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
-
qA
-
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