W1. Wiadomości wsępne EORA PRZEKSZAŁNKÓW W. Przekszałniki sieciowe 1 W3. Przekszałniki sieciowe Kurs elemenarny Zakres przedmiou: ( 7 dwugodzinnych wykładów :) W4. Złożone i specjalne układy przekszałników sieciowych W5. Przekszałniki impulsowe napięcia sałego 1 W6. Przekszałniki impulsowe napięcia sałego W7. Falowniki!!!Zapis wykładu ma charaker lakoniczny, skróowy o cechach noaek zawierających m. innymi uproszczone frazy językowe nie zamknięe w regularne zdania. Prezenacje usne w czasie wykładów będą sanowiły poszerzony komenarz do przekazanego sudenom maeriału podsawowego. W ekście maeriału zosaną zaware odnośniki do wskazanej lieraury [L...] UWAGA!! Podsawa zaliczenia przedmiou i wysawienia oceny jes umiejęność rozwiązywania zadań zamieszczonych na sronie przedmiou. Lieraura: [L1]. unia H., Barlik R. eoria przekszałników PW 003 [L]. Barlik R, Nowak M. echnika yrysorowa WN 1994 [L3]. Mikołajuk K. Podsawy analizy obwodów energoelekronicznych PWN 1998 [L4]. Nowak M. Barlik R. i inni Układy energoelekroniczne WN 198 [L5]. Nowak M. Barlik R. Poradnik nżyniera Energoelekronika WN 1998 [L6] Mohan N., Undeland.M., Robbins W.P. Power elecronics JW&S NJ 1995 Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010
W1. WADOMOŚC WSĘPNE eoria przekszałników o dział szerokiej dyscypliny - energoelekroniki (ang. Power Elecronics, niem. Leisungselekronik). eoria przekszałników jes przykładem zasosowania meod analizy obwodów do grupy układów zbudowanych z zasosowaniem łączników dwusanowych. Niezliczona liczba rozwiązań układowych przekszałników, sale powiększana, ma na celu zaspokojenie sale rosnących porzeb w zakresie przewarzania form i precyzyjnego serowania energia różnorodnych odbiorników, generaorów i magazynów energii elekrycznej. Energoelekronika jako dziedzina prac badawczo-rozwojowych obejmuje nasępujące działy: analiza i projekowanie obwodów przekszałnikowych (główny przedmio wykładu eoria Przekszałników ) budowa, właściwości i sposób użykowania elemenów worzących układy przekszałnikowe (echnologie konsrukcji) meody i układy serowania przekszałników. Zajmując się analizą i opisem właściwości poszczególnych obwodów nie można absrahować od właściwości i paramerów komponenów (łączników półprzewodnikowych, elemenów magazynujących energię) a akże od specyfiki serowania przekszałników za pośrednicwem dwusanowych łączników. Rys.1.1. Przykładowy schema poboru i konwersji energii elekrycznej z zasosowaniem przekszałników O wadze energoelekroniki we współczesnej cywilizacji niech swiadczą nasępujące liczby: Moc sosowanych przekszałników 0,01 W - 10 GW (10 - - 10 10 ) Liczba przekszałników wyworzonych ~10 10 W krajach wysokorozwinięych - /3 energii elekrycznej jes udoskonalane za pomocą przekszałników. Oznacza o, że energia elekryczna rozprowadzana przez sysemy energeyczne jes swojego rodzaju półprodukem. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010
ypowe źródła zasilające i magazynujace energię - sieć 50 Hz 1-3 fazowa - baerie akumulaorów i superkondensaorów - lokalne generaory z silnikami spalinowymi, - mikrourbiny parowe, wodne, wiarowe - ogniwa fooelekryczne, paliwowe Odbiorniki ( ogólny podział): napięcia i prądu sałego napięcia i prądu przemiennego - o sałej lub zmiennej częsoliwości - jedno lub wielofazowe Podsawowe przemiany energii elekrycznej dokonywane za pomocą przekszałników Rys.1.. Bloki reprezenujące podsawowe przemiany w przekszałnikach Meody opisu i analizy napięć i prądów w obwodach przekszałników: -podejście klasyczne na podsawie wzorów analiycznych wyznaczonych jako rozwiązanie równań różniczkowych przedziałami czasowymi liniowych powiązanych warunkami brzegowymi. Uzyskuje się ą drogą zależności o charakerze ogólnym. - analiza kompuerowa - symulacja z zasosowaniem sandardowych meod numerycznych bazujących na zmiennych sanu z uwzględnieniem modeli łączników ( zmienna rezysancja zależnie od sany łącznika ) - analiza spekralna w funkcji częsoliwości służąca do globalnej oceny przebiegów napięcia i prądu wywarzanych w przekszałnikach. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010
Elemeny układów energoelekronicznych [L1: sr 9-35] ([L5: sr75-333], srona WWW. isep.pw.edu.pl Przyrządy półprzewodnikowe mocy - łączniki serowane w pierwszym sopniu analizy rakowane są częso jako idealne z punku widzenia charakerysyk napięciowo - prądowych (U F = 0 przy przewodzeniu, DR =0 przy blokowaniu i w sanie zaworowym) i czasów przełączania ( S = 0). Można powiedzieć, że idealne łączniki energoelekroniczne są bezsrane. Rys.1.3. Charakerysyki napięciowo-prądowe idealnego łącznika Charakerysyki elemenów rzeczywisych są ograniczone do wybranych ćwiarek układu U-. ( Rys.1.4) Rys.1.4. Charakerysyki idealne łączników rzeczywisych Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010
Rys.1.5. Modele łączników energoelekronicznych w sanie przewodzenia i w sanie blokowania i zaworowym Charakerysyki rzeczywise przyrządów są dla poszczególnych sanów inerpreowane jako połączenie rezysancji i źródeł napięcia lub prądu. Spadek napięcia na łączniku przewodzącym prąd sanowi jeden z podsawowych paramerów; U F U O r Dla ak zdefiniowanej charakerysyki przewodzenia można wyznaczyć moc sra przewodzenia dla okresowych przebiegów prądu P sr_ przew U O ( AV ) F r F ( RMS ) Charakerysyki dla sanów blokowania i zaworowego są zwykle reprezenowane przez rezysancję dążącą do nieskończoności. Podsawowym paramerem dla ych sanów jes dopuszczalna warość napięcia wynikająca z wyrzymałości napięciowej złączy p-n w krzemie (napięcie przebicia lawinowego) Rys.1.6. Charakerysyki w sanie blokowania i zaworowym z uwzględnieniem zjawiska przebicia. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010
Podsawowe maksymalne paramery sayczne charakeryzujące najczęściej sosowane łączniki półprzewodnikowe zesawiono w abeli z rys 1.7 Rys.1.7. abela przedsawiająca właściwości powszechnie sosowanych łączników półprzewodnikowych. (U R napięcie wseczne, U D napięcie zgodne blokowane) Rys.1.8. Uproszczone przebiegi prądów i napięć i mocy sra łączników podczas załączania i wyłączania. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010
Poza charakerysykami saycznymi właściwości łączników opisują paramery dynamiczne ak jak o przedsawiono na rysunku 1.8. Poza ypowymi warościami czasów on i off, proces załączania i wyłączania jes opisany za pomocą warości energii raconej przy przełączaniu zdefiniowanej nasępująco on E u( ) i( ) d on oraz off E u( ) i( ) d Na podsawie dosarczonych przez producena warości energii przełączania sprowadzonych do rzeczywisych warości napięcia i prądu, przy kórych dokonywane jes przełączanie można wyliczyć moc sray łączeniowych korzysając z wzoru P sr_ lacz f S ( E on off E Od paramerów dynamicznych zależy częsoliwość łączeń osiągana przez poszczególne rodzaje i ypy łączników. Na wykresie z rysunku 1.9 zaprezenowano orienacyjny podział zasosowań poszczególnych ypów łączników w zależności od przełączanej mocy i częsoliwości łączeń. off ) Rys.1.9. Wykres obrazujący ypowe zakresy zasosowań łączników w dziedzinie mocy i częsoliwości łączeń Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010
PYANA- PROBLEMY Jakie podsawowe działy prac badawczo-rozwojowych można wyróżnić w obszarze energoelekroniki? Jakie są podsawowe źródła energii, z kórych korzysają przekszałniki? Jakie podsawowe rodzaje przemian energoelekronicznych wyróżnia się? Jakie główne meody sosuje się w opisie i analizie obwodów przekszałnikowych? Jakie sa cechy idealnego łącznika energoelekronicznego? Jakie paramery charakeryzują rzeczywise łączniki? Jakie są ypowe graniczne warości napięć i prądów dla podsawowych ypów łączników? Jak dzielimy sray energii wysępują w łącznikach półprzewodnikowych? Dlaczego ranzysor MOSFE jes szczególnie użyeczny w przekszałnikach na niskie napięcia? Jak obliczać moc sra przewodzenia dla łączników? Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010
Podsawowe zależności sosowane przy opisie i analizie obwodów przekszałnikowych [L3; sr 16-36] Analiza spekralna: Przebiegi napięć i prądów wysępujących w przekszałnikach mają z reguły formę okresowych i odkszałconych. Meoda analizy spekralnej opara na rozkładzie na szereg Fouriera jes niezwykle efekywnym narzędziem umożliwiającym scharakeryzowanie i porównanie właściwości określonych przebiegów. Rys.10. Przykładowy przebieg prądu sosowny do analizy spekralnej z zasosowaniem szeregu Fourier a ak dla przykładowego przebiegu prądu o okresie jak na rys.10 można wyznaczyć szereg nieskończony o posaci: i( ) gdzie: 0 ak 0 km sin( kk) k1 1 i( ) d;.. km ak bk i( )cos kd ; k bk ;... arcg ak bk i( )sin kd Powyższe wzory mogą być oczywiście sosowane w formie odpowiadającej prezenacji przebiegu w uogólnionej posaci jako funkcja kąa (okres odpowiada kąowi ). Przy analizie spekralnej w szeregu wypadków szczególne znaczenie ma pierwsza harmoniczna zwana podsawową bądź użyeczną. Wyższe harmoniczne zwykle mają charaker pasożyniczy i podejmowane są działania dla ich usunięcia lub Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010
minimalizacji. Dla oceny przebiegu badana jes relacja pomiędzy sumą wyższych harmonicznych harmonicznymi a harmoniczną podsawową (użyeczną). Warość średnia, skueczna, całkowiy współczynnik deformacji Warość średnia ( AV - average) odpowiada składowej zerowej w szeregu Fouriera. Warość średnia w obwodach napięcia i prądu sałego spełnia funkcję składowej podsawowej - użyecznej. Warunek zerowej warości napięcia średniego na indukcyjności oraz prądu średniego w kondensaorze jes częso w analizie równoznaczne ze spełnieniem warunku sanu pracy usalonej (quasi-usalonej). 1 AV i( ) d Warość skueczna ( RMS - roo-mean square) definiowana jako warość prądu sałego kóra płynąc przez rezysancję wywołuje akie same sray mocy jak rozparywany okresowy przebieg o dowolnym kszałcie. 1 RMS R i ( ) Rd czyli 1 RMS i ( ) d Definicja wywodzi się z porzeby charakerysyki fali prądu ale okazała się również użyeczna w odniesieniu do napięcia Warość skueczna przebiegu odkszałconego w domenie harmonicznych jes określona wzorem RMS 1RMS RMS... krms k 1 krms Dla oceny deformacji przebiegu w porównaniu z przebiegiem odpowiadającym pierwszej harmonicznej ( użyecznej ) sosuję się powszechnie całkowiy współczynnik deformacji(hd - oal harmonic disorion) zdefiniowany jak nasępuje:! Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010
HD k 1RMS krms 100% Ponieważ wyznaczenie sumy wyższych harmonicznych jes rudne wzór można przekszałcić do posaci, w kórej korzysa się z warości skuecznej przebiegu odkszałconego i warości skuecznej pierwszej harmonicznej: HD RMS 1RMS 1RMS 100% PROBLEMY - ĆWCZENA *Wyznaczyć warości skueczne prądu oraz HD dla fali o kszałcie jak na rysunku w funkcji paramerów oznaczonych na wykresach. Rys.1.1 *Wyznaczyć jak zawarość 1 i 3 harmonicznej zależy od kąa w przebiegu podanym na rys. Rys..1 *Podać wykres prążków spekrum do 10 harmonicznej dla przebiegów na rys..13. Rys..13. Mieczysław Nowak SEP-PW mnowak@ee.pw.edu.pl luy 010