4. Hlajenje ventlov 4 HLAJENJE VENILOV Med obratovanjem nastanejo na polprevodnškh ventlh zgube v oblk toplote. Ker se ta toplota sprošča v slcjev tabletk, k ma zelo majhen volumen n debelno le nekaj desetnk mlmetra, se temperatura tabletke lahko zelo htre dvgne na nedopustno velke vrednost, če ne uspemo učnkovto odvajat te toplote prek hladlnh teles na okolco. Celotne zgube na ventlh so sestavljene z: prevodnh zgub zapornh n blokrnh preklopnh krmlnh. emperatura zapornh plast v polprevodnškh ventlh ne sme med obratovanjem trajno prekoračt nekaj zgornjh mej, ker se scer najprej poslabšajo blokrna napetost, krtčna strmna (du /dt) krt n sprosttven čas t q. Ponavad znaša ta zgornja dovoljena obratovalna temperatura pr trstorjh 5 o C, pr slcjevh dodah o C n pr močnostnh tranzstorjh o C. Seveda teh maksmalno dovoljenh temperatur ne moremo v normalnem obratovanju povsem zkorstt, ker moramo računat z neko rezervo, če b pršlo med obratovanjem do občasnh preobrementev. Med obratovanjem lahko tok zarad motenj kratkotrajno porastejo čez nazvno vrednost n lahko temperaturo zapornh plast prehodno nekolko povečajo čez prej navedene vrednost, ne da b se zato karakterstke ventlov bstveno poslabšale. Pr večjh kratkotrajnh temperaturnh porasth (npr. pr trstorjh med n 4 o C) pa že nastopjo trajne okvare oz. unčenja. Za polprevodnške ventle podajajo prozvajalc tud najnžje dovoljene obratovalne temperature. Na prmer pr trstorjh je to med o C n 65 o C, ker nastopjo tedaj potrebe po zelo velkem krmlnem toku. Projektant mora problemu hlajenja ventlov posvett velko pozornost, ker je to pogoj za dobro zkorščenost ventlov n za zanesljvo obratovanje. 65
4. Hlajenje ventlov 4. Elektrčne zgube Izgubno elektrčno moč p na ventlu podaja produkt trenutne napetost u A n trenutnega toka A v ventlu: p(t) = u A. A Pr perodčnem obratovanju je srednja zgubna moč P: P = p( t) dt = u dt A A pr čemer je čas ene perode. Z ntegracjo po času lahko nato zračunamo zgubno energjo W, k se sprošča kot toplota v ventlu. Izgube prevajanja p nastopajo, ko ventl prevaja elektrčn tok. Če upoštevamo u/karakterstko slcjeve dode n trstorja, je napetost (oz. napetostn padec) na prevajajočem ventlu: u = U (O) + r. Sled povprečna zgubna moč zarad prevajanja P : P = ( U( ) r ) dt U( ) dt r + = + dt = U ( ) I AV + r I Aef Vdmo, da so zgube prevajanja odvsne tako od artmetčne srednje vrednost ventlskega toka I AV, kakor tud od njegove efektvne vrednost I Aef. o pa pomen, da moramo pr računanju dovoljenh mejnh ventlskh tokov vedno upoštevat oblko perodčnega ventlskega toka! Pr ventlh, k obratujejo z nzkm frekvenacm do 5/6 Hz, prspevajo k celotnm ventlskm zgubam v glavnem le zgube prevajanja p. Izgube zapranja p R nastopjo na ventlu, ko le-ta ne prevaja (ko je nverzno polarzran) n ko teče le zelo majhen nverzn tok R. Izgubna moč: p R = u R. R je zelo majhna n je v skupn blanc ponavad zanemarljva. Podobno so zgube blokranja p D, k nastopjo na trstorju, ko le-ta blokra napetost u D n teče pr tem le zelo majhen blokrn tok D (glej sl. 3.). ud ta zgubna moč: 66
4. Hlajenje ventlov p D = u D. D je zelo majhna n v skupn blanc zanemarljva. Ko prehajajo ventl z zapornega (oz. blokrnega pr trstorju) v prevodno stanje n narobe, nastopajo na njh t.. dnamčne al preklopne zgube. V prehodnh pojavh so lahko zgubne moč p zelo velke, saj znašajo npr. pr prehodu trstorja z blokrnega v prevodno stanje v tokokrogh s standardnm komutacjskm nduktvnostm nekaj kw. Ker pa so prehod (preklop) htr n trajajo le nekaj µs, je sproščena zgubna elektrčna oz. toplotna energja pravloma zelo majhna n jo lahko zato v skupn blanc zanemarmo. Vendar le tako dolgo, dokler obratujejo ventl perodčno s preklopnm frekvencam do 5/6 Hz. Pr všjh preklopnh frekvencah nekaj Hz al celo nekaj khz pa se preklopne zgube seštevajo n v skupn energetsk zgubn blanc celo prevladujejo! ako lahko pr slcjevh dodah n trstorjh, k obratujejo s preklopnm frekvencam nad khz, n pr močnostnh tranzstorjh, k obratujejo s preklopnm frekvencam več khz do khz, vse ostale zgube v prmerjav s preklopnm zanemarmo. Razumljvo je, da smemo zato ventle, k obratujejo z velkm delovnm frekvencam, tokovno precej manj obrement. Pr krmljenh ventlh nastopajo dodatno še krmlne zgube p G. Pr trstorjh povzroč krmln tok G trenutno krmlno zgubno moč: p G = u G. G Srednjo krmlno moč P G lahko zračunamo z krmlne karakterstke trstorja n z oblke krmlnega tokovnega mpulza. Pr pravlno zvedenh proženjh je ta zgubna moč zanemarljvo majhna, razen kadar obratujemo z zelo vsokm frekvencam. 4. ermčno nadomestno vezje Zarad elektrčnh zgub prhaja do segrevanja ventlov. Da temperatura slcjeve tabletke ne prekorač dopustne vrednost, moramo poskrbet za dobro odvajanje zgubne toplote z tabletke na okolco, t.j. za njeno hlajenje. Zato nameščamo ventle na ustrezna hladlna telesa, k naj omogočjo čm boljše odvajanje toplote na okolco (največkrat je to kar okolšk zrak). Čm boljše je odvajanje oz. hlajenje, tem bolj lahko ventl tokovno obremenmo, ne da b presegl dopustno temperaturo tabletke. Natančen toplotn zračun n možen. Za poenostavljeno računanje pa s lahko pomagamo s termčnm nadomestnm vezjem, k ga kaže npr. sl. 4.. Posameznm delom dodelmo temperature ϑ S, ϑ, ϑ H n ϑ O. Izgubna moč P prehaja z tabletke na okolco prek termčnh upornost med posameznm del: R S, R H n R HO. S tem poenostavljenm nadomestnm vezjem lahko računamo podobno kot z elektrčnm vezjem, le da nastopajo namesto elektrčnh 67
4. Hlajenje ventlov napetost sedaj temperaturne razlke, namesto elektrčnega toka zgubna moč P n namesto elektrčnh upornost termčne upornost. S sl. 4. lahko ob upoštevanju trajnega (staconarnega) obratovanja s konstantno zgubno močjo P v tabletk, k se pretaka na okolco, napšemo enačbo ustrezno ohmovemu zakonu: ϑ S = P. (R S + R H + R HO ). ϑ O ϑ S je srednja temperatura tabletke; temperaturna razlka ϑ S -ϑ O (ustreza elektrčn napetost!) povzroča pretok moč P čez termčne upornost. V enačb so poznane: zgubna moč P, temperatura ϑ O okolškega hladlnega medja (npr. zraka), toplotna upornost R S (podajajo jo prozvajalc ventla) ter toplotna upornost R H +R HO, k upošteva toplotno prehodnost med telesom ventla, hladlnm telesom n okolškm hladlnm medjem. Izračunana temperatura tabletke ϑ S mora bt nžja od dopustne vrednost. Da dosežemo čm manjše vrednost za R H, moramo napravt čm boljš termčn stk med telesom ventla n med hladlnm telesom: stčn ploskv morata bt velk, ravn n tesn, pomagamo pa s lahko še s posebnm toplotno prevodnm pastam (masam) td. Vrednost R HO je odvsna od velkost n zvedbe hladlnega telesa ter od načna hlajenja (naravno-pospešeno, zračno-tekočnsko). Iz nadomestne sheme na sl. 4. lahko zračunamo tud vmesn temperatur ϑ H n ϑ. Če zgubna moč P v tabletk n konstantna, (npr. pr spremenljvh tokh) so tud vse temperature, razen ϑ O, podvržene spremembam. P ϑ S R S ϑ R H ϑ H R HO ϑ O Slka 4.: Polprevodnšk ventl s hladlnm telesom za zračno hlajenje ter termčna nadomestna shema za staconarne razmere: ϑ S -temperatura slcjeve tabletke, ϑ -temperatura telesa ventla, ϑ H -temperatura hladlnega telesa, ϑ O temperatura okolškega zraka, R S -termčna upornost med tabletko n telesom ventla, R H -termčna upornost med telesom ventla n hladlnm telesom, R HO -termčna upornost med hladlnm telesom n okolco 68
4. Hlajenje ventlov Notranja toplotna upornost Zunanja toplotna upornost Izgubna moč P R S R H R HO ϑ S ϑ ϑ H ϑ O Slka 4.: Poenostavljeno nadomestno termčno vezje trstorja s hladlnm telesom za staconarno obratovanje P R S R H R HO ϑ S ϑ ϑ H ϑ O Slka 4.3: ermčno nadomestno vezje nekega trstorja s hladlnm telesom za mpulzno obratovanje Nadomestno termčno vezje na sl.4. ne upošteva toplotnh kapactet posameznh delov. Zato to vezje n prmerno za zračun, če obratuje ventl nestaconarno al pulzno (preknjevalno). V tem prmeru lahko uporabmo nadomestno vezje na sl. 4.3. V njem so dodatno upoštevane toplotne kapactete posameznh delov (s toplotnm kapactvnostm). Vsak nastal RC-člen ma svojo termčno časovno konstanto: τ = R C n n n Iz te verge RC-členov zhaja t.. transentna toplotna upornost Z tr : Z tr n = m = n= Rn e t τ n a upornost je lahko podana grafčno v odvsnost od časa (sl.4.4). Z njeno pomočjo lahko zračunamo temperaturo tabletke ϑ S pr razlčnh časovnh potekh zgubne moč p(t). Sl. 4.5 kaže takšen potek za dva razlčna poteka mpulzov p(t). 69
4. Hlajenje ventlov S hladlnm telesom Z tr -3 Samo za prehod S- - - Slka 4.4: ransentna toplotna upornost Z tr nekega trstorja s hladlnm telesom t p p P P ϑ S η S ϑ S ϑ S t 3 4 5 t Slka 4.5: emperatura tabletke ϑ S pr: (a) posamčnh pulzh zgubne moč, (b) pr zaporednh pulzh zgubne moč 4.3 Hladlna telesa n namesttev ventlov Večna prozvajalcev ventlov dobavlja tud ustrezna hladlna telesa. oplotna upornost R H + R HO hladlnega telesa je odvsna od materala, od konstrukcje n od velkost hladlnega telesa ter od htrost oplakovanja s hladlnm medjem (zraka, tekočne). Hladlna telesa so pretežno z alumnjevh zltn, bogato narebrčena, da majo čm večjo površno, n so največkrat črno eloksrana, da je koefcent sevanja velk. Posebno pozornost je treba posvett toplotnemu uporu med telesom ventla n med hladlnm telesom. Majhne ventle ponavad kar vtsnemo v hladlno telo (ploščo). Nekatera telesa ventlov so opremljena tud z vjakom, da lahko napravmo vjačno povezavo. Pozor: zvrtna v hladlnem telesu mora bt napravljena točno pravokotno na površno, scer ventl ne nalega s svojo celotno kontaktno ploskvjo n je prehod toplote slab! Dode n trstorj za srednje velke toke, k so opremljen z vjačnm nastavkom, uvjemo v hladlno telo, k ma navoj. elo ventla se nahaja na potencalu anode al katode. Zato moramo večkrat hladlno telo elektrčno zolrat od telesa ventla. Namestmo ga prek vmesne zolacjske 7
4. Hlajenje ventlov ploščce (podložke). a ploščca mora bt tanka n toplotno dobro vodljva, hkrat pa mora dobro elektrčno zolrat. Odlčne ploščce so z naravne sljude, v novejšem času pa tud z umetnh snov (berljev oksd BeO). Obstajajo tud ploščce z posebnh epoksdnh mas (z debelno,5 mm n s prebojno trdnostjo preko kv). Včash nameščamo z ekonomskh razlogov več ventlov na skupno hladlno telo. Če so telesa teh ventlov na razlčnh elektrčnh potencalh (npr. ventl v enofaznem mostu, moramo napravt opsano zolranje med ventl n hladlnm telesom. elesa dod n trstorjev za večje toke al za velke obratovalne frekvence, pr katerh je zgubna moč velka, so zdelana s ploščatm dnom, k ma relatvno velko kontaktno površno. Na hladlno telo je tak ventl prvjačen preko posebnega obroča. Ventle za ekstremno velke toke pa je treba hladt dvostransko. Izdelan so v oblk ploščka (kot hokejsk!), k ga potem z vjak vpnemo med dve hladln teles. 7
5. rstorska stkala n nastavljalnk 5 IRISORSKA SIKALA IN NASAVLJALNIKI Za vklapljanje n zklapljanje elektrškh tokokrogov lahko namesto mehanskh uporabmo tud polprevodnška (elektronska) stkala. Za velke zklopne moč prhajajo v poštev predvsem trstorj. Vendar lahko trstor v funkcj stkala uporabmo le v zmenčnh tokokrogh, kjer prehaja zmenčn tok v vsak polperod skoz vrednost nč n omogoča, da se trstor na koncu vsake polperode toka avtomatčno sam zklop. Vklapljamo pa trstor seveda s prožlnm mpulzom. Če naj bo trstorsko stkalo stalno vklopljeno, moramo trstorju, v vsak polperod vedno znova dovajat prožln mpulz preko IKN. Ker pa mora teč v zmenčnem tokokrogu tok v obeh smereh, moramo trstorsko stkalo sestavt z dveh protparalelno vezanh trstorjev. Lahko pa uporabmo tud trac (sl.5. n sl.5.). Za razlko od mehanskh stkal lahko pr polprevodnškh stkalh preko krmlnega mpulza zelo natančno zberemo trenutek vklopa. o omogoča najboljš vklop n nastavljanje (krmljenje) velkost napetost oz. toka n moč. 5. rstorsko stkalo v zmenčnh tokokrogh rstorska stkala uporabljamo namesto mehanskh stkal za vklapljanje n zklapljanje zmenčnh tokokrogov. Slka 5. kaže ustrezno protparalelno vezavo dveh trstorjev, vključno z mpulznma transformatorjema n zaščtnm RC-členom. Prednost takšnega polprevodnškega stkala v prmerjav z mehanskm so:. se ne obrablja,. žvljenjska doba je praktčno neomejena, 3. učnek vklopa lahko poljubno zbramo n natančno zvedemo n 4. zklop stkala se zgod vedno v naravnem trenutku, ko gre zmenčn tok skoz vrednost nč n n elektrčnega obloka. 7
5. rstorska stkala n nastavljalnk U A a) A R A A A C c) A b) A A Slka 5.: rstorsko stkalo: (a) protparalelna vezava dveh trstorjev, (b) statčna karakterstka, (c) zmenčn tok Slabost pa so:. v prevodn smer mamo padec napetost prblžno,5 V,. toplotne zgube, kar zahteva tud hlajenje, 3. v zklopljenem stanju teče še vedno nek majhen tok (nverzn tok nekaj ma) n stkalo potencalno (galvansko) ne ločuje; če hočemo potencalno ločtev, moramo uporabt dodatn mehansk preknjevalnk (npr. ločlno stkalo) n 4. cena je nekolko všja. Čeprav mamo na voljo trstorje za zaporne napetost nekaj kv n za maksmalno dopustne trajne toke prek ka, kar daje fktvno moč prek MVA, smemo zarad varnost v praks zkorstt le majhen del te moč. Slka 5. kaže trac v vlog polprevodnškega stkala. Krmljenje je enostavnejše kot pr vezju s sl. 5.. Vendar zdelujejo zaenkrat trace le za majhne moč n zmorejo drektno vklapljat v omrežje 38 V le toke do največ A. A A I H U BO u A a) b) c) Slka 5.: rac kot polprevodnško stkalo v zmenčnem tokokrogu: (a) vezje, (b) statčna karakterstka, (c) zmenčn tok 73
5. rstorska stkala n nastavljalnk Zarad napetostnega padca v prevodn smer povzroča ventlsk tok zgube prevajanja p. Vdel smo, da je srednja zgubna moč na trstorju odvsna tako od artmetčne srednje vrednost ventlskega toka, kakor tud od njegove efektvne vrednost. Zato moramo pr dmenzonranju trstorskega stkala upoštevat tud oblko toka. Slka 5.3 kaže potek napetost n tokov pr vklopu n zklopu tokokroga s trstorskm stkalom. Ker je breme ohmsko-nduktvno, zaostaja tok za napetostjo za elektrčn kot: ϕ = arctg ωl R Če hočemo vklapljat tokokrog tako, da ne bo nkakega prehodnega pojava, moramo prpeljat trstorju prožln mpulz v trenutku, ko naj b tok A oz. A, v staconarnem stanju prehajal skoz vrednost nč (sl.5.3.b). Če pa vklopmo v poljubnem drugem trenutku, se pojav neka enosmerna prehodna komponenta toka, k nato v odvsnost od stopnje dušenja zgne v nekaj polperodah. V tem prmeru je tok podan z enačbo: ( t) = A R U + ( ωl) sn( ϕ) sn( ϕ) e R ( ) ωl ϕ u IKN u S, u S A A A b) VKLOP A R u S u S, A A u S LS L IZKLOP a) c) Slka 5.3: Vklapljanje n zklapljanje zmenčnega tokokroga s trstorskm stkalom: (a)vezje, (b) vklop, (c) zklop ok A je ob vklopu sestavljen z dveh delov: z trajnega snusnega toka ter z nekega enosmernega toka, k ma največjo ampltudo v trenutku vklopa n nato po eksponecaln funkcj upada s časovno konstanto τ = L / R prot vrednost nč. Kot 74
5. rstorska stkala n nastavljalnk vdmo, je ta enosmerna komponenta toka nč le ob pogoju, da je sn( -ϕ)=, kar pomen, da moramo vklopt v trenutku t =ϕ/ω, torej tedaj, ko začenja trajna snusna komponenta toka z vrednost nč. Fzkalno gledano prhaja do tega pojava zato, ker zarad nduktvnost L tok ob vklopu trstorja nkol ne more hpoma poskočt na svojo staconarno vrednost, temveč mora nujno začet z vrednost nč. K temu problemu se bomo še povrnl. Izklop trstorskega stkala pa dosežemo preprosto tako, da prenehamo trstorja prožt: zatečen tok teče v tst polperod še tako dolgo, dokler naravno ne postane nč. Slka 5.4 kaže trstorsko stkalo za smetrčn trfazn ohmsko-nduktvn porabnk. Enako kot pr enofaznem stkalu na sl. 5.3 s przadevamo tud sedaj vklapljat trfazno stkalo tako, da se ob vklopu ne bo pojavljala enosmerna zravnalna komponenta toka. o dosežemo tako, da prpeljemo prožlna mpulza najprej samo dvema fazama hkrat (faz n na sl. 5.4), čez 9 el. pa še faz 3, pr čemer ustreza ta trenutek proženja faze 3 trenutku naravnega prehoda staconarnega faznega toka 3 skoz vrednost nč. Izklopmo pa trstorsko stkalo spet tako, da prenehamo trstorjem dovajat prožlne mpulze: tok ene faze teče še tako dolgo, dokler ne postane nč n preneha, toka v ostalh dveh fazah pa tečeta še 9 o el. n nato prav tako prenehata teč. 3 3 u, u u u 3 3 VKLOP + 9 VKLOP 3 3 R L Slka 5.4: Vklapljanje trfaznega RL-porabnka s trstorskm stkal: (a) vezje, (b) potek napetost n tokov 75
5. rstorska stkala n nastavljalnk 5. Vklop nduktvnost s trstorskm stkalom V prejšnjem poglavju smo obravnaval problematko vklopa mešanega ohmskonduktvnega bremena (sl. 93). okrat analzrajmo podrobenje problemtko vklopa čste nduktvnost L s trstorskm stkalom! L K R C u, u S VKLOP u L u IZKLOP u u S C L L u L b) u S VKLOP IZKLOP a) u, u S u c) u L Slka 5.5: Vklop nduktvnost s trstorskm stkalom: (a) vezje, (b) vklop brez zravnalnega toka, (c) vklop z zravnalnm tokom V vezju na sl.5.5.a je narsan tud vedno prsoten zaščtn RC-člen, označena pa je tud paraztna kapactvnost C L, k realno obstaja med ovoj dušlke L. V kvazstaconarnem stanju teče v tokokrogu snusn tok, k zaostaja za gonlno snusno napetostjo u za elektrčn kot 9 o. Le če vklopmo trstorsko stkalo, tj. enega od protparalelnh trstorjev, v trenutku, k ustreza prehodu jalovega toka skoz vrednost nč (sl.5.5.b), dobmo vklop brez prehodnega pojava: snusn tok začenja z svoje»naravne«vrednost nč. a najugodnejš trenutek vklopa nduktvnega bremena ustreza trenutku, ko ma snusna gonlna napetost maksmalno vrednost. Izklop toka pa dosežemo, kot vedno doslej tako, da prenehamo trstorjema dovajat prožlne mpulze. Na sl. 5.5.b je z vertkalno šrafuro označena napetost u s na ventlh: ob vklopu dobmo neko kratkotrajno superponrano srednje frekvenčno nhanje, k se pršteva napetost u L na nduktvnost. Njena krožna frekvenca je prblžno L K CK, ampltuda pa doseže največ temensko vrednost gonlne snusne napetost U. ud pr zklopu (sl.5.5.c) se pojav neko srednje frekvenčno superponrano nhanje, k se pršteva k napetost u s na zklopljenem trstorju. Njena krožna frekvenca je prblžno (L + LK ) C, njeno ampltudo pa duš upornost R. 76
5. rstorska stkala n nastavljalnk 5.3 rstorsk nastavljalnk za zmenčn tok Možnost, k jo nud trstorsko stkalo da ga lahko s prožlnm mpulzom vklopmo v razlčnh trenutkh glede na njegovo snusno blokrno napetost, lahko zkorstmo za t.. fazno krmljenje. Slka 5.6 kaže razmere, če je breme ohmsko. S spremnjanjem velkost zakasntve proženja glede na začetek poztvnega oz. negatvnega snusnega polvala gonlne napetost, tj. s spremnjanjem velkost krmlnega kota α, lahko krmlmo (spremnjamo) velkost napetost na bremenu R n s tem tud velkost toka. Napetost na bremenu (nešrafran del u na sl. 5.6.b) je del (zrez) snusodne gonlne napetost. α IKN u S u R u A α u A R u R A u S A Slka 5.6: Krmljenje enofaznega zmenčnega toka s trstorskm nastavljalnkom: a) vezje, b) potek napetost n toka pr ohmskem bremenu In ker je breme ohmsko, je take oblke tud tok. Krmln kot α lahko spremnjamo od do 8 o el. Pr kotu α= n»zreza«n sta napetost na bremenu n tok maksmalna. Pr največjem zkrmljenju α=8 o el. po postaneta napetost n tok nč. o kaže tud sl. 5.7.a: pr razlčno velkh krmlnh koth α se z snusode»zrezujejo«večj al manjš začetn del polvalov. u, u c) u, a) b) α u Slka 5.7: Potek napetost n tokov v vezju s sl. 5.6.a v odvsnost od razlčno velkh krmlnh kotov α pr razlčnh bremenh: a) ohmsko breme, b) mešano ohmsko-nduktvno breme, c) nduktvno breme u, α α u 77
5. rstorska stkala n nastavljalnk Razmere se zelo spremenjo, če breme n ohmsko. Na sl. 5.7.b n c so prkazane oblke toka za nekaj razlčnh vrednost krmlnega kota α za mešano ohmsko-nduktvno oz. za čsto nduktvno breme. Pr nduktvnem bremenu je tok (t) podan z enačbo: ( t) = U ωl π sn π sn α U... efektvna vrednost gonlne snusne napetost ω = πf... krožna frekvenca f=/... frekvenca gonlne snusne napetost... peroda gonlne snusne napetost a enačba velja za območje krmlnega kota 9 o α 8 o el. ok (t) je torej sestavljen z snusnega toka, zmanjšanega za nek konstantn del, k je tem večj, čm večj je kot α. Kakor vsak nduktvn tok zaostaja tud ta tok za snusno napetostjo za 9 o el., zato je tud krmlno območje za krmln kot α takšno. Potemtakem so na sl. 5.7.c narsan tok le»kape«al vrščk neke snusne krvulje. vrščk postajajo manjš, če se povečuje krmln kot α od 9 o prot 8 o el. ne glede na velkost kota α pa so t»nduktvn«tok, kot vdmo, vedno premaknjen glede na snusno napetost U za 9 o el. Med tokovnm vrščk nastopajo breztokovn odsek: tok je preknjevan (trgan). Matematčno bolj zamotane razmere dobmo, če je breme mešano, npr. ohmskonduktvno (sl. 5.7 b). edaj velja za tok (t) enačba: ( t) = R U + ( ωl) sn ( ) ( ) R ( α ωl ϕ sn α ϕ e ) ωl ϕ = arctan R ok (t) n več snusen, nt n del snusode, temveč ga sestavljata neka snusna n enosmerna komponenta, k upada eksponencalno s časovno konstanto: ω = L R Slka 5.8 kaže, kako se spremnja efektvna vrednost nesnusnega toka pr ohmskem (cos φ=) n nduktvnem (cosφ=) bremenu v odvsnost od krmlnega kota α. Ponovno vdmo, da je krmlno območje pr ohmskem bremenu α 8 o el., pr nduktvnem pa 9 α 8 o el.. 78
5. rstorska stkala n nastavljalnk I ef I def.8 (nduktvno).6 cosϕ= cosϕ=.4. 3 6 9 5 8 α [ ] Slka 5.8: Krmlna karakterstka zmenčnega trstorskega nastavljalnka toka Slka 5.9 kaže velkost efektvne vrednost zhodne napetost na ohmskem oz. nduktvnem bremenu v odvsnost od krmlnega kota α..8 U L U S.6.4. 3 6 9 5 8 α [ ] Slka 5.9: Krmlna karakterstka zmenčnega trstorskega nastavljalnka s sl.5.6: U L - efektvna vrednost napetost na bremenu (R al L) v odvsnost od krmlnega kota α; U S efektvna vrednost gonlne snusne napetost 79
5. rstorska stkala n nastavljalnk 5.3. rfazn trstorsk nastavljalnk ud v trfaznh sstemh lahko uporabmo trstorska stkala za krmljenje toka oz. napetost u na bremenu. Podobno kot pr enofaznem prmeru lahko tud pr trfaznem analzramo razmere n napšemo ustrezne enačbe, vendar so razmere precej bolj zamotane n rezultat nepregledn. Slka 5. kaže statčno karakterstko za breme. Vdmo, da je krmlno območje pr ohmskem bremenu α 5 o el., pr nduktvnem pa 9 α 5 o el. I ef I def.8.6 cosϕ= cosϕ= (nduktvno).4. 3 6 9 α [ ] 5 8 Slka 5.: Krmlna karakterstka za tok za trfazn nastavljalnk: I ef -efektvna vrednost bremenskega toka, I ef -največja efektvna vrednost bremenskega toka pr krmlnem kotu α = (za ohmsko breme) oz. α = 9 o el. (za nduktvno breme). 8
5. rstorska stkala n nastavljalnk Slka 5. kaže krmlno karakterstko za napetost za trfazn trstorsk nastavljalnk..8 U L U S.6.4. 3 6 9 5 8 α [ ] Slka 5.: Krmlna karakterstka za napetost za trfazn trstorsk nastavljalnk v vezav zvezda brez nčlovoda: U L - efektvna vrednost napetost na bremenu: U S - efektvna vrednost gonlne snusne napetost 8
6. Jalova moč 6 JALOVA MOČ ZARADI KRMILJENJA IN ZARADI POPAČENJA Pr enofaznh n trfaznh nastavljalnkh s spremnjanjem krmlnega kota α»zrezujemo«razlčno velke napetostno-časovne ploščne z gonlne snusne napetost n na ta načn krmlmo efektvno (pa tud srednjo) vrednost napetost n toka na bremenu. Analzrajmo posledce takšnega krmljenja!. Predvsem lahko ugotovmo, da statčn karakterstk za napetost u L n tok nsta odvsn samo od velkost krmlnega kota α, temveč zelo močno tud od značaja, t.j. od sestave bremena (ohmsko, nduktvno, mešano)! o pomen, da pr nastavljalnkh velkost u L n nsta enoumno določena le z velkostko krmlnega kota α. Do enake splošne ugotovtve bomo kasneje pršl tud pr drugh polprevodnškh pretvornkh.. Izhodna napetost n tok nsta več snusna, temveč sta razlčno»popačena«. a popačtev ma daljnosežne posledce za jalove n navdezne moč, k se pretakajo po pretvornkh, vplva pa tud na energetsk zkorstek n na zkorščenost elementov pretvornka, vključno s transformatorjem. Ker so t nesnusn tok perodčn (v staconarnem obratovanju!) jh lahko za analzo razstavmo po Fourerju na harmonske komponente. ako dobmo osnovno harmonsko komponento določene ampltude n fazne lege ter celo vrsto harmonskh komponent všjega reda ν, katerh frekvence so cel mnogokratnk osnovne frekvence fν =ν f. ud za te všje harmonske komponente lahko zračunamo ampltude n fazne lege. Večnoma postajajo njhove ampltude tem manjše, čm večj je njhov red ν. 6. Harmonska analza Fourerjeva enačba razstav perodčn nesnusn tok (t), katerega peroda je, na njegove komponente: n ( t) = Id + ( aν.cosν + bν. snν = Id + I ν I d je enosmerna komponenta: ~ 8
6. Jalova moč I d = ( t) dt Ampltude delnh harmonskh komponent so: a b ν ν = = ( t) cosνω t. dt = ( ).cosν π π ( t) cosνω t. dt = ( ).cosν π π d d Če združmo deleže, k majo enake frekvence oz. enak red ν, dobmo: n = Id + ν ϕ ν ν = ( t) Iˆ sn( νω t + ) = I + I d zm pr čemer je: I ˆ = a + b ν ν ν ϕ ν a = arctg b ν ν Deleže z redom ν = menujemo osnovno harmonsko komponento, ostale pa všje harmonske komponente. Njhova fekvenca fν oz. peroda ν je: f ν = νω ν f = π ozroma: ν = ν pr čemer se vrednost za osnovno harmonsko komponento ujemajo z vrednostm gonlne (npr. omrežne) napetost: =, f =f n ω = ω 83
6. Jalova moč Slka 6. kaže rezultat harmonske analze za perodčn nesnusn tok s sl. 5.6. Narsane so samo harmonske komponente reda ν =, 3 n 5. Enosmerna komponenta je v tem zgledu I d =. u S, u s 3 5 ϕ x x α α Slka 6.: Prkaz harmonskh komponent toka pr delno zkrmljenem enofaznem nastavljalnku z ohmskm bremenom: u s - omrežna gonlna napetost; - bremensk tok;, 3, 5 harmonske komponente bremenskega toka; α krmln kot, φ - fazn kot osnovne harmonske komponente toka 6. Energetske razmere v lnearnh tokokrogh s snusnm velčnam Obnovmo s znanje z osnov elektrotehnke! V elektrčnh tokokrogh kakršnekol vrste je trenutna elektrčna moč p v nek točk tokokroga podana z zmnožkom trenutne vrednost napetost u n trenutne vrednot toka v tej točk: p = u V zmenčnh tokokrogh se predznaka pr u n v vsak perod spremnjata, zato lahko zavzame tud njun zmnožek p v času ene perode poztvne n negatvne vrednost. Poztvn predznak pomen energjsk pretok v eno smer (npr. energja odteka), negatvn predznak pa energjsk pretok v nasprotn smer (energja prteka). Celoten al neto energjsk pretok oz. neto moč v času ene perode lahko v zmenčnh tokorogh zračunamo z: P =. u.. dt P del P je potemtakem srednja (povprečna, neto) moč n jo v elektrotehnk menujemo tud delovna moč. 84
6. Jalova moč, u Uˆ u Î t ϕ/ω p p P nav P t Slka 6.: Časovn potek trenutne moč p pr snusn napetost n toku, k sta fazno premaknjena za elektrčn kot φ Slka 6. kaže snusno napetost u(t) n snusn tok (t), k sta časovno premaknjena za čas: ϕ t = ω ozroma za elektrčn kot φ, pr čemer je ω = πf krožna frekvenca. Uˆ n Î sta temensk (maksmaln) vrednost napetost oz. toka. Zmnožek trenutnh vrednost je: p = Uˆ sn Iˆsn( ϕ) n ga lahko ob uporab matematčnega adcjskega teorema napšemo tud v oblk: p = UI cosϕ UI sn( ϕ) pr čemer sta U n I efektvn vrednost snusne napetost n snusnega toka. U = u ( t). dt I = ( t). dt 85
6. Jalova moč U = û I = î Ustrezen časovn potek trenutne moč p kaže sl.6.. Vdmo, da se spremnja moč po snusn funkcj z dvojno omrežno frekvenco f n zavzema poztvne n negatvne vrednost. o pomen, da se energja med vsako perodo pretaka v obe smer. Njena srednja al neto vrednost je delovna moč P (enota Watt): P = UI cosϕ medtem ko njen preostal del: UI sn ( ω ϕ) = P sn(ω ϕ) nav nha snusno z dvojno frekvenco n v vsak perod štrkrat spremen svoj predznak. Njen neto energjsk pretok je nč: energja se samo»premetava«. Njeno ampltudo P nav menujemo v elektrotehnk navdezna moč (enota VA): P nav = UI ako podana energetska slka je realna. Vendar v elektrotehnk zarad enostavnejšega prkaza n računanja uporabljamo raje neke računske, realno neobstoječe vrednost za snusne toke: snusn tok, k je v splošnem zarad neohmske mpedance v tokokrogu premaknjen glede na snusno napetost u(t) za nek elektrčn kot φ, razdelmo računsko na dve komponent: na tako menovano delovno komponento: I del = I cosϕ k je v faz z napetostjo, n na jalovo komponento: I jal = I snϕ k je glede na napetost premaknjena za elektrčn kot φ = 9 o. Le zmnožek delovne komponente toka I del z napetostjo daje delovno moč, medtem ko zmnožek jalove komponente z napetostjo ne daje nobene srednje moč. Razmerje: P P nav I = I del = cosϕ menujemo faktor premakntve (al tud faktor moč za osnovno harmonsko komponento). Jalova komponenta toka I jal je v splošnem škodljva, saj ne samo da nč ne prspeva k prenosu energje, temveč povzroča na mpedancah tokokroga napetostne padce I jal Z n 86
6. Jalova moč energjske zgube (I jal ).R na ohmskh uporh, obremenjuje pa tud elemente vezja n prenosne kapactete, npr. transformatorjev n daljnovodov. Zato je tok I jal nezaželen. Zapomnmo s: jalove toke povzročajo v lnearnh elektrškh tokokrogh neohmska bremena! V elektrškh sstemh, v katerh nastopajo polprevodnšk pretvornk, pa generrajo jalove toke (moč) žal, tud drug povzročtelj. Iz osnov elektrotehnke so poznane naslednje zveze: I = + I del I jal P = P + nav P jal pr čemer je jalova moč (enota V Ar): P = UI jal jal 6.3 Energetske razmere v zmenčnh tokokrogh z nesnusnm perodčnm tok Pretvornk so mnogokrat prključen na togo zmenčno enofazno al trfazno elektrčno omrežje. akšno omrežje ma (teoretčno) konstantno napetost snusne oblke. Sl.6.3 kaže takšen prmer. Zarad zrazto nelnearnh elementov, kot so polprevodnšk ventl, tok ne bodo snusn. Elektrčno moč lahko v vsak točk sstema zračunamo z osnovno en.., enako tud moč na omrežn stran, kjer je omrežna napetost (U om na sl.6.3) scer snusna, omrežn tok I om pa ne. Vendar sta analza n računanje bolj enostavna, če računsko razstavmo nesnusn, toda perodčn tok najprej na njegove harmonske komponente. V prmeru, da je napetost snusna, tok pa nesnusen, vendar perodčen n brez enosmerne komponente, veljajo v elektrotehnk naslednje defncje: OM OM r U om U L P B I om I L 3 U om I om U S U L P B I S I L Slka 6.3: Na togo omrežje prključen polprevodnšk pretvornk: a) neposredno, b) posredno: OM-togo omrežje, r-transformator, P-pretvornk, B-breme, U om - omrežna napetost snusne oblke 87
6. Jalova moč Delovna moč: P = UI cosϕ kjer je U efektvna vrednost napetost, I efektvna vrednost osnovne harmonske komponente toka n φ fazna premakntev osnovne harmonske komponente toka glede na napetost. Iz te enačbe sled: faktor premakntve: P cos ϕ = = U. I P P nav Ostale defncje so: Osnovna harmonska navdezna moč: P nav = UI Celotna navdezna moč: P nav = UI kjer je I efektvna vrednost: I = I I + I + 3 +... I, I, I 3 td. so efektvne vrednost posameznh harmonskh komponent toka. Celotna jalova moč: P jal = P nav P Osnovna harmonska jalova moč: P jal = UI snϕ Moč popačenja: P pop = U I I + 3 +... Osnovna harmonska vsebna toka oz. faktor popačenja: 88
6. Jalova moč I g = I Iz teh enačb vdmo, da lahko daje delovno moč le osnovna harmonska komponenta toka, k ma sto frekvenco kot omrežna napetost, vse ostale harmonske komponente pa prav nč ne prspevajo k delovn moč, ampak zato le k jalov moč. Osnovno harmonsko komponento toka lahko dodatno računsko razstavmo na njeno delovno komponento: I del = I cosϕ n na jalovo komponento: I jal = I snϕ k dajeta delovno n jalovo moč prve harmonske komponente Ostale harmonske komponente toka ne dajejo, neodvsno od njhove fazne lege glede na snusno napetost, s to napetostjo nobene delovne moč, temveč le moč popačenja P pop, k je nekakšna jalova moč. Med celotno navdezno močjo P nav, delovno močjo P = P del, osnovno harmonsko jalovo močjo P jal n močjo popačenja P pop obstaja naslednja matematčna zveza: P = P + P + P = P + P nav del jal pop nav pop P = P + P nav del jal o lahko prkažemo tud grafčno v ravnn oz. prostorsko na sl. 6.4. P nav P jal P nav P nav P = P del P = P del P pop P jal Slka 6.4: Grafčn prkaz navdezne, delovne n jalove moč: a) pr snusn napetost n snusnem toku, b) pr snusn napetost n nesnusnem toku Sedaj lahko tud za ta obravnavan prmer defnramo faktor moč λ kot razmerje med delovno močjo P = P del n med celotno navdezno močjo P nav : λ = P P nav 89
6. Jalova moč Ob upoštevanju zraza za g je faktor moč tud enak: λ = g cosϕ Pr snusnem toku je g =, torej je faktor moč λ kar faktor premakntve cos φ, t.j. faktor moč za osnovno harmonsko komponento. Pr popačenh (nesnusnh perodčnh) tokh pa doprnesejo k»premakntv«oz. k povečan jalov moč ne samo fazna premakntev osnovne harmonske komponente toka glede na snusno napetost, temveč tud»popačenja«oblke toka, t.j. všje harmonske komponente toka. o pomen, da je pr nesnusnh tokh faktor moč λ vedno manjš od faktorja premakntve cos φ. Vse te defncje n matematčne zveze veljajo le v prmeru, če je napetost snusna! Pr nesnusn napetost zgubjo veljavo. Za novnca so te defncje sprva nepregledne n nekolko odveč. Vendar moramo vedet, da takšno gledanje poenostavlja kasnejšo analzo dogajanj, zlast razčlembe jalove moč n škodljvh vplvov zarad popačtve toka. V lnearnh tokokrogh povzroča jalovo moč zključno neohmsko breme. Pr pretvornkh pa nastopajo dodatno še drug povzročtelj jalove moč, npr. fazno krmljenje, komutacjsk proces, razlčne vezave trfaznh transformatorjev td. Ker tečeta jalova moč n jalov tok, obremenjujeta elemente, povzročata energjske zgube, motta delovanje transformatorjev, povzročata popačtev omrežne napetost v ne togh omrežjh, td. 9
6. Jalova moč 4 HLAJENJE VENILOV...65 4. Elektrčne zgube...66 4. ermčno nadomestno vezje...67 4.3 Hladlna telesa n namesttev ventlov...7 5 IRISORSKA SIKALA IN NASAVLJALNIKI...7 5. rstorsko stkalo v zmenčnh tokokrogh...7 5. Vklop nduktvnost s trstorskm stkalom...76 5.3 rstorsk nastavljalnk za zmenčn tok...77 5.3. rfazn trstorsk nastavljalnk...8 6 JALOVA MOČ ZARADI KRMILJENJA IN ZARADI POPAČENJA...8 6. Harmonska analza...8 6. Energetske razmere v lnearnh tokokrogh s snusnm velčnam...84 6.3 Energetske razmere v zmenčnh tokokrogh z nesnusnm perodčnm tok...87 9