Mehatronika - odabrane komponente i njihova primjena - Saša Sladić, Goranka Štimac Rončević, Branimir Rončević

PREDGOVOR

Sveučilišni udžbenik "Mehatronika – Odabrane komponente i njihova primjena" prvi je u predviđenom kompletu udžbenika koji su rezultat nastojanja autora u povezivanju raznorodnih temeljnih znanja potrebnih suvremenim inženjerima tehničkih struka.

Namjera je autora osigurati širok, ali istovremeno i dovoljno detaljan pregled tema i nastavnih cjelina koje se inače nezavisno predaju na studijima elektrotehnike i strojarstva, a čijom se integracijom stvara interdisciplinarna podloga za razumijevanje širokog spektra elektromehaničkih sustava.

Udžbenik je po svojoj organizaciji jedinstven te se kao osnova pojavljuju različite elektroničke komponente sa stanovišta poluvodiča, uz dodatak kratkog pregleda valjnih ležajeva, kao sveprisutnih klasičnih elemenata strojeva, te aktivnih magnetskih ležajeva, kao primjera mehatroničkog sustava. Ovakav je koncept nadopunjen s različitim primjenama koje se susreću u području elektrostrojarstva (energetska elektronika i elektromotorni pogoni), također poznatom i kao mehatronika.

Nastanak ove knjige bio je dugotrajan i zahtjevan, kako zbog obimnosti obrađene materije, tako i zbog nastojanja da krajnji rezultat svojom kvalitetom opravda uloženi trud. Prilikom realizacije ovog udžbenika koristili su se materijali čije je prikupljanje bilo dugotrajno, a u cijeli je postupak bilo uključeno više profesora s različitih sveučilišta te više gospodarskih subjekata. Za pomoć u nastanku ovog udžbenika autori se zahvaljuju profesorima Tehničkog fakulteta: prof. dr. sc. Goranu Turkalju, koji je inicirao nastanak udžbenika ovog tipa i prof. dr. sc. Robertu Žiguliću na pomoći prilikom prikupljanja materijala. Prof. dr. sc. Zoranu Jurkoviću zahvaljujemo na recenziji i suradnji na zajedničkim projektima. Ugodna nam je dužnost posebnu zahvalu uputiti recenzentima, čiji je nesebičan angažman uvelike unaprijedio kvalitetu ovog djela. Prije svega, zahvaljujemo se predstojniku Instituta za robotiku, Fakulteta za elektrotehniku i računarstvo, Sveučilišta u Mariboru, Slovenija, prof. dr. sc. Miri Milanoviću.

Zahvalu prima i voditelj istraživačke skupine za električne strojeve i elektromotorne pogone sa Sveučilišta John Moores u Liverpoolu u Velikoj Britaniji, prof. dr. sc. Emil Levi. Također se zahvaljujemo izv. prof. dr. sc. Draženu Dujiću, voditelju laboratorija za energetsku elektroniku na EPFL-u (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne) u Švicarskoj na recenziji i brojnim sugestijama, posebice po pitanju primjene elektronike u lokomotivama i na brodovima.

Posebno se zahvaljujemo istaknutom hrvatskom znanstveniku i vojniku prof. dr. sc. Dariu Matiki (Tehničko veleučilište u Zagrebu, Sveučilište u Zagrebu), koji je napisao recenziju s vidika obje struke, strojarstva i elektrotehnike, te time dao neizostavan doprinos brojnim poglavljima udžbenika. Zahvaljujemo se Vladimiru Budislaviću, direktoru tvrtke Adria Electronic iz Rijeke, na potpori u prikupljanju podataka i na svekolikoj potpori njegove tvrtke, kao i Rafaeleu Rossiju, članu uprave tvrtke Carel iz Labina u prikupljanju podataka. Zahvalu za pomoć u prikupljanju podataka prima i Robert Košmerl iz tvrtke Danieli Systec. Nadalje, zahvaljujemo se Igoru Puriću, direktoru tvrtke Purić d.o.o. iz Samobora i kolegi Vladimiru Poljančiću (odjel Damko) na pomoći prilikom prikupljanja podataka i realizaciji udžbenika.

Zahvalu prima i tvrtka Končar – generatori i motori iz Zagreba. Zahvaljujemo se nekadašnjem voditelju kadrovske službe tvrtke Infineon iz Villacha (Austrija), Johannesu Aichholzeru na pomoći pri prikupljanju podataka i na poluvodičkim pločicama tvrtke Infineon.

Za poluvodičke pločice s Fakulteta za elektrotehniko, Univerze v Ljubljani, zahvaljujemo se prof. dr. sc. Janezu Trontelju. Studentu Antoniu Filipoviću sa Vizualnih komunikacija i grafičkog dizajna, Akademije primijenjenih umjetnosti u Rijeci zahvaljujemo se na angažmanu pri izradi ilustracija. I na kraju, posebna zahvala svakako odlazi našim roditeljima na podršci i pomoći u svakom trenutku života.

Autori  

SADRŽAJ 1. UVOD ..................................................................................................... 1

1.1. Učinska ili energetska elektronika ............................................................................................. 1 1.2. Poluvodičke učinske komponente i njihovi parametri ......................................................... 3 1.3. Mehaničke komponente i njihova primjena ............................................................................ 6 1.4. Prilog – trendovi u proizvodnji elektroničkih sklopki ......................................................... 7 2.

OSNOVNI POJMOVI UČINSKE ELEKTRONIKE ......................................................... 15

2.1. Efektivna vrijednost ..................................................................................................................... 15 2.2. Srednja vrijednost ......................................................................................................................... 16 2.3. Faktor snage ................................................................................................................................... 17 2.4. Faktor harmoničkog izobličenja .............................................................................................. 17 2.5. Amplitudni spektar signala ........................................................................................................ 18 2.6. Topologija ....................................................................................................................................... 18 2.7. Iskoristivost .................................................................................................................................... 18 2.8. Tipna snaga transformatora ...................................................................................................... 19 2.9. Energetske razine kod elektrotehničkih materijala ............................................................ 19 3.

UČINSKA DIODA I NJENA PRIMJENA ...................................................................... 21

3.1. PN spoj kao podloga za razumijevanje djelovanja učinskih sklopki .............................. 21 3.2. Osnove fenomenologije poluvodiča ........................................................................................ 24 3.2.1. Zenerov proboj .................................................................................................................. 24
3.2.2. Lavinski proboj .................................................................................................................. 25
3.3. Ispravljačke diode ......................................................................................................................... 25 3.4. Schottkyjeve diode ....................................................................................................................... 26 3.4.1. Značaj posebnih materijala ............................................................................................ 28
3.5. Zenerove diode i Zenerov proboj ............................................................................................ 29 3.6. Dijak ................................................................................................................................................. 30
3.7. Prenaponska dioda ....................................................................................................................... 31 3.8. Varistori ........................................................................................................................................... 32
3.9. Izrada poluvodičkih komponenata .......................................................................................... 32 3.9.1. Epitaksija ............................................................................................................................. 32
3.9.2. Tankoslojna tehnologija .................................................................................................. 33
3.9.3. Litografija i jetkanje ......................................................................................................... 33
3.9.4. Dopiranje difuzijom ......................................................................................................... 33
3.9.5. Dopiranje ionskom depozicijom .................................................................................. 34
3.9.6. Poluvodičke pločice ......................................................................................................... 34
3.10. Proizvodnja elektroničkih uređaja ........................................................................................ 35 3.11. Gubici na diodama ..................................................................................................................... 36 3.12. Usporedba diodnih spojeva ..................................................................................................... 38 3.13. Jednofazni poluvalni ispravljač............................................................................................... 39 3.14. Poluvalni spoj s porednom diodom i transformatorom .................................................. 40 3.15. Jednofazni spoj sa srednjom točkom .................................................................................... 41 3.16. Jednofazni mosni diodni spoj ................................................................................................. 43 3.17. Trofazni spoj sa srednjom točkom ........................................................................................ 45 3.18. Trofazni mosni diodni spoj zvijezda ..................................................................................... 47 3.19. Trofazni mosni diodni spoj trokut ........................................................................................ 49 3.20. Dvanaest-pulsni diodni spoj .................................................................................................... 51 3.21. Komutacija u ispravljačkim spojevima i njen utjecaj na djelovanje diodnih pretvarača..................................................................................................................... 55
3.21.1. Jednofazni poluvalni spoj ............................................................................................. 55
3.21.2. Jednofazni mosni spoj ................................................................................................... 58
3.21.3. Trofazni mosni spoj i njegova izlazna karakteristika ........................................... 65
3.22. Diodni spojevi s kapacitivnim trošilom ............................................................................... 67 3.23. Zapaženije primjene diodnih pretvarača ............................................................................. 69

4. BIPOLARNI TRANZISTOR I NJEGOV ZNAČAJ .................................................. 73

4.1. Djelovanje bipolarnog tranzistora ........................................................................................... 73 4.2. Primjena bipolarnog tranzistora .............................................................................................. 77 4.3. Izlazna karakteristika tranzistora i linearni regulator ....................................................... 78 4.3.1. Utjecaj smetnji na djelovanje regulatora .................................................................... 84
4.3.2. Zasićenje regulatora ......................................................................................................... 86
4.3.3. Teorem maksimalne snage ............................................................................................. 86
4.3.4. Aktivno područje tranzistora i njegova disipacija ................................................... 88
4.4. Tranzistor kao sklopka ............................................................................................................... 89 4.4.1. Bipolarni učinski tranzistor od silicij-karbida ......................................................... 96

5.UNIPOLARNI TRANZISTOR S EFEKTOM POLJA I NJEGOVA PRIMJENA U UČINSKOJ ELEKTRONICI .......................................................................................... 99

5.1. Silicij-karbid i unipolarni tranzistori .................................................................................... 100 5.1.2. Silicij-karbid i MOSFET ............................................................................................... 100
5.2. Tipovi tranzistora s efektom polja ......................................................................................... 102 5.3. Upravljački sklop tranzistora s efektom polja .................................................................... 103 5.4. Upravljački sklopovi tranzistora s efektom polja za niski potencijal ........................... 104 5.4.1. Negator .............................................................................................................................. 104
5.4.2. Nenegator kao alternativa negatoru .......................................................................... 107
5.4.3. Darlingtonov spoj ........................................................................................................... 108
5.5. Upravljački sklopovi tranzistora s efektom polja za viši potencijal ............................. 109 5.6. Jednokanalni generator upravljačkih signala ...................................................................... 111 5.7. Silazni pretvarač.......................................................................................................................... 111 5.7.1. Kontinuirani način djelovanja kod silaznog pretvarača ...................................... 112
5.7.2. Diskontinuirani način djelovanja kod silaznog pretvarača ................................. 119
5.8. Uzlazni pretvarač ........................................................................................................................ 122 5.8.1. Uzlazni pretvarač u neisprekidanom načinu rada ................................................. 122
5.8.2. Uzlazni pretvarač u isprekidanom načinu rada ..................................................... 129
5.9. Silazno-uzlazni pretvarač ......................................................................................................... 133 5.9.1. Silazno-uzlazni pretvarač u neisprekidanom načinu rada .................................. 133 5.9.2. Silazno-uzlazni pretvarač u isprekidanom načinu rada ...................................... 138
5.10. Ćukov pretvarač ....................................................................................................................... 142 5.11. Sepic pretvarač .......................................................................................................................... 142 5.11.1. Modificirani SEPIC pretvarač .................................................................................. 144
5.11.2. Usavršeni SEPIC pretvarač........................................................................................ 144
5.12. Zeta pretvarač ........................................................................................................................... 145 5.13. Primjena MOSFET-a kod prijenosnih računala .............................................................. 146 5.14. Izravni pretvarač s galvanskim odvajanjem ...................................................................... 147 5.15. Neizravni pretvarač s galvanskim odvajanjem ................................................................ 153 5.16. Primjena unipolarnih tranzistora kod kolektorskih strojeva ...................................... 163 5.17. Neidealne učinske komponente u pretvaračima ............................................................. 165 5.17.1. Utjecaj nelinearnosti prigušnice ............................................................................... 166
5.18. Primjena tranzistora s efektom polja kod punjača mobilnih telefona ....................... 168 5.19. Nelinearni efekti kod reguliranih istosmjernih pretvarača .......................................... 169 5.20. Razvoj i poboljšanje djelotvornosti istosmjernih pretvarača ....................................... 171 5.20.1. Načini za poboljšanje djelotvornosti kod silaznog pretvarača ........................ 173 5.20.2. Načini za poboljšanje djelotvornosti kod uzlaznog pretvarača ....................... 174 5.20.3. Načini za poboljšanje djelotvornosti kod neizravnog istosmjernog pretvarača s galvanskim odvajanjem.................................................................................... 176
5.21. Djelovanje pretvarača s povratnom vezom ....................................................................... 178 5.21.1. Hallova sonda ................................................................................................................ 179
5.22. Izrada elektroničkih sklopova .............................................................................................. 179

6. BIPOLARNI TRANZISTOR S EFEKTOM POLJA I NJEGOV GLOBALNI ZNAČAJ...183

6.1. Fenomenologija bipolarnog tranzistora s efektom polja ................................................. 186 6.2. Upravljački sklopovi za složenije pretvarače ...................................................................... 189 6.2.1. Jednokanalni generator upravljačkih signala .......................................................... 189
6.2.2. Dvokanalni generator upravljačkih signala ............................................................. 190
6.2.3. Sklopovi za prilagodbu upravljačkog signala .......................................................... 192
6.3. Izmjenjivači i njihov amplitudni spektar ............................................................................. 193 6.3.1. Smanjivanje prisutnosti viših harmoničkih komponenata ................................. 197
6.3.2. Smanjivanje prisutnosti treće harmoničke komponente ..................................... 200 6.3.3. Uklanjanje pete harmoničke komponente............................................................... 203
6.3.4. Uklanjanje sedme harmoničke komponente .......................................................... 204
6.3.5. Uklanjanje treće i pete harmoničke komponente .................................................. 204 6.3.6. Poništavanje treće harmoničke komponente .......................................................... 206
6.3.7. Poništavanje pete harmoničke komponente ........................................................... 207
6.3.8. Poništavanje sedme harmoničke komponente ....................................................... 207 6.3.9. Uklanjanje treće i poništavanje pete harmoničke komponente ......................... 207
6.4. Osnovne inačice širinsko impulsne modulacije ................................................................. 209 6.4.1. Bipolarna modulacija ..................................................................................................... 209
6.4.2. Unipolarna modulacija .................................................................................................. 219
6.4.3. Nesimetrična unipolarna modulacija ........................................................................ 223
6.5. Primjena bipolarnog tranzistora s efektom polja kod premještanja harmonika ...... 232 6.5.1. Skalarni model asinkronog stroja .............................................................................. 232
6.5.2. Klasične metode upravljanja asinkronih strojeva .................................................. 236
6.5.3. Dizalice .............................................................................................................................. 239
6.5.4. Vlakovi ............................................................................................................................... 240
6.5.5. Propulzija broda .............................................................................................................. 244
6.5.6. Električni automobili ..................................................................................................... 245
6.5.7. Izmjenjivači i automatizacija ....................................................................................... 246
6.6. Analogija trofaznih i jednofaznih spojeva ............................................................................ 247 6.6.1. Premodulacija .................................................................................................................. 250
6.6.2. Pravokutna modulacija ................................................................................................. 251
6.6.3. Primjena bipolarnog tranzistora s efektom polja u području zasićenja pretvarača................................................................................................................... 252
6.7. Rezonantni izmjenjivači ........................................................................................................... 253

7. RAZRED TIRISTORA I NJIHOVA PRIMJENA .............................................. 267

7.1. Fenomenologija tiristora .......................................................................................................... 268 7.1.1. Način djelovanja .............................................................................................................. 269
7.1.2. Efekt brzog povećanja struje ....................................................................................... 271
7.1.3. Efekt brzog povećanja napona .................................................................................... 272
7.2. Tiristor u istosmjernoj mreži .................................................................................................. 273 7.3. Tiristor u izmjeničnoj mreži.................................................................................................... 274
7.4. Trijak i dvosmjerni tiristor ...................................................................................................... 274
7.5. Tranzistorsko uklopivi tiristor ............................................................................................... 276
7.6. Fototranzistor .............................................................................................................................. 277 7.7. Geitom isklopivi tiristori .......................................................................................................... 277 7.8. Tranzistorsko upravljiv tiristor .............................................................................................. 278
7.9. Emiterom isklopivi tiristor ...................................................................................................... 279 7.10. Geitom isklopivi tiristor s preusmjeravanjem struje ...................................................... 280 7.11. Integrirani tiristor s preusmjeravanjem struje ................................................................. 280 7.12. Tiristor s efektom polja .......................................................................................................... 281 7.13. Statički tiristor .......................................................................................................................... 281 7.14. Tiristorski pretvarači .............................................................................................................. 282 7.15. Poluupravljivi ispravljači ........................................................................................................ 282 7.16. Upravljivi usmjerivači ............................................................................................................. 286 7.16.1. Izmjenjivčki način rada usmjerivača ....................................................................... 286
7.16.2. Upravljačka karakteristika usmjerivača ................................................................. 290
7.17. Trofazni usmjerivač sa srednjom točkom ......................................................................... 292 7.18. Trofazni mosni usmjerivač .................................................................................................... 297 7.19. Ciklopretvarači ......................................................................................................................... 302 7.20. Sinkropretvarači ....................................................................................................................... 304 7.21. Izmjenični pretvarači s faznom regulacijom ................................................................... 305 7.21.1. Jednofazni izravni izmjenični pretvarač s faznom regulacijom ...................... 305 7.21.2. Trofazni izravni izmjenični pretvarač s faznom regulacijom .......................... 308 7.21.3. Izmjenični pretvarači s regulacijom cijelih perioda ............................................ 313

8. ELEKTROMEHANIČKE I HIBRIDNE SKLOPKE TE NJIHOVA PRIMJENA ........ 321

8.1. Elektromehanički prekidač za primjenu u istosmjernim sustavima ............................ 323 8.2. Poluvodički prekidači ................................................................................................................ 324 8.3. Hibridni prekidači ...................................................................................................................... 325
8.4. Primjer upotrebe elektromehaničke sklopke kod fuzijskog reaktora ......................... 325

9. VALJNI LEŽAJEVI.................................................................................... 329

9.1. Primjena i podjela ležajeva ....................................................................................................... 329 9.2. Konstrukcija i podjela valjnih ležajeva .................................................................................. 332 9.3. Kriteriji odabira vrste ležaja .................................................................................................... 335 9.4.1. Uparivanje ležajeva ........................................................................................................ 336
9.4.2. Tolerancije pri ugradnji ................................................................................................. 337
9.5. Proračun opterećenja i nosivosti ............................................................................................ 337 9.5.1. Nosivost ležaja ................................................................................................................. 338
9.5.2. Statička nosivost ............................................................................................................. 338
9.5.3. Dinamička nosivost ........................................................................................................ 339
9.6. Trajnost ležaja .............................................................................................................................. 341 9.6.1. Trajnost jednog ležaja .................................................................................................... 341
9.6.2. Trajnost jednog ležaja za neustaljene uvjete rada .................................................. 345 9.6.3. Trajnost grupe ležajeva ................................................................................................. 346

10. AKTIVNI MAGNETSKI LEŽAJEVI ............................................................................... 349

10.1. Značaj i primjena ...................................................................................................................... 349 10.2. Osnovni princip rada .............................................................................................................. 351 10.3. Elektromagnet i model magnetskih ležajeva .................................................................... 354 10.3.1. Elektromagnet i njegovo djelovanje ........................................................................ 354 10.3.2. Elektromagnetska sila ................................................................................................. 355
10.3.3. Modeliranje sile magnetskih ležajeva ..................................................................... 360 10.3.4. Rotor s jednim stupnjem slobode gibanja .............................................................. 363 10.3.5. Model senzora i energetskog pretvarača ............................................................... 364
10.4. Nosivost ležaja .......................................................................................................................... 365 10.5. PID regulacija AML sustava .................................................................................................. 367 10.5.1. Proporcionalno-integralno-derivacijski (PID) regulator .................................. 368 10.5.2. PD regulatori za AML sustav s jednim stupnjem slobode gibanja .................. 370 10.5.2.1. Mehanička analogija ................................................................................... 371
10.5.2.2. Odabir pojačanja proporcionalnog i derivacijskog djelovanja ....... 373
10.6. AML sustavi s krutim rotorom............................................................................................. 376 10.6.1. Modeliranje krutog rotora ......................................................................................... 377
10.6.2. Opća konfiguracija regulacije rotorskog sustava ................................................ 382 10.6.3. Funkcija osjetljivosti i ISO standard za magnetske ležajeve ............................ 383 10.6.4. Decentralizirana regulacija krutog rotora ............................................................. 384 Dodatak 10.a: Laplaceova transformacija .................................................................................... 387