ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444.οργανωτικά Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Το βιβλίο Ned Mohan First course on Power Electronics MNPERE publishers, 2007 0-9715292-4-8 1
Αξιολόγηση Ενδιάμεση εξέταση 30% 05/11/10 Τελική εξέταση 70% Ώρες γραφείου Τετάρτη 16.30 17.30 GP012 2
Περιεχόμενο Εισαγωγή στα ηλεκτρονικά ισχύος. Ανασκόπηση ημιαγωγικών διακοπτών ισχύος Ανάλυση διακοπτικών μετατροπέων DC-DC Μοντελοποίηση και έλεγχος μετατροπέων DC-DC Ανορθωτές τάσης Στοιχειώδη μαγνητικά κυκλώματα Διακοπτικοί μετατροπείς με ηλεκτρική απομόνωση Σύνθεση DC και χαμηλής συχνότητας AC UPS και έλεγχος DC και AC κινητήρων Εφαρμογή ηλεκτρονικών ισχύος στα συστήματα Διεσπαρμένης Παραγωγής, Αιολικά συστήματα, φωτοβολταϊκά συστήματα, συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, στη Μεταφορά Ηλεκτρικής ενέργειας με συνεχές ρεύμα Εισαγωγή στα Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 3
Εφαρμογές των Ηλεκτρονικών Διακοπτικά τροφοδοτικά (dc) σε υπολογιστές, και συσκευές γραφείου Συστήματα αδιάλειπτης παροχής (UPS) Συστήματα ελέγχου κινητήρων dc, επαγωγικών, σύγχρονων, κλπ Εργαλειομηχανές και κινητήρια συστήματα ακριβείας στην βιομηχανία Εφαρμογές των Ηλεκτρονικών Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (φωτοβολταϊκά, αιολικά συστήματα) 4
Εφαρμογές των Ηλεκτρονικών Φωτισμός (ηλεκτρονικά ballasts) Επαγωγικήθέρμανσηστηνβιομηχανία Συγκολλήσεις, επιμεταλλώσεις Συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (μετατροπείς ac-dc και dc-ac) Έλεγχος άεργης ισχύος σε ac συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Εφαρμογές των Ηλεκτρονικών Φόρτιση μπαταριών (από mw μέχρι kw) Ηλεκτρικά αυτοκίνητα 5
Εφαρμογές των Ηλεκτρονικών Ηλεκτρικά τρένα Τράμ, Τρόλεϋ Τροφοδοσία τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, δορυφορικών συστημάτων και αεροσκαφών. Μέλλον των ηλεκτρονικών ισχύος Τα ηλεκτρονικά ισχύος υλοποιούν τον έλεγχο της ροής ηλεκτρικής ενέργειας. Σήμερα μόνο το 25% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας ελέγχεται αποτελεσματικά Η διαχείριση της ενέργειας εκτιμάται ότι μπορεί να αποφέρει οικονομικά οφέλη > 400 δισ. ετησίως 6
Ηλεκτρονικά σε laptop Μικρο-δίκτυα µgrids 7
Δεν είναι παραμύθι Η διεπιστημονική φύση των ηλεκτρονικών ισχύος Φυσική στερεάς κατάστασης Θεωρία Κυκλωμάτων Αυτόματος έλεγχος Προσομοίωση Ηλεκτρονικά Επεξεργασία Σήματος Μηχανές Ηλεκτρομαγνητισμός Ηλεκτρονική 8
Ηλεκτρονικό Σύστημα u i i i Επεξεργαστής Έξοδος i 0 u ο Φορτίο Είσοδος Μετρήσεις Ελεγκτής Τα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος έχουν σαν αποστολή την επεξεργασία και έλεγχο της ηλεκτρικής ενέργειας, με τη παροχή τάσεων και ρευμάτων διαμορφωμένων κατάλληλα για χρήση από το φορτίο Ηλεκτρονικό Σύστημα u i i i Επεξεργαστής Έξοδος i 0 u ο Φορτίο Είσοδος Μετρήσεις Ελεγκτής Είσοδος: Συνήθως το δίκτυο DC AC Έξοδος Με σταθερό πλάτος Με ρυθμιζόμενο πλάτος Σταθερή συχνότητα και μεταβλητό πλάτος Μεταβλητή συχνότητα και μεταβλητό πλάτος 9
Παράδειγμα επεξεργαστή ισχύος Δομή Πηγής Τάσης (Voltage Link) Η δομή αυτή αποτελείται από δύο ξεχωριστούς μετατροπείς, ένα στη πλευρά του δικτύου και ένα στη πλευρά του φορτίου. Οι πλευρές, θυρίδες DC αυτών των μετατροπέων είναι ενωμένες παράλληλα με πυκνωτή Παράδειγμα: Ρυθμιστής στροφών κινητήρα Ο πυκνωτής με τους δύο μετατροπείς δημιουργούν μια δομή διασύνδεσης τάσης DC, αυτή είναι η δομή πηγής τάσης (Voltage-link ή voltage source) Δομή Πηγής Ρεύματος (Current Link) Σε πολύ ψηλά επίπεδα ισχύος, συνήθως εφαρμογές του δικτύου, είναι πλεονεκτικότερη η δομή πηγής ρεύματος Current Link η οποία ονομάζεται και δομή Current Source Σε αυτή τη περίπτωση ένα πηνίο είναι ενωμένο σε σειρά με τους δύο μετατροπείς. ΑυτοίοιμετατροπείςφτιάχνονταιμεThyristors και η μετάβαση από τη μία φάση στην άλλη γίνεται μέσω της Τάσης 10
Ταξινόμηση μετατροπέων ως προς τον τρόπο μετάβασης. Φυσική μετάβαση στην συχνότητα του δικτύου: Η μετάβαση γίνεται σε συγχρονισμό με την τάση του δικτύου. (ανορθωτές με διόδους, ή thyristors) Διακοπτικοί μετατροπείς με εξαναγκασμένη μετάβαση: H μετάβαση γίνεται σε συχνότητα πολύ μεγαλύτερη αυτής του δικτύου (αντιστροφείς, dc-dc μετατροπείς) Μετατροπείς συντονισμού: H μετάβαση των διακοπτών γίνεται όταν το ρεύμα ή και η τάση είναι μηδέν. Διακοπτική μετατροπή: Διακοπτικός πόλος ισχύος Μπορεί να κλείσει κατά μήκος του πυκνωτή με τάση Vin η οποία δεν μπορεί να μεταβληθεί ακαριαία, ή μπορεί να κλείσει σε σειρά με το πηνίο όπου το ρεύμα δεν μπορεί να μεταβληθεί ακαριαία ΑυτήηΔιαμόρφωση Εύρους Παλμών αποτελεί τη βάση σύνθεσης των μετατροπέων για ρυθμιζόμενη τάση DC ή χαμηλής συχνότητας AC ο διακόπτης κλείνει πάνω και κάτω με ψηλή συχνότητα (συχνότητα μετάβασης) και τεμαχίζει τη τάση εισόδου σε σειρά παλμών ψηλής συχνότητας Σχετική διάρκεια αγωγής 11
Προσέγγισητουμικρούκυματισμού (small - ripple approximation) L-C χαμηλοπερατό φίλτρο Είναι ανέφικτο να κατασκευαστεί φίλτρο εισόδου που να αφήνει μόνοτησυνιστώσα συνεχούς τάσης να καταλήξει στην έξοδο Σε ένα καλά σχεδιασμένο μετατροπέα αυτός ο κυματισμός είναι πολύ μικρός. => Κατάσταση ισορροπίας Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός πάνω Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός κάτω => Η συνθήκη ισορροπίας επιτυγχάνεται, όταν οι κυματομορφές του κυκλώματος επαναλαμβάνονται με χρονική περίοδο Τ 12
Κατάσταση ισορροπίας Όταν ο μετατροπέας τεθεί σε λειτουργία και η τάση και το ρεύμα στο πηνίο είναι αρχικά μηδέν, μπορεί να δειχθεί ότι το ρεύμα σε μόνιμη κατάσταση ισορροπίας ισχύει: Αρχή εξισορρόπησης Τάσης χρόνου στο πηνίο (Inductor volt-second balance) σε μια περίοδο σε κατάσταση ισορροπίας η αλλαγή ρεύματος στο πηνίο για μια περίοδο είναι μηδέν επομένως το συνολικό εμβαδό της καμπύλης τάσης στο πηνίο είναι μηδέν 13
Αρχή εξισορρόπησης φορτίου πυκνωτή (Capacitor charge balance or ampere second balance) Στον πυκνωτή: ν ( t ) c Σε μια περίοδο 1 = c t t 1 0 i c dt 1 ν c ( Ts ) ν c (0) = icdt c T s dt T s Οπόταν ic = 0 0 0 = 0 το συνολικό εμβαδό της καμπύλης ρεύματος στον πυκνωτή είναι μηδέν 14