Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 1: (DC-DC Cnverers) Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών
Σκοποί ενότητας Παρουσίαση και επεξήγηση βασικών τοπολογιών των μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή 2
Περιεχόμενα ενότητας Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή με τρανζίστορ ισχύος (Buck, Bs, Buck/Bs). Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή με θυρίστορ (Chpper) Ρύθμιση στροφών μηχανής συνεχούς ρεύματος με χρήση των ανωτέρω τοπολογιών 3
Διάλεξη 4η Μετατροπέας ΣΤ-ΣΤ ανύψωσης τάσης (Bs) Μέρος 1ο 4
ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΙΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΤΑΣΗ (DC-DC Cnverers) Ο ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΣΤ-ΣΤ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ (Bs DC-DC Cnverer) Μέρος 1 ο 5
ΠΑΡΕΝΘΕΤΙΚΑ-ΕΚΚΡΕΜΟΤΗΤΕΣ Λειτουργία Ηλεκτροκινητήριου Συστήματος I TM I TG AC DC U TM M G U TG R L I M I U G M U G Hλεκτροκινητήριο Σύστημα Λειτουργία σε ονομαστική κατάσταση. Όταν: I CΦ Ω GN G G I G= CΦ I TG= M eg= CΦ ITG MαξG G G 2 R R M αξg=mαξμ U TΜ RTΜ CΦ =c ΩΜ - M Μ 2 αξμ CΦ Μ CΦ Μ M αξμ MeM L TG 6
ΠΑΡΕΝΘΕΤΙΚΑ-ΕΚΚΡΕΜΟΤΗΤΕΣ Απόδειξη τύπου / για Buck σε DCM - δt = Δ T S 1 S δ = δδ 1 1 1 I = IL,max δδ1 TS T 2 S L IL L Ts Κυματομορφές τάσης και ρεύματος του πηνίου I L,max - δ Ts Δ1 Ts - δts I 1 I= δδ I = = 1- δ δδ 2L T 2 S L 1-1 δ 2 I N,= 1- δ 2 I N,=δ 2 1 N, 1 - L 2 δ = 2 δ 2I N, I 7
ΠΑΡΕΝΘΕΤΙΚΑ-ΕΚΚΡΕΜΟΤΗΤΕΣ Σχηματική ερμηνεία της αύξησης της για Buck σε DCM L - I L L - L - I b n - T s 8
ΠΑΡΕΝΘΕΤΙΚΑ-ΕΚΚΡΕΜΟΤΗΤΕΣ 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. 9
ΠΑΡΕΝΘΕΤΙΚΑ-ΕΚΚΡΕΜΟΤΗΤΕΣ Ασκήσεις στο μετατροπέα Buck Όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής Συνεχής αγωγή (CCM) L I L - L I L,max - - L I b L I L - L I L,max I L,mn - - L I n T s - n T s - T S I,b =I L,b = L 2 T 1-δ S = L 2 δ 1-δ =δ I L,max IL,mn I L,max IL,mn I =, I = δ 2 2 I - I = δ 1-δ T 1-δ T L,max L,mn S S L L 10
ΠΑΡΕΝΘΕΤΙΚΑ-ΕΚΚΡΕΜΟΤΗΤΕΣ 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. περιοχή ασυνεχούς αγωγής, σε οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας. 11
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 (sep-up ή bs cnverer) και παράγει μια συνεχή τάση εξόδου υψηλότερη από τη συνεχή τάση εισόδου. 12
ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ BOOST Η θεωρητική ανάλυση της λειτουργίας μετατροπέα Bs 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). 13
ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ BOOST - - L () L () L v L () Διακόπτης σε αγωγή L v L () C () C () I C I C Διακόπτης σε αποκοπή Όταν το τρανζίστορ άγει, ενέργεια αποθηκεύεται στο πηνίο εξομάλυνσης L. Η δίοδος ελεύθερης διέλευσης πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει, απομονώνοντας τη βαθμίδα εξόδου (τροφοδοσία φορτίου από πυκνωτή). Όταν το τρανζίστορ δεν άγει, η βαθμίδα εξόδου απορροφά ενέργεια από την επαγωγή L και από την είσοδο. Η διαφορά δυναμικού στα άκρα της επαγωγής L αναστρέφεται και η δίοδος άγει. Τρίτο στάδιο: ενέργεια πηνίου μηδενίζεται, δίοδος παύει να άγει. 14
Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων στον Bs για CCM GS ON DS ο T s D Κυκλωματικό Διάγραμμα του Bs L () L I L - v L () C () C _ Διακόπτης σε αγωγή - I TR I D I L I L,max I L,mn I L,mn I L,max I I - L () L v L () C () I C _ Διακόπτης σε αποκοπή 15
Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων στον Bs για DCM GS ON T s DS ο D - Κυκλωματικό Διάγραμμα του Bs L () L I L - v L () C () C _ Διακόπτης σε αγωγή - I TR ID I L,max I Διακόπτης σε αποκοπή Ι L 0 Διακόπτης σε αποκοπή Ι L =0 L () L v L () I L v L () I C () C () I L IL,max I - C _ - C _ 16
Βασικότερες εξισώσεις λειτουργίας Bs L IL L Συνεχής αγωγή (CCM) I L,max - L I I L,mn n - Ts I I I I 1 =, I = 1-δ, I = 1-δ 2 2 L,max L,mn L,max L,mn - I - I = δ T = 1-δ T δ 1-δ T L,max L,mn S S S L L L 17
Βασικότερες εξισώσεις λειτουργίας Bs L IL L Ασυνεχής αγωγή (DCM) I L,max - L I δ Ts Δ1 Ts - Ts ΠΡΟΣΟΧΗ ρεύμα εξόδου = μέση τιμή ρεύματος διόδου = 2 2 δ 2 TS L δ 2 IN, 2 I I T L S 2 I N, 18
Βασικότερες εξισώσεις λειτουργίας Bs L IL L Όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής I L,max - L IL,b δ Ts Ts - 19 IL,b=I,b - 1-δ TS TS δ T δ 1-δ S I L,b = = = L 2 L 2 L 2-1-δ TS δ 1-δ δ 1-δ S S I,b = = = L 2 L 2 L 2 2 2 T T
Τέλος Διάλεξης
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.
Σημειώματα
Σημείωμα Αναφοράς Cpyrgh Πανεπιστήμιο Πατρών, Εμμανουήλ Τατάκης 2014. Εμμανουήλ Τατάκης. «Ηλεκτρονικά Ισχύος ΙΙ.». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: hp://eclass.uparas.gr/curses/ee898/.
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creave 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] hp://creavecmmns.rg/lcenses/by-nc-sa/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.
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:
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.