Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Transcript

1 Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα : Μετατροπείς Συνεχούς Τάσης σε Εναλλασσόμενη Τάση (DCAC Converers ή Inverers) 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 εναλλασσόμενη τάση Παρουσιάση μεθόδων παλμοδότησης σε μονοφασικούς και τριφασικούς αντιστροφείς Μελέτη του αρμονικού περιεχομένου τάσεων και ρευμάτων των αντιστροφέων

3 Περιεχόμενα ενότητας Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη τάση με τρανζίστορ ισχύος (Halfbridge, Fullbridge). Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη τάση με θυρίστορ Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση με τρανζίστορ ισχύος Μέθοδοι παλμοδότησης αντιστροφέων (SPWM, HIPWM κλπ) Ρύθμιση στροφών τριφασικής ασύγχρονης μηχανής 3

4 Διάλεξη η Μονοφασικοί και τριφασικοί μετατροπείς Σ.Τ.Ε.Τ. (Single and Three Phase Inverers) 4

5 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΙΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ (DCAC Converers ή INVERTERS) ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ και ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΤΕΤ (Single and Three Phase Inverers) 5

6 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΜΕ ΘΥΡΙΣΤΟΡ ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΓΙΑ ΩΜΙΚΟ ΦΟΡΤΊΟ Αντιστροφέας Alexanderson I d L d i R w u R R C =4C w w M/T u d i i i Th i C C Th Th u Th u C u Th i Th Κυκλωματικό διάγραμμα Αντιστροφέας Ρεύματος Ιδιαίτερο γνώρισμα των αντιστροφέων με θυρίστορ είναι η αναγκαιότητα ύπαρξης κυκλώματος εξαναγκασμένης σβέσης. 6

7 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ALEXANDERSON I d u d ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΓΙΑ ΩΜΙΚΟ ΦΟΡΤΊΟ L d i R i i i C i Th C i Th () () Th Th u Th w C =4C u p u p u C u R w w u Th Θεωρούμε τα θυρίστορ ιδανικά. Θεωρούμε το Μ/Τ ιδανικό. Το κύκλωμα μετάβασης δεν περιέχει επαγωγιμότητες. Η αυτεπαγωγιμότητα του πηνίου εξομάλυνσης L d θεωρείται πολύ μεγάλης τιμής (άπειρη): Το ρεύμα I d θεωρείται σταθερό. u s R Διάστημα αγωγής Th M/T Κάποια χρονική στιγμή έχει τεθεί σε αγωγή το θυρίστορ Th. Στις κυματομορφές και την ανάλυση που ακολουθεί θεωρούμε ότι η σταθερά χρόνου του κυκλώματος R C είναι πολύ μικρότερη από την ημιπερίοδο λειτουργίας. Συνεπώς, αφού παρέλθει το μεταβατικό φαινόμενο θα έχουμε: u u U u u U p p d C p d i i I, i 0, i 0, i 0 Th d C Th w w u u u U U us U i d R R R s s R p d d w p w Άρα η πολικότητα της τάσης του πυκνωτή C είναι αρνητική σε σχέση με την αναφορά. 7

8 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ALEXANDERSON I d u d L d i R i i i C i Th C i Th () () Th Th u Th w u R R C =4C u p u p u C u s w w u Th M/T u C U d U d i Th i Th i C u Th 3 4 T/ T/ d 5 Χρονικό διάστημα Τη χρονική στιγμή δίνουμε παλμό έναυσης στο θυρίστορ Th. Η τάση του πυκνωτή C εφαρμόζεται πάνω στο θυρίστορ Th και το πολώνει ανάστροφα. Θεωρούμε ότι το θυρίστορ Th σβήνει ακαριαία. Το ρεύμα I d μεταβαίνει από το θυρίστορ Th στο θυρίστορ Th. i i d u R i R i Κυματομορφές για ωμικό φορτίο 5 I d 8

9 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ALEXANDERSON I d u d L d i R i i i C i Th C i Th () () Th Th u Th w C =4C u p u p u C u R u s R w w u Th M/T u C U d U d i Th i Th i C u Th 3 4 T/ T/ d 5 Χρονικό διάστημα Το ρεύμα i Th στο θυρίστορ Th είναι σταθερό και ίσο με I d. Ο πυκνωτής C εκφορτίζεται μέσω της αντίστασης φορτίου, η οποία φαίνεται από το πρωτεύον ως παράλληλη με τον C και με τιμή 4 R. Το ρεύμα i C του C φθίνει εκθετικά. Το ρεύμα i αυξάνεται εκθετικά, αφού i C i =i Th =I d. Επίσης i =i C. i i d u R i R i Κυματομορφές για ωμικό φορτίο 5 I d 9

10 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ALEXANDERSON I d u d L d i R i i i C i Th C i Th () () Th Th u Th w C =4C u p u p u C u R u s R w w u Th M/T u C U d U d i Th i Th i C u Th 3 4 T/ T/ d 5 Χρονικό διάστημα 3 Θεωρούμε (34) τ < (Τ/), τ=4 R C. Τη χρονική στιγμή ολοκληρώνεται το μεταβατικό φαινόμενο. Μετά, η τάση u C στον πυκνωτή C παραμένει σταθερά και το i C μηδενίζεται. Τη χρονική στιγμή 3 παλμοδοτείται το θυρίστορ Th. Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται. Θα πρέπει d > F. i i d u R i R i Κυματομορφές για ωμικό φορτίο 5 I d 0

11 ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΙΣΟΔΥΝΑΜΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ I d u d L d i R i i i Th i C C Th Th u Th w u R C =4C w u C R w u Th M/T C =4C Th i Th I d u d i R i C u u R R C u Th Χρονικό διάστημα 3 Th ON i Th u C duc i i =I C =I R d : R C d d u =R I A e, τ=r C 4 R C C Χρονικό διάστημα 3 d τ u d I d Th i R i C i Th u Th u u R R C C =4C Χρονικό διάστημα 3 4, Th ON

12 ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΙΣΟΔΥΝΑΜΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ T ή ύ ά : u C( )=u C( ) R I d ώ τ Α= : u T C()=R Id e T τ τ e e Η τιμή του I d εξαρτάται από την τάση τροφοδοσίας U d και την τιμή του R. Τ Μπορεί να υπολογισθεί από ισολογισμό ισχύος: i R() R d Ud I 0 d Τ du τ C() e Αλλά: i R()=Id i C=Id C =Id T d τ e Αντικαθιστώντας στη σχέση ισολογισμού ισχύος καταλήγουμε στη σχέση: Ud Ud I d = = T R τ R 4 τ T 4 τ e anh T 4 τ T T e τ

13 ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΙΣΟΔΥΝΑΜΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Συνεπώς: e τ T T τ τ e e e τ u R ()=u C()=U d =Ud T 4 τ T anh τ 4 τ T e anh T 4 τ T 4 τ Επίσης: u C()= u C() και: u T T T T R( )=Ud αν 4 τ 8 4 τ τ Τέλος, θα πρέπει ο χρόνος απελευθέρωσης των θυρίστορ F να είναι μικρότερος από d. Συνεπώς : F d=τ ln T e τ u C U d U d u Th 3 4 T/ T/ Κυματομορφές τάσεων C και Th Μειονεκτήματα: α) Δεν λειτουργεί εν κενώ ή με πολύ μικρό ρεύμα εξόδου β) Δεν μπορεί να τροφοδοτήσει ωμικόεπαγωγικό φορτίο d 5 3

14 Προσομοίωση, με το πρόγραμμα Pspice, του μονοφασικού αντιστροφέα ρεύματος με θυρίστορ (ωμικό φορτίο) R Ld L3 K K K_Linear COUPLING = L L C Vd Dh Dh 3 3 Vpulse TD = 0 PER = ms Th Vpulse TD = 0.5ms PER = ms Th Κυκλωματικό διάγραμμα 4

15 Προσομοίωση αντιστροφέα ρεύματος με θυρίστορ (R φορτίο) Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων για ωμικό φορτίο 5

16 Προσομοίωση αντιστροφέα ρεύματος με θυρίστορ (R φορτίο) Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων για ωμικό φορτίο 6

17 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΙΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ (DCAC Converers ή INVERTERS) ΤΡΙΦΑΣΙΚΟI ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΤΕΤ (Three Phase Inverers) Έλεγχος με τετραγωνικούς παλμούς 7

18 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΤΡΑΝΣΙΣΤΟΡ 0 TR TR 3 TR 5 D D 3 D 5 A B C TR 4 TR 6 TR D 4 D 6 D Κυκλωματικό διάγραμμα 8

19 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΤΡΑΝΣΙΣΤΟΡ 0 TR TR 3 TR 5 D D 3 D 5 TR 4 TR 6 TR D 4 D 6 D Κυκλωματικό διάγραμμα Κάθε ημιαγωγικό στοιχείο ανάβει και σβήνει για 80. Κάθε ακροδέκτης εξόδου συνδέεται εναλλάξ στο θετικό ή τον αρνητικό πόλο της πηγής τροφοδοσίας. Επιτυγχάνεται τριφασική έξοδος λόγω καθυστέρησης 0 μεταξύ των παλμών έναυσης κάθε κλάδου. Τα περιττά πολλαπλάσια της 3 ης αρμονικής δεν εμφανίζονται στην πολική τάση. Ρύθμιση συχνότητας όχι όμως και της ενεργού τιμής της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου. A B C V A0 / / V B0 / / V C0 / / V AB V BC V CA TR ON TR 3 ON TR 4 ON TR ON TR 5 ON TR 6 ON TR ON TR ON TR 3 ON TR 4 ON ω ω TR 6 ON TR 5 ON Κυματομορφές τάσεων των στοιχείων ω ω ω ω 9

20 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΤΡΑΝΣΙΣΤΟΡ 50kHz 3 5 V in 4 6 n Speed Reference V in Speed Μ/Υ Duy Cycle δ ΕΞΙ (6) παλμοί Σύστημα ρύθμισης στροφών Α.Μ. 0

21 Προσομοίωση, με το πρόγραμμα Pspice, του τριφασικού αντιστροφέα τάσης με τρανσίστορ (ωμικό φορτίο) Ra Ma Rb Mb Rc Mc Vd/_ Va 3 Vb 3 Vc 3 TD = 0 PER = 30ms TD = 40ms PER = 30ms TD = 0ms PER = 30ms a b c Rla Rlb Rlc Vd/_ Rc Ma Mb Ra Rb Mc Vb Va 3 3 Vc 3 TD = 5ms PER = 30ms TD = 55ms PER = 30ms TD = 35ms PER = 30ms Κυκλωματικό διάγραμμα

22 Προσομοίωση, με το πρόγραμμα Pspice, του τριφασικού αντιστροφέα τάσης με τρανσίστορ (ωμικό φορτίο) Κυματομορφές τάσεων

23 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΙΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ (DCAC Converers ή INVERTERS) ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΤΕΤ (Single Phase Inverers) Έλεγχος με S.P.W.M. 3

24 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΤΡΑΝΣΙΣΤΟΡ Μονοφασικός αντιστροφέας ελεγχόμενος με S.P.W.M. i d i d V φ Φορτίο TR TR i φ Μονοφασικός αντιστροφέας τάσης σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας (HalfBridge Inverer) D D Μονοφασικός αντιστροφέας τάσης σε συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας (FullBridge Inverer) Κάθε ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο επιτρέπει τη ροή ρεύματος, όταν αυτό άγει, κατά τη μία φορά, ενώ η αντιπαράλληλη δίοδος επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει κατά την αντίθετη κατεύθυνση. O i d TR TR 4 D D 4 TR 3 A V φ Φορτίο B TR i φ D 3 D 4

25 ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ V SIN V TRI Ημίτονο αναφοράς Sinusoidal Pulse Widh Modulaion (S.P.W.M.) Τρίγωνο αναφοράς V SIN V TRI Ημίτονο αναφοράς Τρίγωνο αναφοράς V PTR V PTR T S V ΑB T S Βασική αρμονική τάσης εξόδου V PTR3 V PTR4 Δημιουργία παλμών με S.P.W.M. Πολική τάση εξόδου Στο φορέα (τρίγωνο αναφοράς) διατηρείται σταθερό το πλάτος. Ρύθμιση συχνότητας και ενεργού τιμής της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου με μεταβολή της συχνότητας και του πλάτους του ημιτόνου αναφοράς. 5

26 ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ Sinusoidal Pulse Widh Modulaion (S.P.W.M.) ΟΡΙΣΜΟΙ Α sin = Τo πλάτος της κυματομορφής αναφοράς. Α ri = Τo πλάτος της κυματομορφής φορέα. F sin = Η συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς. F ri = Η συχνότητα της κυματομορφής φορέα. M A = Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους. M F = Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας. = A sin M A A ri peak Fri M F = F sin Πλάτος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου: V =Μ V γιά Μ Φ, d Α 6

27 ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ V peak Φ,ν V d Sinusoidal Pulse Widh Modulaion (S.P.W.M.) M A =0,8 M F =5 MF4 MF MF MF MF4 MF5 MF3 Πρώτη oμάδα: Fν= Fri± ν F sin Μ F ± ν Fsin Δεύτερη oμάδα: = ±( ν) Μ F±( ν) Τρίτη oμάδα: Fν= 3F ri± ν F sin 3 Μ F± ν Τέταρτη oμάδα: =4 ±( ν) 4 Μ ±( ν) MF MF MF3 MF5 F F F F F F F F F ν ri sin sin ν ri sin F sin 3 MF4 3 MF sin 3 MF 3 MF 3 MF4 ν ν=,,3,.. F F sin 7

28 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΤΡΑΝΣΙΣΤΟΡ 0 TR TR 3 TR 5 D D 3 D 5 A B C TR 4 TR 6 TR D 4 D 6 D Κυκλωματικό διάγραμμα 8

29 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΑΛΜΩΝ SPWM ΓΙΑ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΑΣΗΣ Ημίτονα και τρίγωνο αναφοράς για SPWM 9

30 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΚΑΤΆ ΤΗΝ ΠΕΔΗΣΗ M e M ek Λειτουργία ως γεννήτρια n S M L n Χαρακτηριστική ροπήςστροφών Α.Μ. 30

31 Τέλος Διάλεξης

32 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo 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.

33 Σημειώματα

34 Σημείωμα Αναφοράς Copyrigh Πανεπιστήμιο Πατρών, Εμμανουήλ Τατάκης 04. Εμμανουήλ Τατάκης. «Ηλεκτρονικά Ισχύος ΙΙ. Μετατροπείς Συνεχούς Τάσης σε Εναλλασσόμενη Τάση». Έκδοση:.0. Πάτρα 05. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: hp://eclass.uparas.gr/courses/ee898/.

35 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creaive Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [] 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». [] hp://creaivecommons.org/licenses/byncsa/4.0/ 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.

36 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:

37 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.