Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Transcript

1 Ηλεκτρονικά Ισχύος 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 5η Μετατροπέας ΣΤ-ΣΤ ανύψωσης τάσης (Bst) Μέρος 2ο 4

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

6 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ Σ.Τ. Σ.Τ. ΤΥΠΟΥ BOOST Κυκλωματικό διάγραμμα Όπως δηλώνει και το όνομά του, είναι ένας μετατροπέας Σ.Τ. σε Σ.Τ. ανύψωσης τάσης (step-up ή bst cnverter) και παράγει μια συνεχή τάση εξόδου υψηλότερη από τη συνεχή τάση εισόδου. 6

7 Βασικότερες εξισώσεις λειτουργίας Bst L L i L Συνεχής αγωγή (CCM) L,max i i- L i L,min tn i- t i Ts =, = 1-δ, = 1-δ 2 2 L,max L,min L,max L,min i - - = δ T = 1-δ T δ 1-δ T i i L,max L,min S S S L L L 7

8 Βασικότερες εξισώσεις λειτουργίας Bst L L i L Ασυνεχής αγωγή (DCM) L,max i i- L i t δ Ts Δ1 Ts i- Ts ΠΡΟΣΟΧΗ ρεύμα εξόδου = μέση τιμή ρεύματος διόδου = i 2 2 +δ 2 i TS L δ +2 N,i 2 T L i S 2 N,i 8

9 Βασικότερες εξισώσεις λειτουργίας Bst L L i L Όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής L,max i i- L L,b δ Ts Ts i- 9 t L,b=i,b -i 1-δ TS i TS δ T δ 1-δ S L,b = = = L 2 L 2 L 2 -i 1-δ TS δ 1-δ δ 1-δ i S S,b = = = L 2 L 2 L T T

10 Χαρακτηριστικές εξόδου Bst (i σταθερή 2 δ +2 T L δ +2 1-δ 2 2 i TS L 2 1 i S N,i =, CCM =, DCM i i N,i i T δ 1-δ s i Ts 1,b =,b,max (για δ= ) L 2 8 L 2 Ni = και Ni =,b,max it i s 8L Αν θέσουμε: Θα έχουμε: 2 1 δ+ 2 1 δ Ni,b,max 4 Ni =, CCM Ni =, DCM 1-δ 1 1 Ni 4 4,b,max 10

11 Χαρακτηριστικές εξόδου Bst (i σταθερή) Ni 5,0 ΣΥΝΕΧΗΣ ΑΓΩΓΗ δ=0.8 4,0 3,0 ΑΣΥΝΕΧΗΣ ΑΓΩΓΗ δ=0.75 δ=0.7 δ=0.6 Ni = i 2,0 1,0 δ=0.5 δ=0.2 Ni = i T s 8L 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Ni Χαρακτηριστικές εξόδου για i = ct 11

12 Χαρακτηριστικές εξόδου Bst ( σταθερή) 2 δ +2 T L δ +2 1-δ 2 2 i TS L 2 1 i S N,i =, CCM =, DCM i i N,i 2 T δ 1-δ 2 T 1,b = για δ= L 2 27 L 3 s s,b,max Αν θέσουμε: Θα έχουμε: = i N = και N 2,b,max T 27 L s 1 4 δ=1-, CCM δ= 1, DCM N N N N 27 12

13 Χαρακτηριστικές εξόδου Bst ( σταθερή) δ 1,0 0,9 N=0,16 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ΑΣΥΝΕΧΗΣ ΑΓΩΓΗ ΣΥΝΕΧΗΣ ΑΓΩΓΗ N=0,25 N=0,5 N=0,8 = N N = i 2 T 27 L s 0,1 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Nο Χαρακτηριστικές εξόδου για = ct 13

14 Προσομοίωση, με το πρόγραμμα Pspice, του μετατροπέα Σ.Τ. Σ.Τ. Bst L 1 2 D in + - Tr pulse 1 C 1 R 2 2 Κυκλωματικό διάγραμμα 14

15 Προσομοίωση του Bst στην περιοχή CCM Κυματομορφές Τάσεων στη CCM 15

16 Προσομοίωση του Bst στην περιοχή CCM Κυματομορφές Ρευμάτων στη CCM 16

17 Προσομοίωση του Bst στην περιοχή DCM Κυματομορφές Τάσεων στη DCM 17

18 Προσομοίωση του Bst στην περιοχή DCM Κυματομορφές Ρευμάτων στη DCM 18

19 Προσομοίωση του Bst στην εκκίνηση Κυματομορφές των στοιχείων κατά την εκκίνηση 19

20 Κυμάτωση της τάσης εξόδου του Bst Υπολογισμός για την ειδική περίπτωση που απεικονίζεται στο σχήμα ΔQ Δ = = C = R L δt C S Δ = R L C Συνεπώς: S δt Δ δ T T = =δ R C τ S S L i D u 0 Όπου τ η σταθερά χρόνου του RC κυκλώματος: δt S Δ T S ΔQ - Η κυμάτωση εξαρτάται: Από το λόγο κατάτμησης δ Από τη συχνότητα λειτουργίας S Από τη σταθερά χρόνου τ του κυκλώματος εξόδου. ι L Ρεύμα διόδου και κυμάτωση της τάσης εξόδου t t 20

21 Ασκήσεις στο μετατροπέα Bst Άσκηση 3 η Να αποδειχθεί ο τύπος που δίνει το λόγο /i στην περίπτωση ενός μετατροπέα Σ.Τ.-Σ.Τ. ανύψωσης τάσης (Bst) ο οποίος λειτουργεί στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής. Άσκηση 4 η Ένας μετατροπέας Σ.Τ.-Σ.Τ. ανύψωσης τάσης (Bst) τροφοδοτεί με τάση ο =48 ένα φορτίο του οποίου η ισχύς εξόδου είναι σταθερή και ίση με P Ο =120W. Η τάση εισόδου του μετατροπέα αυτού μεταβάλλεται μεταξύ 12 και 24 και η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του είναι 50kHz. Να υπολογισθεί η οριακή τιμή του πηνίου εξομάλυνσης L ώστε ο μετατροπέας να λειτουργεί στην: περιοχή ασυνεχούς αγωγής σε οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας; περιοχή συνεχούς αγωγής σε οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας; 21

22 ΆΣΚΗΣΗ 3 η : ΛΥΣΗ Απόδειξη τύπου /i για Bst σε DCM δt = - Δ T i S i 1 S δ δ+δ Δ 1= και = - Δ i 1 i i = L,max Δ1 TS T 2 S L D Σχέση που συνδέει Ι ο και Δ 1 L,max i Δ T 1 -i = Δ T Δ = = = Δ 2 L 2L i T 2 S i L i i 1 S 2 1 S 1 N,i i i N,i= δ 2 N,i=δ 2 2 i -i -1 i Ts Τάση πηνίου και ρεύμα διόδου i- δ Ts Δ1 Ts 22 2 δ +2 = 2 i i- L N,i N,i t

23 ΆΣΚΗΣΗ 4 η Ένας μετατροπέας Σ.Τ.-Σ.Τ. ανύψωσης τάσης (Bst) τροφοδοτεί με τάση ο =48 ένα φορτίο του οποίου η ισχύς εξόδου είναι σταθερή και ίση με P Ο =120W. Η τάση εισόδου i του μετατροπέα αυτού μεταβάλλεται μεταξύ 12 και 24 και η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του είναι 50kHz. Να υπολογισθεί η οριακή τιμή του πηνίου εξομάλυνσης L, ώστε ο μετατροπέας να λειτουργεί στην: περιοχή ασυνεχούς αγωγής σε οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας; περιοχή συνεχούς αγωγής σε οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας; 23

24 ΆΣΚΗΣΗ 4 η : ΛΥΣΗ -i 1-δ TS i S δ δ 1-δ S L,b = = = L 2 L 2 L 2 T T 2 2 -i 1-δ TS δ 1-δ δ 1-δ i S S,b = = = L 2 L 2 L 2 T T 12 = 0, 25 δ =1 =0,75 i,min N,min max N,min = 0,50 δ =1 =0,50 i,max N,max min N,max 48 ΕΡΩΤΗΜΑ: DCM: για ποιό (δ); b CCM: για ποιό (δ); b i i P 120W = 2,50A 48 Χρησιμοποιούμε το διάγραμμα για =ct=48. 24

25 ΆΣΚΗΣΗ 4 η : ΛΥΣΗ δ 1,0 0,9 0,8 0,7 ΣΥΝΕΧΗΣ ΑΓΩΓΗ N=0,16 N=0,25 = N N = i 2 T 27 L s 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ΑΣΥΝΕΧΗΣ ΑΓΩΓΗ N=0,5 N=0,8 12 i,min N,min = 0, i,max N,max = 0,50 48 P 120 = 2,50A 48 0,1 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Nο Χαρακτηριστική εξόδου για = ct Αν i,max 36 =36; i,max N,max = 0,

26 ΆΣΚΗΣΗ 4 η : ΛΥΣΗ α) Από τη χαρακτηριστική εξόδου με =ct, η οριακή τιμή του πηνίου για λειτουργία στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM) για οποιαδήποτε τιμή της τάσης εισόδου i (εντός των ορίων που έχουν δοθεί από εκφώνηση), θα πρέπει να υπολογισθεί για i = i,min, συνεπώς για δ=δ max. Άρα: 2 2 δ 1-δ δ max 1-δ,b L L S 2 S ,751-0,75 2 L L 3 9,0μΗ 5010 Hz 2,5A 2 β) Από τη χαρακτηριστική εξόδου με =ct, η οριακή τιμή του πηνίου για λειτουργία στην περιοχή συνεχούς αγωγής (CCM) για οποιαδήποτε τιμή της τάσης εισόδου i (εντός των ορίων που έχουν δοθεί από εκφώνηση), θα πρέπει να υπολογισθεί για i = i,max, συνεπώς για δ=δ min. Άρα: max 2 2 δ 1-δ δ min 1-δ,b L L S 2 S ,501-0,50 2 L L Hz 2,5A 2 24,0μΗ min 26

27 Τέλος Διάλεξης

28 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.

29 Σημειώματα

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

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

32 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:

33 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.