Белешки за електрификација на транспортот во Град Скопје – енергетска електроника и управување | Кирил Минанов

Полупроводнички елементи

Тиристорите се прекинувачи и припаѓаат во групата полупроводнички уреди коишто се користат и за контрола на моќ. Со вклучување на тиристор во колото „тече“ струја. Со исклучување, струјата престанува да тече во колото. За да функционира како прекинувач, тиристорот нема потреба од подвижни делови.

Вариацијиите на фреквенцијата кај двигателите во влеча се движат од 15 до 120 [Hz]. Голем број тиристорски инвертори можат да работат паралелно, ако се контролираат од еден главен извор на фреквенција. За регенерација се користат инвертори во паралела.

Тиристор (SCR), Дијак, Тријак

Тиристор (SCR) е погоден за контрола на големи моќи, бидејќи е лесен, сигурен, дејствува моментално, се вклучува со мала моќност и нема механички проблеми бидејќи нема подвижни делови. Има и недостатоци. Кога е вклучен и спроведува струја, постои пад на напон. Изграден е од четири слоја полупроводнички елементи. Три од четрите слоја имаат сонди, од кои две се користат за вклучување на тиристорот, а две од нив се користат за да се спроведе струја.

Комутација е процес на исклучување на тиристорот, а комутационото коло содржи дополнителни компоненти за да се олесни исклучувањето. Исклучување, значи дека спроведувањето струја престанува и дека повторното вклучување позитивен напон на анодата нема да направи течење на струја без да има и сигнал на портата. Постојат три начини за исклучување на тиристор: Природна комутација при премин на наизменичната синусоидална струја во обратна насока, ревезибилен биас и исклучување на порта.

Дијак е тип на тиристор од три слоја со две сонди, имено, анода и катода, без гејт.

Тријак е тип на тиристор со којшто се управува струја во две насоки во исто време користејќи ја основната функција на тиристорите како прекинувач, во овој случај двонасочен. Тријакот може да контролира струен поток во двете насоки во колото, додека тиристорот контролира струја само во еден правец. Тријак е еквивалентен на 2 одделни тиристори поврзани во инверзна паралела. Тријакот има анода, катода и заеднички гејт за секој од двата тиристори врзани во антипаралела.

Всушност, тиристорот и варјациите на тиристори се логичка надградба на елементарниот блок во енергетската електроника и во електрониката воопшто, имено, диода или PN блок.

Tермичкo ограничување на тиристори

Постои локално загревање за време на вклучувањето поради брзина на пораст на струјата. Преносот на топлина мора да биде ефикасен ако силиконските плочки спроведуваат струја со одредена густина на квадратен сантиметар. Мора да постои заштита од транзиентни напони. Вклучувањето е едноставно, но исклучувањето може да биде комплицирано. И покрај недостатоците, локомотивите користат тиристори, а се произведуваат, се* поголеми тиристори со моќност од величина на мегавати.

Најважна карактеристика на моторот е брзината

Пред појавата на тиристорот, конвенционалните методи за прилагодување на брзината се правеле со логика на додавање отпорници или со користење на комплети од мотор-генератор, иако се користеле и многу други методи. Комутаторските мотори покажаа, во таа смисла, солидни резултати.

Системи со синхрони и асинхрони мотори се поекономски ако има повеќе мотори во каскада и ако се користат повратни информации на влезот што се решава со софтвер и контрола со сензори. Повеќе мотори на наизменична струја во каскади со паралелни инвертори се користат и кај дигалки, вентилатори, пумпи и текстилни постројки и користат или синхронизирано прилагодување на брзината или промена на брзина со манипулација на фреквенцијата.

Тиристори се користат за контрола на мотори со примена кај дупчалки, миксери, мешалки и климатизација, што може да се третира и како домашна но и како употреба во лесна индустриjа, па се* до тешка индустрија во системи во текстилни фабрики за мотање на котури со користење на стандардна системска фреквенција, потоа со моќи и до 5 [MW] со полупроводнички контролирана возбуда за турбоагрегатори како и кај инсталации и до 50 мегавати во челичарници.

Еднонасочните мотори беа популарни во минатото, иако имаат комутатор и иако се поробусни од наизменичните мотори за еквивалентни номинални параметри. Главната причина на употребата на еднонасочните мотори беше и е поради напонската контрола којашто овозможува широк опсег на брзини.

Тиристорската контрола и еднонасочниот напон се интересни затоа што се доаѓа до средна вредност на напонот, со оглед на брзите комутации во тиристорот, што овозможува работа со средни вредности. Промената на односот од вклучена до исклучена состојба, дава просечен напон на моторот. Фреквенцијата е брза, но моторот реагира само на средното напонско ниво, а не на индивидуалните импулси.

Четири методи за модулирање на средниот еднонасочен напон на терминалите на еднонасочен мотор се прикажани на сликата „VDC модулација“, каде еднонасочниот напон на приклучоците на моторот може да се промени ако напојувањето на моторот е со еднонасочна или наизменична струја со комутација со помош на тиристори. Тиристорот ефективно го вклучува и исклучува напојувањето на дискретен начин.

Првите два методи вклучуваат конверзија од наизменична струја во еднонасочна струја со исправувачки мост. Контролата на интегрален циклус бара тиристорот да го блокира протокот на струја во еден или повеќе полу-циклуси одеднаш. Ова е задоволително ако наизменичната струја работи со висока фреквенција. Инаку, моторот би осцилирал околу неговата средна брзина. Кај наизменична струја факторот на моќност е висок. Фазната контрола нуди контрола со многу помал фактор на моќност, а со поголем опсег на напони, овозможувајќи му на тиристорот да спроведува струја само за време на дел од циклусот; види слика, фазна контрола. Останатите два методи за прилагодување на напонот на терминалите на моторот кога еднонасочниот напон е фиксен се исти. Тиристорот се вклучува и исклучува брзо и го „сече“ напонот. Воз од импулси на излезот на тиристорот го „сече“ напонот на средна вредност којашто е помала од влезната.

Иако, се чини дека времето за коешто тиристорите спроведуваат струја во on state или времето за коешто тиристорските блокови се во off state, е константно, и двата може да се менуваат.

Со тиристори, најчесто се користи напојување од низменичен напон затоа што не постојат никакви проблеми за исклучување на тиристорите. Затоа, повеќето еднонасочни мотори работат со овој вид на контрола и напојување. Од друга страна, ако се користи напојување од горивни ќелии или батерии, се користи метод на „сецкање“ на напонот. За брзи прекинувања и брзи исклучувања се користат специјални тиристори. За исклучување на тиристорот кога се користи еднонасочен напон, се користат помошни кола. Соодветно на тоа се користи „сецкање“ на напон, познато како импулсна модулација со ширина на бран, pwm: Pulse Width Modulation) кое што е посложено по структура.

На сликата „VAC модулација – наизменична модулација“ се прикажни променлив наизменичен напон и променлива фреквенција од: фиксен напон, константна фреквенција или еднонасочно напојување. Како и во случајот со еднонасочен напон, на сликата е прикажана модулација на напонот со контрола на интегрален циклус или со контрола на фаза, познато како фазна контрола или контрола на аголот на палење на тиристорите.

Контролата на брзината на наизменични мотори со прилагодување на напонот на терминалите на статорот или роторот е ограничена на индукцијскиот мотор. Но, денес широко се користат низменични мотори со променлива брзина, коишто „се возат“ со фреквентни преобразувачи, коишто се третираат со тиристорска контрола на фреквенцијата, а не со тиристорска контрола на напонот. Каракатеристика на индукцијските и синхроните мотори е постојаната брзина, а инверторите овозможија „ослободување“ од таа граница и ширење на полето на можности, што не секогаш е добра работа. Индукциските и синхроните мотори немаат комутатор, така што немаат ограничувања како моторите на еднонасочна струја. Синхроните машини имаат предност пред индукцијскиот мотор со прилагодлива контрола на брзината, бидејќи работат на синхрона брзина, додека индукцијските мотори работат со брзина малку помала од синхроната и се зависни од оптоварувањето.

Фазната контрола на наизменичен влез може да обезбеди снабдување со помала фреквенција, иако е возможно добивање на повисоки фреквенции со присилна комутација.

Кога снабдувањето е од еднонасочен напон, напонот се менува чекор по чекор, така што струјата може наизменично да се менува во намотките на моторот. Прекинувањето на циклусот со фазна контрола создава дисконтинуитети, но овие ефекти можат да се минимизираат со реактивни елементи и со дизајнирање на специфична брановидност на струјата.

Доколку напојувањето е со наизменична струја, може да се обезбеди променлива фреквенција со посакувана зачестеност, прво со исправување, а пота со инвертирање на исправниот еднонасочен напон во наизменичен.

Исправувачки трансформатор се комбинира со диоди или тиристори за исправување. Може да биде вклучена и регулација на напон. Се користи каде што има значителни количини еднонасочна струја. Повеќето технологии се темелат на постоење на трафо во преобразувач со што би се намалиле несакани хармоници.

Преобразувач според тоа, зависи од извор на еднонасочен напон, од транзистори и други полупроводнички елементи со голема моќ коишто можат да „достават“ големи струи до навивки на мотори, како и од трафо.

Преобразувач е „мозок“ на електрично возило: Фреквенција на бран (компресија ала спирала) регулира брзина, а амплитуда на бран регулира излезна моќ. Во литература често се среќава и зборот ,,инвертер” којшто е транслитериран во македонскиот јазик. Исто така се користи и зборот ,,конвертор”, но сепак сето тоа се преобразувања на поток за потреби на соодветно коло. Според тоа: Преобразувач!

Фазната контрола, фазното сечење на напонот или „сецкањето“ напон или контрола на агол на палење е метод за контрола на моќ кај наизменичен напон којшто функционира на начин што прави модулација на уреди со контрола на „порта“ кај тиристори и транзистори со ефект на поле и други полупроводнички уреди, коишто се вклучуваат и исклучуваат од состојба на спроведување, со контрола на преддетерминирана фаза од бранов облик.

Хармоници се чистат со филтри, а тоа се придушници или кондензатори. Филтри служат и за подобрување на влезна моќност.

18 пулсен исправувач е супериорен во однос на 6 пулсен и 12 пулсен и прави значително намалување на хармоници, но е поскап.

Цена на инвертори коишто користат GTO, IGBT, IGCT е до 50% од цена на влечна единица. Па според тоа збирот од исправувачко трафо и полупроводнички елементи ги дава најскапите делови од набавка на влечни единици и гарнитури.

GTO gate turn off

Тријак спроведува во две насоки и е добар за наизменична струја, GTO е сличен на тријак со тоа што обезбедува уште подобра контрола при прекин на сигналот на порта. Тиристори се уреди контролирани од струја, мала струја на порта контролира голема струја на анода. Спроведуваат само во една насока, впрочем тиристор е верзија на диода, но наместо два слоја има четири полупроводнички слоја со две сонди.

Тријак е осетлив и на позитивен и на негативен сигнал којшто се управува од порта (gate).

Дијак нема тригер и е сличен на зенерова диода, но разлика со зенерова диода е во тоа што, за да работи мора да е над одреден потенцијал, односно напон, впрочем за да спроведува, дијак „колабира“ поле.

Тиристор е според тоа подобрување на диода. Целта на диода во принцип е да биде упориште на моќ – искачување на брдо или потенцијална „планина“ или потенцијална „јама“, којашто е „бариера“ којашто мора да се премости. Во момент кога коло коешто располага со напон поголем од бариера на диода, тогаш бран преминуваат блокада на енергетска зона од атоми коишто формираат блокада и спроведуваат големи струи.

Зенерова диода се смета за референтна позиција на напон, а по таа аналогија и друг тип на диода е референтен напон. Диода лимитира напон, доведува напон во „граници“, празни статички електрицитет или кондензатор во земја. Диода се користи во кола со радиофреквенции, за да преобрази радиофреквенции во аудиофреквенции, електромагнетен бран припремен за трансформирање во звук, според тоа, за радио; диода се занимава со „откривање“ и насочување.

Тиристор е линијски комутатор.

Тиристори контролирани со поле

Иако GTO доминираат во апликации со високи моќности со линијска комутација, нови типови на тиристори се во развој со напонска контрола на порта. Тиристор се управува со позитивен напон на порта, а се гаси со негативен напон. Се нарекуваат и тиристори со контрола на поле коешто прави аналогија и сличност со транзистори со ефект на поле, коишто се напонски контролирани.

ФЕТ

Транзистор со ефект на поле – фет, е специјален тип на транзистор којшто е соодветен за апликации за супербрзи и висок број на форсирани комутации. Главна предност им е што портата е контролирана од напон, а не од струја како кај тиристори. Се работи за напонски контролиран блок којшто има капацитет на фреквенции многу поголем од тиристор. Специјална конструкција на фет е позната како мосфет што доаѓа од, метал-оксид-силикон.

MOSFET има три терминали и тоа извор и одвод коишто формираат аналогија на влез на поток и излез на поток, како и порта со којашто се контролира блокот, а сето тоа соодветствува на емитер, колектор и порта кај npn-тип на транзистори, имајќи во предвид и pnp-тип на транзистори. МОС транзистори имаат две генерални поделби и тоа тип на мосфет со n-канал и тип на мосфет со p-канал, според градбата на полупроводнички уреди. Употреба кроз време покажа дека мосфет со n-канал е фундаментален блок.

Транзистор се пали и гаси кога синусоида минува низ 0.

Енергетски МОСФЕТ

Дизајнот на овој тип на транзистор е таков за да ,,издржи” големи моќи. Се користи само во ,,активна” или ,,исклучена” состојба, поради што се користи како нисконапонски прекинувач. Споредено со биполарен транзистор со изолирана порта, мосфет со голема моќ е во предност поради високите комутацијски брзини и поголемата ефикасност при ниски напони. Може да издржи блокада на висок напон, а во исто време да спроведува висока струја. Тоа е поради вертикалната градба и структура кај блокот, споредбено со планарна структура. Напонското ниво е во директна функција од допинг и дебелината на слој (n-слој), а струјното ниво е директно врзано со ширина на канал, имено, колку е поширок каналот за спроведување, повисоки се струите. Поради ефикасност, енергетски мосфет транзистор се користи кај напојување, еднонасочни/еднонасочни преобразувачи и управување на мотори со низок напон.

IGBT – биполарен транзистор со изолиран гејт

Има три терминали, порта, колектор, емитер и е комплетно контролиран прекинувач. Контролниот сигнал се вклучува помеѓу гејт и емитер, а прекинувачки терминали се на дрејн и емитер. Се работи за блок којшто е комбинација помеѓу едноставна карактеристика којашто ја има мосфет на порта како „гејт-драјв“ карактеристика, во комбинација со нисконапонска сатурација на биполарен транзистор.

Блокот е формиран така што користи изолирана порта од транзистор со ефект на поле како контрола на влез и биполарен транзистор со висока моќ како прекинувач.

IGBT е специјално дизајниран за да се вклучува и исклучува рапидно. Всушност, репетитивноста на пулсирање е во фреквентен ултрасоничен домен. Поради таквата специјалност, се користат за појачала за синтетизирање на комплексни брановидни форми со модулација на бран со ширина на пулс и филтри (low-pass / high-pass).

Бран со ниска фреквенција
Бран со висока фреквенција

Објаснувањата се контраинтуитивни. Филтер што „пропушта“ бранови со ниски фреквенции и блокира бранови сo високи фреквенции се нарекува филтер за нископропусни фреквенции – нискофреквентен, а во спротивен случај, филтер што „пропушта“ бранови со високи фреквенции и блокира бранови со ниски фреквенции се нарекува филтер за високопропусни фреквенции – високофреквентен.

Исто така, се користат и за репродукција од пулсирања со големи моќи во дисциплини како физика на плазма и физика на елементарни честички, но се етаблирани како незаобиколни кај апликации како електрични возила во широк опсег, електрични возови, фрижидери со променливи брзини на двигатели, клима и тн.

За да се ,,вози” MOSFET или IGBT, се вклучува напон на гејт релативен во однос на сорс-емитер во блокот.

Низок напон, ниска струја и брзи прекинувачки секвенци припаѓаат во домен на MOSFET.

Висок напон, висока струја и ниски прекинувачки пулсови се третираат во домен на IGBT.

Огромни напони и струи со мали фреквенции: Домен на GTO и Thyristor.

Во енергетска електроника, полупроводници функционираат во две насоки и се третираат како двонасочни, што значи дека работат во една од двете стабилни состојби и тоа:

• состојба на блокада, кога блок е исклучен при што напонот низ модул е „висок“, а струјата низ компоненти е „ниска“, кога поток протечува, но не тече, и
• состојба на спроведување кога блок е комплетно вклучен, при што напон е „низок“, а струење „високо“. Диоди и тиристори се двонасочни, но транзистори не се. Транзистори мора да се доведат до состојба за да се однесуваат како двонасочен блок, со поставување на работна точка.

Работна точка е подесување на коректна оперативна точка на работа на транзистор со помошни елементи како на пример отпорници, коишто се поставуваат на порта и коишто припремаат порта за поларизација којшто пак е од дополнително коло со коешто се гаси и пали енергетски прекинувач, пулсирање.

Транзистор како дискретен елемент (пред да се појават интегрирани кола, сите елементи во кола беа единечен блок, имено, дискретен елемент е конечен блок во коло, еден транзистор, една диоада, и тн, еден вид праисторијска електроника), мора да се третира до оперативна точка на работа, пред да се вклучи во работа, затоа што фабрички произведен, не може да работи без подесување на оперативната точка на работа за што треба да се чита препорака од репродуктор.

Резонантни системи – резонанца
Квадратни системи – квадратни бранови

Наизменични кола
Еднонасочни кола

Голем дел од товарите во електрични кола се збир од отпорници и индуктивитети, отпорник-индуктивни, што значи дека енергетски прекинувач мора да биде способен за спроведување двонасочна струја и мора да има можност да блокира позитивни и негативни напони.

Кај еднонасочни кола, кондензаторите имаат бесконечна импеданса и претставуваат отворено електрично коло. Кај наизменични резонантни кола со средни и високи фреквенции на влезен наизменичен сигнал, кондензатори со мала импеданса претставуваат куса врска. Голема вредност на капацитет опфаќа низок фреквенцијски опсег. Мала вредност на капацитет опфаќа висок фреквенцијски опсег.

Физички изглед на кондензатор е генерално третиран како голем против мал, што дава рамка за визуелна мисла.

Во наизменични кола напон на краеви на капацитет или индуктивитет е често поголем од влез, којшто вообичаено е 220 [V].

Имено, ако чуете дека се спомнува батерија од 100 [V], веројатно човекот што кажува е енергетичар. На тема 220: Тоа често се случува во наизменични кола. Напонот не се додава или одзема како во еднонасочни кола. Електроничар размислува за батерии од околу 1 [V], на пример.

За јазикот на физиката да биде разбирлив во овој дел потребен ни е јазикот на математика и пресметка на вектори.

Кондензатор се користи за да се заземји еднонасочна компонента којашто се вози со носач на сигнал (радиобранови), а во обратен случај изолира наизменичен сигнал (шум), од еднонасочна компонента, што користи кај напојувања.

Индуктивитет се противи на брзо менување на струја низ навивки, па затоа се нарекува и придушница и се третира како извор на константна струја. Електрони во индуктивитет мора да се движат за да акумулираат енергија.

Кондензатор се противи на брзо менување на напон, па се користи за „пеглање“ на напон и се третира како извор на константен напон. Електрони во кондензатор не мора да се движат за да акумулираат енергија. Кондензатор се користи за фино подесување на варијации на моќ, набива енергија затоа што е де-факто резервоар и е доста осетлив на нагли промени.

Реактивни елементи како индуктивитет и кондензатор чуваат и враќаат енергија во систем како силос или танкер, се полнат и празнат. Кондензатор „се однесува“ како „гравитација“, како тег којшто е закачен на плафон на пружина и е привлечен од сила, а индуктивитет „се однесува“ како маса со инерција, како клатно кај часовник на навивање или како метроном.

Кондензатор впива електрони како ,,црна дупка” и ги ,,пораѓа од нигде”, тоа се метафори за знакче минус и знакче плус кај електростатско поле, а индуктивитет го згуснува магнетното поле како ,,густа магла”, но само прави закривување на просторот со силови линии по коишто патуваат брановите но не ги ,,всисува” електроните, туку само ги упатува.

Соленоид или кондензатор

Калем е всушност проводник, жица којашто е намотана во форма на соленоид, спирала. Калем може да има една или повеќе намотки, може да има повеќе редови на намотки една над друга, може да биде намотан без јадро, а може се разбира да биде намотан и на железно или на феритно јадро. Ферит е мелена метална прашина залепена со смола за да биде тврда и се прави во форма на шипка или геврек како торус.

Карактеристика на калем е индуктивитeт и се мери во Хенри [H]. Бидејќи оваа единица е голема и се користи за електромагнети, во резонантни системи се користат помали единици:

• мили-хенри [mH] со 0.001 [H],
• микро-хенри [μH] со 0.000001 [H],
• наноо-хенри [nH] со 0.000000001 [H],
• пикоо-хенри [pH] со 0.000000000001 [H].

Калем со 4 намотки со радиус од 1 [sm] има околу 100 [nH]. Повеќе кругови на бакарна жица околу цилиндер, поголемо впивање на нискофреквентен опсег.

И права жица има индуктивитет, не мора да биде намотана во геврек, иако во торус индуктивитет е поголем, а габаритот на калем е помал. Како аналогија за индуктивитет може да ја земеме способноста на калемот да биде електромагнет кога поток бруи низводно и угореводно или, надолу по ток и нагоре по ток.

Карактеристики и употреба на калем како елемент. Има две класични употреби:

• како електромагнет, жица низ која тече струја формира електромагнет без оглед дали е намотана или не е намотана околу железно јадро со повеќе навивки,
• во осцилаторни кола како филтер.

Однесување на калем приклучен на еднонасочна струја

Ако соленоид се приклучи директно на еднонасочна струја претставува кратка врска или мал отпорник, а бидејќи жица на калем има мал отпор поради должината ќе настане проблем, ќе изгоре осигурувач или ќе се стопи дискретен елемент. Калем може да се врзе серијски и така приклучен може да служи како заштита од шум – пригушница.

Однесување на калем приклучен на неизменична струја

Калемот формира електромагнет откако ќе биде вклучен на напон на краевите, но треба малку време додека жицата да се магнетизира. Тоа време е поголемо доколку има повеќе намотки, што математички дава поголем индуктивитет. Ова значи дека поток нема веднаш, туку пополека струјата расте додека не достигне максимум. Ова од друга страна значи дека доколку ја поставиме намотката во коло со наизменична струја, елементот нема да се однесува како кратка врска, бидејќи нема време за доволно поток. Слично како и кај кондензаторот, се јавува привиден отпор којшто се нарекува импеданса, односно реактанса. Реактанса на калем зависи од индуктивитет и фрекфенција. Поголем индуктивитет или поголема фрекфенција дава поголема реактанса, а и помал поток на струја во калем.

Микрокалем или пригушница

Ова е калемче мотано со тенка жица со многу намотки коешто личи на отпорник и е обележано со бои. Има величина во микро-хенри и служи во коло за да блокира високофрекфентни струи; се работи за филтер којшто пропушта само ниски фрекфенции, а тоа е поради релативно голема индуктивност. Проблем е што жицата со којашто е намотан е толку мала што има значителен отпор при еднонасочна струја од неколку оми, што доведува до греење во коло, а често и до прекин.

Кондензатор и индуктивитет се однесуваат спротивно во однос на другиот како елементи во кола. Со висока фреквенција, повеќе поток се набива во кондензатор, а зголемена фреквенција прави струја да се придуши, да се намали низ индукт. Индуктивитет е реактанса. Поток од наизменична струја со ниска фреквенција тече низ индукт, но низ кондензатор сосем малку.

Индуктивитет и кондензатор коишто создаваат осцилаторно коло коешто овозможува реакција кај два елементи да биде еквивлентно еднаква се нарекува резонантна фреквенција.

Секој објект има фундаментална резонанца, тоа е фреквенција при која се појавува неприродна вибрација којашто има аплитуда којашто е поголема од амплитудата при билокоја друга вибрација при друга фреквенција којашто би ја имал истиот објект. Ако имаме електрон со големина на топка којшто е закачен вертикално со спирала за плафон и ако го удриме електронот од лево или од десно, од долу или околу странично, без оглед на аголот и енергијата што ќе ја внесеме во системот, електронот порано или подоцна ќе се подеси ,,самостојно” во сопствената резонантна ,,позиција” и ќе вибрира во системот со пружина, нагоре и надолу со амплитудна величина.

Секој објект има една и единствена резонантна фреквенција, на пример кај лулашка во парк за забава за мали и големи деца, лулањето на системот има една резонантна фреквенција во која амплитудата на системот, синџири и седиште, заедно со железната конструкција во форма на голема буква А, споени со бетонски фундамент, долу, а горе, во спој со вратило, како и лизгачки прстени за лизгање на лулашка со синџири и седло и тн., формираат систем на резонанца со амплитуден максимум при лулање, којшто доколку се наруши, лулањето драматично се пореметува, иако максимална амплитуда е одлична за големи деца кога си играат скок во далечина.

Кола со коишто се овозможува бранување во етер и пренос на податоци на големи далечини, функционираат со осцилаторни кола; кола коишто формираат осцилации – резонантни системи. Резонантни кола се кола коишто пропуштаат едни фреквенции, а ги блокираат сите останати фреквенции. Резонантно коло со соодветна осцилација на осцилаторно коло коешто трансмитира електромагнетен бран, мора да биде ,,примено” од приемник со осцилаторно коло коешто ќе демодулира и интерпретира осцилација, и во таа смисла коло на трансмитер е ,,симетрично” на коло на приемник со логика во обратна насока. Всушност, се работи за брановиден и по малку ист, но крив правец.

Трансмитер има потреба од осцилаторно коло за да репродуцира носач на бран, а според принципот на симетрија, применик има потреба од осцилаторно коло за да третира носач на бран.

Симетријата е сеприсутна. Во кола со трансмитери и приемници, типична симетрична логика владеат парот микрофон и звучник, коишто трансформираат електромагнетен бран во механички бран којшто репродуцира аудио бранови и обратно, звук трансформиран во механички бран репродуцира индукција и сигнал.

ЧОПЕР
Подем на амплитуда
Пад на амплитуда   

Пад на амплитуда кај еднонасочно-еднонасочен преобразувач

Амплитудата на излез е помала од амплитудата на влез. Индуктор и кондензатор на излезе се составен дел на топологијата. Влезната струја се вози дисконтинуирано поради прекинувачките секвенци на полупровидничките компоненти, како транзистори, коишто се во серија со влезот. Кога струјата на влез функционира во дисконтинуитети, секогаш се инсталира кондензатор на влезот како компензација за линијската индуктанса, кондензаторот исто така регулира и компоненти од струјата со повисоки фреквеции. Влезен кондензатор во оваа топологија нема, и не би била потребна, ако не постои линијска индуктанса, што во тракција не е можно да не постои, а на сликата тука не е покажан. Преобразувачот се димензионира според: димензијата на реактивните компоненти, потоа, фиксна или варијабилна фреквенција како метод на контрола и конечно, оперативен опсег на фреквенции. Според димензионирањето се ценат и влезните компоненти на струјата на квадрат, според тоа и влезниот кондензатор, величината на „откинување“ на излезната брановидност на напонот, динамички величини на промени на влезните напони во случај на затворен систем (closed loop system), без линијски бранувања и компоненти. 

Подем на амплитуда кај еднонасочно-еднонасочен преобразувач

Амплитудата на напон на излез е поголема од амплитудата на влезот. Индуктор на влез и кондензатор на излез се дел од топологијата. Индукторот е во серија со влезот, според тоа, струјата е континуирана во процесот. Излезната струја, од друга страна е дисконтинуирана и тука повторно ни е потребен кондензатор, поради „кинење“ на бранот со струјни пикови при гасење на прекинувачот, практично, „пукање“ кон излезот, според тоа, кондензаторот „држи“, напон, струја, дава контрола и во временски домен, (hold up time). Перформансот на чоперот со подем на амплитуда на излез, зависи од димензионирањето и на реактивните елементи, од контролниот метод за фреквенцијата, имено, фиксен или варијабилен како и од оперативниот опсег на фреквенциите. Од елементите може да се пресмета струјата на квадрат на влез, „откачување“ на брановидноста на напонот, динамичка контрола при разни товари или промени на влезните напони. Топологијата се користи за корекции на факторот на моќ. При мали моќности, чоперот може да се вози дисконтинуирано поради економски причини, а при големи моќи, потребна е континуирана моќ. 

Двоквадратен преобразувач  

Струјата од товарот се движи во две насоки, наизменична струја, поради индуктивните компоненти и индуктанси, кај мотори и тн., што е тектонска точка за инженерска мисла. Штом има навивки, има индуктанса, односно, напонска реакција од ток на струја, во обратна насока од насоката на индуцирана електромоторна сила.   

Физика на реакција: Кога струен поток тече низ индуктор (калем), се генерира магнетно поле, а магнетното поле поради тоа што се проектира надвор од бакарните навивки, „ги сече“ другите навивки во моторот или типично, кај линијски водови, со што се индуцира напон, што како ефект ја ограничува струјата. Ако струјата нагло порасне, се генерира електромоторна сила којашто има спротивна насока од струјниот поток, во насока во којашто се намалува струјата, со што се лимитира раст на струјата; електромоторната сила е сила на реакција, реактивна компонента. Спротивно, ако струјниот ток се намалува, електромоторната сила, напонот, се репродуцира во насока во којашто струјата расте. Правец и насока се различни просторни вектори. Пред струјата да го „надмине“ индуцираниот напон којшто се обидува да ја блокира струјата, насоката на струјата ја менува насоката за да нема ток на струја во којашто напонот не дозволува ток.

Забелешка: Електромоторна сила не е напон, електромоторна сила не е исто што и напон. Кога ја формулирам визуелно логиката во текстот со наизменичко комбинирање на зборовите ,,напон” и ,,електромоторна сила”, тоа не значи дека тоа се синоними, ниту дека се работи за ист феномен со два различни називи. Математичката логика во електротехника понекогаш е проблематична. Електромоторната сила е сила којашто се појавува како феномен кога имаме густо покирање на полнеж од електрони, имено, колекција од електрони создаваат напон, но кога електроните се пакирани и набиени едни до други се случува феномен на формирање на електромоторна сила. Напон е разлика во потенцијал меѓу две точки, струја е ток на електрони, а електромоторна сила се појавува под дејство на снажна компресија на електрони, на пример кај пермманентни магнети може да се почувствува и види феноменот на привлекување и оддалечување, при што блискост на магнети со ист знак силно резултира со одбивање, тоа е силата, а магнети со обратна поларност се привлекуваат. Кај МАГНЕТ, силата на привлекување и одбивање и флукс како магнетни силови линии се јавуваат како феномени поради спинот на електронот во атомското јадро.

Да повториме, најголем дел од товарите во електроенергетските системи се отпор-индуктивни, но разбирањето на индуктансата како феномен е побитно од простото разбирање на отпорот при еднонасочни компоненти на струи и напони.

Како во случајот на чопер со пад на амплитуда на излез, влезната струја е во дисконтинуитети, поради што е потребен кондензатор за да ја компензира линијската индуктанса и да ги третира вишите хармоници на влезната струја, коишто се јавуваат при вклучување и исклучување на прекинувачките секвенци. Топологијата на сликата се користи кај акумулутари коишто обезбедуваат континуирана моќ, за да се генерира излезна синусоидална бранова форма. Има потреба од позитивен и негативен напон во однос на неутрална точка, поради што е со лимитиран опсег на употреба, а тоа се решава со целобранов насочувач.

Целобранов насочувач
Квадратни или синусни бранови 

Топологијата е една од двете битни работи за разбирање на феномените со мостните конфигурации. Според тоа, не е битна само топологијата, туку и стратегиите за управување на брановите. Мостната конфигурација со којашто се генерира едноставен квадратен бран, може да се искористи и за репродукција на синусен бран со контролна техника и импулсна модулација со специфичина ширина на брановиот облик од страна на прекинувачите. Излезен квадратен бран ретко се користи, во општ случај, или најчесто се користи исправен, испеглан и филтриран бранов облик за да се добие еднонасочна компонента. Но, нас не интересираат, како еднонасочни пеглања, но и синусните излези од мостни конфигурации, според тоа и контролните стратегии за управување во таа смисла.

Топологијата со којашто ги објаснуваме феномените, може да се користи на безброј начини со тоа што може да се комбинираат техниките во зависност од апликацијата. 

Управување на еднонасочен мотор
Четириквадратен преобразувач 

Да разгледаме две стратегии со модулации, каде што првиот метод ќе овозможи подобри серво перформанси, а вториот метод ќе обезбеди мало „корнење“ и „откачување“ на струите во моторот за исти оперативни фреквенции, имено, со менување на насолките напред и назад и дисторзирање како „кинење“. Мостна конфигурација во H-мост кирилично на буквата н, се користи за контрола и управување на еднонасочен мотор. Таканаречена уште и четириквадратна топологија, поради тоа што струјата тече во две насоки, во исто време и напонот може да ја менува насоката во две насоки на терминалите на моторот. Перформансите како и во претходните случаи, зависи од модулацијската стратегија.

Пример 1. На сликата имаме два транзистори во секоја од полумостните кнфигурации, коишто се возат во антифаза со импулсната модулација со квадратни бранови. Прекинувачите, П1 и П4 се вклучуваат на портата во исто време, додека прекинувачот П2 и П3 се затоплуваат, со потсетување дека се вклучени другите два. Во моментот кога работниот циклус е на 50% од циклусот, средниот напон низ моторот е нула. Како што се зголемува работнот циклус во една или во друга насока, моторот повторно го мериме со средни вредности на напоните, коишто се мерат на терминалите, коишто се или позитивни или негативни, во зависност од работниот циклус.

Два прекинувачи се секогаш вклучени, на портата имаат позитивен сигнал, и имаат предетерминиран напон којшто се подесува на контролната табла на преобразувачот. Промената на насоката е природна карактеристика, како што е промената на работниот циклус. Струјата може да тече во две насоки и моторот може да биде во режим на мотор или во режим на генератор, сепак регенерацијата во принцип е поврзана со тип на мотор.

Регенерација кај еднонасочни серијски мотори

Кај еднонасочен серијски мотор не е можна регенерација поради тоа што поголемата брзина на роторот ја редуцира струјата, полето слабее, според тоа, електромоторната сила е помала од напонот од серијата на навивки којшто се носи на арматурата. Кај тракција по шини и спуштање на воз надолу, при пролизгување на тркалата, при роторска работа без товар и со намалување на напонот на статорските навивки за да може да се овозможи регенерација, со што се намалува можноста електромоторната сила во роторот да биде голема како кога нема лизгање во класичен режим на еднонасочен серијски мотор, при пролизгување според тоа, надолу, е можно и во серијска варијанта на мотор да се случи регенерација, но, сепак овој случај е екстремен и не е редовна пракса. Да ремизираме, возот мора да оди надолу, мора да се намали напонот на статорските навивки, арматура, со тоа што роторот ќе работи во режим без товар и тркалата ќе пролизгуваат, со што роторот ќе врти побрзо од вообичаено во режим на мотор, со што, е можна регенерација. Во првиот циклус, транзисторските струи носат моќ во моторот, а во вториот циклус, моќта се враќа во изворот, ако брзината на роторот е поголема од брзината на моторот кога работи самостојно, во спротивно се работи исто така за режим на мотор, но во насока назад.

Пример 2. Контролниот метод на следната слика користи два пара прекинувачи, при што, долниот пар ја одредува насоката на моторот, П4 на пример, додека горните прекинувачи функционираат со импулсна модулација за регулација на брзината. Методот е сличен како со двостепената регулација со IGBT, на претходно обработена резонантна тополигија. Може да се примети дека само два прекинувачи се контролирани на портата за вклучување и исклучување, а другите два немаат напон на портата, напонот на портата е нула. Насоката на струјата го одредува напонот на моторот и тоа понекогаш не е во согласност со тоа што го има на командниот панел. Промента на струите или напоните, од еден пар на транзистори на друг, е проблем за инженеринг, поради парадоксалноста на логиката со комутацијата на струите, а со тоа и насоките на напоните.

Tопологија за возење трифазни мотори

Топологијата на следната слика е најчесто користена топологија за возење на трифазни мотори со лепеза на модулацијски стратегии. Најчести мотори во овој дел се трифазни мотори или со перммагнети или индукцијски. Исти мотори можат да се возат со различни модулацијски стратегии, имено, за ист мотор, можат да бидат користени стратегии со коишто се овозможува перформанс на моторот при скалабилно оштетување на полупроводниците, а други стратегии ги штедат полупроводниците, но го оштетуваат моторот, според тоа, потребен е баланс, иако разни апликации имаат свои потреби. Цената кај полупроводниците при тракцијски апликации е и до половина од целата влечна единица, па тоа е битен фактор за одлуки.

Резонантни кола кај насочувачи во мостна конфигурација

Лимитите на транзисторите со ефект на поле коишто работат и во мод на диода при специфични спроведувања, како и редукцијата на загубите при прекинувачките секвенци кај igbt, како и генерално загубите со сите полупроводнички елементи, се надминуваат со некаква форма на резонанца. Редукцијата на прекинувањата со резонанца е „мека“ операција, спротивно на „тврдите“ операции со вклучувања и исклучувања коишто се стандард кај преобразувачите коишто до сега ги третиравме со најчесто употребуваните топологии.

Биполарен транзистор со изолиран гејт (igbt), има подобри карактеристики на спроведување од транзистор со ефект на поле (mosfet), но лоши прекинувачки карактеристики.

Трифазен исправувач
Трансформатор

Трифазен исправувач во Грецов мост е најраспространетото решение за репродукција на еднонасочен напон од трите симетрични синусоидални напони на индустриската мрежа со системска фреквенција.

6 пулсен целобранов насочувач во мост

Мостот се состои од шест идеални полупроводнички елементи, диоди од силициум, наредени во три гранки и групирани во две независни прекинувачки единици.

Со оглед на високите напони и струи, секоја диода може да биде составена од голем број поврзани модули во серијска врска за да се подели напонот и да се дистрибуира струјата во паралела. Присуството на повеќе диоди по гранка, овозможува редунданса, така што исправувачот, ако е соодветно димензиониран, може да продолжи да функционира дури и во случај на дефект во една диода.

Прекинувачка група е група на диоди коишто се вклучуваат и исклучуваат последователно. Групата на диоди со заедничка катода е составена од D1, D3 и D5, а спроводува диодата со највисок потенцијал од страната на анода. Од друга страна, во групата на диоди поврзани со заедничка анода од D4, D6 и D2, спроведува диодата со најнизок потенцијал на катода.

Трифазните струи апсорбирани од Грецовиот мост не се синусоидални, туку квадратни бранови, фазно поместени за 120 °.

Димензионирање на трафо

Со оглед на обликот на бранот на линијските струи, во квадрати, трансформаторот којшто го напојува насочувачкиот мост мора да биде димензиониран да може да обезбеди поголема активна моќ отколку што би била потребна ако брановидниот облик на струите е синусоидален. Димензионирањето да обезбеди до 5% поголема величина во фаза на планирање.

12 пулсен целобранов исправувач во мостна конфигурација

Се работи за поврзување во серија на два трифазни моста напојувани од два секундари на трансформатор со три намотки.

Првиот мост којшто има излезен напон vd1 се напојува од секундарот врзан во ѕвезда, додека вториот мост којшто дава излезен напон vd2 е врзан во делта на секундарните намотки на трансформаторот. Напоните на навивките на вториот секундар се со фазно поместување од 30° во однос на напоните на навивките на првиот секундар. Следствено на тоа излезните напони од двата исправувачки моста ќе бидат надвор од фаза.

Сериското поврзување кај 12 пулсниот исправувач во мостна конфигурација може да се постави и во паралела, со тоашто тогаш струите коишто циркулираат се поголеми и се премостуваат со шант – електричен проводник којшто се приклучува во две точки на коло преку којшто се пренасочува струја.  

18 пулсен насочувач во мостна конфигурација

Постои, исто како и 24 или 48 пулсен насочувач, но ефектот од инвестицијата и истражувањата се исклучуваат.

Хармоници

Хармониците кај пегланиот напон на 6 пулсниот исправувач можат да се третираат со Фуриева анализа, а 12 пулсниот исправувач може да ја генерализира анализата од 6 пулсниот исправувач. Сепак, Фуриева анализа не е предмет на овој документ.

Неконтролирано управување
Контролирано управување

Колата со исправувачи коишто досега ги прикажавме се неконтролирани полупроводнички елементи прикажани како модели составени од едноставни силициумски диоди.

Но, во пракса, се користат контролирани полупроводнички уреди, тиристори, управувани со инјектирање на струја во еден од терминалите на тиристорот познат како порта; фазна контрола.

На овој начин е можно да се прилагоди излезниот напон на исправувачот со контрола на фазниот агол α на контролната струја којаштo се инјектира во портата, во однос на напојувачкиот напон.

Трифазен тиристорски исправувач поврзан во ѕвезда, група од три прекинувачи во полубранова конфигурација.

Во времето t1, со неконтролирани диоди, би се случило префрлување со транзиција од T5 во T1. Сепак, со воведување тиристори, интервалот на прекинување во T1 се одложува до времето t2, притоа принудувајќи одложено палење по агол α. Според тоа, Т5 останува да спроведува и во текот на временскиот интервал помеѓу t1 и t2, со што се модифицира формата на бранот и просечна вредност на Vd. И квадратниот бран на струјата id ќе биде фазно одложен токму од фазниот агол α.

Во однос на опсегот на варијација на фазниот агол α, мора да се земе во предвид дека за да се случи префрлување од T5 кон T1, потребно е напонот низ T1 да е поголем од напонот во T5.

v1 > v3

Тоа е можно до агол од ωt = 210 °, од што следи дека теортескиот варијациски опсег на α е

0 ° < α < 180 °

Овој феномен го ограничува максималниот фазен агол до вредност од околу 155 °.

До сега, прекинувачите и префрлувањето во тиристорите и диодите ги третиравме како моментални. Во стварноста, потребен е одреден временски интервал да се трансферира струјата на палење помеѓу два последователни полупроводнички елементи во прекинувачка група. Поради времето на исклучување на тиристорите, неопходно е да се почека одредено време tq пред повторно да се аплицира позитивен напон на тиристор којшто се исклучува, инаку ова ќе го вклучи повторно.

Преобразувачи со форсирано прекнување

Целта е да се идентификуваат апликации во системите за влеча на еднонасочна струја за искористување на енергијата поврзана со регенеративното сопирање и враќање на енергија во AC мрежа. За преобразување се користат тиристори, power n-MOSFET, IGBT и тн.

thyristor vs mosfet vs igbt

Еднофазен целобранов преобразувач
Трифазен целобранов преобразувач

Импулсна модулација со бран со специфична ширина е најчесто употребувана синусоидална контролна техника во енергетската електроника. Првенствено се користи за прилагодување на излезната амплитуда и фреквенцијата на инвертори за да се добие приближно синусоидална бранова должина, во исто време одржувајќи ниска хармонична содржина.

За да се постигне модулација, следните два напонски контролирани бранови се задолжителни:

• Триаголен бран vt наречен носач, со амплитуда Vt и фреквенција на прекинување fs,
• Синусен бран vc наречен модулациски сигнал, со амплитуда Vc и фреквенција fc.

Инвертори како исправувачи

Да. Клучна карактеристика на преобразувачи со присилна комутација во целобранова мостна конфигурација е тоа што тие можат да го променат своето работење од инвертор во исправувач со модулација со ширина на бран.

Најчестите техники за контрола на трифазни ШИМ исправувачи се:
• напонска контрола (VOC)
• контрола на флукс (VFOC)
• контрола на моќ (DPC)

Наизменичната струја на влез ќе биде синусоидална што ќе доведе до значајно намалување на хармоничната содржина на еднонасочна компонента. Овој тип на исправувач, имено инвертер како исправувач, бара комплексни системи за контрола, за да се прилагоди на излезниот напон и вклучување поголеми загуби на енергија поради голем број форсирани комутации.

…

кон 15 дел – електромагнетни бранови
кон 14 дел – енергетска електроника
кон 13 дел – електрична влеча – локомотиви
кон 12 дел – контрола и управување на микромотори
кон 11 дел – топологии на напојувања и подстаници
кон 10 дел – формули
кон деветтиот дел – ЛРТ мастер план
кон осмиот дел – инженерски антиупатства
кон седмиот дел – тракција и формирање трака
кон шестиот дел – култура X
кон петиот дел – возила и безбедност
кон четвриот дел – пантограф и троли
кон третиот дел – траси
кон вториот дел – шински систем
кон првиот дел – мотори
кон зеро – историја на макжелезници