ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI – UČINSKA ELEKTRONIKA

1. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI – UČINSKA ELEKTRONIKA Kakvo nam je napajanje potrebno u elektromehaničkim sustavima ? izmjenična struja i(t) i/ili napon u(t) promjenjive frekvencije i amplitude

2. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI – UČINSKA ELEKTRONIKA Kakvo nam je napajanje potrebno u elektromehaničkim sustavima ? istosmjerna struja I i/ili napon U promjenjive amplitude

3. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI – UČINSKA ELEKTRONIKA Kakvo nam je napajanje potrebno u elektromehaničkim sustavima ? posebni slijedovi strujnih i/ili naponskih impulsa (primjerice za koračne motore)

4. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI – UČINSKA ELEKTRONIKA Što nam stoji na raspolaganju? izmjenična napojna mreža (jednofazna i trofazna) istosmjerni izvori napajanja (naponski fotopaneli, akumulatori, gorivni članci...) 130 W cca. 600 USD

5. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI – UČINSKA ELEKTRONIKA Sve ostalo moramo sami napraviti, problem je na koji način? Pomaže nam učinska elektronika (energetska elektronika, power electronics, Leistungselektronik...) Definicija iz Tehničkog leksikona:

6. ELEKTRONIČKA UČINSKA PRETVORBA Definicija iz Tehničkog leksikona:

7. Vrste elektroničke energetske pretvorbe ISPRAVLJANJE ∼ – ISTOSMJERNA PRETVORBA IZMJENIČNA PRETVORBA – ∼ ∼ – tok energije IZMJENJIVANJE IZRAVNA IZRAVNA ISTOSMJERNA PRETVORBA IZMJENIČNA PRETVORBA NEIZRAVNA NEIZRAVNA

8. Vrste elektroničke energetske pretvorbe ISPRAVLJANJE

9. Vrste elektroničke energetske pretvorbe IZMJENJIVANJE

10. Vrste elektroničke energetske pretvorbe ISTOSMJERNA IZRAVNA I NEIZRAVNA PRETVORBA

11. Vrste elektroničke energetske pretvorbe Vrste elektroničke energetske pretvorbe IZMJENIČNA IZRAVNA PRETVORBA

12. Vrste elektroničke energetske pretvorbe Vrste elektroničke energetske pretvorbe IZMJENIČNA NEIZRAVNA PRETVORBA

13. ELEKTRONIČKA UČINSKA SKLOPKA Definicija iz Tehničkog leksikona: Učinska (poluvodička) sklopka je operativna cjelina. Sastoji se od: − jednog ili više poluvodičkih ventila, − zaštite od prenapona i prekostruja, − pobudnog (upravljačkog) stupnja, − rashladnog tijela.

14. ELEKTRONIČKA UČINSKA SKLOPKA Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička sklopka. Jasno je da su inženjeri nastojali razviti elektroničku sklopku u svemu jednaku idealnojmehaničkoj električkoj sklopki (sklapa kod oba polariteta napona, vodi struju u oba smjera i nema gubitaka). sklopka otvorena: i(t) = 0 sklopka zatvorena: v(t) = 0 u oba slučaja: p(t) = i(t) v(t) = 0 Elektronička sklopka funkcionalno jednaka mehaničkoj sklopki je veoma složena (sastoji se od više elektroničkih ventila). Ipak, operativna cjelina koja ima samo neke funkcije mehaničke sklopke naziva se elektronička sklopka.

15. ELEKTRONIČKI UČINSKI VENTIL Definicija iz Tehničkog leksikona: Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje. Samostalno je inoperativna.

16. Poluvodički ventil To je složena struktura unutar monokristala silicija. Primjerice, IGBT u jednom smjeru može držati napon i uklapati i isklapati struju, a u drugom smjeru eventualno može držati napon (samo neke izvedbe) i ne može voditi struju. IGBT

17. Svaki poluvodički ventil ima gubitke: gubitke uklapanja, gubitke isklapanja i gubitke vođenja. Primjerice, tijekom isklapanja diode, na diodi istodobno postoji napon i teče znatna struja (umnožak napona i struje daje vremenski tijek gubitaka): zaostali naboj Naponsko-strujno naprezanje diode tijekom isklapanja vrijeme oporavljanja

18. Ili, tijekom uklapanja tranzistora poteče struja prije nego je započelo opadanje napona: Naponsko-strujno naprezanje tranzistora tijekom uklapanja

19. Podjela električkih (poluvodičkih) ventila:

20. Osnovne vrste današnjih poluvodičkih ventila

21. Istosmjerni veleprijenosi Kompenzatori Elektrolize Vuča Neprekinuto napajanje Indukcijsko zagrijavanje Elektromotorni pogoni Visokofrekvencijsko zavarivanje Napajanje Gdje se upotrebljavaju poluvodički ventili?

22. Radna područja poluvodičkih sklopki struja u stanju vođenja Primjer jednokvadrantnog rada sklopke: ON - Stanje vođenja OFF - Stanje nevođenja napon u stanju nevođenja

23. iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski unipolarna) vOFF iON Dvokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski bipolarna) vOFF Radna područja poluvodičkih sklopki Dvokvadrantna sklopka (strujno dvosmjerna, naponski unipolarna) iON vOFF iON Četverokvad-rantna sklopka (strujno dvosmjerna, naponski bipolarna) vOFF

24. iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski jednopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila - DIODA • neupravljiva, jednokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K), • preuzima nagativni (zaporni) napon u stanju nevođenja, • sklopno stanje ovisi samo o struji i/ili naponu na stezaljkama A i K A K

25. iON Dvokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski dvopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila - TIRISTOR • (polu)upravljiva, samo uklopiva, dvokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K), • preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, • uklapa pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja A K G

26. iON Dvokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski dvopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila – GTO (geitom isklopiv tiristor) (engl. gate turn off thyristor, GTO) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K), • preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, • uklapa pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja • isklapa pomoću negativnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) A K G

27. iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski jednopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila – BJT (bipolarni tranzistor) (engl. bipolar junction transistor) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, jednokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom smjeru • preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, • uklapa pomoću pozitivnog strujnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (bazi) C B E

28. Modeli poluvodičkih ventila – IGBT (bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom) iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski jednopolna) vOFF (engl. insulated gate bipolar transistor) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, jednokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom smjeru • preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, samo neki tipovi IGBT-a mogu preuzeti negativni (zaporni) napon • uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa D (C) G S (E)

29. Modeli poluvodičkih ventila – MOSFET (MOS tranzistor s efektom polja) (engl. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka, • vodi struju u dva smjeru (u jednom FET u drugom ugrađena dioda), • preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, • uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa D G S

30. U primjenama često trebamo strujno dvosmjernu sklopku, možemo je ostvariti kombinacijom ventila C Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u) možemo dodati povratnu diodu. B E Ukoliko nas dinamička svojstva ugrađene diode MOSFET-a ne zadovoljavaju, rješenje je sljedeće

31. Primjer za primjenu dvokvadrantne strujno dvosmjerne sklopke je kod izmjenjivača s naponskim ulazom.

32. U primjenama može zatrebati i strujno jednosmjerna sklopka, a naponski bipolarna sklopka koju također možemo ostvariti kombinacijom ventila Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u ili MOSFET-u) možemo u seriju dodati diodu koja preuzima napon kojeg tranzistor ne bi mogao preuzeti. B (dioda preuzima napon) (tranzistor preuzima napon) E

33. Primjer za primjenu dvokvadrantne naponski bipolarne sklopke je kod izmjenjivača sa strujnim ulazom.

34. Idealni nadomjestak za mehaničku sklopku je četverokvadrantna električka sklopka, koja se na različite načine može ostvariti kombinacijom poluvodičkih ventila • upravljiva, uklopiva i isklopiva, četverokvadrantna sklopka, • vodi struju u dva smjeru i preuzima napon u dva smjera, • uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi, isklapa nakon uklanjanja tog impulsa

35. Primjer za primjenu četverokvadrantne sklopke je kod matričnih pretvarača. Svi naponi i struje su izmjenični, sklopke moraju biti četverokvadrantne. Potrebno je 9 takvih sklopki.

36. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI – UČINSKA ELEKTRONIKA Kako ćemo raditi, što nam stoji na raspolaganju? Daniel W. Hart, INTRODUCTION TO POWER ELECTRONICS IPES (Interactive Power Electronics Simulation) www.ipes.ethz.ch SIMPLORER www.ansoft.com

37. IPES (Interactive Power Electronics Simulation)

38. SIMPLORER

40. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI – UČINSKA ELEKTRONIKA Što je potrebno znati, što treba ponoviti? Daniel W. Hart, INTRODUCTION TO POWER ELECTRONICS # Računanje snage i energije # Razgradnja zatečene energije (u L) # Snaga kod sinusnih i nesinusnih veličina, Fourierov red i još mnogo toga...

41. PONAVLJANJE - Računanje snage i energije Trenutačna vrijednost, srednja vrijednost, efektivna vrijednost veličine (struje, napona)

42. PONAVLJANJE – Odzivi L i C

43. PONAVLJANJE - Razgradnja energije zatečene u L – (I)

44. PONAVLJANJE - Razgradnja energije zatečene u L – (II) Primjena kod višefaznog DC pretvarača za reluktantne motore.

45. PONAVLJANJE - Snaga kod sinusnih i nesinusnih veličina V, I efektivne vrijednosti napona i struje

50. Faktor snage iskazuje koliko se angažira prividne snage za dobivanje djelatne snage.