Elektroniczne Systemy Przetwarzania Energii

Transkrypt

1 Elektroniczne Systemy Przetwarzania Energii

2 Zagadnienia ogólne Przedmiot dotyczy zagadnień Energoelektroniki - dyscypliny na pograniczu Elektrotechniki i Elektroniki.

3 Elektrotechnika zajmuje się: przetwarzaniem energii elektrycznej w inne formy energii i odwrotnie; przesyłaniem energii elektrycznej na odległość; przekształcaniem wielkości (np. napięć lub prądów) związanych z energią elektryczną (m. in. z użyciem elementów elektronicznych, wtedy mówimy o energoelektronice)

4 Elektronika zajmuje się głównie przetwarzaniem sygnałów elektrycznych używanych do przesyłania, magazynowania i przetwarzania informacji. Specyficzne dla elektroniki jest ponadto używanie elementów półprzewodnikowych (niegdyś lampowych) do realizacji przetwarzania przebiegów elektrycznych.

5 W wielu układach elektronicznych nie chodzi o przetwarzanie informacji lecz energii (lub mocy) elektrycznej. Można mówić o dwóch częściach elektroniki: a) elektronika sygnałowa, b) elektronika mocowa, inaczej energoelektronika (power electronics).

6 Rozwój energoelektroniki wynika z wielu czynników, na przykład: szybki rozwój urządzeń będących odbiornikami energii elektrycznej; rozwój alternatywnych źródeł energii (fotowoltaiczne, wiatrowe), doskonalenie technik magazynowania energii elektrycznej (akumulatory, superkondensatory),

7 potrzeba zwiększania sprawności układów przetwarzania energii, wymaganie czystości energii elektrycznej minimalizacja emisji zakłóceń, wzrost zapotrzebowania na urządzenia UPS (uninterrupted power supply).

8 Pojęcia energii i mocy elektrycznej Energia (W) zdolność do wykonania pracy. Jednostki: J, kwh. Zmiana energii: wykonanie pracy lub przepływ ciepła.

9 Praca mechaniczna do B w wyniku działania siły F: przeniesienie ciała od A W P B A F ds

10 Na ładunek Q w polu elektrycznym E działa siła: Praca: F Q E B W Q E ds Q E ds Q V PE AB A B A

11 Moc (p): szybkość zmian energii (np. szybkość wykonywania pracy). Jednostka wat (W). p dw dt 1W 1J 1sek p d dt Q V AB

12 W stałym polu: p dq dt V AB i u Dla zmiennego pola dodatkowo: prąd przesunięcia (efekty pojemnościowe), pole magnetyczne (efekty indukcyjne).

13 W ogólności: i(t), u(t); - moc chwilowa p( t) i( t) u( t) P śr 1 T - moc średnia T 0 p( t) dt 1 T T 0 i( t) u( t) dt

14 Dla przebiegów okresowych, pojęcie wartości skutecznych (root mean square rms). X rms 1 T T 0 x( t) 2 dt

15 Dla x( t) X m sin( t ), gdzie 2 T otrzymujemy: X rms X m 2

16 Napięcie w sieci energetycznej (Europa): U V ; U V rms m

17 Jeśli i(t) i u(t) w odbiorniku są okresowe to moc pozorna P A (apparent power) wynosi: P A I rms U rms

18 Moc średnia P śr dla przebiegów okresowych nazywa się też mocą czynną. Współczynnik mocy (power factor PF) dla przebiegów okresowych:

19 PF P P śr A T u 2 T 0 u( t) ( t) dt i( t) T dt i 2 ( t) dt 0 0 Zawsze: PF 1. PF określa się zwykle dla odbiorników zasilanych z sieci energetycznej.

20 Załóżmy: u( t) U sin m t Przebieg i(t) odkształcony, przedstawiamy szeregiem Fouriera : i( t) I i ( t)... i ( t) 0 1 n...

21 Składnik i n (t) ma pulsację n. Moc czynna w tym przypadku: P śr 1 T T u( t) i1 ( t) I 0 u( t) u( t) in ( t) 0 n 2 dt

22 Tylko pierwszy składnik w nawiasie kwadratowym jest niezerowy (niezależnie od różnicy faz). Przyjmijmy: i ( t) I sin( t 1 m1 )

23 Wtedy: P śr U m U I 2 m T m1 I T m1 0 cos sin U t rms sin( I 1rms t cos ) dt

24 Z drugiej strony: P śr PF U rms I rms Zatem: PF I I 1rms rms cos

25 Przypadek idealny: oba czynniki równe jedności. Pierwszy gdy przebieg prądu zawiera tylko pierwszą harmoniczną (nie ma zniekształceń). Drugi gdy = 0 (nie ma przesunięcia fazy między przebiegami prądu i napięcia).

26 PF = 1 dla takiego odbiornika energii, który jest widziany przez sieć zasilającą jako liniowy rezystor (element liniowy i bezinercyjny).

27 Pierwszy czynnik wzoru PF I I 1rms rms cos można powiązać ze współczynnikiem zawartości harmonicznych (total harmonic distortion THD). THD I rms I 3rms... I nrms... I 1rms

28 Można pokazać, że: I rms I I rms nrms I... Dla prądu pobieranego z sieci zazwyczaj I 0 = 0, stąd: THD I 2 rms I 1rms I 2 1rms

29 i w konsekwencji: PF THD cos

30 Wymaganie wobec urządzeń zasilanych z sieci: PF bliski jedności. Korektory PF pasywne i aktywne.

31 System energoelektroniczny. P A, P R itd. moce średnie.

32 Sprawność energetyczna: P 0 1 P A P S P A P S P E P R P 0 P S, P E na ogół małe.

33 P A P R P 0 P P 0 A 1 P P R A P R P 0 1 1

34 Pożądane: 1, czyli P R << P 0. Inna miara jakości: P 0 P R 1 i zdeterminowane przez strukturę układu i sposób sterowania.

35 Przy ustalonym : P 0 P R. P R zamieniana na ciepło, P E emitowana w formie fal EM lub przebiegów zakłócających sieć energetyczną.

36 Klasyfikacja układów energoelektronicznych A. O działaniu ciągłym, B. Kluczowane (większość).

37 A małe sprawności ( < 50%, często tylko kilkanaście %). B duże sprawności ( > 50%, czasem > 90%).

38 Inny podział, odniesiony głównie do układów typu B) nazywanych przekształtnikami (power converters):

39 a) AC DC (prostowniki rectifiers), b) DC DC (przetwornice napięcia stałego DC-DC converters), c) AC AC (cyklokonwertery cycloconverters, frequency converters), d) DC AC (falowniki inverters).

40 Modulacja szerokości impulsów (Pulse width modulation PWM) PWM najważniejsza z technik impulsowego przetwarzania mocy. Najprostszy przypadek:

41

42 Klucz przełączany okresowo (okres T). T t ON t OFF t ON D T t OFF (1 D) T t ON klucz zwarty, t OFF rozwarty. D współczynnik wypełnienia (duty ratio, duty factor)

43

44 Wartość średnia u 1 : T 1 u1 u1( t) T 0 dt D U WE Jeśli filtr idealnie dolnoprzepustowy, to: u0 u1 D U WE t ON T U WE

45 Regulacja u 0 przez zmiany t ON czyli zmiany szerokości impulsów, przy ustalonym T. Tutaj: u 0 < U WE. Dołączenie diod i elementów gromadzących energię pozwala na regulację u 0 także powyżej U WE.

46 Inne techniki impulsowe w energoelektronice Wzmacniacze klasy E Element aktywny kluczowany przebiegiem wejściowym. Napięcie wyjściowe filtrowane.

47