1 - Wprowadzenie
Transkrypt
1 - Wprowadzenie
ELEKTRONIKA SS-I, AiR, III sem. Wykład 30h, Laboratorium 30h (H22/B3) SS-I, AiR, IV sem. Wykład 30h, Laboratorium 30h ( p.620 ) Wykład (IVsem): Energoelektronika dr inż. Jan Deskur, pok. 626, tel. 665-2735, 8776135 (dom) [email protected] www.put.poznan.pl\~deskur Zakład Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Instutut Automatyki i Inżynierii Informatycznej Laboratorium (p.620) : Zakład Energoelektroniki i Sterowania, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej [email protected] Program wykładów • Wprowadzenie 2h • Przegląd półprzewodnikowych przyrządów mocy 2h • Przekształtniki o komutacji sieciowej 6h • Przekształtniki impulsowe 6h • Przekształtniki rezonansowe 4h • Wybrane zastosowania układów energoelektronicznych 6h • Wybrane zagadnienia projektowe i eksploatacyjne 4h EN- w01 2 Literatura przedmiotu - książki i skrypty 1. Marian P. Kaźmierkowski, Jerzy T. Matysik WPROWADZENIE DO ELEKTRONIKI I ENERGOELEKTRONIKI Oficyna Wyd. PW, Warszawa 2005, 432s. 2. Leszek Frąckowiak, Stefan Januszewski ENERGOELEKTRONIKA, Część I – Półprzewodnikowe przyrządy i moduły energoelektroniczne, WPP, Poznań 2001, 166s. 3. Leszek Frąckowiak, ENERGOELEKTRONIKA, cz.2, wyd.5, WPP, Poznań 2003, 354s. 4. Henryk Tunia, Roman Barlik, TEORIA PRZEKASZTAŁTNIKÓW, Oficyna Wydawnicza Poltechniki Warszawskiej, Warszawa 2003, 304s. 5. S. Januszewski, A. Pytlak, M. Rosnowska-Nowaczyk, H. Świątek, ENERGOELEKTRONIKA, WSiP, Warszawa 2004, 296s. 6. Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robins, POWER ELECTRONICS, Converters, Applications and Design, 3-rd edition, Wiley, 2003, 802 pp. EN- w01 3 Pomoce dydaktyczne: komputerowe ćwiczenia interaktywne http://dsplab.iee.put.poznan.pl/wile.html EN- w01 4 Pomoce dydaktyczne: komputerowe ćwiczenia interaktywne EN_08n3_w01 5 Wirtualne Internetowe Laboratorium Energoelektroniki EN_08n3_w01 6 Układ (system) energoelektroniczny Schemat blokowy Rola przekształtnika w systemie Powody szybkiego rozwoju energoelektroniki EN_08n3_w01 7 Zasilacz (mikro-)elektroniczny o działaniu ciągłym Tranzystor jako sterowany rezystor Niska sprawność Duży i ciężki EN_08n3_w01 8 Zasilacz impulsowy (mikro- lub energoelektroniczny) Tranzystor jako sterowany łącznik Wysoka sprawność Transformator wysokiej częstotliwości EN_08n3_w01 9 Podstawy działania przekształtników impulsowych Stała częstotliwość przełączeń Sterowanie wartością średnią przez zmianę szerokości impulsów (MSI,PWM) Filtr L-C wygładza tętnienia EN_08n3_w01 10 Zastosowanie energoelektroniki w napędach o nastawialnej prędkości EN_08n3_w01 11 Kolejność omawiania zagadnień (Mohan [ ]) Znaczenie omawianych układów energoelektronicznych Opis układu – w czterech segmentach (krokach): Opis funkcjonalny urządzeń Możliwości PPE (półprzewodnikowych przyrządów mocy) i struktur przekształtników Rola energoelektroniki w przetwarzaniu energii Szczegóły budowy i działania przekształtników 12 EN_08n3_w01 Znaczenie energoelektroniki w przetwarzaniu energii Zwiększa się ilość zastosowań energoelektroniki w systemie elektroenergetycznym Centrum zarządzające Wzrost możliwości PPE Rozproszone odnawialne źródła energii Wzrost przepustowości istniejących łączy energetycznych Skuteczne sterowanie przepływem mocy Normy jakości mocy Elektrownie Elektrociepłownie Zakłady wytwórcze Budynki przemysłowe Domy mieszkalne Ogniwa paliwowe Budynki inteligentne, o podwyższonym komforcie Ogniwa słoneczne Budynki energooszczędne Elektrownie wiatrowe Wieś Strefy handlowe Mikro-turbiny Szpital Strefy handlowe Future Power System 13 EN_08n3_w01 Podejście do nauczania energoelektroniki Z góry w dół, w czterech krokach Funkcja energoelektroniki wyliczenie zastosowań jako układów sprzęgających, Możliwości PPE i wynikające z nich możliwe struktury przekształtników sprzęgających podsystemy energetyczne Znaczenie i rola sprzęgów energoelektronicznych w różnych zastosowaniach Omówienie szczegółów konstrukcyjnych i charakterystyk różnych urządzeń 14 EN_08n3_w01 1. Funkcje przekształtnika energoelektronicznego Przekształtnik Źródło Obciążenie Regulator Pozwala połączyć dwa różne podsystemy elektryczne (np. ac/dc , ac/ac), np.: Połączenie dwóch podsystemów prądu zmiennego Przekształcenie mocy dc/as potrzebne np. do dołączenia baterii ogniw fotowoltaicznych do sieci prądu przemiennego 15 EN_08n3_w01 1. Przykłady zastosowań Rozproszona produkcja energii elektrycznej Źródła odnawialne (turbiny wiatrowe, ogniwa fotowoltaiczne) Ogniwa paliwowe i mikroturbiny Magazynowanie magnesy energii: baterie, koła zamachowe, superprzewodzące Odbiorniki energoelektroniczne: regulowane napędy elektryczne Poprawa jakości i niezawodności dostaw energii Podwójne zasilanie Bezprzerwowe zasilanie (UPS) Dynamiczne odtwarzacze napięcia Przesył i rozdział energii) Linie prądu stałego wysokiego (HVDC) i średniego napięcia Flexible AC Transmission Systems (FACTS): Kompensacja szeregowa i równoległa, przepływ energii przy jednostkowym współczynniku mocy 16 EN_08n3_w01 2: Możliwości PPE (półprzewodnikowych przyrządów mocy) i wynikające z nich struktury przekształtników PPE i ich możliwości Thyristor IGCT Power (VA) 108 106 17 IGCT IGBT 104 102 IGBT Thyristor Polaryzacja napięć blokowanych i kierunek prądu przewodzenia Prędkości przełączania i moce znamionowe MOSFET 101 102 103 104 Switching Frequency (Hz) MOSFET EN_08n3_w01 2: Struktury przekształtników energoelektronicznych Przekształtniki ze sprzężeniem napięciowym Tranzystory i diody, które mogą blokować napięcia tylko w jednym kierunku AC1 AC2 AC1 AC2 Sprzężenie prądowe Tyrystory mają większą moc i mogą blokować napięcia w obu kierunkach Łączniki bezstykowe Dwukierunkowe blokowanie napięcia i dwukierunkowe przewodzenie prądu 18 EN_08n3_w01 3: Rola energoelektroniki w ważnych zastosowaniach Energoelektroniczny przekształtnik sprzęgający zależy od charakterystyk niekonwencjonalnego źródła energii Wound rotor Induction Generator Isolated DC-DC Converter AC Wind Turbine DC DC Generator-side Converter AC Max. Powerpoint Tracker Grid-side Converter Wind Power Generation with Doubly Fed Induction Motors 19 PWM Converter EN_08n3_w01 Utility 1f 3: Rola energoelektroniki w ważnych zastosowaniach Power Electronic Loads: Adjustable Speed Drives Switch-mode Converter Utility Motor Rectifier 20 Controller EN_08n3_w01 3: Rola energoelektroniki w ważnych zastosowaniach Jakość energii Odkształcenie napięcia Niesymetrie fazowe Spadki i załamania napięcia Zanik mocy zasilania Power Electronic Interface Load Dynamic Voltage Restorers (DVR) Feeder 1 Rectifier Load Feeder 2 Dual Feeders 21 Inverter Filter Energy Storage Uninterruptible Power Supplies EN_08n3_w01 Critical Load 3: Rola energoelektroniki w ważnych zastosowaniach Transmission and Distribution: DC Transmission most flexible solution for connection of two ac systems AC1 AC2 AC1 HVDC 22 AC2 MVDC EN_08n3_w01 3: Rola energoelektroniki w ważnych zastosowaniach Transmission and Distribution: Flexible AC Transmission Systems (FACTS) E1 E2 sin X P Series Compensation E2 E3 E1 E1 I E3 - E +2 jX Utility STATCOM Shunt Compensation 23 Shunt converter Series converter Shunt and Series Compensation EN_08n3_w01 4: Omówienie szczegółów konstrukcji i działania układów przekształtnikowych Podstawowe koncepcje przekształtników Układy o sprzężeniu napięciowym Układy o sprzężeniu prądowym Bezstykowe łączniki 24 EN_08n3_w01 Przekształtnik ze sprzężeniem napięciowym Przekształcanie mocy z zastosowaniem modulacji szerokości impulsów napięcia (PWM) Zmiana kierunku mocy przez zmianę znaku prądu iA idA + d A Ts Voltage port Vd vA + vA - - q A 1 or 0 vcontrol iA Current port vA d ATs Ts PWM Uśrednione napięcie: 25 Ton vA Vd d AVd Ts EN_08n3_w01 Vd t Przekształtnik ze sprzężeniem napięciowym Averaged Representation of Power Pole Average quantities are of main interest idA + idA d A Ts Voltag e port Vd - + vA - q A 1 or 0 vcontrol PWM iA Current port + iA d A Ts Vd + vA - - 1: d A vcontrol PWM v A (t ) d A (t ) Vd idA (t ) d A (t ) iA (t ) 26 EN_08n3_w01 Przekształtnik ze sprzężeniem napięciowym Synteza napięcia sinusoidalnego voltage to be synthesized Vd V sin t 2 duty ratio needed v AN (t ) 1 dA d sin t 2 dc side current vA Vd v Vd 2 t 0 iA I 0 t 1 i dA (t ) d sin t ia (t ) 2 1 d sin t Iˆ sin( t ) 2 1ˆ d cos(2 t ) I d cos sin( t ) 2 27 EN_08n3_w01 Przekształtnik ze sprzężeniem napięciowym Realizacja dwupozycyjnego przełącznika idA + d A Ts iA + qA iA Vd Vd + - vA - qA - q A 1 or 0 q A 1 q A 28 EN_08n3_w01 Przekształtnik ze sprzężeniem prądowym Wyłącznie tyrystory AC1 AC2 T1 Jeden z (T1, T2, T3) oraz (T2, T4, T6) przewodzi w danej chwili Średnie napięcie Vd sterowane kątem załączenia α T3 T5 La Vd 3 2 VLL cos 3 Lc I d Zmiana kierunku mocy przez zmianę znaku napięcia Vd 29 EN_08n3_w01 + ia Lb Lc ib vd Id ic T4 T6 T2 - Łącznik bezstykowy prądu zmiennego Może przewodzić prąd w obu kierunkach Załączanie i wyłączanie w jednej połówce okresu napięcia sieci 30 EN_08n3_w01