TEORIA PRZEKSZTAŁTNIKÓW. Kurs elementarny Zakres przedmiotu: ( 7 dwugodzinnych wykładów :) W4. Złożone i specjalne układy przekształtników sieciowych

Transkrypt

1 EORA PRZEKSZAŁNKÓW W1. Wiadomości wsępne W. Przekszałniki sieciowe 1 W3. Przekszałniki sieciowe Kurs elemenarny Zakres przedmiou: ( 7 dwugodzinnych wykładów :) W4. Złożone i specjalne układy przekszałników sieciowych W5. Przekszałniki impulsowe napięcia sałego 1 W6. Przekszałniki impulsowe napięcia sałego W7. Falowniki Prezenacje usne w czasie wykładów będą sanowiły poszerzony komenarz do przekazanego sudenom maeriału podsawowego. W ekście ego maeriału zosaną zaware odnośniki do wskazanej lieraury [L...] Lieraura: [L1]. unia H., Barlik R. eoria przekszałników PW 003 [L]. Barlik R, Nowak M. echnika yrysorowa WN 1994 [L3]. Mikołajuk K. Podsawy analizy obwodów energoelekronicznych PWN 1998 [L4]. Nowak M. Barlik R. i inni Układy energoelekroniczne WN 198 [L5] Nowak M. Barlik R. Poradnik nżyniera Energoelekronika WN 1998 [L6] Mohan N., Undeland.M., Robbins W.P. Power elecronics JW&S NJ 1995 Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy/marzec 005

2 W1. WADOMOŚC WSĘPNE eoria przekszałników - dział szerokiej dyscypliny - energoelekroniki (ang. Power Elecronics, niem. Leisungselekronik). eoria przekszałników jes przykładem zasosowania meod analizy obwodów do grupy układów zbudowanych z zasosowaniem łączników dwusanowych Energoelekronika obejmuje nasępujące działy: analiza i projekowanie obwodów przekszałnikowych ( główny przedmio wykładu: eoria Przekszałników budowa, właściwości i sposób użykowania elemenów worzących układy przekszałnikowe ( echnologie konsrukcji) meody i układy serowania przekszałników. Zajmując się analizą i opisem właściwości poszczególnych obwodów nie można absrahować od właściwości i paramerów komponenów ( łączników półprzewodnikowych, elemenów magazynujących energię ) a akże od specyfiki serowania przekszałników za pośrednicwem dwusanowych łączników. Rys.1.1. Przykładowy schema poboru i konwersji energii elekrycznej z zasosowaniem przekszałników Moc sosowanych przekszałników 0,1 W - 10 GW ( ) Liczba przekszałników ~10 10 W krajach wysokorozwinięych - /3 energii elekrycznej jes udoskonalane za pomocą przekszałników. Oznacza o, że energia rozprowadzana przez sysemy energeyczne jes swojego rodzaju półprodukem. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy/marzec 005

3 ypowe źródła zasilające - sieć 50 Hz 1-3 fazowa - baerie akumulaorów i superkondensaorów - lokalne generaory z silnikami spalinowymi, - mikrourbiny parowe, wodne, wiarowe - ogniwa fooelekryczne, paliwowe Odbiorniki ( ogólny podział): napięcia i prądu sałego napięcia i prądu zmiennego - o sałej lub zmiennej częsoliwości - jedno lub wielofazowe Podsawowe przemiany energii elekrycznej dokonywane za pomocą przekszałników Rys.1.. Bloki reprezenujące podsawowe przemiany w przekszałnikach Meody opisu i analiza napięć i prądów w obwodach przekszałników: -podejście klasyczne na podsawie wzorów analiycznych wyznaczonych jako rozwiązanie równań różniczkowych przedziałami czasowymi liniowych powiązanych warunkami brzegowymi. Uzyskuje się ą drogą zależności o charakerze ogólnym. - analiza kompuerowa - symulacja z zasosowaniem sandardowych meod numerycznych bazujących na zmiennych sanu z uwzględnieniem przełączanych modeli łączników ( zmienna rezysancja zależnie od sany łącznika) - analiza spekralna w funkcji częsoliwości służąca do globalnej oceny przebiegów napięcia i prądu wywarzanych w przekszałnikach. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy/marzec 005

4 Elemeny układów energoelekronicznych [L1: sr 9-35] ([L5: sr75-333], Przyrządy półprzewodnikowe mocy - łączniki serowane w pierwszym sopniu analizy rakowane są częso jako idealne z punku widzenia charakerysyk napięciowo - prądowych (U F = 0 przy przewodzeniu, DR =0 przy blokowaniu i w sanie zaworowym) i czasów przełączania ( S = 0). Można powiedzieć, że idealne łączniki energoelekroniczne są bezsrane. Rys.1.3. Charakerysyki napięciowo-prądowe idealnego łącznika Charakerysyki elemenów rzeczywisych są ograniczone do wybranych ćwiarek układu U-. ( Rys.4) Rys.1.4. Charakerysyki idealne łączników rzeczywisych Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy/marzec 005

5 Rys.1.5. Modele łączników energoelekronicznych w sanie przewodzenia i w sanie blokowania i zaworowym Charakerysyki rzeczywise przyrządów są dla poszczególnych sanów inerpreowane jako połączenie rezysancji i źródeł napięcia lub prądu. Spadek napięcia na łączniku przewodzącym prąd sanowi jeden z podsawowych paramerów; U = U + F Dla ak zdefiniowanej charakerysyki przewodzenia można wyznaczyć moc sra przewodzenia dla okresowych przebiegów prądu sr _ przew O O ( AV ) r P = U + r F F ( RMS ) Charakerysyki dla sanów blokowania i zaworowego są zwykle reprezenowane przez rezysancję dążącą do nieskończoności. Podsawowym paramerem dla ych sanów jes dopuszczalna warość napięcia wynikająca z wyrzymałości napięciowej złączy p-n w krzemie (napięcie przebicia lawinowego) Rys.1.6. Charakerysyki w sanie blokowania i zaworowym z uwzględnieniem zjawiska przebicia. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy/marzec 005

6 Podsawowe maksymalne paramery sayczne charakeryzujące najczęściej sosowane łączniki półprzewodnikowe zesawiono w ablicy z rys 1.7 Rys.1.7. abela przedsawiająca właściwości powszechnie sosowanych łączników półprzewodnikowych. (U R napięcie wseczne, U D napięcie zgodne blokowane) Rys.1.8. Uproszczone przebiegi prądów i napięć i mocy sra łączników podczas załączania i wyłączania. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy/marzec 005

7 Poza charakerysykami saycznymi właściwości łączników opisują paramery dynamiczne ak jak o przedsawiono na rysunku 1.7. Poza ypowymi warościami czasów on i off, proces załączania i wyłączania jes opisany za pomocą warości energii raconej przy przełączaniu zdefiniowanej nasępująco + on E on = u( ) i( ) d oraz E off = u( ) i( ) d + off Na podsawie dosarczonych przez producena warości energii przełączania sprowadzonych do rzeczywisych warości napięcia i prądu, przy kórych dokonywane jes przełączanie można wyliczyć moc sray łączeniowych korzysając z wzoru P = f ( E + E sr _ lacz S Od paramerów dynamicznych zależy częsoliwość łączeń osiągana przez poszczególne rodzaje i ypy łączników. Na wykresie z rysunku 1.9 zaprezenowano orienacyjny podział zasosowań poszczególnych ypów łączników w zależności od przełączanej mocy i częsoliwości łączeń. on off ) Rys.1.9. Wykres obrazujący ypowe zakresy zasosowań łączników w dziedzinie mocy i częsoliwości łączeń Pyanie: Dlaczego MOS jes szczególnie użyeczny w przekszałnikach na niskie napięcia. Jak obliczać moc sra przewodzenia dla MOS-ów. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy/marzec 005

8 PODSAWOWE ZALEŻNOŚC SOSOWANE PRZY OPSE ANALZE OBWODÓW PRZEKSZAŁNKOWYCH [L3; sr 16-36] Analiza spekralna: Przebiegi napięć i prądów formowanych w przekszałnikach mają z reguły formę okresowych odkszałconych. Meoda analizy spekralnej opara na rozkładzie na szereg Fouriera jes niezwykle efekywnym narzędziem umożliwiającym scharakeryzowanie i porównanie właściwości określonych przebiegów. Rys.10. Przykładowy przebieg prądu sosowny do analizy spekralnej z zasosowaniem szeregu Fourier a ak dla przykładowego przebiegu prądu jak na rys.10 można wyznaczyć szereg nieskończony o posaci: i( ) gdzie: 0 ak = 0 + km sin( ωk + ϕk) k = 1 = 1 + i( ) d;.. = + = km ak bk ; ϕk arcg ak = + i( )coskωd + ;... bk = i( )sin bk kωd Powyższe wzory mogą być oczywiście sosowane w formie odpowiadającej prezenacji przebiegu w uogólnionej posaci jako funkcja kąa ω (okres odpowiada kąowi π). Przy analizie spekralnej w szeregu wypadków szczególne znaczenie ma pierwsza harmoniczna zwana podsawową bądź użyeczną. Wyższe harmoniczne zwykle mają charaker pasożyniczy i podejmowane są działania dla ich usunięcia Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy/marzec 005

9 lub minimalizacji. Dla oceny przebiegu badana jes relacja pomiędzy harmoniczną podsawową a sumą wyższych harmonicznych harmonicznymi Warość średnia, skueczna, całkowiy współczynnik deformacji Warość średnia ( AV - average) odpowiada składowej zerowej w szeregu Fouriera. Warość średnia w obwodach napięcia i prądu sałego spełnia funkcję składowej podsawowej - użyecznej. Warunek zerowej warości napięcia średniego na indukcyjności oraz prądu średniego w kondensaorze jes częso w analizie równoznaczne ze spełnieniem warunku sanu pracy usalonej ( quasi-usalonej). + 1 AV = i( ) d Warość skueczna ( RMS - roo-mean square) definiowana jako warość prądu sałego kóra płynąc przez rezysancję wywołuje akie same sray mocy jak rozparywany okresowy przebieg o dowolnym kszałcie. + 1 RMSR = i ( ) Rd czyli + 1 RMS = i ( ) d Definicja wywodzi się z porzeby charakerysyki fali prądu ale okazała się również użyeczna w odniesieniu do napięcia Warość skueczna przebiegu odkszałconego w domenie harmonicznych jes określona wzorem RMS = 1RMS + RMS +... krms = k= 1 krms Dla oceny deformacji przebiegu w porównaniu z przebiegiem odpowiadającym pierwszej harmonicznej ( użyecznej ) sosuję się powszechnie całkowiy współczynnik deformacji(hd - oal harmonic disorion) zdefiniowany jak nasępuje:! Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy/marzec 005

10 HD = k= 1RMS krms 100% Ponieważ wyznaczenie sumy wyższych harmonicznych jes rudne wzór można przekszałcić do posaci, w kórej korzysa się z warości skuecznej przebiegu odkszałconego i warości skuecznej pierwszej harmonicznej: HD = RMS 1RMS 1RMS 100% Problem: Wyznaczyć warości skueczne prądu oraz HD dla fali o kszałcie jak na rysunku w funkcji paramerów oznaczonych na wykresach. Rys.1.1 Problem. Wyznaczyć jak zawarość 1 i 3 harmonicznej zależy od kąa w przebiegu podanym na rys. Rys..1 Pyanie: Podać wykres prążków spekrum do 10 harmonicznej dla przebiegów na rys..13. Rys..13. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy/marzec 005