Elektroniczne Systemy Przetwarzania Energii
Zagadnienia ogólne Przedmiot dotyczy zagadnień Energoelektroniki - dyscypliny na pograniczu Elektrotechniki i Elektroniki.
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)
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.
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).
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),
potrzeba zwiększania sprawności układów przetwarzania energii, wymaganie czystości energii elektrycznej minimalizacja emisji zakłóceń, wzrost zapotrzebowania na urządzenia UPS (uninterrupted power supply).
Pojęcia energii i mocy elektrycznej Energia (W) zdolność do wykonania pracy. Jednostki: J, kwh. Zmiana energii: wykonanie pracy lub przepływ ciepła.
Praca mechaniczna do B w wyniku działania siły F: przeniesienie ciała od A W P B A F ds
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
Moc (p): szybkość zmian energii (np. szybkość wykonywania pracy). Jednostka wat (W). p dw dt 1W 1J 1sek p d dt Q V AB
W stałym polu: p dq dt V AB i u Dla zmiennego pola dodatkowo: prąd przesunięcia (efekty pojemnościowe), pole magnetyczne (efekty indukcyjne).
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
Dla przebiegów okresowych, pojęcie wartości skutecznych (root mean square rms). X rms 1 T T 0 x( t) 2 dt
Dla x( t) X m sin( t ), gdzie 2 T otrzymujemy: X rms X m 2
Napięcie w sieci energetycznej (Europa): U 220 230V ; U 311 325V rms m
Jeśli i(t) i u(t) w odbiorniku są okresowe to moc pozorna P A (apparent power) wynosi: P A I rms U rms
Moc średnia P śr dla przebiegów okresowych nazywa się też mocą czynną. Współczynnik mocy (power factor PF) dla przebiegów okresowych:
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.
Załóżmy: u( t) U sin m t Przebieg i(t) odkształcony, przedstawiamy szeregiem Fouriera : i( t) I i ( t)... i ( t) 0 1 n...
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
Tylko pierwszy składnik w nawiasie kwadratowym jest niezerowy (niezależnie od różnicy faz). Przyjmijmy: i ( t) I sin( t 1 m1 )
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
Z drugiej strony: P śr PF U rms I rms Zatem: PF I I 1rms rms cos
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).
PF = 1 dla takiego odbiornika energii, który jest widziany przez sieć zasilającą jako liniowy rezystor (element liniowy i bezinercyjny).
Pierwszy czynnik wzoru PF I I 1rms rms cos można powiązać ze współczynnikiem zawartości harmonicznych (total harmonic distortion THD). THD I 2 2 2 2 rms I 3rms... I nrms... I 1rms
Można pokazać, że: I rms I I... 2 2 2 0 1rms nrms I... Dla prądu pobieranego z sieci zazwyczaj I 0 = 0, stąd: THD I 2 rms I 1rms I 2 1rms
i w konsekwencji: PF 1 1 2 THD cos
Wymaganie wobec urządzeń zasilanych z sieci: PF bliski jedności. Korektory PF pasywne i aktywne.
System energoelektroniczny. P A, P R itd. moce średnie.
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.
P A P R P 0 P P 0 A 1 P P R A P R P 0 1 1
Pożądane: 1, czyli P R << P 0. Inna miara jakości: P 0 P R 1 i zdeterminowane przez strukturę układu i sposób sterowania.
Przy ustalonym : P 0 P R. P R zamieniana na ciepło, P E emitowana w formie fal EM lub przebiegów zakłócających sieć energetyczną.
Klasyfikacja układów energoelektronicznych A. O działaniu ciągłym, B. Kluczowane (większość).
A małe sprawności ( < 50%, często tylko kilkanaście %). B duże sprawności ( > 50%, czasem > 90%).
Inny podział, odniesiony głównie do układów typu B) nazywanych przekształtnikami (power converters):
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).
Modulacja szerokości impulsów (Pulse width modulation PWM) PWM najważniejsza z technik impulsowego przetwarzania mocy. Najprostszy przypadek:
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)
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
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.
Inne techniki impulsowe w energoelektronice Wzmacniacze klasy E Element aktywny kluczowany przebiegiem wejściowym. Napięcie wyjściowe filtrowane.