
-U/2
U/2
-iV,max
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.30: Shema vezja (tokovne veje niso vrisane)
VIV
=L
U
VI
e
ULIE
E
iL
VII
VIII
Vroča veja
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.31: Nastavitveno območje za E
iV,max IE
E
+U
-U
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.32: Nastavitveno območje
iV,max IE
E+U
-U
-iV,max
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.33: Shema vezja
VU
=
L
=U
V0 U 2
U 2
e
iL iE
ei
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.34: Nastavitveno (delovno) področje
iE
+U/2
-U/2
e Razsmerniško delovanje
Usmerniško delovanje
Usmerniško delovanje
Razsmerniško delovanje
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.35: Izvedba s kapacitivnim srednjim odcepom
VU
L
U
V0 U 2
U 2
e
iL iE
ei
= U
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.36: Shema vezja
VIV
=L
U
VI
e
ieei
iL
VII
VIII
Enofazni usmernik (razsmernik) v mostični vezavi
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.37: Oznaka v kvadrantih za kvazistacionarno delovanje
iE
+U
-U
e
Razsmerniško delovanje
Usmerniško delovanje
Usmerniško delovanje
Razsmerniško delovanjeiV,max-iV,max
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.38: Shema vezja
V4
=
R
U
V1
eR
R
L
iRV6
V3
V2
V5
=+U/2
=-U/2
eiR
S
eS
S
L
eiS
T
eT
T
L
eiT
iS iT
Trifazni usmernik (razsmernik) v mostični vezavi
Energetska elektronika Direktni pretvorniki
Slika 11.39: Shema vezja
=
U
iR iS iT
eR eS eT
Trojni enofazni usmernik (razsmernik) v mostični vezavi
Energetska elektronika Osnovni principi modulacije
Slika 12.1
i,IRALAV
e
Ui
E = ē
i,I
Osnovni modulacijski principi - PŠM
Energetska elektronika Osnovni principi modulacije
Slika 12.2t
t
t2Tp 3TpTp
TpT0
Tgûref
e
U
0
i
uref ukr
Tp 2Tp 3Tp
Energetska elektronika Osnovni principi modulacije
Slika 12.3
t
t
e
UT0 Tg
Tp
i
iŽ
Ploščini = veliki
½Δi½Δi
Energetska elektronika Osnovni principi modulacije
Slika 12.5
takt
e
USS
ŽSS
i
iž
10
01
T0 Tg
t
t
t
t
U
TA - perioda povpraševanjaTA
Časovno-diskretni način spreminjanja stikalnih stanj
Energetska elektronika Osnovni principi modulacije
Slika 12.6
TP
takt
t
t
t
Tg
T0
e
i
iž
U
“Current mode”
Energetska elektronika Osnovni principi modulacije
Slika 12.8
VZ
U E
RLi
e
VS
akumulator
vzbujalno navitje nekega magneta
Energetska elektronika Osnovni principi modulacije
Slika 12.9
R
L
TN
TP 2TP
Δe
t
t
T=i
e
-U
+U
ûref
uref ukr
0
0
››› TP
napajanje vračanje
TV
TN - napajanjeTV - vračanjeTN+ TV - čas pulzne periode (TP)=konst
T
=
Top Related