ELEKTRONIKA. SS-I, AiR, III sem. Wykład 30h, Laboratorium 30h (H22/B3) SS-I, AiR, IV sem. Wykład 30h, Laboratorium 30h ( p.620 )

Transkrypt

1 ELEKTRONIKA SS-I, AiR, III sem. Wykład 30h, Laboratorium 30h (H22/B3) SS-I, AiR, IV sem. Wykład 30h, Laboratorium 30h ( p.620 ) Wykład (IVsem): Energoelektronika dr inż. Jan Deskur, pok. 626, tel , (dom) Jan.Deskur@put.poznan.pl Zakład Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Instutut Automatyki i Inżynierii Informatycznej Laboratorium (p.620) : Zakład Energoelektroniki i Sterowania, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej michal.krystkowiak@put.poznan.pl

2 Program wykładów Wprowadzenie Przegląd półprzewodnikowych przyrządów mocy Przekształtniki o komutacji sieciowej Przekształtniki impulsowe Przekształtniki rezonansowe Wybrane zastosowania układów energoelektronicznych Wybrane zagadnienia projektowe i eksploatacyjne 2h 2h 6h 6h 4h 6h 4h EN- w01 2

3 Literatura przedmiotu - książki i skrypty 1. Marian P. Kaźmierkowski, Jerzy T. Matysik WPROWADZENIE DO ELEKTRONIKI I ENERGOELEKTRONIKI Oficyna Wyd. PW, Warszawa 2005, 432s. 2. Leszek Frąckowiak, Stefan Januszewski ENERGOELEKTRONIKA, Część I Półprzewodnikowe przyrządy i moduły energoelektroniczne, WPP, Poznań 2001, 166s. 3. Leszek Frąckowiak, ENERGOELEKTRONIKA, cz.2, wyd.5, WPP, Poznań 2003, 354s. 4. Henryk Tunia, Roman Barlik, TEORIA PRZEKASZTAŁTNIKÓW, Oficyna Wydawnicza Poltechniki Warszawskiej, Warszawa 2003, 304s. 5. S. Januszewski, A. Pytlak, M. Rosnowska-Nowaczyk, H. Świątek, ENERGOELEKTRONIKA, WSiP, Warszawa 2004, 296s. 6. Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robins, POWER ELECTRONICS, Converters, Applications and Design, 3-rd edition, Wiley, 2003, 802 pp. EN- w01 3

4 Pomoce dydaktyczne: komputerowe ćwiczenia interaktywne EN- w01 4

5 Pomoce dydaktyczne: komputerowe ćwiczenia interaktywne 5

6 Wirtualne Internetowe Laboratorium Energoelektroniki 6

7 Układ (system) energoelektroniczny Schemat blokowy Rola przekształtnika w systemie Powody szybkiego rozwoju energoelektroniki 7

8 Zasilacz (mikro-)elektroniczny o działaniu ciągłym Tranzystor jako sterowany rezystor Niska sprawność Duży i ciężki 8

9 Zasilacz impulsowy (mikro- lub energoelektroniczny) Tranzystor jako sterowany łącznik Wysoka sprawność Transformator wysokiej częstotliwości 9

10 Podstawy działania przekształtników impulsowych Stała częstotliwość przełączeń Sterowanie wartością średnią przez zmianę szerokości impulsów (MSI,PWM) Filtr L-C wygładza tętnienia 10

11 Zastosowanie energoelektroniki w napędach o nastawialnej prędkości 11

12 Kolejność omawiania zagadnień (Mohan [ ]) Znaczenie omawianych układów energoelektronicznych Opis układu w czterech segmentach (krokach): Opis funkcjonalny urządzeń Możliwości PPE (półprzewodnikowych przyrządów mocy) i struktur przekształtników Rola energoelektroniki w przetwarzaniu energii Szczegóły budowy i działania przekształtników 12

13 Znaczenie energoelektroniki w przetwarzaniu energii Zwiększa się ilość zastosowań energoelektroniki w systemie elektroenergetycznym Wzrost możliwości PPE Rozproszone odnawialne źródła energii Wzrost przepustowości istniejących łączy energetycznych Skuteczne sterowanie przepływem mocy Normy jakości mocy Elektrownie Elektrociepłownie Zakłady wytwórcze Budynki przemysłowe Domy mieszkalne Ogniwa paliwowe Budynki inteligentne, o podwyższonym komforcie Centrum zarządzające Ogniwa słoneczne Budynki energooszczędne Elektrownie wiatrowe Wieś Strefy handlowe Mikro-turbiny Szpital Strefy handlowe Future Power System 13

14 Podejście do nauczania energoelektroniki Z góry w dół, w czterech krokach Funkcja energoelektroniki jako układów sprzęgających, wyliczenie zastosowań Możliwości PPE i wynikające z nich możliwe struktury przekształtników sprzęgających podsystemy energetyczne Znaczenie i rola sprzęgów energoelektronicznych w różnych zastosowaniach Omówienie szczegółów konstrukcyjnych i charakterystyk różnych urządzeń 14

15 1. Funkcje przekształtnika energoelektronicznego Przekształtnik Źródło Obciążenie Regulator Pozwala połączyć dwa różne podsystemy elektryczne (np. ac/dc, ac/ac), np.: Połączenie dwóch podsystemów prądu zmiennego Przekształcenie mocy dc/as potrzebne np. do dołączenia baterii ogniw fotowoltaicznych do sieci prądu przemiennego 15

16 1. Przykłady zastosowań Rozproszona produkcja energii elektrycznej Źródła odnawialne (turbiny wiatrowe, ogniwa fotowoltaiczne) Ogniwa paliwowe i mikroturbiny Magazynowanie energii: baterie, koła zamachowe, superprzewodzące magnesy Odbiorniki energoelektroniczne: regulowane napędy elektryczne Poprawa jakości i niezawodności dostaw energii Podwójne zasilanie Bezprzerwowe zasilanie (UPS) Dynamiczne odtwarzacze napięcia Przesył i rozdział energii) Linie prądu stałego wysokiego (HVDC) i średniego napięcia Flexible AC Transmission Systems (FACTS): Kompensacja szeregowa i równoległa, przepływ energii przy jednostkowym współczynniku mocy 16

17 2: Możliwości PPE (półprzewodnikowych przyrządów mocy) i wynikające z nich struktury przekształtników Power (VA) Thyristor PPE i ich możliwości Polaryzacja napięć blokowanych i kierunek prądu przewodzenia Prędkości przełączania i moce znamionowe 10 8 Thyristor IGCT 10 6 IGCT IGBT MOSFET IGBT MOSFET Switching Frequency (Hz) 17

18 2: Struktury przekształtników energoelektronicznych Przekształtniki ze sprzężeniem napięciowym Tranzystory i diody, które mogą blokować napięcia tylko w jednym kierunku AC1 AC2 Sprzężenie prądowe Tyrystory mają większą moc i mogą blokować napięcia w obu kierunkach AC1 AC2 Łączniki bezstykowe Dwukierunkowe blokowanie napięcia i dwukierunkowe przewodzenie prądu 18

19 3: Rola energoelektroniki w ważnych zastosowaniach Energoelektroniczny przekształtnik sprzęgający zależy od charakterystyk niekonwencjonalnego źródła energii Wound rotor Induction Generator Isolated DC-DC Converter PWM Converter AC DC Wind Turbine DC Generator-side Converter AC Grid-side Converter Max. Powerpoint Tracker Utility 1f Wind Power Generation with Doubly Fed Induction Motors 19

20 3: Rola energoelektroniki w ważnych zastosowaniach Power Electronic Loads: Adjustable Speed Drives Utility Switch-mode Converter Motor Rectifier Controller 20

21 3: Rola energoelektroniki w ważnych zastosowaniach Jakość energii Odkształcenie napięcia Niesymetrie fazowe Spadki i załamania napięcia Zanik mocy zasilania Power Electronic Interface Dynamic Voltage Restorers (DVR) Load Feeder 1 Rectifier Inverter Filter Critical Load Feeder 2 Dual Feeders Load Energy Storage Uninterruptible Power Supplies 21

22 3: Rola energoelektroniki w ważnych zastosowaniach Transmission and Distribution: DC Transmission most flexible solution for connection of two ac systems AC1 AC2 AC1 AC2 HVDC MVDC 22

23 3: Rola energoelektroniki w ważnych zastosowaniach Transmission and Distribution: Flexible AC Transmission Systems (FACTS) P EE 1 2 sin X Series Compensation E 2 E 1 E 3 Utility jx E1 E E I + 23 STATCOM Shunt Compensation Shunt converter Series converter Shunt and Series Compensation

24 4: Omówienie szczegółów konstrukcji i działania układów przekształtnikowych Podstawowe koncepcje przekształtników Układy o sprzężeniu napięciowym Układy o sprzężeniu prądowym Bezstykowe łączniki 24

25 Przekształtnik ze sprzężeniem napięciowym Przekształcanie mocy z zastosowaniem modulacji szerokości impulsów napięcia (PWM) Zmiana kierunku mocy przez zmianę znaku prądu ia i da V d + - v control PWM Voltage port qa d T A + v A s - 1 or 0 i A Current port v A dt A s T s v A V d t Uśrednione napięcie: 25 T v V d V on A d A d Ts

26 Przekształtnik ze sprzężeniem napięciowym Averaged Representation of Power Pole Average quantities are of main interest i da i da V d + - v control PWM Voltag e port qa d T A + v A s - 1 or 0 i A Current port V d + - v control PWM d T A 1: d A s v A + - i A v ( t) d ( t) V A A d i ( t) d ( t) i ( t) da A A 26

27 Przekształtnik ze sprzężeniem napięciowym Synteza napięcia sinusoidalnego voltage to be synthesized v A Vd v ( ) AN t V sin t 2 duty ratio needed V d V d 2 v 1 d A d sin t 2 dc side current 0 t i A 0 I t 27 1 ida( t) d sin t ia ( t) 2 1 d sin t Iˆ sin( t ) 2 1 I ˆ d cos sin( t ) d cos(2 t ) 2

28 Przekształtnik ze sprzężeniem napięciowym Realizacja dwupozycyjnego przełącznika i da V d + d T A + s i A + V d - q A i A - qa v A - 1 or 0 q A q 1 A q A 28

29 Przekształtnik ze sprzężeniem prądowym Wyłącznie tyrystory AC1 AC2 Jeden z (T 1, T 2, T 3 ) oraz (T 2, T 4, T 6 ) przewodzi w danej chwili T 1 T 3 Średnie napięcie Vd sterowane kątem załączenia α i a T V V cos L I d LL c d Zmiana kierunku mocy przez zmianę znaku napięcia Vd L a L b L c i b i c T 4 T 6 T 2 v d - I d 29

30 Łącznik bezstykowy prądu zmiennego Może przewodzić prąd w obu kierunkach Załączanie i wyłączanie w jednej połówce okresu napięcia sieci 30