Energetska elektronika
1
ENERGETSKA ELEKTRONIKA
ver. 1.
pripremio: Doc. dr. sc. Danko Kezić
1. UVOD
Definicija Energetska elektronike glasi: «Energetska elektronika je dio
elektronike koji se koristi za pretvorbu parametara električne energije i za upravljanje
tokom električne energije».
U gornjoj definiciji se javljaju dva ključna pojma: «
elektronika»
i
«parametri
električne energije»
.
Elektronika je grana znanosti i tehnike koja obuhvaća izučavanje i primjenu onih
pojava povezanih s gibanjem slobodnih elektrona i električki nabijenih čestica u
vakuumu, plinovima, tekućinama i poluvodičima. Gibanja čestica se ostvaruje u
komponentama elektroničkih uređaja. Dakle, ako neki sklop sadrži elektroničku
komponentu, onda je to elektronički sklop i pripada grani znanosti koja se naziva
elektronika
. Parametri električke energije su: valni oblik napona, valni oblik struje,
frekvencija i broj faza.
Sl. 1. Proizvodnja, prijenos, distribucija, razdioba i potrošnja električne energije
Na slici 1 prikazana je blokovska shema na kojoj se vidi proces proizvodnje,
prijenosa, distribucije i potrošnje električne energije na kopnu.
Energetska elektronika
2
Proizvodnja električne energije počinje u indirektnom ili direktnom pretvaraču
energije. Primarna energija uskladištena u ugljenu, nafti, vodi, izotopima ili suncu se u
ovim pretvaračima pretvara u električnu energiju.
Indirektni pretvarači generiraju električku energiju na način da se primarni oblik
energije pretvori u mehaničku energiju, a potom se ta mehanička energija u generatoru
pretvara u električnu. Primjer može biti potencijalna energija vode ili kemijska energija
nafte, koja se prvo pretvara u mehaničku energiju u turbini ili dizel motoru, da bi se tek
tada mehanička energija u generatoru pretvorila u električnu energiju.
S druge pak strane direktni pretvarači izravno pretvaraju primarni oblik energije
u električnu energiju. Primjer su solarni, paneli koji direktno pretvaraju energiju sunca u
električnu energiju u poluvodičkim solarnim ćelijama.
Napon generatora električne struje (indirektnog pretvarača energije) je nedovoljan
za prijenos energije na velike udaljenosti. Stoga je potrebno napon generatora
transformirati na veći napon (sa 10 kV na 400 kV izmjenične struje), i s tako visokim
naponima dalekovodima prenositi električnu energiju na velike udaljenost. Na mjestu
gdje se namjerava potrošiti električna energija, izmjenični napon se ponovo transformira
na niže napone te distributivna mreža takovu energiju distribuira trošilima. To je
normalni tijek električne energije. Uređaji energetske elektronike su sadržani u
izmjeničnom generatoru (tiristorski ispravljači struju uzbude generatora), također u
pretvaračima za pogon pojedinih trošila (regulatori brzine elektromotora, regulatori
rasvjete i slično), te u dinamičkim kompenzatorima jalove snage koji se mogu javiti na
strani potrošnje.
U slučaju da na izmjeničnu mrežu želimo priključiti direktni pretvarač energije
koji u pravilu generira istosmjernu električnu energiju, potrebno je koristiti još jedan
uređaj energetske elektronike koji pretvara istosmjernu u izmjeničnu energiju, a koji se
zove izmjenjivač ili invertor.
Pored toga, u zadnje vrijeme se uređaji energetske elektronike koriste u prijenosu
energije na velike udaljenosti ( vidi sliku 1 ). Pri tome se koriste veoma visoki istosmjerni
naponi ( reda veličine 400 kV) radi manjih gubitaka. Izmjenična energija se pretvara u
istosmjernu prije prijenosa na veliku udaljenost pomoću ispravljača, da bi se potom
invertorima istosmjerna energija pretvorila u izmjeničnu. Ova konverzija se vrši pomoću
poluvodičkih elemenata, dioda i tiristora. Do prije desetak godina je bilo nezamislivo da
poluvodički elementi mogu podnositi tako velike napone i snage, no danas smo svjedoci
proizvodnje novih, vrlo moćnih poluvodičkih elemenata.
Uređaji energetske elektronike se na strani potrošnje električne energije koriste u
regulaciji istosmjernih i izmjeničnih elektromotornih pogona, elektrotermiji (zagrijavanje
visokofrekventnom električnom strujom ), elektokemiji ( galvanizacija ). Također se
koriste za neprekinuto napajanje izmjeničnim i istosmjernim naponom. Uklapanju trošila
( softstart ), u sustavima klimatizacije, rasvjete, računalne opreme, dizalima i slično.
Brojne su primjene na brodu i iz dana u dan su sve brojnije i brojnije. Primjer su
Energetska elektronika
4
invertori )
(DC /AC pretvarači). Izravni pretvarači koji pretvaraju izmjeničnu energiju u
izmjeničnu energiju nazivaju se
izmjenični pretvarači
(AC /AC pretvarači).
Izmjenično-izmjenična pretvorba se u neizravnom pretvaraču vrši tako da se prvo
ispravljačem izmjenična struja pretvori u istosmjernu, a zatim istosmjerna struja u
izmjeničnu. Također je moguće obaviti i istosmjerno-istosmjernu pretvorbu u neizravnom
pretvaraču na način da se odgovarajući istosmjerni napon izmjenjivačem prvo pretvori u
izmjenični, a zatim ispravljačem vrati u odgovarajući istosmjerni). Energetska
elektronika ne izučava neizravne pretvarače koji se sastoje od motora i generatora, nego
isključivo od poluvodičkih elemenata.
Na slici 3 prikazan je cilj koji se želi postići električkim pretvaračem i način na
koji je to moguće postići.
Sl. 3. Cilj i način ostvarivanja pretvorbe
Osnovni cilj je promijeniti određene parametre električnu energije. Na sl. 3a je
prikazan primjer izmjeničnog ili istosmjernog napona na ulazu koji se pretvara u manji ili
veći napon koji na izlazu iz pretvarača. Način ostvarenja cilja uporaba pretvarača koji je
prikazan na sl. 3b, a koji se sastoji isključivo od kapacitivnih, magnetskih i sklopnih
elemenata. Pored toga, pretvarač koristi senzore koji mu omogućavaju da nadgleda
Energetska elektronika
5
parametre električne energije na ulazu i izlazu, te u slučaju bilo kakovih iznenadnih
promjena, korigira svoj rad.
Elektronički energetski pretvarač može se definirati kao operativna jedinica za
elektroničku energetsku pretvorbu koja sadrži jedan ili više elektroničkih ventila, te
transformatore, kondenzatore, filtere i upravljačke sklopove, te ako je potrebno i ostale
pomoćne sklopove ako ih ima.
Struktura elektroničkog energetskog pretvarača prikazana je na slici 3a.
Sl 3a. Struktura pretvarača
Pretvarač na slici 3a mijenja električne parametre sustava A u odgovarajuće
parametre sustava B. Informacijski dio se sastoji od sklopova analogne i digitalne
elektronike. Zadatak informacijskog dijela je da pomoću senzora skuplja odgovarajuće
informacije iz sustava A i sustava B, te na temelju tih podataka i informacije o željenim
izlaznim veličinama pretvarača, upravlja energetskim dijelom pretvarača. Kao primjer
prikažimo strukturu elektroničkog energetskog pretvarača za napajanje istosmjernog
motora (vidi sliku 3b).
Sustav A
U
1
,
I
1
,
f
1
,
P
1
Sustav B
U
2
,
I
2
,
f
2
,
P
2
Energetski dio
(energetski krug)
Informacijski dio
Tok energije
Informacija o željenim izlaznim
veličinama pretvarača
Pretvarač
Energetska elektronika
7
Sl 3c. Usporedba informacijske i energetske elektronike
Uređaji informacijske elektronika procesiraju informaciju. Oni dakle obrađuju
ulaznu informaciju da bi na izlazu dobili obrađenu izlaznu informaciju. U svome radu
naravno troše električnu energiju. Primjer je informacijski dio pretvarača, ali i ostali
slabostrujni elektronički uređaji ( mobiteli, TV, kompjuteri …). Uređaji energetske
elektronike procesiraju energiju, a da bi to procesiranje uspješno izveli moraju primati
informacije koje daje informacijska elektronika.
Na gornjim slikama je prikazano da informacijska elektronika koristi komponente
kao što su otpori, kondenzatori i poluvodiči koje rade u linearnom i prekidačkom načinu
rada. Informacijska elektronika ne koristi magnetske elemente radi njihovih velikih
dimenzija. S druge pak strane, energetska elektronika u pretvaračkim sklopovima ne
koriste otpornike i poluvodiče u linearnom modu rada radi disipacije snage na tim
elementima (pretvarački sklopovi moraju raditi sa malim gubitcima energije).
Predmet proučavanja energetske elektronike su:
-
komponente sklopova energetske elektronike (elektronički učinski ventili,
poluvodički učinski ventili, magnetske komponente – transformatori i
prigušnice, kondenzatori, ostale komponente – osigurači, prigušni članovi i
slično),
-
sklopovi (za ispravljanje, za izmjenjivanje, za istosmjernu pretvorbu, za
izmjeničnu pretvorbu),
-
komponente uređaja i uređaji energetske elektronike ( regulacijski krugovi,
krugovi upravljanja, signalizacije i zaštite, filtri, titrajni krugovi …)
