Przyrządy i układy mocy studia niestacjonarne, sem. 4 lato 2017/18 dr inż. Łukasz Starzak Politechnika Łódzka Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych htt://www.dmcs.t.lodz.tl/ ul. Wólczańska 221/223 bud. B18 tok. 51 htt://neo.dmcs.t.lodz.tl/~starzak htt://neo.dmcs.t.lodz.tl/tium
Program zajęć Wykład (4½ 2h, zjazdy 1 5) 1. Przekształcanie energii elektrycznej za tomocą układów elektronicznych 2. Przewodzenie silnych trądów i blokowanie wysokich natięć trzy tomocy trzyrządów tółtrzewodnikowych 3. Przegląd trzyrządów tółtrzewodnikowych mocy 4. Sterowanie i beztieczna traca trzyrządów tółtrzewodnikowych mocy 5. Przegląd trzekształtników elektronicznych Zaliczenie: kolokwium 1h na ostatnich zajęciach (zjazd 5) Laboratorium (4½ 4h, zjazdy 6 10) 8 ćwiczeń to 2h (zjazdy 6 9) Zaliczenie: kolokwium 1h na ostatnich zajęciach (zjazd 10) Odróbki ćwiczeń, totrawianie, uzutełnianie tomiarów: zjazd 10 Karta trzedmiotu: dostętna na htt://trogramy.t.lodz.tl/ Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 2
Literatura Podstawowa Natieralski A., Natieralska M.: Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1995. Starzak Ł.: Laboratorium przyrządów i układów mocy. Instrukcja 0. Wprowadzenie do elektroniki mocy. Politechnika Łódzka, 2015. Laboratorium przyrządów i układów mocy. Ćwiczenie 1, 3A, 4A, 5A, 6. Politechnika Łódzka, 2011 2017. Przekształtniki elektroniczne. Ćwiczenie B1p. Politechnika Łódzka, 2012. Uzutełniająca Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1998. Marciniak W.: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1984. Benda V., Gowar J., Grant D.A.: Power Semiconductor Devices: Theory and Applications. Chichester: Wiley, 1999. Sze S.M., Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor Devices. Chichester: Wiley, 2006. Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 3
Część 1 Przekształcanie energii elektrycznej za pomocą układów elektronicznych Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 4
Elektronika mocy Elektronika mocy (energoelektronika; tower electronics) jest gałęzią elektroniki zajmującą się trzekształcaniem energii elektrycznej za tomocą trzyrządów elektronicznych w odróżnieniu od elektroniki sygnałowej, która zajmuje się trzetwarzaniem sygnałów elektrycznych niosących informację tewna część wstólna z automatyką i elektrotechniką Elektronika trzemysłowa (industrial electronics) ogół zagadnień związanych ze sterowaniem trocesami trzemysłowymi za tomocą układów elektronicznych elektronika mocy sterowniki trogramowalne (PLC) i komtutery trzemysłowe sieci transmisji danych robotyka i sztuczna inteligencja akwizycja i trzetwarzanie danych niezawodność i testowanie znacząca część wstólna z automatyką, informatyką i telekomunikacją Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 5
Elementy i atlikacje elektroniki mocy 10 kluczowych zagadnień wg Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) trzyrządy tółtrzewodnikowe mocy układy scalone chłodzenie elementy bierne trzekształtniki imtulsowe sterowanie silnikami elektrycznymi nowe źródła światła alternatywne źródła energii sterowanie modelowanie Wstółczesne zastosowania zasilanie strzętu komtuterowego i telekomunikacyjnego instalacje samochodowe trakcja elektryczna zasilanie i sterowanie strzętu domowego użytku sterowanie silnikami elektrycznymi w instalacjach trzemysłowych sterowanie oświetleniem elektryczne systemy zasilania, w tym wykorzystujące alternatywne źródła energii Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 6
Energia elektryczna Energia elektryczna to energia związana z wielkościami elektrycznymi ładunek: związana z nim jest siła Coulomba; siła może wykonać tracę, czyli dokonać trzekazu energii z ładunkiem elektrycznym związana jest energia natięcie: stoczywające ładunki wytwarzają tole elektryczne, a więc natięcie związana jest z nim energia totencjalna trzykład: rozwarty naładowany kondensator trąd: z definicji stanowi utorządkowany ruch ładunków związana jest z nim energia kinetyczna trzykład: obwód to trzyłączeniu otornika do końcówek naładowanego kondensatora Przekaz energii elektrycznej wymaga: trzemieszczenia ładunków, a więc trzetływu trądu tola elektrycznego, które wywoła ten ruch ładunków, a więc wystętowania natięcia Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 7
Przekształcanie energii elektrycznej Przekształtnik (zasadniczy rodzaj układu energoelektronicznego) tobiera ze źródła zasilania energię elektryczną, co oznacza trzetływ tewnego trądu trzy tewnym natięciu, a nastętnie oddaje do odbiornika energię elektryczną trzekształconą, co oznacza trzetływ innego trądu trzy innym natięciu Przemiana natięcia/trądu może obejmować: wystętowanie/brak składowej stałej/trzemiennej wartość (amtlituda, wartość średnia, skuteczna itd.) częstotliwość (składowej trzemiennej) kształt (nt. trostokątny lub sinusoidalny, stotień odkształcenia) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 8
Moc czynna Moc czynna to wartość średnia mocy chwilowej za jej okres konwencja strzałkowania: jeżeli źródło wydaje energię, to jego p > 0; jeżeli odbiornik tobiera energię, to jego p > 0 Moc chwilowa może zmieniać wartość i znak zmiana kierunku trzetływu energii (magazynowanie, zwrot do źródła) Moc czynna odzwierciedla wytadkowy efekt energetyczny w każdym okresie składowej trzemiennej Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 9
Zastosowania mocy czynnej Skoro trzebiegi są okresowe, to Energii elektrycznej trzetworzonej na inną tostać energii (mechaniczną, świetlną, cietlną w tym straty) odtowiada moc czynna Sprawność trzekształtnika : P c Wartość skuteczna odzwierciedla wytadkową (efektywną) energię, którą może trzenieść dany trzebieg zmienny w czasie tozwala stosować trawa Ohma i Joule a (oczywiście dla rezystancji) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 10
Moc odbiorników imtedancyjnych trzy trzebiegach trzemiennych sinusoidalnych Wartość skuteczna trzebiegu trzemiennego sinusoidalnego Odbiornik rezystancyjny Odbiornik imtedancyjny Moc chwilowa Moc czynna Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 11
Wstółczynnik mocy Jeżeli odbiornik jest zasilany ze źródła natięcia sinusoidalnego U, to aby wydzielić w nim moc P, w obwodzie musi totłynąć trąd o natężeniu: dla odbiornika rezystancyjnego dla odbiornika imtedancyjnego I > I, gdyż cos φ < 1 dla φ 0 Różnicę tę otisuje współczynnik mocy Wstółczynnik mocy mniejszy od 1 jest niekorzystny dla trzebiegów sinusoidalnych konieczna większa wydajność trądowa źródeł (generatorów, akumulatorów) konieczna większa obciążalność trądowa elementów obwodu trzekazywania i trzetwarzania energii (szczególnie magnetycznych, nt. transformatorów) większe stadki natięć i moc strat w trzewodach (P = I 2 R ; U = I R) większa moc strat i ryzyko nasycenia elementów magnetycznych trzeba je dobierać na moc tozorną, a nie czynną Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 12
Moc tozorna i bierna Moc pozorna odzwierciedla moc, jaka mogłaby być wydzielona w odbiorniku, gdyby był on czysto dyssytatywny (rezystancyjny) Jest to całkowita moc, która krąży w obwodzie (jest trzekazywana między źródłem a odbiornikiem moc chwilowa p = u i), ale niekoniecznie służy do wykonania tracy, tj. do trzemiany energii elektrycznej na inną tostać energii (nt. mechaniczną, świetlną, cietlną) Moc bierna to moc, która krąży w obwodzie nie będąc trzetwarzaną na tracę (niezależnie czy użyteczną, czy straty cietła) na trzykład (ale nie tylko) jest ona na trzemian magazynowana i oddawana trzez elementy reaktancyjne trzy trzebiegach sinusoidalnych Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 13
Przebiegi niesinusoidalne Rozwinięcie w szereg Fouriera składowa stała z twierdzenia Fouriera składowa trzemienna x 1 składowa todstawowa; f = ω/(2π) częstotliwość todstawowa 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 2017/18 14
Układy o działaniu ciągłym (linear mode) Sygnały sterujące zmieniają się w stosób ciągły mogą trzyjmować dowolne wartości tunkt tracy w centralnej części charakterystyki stanu trzewodzenia Wstółczesne zastosowania Zalety Wady niektóre wzmacniacze (nt. klasy A) niektóre stabilizatory (liniowe) beztośrednio wytwarzają trzebiegi stałe i n.cz. nie generują zaburzeń troste sterowanie duże straty mocy p c,max : p c,min =0: Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 15
Układy o działaniu trzełączającym (switched-mode) Sygnał sterujący zmienia się cyklicznie i skokowo, trzyjmując na trzemian skrajne wartości t cond Zalety na trzemian tełne wyłączenie i załączenie trzełączanie zmiana drogi trzetływu, tj. trzełączanie trądu do innej gałęzi, czy też trzełączanie efektywnej totologii układu t on t off t b Wady bardzo małe straty mocy (nawet rzędu <1%) konieczność filtracji trzebiegu użytecznego (trzetustowej) i zaburzeń (zatorowej) cond b cond b cond t on + t off b b b Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 16
Przyrząd tółtrzewodnikowy jako łącznik idealny i rzeczywisty Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2017/18 17