ENERGETSKA ELEKTRONIKA

1. UVOD

1.1. općenito

Definicija područja elektrotehnike koji nazivamo energetskom elektronikom prema preporukama IEC-a glasi:“Power electronics is that part of electronics which deals with power technology.”

U slobodnom prijevodu definicija bi glasila da je to dio elektronike koji se koristi u elektroenergetici.

Elektronika je grana znanosti i tehnike koja obuhvaća izučavanje i primjenu onih pojava povezanih s gibanjem slobodnih elektrona i električki nabijenih čestica u vakuumu, plinovima, tekućinama i poluvodičima koje se ostvaruju u komponentama elektroničkih uređaja. Dakle, ako neki sklop sadrži elektroničku komponentu onda je to elektronički sklop i pripada grani znanosti koja se naziva elektronika.

Područje primijenjene elektronike može se podijeliti na dva dijela. Za prvi dio je karakteristično dobivanje, skupljanje, prijenos i obrada informacija.Za drugi dio je karakteristično upravljanje tokom električne energije i obrada električne energije.

Obilježja električne energije su: valni oblik napona, valni oblik struje, frekvencija i broj faza.

Energetska (učinska) elektronika je dio elektronike koji se koristi za pretvorbu obilježja električne energije i za upravljanje tokom električne energije.

1

Primjena u procesnoj industriji: - istosmjerni elektromotorni pogoni,- izmjenični elektromotorni pogoni,- elektrotermija,- elektrokemija.

Primjena u napajanju električnom energijom:- neprekinuto napajanje izmjeničnim naponom,- neprekinuto napajanje istosmjernim naponom,- uklapanje i isklapanje trošila.

Primjena u stanovima i uredima:- klimatizacija (grijanje i hlađenje),- rasvjeta,- računala i uredska oprema,- dizala.

1.2. struktura uređaja energetske elektronike

Uređaj energetske elektronike sastoji se od energetskog dijela i informacijskog dijela.

U energetskom dijelu odvijaju se energetske transformacije, a sastoji se od poluvodičkih ventila (dioda, tiristora,tranzistora), kondenzatora, prigušnica, transformatorai drugih komponenata.

Informacijski dio se sastoji uglavnom od mjernih pretvarača i elektroničkih digitalnih i analognih krugova. U njemu se obrađuju informacije i donose odluke o vođenju energetskog dijela.

2

2. KOMPONENTE UREĐAJA ENERGETSKE ELEKTRONIKE

2.1. Energetska dioda

2.1.1. uvod

Dioda je nelinearni poluvodički elektronički element s dva priključka. Poluvodičke diode se izvode se temelju p/n spoja ili, rjeđe, na temelju spoja metal-poluvodič. Osnovno i zajedničko svojstvo poluvodičkih dioda, bez obzira na tip ili vrstu, je njihovo ispravljačko svojstvo tj. vode struju u samo jednom smjeru: od anode prema katodi.

Međusobno se razlikuju prema tehnološkoj izvedbi, snazi, maksimalno dopuštenom naponu i struji, kućištu itd.

2.1.2. struktura energetske diode

Monokristal silicija energetske diode sastoji se od dva jako dopirana P+ i N+ područja između kojih se nalazi slabo dopirano područje Ns ili Ps tipa, debljine oko 100 do 400 µm ovisno o probojnom naponu. Metalni kontakt koji se nadovezuje na P+ područje je dioda, a drugi metalni kontakt je dioda.

Tijekom razvoja trebalo je riješiti dva ključna problema:- proboj na konturama,- mehaničko naprezanje sendviča.

2.1.3. statička karakteristika

Direktni ili propusni smjer diode je od anode prema katodi. Napon praga za silicijeve diode je u granicama 0,4 - 0,8 V, a propusni pad napona kod nazivne stuje iznosi 1,0 – 1,4 V. Gornja granica propusne struje iznosi oko 1,5 kA ( srednja vrijednost sinusnih poluvalova struje frekvencije 50 Hz ).

3

Inverzni ili zaporni smjer diode je od katode prema anodi. Napon pri kojem dolazi do naglog porasta struje naziva se probojni napon. Gornja granica probojnog napona komercijalnih VN silicijevih dioda iznosi 5 kV.

Diode sa specijalno obrađenim rubom silicijeve pločice tako da do proboja dolazi u unutrašnjosti pločice nazivaju se “diode s prinudnim lavinskim probojem” (avalanche diode).

2.1.4. dinamičke karakteristike

Slika prikazuje tipične valne oblike napona, struje i gubitaka diode kao sklopke. Pri prebacivanju iz stanja zapiranja u stanje vođenja ili obratno, ne uspostavlja se odmah stacionarno stanje. Kod uklapanja, kada napon izvora mijenja polaritet, nosioci naboja trebaju konačno vrijeme da stignu u centralno područje. Zato je otpor diode, a s njim i pad napona, u početku veći od stacionarnog. Kod isklapanja, nakon što struja padne na nulu, u centralnom području još ima nosioca naboja koji se moraju odstraniti. Zbog toga poteče struja u zapornom smjeru. Tek nakon toga dioda može preuzeti zaporni napon. Tokom procesa uklapanja i isklapanja nastaju gubitci, razmjerni frekvenciji. To ograničava primjenu dioda na višim frekvencijama.

2.1.5. deklariranje diode

- vršni neperiodički napon – najveća dopuštena trenutna vrijednost zapornog napona na diodi.- granična efektivna struja – vrijedi za sve valne oblike, bez obzira na trajanje. Ne smije se prekoračiti ni kod najboljeg hlađenja.

4

- granična srednja struja – najveća trajno dopuštena srednja struja određenog valnog oblika i frekvencije (najčešće sinusni poluvalovi frekvencije 50Hz) uz poznatu temperaturu neke referentne točke, najčešće na kućištu diode.- udarna struja – podaci se dobivaju razornim ispitivanjem nizom jednakih strujnih impulsa do uništenja diode.- vrijeme odmaranja – vrijeme od prolaza struje kroz nulu dok struja u zapornom smjeru ne opadne na 10% maks. vrijednosti.

2.2. Energetska dioda u RLC krugu

2.2.1. djelatno opterećenje

Transformator , osim što transformira napon, galvanski odvaja ispravljački dio sklopa od mreže. Dioda ispravlja izmjeničnu struju u pulzirajuću . Dok vodi, na njoj nastaje pad napona UF. Napon na sekundaru transformatora mijenja se po sinusnom zakonu. Transformator , osim što transformira napon, galvanski odvaja ispravljački dio sklopa od mreže. Dioda ispravlja izmjeničnu struju u pulzirajuću . Dok vodi, na njoj nastaje pad napona UF. Napon na sekundaru transformatora mijenja se po sinusnom zakonu. Dok dioda vodi, kroz opterećenje RT teče istosmjerna struja, koja je uvijek u fazi s naponom. Srednja vrijednost napona na opterećenju približno je jednaka 45% napona sekundara transformatora.

USR = (US·√2) / π ≈ 0,45 · US

5

2.2.2. kapacitivno opterećenje

Zamijenimo omski otpor RT kapacitetom CT. Svaku drugu poluperiodu dioda propušta struju koja teče u kondenzator i nabija ga. Napon na kondenzatoru zbog toga poraste za neki iznos. Nakon određenog broja perioda napon na kondenzatoru dostigne najveću moguću vrijednost USMAX.

Nakon što napon poraste na maks. vrijednost, valovitost ispravljenog napona je nula. Dakle, kondenzator je element u ispravljaču kojim izvodimo glađenje ispravljenog napona. Najviši zaporni napon ventila ovdje je jednak URMAX = 2∙US∙√2, dakle dvaput veći od napona pri omskom opterećenju.

2.2.3. omsko-induktivno opterećenje

Prigušnica se suprotstavlja prolazu izmjenične struje jače što su promjene struje brže (veći napon samoindukcije). Zbog toga se prigušnica induktiviteta LT ponaša za izmjeničnu struju kao otpor reaktancije XL = ω∙LT = 2·π·f·LT.

Napon između točaka 1 i 2 sastoji se od istosmjerne komponente i viših sinusnih harmonika. Što je induktivitet veći, izmjenična komponenta struje je slabija, a njezina valovitost manja.

2.2.4. omsko-kapacitivno opterećenje

6

Diodom ispravljeni izmjenični napon US nabija kondenzator za vrijeme jednog dijela periode. Kroz preostalo trajanje periode kondenzator se izbija kroz otpornik, dakle, napon trošilu ne daje transformator s diodom, nego kondenzator koji se ponaša kao zamašnjak.

7

2.3. Energetski tranzistor

Tranzistor u polju izlaznih karakteristika ima tri radna područja: normalno aktivno područje, područje blokiranja i područje zasićenja. Energetski tranzistori rade u impulsnom režimu (kao sklopke) tj. iz blokiranja prelaze u zasićenje i obrnuto.

Bipolarni tranzistori primjenjuju se za radne frekvencije do 5kHz i snage do 400kW. Uz svaki tranzistor nužna je i tzv. zaštitna ili nul dioda koja ga štiti od prenapona u trenutku isključivanja zbog samoindukcije.

Kao elektroničke sklopke rabe se i unipolarni tranzistori tipa MOSFET koji imaju veću radnu frekvenciju (do 100kHz), ali za manje snage (do 10kW).

IGBT (insulated gate bipolar tranzistor) je hibridna vrsta tranzistora snage s nizom prednosti u odnosu na ostale aktivne komponente u energetskoj elektronici.Podaci za 1995.: snaga do 500kW, napon do 1700V, radna frekvencija do 10kHz.

8

2.4. Tiristori

vrata grč. thyraotpornik lat. (res)istor

Monokristal silicija ima četveroslojnu pnpn strukturu s tim da su vanjski slojevi jako, a unutarnji slabo dopirani.

statičke karakteristikeTiristor se može nalaziti u tri stabilna stanja: a) stanju zapiranja,

b) stanju vođenja, c) stanju blokiranja.

okidanje tiristoraIz stanja blokiranja u stanje vođenja prelazi kontrolirano dovođenjem pozitivnog

naponskog impulsa na upravljačku elektrodu (tzv. okidanje tiristora). Do nekontroliranog prijelaza može doći zbog prebrzog porasta napona između anode i katode.Iako se može “uključiti” pozitivnim naponskim impulsom na upravljačkoj elektrodi, ne može na isti način i isključiti. Prekidanje vođenja negativnim impulsom moguće je samo kod tzv. GTO tiristora (gate turn off).

9

dinamičke karakteristikeU osnovne dinamičke pojave spadaju:

a) efekt du/dt – smanjenje napona prekretanja uslijed brzine porasta napona između anode i katode,b) efekt di/dt – očituje se kao povećanje gubitaka za vrijeme isklapanja,

c) proces oporavljanja – proces zadobivanja sposobnosti blokiranja napona nakon vođenja.

deklariranje tiristoraOsnovne podatke o naponskoj i strujnoj opteretivosti glavnog i upravljačkog

kruga tiristora daju slijedeće veličine: vršni neperiodički zaporni i blokirni napon granična efektivna struja granična srednja struja udarna struja struja držanja struja prihvaćanja vrijeme oporavljanja kritična brzina porasta propusne struje kritična brzina porasta blokirnog napona karakteristike geita.

isklapanje tiristoraDa bi tiristor prestao voditi potrebno je struju između anode i katode smanjiti

ispod vrijednosti tzv. struje držanja (tj. na nulu ako razmatramo tzv. idealni tiristor), nakon čega tiristor mora određeno vrijeme biti u stanju zapiranja. To tzv. vrijeme oporavljanja (odmaranja) potrebno je da se odstrane slobodni nosioci naboja kako bi tiristor mogao ponovo preuzeti blokirni napon.

Isključenje pomoću upravljačke elektrode koristi se kod posebno građenih tiristora (GTO – gate turn off). Ova je metoda efikasna samo za tiristore malih snaga jer je za isključenje potreban negativni impuls relativno velike jakosti.

U izmjeničnim krugovima smanjenje struje postiže se prirodno prolazom struje kroz nulu.

Za isključenje u krugu istosmjerne struje inverznim naponom potrebno je u određenom trajanju na tiristor dovesti inverzni napon iz pomoćnog izvora.

Postoji nekoliko osnovnih načina isklapanja tiristora:a) isklapanje tiristora drugom sklopnom komponentom,b) isklapanje tiristora titrajnim krugom,c) isklapanje tiristora prethodno nabijenim kondenzatorom,d) isklapanje tiristora stranim (vanjskim) izvorom.

10

Ad a) isklapanje tiristora drugom sklopnom komponentom

Pomoću druge sklopne komponente (meh. kontakta, tranzistora, …) se prekine strujni krug tiristora ili se njome tiristor kratko spoji.

Ovaj način rijetko se koristi kod energetskih sklopova, ali se često primjenjuje kada se tiristori koriste kao memorijske komponente u upravljačkim i signalnim krugovima.

Ad b) isklapanje tiristora titrajnim krugom

Titrajni krug zatitra struju tiristora tako da pri prolazu struje titrajnog kruga kroz nulu tiristor prekine strujni krug.

Ad c) isklapanje tiristora prethodno nabijenim kondenzatorom

Ovo je u praksi najčešće korišteni način isklapanja kod napajanja pretvarača iz istosmjerne mreže. Pri tome se koriste u osnovi dva principa:

- kondenzator se uključuje slijedećim tiristorom u nizu (na slici),- kondenzator se uključuje pomoćnim tiristorom.

11

Ad c) isklapanje tiristora stranim (vanjskim) izvorom

Vanjski izvor se može priključiti bilo paralelno tiristoru (na slici), bilo paralelno trošilu. U oba slučaja on preuzima struju od tiristora koji vodi struju trošila.

Za praksu je značajniji način isklapanja prikazan na slici. Uz uvjet da je E2>E1 nakon okidanja tiristor T2 preuzima vođenje struje trošila od tiristora T1 (komutacija).

Ako treba na isti način isklopiti T2 napon E1 mora postati veći od E2 itd. U praksi se to lako realizira pomoću dva međusobno fazno pomaknuta naponska izvora.

12

Prethodni primjeri isklapanja opisani su uz pretpostavku da se struja trošila ne prekida (režim kontinuirane struje). Ako se struja trošila prekida (režim diskontinuirane struje) nastupa poseban slučaj isklapanja prema slici:

Tiristor može provesti samo za vrijeme pozitivne poluperiode jer se unutar nje nalazi u stanju blokiranja. Za vrijeme negativne poluperiode tiristor se nalazi u stanju zapiranja (vrijeme odmaranja). Dakle prirodna promjena smjera izmjenične struje dovodi do isklapanja tiristora s tim da u ovom slučaju ne dolazi i do komutacije tj. prelaska vođenja na drugu granu sklopa.

2.5. Ostale komponente uređaja energetske elektronike

Osim poluvodičkih ventila uređaji energetske elektronike sadrže i druge komponente: otpornike, kondenzatore, prigušnice, transformatori. osigurači, ...Te komponente nisu opterećene sinusnim ili čisto istosmjernim naponima i strujama zbog čega su i naprezanja bitno različita od naprezanja koja stvaraju sinusne struje i naponi.

Svaku komponentu karakteriziranjezin osnovni parametar koji je funkcija materijala i izvedbe (geometrije) komponente. Zbog njihove nesavršenosti osim osnovnog javljaju se i parazitni parametri koje treba svesti na podnošljivu veličinu za određenu primjenu.

13