Raamwerk Elektriese Aandryfstelsels 324 Inleiding tot Drywingselektronika Dr. P.J. Randewijk Universiteit Stellenbosch Dep. Elektriese & Elektroniese Ingenieurswese Aanvullende Notas 1 Inleiding 2 Drywingselektroniese Komponente 3 ineêre Omsetter 4 Geskakelde Drywingselektroniese Omsetter 5 Vier-kwadrant Werking 6 Een-kwadrant GS-GS Omsetter 7 Twee-kwadrant GS-GS Omsetter 8 Vier-kwadrant GS-GS Omsetter 9 Verliese in die halfgeleier skakelaars 10 Verliese in die borsels 11 Puls Wydte Modulasie (PWM) 12 Servobeheerder 13 Vier-kwadrant GS-WS Omsetters 14 Driefase GS na WS Omsetters 15 Uitkomste vir Drywingselektronika 1 / 105 2 / 105 Inleiding Drywingselektronika is die gebruik van elektronika om die vloei van drywing/energie te beheer Dit het meestal te doen met die omsetting van n spanning van een waarde na n ander... Vir hierdie vak stel ons slegs belang in hoe drywingselektronika gebruik kan word om die spoed (en/of draaimoment) van n elektriese masjien te beheer n Drywingselektroniese omsetter word ook gewoonlik n vaste toestand omsetter genoem, aangesien dit geen bewegende dele het nie Ons gaan slegs drywingselektroniese omsetters en die hoof drywingselektroniese komponente waaruit hulle bestaan vanaf n stelsel vlak bespreek Drywingselektroniese Skakelaars n Drywingselektroniese omsetter bestaan uit verskillende drywingselektroniese halfgeleier komponente Ons gaan slegs na die volgende komponente / drywingselektroniese skakelaars kyk: diode tiristor of silikon beheerde gelykrigter (SBG) TRIAK (kan ook uit twee anti-parallelle tiristors opgebou word) hek afskakelbare tiristor ( GTO in Engels) bipolêre drywingstransistor ( BJT in Engels) metaal oksied halfgeleier veldeffek transistor ( MOSFET in Engels) geïsoleerde hek bipolêre transistor ( IGBT in Engels) Al hierdie drywingselektroniese komponent word gewoonlik as silikon skakelaars bedryf 3 / 105 4 / 105
Drywingselektroniese Skakelaars (vervolg... ) Dit impliseer dat hulle slegs in een van twee state bedryf word, óf: AAN lyk soos n toe skakelaar, óf AF lyk soos n oop skakelaar Drywingselektroniese skakelaars word verdeel in twee hoof kategorieë: lyn-kommuteerende skakelaars en geforseerde-kommuterende skakelaars yn-kommuteerende skakelaars Die diode kan slegs stroom in een rigting gelei, van A K Skakel AAN wanneer voorgespan, v AK > 0,7 V Skakel AF wanneer die stroom deur die diode, i AK, deur nul gaan v AK Anode (A) i AK athode (K) Drywingselektroniese Skakelaars (vervolg... ) Die tiristor kan slegs stroom in een rigting gelei, van A K Skakel AAN wanneer voorgespan, v AK > 1 V en n sein aan die Hek aangelê word Skakel AF wanneer die stroom deur die tiristor, i AK, deur nul gaan Gate (G) Anode (A) i AK athode (K) Terminal 1 Die triak kan stroom in beide rigtings van T1 T2 gelei Bestaan basies uit twee tiristors in Gate (G) i 12 anti-parallel gekoppel Elke tiristor sal: Terminal 2 AAN skakel wanneer voorgespan en n sein aan die Hek aangelê word AF skakel wanneer die stroom deur die tiristor deur nul gaan 5 / 105 6 / 105 Drywingselektroniese Skakelaars (vervolg... ) Geforseerde-kommuterende skakelaars Anode (A) Die hek afskakelbare tiristor ( GTO ) kan slegs stroom in een rigting gelei, i AK van A K Gate (G) Skakel AAN wanneer voorgespan, athode (K) v AK > 1 V en n sein aan die Hek aangelê word Skakel AF wanneer die stroom deur die tiristor, i AK, deur nul gaan of n negatiewe stroom puls aan die Hek aangelê word ( 1 5 tot 1 3 van die hoof K stroom) Die bipolêre transistor ( BJT ) kan slegs stroom in een rigting gelei, van E Base (B) ollector () Emitter (E) i E Drywingselektroniese Skakelaars (vervolg... ) Skakel AAN wanneer n positiewe stroom in die Basis vloei (die Basis stroom moet tussen 1 10 en 1 5 van die Kollektor stroom wees ten einde te verseker dat die transistor AAN is) Skakel AF wanneer die Basis stroom verwyder word Drain (D) Die MOSFET kan stroom in beide rigtings gelei, i.e. van D S Skakel AAN wanneer a positiewe Gate (G) spanning ( 15 V) aan die Hek verbind word Skakel AF wanneer die Hek spanning verwyder word en die lading gestoor in die GS kapasitor ontlaai het Die IGBT kan stroom slegs in een rigting gelei, van E Skakel AAN wanneer a positiewe spanning ( 15 V) aan die Hek verbind word I D Source (K) I E 7 / 105 8 / 105
Drywingselektroniese Skakelaars (vervolg... ) Drywingselektroniese Skakelaars (vervolg... ) Skakel AF wanneer die Hek spanning verwyder word en die lading gestoor in die GS kapasitor ontlaai het HV. D. EETRI AR UPS MOTOR ONTRO Keuse van drywingselektroniese skakelaar Die keuse van watter drywingselektroniese skakelaar om te gebruik, hang af van: Die drywingsvermoë van die skakelaar i.t.v. die spannings & stroomvermoë Die spoed (frekwensie) waarteen die skakelaar AAN en AF moet skakel Op die volgende skyfie word die verskillende tipe drywingselektroniese skakelaars en hulle toepassing getoon met die skakel spoed op die x as en die drywingsvermoë op die y as APAITY (VA) 100M 10M 1M 100K 10K 1K 100 THY- RISTOR TRIA GTO WASHING MAHINE TRANSISTOR MODUES IGBTMOD MODUES AIR ONDITIONER REFRIGERATOR MIROWAVE OVEN ROBOT, WEDING MAHINE AUTOMOBIE MOSFET MOD TRI-MOD IGBT-MOD SWITHING-MODE POWER SUPPY VR, POWER SUPPY FOUDIO 10 10 100 1K OPERATION FREQUENY (Hz) 10K DISRETE MOSFET 100K 10M 9 / 105 10 / 105 Drywingselektroniese Skakelaars (vervolg... ) Ideale Skakelaar Gedrag Wanneer n drywingselektroniese skakelaar AF geskakel word, lyk dit dit soos n gewone skakelaar wat OOP is Alhoewel die spanning oor die skakelaar enige waarde kan hê, sal die AF stroom deur die skakelaar nul wees. Gevolglik is die drywingsverlies in die skakelaar ook nul. V off =? I off = 0 Wanneer n drywingselektroniese skakelaar AAN geskakel word, lyk dit soos n normale skakelaar wat TOE is Alhoewel die stroom deur die skakelaar enige waarde kan hê, sal die AAN spanning oor die skakelaar nul wees. Gevolglik is die drywingsverlies in die skakelaar weereens nul. V on = 0 I on =? Drywingselektroniese Skakelaars (vervolg... ) Nie-ideale Skakelaar gedrag Die AF gedrag van n Nie-ideale Skakelaar is presies dieselfde as vir n Ideale Skakelaar Die AAN gedrag verander na gelang van die tipe skakelaar Vir diodes, tiristors, transistors en IGBTs, is die AAN spanning nie nul nie, maar gewoonlik darem kleiner as 1 V Vir MOSFETs, hang die AAN spanning af van die Drain Source AAN weerstand gemaal met die stroom deur die MOSFET V on I on =? V on = r DS I on I on =? 11 / 105 12 / 105
ineêre Omsetter ineêre spanningsreguleerder Eenvoudige GS GS Kapper V Q I Q V Q I o = 100 V V o = 25 V = 100 V V o = 25 V Die spanningsval oor die transistor, Q, is gelyk aan: V Q = V o En die drywingsverliese in die transistor, Q, is gelyk aan: P Q = V Q I Q Die skakelaar skakel nou periodies teen n dienssiklus, D = 25% Die gemiddelde uittree spanning, V o, word nou gegee deur: V o = D Die skakelaar kan ook drywingselektroniese halfgeleier skakelaar wees, bv. n IGBT 13 / 105 14 / 105 Eenvoudige GS GS Kapper Eenvoudige GS GS Kapper v o V o T = 100 V V Q v I o V o = 25 V t aan t af Dit beteken dat die gemiddelde uittree spanning V o = 25 V (dieselfde as vir die lineêre reguleerder) ook met n intree spanning van = 100 V... Die groot verskil is egter dat die drywingsverliese in die skakelaar is nou zero is... Wat beteken dat P in = P uit... Meestal is so n uittree golfvorm nie aanvaarbaar nie... Gevolglik word n filter induktor in serie met die las geskakel om die lasstroom konstant te hou... Sowel as n filter kapasitor in parallel oor die las geskakel om die lasspanning konstant te hou... 15 / 105 16 / 105
Eenvoudige GS GS Kapper Stroom deur n induktor kan egter nie oombliklik verander nie... v = di dt Dit beteken dat sodra die skakelaar AF skakel, die spanning oor die induktor gaan neig na om die energie gestoor in die induktor te probeer ontlaai ontlaai... A.g.v. die hoë spanning wat ontstaan oor die induktor, ontlaai die induktor gewoonlik deurdat die lug iewers ioniseer en deurbreek as n vonk... Eenvoudige GS GS Kapper = 100 V V Q v I o V o = 25 V n Vryloopdiode ( free wheeling diode ) los egter die probleem opaangesien dit n stroom pad skep terwyl die skakelaar AF is... Vir die doel van ons analise kan die diode ook as n skakelaar beskou word wat beteken dat die verliese in die diode ook weglaatbaar klein is... 17 / 105 18 / 105 Eenvoudige GS GS Kapper v R Eenvoudige GS GS Kapper v Q T T V o t aan t af t aan t af Die spanningsgolfvorm oor die las.w. Die spanning oor die las is sal suiwer GS wees indien n baie groot - filter gebruik word... Die spanningsgolfvorm oor die skakelaar.w. Die spanning oor die skakelaar is 0 V as die skakelaar AAN is. 19 / 105 20 / 105
Eenvoudige GS GS Kapper Eenvoudige GS GS Kapper v D v T V o T V o t aan t af V o t aan t af Die spanningsgolfvorm oor die diode.w. Die spanning oor die diode is 0 V as die diode gelei is. Die spanning oor die diode is gelyk aan die spanning oor die las voor dat daar n - filter was... Die spanningsgolfvorm oor die induktor Kan eenvoudig met Kirchhoff bepaal word: v (t) = v D (t) v o (t) 21 / 105 22 / 105 Eenvoudige GS GS Kapper i I T i Eenvoudige GS GS Kapper (vervolg... ) Ook, indien ons aanvaar dat v aan en v af konstant bly oor die skakelperiode en met: v (t) = di dt volg dat: t aan t af Die stroomgolfvorm deur die induktor Met die skakelperiode, T, as tydkonstante van die induktor, τ = R kan ons die effek van R ignoreer... ttaan t di = v (t)dt di = 1 i (t t aan ) i (t) = v aan ttaan t = v aan ttaan t t aan v (t)dt dt 23 / 105 24 / 105
Eenvoudige GS GS Kapper (vervolg... ) of alternatiewelike met i die verandering in i Of in terme van v af : i = v t aan aan = v D T aan = ( V o )DT i = v af t af = v af (1 D) T = (V o)(1 D)T (1) (2) (3) Eenvoudige GS GS Kapper i Q I I Q t aan t af T I Die stroomgolfvorm deur die skakelaar (IGBT) 25 / 105 26 / 105 Eenvoudige GS GS Kapper Eenvoudige GS GS Kapper i D T i T I I D i t aan t af i t aan t af Die stroomgolfvorm deur die diode Die stroomgolfvorm deur die filter kapasitor 27 / 105 28 / 105
Eenvoudige GS GS Kapper Periodiese Skakeling Die drywingselektroniese skakelaar(s) skakel periodies AAN & AF sodat vir enige spanning of stroom enige plek in die stroombaan, die volgende geld sodra die stroombaan in sy bestendige toestand is: v x (t T ) = v x (t) i x (t T ) = i x (t) en Eenvoudige GS GS Kapper (vervolg... ) Vanaf die differensiaalvergelykings vir n kapasitor: i (t) = d dt v (t) v (t) = 1 i (t)dt v (t 0 T ) = v (t 0 ) 1 T t 0 i (t)dt Wat impliseer dat: 1 T i (t)dt = 0 t 0 Of anders gestel, dat die gemiddelde stroom deur n kapasitor is zero. 29 / 105 30 / 105 Eenvoudige GS GS Kapper (vervolg... ) Vanaf die differensiaalvergelykings vir n induktor: Eenvoudige GS GS Kapper v (t) = d dt i (t) i (t) = 1 v (t)dt i (t 0 T ) = i (t 0 ) 1 T v (t)dt v V o T A 1 t 0 Wat impliseer dat: V o t aan t af 1 T v (t)dt = 0 t 0 Of anders gestel, dat die gemiddelde spanning oor n induktor is zero. Die volt sekondes oor n induktor is gelyk aan zero. ( V o ) D T = V o (1 D) T V o = D 31 / 105 32 / 105
Vier-kwadrant Werking Vier-kwadrante Werking van n GS Masjien Met ω m positief en T m positief lewer die masjien meganiese drywing en werk dit as n motor dit staan as die 1 ste kwadrant bekend Met ω m positief en T m negatief absorbeer die masjien meganiese drywing en werk dit as n generator dit staan as die 4 de kwadrant bekend Met ω m negatief en T m negatief lewer die masjien meganiese drywing en werk dit as n motor dit staan as die 3 de kwadrant bekend Met ω m negatief en T m positief absorbeer die masjien meganiese drywing en werk dit as n generator dit staan as die 2 de kwadrant bekend 33 / 105 Benaderings... Vir die analise van kapper bane met n induktor, n weerstand & n Teen-EMK in serie: Aanvaar ons dat: die R tydkonstante baie as die skakelperiode, T = 1 f s stroom veranderlineêr i.e. het n saagtand form... die rimpelstroom,, is baie klein die spanning oor die ankerweerstand V RA V RA = is konstant 34 / 105 Een-kwadrant GS-GS Omsetter Een-kwadrant GS-GS Omsetter vir GS-motor beheer Een-kwadrant GS-GS Omsetter Een-kwadrant GS-GS Omsetter vir GS-motor beheer Q 1 Q 1 D 1 A 1 D 1 A 1 Vir lae spanning word daar gewoonlik van MOSFETs gebruik gemaak. Vir hoë spanning en/of drywing, word daar gewoonlik van IGBTs gebruik gemaak. 35 / 105 36 / 105
Een-kwadrant GS-GS Omsetter Een-kwadrant GS-GS Omsetter vir GS-motor beheer I Q1 I D1 Q 1 D 1 A 1 Een-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Al wat belangrik is om te onthou is dat die skakelaar en die diode: (vir enkel-kwadrant werking) net stroom in EEN rigting gelei... (vir kontinue stroom) komplementêr werk... Kirchhoff se knooppunt stroomwette (K) nog steeds geld... en i Q1 (t) i D1 (t) = i A (t) Dit maak nie saak watter soort drywingselektroniese skakelaar gebruik word ten einde die stroombaan te analiseer nie I Q1 I D1 = 37 / 105 38 / 105 Een-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Kirchhoff se spanningslus wette (KV) nog steeds geld... Twee-kwadrant GS-GS Omsetter Een-Kwadrant GS-GS Omsetter v D1 (t) v A (t) v RA (t) = 0 en of te wel V D1 V A V RA = 0 V T V RA = 0 Q 1 D 1 A 1 Die GS-motor ken net in een rigting loop. 39 / 105 40 / 105
Twee-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Ten einde die rigting van rotasie om te ruil moet: óf die veld óf die ankerterminale m.b.v. n meganiese skakelaar omgeruil word. Twee-kwadrant GS-GS Omsetter Twee-Kwadrant GS-GS Omsetter Verder om die motor te rem sal daar van meganiese remme gebruik gemaak moet word, aangesien die rigting van die stroom en gevolglik die rigting van die draaimoment nie kan verander nie. Q 1 D 1 A 1.W. Drywingselektroniese skakelaars (met spesifieke verwysing na transistors & IGBTs) kan net stroom in een rigting gelei. Q 2 D 2 41 / 105 42 / 105 Twee-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Twee-kwadrant GS-GS Omsetter M.b.v. n twee-kwadrant omsetter kan die stroom deur die GS-motor nou negatief raak ten einde die motor elektries te rem... Twee-Kwadrant GS-GS Omsetter n Negatiewe stroom veroorsaak n negatiewe draaimoment en die GS-motor werk nou as n GS-generator n Twee-kwadrant GS-GS omsetter is eintlik n kombinasie van n afkapper en n opkapper... I Q1 D 1 A 1 Q 2 I D2 Q 1 en Q 2 word komplimentêr geskakel, i.e. Q 1 is AAN vir D 100% van die tyd en Q 2 is AAN vir (1 D) 100% van die tyd 43 / 105 44 / 105
Twee-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Twee-kwadrant GS-GS Omsetter Met D >, sal die stroom,, positief wees (soos getoon) Twee-Kwadrant GS-GS Omsetter Slegs Q 1 en D 2 sal stroom gelei... Die GS-motor werk nou in die 1 ste kwadrant (as n motor) aangesien: die uittree spanning positief is, en die uittree stroom ook positief is Q 1 I D1 A 1 I Q2 D 2 45 / 105 46 / 105 Twee-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Met D <, sal die stroom,, negatief wees (soos getoon) Slegs Q 2 en D 1 sal stroom gelei... Die GS-motor werk nou in die 4 de kwadrant (as n generator) aangesien: die uittree spanning positief is, en die uittree stroom nou negatief is Twee-kwadrant GS-GS Omsetter Twee-Kwadrant GS-GS Omsetter Met Q 1 en Q 2 wat komplimentêr skakel, sal die gemiddelde uittree spanning van die twee-kwadrant GS-GS omsetter soos tussen terminale & gemeet: V t = D (21.21 ) Die gemiddelde ankerstroom van die GS-motor,, kan dus as volg bereken word: = V t (21.23 ) Dus met V t > werk die GS-motor in die 1 ste kwadrant (as n motor), en met V t < werk die GS-motor in die 4 de kwadrant (as n generator) 47 / 105 48 / 105
Twee-kwadrant GS-GS Omsetter Twee-Kwadrant GS-GS Omsetter Twee-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Kirchhoff se Stroom (Knooppunt) Wet geld nog steeds, sodat: I Q1 I D2 = I Q1 D 1 Q 2 A 1 I D2 met: I Q1 = D en I D2 = (1 D) 49 / 105 50 / 105 Twee-kwadrant GS-GS Omsetter Eerste Kwadrant werking Twee-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Kirchhoff se Spannings (us) Wet geld óók nog steeds, sodat: V t V RA V A V A = 0 Q 1 D 1 Q 2 D 2 A 1 V t V RA V A met: V t = D, V RA = V A = 0 en 51 / 105 52 / 105
Twee-kwadrant GS-GS Omsetter Vierde Kwadrant werking Twee-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Kirchhoff se Stroom (Knooppunt) Wet geld nog steeds, sodat: = I Q2 I D1 Q 1 I D1 A 1 met: I Q2 = (1 D) en I Q2 D 2 I D1 = D 53 / 105 54 / 105 Twee-kwadrant GS-GS Omsetter Vierde Kwadrant werking Twee-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Kirchhoff se Spannings (us) Wet geld óók nog steeds, sodat: Q 1 D 1 Q 2 D 2 A 1 V t V RA V A met: V A V RA V t = 0 V A = 0, V RA = V t = D en 55 / 105 56 / 105
Voorbeeld Voorbeeld I Vir die voorbeeld is: die GS-busspanning, = 100 V die skakelfrekwensie, f = 5 khz die dienssikklus, D = 0,2 die ankerweerstand, = 2 Ω die ankerinduktansie, = 10 mh die GS-motor se teen-emk, = 30 V Gevolglik is: Die gemiddelde uittreespanning van die GS GS omsetter, V t = D = 20 V Die ankerstroom, = V t = 5 A Die GS-motor werk dus in die 4 de kwadrant Ten einde die stroomrimpel uit te werk, word die stroombaan (in sy bestendige toestand) geanaliseer Voorbeeld (vervolg... ) Dus wanneer D 1 gelei, i.e. AAN is, in die DT tyd (omdat die stroom negatief is): v A DT = t = DT f = D = V DT D f = ( )D f 80 0,2 = 10 10 3 5 10 3 = 320 ma 57 / 105 58 / 105 Voorbeeld (vervolg... ) en wanneer Q 2 gelei, i.e. AAN is, in die (1 D)T tyd (omdat die stroom negatief is) v A (1D)T = t = (1 D)T f = (1 D) V A (1D)T (1 D) = f = ( )(1 D) f 20 0,8 = 10 10 3 5 10 3 = 320 ma Voorbeeld (vervolg... ) Voorbeeld II Vir die voorbeeld verander ons net: Die dienssikklus, D = 0,6 Gevolglik is: Die GS-busspanning, = 100 V Die dienssikklus, D = 0,6 Die gemiddelde uittreespanning van die GS-GS omsetter, V t = 60 V Met GS-motor se Teen-EMK, = 30 V Volg dat die ankerstroom, = 15 A Die GS-motor werk dus in die 1 ste kwadrant Dus sal Q 1 gelei, i.e. AAN wees, in die DT tyd en D 2 in die (1 D)T tyd 59 / 105 60 / 105
Twee-kwadrant GS-GS Omsetter Twee-kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Twee-Kwadrant GS-GS Omsetter Q 1 D 1 Q 2 D 2 A 1 Die motor kan egter elektries gerem word, aangesien die stroom rigting deur die motor (EN) omsetter kan omruil. Dit gebeur indien die gemiddelde uittree spanning van die omsetter, V T, laer is as die Teen-EMK,, van die motor is. Met I o negatief volg dit dat T o ook negatief sal wees. Ten einde die rigting van rotasie om te ruil moet óf die veld of die ankerterminale m.b.v. n meganiese skakelaar omgeruil word. Die GS-motor ken net in een rigting loop, aangesien die uittree spanninging van die die omsetter slegs tussen 0 & kan varieer. 61 / 105 62 / 105 Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter Q 1 D 1 Q 3 D 3 Q 1 Q 3 A 1 A 1 Q 2 D 2 Q 4 D 4 Q 2 Q 4 M.b.v. n vier-kwadrant GS-GS omsetter kan die stroom deur die GS-motor negatief raak ten einde die motor elektries te rem... EN die spanning oor die GS-motor kan negatief raak ten einde die rigting van rotasie van die motor om te ruil Q 1 en Q 4 word saam AAN geskakel vir D 100 % van die tyd, en Q 2 en Q 3 word saam AAN geskakel vir (1 D) 100 % van die tyd 63 / 105 64 / 105
Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter Q 1 Q 3 Q 1 Q 3 A 1 A 1 Q 2 Q 4 Q 2 Q 4 Met Q 1 en Q 4 AAN in die D T tyd en met Q 2 en Q 3 AAN in die (1 D) T tyd 65 / 105 66 / 105 Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter Gemiddelde uittree spanning van n Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter By terminaal gemeet: Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter Ongeag of IGBTs of MOSFETs gebruik word, sal die bestendig toestand stroombaan, vir motor werking in die 1 ste kwadrant as volg daar uitsien: V T1 By terminaal gemeet: V T1 Tussen en gemeet: = D = (1 D) V T ω m τ m V T1 = D (1 D) Dus met: = (2D 1) D = 100 % V T1 = D = 50 % V T1 = 0 D = 0 % V T1 = 67 / 105 68 / 105
Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) vir generator or rem werking in die 2 de kwadrant as volg daar uitsien: Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) vir generator or rem werking in die 4 de kwadrant as volg daar uitsien: V T ω m τ m V T ω m τ m vir motor werking in die 3 de kwadrant as volg daar uitsien: Met die gemiddelde klemspanning tussen T1 en T2, slegs n funksie van D & : V T ω m τ m V T = D (1 D) 69 / 105 70 / 105 Vier-Kwadrant GS-GS Omsetter (vervolg... ) n Vier-Kwadrant GS-GS omsetter is dus jou ideale servo versterker : v ref v err Gc(s) v fb v c 4 th Quad. D/D V t 1 i a T K mech m R a s a E a K m K fb s T load 1 B m sj m ω m Nie-ideale gedrag Verliese in die halfgeleier skakelaars Skakelverliese ignoreer... Geleidingsverliese diodes, transistors & IGBTs kan net stroom in een rigting gelei al is hulle HARD AAN geskakel, is die spanning óór hulle nie nul nie, maar gelyk aan n sogenaamde AAN spanning... Anode (A) v AK i AK athode (K) v E I E 71 / 105 72 / 105
Nie-ideale gedrag (vervolg... ) die geidingsverliese (afhangende van die stroomrigting) kan dus as volg bereken word: of P D = (1 D) v AK AAN Nie-ideale gedrag (vervolg... ) MOSFETS kan stroom in beide rigtings gelei al is hulle HARD AAN geskakel, is die spanning óór hulle ook nie nul nie, maar gelyk aan die produk van die stroom wat deur hulle vloei en hulle n sogenaamde AAN weerstand... Drain (D) P Q = D v E AAN Gate (G) I D Source (K) die geidingsverliese kan dus as volg bereken word: P Q = D 2 rds AAN 73 / 105 74 / 105 Uittree Spanning (V T ) met IGBTs Vir n vier-kwadrant omsetter wat van IGBTs gebruik maak, lyk die stroombaan in die: AAN tyd, of D T tyd, as volg, met die stroomrigting soos aangedui, Uittree Spanning (V T ) met IGBTs (vervolg... ) Vir n vier-kwadrant omsetter wat van IGBTs gebruik maak, lyk die stroombaan in die: AF tyd of (1 D) T tyd, as volg, met die stroomrigting soos aangedui, ve v T AAN v T AF vak ve vak die IGBTs gelei nou en die klem spanning vir die D T tyd kan as volg bereken word: die diodes gelei nou en die klem spanning vir die (1 D) T tyd kan as volg bereken word: v T AAN = 2 v E v T AF = ( 2 v AK ) 75 / 105 76 / 105
Uittree Spanning (V T ) met IGBTs (vervolg... ) Vir n vier-kwadrant omsetter wat van IGBTs gebruik maak, kan die stroombaan ook in die: AAN tyd of D T tyd, as volg daar uitsien, met die stroomrigting soos aangedui, Uittree Spanning (V T ) met IGBTs (vervolg... ) Vir n vier-kwadrant omsetter wat van IGBTs gebruik maak, kan die stroombaan in die: AF tyd of (1 D) T tyd, ook as volg daar uitsien, met die stroomrigting soos aangedui, vak ve v T AAN v T AF vak ve die diodes gelei nou en die klem spanning vir die D T tyd kan as volg bereken word: die IGBTs gelei nou en die klem spanning vir die (1 D) T tyd kan as volg bereken word: v T AAN = 2 v AK v T AF = ( 2 v E ) 77 / 105 78 / 105 Uittree Spanning (V T ) met MOSFETs Uittree Spanning (V T ) met MOSFETs (vervolg... ) Vir n vier-kwadrant omsetter wat van MOSFETs gebruik maak, lyk die stroombaan in die: AAN tyd of D T tyd, as volg, met die stroomrigting soos aangedui r DS v T AAN Die MOSFETs gelei en die klem spanning vir die D T tyd kan as volg bereken word: v T AAN = 2 r DS r DS Vir n vier-kwadrant omsetter wat van MOSFETs gebruik maak, lyk die stroombaan in die AF tyd of (1 D) T tyd, as volg, met die stroomrigting soos aangedui: V s r DS v T AF Die MOSFETs gelei en die klem spanning vir die (1 D) T tyd kan as volg bereken word: v T AF = ( 2 r DS ) r DS 79 / 105 80 / 105
Uittree Spanning (V T ) met MOSFETs (vervolg... ) Vir n vier-kwadrant omsetter wat van MOSFETs gebruik maak, kan die stroombaan in die AAN tyd of D T tyd, ook as volg daar uitsien, met die stroomrigting soos aangedui: Uittree Spanning (V T ) met MOSFETs (vervolg... ) Vir n vier-kwadrant omsetter wat van MOSFETs gebruik maak, kan die stroombaan in die AF tyd of (1 D) T tyd, ook as volg daar uitsien, met die stroomrigting soos aangedui: r DS v T AAN r DS V s r DS v T AF r DS Die MOSFETs gelei en die klem spanning vir die D T tyd kan as volg bereken word: Die MOSFETs gelei en die klem spanning vir die (1 D) T tyd kan as volg bereken word: v T AAN = 2 r DS v T AF = ( 2 r DS ) 81 / 105 82 / 105 met Borsel Verliese Indien die borselspannings, V b van die GS-masjien ook in ag geneem word, sal dit nie die gemiddelde klemspanning oor die motor nie, maar slegs die gemiddelde stroom deur die motor beïnvloed, Rimpelstroom Vir n vier-kwadrant omsetter wat van IGBTs gebruik maak, lyk die volledige stroombaan in die: AAN tyd of D T tyd, as volg, met die stroomrigting soos aangedui, V b ve V T 2 V b ω m τ m A 1 V b v A V b ve met: V T = D v T AAN (1 D) v T AF die IGBTs gelei nou en die spanning oor vir die AAN tyd kan volg bereken word: = V T 2 V b v A AAN = 2 v E 2 V b 83 / 105 84 / 105
Rimpelstroom (vervolg... ) Vir n vier-kwadrant omsetter wat van IGBTs gebruik maak, lyk die volledige stroombaan in die: AF tyd of (1 D) T tyd, as volg, met die stroomrigting soos aangedui, A 1 V V b s vak v A V b Die diodes gelei nou en die spanning oor vir die AF tyd kan volg bereken word: vak Rimpelstroom (vervolg... ) Die stroom rimpel I o sal nou om varieer. Die stroom rimpel kan as volg uitgewerk word: netso: AAN AF = v AAN T = v AAN D T = v AF (1 D) T v A AF = 2 v AK 2 V b 85 / 105 86 / 105 Rimpelstroom (vervolg... ) Vir die bestendige toestand, sal: AAN = AF = I o en V A = D v A AAN (1 D) v A AF = 0 Puls Wydte Modulasie (PWM) Fitzgerald et al Hfst 10.3.2 Puls Wydte Modulasie (PWM) Word vermag met n Puls Wydte Modulator Dit bestaan uit n dra-golf ( carrier wave ), gewoonlik in die vorm van n saagtands- of driehoeksgolf... Inligting/modulasie-sein wat die dienssiklus verwysings sein is... D out v carr v mod i.e. 25 % Diensiklus 87 / 105 88 / 105
Puls Wydte Modulasie (PWM) (vervolg... ) D out v carr mod i.e. 75 % Diensiklus Servobeheerder GS servomotor beheer Die verband tussen die verwysingsein en die dienssiklus is lineêr. Die verband tussen die dienssiklus en die uittreespanning is ook lineêr. n Vierkwadrant Pulse Wydte Gemoduleerde GS-GS omsetter, of Servo Versterker kan dus as n suiwer aanwins, sê, K PWM gemodelleer word, met 1 f s a R a J m Bm. T load v ref v err Gc(s) v c 4 th Quad. D/D V t 1 i a T K mech m R a s a 1 B m sj m ω m v fb E a K m K fb s 89 / 105 90 / 105 Vier-kwadrant GS-WS Omsetters Fitzgerald et al Hfst 10.3 GS na 1φ WS Omsetter Q 1 D 1 Q 3 D 3 Vier-kwadrant GS-WS Omsetters (vervolg... ) n Sinusvormige uittree word verkry deur die inligtings/modulasie-sein sinusvormig te varieer teen die verlangde uittree frekwensie, met die dra-golf frekwensie wat konstant bly. E s ± E s Q 2 D 2 Q 4 D 4 Aangesien beide die uittree spanning en stroom van n vier-kwadrant GS-GS omsetter positief of negatief kan wees, kan n vier-kwadrant GS-GS omsetter dus gebruik word as n GS na 1φ WS omsetter... 91 / 105 92 / 105
Vier-kwadrant GS-WS Omsetters (vervolg... ) Driefase GS na WS Omsetters Ten einde die harmoniek inhoud van die uittree te minimeer, word n driehoek vormige dra-golf verkies bo n saagtand vormige dra-golf. Fitzgerald et al Hfst 10.3.3 GS na 3φ WS Omsetters Vs Z Sien ook Fitzgerald et al Fig 10.47 U V W n GS na 3φ WS omsetter met Vs die GS intree en U, V & W die 3φ uittree terminale. Z Sien Fitzgerald et al Fig 10.48 93 / 105 Driefase GS na WS Omsetters (vervolg... ) 94 / 105 Digitale Beheerders EUV Die dspi30f4011/4012 van Microchip PTPER stel die teller se periode PTMR is waar die teller se waarde gestoor word EU PTON beheer hoe die teller gaan tel, net op (saagtand-golf) of op-en-af (driehoeksgolf) en oor hoeveel dooietyd daar benodig word PD1 is n diens-siklus vir fase A en beheer die PWM1H/PWM1 uittrees EV PD2 is n diens-siklus vir fase B en beheer die PWM2H/PWM2 uittrees PD3 is n diens-siklus vir fase en beheer die PWM3H/PWM3 uittrees EW 95 / 105 96 / 105
Digitale Beheerders Die dspi30f4011/4012 van Microchip PTPER PTMR PTON PD1 PD2 PD3 stel die teller se periode is waar die teller se waarde gestoor word beheer hoe die teller gaan tel, net op (saagtand-golf) of op-en-af (driehoeksgolf) en oor hoeveel dooietyd daar benodig word is n diens-siklus vir fase A en beheer die PWM1H/PWM1 uittrees is n diens-siklus vir fase B en beheer die PWM2H/PWM2 uittrees is n diens-siklus vir fase en beheer die PWM3H/PWM3 uittrees Verstelbare Spoed Drywe (VSDs) Fitzgerald et al Hfst 11.2 & 11.3 Verstelbare Spoed Dryf (VSDs) In vorige lesings het ons al gekyk na: Drywingselektroniese beheer van driefase induksiemasjiene Volts-per-Hertz beheer van n driefase induksiemasjien Draaimoment-Spoed kenkrommes vir V/Hz beheer Regeneratiewe/Dinamiese Remming m.b.v. V/Hz beheer Die ding / black box wat hiervoor gebruik word, staan bekend as n Verstelbare Spoed Dryf of Variable Speed Drive of VSD vir kort. die hart van n VSD is n GS na 3φ WS Omsetter 97 / 105 98 / 105 Verstelbare Spoed Drywe (VSDs) (vervolg... ) Verstelbare Spoed Drywe (VSDs) (vervolg... ) (i) (ii) (iii) B 1 1 2 3 B 2 U V W B.g. is die skematiese blokdiagram van n Danfoss VT R F302 AutomationDrive n VSD bestaan uit die volgende basiese dele: (i) Driefase (unidireksionele) gelykrigter (ii) Rem-kapper (iii) GS na 3φ WS (bidireksionele) omsetter 99 / 105 100 / 105
Verstelbare Spoed Drywe (VSDs) (vervolg... ) Verstelbare Spoed Drywe (VSDs) (vervolg... ) Fitzgerald et al Hfst 11.2.2 & 11.3.2 (Veld georienteerde) Draaimoment Beheer Verskillende gevorderde beheertegnieke bestaan waarmee die spoed en/of draaimoment van n driefase induksiemotor beheer kan word Al hierdie beheertegnieke pas basiese vektor beheer toe en word in die dq-vlak gedoen sien Bylaag f s f Basis VV plus Ramp f Motormodel I 0 θ0 Mains ~ Voltage vector generator (no load) θ Rectifier U f U θ xy ab f U θ U D = 3~ Switching logic T Interver Motor I SX0 I SY0 f oad compensator θ U comp p PWM-ASI Slip compensation I SX I SY xy ab 2 3 I u Iv Iw Fig. 2.34 Basis of VV plus control 101 / 105 102 / 105 Uitkomste vir die lesing Jy moet nou die volgende oor drywingselektronika verstaan: weet hoe werk n diode vanuit n stelsels vlak. weet wat die verskil tussen die volgende drywingselektroniese skakelaars is: MOSFET IGBT weet wat die voordeel van n drywingselektroniese omsetter is in vergelyking met n lineêre omsetter... weet hoe werk n (enkel-kwadrant) afkapper. weet hoe hoe die golfvorms in n afkapper lyk, met spesifieke verwysing na die spanning óór en stroom déúr elke skakelaar die spanning óór en stroom déúr elke diode die spanning óór en stroom déúr die (anker-) induktor Uitkomste vir die lesing (vervolg... ) weet hoe spoedbeheer m.b.v. n enkel-kwadrant afkapper d.m.v. klemspanningsbeheer gedoen kan word. weet wat met die kwadrante van werking bedoel word. vir n gegewe kwadrant, weet of die GS-masjien as n motor of generator werk. weet hoe werk n twee-kwadrant GS-GS omsetter weet hoe hoe die golfvorms in n twee-kwadrant GS-GS omsetter lyk, met spesifieke verwysing na die spanning óór en stroom déúr elke skakelaar die spanning óór en stroom déúr elke diode die spanning óór en stroom déúr die (anker-) induktor weet hoe spoed-/rembeheer m.b.v. n twee-kwadrant GS-GS omsetter gedoen kan word. weet hoe werk n vier-kwadrant GS-GS omsetter weet hoe hoe die golfvorms in n vier-kwadrant GS-GS omsetter lyk, met spesifieke verwysing na die spanning óór en stroom déúr elke skakelaar 103 / 105 104 / 105
Uitkomste vir die lesing (vervolg... ) die spanning óór en stroom déúr elke diode die spanning óór en stroom déúr die (anker-) induktor weet hoe spoed-/rembeheer m.b.v. n vier-kwadrant GS-GS omsetter gedoen kan word. weet hoe om die gemiddelde strome & spannings vir GS-aandryfstelsel uit te werk. weet hoe om die geleidingsverliese in n twee-kwadrant GS-GS omsetter uit te werk. weet hoe om die gemiddelde strome & spannings vir GS-aandryfstelsel uit te werk indien die AAN spannings of AAN weerstand van die IGBTs of MOSFETs in ag geneem word. 105 / 105