Przyrządy i układy mocy studia niestacjonarne, sem. 4 lato 2018/19 dr inż. Łukasz Starzak Politechnika Łódzka Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych http,://www.dmcs.p.lodz.pl/ ul. Wólczańska 221/223 bud. B18 pok. 51 http,://neo.dmcs.p.lodz.pl/~starzak http,://neo.dmcs.p.lodz.pl/pium
Program zajęć Wykład (4½ 2h, zjazdy 1-5) 1. Przekształcanie energii elektrycznej za pomocą układów elektronicznych 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych 3. Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy 4. Sterowanie i bezpieczna praca przyrządów półprzewodnikowych mocy 5. Przegląd przekształtników elektronicznych Zaliczenie: kolokwium 1h na ostatnich zajęciach (zjazd 5) Laboratorium (4½ 4h, zjazdy 6-10) 8 ćwiczeń po 2h (zjazdy 6-9) Zaliczenie: kolokwium 1h na ostatnich zajęciach (zjazd 10) Odróbki ćwiczeń, poprawianie, uzupełnianie pomiarów: zjazd 10 Karta przedmiotu: dostępna na http,://programy.p.lodz.pl/ Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 2
Literatura Podstawowa Napieralski A., Napieralska 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. Uzupełniająca 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 2018/19 3
Część 1 Przekształcanie energii elektrycznej za pomocą układów elektronicznych Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 4
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 pewna część wspólna z automatyką i elektrotechniką Elektronika przemysłowa (industrial electronics) ogół zagadnień związanych ze sterowaniem procesami przemysłowymi za pomocą układów elektronicznych 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 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 5
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 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 6
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 W analizie układów mocy należy zawsze uwzględniać obie te wielkości w przeciwieństwie do układów sygnałowych gdzie sygnały są przenoszone przez jedną wielkość, więc drugą często pomija się w analizie Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 7
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) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 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 pobiera energię, to jego p > 0 Moc chwilowa może zmieniać wartość i znak zmiana kierunku przepływu energii (magazynowanie, zwrot do źródła) Moc czynna odzwierciedla wypadkowy efekt energetyczny w każdym okresie składowej przemiennej Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 9
Moc czynna a sprawność przekształtnika Skoro przebiegi są okresowe, to Moc czynna odpowiada energii elektrycznej przetworzonej na inną postać energii (mechaniczną, świetlną, cieplną w tym straty) Sprawność przekształtnika : P c Wartość skuteczna odzwierciedla wypadkową (efektywną) energię, którą może przenieść dany przebieg zmienny w czasie pozwala stosować prawa Ohma i Joule a (oczywiście dla rezystancji) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 10
Moc odbiorników impedancyjnych przy przebiegach przemiennych sinusoidalnych Wartość skuteczna przebiegu przemiennego sinusoidalnego Odbiornik rezystancyjny Odbiornik impedancyjny Moc chwilowa Moc czynna Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 11
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 dla odbiornika impedancyjnego I > I, gdyż cos φ < 1 dla φ 0 Różnicę tę opisuje współczynnik mocy Współczynnik mocy mniejszy od 1 jest niekorzystny dla przebiegów sinusoidalnych 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 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 12
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 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 13
Przebiegi niesinusoidalne Rozwinięcie w szereg Fouriera składowa stała z twierdzenia Fouriera składowa przemienna x 1 składowa podstawowa; f = ω/(2π) częstotliwość podstawowa 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 2018/19 14
Układy o działaniu ciągłym (linear-mode) Sygnały sterujące zmieniają się w sposób ciągły mogą przyjmować dowolne wartości punkt pracy w centralnej części charakterystyki stanu przewodzenia Współczesne zastosowania Zalety Wady niektóre wzmacniacze (np. klasy A) niektóre stabilizatory (liniowe) bezpośrednio wytwarzają przebiegi stałe i n.cz. nie generują zaburzeń proste sterowanie duże straty mocy p c,max : p c,min =0: Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 15
Układy o działaniu przełączającym (switched-mode) Sygnał sterujący zmienia się cyklicznie i skokowo, przyjmując na przemian skrajne wartości t cond Zalety na przemian pełne wyłączenie i załączenie przełączanie zmiana drogi przepływu, tj. przełączanie prądu do innej gałęzi, czy też przełączanie efektywnej topologii układu t on t off t b Wady bardzo małe straty mocy (nawet rzędu 0,1%) konieczność filtracji przebiegu użytecznego (przepustowej) i zaburzeń (zaporowej) cond b cond b cond t on + t off b b b Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 16
Przyrząd półprzewodnikowy jako łącznik idealny i rzeczywisty Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 17
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 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 18
Przykład układ obniżający napięcie Przekształtnik elektromechaniczny Założenia U i = 20 V U o = 10 V I o = 1 A R L = U o / I o = 10 Ω η = 0,5 Przekształtnik elektroniczny o działaniu ciągłym Przekształtnik elektroniczny o działaniu przełączającym η = 0,5 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 19
Parametry przebiegów impulsowych okres powtarzania T p (period) częstotliwość powtarzania f p (frequency) f p = 1 / T p czas trwania impulsu t p (pulse width) współczynnik wypełnienia D (duty cycle) D = t p / T p poziom niski X L (low level) poziom wysoki X H (high level) amplituda X m (amplitude) czas narastania t r (rise time) czas opadania t f (fall time) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 20
Przykład cd. t on = 0,5 µs t off = 0,5 µs 9,5 W t cond = 4,5 µs t b = 4,5 µs Założenia dodatkowe f s = f p = 100 khz T s = 10 µs D = 0,5 t p = 0,5 T p = 5 µs Parametry tranzystora jako łącznika U on = 1 V I off = 0 A t on = t off = 0,5 µs t cond = t b = 4,5 µs η = 0,92 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 21
Energia strat dynamicznych w tranzystorze (obciążenie rezystancyjne) 0 t r Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 22