Część 1. Przekształtniki elektroniczne

Transkrypt

1 Część 1 Przekształtniki elektroniczne

2 Elektronika mocy Elektronika mocy (energoelektronika; power electronics) jest gałęzią elektroniki zajmującą się przekształcaniem energii elektrycznej za pomocą przyrządów elektronicznych w odróżnieniu od elektroniki sygnałowej, która zajmuje się przetwarzaniem sygnałów elektrycznych niosących informację Elektronika przemysłowa (industrial electronics) ogół zagadnień związanych ze sterowaniem procesami przemysłowymi za pomocą układów elektronicznych pewna część wspólna z automatyką i elektrotechniką elektronika mocy sterowniki programowalne (PLC) i komputery przemysłowe sieci transmisji danych robotyka i sztuczna inteligencja akwizycja i przetwarzanie danych niezawodność i testowanie znacząca część wspólna z automatyką, informatyką i telekomunikacją 2

3 Elementy i aplikacje elektroniki mocy 10 kluczowych zagadnień wg Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) przyrządy półprzewodnikowe mocy układy scalone chłodzenie elementy bierne przekształtniki impulsowe sterowanie silnikami elektrycznymi nowe źródła światła alternatywne źródła energii sterowanie modelowanie Współczesne zastosowania zasilanie sprzętu komputerowego i telekomunikacyjnego instalacje samochodowe trakcja elektryczna zasilanie i sterowanie sprzętu domowego użytku sterowanie silnikami elektrycznymi w instalacjach przemysłowych sterowanie oświetleniem elektryczne systemy zasilania, w tym wykorzystujące alternatywne źródła energii 3

4 Energia elektryczna Energia elektryczna to energia związana z wielkościami elektrycznymi ładunek: związana z nim jest siła Coulomba; siła może wykonać pracę, czyli dokonać przekazu energii z ładunkiem elektrycznym związana jest energia napięcie: spoczywające ładunki wytwarzają pole elektryczne, a więc napięcie związana jest z nim energia potencjalna przykład: rozwarty naładowany kondensator prąd: z definicji stanowi uporządkowany ruch ładunków związana jest z nim energia kinetyczna przykład: obwód po przyłączeniu opornika do końcówek naładowanego kondensatora Przekaz energii elektrycznej wymaga: przemieszczenia ładunków, a więc przepływu prądu pola elektrycznego, które wywoła ten ruch ładunków, a więc występowania napięcia 4

5 Przekształcanie energii elektrycznej Przekształtnik (zasadniczy rodzaj układu energoelektronicznego) pobiera ze źródła zasilania energię elektryczną, co oznacza przepływ pewnego prądu przy pewnym napięciu, a następnie oddaje do odbiornika energię elektryczną przekształconą, co oznacza przepływ innego prądu przy innym napięciu Przemiana napięcia/prądu może obejmować: występowanie/brak składowej stałej/przemiennej wartość (amplituda, wartość średnia, skuteczna itd.) częstotliwość (składowej przemiennej) kształt (np. prostokątny lub sinusoidalny, stopień odkształcenia) 5

6 Moc czynna Moc czynna to wartość średnia mocy chwilowej za jej okres Moc chwilowa może zmieniać wartość i znak konwencja strzałkowania: jeżeli źródło wydaje energię, to jego p > 0; jeżeli odbiornik pobiera energię, to jego p > 0 zmiana kierunku przepływu energii (magazynowanie, zwrot do źródła) Moc czynna odzwierciedla wypadkowy efekt energetyczny w każdym okresie składowej przemiennej 6

7 Zastosowania mocy czynnej Skoro przebiegi są okresowe, to : Energii elektrycznej przetworzonej na inną postać energii (mechaniczną, świetlną, cieplną w tym straty) odpowiada moc czynna Sprawność przekształtnika Pc Wartość skuteczna odzwierciedla wypadkową (efektywną) energię, którą może przenieść dany przebieg zmienny w czasie pozwala stosować prawa Ohma i Joule a (oczywiście dla rezystancji) 7

8 Moc odbiorników impedancyjnych przy przebiegach przemiennych sinusoidalnych Wartość skuteczna przebiegu przemiennego sinusoidalnego Odbiornik rezystancyjny Odbiornik impedancyjny Moc chwilowa Moc czynna 8

9 Współczynnik mocy Jeżeli odbiornik jest zasilany ze źródła napięcia sinusoidalnego U, to aby wydzielić w nim moc P, w obwodzie musi popłynąć prąd o natężeniu: dla odbiornika rezystancyjnego I > I, gdyż cos φ < 1 dla φ 0 dla odbiornika impedancyjnego Różnicę tę opisuje współczynnik mocy dla przebiegów sinusoidalnych Współczynnik mocy mniejszy od 1 jest niekorzystny konieczna większa wydajność prądowa źródeł (generatorów, akumulatorów) konieczna większa obciążalność prądowa elementów obwodu przekazywania i przetwarzania energii (szczególnie magnetycznych, np. transformatorów) większe spadki napięć i moc strat w przewodach (P = I 2 R ; U = I R) większa moc strat i ryzyko nasycenia elementów magnetycznych trzeba je dobierać na moc pozorną, a nie czynną 9

10 Moc pozorna i bierna Moc pozorna odzwierciedla moc, jaka mogłaby być wydzielona w odbiorniku, gdyby był on czysto dyssypatywny (rezystancyjny) Jest to całkowita moc, która krąży w obwodzie (jest przekazywana między źródłem a odbiornikiem moc chwilowa p = u i), ale niekoniecznie służy do wykonania pracy, tj. do przemiany energii elektrycznej na inną postać energii (np. mechaniczną, świetlną, cieplną) Moc bierna to moc, która krąży w obwodzie nie będąc przetwarzaną na pracę (niezależnie czy użyteczną, czy straty ciepła) na przykład (ale nie tylko) jest ona na przemian magazynowana i oddawana przez elementy reaktancyjne przy przebiegach sinusoidalnych 10

11 Przebiegi niesinusoidalne Rozwinięcie w szereg Fouriera składowa stała z twierdzenia Fouriera składowa przemienna x1 składowa podstawowa; f = ω/(2π) częstotliwość podstawowa x2, x3, składowe harmoniczne również sinusoidalne Wzór Parsevala dla wartości skutecznej dla mocy czynnej 11

12 Układy o działaniu ciągłym (linear mode) Sygnały sterujące zmieniają się w sposób ciągły mogą przyjmować dowolne wartości Współczesne zastosowania niektóre wzmacniacze (np. klasy A) niektóre stabilizatory (liniowe) Zalety punkt pracy w centralnej części charakterystyki stanu przewodzenia bezpośrednio wytwarzają przebiegi stałe i n.cz. nie generują zaburzeń proste sterowanie Wady duże straty mocy pc,max: pc,min=0: 12

13 Układy o działaniu przełączającym (switched-mode) Sygnał sterujący zmienia się cyklicznie i skokowo, przyjmując na przemian skrajne wartości na przemian pełne wyłączenie i załączenie przełączanie zmiana drogi przepływu, tj. przełączanie prądu do innej gałęzi, czy też przełączanie efektywnej topologii układu ton toff tb Zalety tcond bardzo małe straty mocy (nawet rzędu <1%) cond Wady konieczność filtracji przebiegu użytecznego (przepustowej) i zaburzeń (zaporowej) b cond ton+ toff b b b cond b 13

14 Przyrząd półprzewodnikowy jako łącznik idealny i rzeczywisty 14

15 Wymuszenie a odpowiedź łącznika W stanie załączenia układ zewnętrzny narzuca prąd łącznika spadek potencjału na łączniku wynika z jego niezerowej rezystancji W stanie wyłączenia układ zewnętrzny narzuca napięcie na łączniku prąd płynący przez łącznik wynika z jego skończonej rezystancji 15

16 Przykład układ obniżający napięcie Przekształtnik elektromechaniczny Założenia Ui = 20 V Uo = 10 V Io = 1 A RL = Uo / Io = 10 Ω η = 0,5 Przekształtnik elektroniczny o działaniu ciągłym Przekształtnik elektroniczny o działaniu przełączającym η = 0,5 16

17 Parametry przebiegów impulsowych okres powtarzania Tp (period) częstotliwość powtarzania fp (frequency) f p = 1 / Tp czas trwania impulsu tp (pulse width) współczynnik wypełnienia D (duty cycle) D = tp / Tp poziom niski XL (low level) poziom wysoki XH (high level) amplituda Xm (amplitude) czas narastania tr (rise time) czas opadania tf (fall time) 17

18 Przykład cd. ton = 0,5 µs toff = 0,5 µs tcond = 4,5 µs tb = 4,5 µs 9,5 W Założenia dodatkowe fs = fp = 100 khz Ts = 10 µs D = 0,5 tp = 0,5 Tp = 5 µs Parametry tranzystora jako łącznika Uon = 1 V Ioff = 0 A ton = toff = 0,5 µs tcond = tb = 4,5 µs η = 0,92 18

19 Klasyfikacja przekształtników Podstawowa klasyfikacja oparta jest o stwierdzenie, z którą składową (stałą czy przemienną) związana jest wypadkowa energia na wejściu i na wyjściu przekształtnika tj. która składowa mocy czynnej przeważa Przekształtniki AC-AC Przekształtniki AC-DC falowniki, w tym: rezonansowe, impulsowe Przekształtniki DC-DC prostowniki Przekształtniki DC-AC sterowniki prądu przemiennego, przemienniki częstotliwości przetwornice, w tym: dławikowe, transformatorowe, rezonansowe Przekształtniki mogą być wielostopniowe prostownik z aktywną kompensacją współczynnika mocy: AC-DC DC-DC falownik podwyższający napięcie: DC-DC DC-AC impulsowy przemiennik częstotliwości: AC-DC DC-AC 19

20 Zastosowania sterowania w przekształtnikach impulsowych ze zmianą współczynnika wypełnienia Przetwornice prądu stałego (DC-DC) Falowniki (DC-AC) regulacja (utrzymanie wartości) stałego napięcia wyjściowego sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t) podążało za (zwykle stałym) sygnałem odniesienia vref(t) regulacja przemiennego napięcia (rzadziej prądu) wyjściowego utrzymanie częstotliwości i wartości skutecznej oraz (z różną dokładnością) kształtu sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t) podążało za (zawsze przemiennym) sygnałem odniesienia vref(t) Prostowniki (AC-DC) regulacja stałego napięcia wyjściowego regulacja przemiennego prądu wejściowego co do kształtu sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t) podążało za sygnałem odniesienia vref(t), zaś prąd wejściowy ig(t) podążał za sygnałem odniesienia ic(t) prąd odnosi się (najczęściej) do wartości średniej lub szczytowej 20

21 Niektóre przypadki szczególne Przetwornice sterujące lampami elektroluminescencyjnymi (LED) regulacja (utrzymanie wartości) stałego prądu wyjściowego sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby prąd wyjściowy i(t) podążał za sygnałem odniesienia iref(t) natężenie promieniowania zależy wprost od natężenia prądu Przetwornice pracujące jako aktywne obciążenie (MPPT) modułów słonecznych (PVM) regulacja (dostosowanie) mocy czynnej wejściowej sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby moc wejściowa Pg=Vg Ig była maksymalna w bieżących warunkach nasłonecznienia wartości Vg i Ig łączy funkcja nieliniowa o przebiegu zmiennym w funkcji natężenia oświetlenia Przetwornice sterujące silnikami prądu stałego regulacja składowej stałej prądu wyjściowego od natężenia prądu wyjściowego zależą prędkość i moment obrotowy sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby uzyskać zadaną prędkość lub moment 21

22 Korzyści z cyfrowego sterowania przekształtników Zmniejszenie liczby elementów i wymiarów układu Sterowanie przekształtnikami o dowolnej topologii i metodzie sterowania obwody sterowania, zabezpieczeń, pomiaru, kompensacji pętli sprzężenia zwrotnego, sterowania chłodzeniem itd. zintegrowane w jednym układzie scalonym scalone sterowniki analogowe są przeznaczone do 1 3 topologii i stosują 1 2 metody sterowania produkowane są tylko dla najbardziej popularnych, co z kolei wpływa na ich popularność zmiana metody sterowania nie pociąga za sobą konieczności zmiany układu elektronicznego (topografii płytki, elementów) Ten sam obwód drukowany dla produktów o różnych parametrach zmianie ulega wyłącznie program w zakresie parametrów konfiguracyjnych obniżenie kosztów produkcji przez zwiększenie liczby egzemplarzy a zmniejszenie liczby wariantów tańszy również serwis i doskonalenie 22

23 Korzyści z cyfrowego sterowania przekształtników (cd.) Zwiększenie sprawności energetycznej, zmniejszenie poboru mocy Możliwość realizacji pomiarów pośrednich dostosowanie układu do zmiennego obciążenia zmiana częstotliwości przełączania, zmiana zasady sterowania, wyłączenie bloków czasowo zbędnych (np. wentylatora) łatwa realizacja stanu czuwania potrzebna jest tylko energia do zasilenia wybranych bloków mikroprocesora niektóre wielkości fizyczne można obliczyć na podstawie innych, np. moment obrotowy realizacja sprzężeń zwrotnych od momentu, mocy itp. dodatkowa wiedza o stanie układu Poprawa jakości sterowania, w tym zwiększenie szybkości odpowiedzi łatwa realizacja sprzężenia w przód 23

24 Sprzężenie w przód (feedforward) Tradycyjny sterownik ze sprzężeniem zwrotnym najbardziej ogólny PID zsumowane sygnały proporcjonalne do: uchybu, całki z uchybu i pochodnej uchybu określają współczynnik wypełnienia wymaga znajomości uchybu, tj. różnicy między wartością uzyskaną a zadaną wymaga znajomości historii regulacja statyczna tym lepsza, im większe wzmocnienie pogorszona dynamika łatwa realizacja analogowa i cyfrowa Idea sprzężenia w przód współczynnik wypełnienia wyliczany ze wzorów analitycznych wzory te mogą łączyć np. pożądane napięcie wyjściowe, moc wejściową napięcie wejściowe, obciążenie wartości elementów przekształtnika charakter wzorów teoretyczne lub empiryczne idealne lub rzeczywiste oparte na teraźniejszości i przyszłości dodanie do sterownika cyfrowego łatwe, analogowego złożone 24

25 Korzyści ze sprzężenia w przód Pożądany sygnał wyjściowy może być obliczony zanim zmiana w układzie przełoży się na wielkość wyjściową (np. napięcie) Ograniczenie wzory analityczne dają sygnał sterujący poprawny dla układu idealizowanego dla układu rzeczywistego wynik będzie przybliżony dokładne ustalenie odpowiedniego sygnału sterującego możliwe jest wyłącznie poprzez sprzężenie zwrotne Sprzężenie w przód jest z natury stabilne zmiany napięcia wejściowego sygnał mówiący o (planowanym) uśpieniu i wybudzeniu zasilanego podzespołu dodatkowo sterownik PID może mieć mniejsze wzmocnienie, gdyż gros sygnału sterującego pochodzi ze sprzężenia w przód (zwykle) stabilność Łatwo zrealizować wiele sprzężeń napięcie wyjściowe, prąd wejściowy, moc wejściowa itp. tradycyjny podział na sprzężenia napięciowe i prądowe nie ma zastosowania 25

26 Funkcje sterowania cyfrowego przekształtników (lista niewyczerpująca) tryb niskiego poboru mocy przełączanie źródeł zasilania łagodny start pamięć i zarządzanie awariami zmiana (nastawa) sygnału odniesienia zmiana zasady sterowania złożone techniki sterowania (np. PWM z modulacją częstotliwości) cyfrowa implementacja pętli sprzężenia zwrotnego komunikacja z innymi blokami i użytkownikiem pomiar wartości skutecznej, mocy czynnej, współczynnika zniekształceń prędkości, momentu obrotowego kompensacja współczynnika mocy minimalizacja zniekształceń harmonicznych minimalizacja zaburzeń wysokiej częstotliwości funkcje pomocnicze chłodzenie sterowanie wentylatorem 26

27 Poziom 1 Sterowanie włącz-wyłącz Funkcje start-stop tryb niskiego poboru energii zarządzanie wieloma odbiornikami pamięć awarii, watchdog, zarządzanie awariami komunikacja zabezpieczenia termiczne Sprzęt przetwornica z własnym sterownikiem analogowym prosty mikrokontroler oddziałujący poprzez wejścia typu włącz-wyłącz 27

28 Poziom 2 Sterowanie proporcjonalne Funkcje sterowanie napięciem wyjściowym ograniczenia prądowe, napięciowe, temperaturowe łagodny start i kontrolowane zatrzymanie sterowanie chłodzeniem Sprzęt przetwornica z własnym sterownikiem analogowym średnio prosty mikrokontroler przebieg impulsowy (PWM/CCP) podawany na wejście typu zezwalającego pomiar (ADC, SPI/I2C) 28

29 Poziom 3 Sterowanie wewnątrz topologii przekształtnika Funkcje przełączanie topologii kompensatora przełączanie zasady sterowania i rodzaju sprzężenia zwrotnego (np. przy małym obciążeniu) zmiana częstotliwości przełączania realizacja sprzężenia zwrotnego Sprzęt wewnętrzny generatormodulator (PWM) wewnętrzne zasoby analogowe lub zewnętrzne układy dedykowane (przetworniki A/C, wzmacniacze operacyjne, komparatory, oscylator, źródło napięcia odniesienia) zewnętrzny sterownik bramki 29

30 Poziom 4 Sterowanie w pełni cyfrowe (1) Funkcje bardziej złożone funkcje z niższych poziomów przekształtniki wielostopniowe cyfrowa (programowa) implementacja sprzężenia zwrotnego sterownik PI(D) lub inne algorytmy sterowania zaawansowane pomiary korektory współczynnika mocy (avg, rms, λ, dh, i(k)) falowniki (v(k), dh) szczególne sprzężenia zwrotne śledzenie punktu maksymalnej mocy (energia słoneczna) 30