Ηλεκτρονικά Ισχύος II

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

Διάλεξη 7η Μετατροπέας ΣΤΣΤ με θυρίστορ (Chopper) Μέρος 1ο 4

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΙΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΤΑΣΗ (DCDC Converters) Ο ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΣΤΣΤ ΜΕ ΘΥΡΙΣΤΟΡ (CHOPPER) Μέρος 1 ο 5

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗΣ ΣΒΕΣΗΣ (Ή ΑΥΤΟΟΔΗΓΟΥΜΕΝΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ) Είναι μεταγενέστερη κατηγορία μετατροπέων σε σχέση με τους μετατροπείς φυσικής σβέσης (ξένης οδήγησης). Η λειτουργία τους στηρίζεται στη φόρτιση και στην εκφόρτιση πυκνωτών που χρησιμοποιούνται για τη σβέση των Thyristors και καλούνται πυκνωτές σβέσης ή πυκνωτές μετάβασης. Δυνατότητες των μετατροπέων εξαναγκασμένης σβέσης: Αμφίδρομη ροή ενέργειας Μετατροπή τάσης, συχνότητας, αριθμού και σειράς φάσεων Ενδεικτικοί μετατροπείς αυτής της κατηγορίας: Chopper (αναλύεται στην παρούσα διάλεξη) Μονοφασικός Αντιστροφέας με Thyristor Τριφασικός Αντιστροφέας με Thyristor 6

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ Σ.Τ. Σ.Τ. ΜΕ THYRISTOR (CHOPPER) i B C V C Th 1 L i R Th 2 D F u L 1 D 1 V q i F 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. 7

ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ t β= T B S : Σχετική διάρκεια παλμού (λόγος κατάτμησης) t B : Διάρκεια αγωγής του Th Τ S : Περίοδος παλμού Th 1 : Κύριο Thyristor Th 2 : Βοηθητικό Thyristor σβέσης C: Πυκνωτής σβέσης i B C L 1 : Πηνίο επαναφόρτισης του πυκνωτή σβέσης D 1 : Δίοδος επαναφόρτισης του πυκνωτή σβέσης D F : Δίοδος ελεύθερης διέλευσης L : Πηνίο Εξομάλυνσης : Τάση εισόδου (τάση μπαταρίας) R: Ωμική αντίσταση (φορτίο) V q : Συνεχής τάση καταναλωτή (πχ. Μηχανή Σ.Ρ.) V C Th 1 R Th 2 D F u L 1 D 1 i F L Κυκλωματικό διάγραμμα του Chopper i V q 8

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ CHOPPER Μόνιμη Κατάσταση Λειτουργίας Τα στοιχεία του κυκλώματος θεωρούνται ιδανικά. i B C V C Th 1 R Th 2 D F u L 1 D 1 i F L i V q Δηλαδή: Κυκλωματικό διάγραμμα του Chopper Μηδενική πτώση τάσης στα Thyristor Th 1, Th 2 και στις διόδους D 1 και D F. Τα L 1, L και C είναι ιδανικά (τι σημαίνει;) Επίσης, το L είναι πολύ μεγάλο, ώστε το ρεύμα εξόδου να θεωρείται χρονικά σταθερό λειτουργία σε CCM. 9

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ CHOPPER Πως μπορεί να επιτευχθεί, στην πράξη, η αρχική φόρτιση του πυκνωτή σβέσης; i B C V C Th 1 R Th 2 D F u L 1 D 1 i F L i V q Κυκλωματικό διάγραμμα του Chopper Αρχικές Συνθήκες (πριν δώσουμε παλμό στο Th1!): Ο πυκνωτής C φορτισμένος με τάση V C = H D F άγει, δηλαδή: i F =, u =0, i B =0 Υπάρχει, οπωσδήποτε φορτίο στην έξοδο Η παλμοδότηση του κυκλώματος είναι η ακόλουθη: Κάθε t= k Ts ανάβει το Th 1 και Κάθε t= k Ts t B ανάβει το Th 2 για k=0,1,2, 10

Διάστημα t 1 t t 3 u 2 Th 1 (ON) Th 2 (ON) D F (ON) i B 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 = & i B =. H D F πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει (i F =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 F i F i B i Th1 i Th1 I Cp I Cp 11

Διάστημα t 1 t t 3 Δηλαδή έχουμε ένα κύκλωμα ελεύθερης ταλάντωσης L 1 C: 2 Q C(t) 1 2 1 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 i B 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 F 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 ΓΙΑΤΙ; 12

Διάστημα t 3 t t 4 u 2 Th 1 (ON) Th 2 (ON) D F (ON) i B 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 i F Διάστημα αγωγής Th2 Τη χρονική στιγμή t=t 3 ανάβει το Th 2, οπότε σβήνει το Th 1 και u =2 & i B =. 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 F i B i Th1 i Th1 I Cp I Cp 13

Διάστημα t 3 t t 4 u 2 Th 1 (ON) Th 2 (ON) D F (ON) i B 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 i F Διάστημα αγωγής Th2 H D F παραμένει ανάστροφα πολωμένη και δεν άγει (i F =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 F i B i Th1 i Th1 I Cp I Cp 14

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 i F 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: i B 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 15

Διάστημα t 4 t t 5 u 2 Th 1 (ON) Th 2 (ON) D F (ON) i B C V C Th 1 L i R Th 2 D F u L 1 D 1 V q i F 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 F i Th1 i Th1 I Cp I Cp i B 16

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 F 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 B i Th2 17

Προσομοίωση, με το πρόγραμμα Pspice, του Chopper 1 Df 1 2 Th1 3 1 L 1 2 1 2 C 2 TD = 0 PW = 0.05ms PER = 5ms VPulseTh1 Vin 1 Df 2 2 Th2 3 1 2 Df 1 Ro 2 TD = 3ms PW = 0.05ms PER = 5ms VPulseTh2 L1 1 2 2 1 D1 1 2 Κυκλωματικό διάγραμμα 18

Προσομοίωση, με το πρόγραμμα Pspice, του Chopper Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων των στοιχείων 19

Προσομοίωση, με το πρόγραμμα Pspice, του Chopper Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων των στοιχείων 20

Προσομοίωση, με το πρόγραμμα Pspice, του Chopper Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων των στοιχείων 21

Επιπλέον σχέσεις για το Chopper Η μέση τιμή της τάσης u είναι: T 1 s 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 V 2 t = β Επίσης: V =R I Vq V T B Αντικαθιστώντας στις παραπάνω σχέσεις R I 2 C V B V V I T V B s B s q 2 t 2 C V I B προκύπτει: Λύνοντας την παραπάνω σχέση ως προς το ρεύμα εξόδου, προκύπτει: 1 VB V q R C V B I 1 1 8 2 R TS VB Vq 2 22

Επιπλέον σχέσεις για το Chopper Η ενεργός τιμή του ρεύματος εισόδου είναι: 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: P V I V I B, B B,rms B 2 t Η ενεργός ισχύς εισόδου προκύπτει: t B 2t 2 t P V i (t) V I V I V I ( ) V I T T B, B B B B B B s s Ο συντελεστής ισχύος είναι: T s 2t P 2 t P T B, B, s Τέλος, επειδή συχνά έχουμε: 2t / T 1 s τότε: I I, P V I, P V I, B, B, B B B 23

Τέλος Διάλεξης

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.

Σημειώματα

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Εμμανουήλ Τατάκης 2014. Εμμανουήλ Τατάκης. «Ηλεκτρονικά Ισχύος ΙΙ.». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://eclass.upatras.gr/courses/ee898/.

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] http://creativecommons.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.

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.