Istosmjerna pretvorba izravna i neizravna*

Osnovna ideja istosmjerne pretvorbe*Linearni regulator napona(nije rjeenje uinske elektronike). Istosmjerni pretvara pomou preklopke.

Usporedba djelotvornosti linearnog regulatora i istosmjernog pretvaraa*Istosmjerni pretvara (u ovom primjeru buck converter ili silazni pretvara) postie znatno veu djelotvornost od linearnog regulatora napona.

*Naelo upravljanja istosmjernim pretvaraima modulacija irine impulsa (PWM modulacija)

Podjela istosmjernih pretvaraa*istosmjerni pretvarai bez galvanskog odvajanjaistosmjerni pretvarai s galvanskim odvajanjemoper etverokvadrantni oper (PWM istosmjerni pretvara)silazni (engl. buck converter)uzlazni (engl. boost converter)silazno-uzlazni (engl. buck - boost converter)

Neke primjene istosmjernih pretvaraa obnovljivi izvori energije*

Neke primjene istosmjernih pretvaraa obnovljivi izvori energije*

Pojam transformatorskih jednadbiPrva transformatorska jednadbaDruga transformatorska jednadbaAko je jedna transformatorska jednadba izvedena, druga se izvodi izjednaavanjem ulazne i izlazne snage. Druga transformatorska jednadba moe se dobiti i izravno: iz valnog oblika struje izvora UB.

Metoda izvoenja transformatorskih jednadbiNaputak: transformatorske jednadbe istosmjernih pretvaraa koji sadre filtre izvode se iz dva uvjeta:

srednja vrijednost napona na induktivitetu jednaka je nuli srednja vrijednost struje kroz kapacitet jednaka je nuli.

To su uvjeti ustaljenog stanjaFaktor voenja D (optereenja, upravljanja) moe se smatrati prijenosnim omjerom.

Istosmjerni silazni pretvaraPretpostavka: C je tako velik da je ud = konst. Uoite da je srednja vrijednost struja kroz troilo jednaka srednjoj vrijednosti struje kroz induktivitet. Jo uoite da je srednja vrijednost napona na diodi jednaka srednjoj vrijednosti napona na troilu.

Neisprekidani nain radaPolazi se od valnog oblika napona na induktivitetu.Srednja vrijednost napona u ustaljenom stanju je nula.Slijedi naponskatransformatorska jednadba:

Neisprekidani nain radaNaponska transformatorska jednadba je evidentna. Srednja vrijednost napona na troilu jednaka je srednjoj vrijednosti napona na diodi, jer je srednja vrijednost napona na induktivitetu (u ustaljenom stanju) jednaka nuli.Strujna transformatorska jednadba dobije se izjednaavanjem ulazne i izlazne snage:

Istosmjerni silazni pretvara valni oblici u neisprekidanom nainu rada

Struja troila kod koje nastupa isprekidani nain radaGranica izmeu neisprekidanog i isprekidanog naina radaIdk = kritina struja troilaDo isprekidanog naina rada dolazi kada se srednja vrijednost struje troila smanjuje, primjerice zbog smanjenja potronje nekog ureaja. Pri tome je valovitost struje nepromijenjena.

Kada se srednja vrijednost struje toliko smanji da minimalna vrijednost struje prigunice padne na nulu, dosegnut je isprekidani nain rada.

Struja troila kod koje nastupa isprekidani nain radaAko je UB = konst.,onda je Idk = f(D) parabola.

Isprekidani nain radaSrednja vrijednost napona na prigunici mora ostati jednaka nuli.

Trajanje negativne povrine se smanjilo, pa se stoga amplituda negativnog napona mora poveati.

Dakle, izlazni napon pretvaraa raste, uz nepromijenjeni faktor voenja D.

Isprekidani nain radaNaponska transformatorska jednadba:Treba nai .

Isprekidani nain radaKonano:Transformatorska jednadba vie nije linearna.

*Izlazne karakteristike

*Zadatak: Strujna transformatorska jednadba istosmjerni silazni pretvaraIzvedite strujnu transformatorsku jednadbu istosmjernog silaznog pretvaraa iz uvjeta da je srednja vrijednost struje kroz kapacitet u ustaljenom stanju jednaka nuli.Srednja vrijednost struje kroz troilo jednaka je srednjoj vrijednosti struje kroz induktivitet.

Zadatak: Za istosmjerni silazni pretvara odrediti faktor voenja D*Razmiljamo: L je tako velik da je struja troila id konstantna C je tako velik da je njegov napon konstantan ako se zna napon na C, onda je D = 5/UC dakle, treba odrediti UC kako je UC = 25 Is 0,2, problem se svodi na odreivanje Is Is se odreuje metodom energetskih odnosa (Pul = Piz)

*Prvo rjeenje nije fizikalno mogue.Zadatak: Za istosmjerni silazni pretvara odrediti faktor voenja D

Istosmjerni uzlazni pretvaraPretpostavka: C je tako velik da je ud = konst.

Neisprekidani nain radaSlijedi naponskatransformatorska jednadba:Strujna transformatorska jednadbadobije se izjednaavanjemulazne i izlazne snage:

Istosmjerni uzlazni pretvara valni oblici u neisprekidanom nainu rada

Zadatak: Strujna transformatorska jednadba istosmjerni uzlazni pretvaraIzvedite strujnu transformatorsku jednadbu istosmjernog uzlaznog pretvaraa iz uvjeta da je srednja vrijednost struje kroz kapacitet u ustaljenom stanju jednaka nuli.

*Zadatak: Istosmjerni uzlazni pretvaraUzlazni pretvara (tranzistor i dioda su idealni) ima sljedee parametre: Ui = 50 V, L = 250 H, tON = DT = 50 s , RL = 2,5 . Potrebno je odrediti: a)radnu frekvenciju pretvaraa tako da pretvara radi u neisprekidanom nainu rada pri izlaznom naponu UO = 75 V, b)srednje vrijednosti ulazne i izlazne struje, c)kapacitet izlaznog kondenzatora potreban da valovitost izlaznog napona ne bude vea od 1%

*Zadatak: Istosmjerni uzlazni pretvaraNa temelju transformatorske jednadbe za uzlazni pretvara slijedi za potreban faktor optereenja D = 1 Ui/UO = 1 50/75 = 1/3 = 0,333Budui da je tON = DT = 50 s ; T = tON /D = 150 s. Slijedi radna frekvencija f = 1/T = 6,66 kHz.b)Srednja vrijednost izlazne struje jednaka je IO = UO / RL = 75/2,5 = 30 A,pa je prema strujnoj transformatorskoj jednadbi srednja vrijednost ulazne struje jednaka Ii = IO /(1-D) = 30/(1-1/3) = 90/2 = 45 APromjena struje kroz prigunicu (valovitost) iznosi:

*Zadatak: Istosmjerni uzlazni pretvaraMinimalna i maksimalna struja prigunice odreene su izrazima:to je prikazano na slici.

*Zadatak: Istosmjerni uzlazni pretvaraBudui da su komponente pretvaraa idealne, moe se zanemariti ESR (ekvivalentni serijski otpor) izlaznog kondenzatora.Promjena napona na kondenzatoru odreena je valnim oblikom struje kondenzatora i iznosi:

*Zadatak: Istosmjerni uzlazni pretvaraPotrebna vrijednost kapaciteta kondenzatora moe se odrediti pomou formule:

Istosmjerni silazno uzlazni pretvaraPretpostavka: C je tako velik da je ud = konst.

Neisprekidani nain radaSlijedi naponskatransformatorska jednadba:Strujna transformatorska jednadbadobije se izjednaavanjemulazne i izlazne snage:

Istosmjerni silazno-uzlazni pretvara valni oblici u neisprekidanom nainu rada

Zadatak: Strujna transformatorska jednadba istosmjerni silazno-uzlazni pretvaraIzvedite strujnu transformatorsku jednadbu istosmjernog silazno-uzlaznog pretvaraa iz uvjeta da je srednja vrijednost struje kroz kapacitet u ustaljenom stanju jednaka nuli.

Zadatak: Ogranienje radne frekvencije istosmjernih pretvaraa - gubitci sklopkeIstosmjerni silazni pretvara s komutacijskim induktivitetom Lc.Indeksi veliina koje se odnose na sklopne elemente piu se velikim slovima.Gubitci postoje iako sklopka moe biti idealna.

Jednostavniji proraun pomou valnog oblika gubitakaNpr. ako je US = 2UB, Lc = 25 H, Id = 200 A, onda je:Zadatak: Ogranienje radne frekvencije istosmjernih pretvaraa - gubitci sklopkeZa vjebu: Izvesti izraz za Wi integriranjem umnoka us is.

IPES primjeri istosmjernih pretvaraa

IPES primjeri istosmjernih pretvaraa

IPES primjeri istosmjernih pretvaraa

etverokvadrantni oper (PWM istosmjerni pretvara)etverokvadrantni oper (PWM istosmjerni pretvara) je najee koriteni pretvara za istosmjerne servo pogone, ali i mnoge druge primjene. Istosmjerni motor moe se nadomjestiti serijskim spojem protuelektromotorne sile (protuEMS), otpora i induktiviteta.

etverokvadrantni operAnalizu rada PWM istosmjernog pretvaraa jednostavnije je provesti uz pretpostavku idealnih sklopki.

Mogua su 3 razliita naponska stanja na troilu, koja se mogu dobiti na 4 razliita naina. Napomena: analizira se pretvara s naponskim ulazom

etverokvadrantni oper (napon na troilu +UB)Zatvore li se sklopke S1 i S4, na troilu je pozitivni napon UB.

Struja troila iO raste. Zbog jednostavnosti pretpostavlja se da je porast struje linearan. U sluaju prisustva protuelektromotorne sile E, struja ovisi o odnosu uO i E.

etverokvadrantni oper (napon na troilu -UB)Zatvore li se sklopke S2 i S3, na troilu je negativni napon -UB.

Struja troila iO pada, zbog jednostavnosti pretpostavlja se da je pad struje linearan. U sluaju prisustva protuelektromotorne sile E , struja ovisi o odnosu uO i E.

etverokvadrantni oper (napon na troilu 0)Zatvore li se sklopke S1 i S3 ili sklopke S2 i S4, troilo je kratko spojeno, te je na njemu napon jednak 0.

Struja troila iO se ne mijenja, zadrava vrijednost prije tog stanja. Ovo vrijedi samo u idealnom sluaju, tj. kad ne bi postojali djelatni otpori i protuelektromotorna sila. U stvarnosti, tijekom ovog stanja struja se mijenja ovisno o iznosu R i E.

etverokvadrantni oper kako radi?

etverokvadrantni oper kako radi?

etverokvadrantni oper upravljanje sklopkama (bipolarna modulacija)Napon na troiluStruja troila

etverokvadrantni oper upravljanje sklopkama (bipolarna modulacija)

etverokvadrantni oper upravljanje sklopkama (unipolarna modulacija)Napon na troiluStruja troila

etverokvadrantni oper upravljanje sklopkama (unipolarna modulacija)

etverokvadrantni oper D, upravljaki i referentni naponi, naponska transformatorska jednadbaKod mosnog spoja pretvaraa sa 4 sklopke, nije jednostavno definirati faktor optereenja.

Neka D1 bude faktor optereenja sklopke S1, odnosno omjer trajanja voenja sklopke S1 i sklopne periode TS.

Analizom prikaza modulacije (unipolarne i bipolarne), moe se pokazati da za obje modulacije vrijede omjeri:

etverokvadrantni oper D, upravljaki i referentni naponi, naponska transformatorska jednadbaOmjer srednje vrijednosti izlaznog napona i napona napajanja jednak je omjeru vrijednosti upravljakog signala (reference) i vrne vrijednosti visokofrekvencijskog signala nosioca (trokutni signal).

Ukoliko je kao faktor optereenja D definirano relativno trajanje pozitivnog izlaznog napona (kao u primjeru IPES), tada je za bipolarnu modulaciju D = D1, te gornji izraz ostaje nepromijenjen.

Za unipolarnu modulaciju vrijedi D = 2D1-1, izraz se mijenja u UO/UB = D, no za negativnu srednju vrijednost napona tako definirani faktor optereenja D postaje negativan.

Upravljaki sklopovi za istosmjerne pretvaraeNajee se koriste analogni integrirani krugovi posebne namjene.Starije rjeenje je s integriranim krugom TDA1060. Taj se integrirani krug susree i na laboratorijskoj vjebi.Postoje mnogobrojna novija tehnika rjeenja s integriranim krugovima za upravljanje istosmjernim pretvaraima. Mogu se pronai na internetu pod kljunim rijeima DC/DC PMW control IC. Upravljanje istosmjernim pretvaraem moe biti u naponskom ili strujnom nainu rada.

*Naponsko upravljanje pretvaraimaAnalogna izvedba sklopa za generiranje upravljakog signala

Naelo naponskog upravljanja pretvaraimaNa pojaalu pogreke usporeuju se stvarna (izmjerena) i eljena vrijednost napona (najee izlaznog).

Signal pogreke usporeuje se s visokofrekvencijskim signalom nosiocem.

Rezultat usporedbe je pravokutni upravljaki signal za sklopke pretvaraa.

Strujno upravljanje pretvaraima (I)

Naelo strujnog upravljanja pretvaraima (I)Postoje razliite izvedbe strujnog upravljanja, no zajedniko svima je da je osnovna informacija izmjerena struja (kroz induktivitet ili kroz sklopku).

U prikazanom primjeru strujnog upravljanja silaznim pretvaraem izmjerena stvarna struja prigunice usporeuje se na PWM komparatoru s repetitivnim signalom. Dodana je jo i kompenzacija nagiba (o tome ne govorimo u ovom kolegiju).

RS bistabil slui za sinkronizaciju sa signalom sata. Izlaz iz bistabila je pravokutni upravljaki signal za uinske sklopke pretvaraa.

Strujno upravljanje pretvaraima (II)

Naelo strujnog upravljanja pretvaraima (II)Jo jedan esto koriten nain strujnog upravljanja je histerezno upravljanje kod kojeg se usporeuju stvarna i eljena vrijednost struje uz pojas histereze.

Rezultat usporedbe je pravokutni signal za upravljanje uinskim sklopkama pretvaraa.

eljeni valni oblik struje moe biti sinusni, ili pak (kvazi)pravokutni.

Strujni nain upravljanja pretvaraa est je u praksi

TDA1060 upravljaki sklop za istosmjerne pretvarae

Primjer koritenja sklopa TDA1060Primjer koritenja integriranog sklopa TDA1060 za upravljanje istosmjernim pretvaraem.

Primjer koritenja sklopa TDA1060Jo jedan primjer.Uoite povratne veze.

Upravljaki sklopovi za istosmjerne pretvaraeNiti jedan istosmjerni pretvara ne moe ispravno raditi bez odgovarajueg odabira povratnih veza i naina upravljanja, sa ustaljenom vrijednou faktora upravljanja D. U stvarnom se radu faktor upravljanja (voenja) D neprestano dinamiki mijenja, te ga tada oznaavamo sa d.Projektiranje sustava upravljanja nije jednostavno, moramo poznavati dinamike modele istosmjernih pretvaraa i svojstva upravljakih sustava. Ta se problematika prouava na diplomskom studiju, izborni predmet Upravljanje uinskim pretvaraima.

Projektiranje istosmjernih pretvaraaDobar primjer nalazi se u dodatnoj literaturi u repozitoriju, Projektiranje uzlaznog istosmjernog pretvaraa.

Projektiranje istosmjernih pretvaraa

Dodatna literatura:HART poglavlje 6. (str. 185-236)WILLIAMS poglavlje 17 (str. 577-602)TEMA 4 (T-4)

Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ispraviti VB u UBAk. god. 2008/2009Ispraviti VB u UBAk. god. 2008/2009Ispraviti VB u UBAk. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Izvod bi trebalo napraviti za sluaj da je struja kroz L valovita.

Ak. god. 2008/2009*Ak. god. 2008/2009*Ak. god. 2008/2009Obrazloiti izvod za sluaj da je struja izvora valovita.

Ak. god. 2008/2009*Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009*Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009*Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009*Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009*Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009*Ak. god. 2008/2009*Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009Ak. god. 2008/2009