Przekształtniki energoelektroniczne o komutacji zewnętrznej (sieciowej) - podstawy

Transkrypt

1 Przekształtniki energoelektroniczne o komutacji zewnętrznej (sieciowej) - podstawy Klasyfikacja, podstawowe pojęcia Nierozgałęziony obwód z diodą lub tyrystorem Schemat(y), zasady działania, przebiegi Ćwiczenia interakcyjne ipes *) WILE **) Jednofazowe mostkowe prostowniki diodowe Z obciążeniem -R, -RL, -LE Wpływ indukcyjności sieci Ls Obciążenie pojemnościowe mostka Wpływ prostowników na sieć *) Interactive Power Electronics Seminar: **) Wirtualne Internetowe Laboratorium Energoelektroniki : 1

2 Klasyfikacja urządzeń energoelektronicznych A.) Łączniki (power electronic switches) prądu stałego (dc power switch) prądu przemiennego (ac power switch) B.) Przekształtniki (converters) prądu stałego (dc/dc converters) prądu przemiennego (ac/ac converters) prądu stałego/przemiennego (ac/dc) prostowniki (rectifiers, ac->dc) falowniki (inverters, dc - > ac) 2

3 Inne podstawy klasyfikacji przekształtników Ze względu na sposób przełączania zaworów: Przekształtniki komutacji wymuszonej Switching (forced-commutaded) converters Przekształtniki o komutacji sieciowej (naturalnej) Line frequency (naturally commutated) converters Przekształtniki rezonansowe Resonant (quasi-resonant) converters Ze względu na strukturę i elementy LC: przekształtniki prądu, przekształtniki napięcia ( voltage stiff converters, current stiff converters) bezpośrednie i pośrednie (direct, indirect converters) jedno-, trój- i wielo- fazowe mostkowe, półmostkowe ( full bridge, half-bridge ) 3

4 Warianty przekształcania energii 4

5 Przekształtniki energoelektroniczne o komutacji zewnętrznej (sieciowej) V s,i s,f s,m s sieć ~ (+transformator ) ~ = lub ~ V o,i o,f o,m o odbiornik jednofazowe trójfazowe mostkowe, półmostkowe inne diody tyrystory prostowniki przekształtniki ~/= falowniki sterowniki (regulatory) napięcia przemiennego przekształtniki ~/~ bezpośrednie przemienniki częstotliwości (cyklokonwertory) 5

6 Klasyfikacja prostowników, ze względu na: 1) Sterowanie: niesterowane (diodowe) sterowane (tyrystorowe) półsterowane (tyrystorowo-diodowe, z odcięciem zerowym) 2) Liczbę grup komutacyjnych: proste (jedna grupa komutacyjna) złożone (więcej niż jedna grupa komutacyjna) 3) Zdolność do zmiany znaku prądu wyjściowego (nawrotne i nienawrotne) 4) Liczbę faz zasilania (1- i 3-fazowe) 5) Liczbę faz uzwojenia wtórnego transformatora (1-,3-, 6- fazowe) 6) Wskaźnik tętnienia (liczbę pulsów na okres sieci): p = 1,2,3,6,12 7) Sposób połączenia z transformatorem: jednokierunkowe (gwiazdowe) wymagają przewodu zerowego dwukierunkowe (mostkowe) bez przewodu zerowego 8) Zakres osiągalnego obszaru charakterystyk zewnętrznych V d (I d ) jednokwadrantowe: diodowe i tyrystorowe z odcięciem zerowym dwukwadrantowe : tyrystorowe, bez diod czterokwadrantowe : tyrystorowe nawrotne (złożone) 6

7 Prostowniki diodowe Obwody główne, zasilane z sieci 50Hz włączają i wyłączaja diody Prosta konstrukcja, brak elektroniki sterującej, tanie Bardzo popularne, używane w zasilaczach wszelkiego typu Energia może płynąć tylko od zasilania do obciążenia Przebiegi i charakterystyki w zasadniczy sposób zależą od obciążenia: pojemnościowe (zasilacze małej mocy) silnie odkształca prąd i s pobierany z sieci indukcyjne nie zapewnia wygładzenia napięcia v d 7

8 Sterowane fazowo przekształtniki tyrystorowe Mostki diodowe mogą być rozpatywane jako szczególny przypadek przekształtników tyrystorowych (kąt włączenia α = 0) Sterowanie fazowe ==> zmiana napięcia wyjściowego V d Zastosowania (niektóre) Napędy z silnikami pradu stałego Zasilanie wzbudzenia maszyn synchronicznych Trakcja elektryczna Elektroliza i elektrometalurgia Spawalnictwo Układy ładowania baterii Linie energetyczne zasilane napięciem stałym (HVDC) 8

9 Praca prostownikowa i falownikowa przekształtnika ~/= Mostki diodowe pracują tylko w I ćwiartce W przeksztaltnikach tyrystorowych biegunowość napięcia może być zmieniona (α>π/2 ==> Ud<0), o ile obciążenie podtrzymuje przepływ dodatniego prądu Zmiana znaku prądu (II i III ćwiartka) wymaga przekształtnika nawrotnego, o podwójnej liczbie zaworów 9

10 Tyrystor w obwodzie: V-Th-R- oraz V-Th-L-R Impuls i G jest opóźniony o kąt α względem punktu komutacji naturalnej (diodowej) Przy obciążeniu R prąd jest zerowy przy ωt = π, V d =0 Przy obciążeniu indukcyjnym przewodzenie trwa dłużej,a prąd osiąga zero przy ωt > π,v d <0 Średnia wartość napięcia na L musi być zerowa (A1=A2) 10

11 Tyrystor w obwodach: V-Th-R-, V-Th-L-R- (ćwiczenie 1) Co się zmieni w przebiegach napięć i prądów,gdy tyrystor zastąpimy diodą? 11

12 Tyrystor w obwodach: V-Th-R-, V-Th-L-R- (ćwiczenie 2) Co się zmieni w przebiegach napięć i prądów, gdy do obciążenia dołączymy równolegle diodę? 12

13 Tyrystor w obwodach: V-Th-R-, V-Th-L-R- (ćwiczenie 3) Co się zmieni, gdy do tyrystora dołączymy przeciwrównolegle drugi tyrystor, sterowany z takim samym kątem włączenia? Jak można nazwać powstały układ? 13

14 Tyrystor w obwodzie z aktywnym obciążeniem: V-Th-L-E Tyrystor może się załączyć tylko gdy v AK > 0, tj. v s > E d, θ 1 < α < θ 1 Prąd płynie tak długo, aż A 2 = A 1 Średnie napięcie wyjściowe jest równe sem: V d = E d 14

15 Tyrystor w obwodzie: V-Th-L-E- (ćwiczenie 1) Co się zmieni, gdy tyrystor zastąpimy diodą? 15

16 Tyrystor w obwodzie: V-Th-L-E- (ćwiczenie 2) Co się zmieni, gdy do obciążenia dołączymy równolegle diodę? 16

17 Tyrystor w obwodzie: V-Th-L-E- (ćwiczenie 3) Jak wyglądałyby przebiegi, gdyby sem Ed była ujemna? (Ed < 0) Czy do obciążenia można by wówczas dołączyć równolegle diodę? Jaki znak ma średnia moc przekazywana obciążeniu? 17

18 Generowanie impulsów bramkowych tyrystora Synchronizacja z napięciem sieciowym Kąt sterowania α liniowo zależy od napiecia sterującego: o = 180 o V control V st 18

19 Obwód z tyrystorem - ćwiczenia interaktywne ipes 19

20 Jednofazowy mostek diodowy z obciążeniem rezystancyjnym Źródło ma zerową impedancję wewnętrzną Napięcie i prąd wyjściowy mają ten sam kształt Ćwiczenie interakcyjne ipes: Ohmic Load 20

21 Mostek diodowy z obciążeniem czynnym (E d = const, R d =L d =0) Źródło ma (musi mieć) niezerową impedancję: L s > 0 Przebiegi podobne jak w obwodzie: v s Th L d E d Zaznaczone obszary między v s a E d muszą być równe Ćwiczenie interakcyjne ipes 21

22 Mostek diodowy z obciążeniem LE (E d = const, R d =0, L d >0) Źródło ma zerową impedancję: L s = 0 Prąd może być przerywany lub ciągły Przy przewodzeniu przerywanym przebiegi podobne jak poprzednio Przy przewodzeniu ciągłym i braku rezystancji prąd rośnie bez ograniczenia Ćwiczenie interakcyjne ipes 22

23 Jednofazowy mostek diodowy z obciążeniem pojemnościowym Źródło ma niezerową impedancję wewnętrzną Napięcie wyjściowe jest wygładzane przez filtr pojemnościowy (kondensator Cd) Obciążenie reprezentowane przez rezystancję zastępczą R load 23

24 Mostek diodowy z obciążeniem pojemnościowym (Ls=0,Rs=0) Ćwiczenie interakcyjne ipes Źródło ma zerową impedancję wewnętrzną 24

25 Jednofazowy mostek diodowy z obciążeniem C R (Rs>0, Ls>0) Źródło ma niezerową impedancję wewnętrzną Napięcie wyjściowe jest wygładzane przez filtr pojemnościowy (kondensator Cd) Obciążenie reprezentowane przez rezystancję zastępczą R load Pełny schemat obwodowy Uproszczony schemat zastępczy do analizy w przedziale ½ okresu napięcia sieci 25

26 Wyniki analizy uproszczonego schematu (MATLAB) Odpowiedz: Dlaczego prąd nie zaczyna płynąć od chwili t=0, a dopiero gdy t>t b? Dlaczego prąd płynie tylko w krótkim przedziale czasu t b < t < t f? Dlaczego napięcie V d opada liniowo(?) w przedziale czasu t f < t < 11 ms? 26

27 Wyniki symulacji (PSpice) pełnego schematu mostka i s prąd pobierany ze źródła i s1 składowa podstawowa prądu, o częstotliwości napięcia v s Niewielkie opóźnienie fazowe i s1 wzgledem v s Bardzo znaczne odkształcenie prądu (wysoka zawartość wyższych harmonicznych) 27

28 Odkształcenie prądu pobieranego z sieci i dis - prąd odkształcenia: i dis = i s - i s1 i s3 - trzecia harmoniczna prądu 28

29 Przebiegi napięć i prądów w mostku - ćwiczenie Jak zmieniłyby się przebiegi, gdyby założyć, że źródło ma zerową impedancję wewnętrzną? Jak wpłynęłoby to na odkształcenie prądu? 29

30 Odkształcanie napięcia sieci spowodowane pracą mostka x 30

31 Odkształcanie napięcia sieci spowodowane pracą mostka. 31

32 Podwajacz napięcia (w zasilaczu 115/230V ac). 32

33 Nieliniowe odbiorniki jednofazowe w sieci 3-fazowej Suma harmonicznych rzędu 3n płynie w przewodzie zerowym (nawet przy idealnej symetrii obciążeń) 33

34 Prąd w przewodzie neutralnym (zerowym) Suma harmonicznych rzędu 3n płynie w przewodzie zerowym (nawet przy idealnej symetrii obciążeń) 34