ELEKTRONIKA ENERGOELEKTRONIKA WYKŁAD 1

Transkrypt

1 ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA ENERGOELEKTRONIKA WYKŁAD 1

2 Program wykładów 1. Energoelektronika cele i zadania, ogólna charakterystyka przedmiotu Celem energoelektroniki jest przetwarzanie i sterowanie przepływem energii elektrycznej przez dostarczanie jej w postaci napięcia i prądu optymalnie odpowiadających odbiornikom użytkownika. 2. Elementy półprzewodnikowe w energoelektronice Półprzewodnikowe przyrządy mocy i ich cechy użytkowe. Przegląd półprzewodnikowych łączników mocy (m.in. diody, tyrystory, BJT, IGBT, GTO, MOSFET). 3. Typy układów energoelektronicznych, klasyfikacja oraz podstawowe funkcje. Główne rodzaje układów energoelektronicznych (AC/DC, AC/AC, DC/DC, DC/AC), zastosowania w zakresie zasilania, praktyczne zastosowania przekształtników. 4. Układy AC/DC prostowniki niesterowane i sterowane Przekształtniki AC/DC, AC/AC o sterowaniu fazowym. Przegląd struktur oraz opis działania i właściwości energetycznych prostowników niesterowanych i sterowanych (tyrystorowych) jedno- i wielopulsowych. Przykłady zastosowań. Trójfazowe prostowniki sterowane.

3 5. Układy AC/AC sterowniki napięcia przemiennego Przekształtniki AC/AC o sterowaniu fazowym. Przegląd struktur oraz opis działania i właściwości energetycznych sterowników tyrystorowych jedno- i trójfazowych. Przykłady zastosowań. 6. Układy DC/DC sterowniki napięcia stałego (tyrystorowe i tranzystorowe) Tyrystorowe i tranzystorowe przerywacze prądu stałego. Opis działania i właściwości przekształtników DC/DC o strukturach podstawowych (typu buck, boost, buck-boost), półmostkowych oraz mostkowych. Przykłady zastosowań. 7. Układy DC/AC falowniki niezależne tranzystorowe układy i metody sterowania Struktury, opis działania i właściwości jedno- i trójfazowych falowników niezależnych (autonomicznych) o komutacji fazowej oraz sterowaniu typu MSI. Przegląd technik sterowania typu MSI. Właściwości falowników napięcia o sterowaniu wektorowym MSI. Przykłady zastosowań. 8. Wybrane zagadnienia kompatybilności układów energoelektronicznych Oddziaływanie przekształtników na sieć zasilającą. Współczynnik mocy przy obciążeniu sieci układem przekształtnikowym, harmoniczne napięć i prądów sieci. Kompensacja oddziaływania układów energoelektronicznych na sieć zasilającą. Układy tranzystorowe o podwyższonych wskaźnikach energetycznych (prostowniki i filtry aktywne).

4 Literatura [1] Barlik R., Nowak M., Technika tyrystorowa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa [2] Frąckowiak L., Energoelektronika. Cz. 2, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [3] Frąckowiak L., Januszewski S., Energoelektronika. Cz. 1, Półprzewodnikowe przyrządy i moduły energoelektroniczne. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [4] Kaźmierkowski M., Krishnan R., Blaabjerg H., Control in Power Electronics, Academic Press, Amsterdam [5] Krykowski K., Energoelektronika, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [6] Mikołajuk K., Podstawy analizy obwodów energoelektronicznych. PWN, Warszawa 1998.

5 [7] Mohan N., Undeland N., Robins W., Power Electronics. John Wiley & Sons Inc., New York [8] Piróg S., Energoelektronika, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków [9] Strzelecki R., Supronowicz H., Filtracja wyższych harmonicznych w sieciach prądu przemiennego, Wydawnictwo Adam Marszałek, Toruń [10] Strzelecki R., Supronowicz H., Współczynnik mocy w systemach zasilania prądu przemiennego i metody jego poprawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [11] Tunia H., Barlik R., Teoria Przekształtników, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [12] Tunia H., Smirnow A., Nowak M., Barlik R., Układy energoelektroniczne. Obliczanie, modelowanie, projektowanie, WNT, Warszawa 1982.

6 CZYM JEST ENERGOELEKTRONIKA? Energoelektronika jest działem elektrotechniki, zajmującym się analizą, syntezą i konstrukcją urządzeń do przetwarzania i sterowania energii elektrycznej przy pomocy elementów półprzewodnikowych. Energoelektronika to techniki obejmujące zastosowanie urządzeń elektronicznych, teorii obwodów, metod projektowych oraz nowoczesnych narzędzi analizy w celu wysokosprawnego przetwarzania, sterowania i dopasowywania parametrów energii elektrycznej.

7 WSPÓŁCZESNA ENERGOELEKTRONIKA Współczesna energoelektronika jest nauką interdyscyplinarną czerpiącą z wielu dziedzin nauk technicznych. Energoelektronika, mimo że pozostaje częścią elektrotechniki, w coraz mniejszym stopniu zajmuje się zagadnieniami teorii obwodów, a coraz większego znaczenia nabierają zagadnienia regulacji i sterowania, rozwiązywane współcześnie praktycznie tylko w technice cyfrowej. Energoelektronik, od badacza po konstruktora i producenta urządzeń, w coraz większym stopniu staje się automatykiem (teoria sterowania i regulacji), informatykiem (oprogramowanie sterowników logicznych i procesorów sygnałowych) oraz elektroenergetykiem (oddziaływanie układów energoelektronicznych na sieć zasilającą, poprawa jakości energii elektrycznej).

8

9 Obecnie znaczenia nabierają takie problemy, jak: bezczujnikowe układy napędowe z silnikami z magnesami trwałymi (PMM); układy napędowe z silnikami reluktancyjnymi i krokowymi; układy do bezstykowego przekazu energii elektrycznej dla zasilania elektronarzędzi w środowisku mokrym lub zagrożonym wybuchem; jednofazowe prostowniki małej mocy o jednostkowym współczynniku mocy, dla urządzeń domowych; trójfazowe prostowniki jedno i dwukierunkowe o jednostkowym współczynniku mocy, dla zasilania przemienników częstotliwości; generatory średnich i wysokich częstotliwości dla elektrotermii i medycyny; napędy trakcji elektrycznej; jakość energii elektrycznej i układy energoelektroniczne dużej mocy dla jej poprawy; filtry aktywne, kompensatory STATCOM, kompensatory hybrydowe; układy energoelektroniczne do obsługi niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej takich jak ogniwa fotowoltaniczne, elektrownie wiatrowe o zmiennej prędkości wirowania (autonomiczne i współpracujące z siecią), kontenerowe autonomiczne elektrownie z wysokoobrotowymi turbinami gazowymi i paliwowymi asymetrycznie obciążane.

10 Wymienione zagadnienia nie wyczerpują zastosowań energoelektroniki. W ciągu najbliższych kilkunastu lat będzie następował szybki rozwój alternatywnych źródeł energii oraz elektrowni lokalnych (kontenerowych). Do ich obsługi potrzebne będą wysokosprawne, niezawodne układy energoelektroniczne. Nowoczesna energoelektronika to, poza obwodami mocy, przede wszystkim wyrafinowane sterowanie implementowane w technice cyfrowej. Ocenia się, że w niedalekiej przyszłości co najmniej 80% energii elektrycznej będzie przetwarzane poprzez układy energoelektroniczne. Jest to więc ogromny rynek dla badań, produkcji i eksploatacji urządzeń o wysokim stopniu komplikacji i złożonym sterowaniu. Z punktu widzenia oddziaływania na elektroenergetyczny system zasilania pożądanym jest, aby odbiorniki były liniowe, symetryczne i miały charakter czysto rezystancyjny. Za najbardziej racjonalne należy uznać instalowanie odbiorników o liniowych charakterystykach napięciowo-prądowych i nastawianej (w szczególnych przypadkach równej zeru) mocy biernej lub zasilanie odbiorników nieliniowych nie bezpośrednio z sieci, ale poprzez zintegrowane z nimi urządzenia energoelektroniczne, zapewniające wysoką jakość energii dostarczanej zarówno do odbiornika, jak i pobieranej z sieci.

11 Nowoczesne urządzenia energoelektroniczne, zasilane z linii prądu przemiennego, wykazując cechy odbiornika liniowego, powinny pobierać prąd o kształcie zbliżonym do sinusoidy. Do układów spełniających ten warunek należą sieciowe przekształtniki impulsowe (switch mode power supplies SMPS, switch mode rectifier SMR), wykorzystywane jako regulowane źródła napięcia lub prądu stałego i stanowiące w wielu przypadkach część składową bardziej złożonych przemienników częstotliwości. W przypadku zaniku napięcia linii, zapewnienie ciągłości strumienia energii dostarczanej do odbiornika wymaga zastosowania urządzeń, które muszą zawierać magazyny (zasobniki) energii takie jak akumulatory, superkondensatory, dławiki nadprzewodnikowe, ogniwa paliwowe, wysokoobrotowe pędniki (koła zamachowe), a w zakresie wielkich mocy w postaci zbiorników ze sprężonym powietrzem lub zapór wodnych. W odniesieniu do najliczniejszej grupy odbiorników niskich napięć w celu utrzymania ciągłości dostawy energii elektrycznej stosowane są urządzenia rezerwowego (bezprzerwowego) zasilania UPS, które poza zapewnieniem ciągłości zasilania służą także do poprawy jakości energii w sensie stabilizacji parametrów napięcia przemiennego.

12 Kompensacja krótkotrwałych udarów mocy czynnej, wywoływanych przez specyficzne odbiorniki, jak np. urządzenia zgrzewające lub dynamiczne napędy, wiąże się z zastosowaniem zasobników, gromadzących energię w czasie, gdy jej pobór przez odbiornik jest mały i oddających ją przy wzroście obciążenia. Poza stosowanymi w takim celu bateriami elektrochemicznymi i nadprzewodzącymi zespołami magnetycznymi SMES brane są pod uwagę kondensatory, w tym także tzw. superkondensatory o bardzo dużych pojemnościach, liczonych w tysiącach faradów. Bardzo ważne są prace nad rozwojem metod lokalizacji źródeł wyższych harmonicznych prądów w systemie elektroenergetycznym, a także nad metodami określania optymalnego usytuowania urządzeń kompensujących, filtrujących oraz kontrolujących przepływ energii. Jedynym efektywnym sposobem pozwalającym na poprawę jakości energii elektrycznej w bardzo szerokim sensie jest stosowanie różnych urządzeń energoelektronicznych, które umożliwiają budowę filtrów aktywnych (dynamicznych), kompensatorów, sterowników przepływu energii, a także układów sprzęgających źródła i zasobniki energii z linią zasilającą.

13 HISTORIA ENERGOELEKTRONIKI Układ prostownikowy Prostownik rtęciowy Tyratron Ignitron Energoelektronika półprzewodnikowa 1948 Tranzystor (Bardeen, Brittain, Shockley) Nagroda Nobla w 1956 r Tyrystor SCR (General Electric) 1970 Tranzystor mocy500v, 20A ( Delco Electronics) 1975 TOSHIBA GIANT TRANSISTOR (300V, 400A) 1978 Power MOSFET 100V,25A ( International Rectifier) 1980 Tyrystor GTO 2500V,1000A ( Hitachi, Mitsubishi, Toshiba) 1985 Tranzystor IGBT (General Electric, Siemens, Power Compact) 1988 Smart Power Device (Thomson, firmyjapońskie)

14 Gospodarstwa domowe chłodziarki i zamrażarki ogrzewanie klimatyzacja gotowanie oświetlenie elektronika domowa (PC, TV i inne) Handel ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja centralne chłodnie oświetlenie komputery i sprzęt biurowy bezprzerwowe zasilacze (UPS) dźwigi, windy. Przemysł pompy kompresory wentylatory i dmuchawy obrabiarki, roboty piece łukowe i indukcyjne oświetlenie lasery przemysłowe spawarki Transport samochody elektryczne zasilacze dla samochodów elektrycznych lokomotywy elektryczne tramwaje i trolejbusy metro Energetyka przesyłanie energii prądem stałym (HVDC) kompensatory mocy biernej odtwarzalne źródła energii (słoneczne, wiatrowe, wodne, biogazowe, itp.) pompy centralnego ogrzewania systemy magazynowania energii Astronautyka pokładowe systemy zasilania systemy satelitarne Telekomunikacja zasilacze akumulatorów bezprzerwowe zasilacze mocy (UPS)

15

16 Uproszczony schemat systemu wytwarzania, przesyłu i przetwarzania energii elektrycznej

17 Zespoły funkcjonalne tworzące urządzenie energoelektroniczne

18 Ogólny schemat blokowy urządzenia energoelektronicznego uwzględniający podzespoły układów sterujących

19 Linia zasilająca Przekształtnik Odbiornik Ogólny schemat blokowy przekształtnika

20 Symbole bloków funkcjonalnych przekształtników Przekształtnik prądu przemiennego na prąd stały (prostownik) Przekształtnik prądu stałego na prąd przemienny (falownik) Przekształtnik prądu przemiennego na prąd przemienny (sterownik napięcia przemiennego, bezpośredni przemiennik częstotliwości)

21 Pośredni przemiennik prądu przemiennego na prąd przemienny (przemiennik częstotliwości z pośrednim obwodem napięcia stałego) Bezpośredni przekształtnik prądu stałego na prąd stały Pośredni przekształtnik prądu stałego na prąd stały

22 Elementy energoelektroniczne D FD BJT MOSFET IGBT SIT Diode Fast Diode Bipolar Junction Transistor Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Insulated Gate Bipolar Transistor Static Induction Transistor dioda prostownicza dioda prostownicza szybka bipolarny tranzystor złączowy polowy (unipolarny) tranzystor mocy tranzystor bipolarny z izolowaną bramką tranzystor elektrostatyczny

23 SCR ASCR RCT Silicon Controlled Rectifier Asymetrical Silicon Controlled Rectifier Reverse Conduction Thyristor tyrystor konwencjonalny tyrystor asymetryczny tyrystor przewodzący wstecznie TRIAC Bidirectional Thyristor tyrystor dwukierunkowy GTO Gate Turn-off Thyristor tyrystor wyłączalny GCT Gate Commutated Thyristor tyrystor komutowany bramką

24 LTT Light Triggered Thyristor fototyrystor SITH FCT MCT Static Induction Thyristor Field Controlled Thyristor MOS Controlled Thyristor tyrystor elektrostatyczny tyrystor polowy sterowany bramką MOS

25 Maksymalne wartości znamionowe napięć i prądów półprzewodnikowych przyrządów mocy Nazwa przyrządu Największe napięcia znamionowe Największe prądy znamionowe Zastosowania Tyrystory SCR FototyrystoryLTT do 18 kv do 8kV do 6 ka do 4kA przekształtniki największych mocy (do 100 MVA) stosowane w systemach przesyłowych energii prądem stałym wysokiego napięcia Tyrystory wyłączalne GTO do 6kV do 6 ka przekształtniki dużych mocy (do kilkunastu MVA) stosowane głównie w regulowanych układach napędowych prądu przemiennego oraz w sieciach przesyłowych Tranzystory IGBT Tranzystory IEGT od 0,6 kv do 6,5 kv do 4,5 kv od 10 A do 3,5 ka do l,5 ka przekształtniki średnich mocy (do kilku MVA) głównie do układów napędowych oraz układach kompensacji aktywnej Tranzystory polowe MOSFET od 20 V do 1,5 kv od 1 A do 500 A przekształtniki małych mocy (do kilkudziesięciukva)

26 Tab. 1 Porównanie podstawowych właściwości głównych półprzewodnikowych przyrządów mocy stosowanych w urządzeniach energoelektronicznych Nazwa przyrządu Przeciążalność prądowa Straty przewodzenia Straty przełączania Moc jednostkowa Układ sterowania Dioda prostownicza Duża Małe Duże Duża Nie dotyczy Tranzystor bipolarny BJT Mała Małe Średnie Mała Złożony Tranzystor polowy MOSFET Mała Duże Znikome Mała Prosty Tranzystor IGBT Mała Średnie Małe Mała Prosty Tyrystor zwykły SCR Duża Małe Duże Duża Prosty Tyrystor GTO Średnia Duże Duże Średnia Złożony