Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Transcript

1 Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 1: (DC-DC Cnverters) Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

2 Σκοποί ενότητας Παρουσίαση και επεξήγηση βασικών τοπολογιών των μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή 2

3 Περιεχόμενα ενότητας Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή με τρανζίστορ ισχύος (Buck, Bst, Buck/Bst). Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή με θυρίστορ (Chpper) Ρύθμιση στροφών μηχανής συνεχούς ρεύματος με χρήση των ανωτέρω τοπολογιών 3

4 Διάλεξη 3η Μετατροπέας ΣΤ-ΣΤ υποβιβασμού τάσης (Buck) Μέρος 2ο 4

5 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΙΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΤΑΣΗ (DC-DC Cnverters) Ο ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΣΤ-ΣΤ ΥΠΟΒΙΒΑΣΜΟΥ ΤΑΣΗΣ (Buck DC-DC Cnverter) Μέρος 2 ο 5

6 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ Σ.Τ. Σ.Τ. ΤΥΠΟΥ BUCK I I MOS L C D C _ Κυκλωματικό διάγραμμα Όπως δηλώνει και το όνομά του, είναι ένας μετατροπέας Σ.Τ. σε Σ.Τ. υποβιβασμού τάσης (step-dwn ή buck cnverter) και παράγει μια συνεχή τάση εξόδου χαμηλότερη από τη συνεχή τάση εισόδου. 6

7 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ BUCK Η θεωρητική ανάλυση της λειτουργίας μετατροπέα Buck πραγματοποιείται στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και στηρίζεται στην υπόθεση ότι όλα τα στοιχεία του κυκλώματος είναι ιδανικά. Δηλαδή: Οι ημιαγωγικοί διακόπτες παρουσιάζουν: μηδενικούς χρόνους έναυσης και σβέσης μηδενικές απώλειες αγωγής μηδενική πτώση τάσης Ο πυκνωτής εξόδου είναι πολύ μεγάλος (ώστε η τάση εξόδου να μπορεί να θεωρηθεί σχεδόν σταθερή). Δύο περιοχές λειτουργίας: Περιοχή συνεχούς αγωγής (CCM). Περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM). 7

8 Βασικότερες εξισώσεις λειτουργίας Buck L I L - L Συνεχής αγωγή (CCM) I L,max - L - I I L,mn t n T s - t I +I I +I =δ, I = L,max L,mn, I = L,max L,mn δ I - I = δ T = δ 1-δ T 1-δ T L,max L,mn S S S L L L 8

9 Βασικότερες εξισώσεις λειτουργίας Buck L I L - L I L,max - - δ T s Δ1 T s Ασυνεχής αγωγή (DCM) - L I t T s δ δ = 2 I δ +2 TS L δ +2 IN, 9

10 Βασικότερες εξισώσεις λειτουργίας Buck Όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής L I L - L I L,max - - L I b t n t T s - - δ T δ 1-δ 1-δ S T S TS I =I = = =,b L,b L 2 L 2 L 2 10

11 Buck: Χαρακτηριστικές εξόδου (με σταθερή) δ δ 2 2 =δ, CCM =, DCM 2 2 I N, δ +2 I δ +2 TS L T δ 1-δ T I,b = I s s,b,max L 2 8 L N = και I N = I,b,max I I T 8L Αν θέσουμε: s Θα έχουμε: 2 2 δ δ N =δ, CCM N =, DCM 2 2 I 1 δ+ 1 δ + IN 4 I 4,b,max 11

12 Buck: Χαρακτηριστικές εξόδου ( σταθερή) N ΣΥΝΕΧΗΣ ΑΓΩΓΗ δ=0.9 ΑΣΥΝΕΧΗΣ ΑΓΩΓΗ δ=0.7 δ=0.5 δ=0.3 δ=0.1 N = I I N = T s 8L Χαρακτηριστικές εξόδου για = ct IN 12

13 Buck: Χαρακτηριστικές εξόδου (με σταθερή) δ δ 2 2 =δ, CCM =, DCM 2 2 I N, δ +2 I δ +2 TS L T 1-δ T I,b = I 2 L 2 2 L Αν θέσουμε: Θα έχουμε: s s,b,max I = N = και N I,b,max I I T 2L I 1 1 I 1 I ,b,max N δ=, CCM δ=, DCM N N N N N s 13

14 Buck: Χαρακτηριστικές εξόδου ( σταθερή) δ ΣΥΝΕΧΗΣ ΑΓΩΓΗ N=1,25 N=2,0 N = ΑΣΥΝΕΧΗΣ ΑΓΩΓΗ N=2,5 N=5,0 N=10 I I = N T s 2L Χαρακτηριστικές εξόδου για = ct INο 14

15 Μεταβολές Μεγεθών Buck: Μεταβολή φορτίου εξόδου Μεταβολή πηνίου εξομάλυνσης L I L I 1 I 2 I 3 L I L I t n - T s t t n - t T s - L I L - L T s I L,max - - δ T s Δ1 T s - L I t Συμπεράσματα για λειτουργία στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής Χαμηλό ρεύμα εξόδου Μικρές τιμές πηνίου εξομάλυνσης Μικρός όγκος και βάρος Μειονεκτήματα; 15

16 Προσομοίωση, με το πρόγραμμα Pspce, του μετατροπέα Σ.Τ. Σ.Τ. Buck L TR + - D 1 1 n pulse C 2 R Κυκλωματικό διάγραμμα 16

17 Προσομοίωση του Buck στην περιοχή CCM Κυματομορφές Τάσεων στη CCM 17

18 Προσομοίωση του Buck στην περιοχή CCM Κυματομορφές Ρευμάτων στη CCM 18

19 Προσομοίωση του Buck στην περιοχή DCM Κυματομορφές Τάσεων στη DCM 19

20 Προσομοίωση του Buck στην περιοχή DCM Κυματομορφές Ρευμάτων στη DCM 20

21 Προσομοίωση του Buck στην εκκίνηση Κυματομορφές των στοιχείων κατά την εκκίνηση 21

22 Κυμάτωση της τάσης εξόδου του Buck ΔQ 1 1 ΔIL T Δ = = C C ΔI L = 1-δ TS L T S Δ = 1-δ TS 8C L S u L L u 0 - L δt S Δ ΔQ T 2 S T S ΔI L 2 I L,mn - I L,max - - L I t Συνεπώς: 2 2 Δ 1 TS 1-δ π C = = 1-δ 8 L C 2 S Όπου c η συχνότητα αποκοπής του κατωδιαβατού φίλτρου: 2 1 C = 2 π L C Κυματομορφές τάσης - ρεύματος του πηνίου και τάσης εξόδου t 22

23 Ασκήσεις στο μετατροπέα Buck Άσκηση 1 η Ένας μετατροπέας Σ.Τ.-Σ.Τ. υποβιβασμού τάσης (Buck) τροφοδοτεί με τάση 24 ένα ωμικό φορτίο αντίστασης 6Ω. Η τάση εισόδου του μετατροπέα είναι ίση με 60, η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του είναι 100kHz, ενώ ο μετατροπέας λειτουργεί στην περιοχή συνεχούς αγωγής (CCM). Να υπολογισθούν: α) Ο λόγος κατάτμησης δ. β) Η ελάχιστη τιμή του πηνίου εξομάλυνσης L ώστε ο μετατροπέας να λειτουργεί στην περιοχή συνεχούς αγωγής. γ) Η μέγιστη και η ελάχιστη τιμή του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης, εάν η τιμή της επαγωγής του πηνίου αυτού ισούται με 240μH. δ) Η ισχύς που απορροφάται από την πηγή και η ισχύς που καταναλώνεται στο ωμικό φορτίο. 23

24 Ασκήσεις στο μετατροπέα Buck Άσκηση 2 η Θεωρήστε μετατροπέα Σ.Τ.-Σ.Τ. υποβιβασμού τάσης (Buck) με τάση εισόδου =48, τάση εξόδου ο =6 και ισχύ εξόδου P ο =3W- 30W. Η συχνότητα λειτουργίας είναι s =30kHz. Να υπολογισθεί η τιμή του πηνίου εξομάλυνσης ώστε το κύκλωμα να λειτουργεί στην περιοχή συνεχούς αγωγής, σε οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας. 24

25 Τέλος Διάλεξης

26 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στ πλαίσι του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

27 Σημειώματα

28 Σημείωμα Αναφοράς Cpyrght Πανεπιστήμιο Πατρών, Εμμανουήλ Τατάκης Εμμανουήλ Τατάκης. «Ηλεκτρονικά Ισχύος ΙΙ.». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

29 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creatve Cmmns Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

30 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Οι εικόνες των διαλέξεων δημιουργήθηκαν από τους κ. Τατάκη Εμμανουήλ, Συρίγο Στυλιανό στα πλαίσια του έργου «Ανοικτά ακαδημαϊκά μαθήματα Πανεπιστημίου Πατρών» εκτός κι αν αναφέρεται διαφορετικά παρακάτω:

31 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.