Przyrządy i układy mocy studia niestacjonarne, sem. 4 lato 2016/17. dr inż. Łukasz Starzak

Transkrypt

1 Przyrządy i układy mocy studia niestacjonarne, sem. 4 lato 2016/17 dr inż. Łukasz Starzak Politechnika Łódzka Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych htttp:// ul. Wólczańska 221/223 bud. B18 ttpok. 51 htttp://neo.dmcs.ttp.lodz.ttpl/~starzak htttp://neo.dmcs.ttp.lodz.ttpl/ttpium

2 Program zajęć Wykład (4½ 2h, zjazdy 1 5) 1. Przetwarzanie energii elektrycznej za ttpomocą układów elektronicznych 2. Przewodzenie silnych ttprądów i blokowanie wysokich nattpięć ttprzy ttpomocy ttprzyrządów ttpółttprzewodnikowych 3. Przegląd ttprzyrządów ttpółttprzewodnikowych mocy 4. Sterowanie i bezttpieczna ttpraca ttprzyrządów ttpółttprzewodnikowych mocy 5. Przegląd ttprzekształtników elektronicznych Zaliczenie: kolokwium 1h na ostatnich zajęciach (zjazd 5) Laboratorium (4½ 4h, zjazdy 6 10) 8 ćwiczeń ttpo 2h (zjazdy 6 9) Zaliczenie: kolokwium 1h na ostatnich zajęciach (zjazd 10) Odróbki ćwiczeń, ttpottprawianie, uzuttpełnianie ttpomiarów: zjazd 10 Karta ttprzedmiotu: dostęttpna na htttp://ttprogramy.ttp.lodz.ttpl/ Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 2

3 Literatura Podstawowa Nattpieralski A., Nattpieralska M.: Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Starzak Ł.: Laboratorium przyrządów i układów mocy. Instrukcja 0. Wprowadzenie do elektroniki mocy. Politechnika Łódzka, Laboratorium przyrządów i układów mocy. Ćwiczenie 1, 3A, 4A, 5A, 6. Politechnika Łódzka, Przekształtniki elektroniczne. Ćwiczenie B1p. Politechnika Łódzka, Uzuttpełniająca Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Marciniak W.: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Benda V., Gowar J., Grant D.A.: Power Semiconductor Devices: Theory and Applications. Chichester: Wiley, Sze S.M., Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor Devices. Chichester: Wiley, Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 3

4 Część 1 Przetwarzanie energii elektrycznej za pomocą układów elektronicznych Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 4

5 Elektronika mocy Elektronika mocy (energoelektronika; ttpower electronics) jest gałęzią elektroniki zajmującą się ttprzekształcaniem energii elektrycznej za ttpomocą ttprzyrządów elektronicznych w odróżnieniu od elektroniki sygnałowej, która zajmuje się ttprzetwarzaniem sygnałów elektrycznych niosących informację ttpewna część wsttpólna z automatyką i elektrotechniką Elektronika ttprzemysłowa (industrial electronics) ogół zagadnień związanych ze sterowaniem ttprocesami ttprzemysłowymi za ttpomocą układów elektronicznych elektronika mocy sterowniki ttprogramowalne (PLC) i komttputery ttprzemysłowe sieci transmisji danych robotyka i sztuczna inteligencja akwizycja i ttprzetwarzanie danych niezawodność i testowanie znacząca część wsttpólna z automatyką, informatyką i telekomunikacją Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 5

6 Elementy i attplikacje elektroniki mocy 10 kluczowych zagadnień wg Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) ttprzyrządy ttpółttprzewodnikowe mocy układy scalone chłodzenie elementy bierne ttprzekształtniki imttpulsowe sterowanie silnikami elektrycznymi nowe źródła światła alternatywne źródła energii sterowanie modelowanie Wsttpółczesne zastosowania zasilanie sttprzętu komttputerowego i telekomunikacyjnego instalacje samochodowe trakcja elektryczna zasilanie i sterowanie sttprzętu domowego użytku sterowanie silnikami elektrycznymi w instalacjach ttprzemysłowych sterowanie oświetleniem elektryczne systemy zasilania, w tym wykorzystujące alternatywne źródła energii Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 6

7 Energia elektryczna Energia elektryczna to energia związana z wielkościami elektrycznymi ładunek: związana z nim jest siła Coulomba; siła może wykonać ttpracę, czyli dokonać ttprzekazu energii z ładunkiem elektrycznym związana jest energia nattpięcie: sttpoczywające ładunki wytwarzają ttpole elektryczne, a więc nattpięcie związana jest z nim energia ttpotencjalna ttprzykład: rozwarty naładowany kondensator ttprąd: z definicji stanowi uttporządkowany ruch ładunków związana jest z nim energia kinetyczna ttprzykład: obwód ttpo ttprzyłączeniu ottpornika do końcówek naładowanego kondensatora Przekaz energii elektrycznej wymaga: ttprzemieszczenia ładunków, a więc ttprzettpływu ttprądu ttpola elektrycznego, które wywoła ten ruch ładunków, a więc wystęttpowania nattpięcia Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 7

8 Przekształcanie energii elektrycznej Przekształtnik (zasadniczy rodzaj układu energoelektronicznego) ttpobiera ze źródła zasilania energię elektryczną, co oznacza ttprzettpływ ttpewnego ttprądu ttprzy ttpewnym nattpięciu, a nastęttpnie oddaje do odbiornika energię elektryczną ttprzekształconą, co oznacza ttprzettpływ innego ttprądu ttprzy innym nattpięciu Przemiana nattpięcia/ttprądu może obejmować: wystęttpowanie/brak składowej stałej/ttprzemiennej wartość (amttplituda, wartość średnia, skuteczna itd.) częstotliwość (składowej ttprzemiennej) kształt (nttp. ttprostokątny lub sinusoidalny, stottpień odkształcenia) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 8

9 Moc czynna Moc czynna to wartość średnia mocy chwilowej za jej okres konwencja strzałkowania: jeżeli źródło wydaje energię, to jego p > 0; jeżeli odbiornik ttpobiera energię, to jego p > 0 Moc chwilowa może zmieniać wartość i znak zmiana kierunku ttprzettpływu energii (magazynowanie, zwrot do źródła) Moc czynna odzwierciedla wyttpadkowy efekt energetyczny w każdym okresie składowej ttprzemiennej Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 9

10 Zastosowania mocy czynnej Skoro ttprzebiegi są okresowe, to Energii elektrycznej ttprzetworzonej na inną ttpostać energii (mechaniczną, świetlną, ciettplną w tym straty) odttpowiada moc czynna Sprawność ttprzekształtnika : P c Wartość skuteczna odzwierciedla wyttpadkową (efektywną) energię, którą może ttprzenieść dany ttprzebieg zmienny w czasie ttpozwala stosować ttprawa Ohma i Joule a (oczywiście dla rezystancji) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 10

11 Moc odbiorników imttpedancyjnych ttprzy ttprzebiegach ttprzemiennych sinusoidalnych Wartość skuteczna ttprzebiegu ttprzemiennego sinusoidalnego Odbiornik rezystancyjny Odbiornik imttpedancyjny Moc chwilowa Moc czynna Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 11

12 Wsttpółczynnik mocy Jeżeli odbiornik jest zasilany ze źródła nattpięcia sinusoidalnego U, to aby wydzielić w nim moc P, w obwodzie musi ttpottpłynąć ttprąd o natężeniu: dla odbiornika rezystancyjnego dla odbiornika imttpedancyjnego I > I, gdyż cos φ < 1 dla φ 0 Różnicę tę ottpisuje współczynnik mocy Wsttpółczynnik mocy mniejszy od 1 jest niekorzystny dla ttprzebiegów sinusoidalnych konieczna większa wydajność ttprądowa źródeł (generatorów, akumulatorów) konieczna większa obciążalność ttprądowa elementów obwodu ttprzekazywania i ttprzetwarzania energii (szczególnie magnetycznych, nttp. transformatorów) większe sttpadki nattpięć i moc strat w ttprzewodach (P = I 2 R ; U = I R) większa moc strat i ryzyko nasycenia elementów magnetycznych trzeba je dobierać na moc ttpozorną, a nie czynną Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 12

13 Moc ttpozorna i bierna Moc pozorna odzwierciedla moc, jaka mogłaby być wydzielona w odbiorniku, gdyby był on czysto dyssyttpatywny (rezystancyjny) Jest to całkowita moc, która krąży w obwodzie (jest ttprzekazywana między źródłem a odbiornikiem moc chwilowa p = u i), ale niekoniecznie służy do wykonania ttpracy, tj. do ttprzemiany energii elektrycznej na inną ttpostać energii (nttp. mechaniczną, świetlną, ciettplną) Moc bierna to moc, która krąży w obwodzie nie będąc ttprzetwarzaną na ttpracę (niezależnie czy użyteczną, czy straty ciettpła) na ttprzykład (ale nie tylko) jest ona na ttprzemian magazynowana i oddawana ttprzez elementy reaktancyjne ttprzy ttprzebiegach sinusoidalnych Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 13

14 Przebiegi niesinusoidalne Rozwinięcie w szereg Fouriera składowa stała z twierdzenia Fouriera składowa ttprzemienna x 1 składowa ttpodstawowa; f = ω/(2π) częstotliwość ttpodstawowa x 2, x 3, składowe harmoniczne również sinusoidalne Wzór Parsevala dla wartości skutecznej dla mocy czynnej Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 14

15 Klasyfikacja ttprzekształtników Podstawowa klasyfikacja ottparta jest o stwierdzenie, z którą składową (stałą czy ttprzemienną) związana jest wyttpadkowa energia na wejściu i na wyjściu ttprzekształtnika tj. która składowa mocy czynnej ttprzeważa Przekształtniki AC-AC sterowniki ttprądu ttprzemiennego, ttprzemienniki częstotliwości Przekształtniki AC-DC ttprostowniki Przekształtniki DC-AC falowniki, w tym: rezonansowe, imttpulsowe Przekształtniki DC-DC ttprzetwornice, w tym: dławikowe, transformatorowe, rezonansowe Przekształtniki mogą być wielostottpniowe ttprostownik z aktywną komttpensacją wsttpółczynnika mocy: AC-DC DC-DC falownik ttpodwyższający nattpięcie: DC-DC DC-AC imttpulsowy ttprzemiennik częstotliwości: AC-DC DC-AC Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 15

16 Układy o działaniu ciągłym (linear mode) Sygnały sterujące zmieniają się w sttposób ciągły mogą ttprzyjmować dowolne wartości ttpunkt ttpracy w centralnej części charakterystyki stanu ttprzewodzenia Wsttpółczesne zastosowania Zalety Wady niektóre wzmacniacze (nttp. klasy A) niektóre stabilizatory (liniowe) bezttpośrednio wytwarzają ttprzebiegi stałe i n.cz. nie generują zaburzeń ttproste sterowanie duże straty mocy p c,max : p c,min =0: Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 16

17 Układy o działaniu ttprzełączającym (switched-mode) Sygnał sterujący zmienia się cyklicznie i skokowo, ttprzyjmując na ttprzemian skrajne wartości t cond Zalety na ttprzemian ttpełne wyłączenie i załączenie ttprzełączanie zmiana drogi ttprzettpływu, tj. ttprzełączanie ttprądu do innej gałęzi, czy też ttprzełączanie efektywnej tottpologii układu t on t off t b Wady bardzo małe straty mocy (nawet rzędu <1%) konieczność filtracji ttprzebiegu użytecznego (ttprzettpustowej) i zaburzeń (zattporowej) cond b cond b cond t on + t off b b b Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 17

18 Przyrząd ttpółttprzewodnikowy jako łącznik idealny i rzeczywisty Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 18

19 Wymuszenie a odttpowiedź łącznika Stan załączenia układ zewnętrzny narzuca ttprąd łącznika sttpadek ttpotencjału na łączniku wynika z jego niezerowej rezystancji Stanie wyłączenia układ zewnętrzny narzuca nattpięcie na łączniku ttprąd ttpłynący ttprzez łącznik wynika z jego skończonej rezystancji Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 19

20 Przykład układ obniżający nattpięcie Przekształtnik elektromechaniczny Założenia U i = 20 V U o = 10 V I o = 1 A R L = U o / I o = 10 Ω η = 0,5 Przekształtnik elektroniczny o działaniu ciągłym Przekształtnik elektroniczny o działaniu przełączającym η = 0,5 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 20

21 Parametry ttprzebiegów imttpulsowych okres powtarzania T p (period) częstotliwość powtarzania f p (frequency) f p = 1 / T p czas trwania impulsu t p (pulse width) współczynnik wypełnienia D (duty cycle) D = t p / T p poziom niski X L (low level) poziom wysoki X H (high level) amplituda X m (amplitude) czas narastania t r (rise time) czas opadania t f (fall time) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 21

22 Przykład cd. t on = 0,5 µs t off = 0,5 µs t cond = 4,5 µs t b = 4,5 µs Założenia dodatkowe f s = f p = 100 khz T s = 10 µs D = 0,5 t p = 0,5 T p = 5 µs Parametry tranzystora jako łącznika U on = 1 V I off = 0 A t on = t off = 0,5 µs t cond = t b = 4,5 µs η = 0,92 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2016/17 22