AD1M14VE2 • Přednášející: Ing. Jan Bauer Ph.D. bauerja2(at)fel.cvut.cz
• Obsah: – Speciální aplikace výkonové elektroniky + řízení pohonů
• Harmonogram: 7+ soustředění • Literatura: Skripta Výkonová elektronika
„Nepohonářské“ aplikace výkonové elektroniky
11/2011_v1
©Jan Bauer
Nepohonářské aplikace - dělení •80% - 90% výkonová elektronika nasazena v pohonech •10% „nepohonářské“ aplikace - elektrochemie (elektrolýza, galvanochemie) - indukční ohřev (hutnictví) - stejnosměrné přenosy VVN - tepelná, světelná technika - záskokové/nepřerušitelné napájecí zdroje (UPS) - letectví (rozběh proudových motorů) - nabíječky, svářečky - elektrostatické odlučovače
- katodická ochrana - řízené kompenzace 3
- magnetické zásobníky energie
©Jan Bauer
Nepohonářské aplikace - charakteristika • zátěž není konstantní • přítomna aktivní složka zátěže (protinapětí) • požadavek regulace na konstantní proud
• extrémní parametry U,I (kV, mA) (V, kA)
4
©Jan Bauer
Nepohonářské aplikace – druhy měničů • usměrňovače • malá napětí (0 – 15V, 50 – 5000A) – galvanotechnologie (2 – 50V, 20 – 200A) – katodická ochrana (25 – 60V, 40 – 1000A) – svářečky • nízká napětí (50 – 500V, 100 – 50000A) – elektrolýza • vysoká napětí (10 – 100kV, 50 – 1500mA) – el. stat. odlučovače • střídače • záskokové zdroje (50Hz, 230/400V, 10 – 500A) • středofrekvenční (10 – 1000V, 50 – 5000A, 5 – 20kHz) – ind. ohřev • vysokofrekvenční (50 – 400V, 1 – 100A, 16 – 200kHz) • střídavé měniče • bezkontaktní spínače (20 – 2000V, 20 – 2000A) • osvětlení, topení (100 – 500V, 1 – 500A) • kompenzace • regulace vstupního napětí transformátorů 5
©Jan Bauer
Usměrňovač s aktivní zátěží Id
Ud
AC
• případ Ui > 0
Ui
•tyristor lze sepnout nejdříve u1>Ui • pro řídicí úhel platí a > x
Ud
• po sepnutí začne protékat proud id, jeho velikost závisí na parametrech zátěže
Ui Id O
π/2
x a
π
3π/2
2π
• když id klesne k nule, tyristor zavře a na tyristoru se objeví napětí ur = u1 - Ui u1
u1
ur
Ui
URWM
O
π/2
x
π
3π/2
2π
a
6
©Jan Bauer
Usměrňovač s aktivní zátěží • případ Ui < 0
Id
•tyristor lze sepnout dokud u1>Ui Ud
AC
• pro řídicí úhel platí a < x1
Ui
• po sepnutí začne protékat proud id, jeho velikost závisí na parametrech zátěže
a x2 x1
π/2
O
Ud
π Id
3π/2
2π
• pokud id neklesne k nule před dosažením úhlu x2, dojde k tzv. prohoření = zničení měniče a
u1
x2 x1
O
π/2
π ur
7
3π/2
2π
u1
©Jan Bauer
Elektrostatické odlučovače • prostředek k omezení škodlivin • nástroj pro čištění vzduchu - zdravotnictví • 99% účinnost
Ionizační elektroda -
• extrémní parametry U,I (kV, mA)
E Čistý vzduch Sběrací elektroda +
+
-
r
Špinavý vzduch
Odpad
8
©Jan Bauer
Elektrostatické odlučovače - komorový -
• průmysl – spalovny, teplárny, apod.
-
-
• desky cca 2 x 3m • zapojení více komor paralelně
+
• nutnost čištění • tvar drátů – ostré hrany
Špinavý vzduch
Odpad
•Příklad: 99,8% při optimální četnosti přeskoků 50 – 100/min v předních sekcích -těsně pod hranicí oblouku 9
©Jan Bauer
Elektrostatické odlučovače • realizace měniče 50 – 3000mA
1fM L1
L2 60 kV
~u
a
+
Reg
• L1 – omezuje zkraty – přeskok • L2 – tlumí oscilace – desky = C - vyhlazuje proud 10
©Jan Bauer
Elektrostatické odlučovače • funkce regulátoru
50 – 3000mA L1
• ohledávací – znečištění desek
L2 60 kV
~u
• regulace napětí
a
+
Reg
• omezení proudu • ochrana proti koroně
u ic
20ms
11
50ms
©Jan Bauer
Svařování • lze střídavým i stejnosměrným proudem • svářečky • diodové • tyristorové • tranzistorové • zátěž – elektrický oblouk ve vzduchu
U U 0 kI
U
U 0 20V
U0 = 20V
k 0,04 I
• pro zapálení Uz > U0 cca 2x 12
©Jan Bauer
Svařování • diodové svářečky • menší proudy • rozptylové trafo – přepínání odboček na sloupku = změna rozptylové reaktance = změna sklonu charakteristiky • proud ik > isvař – lepení, tavení svaru u1 f1
Tr.
u2 f1
ud
Tl.
U Uz = 60V U0 = 20V
i3
oblo uk
ik1
ik3
i1 I
U U z Zk I U U 0 kI
13
©Jan Bauer
Svařování • tyristorové svářečky • dobré vlastnosti - malý ik • plynulá regulace • špatný cosj , produkce harmonických
U Uz = 60V U0 = 20V
u1 f1
Tr.
u2 f1
ud
a
14
Tl. Reg
ik1
ik3
U U z Zk I I*
U U 0 kI
©Jan Bauer
I
Svařování • tranzistorové svářečky • trafo na vf = nižší hmotnost • plynulá regulace • nižší objem tlumivky L 10 – 20 kHz u1 f1
= ~
Tl. Reg
15
I*
©Jan Bauer
Indukční ohřev • úprava povrchu obrobků • využití vířivých proudů • skin efekt – hloubka vniku
16
a
2
0 r
©Jan Bauer
Indukční ohřev - měniče • střídače – měnií stejnosměrný proud an střídavý • počet fází • můstkové / uzlové • proudové / napěťové
V1
• tranzistory / tyristory
D1
V3
D3
V2
D2
iload DC
uload V4
17
D4
©Jan Bauer
Indukční ohřev - měniče • řízení – amplitudové – řízení pomocí ud • střídání 2 hladin +ud ; -ud
ud
id
iload DC
V3 V4
+
-
iload DC
-
D3 D4
D1 D2 iload
+
-
DC
18
+
V1 V2
iload DC
+
-
©Jan Bauer
Indukční ohřev - měniče V1 V2
ud V3 D2
id V1 D3 T/2
-
DC
+
-
DC
iload
-
19
+
DC
V3 V4
iload
-
+
DC
iload
+
iload
d)
D3 D4
iload DC
-
• střídání 3 hladin +ud ; 0 ; -ud
D1 D2
+
• řízení – šířkové
iload DC
+
-
©Jan Bauer
Indukční ohřev - měniče • řízení – šířkově pulzní • střídání 2 a 3 hladin • snížení obsahu harmonických • šířka pulzu konstantní
ud
20
©Jan Bauer
Indukční ohřev - měniče • řízení –pulzně šířkové
uref
Ud
21
©Jan Bauer
Indukční ohřev - měniče • rezonanční střídač • RL zátěž doplněna C – rezonanční obvod • pro málo proměnnou zátěž • výstupní frekvence 100 – 10 000 kHz • uz / iz sinusové • výkon v řádu MW • typy sériový / paralelní
22
©Jan Bauer
Indukční ohřev - měniče • rezonanční střídač - sériový
V1
D1
V3
D3
V4
D4
V2
D2
• rezonance komutuje tyristory
• ideální případ R = 0
uc ( 0 ) 0 iz
U sin 0t Z0
L C 1 0 LC uc U 1 cos 0t Z0
23
©Jan Bauer
Indukční ohřev - měniče 6U
2U 5U Z0 U Z0
uz iz
-3U Z0
-4U
24
©Jan Bauer
Indukční ohřev - měniče • R > 0 – s růstem uc rostou ztráty • obvod se ustálí na Ucmax > U 2
1 R R 2 LC 2 L 2L
2
2
R 0 R 20 L 2L
0 2
• t0 > tq – bezproudá pauza
uz iz
• frekvence střídače < vlastní frekvence zátěže • vypnutí tyristorů poklesem iz k nule 25
©Jan Bauer
Indukční ohřev - měniče • rezonanční střídač - paralelní • C komutuje tyristory V1
D1
V3
D3
V4
D4
V2
D2
• potřeba nabít indukčnost
• nadrezonanční chod
uz iz
26
©Jan Bauer
