Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Transcript

1 Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 1: (DCDC Converters) 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, Boost, Buck/Boost). Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή με θυρίστορ (Chopper) Ρύθμιση στροφών μηχανής συνεχούς ρεύματος με χρήση των ανωτέρω τοπολογιών 3

4 Διάλεξη 8η Μετατροπέας ΣΤΣΤ με θυρίστορ (Chopper) Μέρος 3ο 4

5 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΙΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΤΑΣΗ (DCDC Converters) Ο ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΣΤΣΤ ΜΕ ΘΥΡΙΣΤΟΡ (CHOPPER) Μέρος 3 ο 5

6 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ Σ.Τ. Σ.Τ. ΜΕ THYRISTOR (CHOPPER) C V C Th 1 L i R Th 2 D F u L 1 D 1 V q Κυκλωματικό διάγραμμα To Chopper είναι ένας μετατροπέας Συνεχούς Τάσης σε Συνεχή Τάση (Σ.Τ.Σ.Τ.), υποβιβασμού τάσης (BUCK), στον οποίο το κύριο ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο είναι το Thyristors. 6

7 Διάστημα t 1 t t 3 u 2 Th 1 (ON) Th 2 (ON) D F (ON) C V C Th 1 i Th i R C 2 D F u L 1 D 1 i L i V q u C t 1 t 2 t B t 3 T S t u t 4 t 5 t Διάστημα αγωγής Th1 Στο t=t 1, ανάβει το Th 1, οπότε u = & =. H D F πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει ( =0). O πυκνωτής C εκφορτίζεται, μέσω των στοιχείων Th 1, L 1 και D 1 και στη συνέχεια φορτίζεται με αντίθετη πολικότητα (διάστημα t u ). i Th1 i Th1 I Cp I Cp 7

8 Διάστημα t 1 t t 3 Δηλαδή έχουμε ένα κύκλωμα ελεύθερης ταλάντωσης L 1 C: 2 Q C(t) Q C(t) 0 t L C Διάστημα αγωγής Th1 Άρα για το διάστημα t 1 t t 2 (t 2 t 1 = t u =π/ω) έχουμε: Φορτίο πυκνωτή: Ρεύμα πυκνωτή: Συνεπώς: C C B V C Th 1 Q (t) C V cos t Q (t) i Th i R C 2 D F u L 1 D 1, όπου: C i C(t)= = ω C VB sinωt t 1 VB I Cp =ω C VB C VB L C L C 1 1 i 1 L 1 L C Από t 2 t t 3 (δηλαδή ως ότου τεθεί σε αποκοπή το Th 1, t 3 t 1 = t Β ): V Z i C(t)=0, Q C(t)=C V B, U C(t)=, και i Th1(t)=I B char i V q 8 ΓΙΑΤΙ;

9 Διάστημα t 3 t t 4 u 2 Th 1 (ON) Th 2 (ON) D F (ON) C V C Th 1 i L i i Th2 R Th 2 D F u L 1 D 1 V q u C t 1 t 2 t B t 3 T S t u t 4 t 5 t Διάστημα αγωγής Th2 Τη χρονική στιγμή t=t 3 ανάβει το Th 2, οπότε σβήνει το Th 1 και u =2 & =. Η τάση του πυκνωτή σβέσης εφαρμόζεται στα άκρα του Th 1, με αποτέλεσμα να το σβήσει αμέσως (i Th1 =0). Πρέπει πάντα t 3 t 1 =t B π/ω. Γιατί; i Th1 i Th1 I Cp I Cp 9

10 Διάστημα t 3 t t 4 u 2 Th 1 (ON) Th 2 (ON) D F (ON) C V C Th 1 i L i i Th2 R Th 2 D F u L 1 D 1 V q u C t 1 t 2 t B t 3 T S t u t 4 t 5 t Διάστημα αγωγής Th2 H D F παραμένει ανάστροφα πολωμένη και δεν άγει ( =0). O πυκνωτής C εκφορτίζεται, γραμμικά (γιατί;) μέσω των στοιχείων, Th 2, L και του φορτίου και μετά φορτίζεται με αντίθετη πολικότητα (διάστημα 2 t ), ως u (t 4 )=0 (γιατί;). i Th1 i Th1 I Cp I Cp 10

11 Διάστημα t 3 t t 4 Τη χρονική στιγμή t 4 η τάση u (t) γίνεται μηδέν και τείνει να γίνει αρνητική. Οπότε, θα αρχίσει να άγει η δίοδος D F. Διάστημα αγωγής Th2 Άρα για το διάστημα t 3 t t 4 (t 4 t 3 = 2 t) έχουμε: Φορτίο πυκνωτή: Ρεύμα πυκνωτή: Τη χρονική στιγμή t 4 Q C (t 4 )=C. Συνεπώς: C V C Th 1 i Th2 Q C(t) C VB I (t t 3) i (t)=i C R Th 2 D F u L 1 D 1 ΠΡΟΣΟΧΗ Τα θυρίστορ αποκτούν ικανότητα θετικής αποκοπής μετά από χρόνο t F (χρόνος ανάστροφης ανάκτησης). Επομένως, θα πρέπει η τάση του Th 1 να παραμένει αρνητική για χρόνο μεγαλύτερο από t F. Συνεπώς: i t t 2 t 4 3 L i 2 C V I V q B CV tf t = I B 11

12 Διάστημα t 4 t t 5 u 2 Th 1 (ON) Th 2 (ON) D F (ON) C V C Th 1 L i R Th 2 D F u L 1 D 1 V q u C t 1 t 2 t B t 3 t 4 t 5 t T S t u Διάστημα αγωγής D f H δίοδος D F άγει και διαρρέεται από το ρεύμα εξόδου, έως ότου ξαναδοθεί παλμός έναυσης στο θυρίστορ Th 1 (χρονική στιγμή t 5 ). i Th1 i Th1 I Cp I Cp 12

13 Σημαντικότερες κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων u 2 Th 1 (ON) Th 2 (ON) D F (ON) u 2 Th 1 (ON) Th 2 (ON) D F (ON) t 2 t 3 t 4 t 5 t t 2 t 3 t 4 t 5 t u C t 1 t B T S t u u Th1 t 1 t B T S t u t t 1 t 2 t 4 t 5 t t 3 i Th1 I Cp 2 t I Cp i Th1 I Cp u Th2 t u t i Th1 t 1 t 2 t 4 t 5 t t 3 2 t i Th2 13

14 Επιπλέον σχέσεις για το Chopper Η μέση τιμή της τάσης u είναι: T s 1 t B t 2 t V =u (t)= u (t)t=v B 2 V B =VB β T s T 0 s Ts Ts Η ενεργός τιμή του ρεύματος εισόδου είναι: V V B = β 2 t T s T s 1 1 i (t)t I (t 2t ) I 2 2,rms B B Ts T 0 s Ts Η φαινομένη ισχύς εισόδου είναι: 2t P V I V I B, B B,rms B Η ενεργός ισχύς εισόδου προκύπτει: t 2t 2 t P V i (t) V I V I V I ( ) B B, B B B B B B Ts Ts Ο συντελεστής ισχύος είναι: Τέλος, επειδή συχνά έχουμε: P 2 t P T 2t / T 1 B, B, s τότε: B, B, B B B I I, P V I, P V I, s 2 t T s 14

15 ΈΛΕΓΧΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΜΗΧΑΝΩΝ Σ.Ρ. Με ρύθμιση της μέσης τιμής της τάσης τυμπάνου του: V =V V B 2 t β T s R T 2 C C M Αλλαγή θέσης του διακόπτη GS με τη δίοδο D F. Η μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια. Λειτουργία ως μετατροπέας ανύψωσης τάσης (Boost) el GS L i R T D F u i L B D F i GS V Συνδεσμολογία κίνησης L T V επ R T V GS u i L T V επ G M Συνδεσμολογία πέδησης 15

16 ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ CHOPPER Επίδραση επαγωγής εισόδου L e στη λειτουργία του chopper. Μείωση χρόνου t λόγω ταχύτερης εκφόρτισηςφόρτισης του πυκνωτή C. o Στην ενέργεια του πηνίου L προστίθεται και αυτή του C V C Th 1 L R Th 2 D F u L 1 D 1 πηνίου L e. Προσθήκη επαγωγής εισόδου L e Η τάση θετικής αποκοπής του Th 1 πρέπει να είναι υψηλότερη. Εμφανίζεται ροή ανάστροφου ρεύματος προς την πηγή, μέσω του βρόχου πηγήδίοδος D F δίοδος D 1 πηνίο L 1 πυκνωτής C πηνίο L e. Σταδιακή μετάβαση μεταξύ του ρεύματος εισόδου και του ρεύματος της διόδου D F (πλεονέκτημα). Μείωση της μέσης τιμής της τάσης εξόδου. L e i V q 16

17 ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ CHOPPER L e C V C Th 1 L i R Th 2 D F u L 1 Th 3 V q Αντικατάσταση της διόδου D 1 με το θυρίστορ Th 3 Στο διάστημα που η τάση του πυκνωτή υπερβαίνει την τιμή της τάσης εισόδου, εμποδίζεται η ροή ανάστροφου ρεύματος προς την πηγή, διότι το θυρίστορ Th 3 δεν άγει αφού δεν του έχει δοθεί παλμός έναυσης. 17

18 ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ CHOPPER L 2 D 2 L e C V C Th 1 L i R Th 2 D F u L 1 Th 3 V q Προσθήκη του κλάδου D 2 L 2 Για να μην εκφορτίζεται και επαναφορτίζεται ο πυκνωτής C από το ρεύμα φορτίου στο χρονικό διάστημα στο t 3 t 4. o Αλλαγή της πολικότητας του πυκνωτή ανεξάρτητη από το φορτίο. 18

19 ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ CHOPPER L 2 D 2 Th 3 Th 4 C Th 1 i V C C L 1 R Th 2 D F u L i V q Chopper με χωριστούς βρόχους επαναφόρτισης και φόρτισηςεκφόρτισης του πυκνωτή C Αρχική φόρτιση ή αναπλήρωση φορτίου του C με το θυρίστορ Th 4. Αλλαγή πολικότητας του C στο t 1 t 2 με το Th 3 και στο t 3 t 4 με το Th 4 αλλά και με το κλάδο D 2 L 2 : o Ανεξαρτητοποίηση της αλλαγής της πολικότητας του πυκνωτή από την έναυση του Th 1 και το φορτίο. o Δυνατότητα μεταβολής της τάσης εξόδου από μηδέν ως. 19

20 ΆΣΚΗΣΗ ΣΤΟ CHOPPER Μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή για τον έλεγχο μηχανής Σ.Ρ. Δεδομένα: U =150 V, TN V =220 V B P =15 kw, N t =50 μsec F P =2 kw, f R =0,1 Ω T η =0,86 N Ζητούμενα: Κυκλωματικό διάγραμμα Να επιλεγούν τα κατάλληλα μεγέθη t, Τ s, C, L 1 και να βρεθεί ο λόγος κατάτμησης β, για την ονομαστική λειτουργία της μηχανής. Να υπολογισθούν η ενεργός, η φαινόμενη και η άεργος ισχύς, καθώς και ο συντελεστής ισχύος. Τι νόημα έχει εδώ η φαινόμενη ισχύς; Να σχεδιασθεί η τάση u (t), το ρεύμα (t) και το ρεύμα (t) (το ένα κάτωθεν του άλλου). Για ποιά τάση και ποιό ρεύμα πρέπει να επιλεγεί η δίοδος D F ; GS D F u L V i R T V επ L T M V f i f 20

21 Τέλος Διάλεξης

22 Τέλος Ενότητας

23 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.

24 Σημειώματα

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

26 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons 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.

27 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:

28 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.