Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

Střídače přednáška – výkonová elektronika

Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

Střídače

• Střídače – – obvody s vstupní stranou stejnosměrnou a výstupní střídavou

• Použité prvky – s vlastní komutací typ spínačů - tranzistory (IGBT, MOSFET, BJT), tyristory GTO (IGCT) nebo rychlé tyristory s komutačním obvodem – tyristory – nutný komutační obvod (ke každému tyristoru zvlášť nebo společný)

Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

2

Střídače

• Rozdělení střídačů – podle počtu fází zátěže • jednofázový střídač (UPS) • třífázový střídač (asynchronní nebo synchronní motory, fotovoltaické elektrárny) • vícefázový střídač (vícefázové krokové motory)

– Podle typu napájení • napěťové střídače (významnější) – napájené ze zdroje napětí • proudové střídače – napájené ze zdroje proudu


3

Střídače

• přenos elektrického výkonu střídače – vede elektrický výkon ve 4 kvadrantech – střídavý průběh na výstupu střídače, běžně neharmonický – fázorový popis pro první harmonickou složku výstupního napětí a proudu - napětí a proud svírají fázový úhel (nejčastěji zátěž s induktivním charakterem –potlačuje vyšší harmonické) Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

4

Střídače

• jednofázové střídače (napěťové), základní zapojení – půlmost

– celý most

sepnuto

napětí na výstupu

S1

Uo = + Ud/2

S2

Uo = − Ud/2

S1, S2

zakázáno - zkrat

sepnuto

napětí na výstupu

S1, S4

Uo = + Ud

S2, S3

Uo = − Ud

S1, S3

Uo = 0

S2, S4

Uo = 0

S1, S2

zakázáno - zkrat

S3, S4

zakázáno - zkrat


5

Střídače

• tok proudu ve střídači typu plný H-most s induktivní zátěží – strmost proudu

𝑑𝑖 𝑑𝑡

=

𝑈 𝐿

– tok energie • růžová – do zátěže • oranžová – do zdroje


6

Střídače

• Ochranná doba větve – zpoždění sepnutí a vypnutí prvků -> krátké okamžiky zkratu (omezeno parazitními prvky), růst ztrát, riziko zničení spínače – sepnutí se zpožděním (ochranná nebo prázdná (blanking time) doba t0 ) – čas nastaven podle prvků MOSFET – 1µs, IGBT 2-5 µs, IGCT 50 µs (závisí na spínacích parametrech)


7

Střídače

• základní obdélníkové řízení – poloviční H-most, přepnutí při průchodu řídícího napětí nulou – úhel otevření – 180° – ve výstupním signálu řada harmonických složek harmonické zkreslení – nelze řídit velikost Uo – velikost 1. harmonické: 4 Ud U  U o1   1,273 d   2  2  – vyšší harmonické U U oh  o1 h Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

8

Střídače

• Řízení střídače pomocí PWM – – – –

výstupní střídavý signál spolu s filtrací má téměř harmonický signál je možné řídit velikost a do jisté míry průběh výstupního signálu vstup – blokovaný kondenzátorem pro pokrytí odběru proudových špiček výstup – filtr pro odstranění vyšších harmonických (vznik jalového výkonu)

• generování PWM – analogově • nosný pilovitý průběh – modulovaný průběh - komparátor

– digitálně • čítač s generátorem, podle aktuální hodnoty nastavuje 1 nebo 0, řídí kombinační logický obvod • jiné principy (napodobování analogového principu v DSP)


9

Střídače

• Parametry PWM u střídače – půlmost – frekvenční poměr modulace mf – amplitudový poměr modulace ma

Základní princip vzniku PWM:

mf  ma 

f tri f1contr U Mcontr U Mtri

Ud ucontr  utri : uo   2 U ucontr  utri : uo   d 2


10

Střídače

• Vlastnosti PWM • vlastnosti ma – amplitudový poměr modulace – ma < 1 - lineární oblast,

Ud U o  ma 2

– ma > 1 a maximální derivace řídícího napětí je menší, než derivace trojúhelníkového průběhu: přechodná oblast

Ud 4 Ud  Uo  2  2 – ma > 1 - obdélníková oblast (řídící signál protíná trojúhelníkový signál 2krát za periodu, výsledkem je obdélníkovitý průběh), velikost výstupního napětí nelze řídit

4 Ud Uo   2


11

Střídače

• poměr mf – modulační frekvence co nejvyšší – mf < 20: požadavek na soudělnost frekvence, mf musí být celé číslo. Pokud není, vznik subharmonických složek, které mohou být nežádoucí pro spotřebič nebo síť – mf > 20: přítomnost subharmonických zanedbatelná • Harmonické složky u PWM pro 1 fázi – širší spektrum harmonických složek, uvedeny v tabulce – amplituda harmonických se mění podle velikosti modulovaného signálu – velikost složek na výstupu modulátoru – podle přenosové funkce filtru a vstupní impedance zátěže

ma

0,2

0,4

0,6

0,8

1

zákl. harm

0,2

0,4

0,6

0,8

1

mf mf ± 2 mf ± 4

1,242 0,016

1,15 0,061

1,006 0,131

0,818 0,220

0,601 0,318 0,018

2mf ± 1 2mf ± 3 2mf ± 5

0,190

0,326 0,024

0,370 0,071

0,314 0,139 0,013

0,181 0,212 0,033

3mf 3mf ± 2 3mf ± 4 3mf ± 6

0,335 0,044

0,123 0,139 0,12

0,083 0,203 0,047

0,171 0,176 0,104 0,016

0,113 0,062 0,157 0,044


12

Střídač

• Harmonické složky u PWM pro 1 fázi - GRAF

• př. fc = 50 Hz, fm = 1700 Hz, Ud = 300 V, ma = 0,8, mf = 34, půlmost: – řešení - harmonické složky podle tabulky f1  50 Hz : U o1  300  0,8 / 2  120 V f mf  2  1600 Hz : U omf  2  300  0,22 / 2  33 V f mf  1700 Hz : U omf  300  0,818 / 2  122,7 V f mf  2  1800 Hz : U omf  2  300  0,22 / 2  33 V f 2 mf 3  3250 Hz : U omf  300  0,139 / 2  20,85 V


13

Střídač

• Unipolární řízení – na celém H-mostu – ve spektru schází liché násobky vyšších harmonických


14

Střídače

• řízení 1f. střídače šířkou obdélníka – realizovatelné jen celým hmostem – řízení amplitudy, vliv na harmonické (při konkrétním úhlu řízení se některé harmonické zruší) – nejmenší harmonické zkreslení výstupního napětí při δ = 26 °

U o ( h) 

2



 

Ud 



sin h d 

4U d cosh  h

n

THD 


U j 2

2 oj

U o1

15

Střídače

• Push-pull střídače s transformátorem – – – – –

pro menší zátěže (transformátor přenáší výkon první harmonické) obvykle není určeno pro PWM (vysoké ztráty vyšších harmonických budiče pro tranzistory mají stejný potenciál předřadníky do výbojek, ss měniče (počítačové zdroje) pro řízení je možné využít opačné fázové napětí z transformátoru – samokmitající měniče (neřízené !)

U oMAX

Ud  ma n

NP n NS


16

Střídače

• Dimenzování tranzistorů a napájecího napětí ve střídači – účinnost měniče – teoreticky 100%, snížená ztrátami na spínacích prvcích Max. napětí tranzistoru

Max. proud tranzistorem

Výstupní napětí – mezi uzly

4 U dMAX Uo   2 2

Poloviční most

U CE  U dMAX

Celý most

U CE  U dMAX

I C  2 I oMAX

Uo 

U CE  2U dMAX

I I C  2 oMAX n

4 U dMAX Uo   2 n

Push-Pull střídač

I C  2 I oMAX

4

 2


U dMAX

17

Střídače

• 3 fázové můstky – 3 zdroje střídavého napětí s posunutím 120° – spojení 3 1f měničů – nákladné (12 spínačů + transformátor) – jednodušší řešení - 3 fázové můstky se 6 spínači – základní schémata: • zapojení zátěže do hvězdy (Y) • zapojení zátěže do trojúhelníka (D)

– základní uzly střídače: A, B, C s přidruženými tranzistory, připojení na napětí Ud nebo 0 – pro každou větev střídače (3 větve) v provozu 2 stavy • 1) horní tranzistor sepnutý, dolní vypnutý • 2) horní tranzistor vypnutý, dolní sepnutý

– možno 23 = 8 kombinací, 2 kombinace typu všechny horní tranzistory zapnuté nebo vypnuté dávaní na všech 3 uzlech stejný potenciál


18

Střídače

• střídač – zapojení zátěže do trojúhelníku

u AB  u A  uB uBC  uB  uC uCA  uC  u A


19

Střídače

• 3f můstek – obdélníkové řízení – zapojení do trojúhelníku,


20

Střídač

• 3f můstek – řízení PWM – zapojení do trojúhelníku,


21

Střídače

• základní parametry 3f můstku: – maximální sdružené napětí UL (mezi uzly střídače)

U LMAX  U d

• obdélníkové řízení – spínače jsou otevřeny po dobu půl periody – sdružené napětí pro první harmonickou (efektivní hodnota): U L1 

– přehled harmonických složek:

U Lh 

3 4 Ud 6  Ud  2 2

U L1 pro h  6n  1, n  1,2,3... h


22

Střídače

• řízení PWM – 3 fáze

ma

0,2

0,4

– základní parametry modulace zákl. harm 0,122 0,245 – frekvenční a amplitudový mf ± 2 0,010 0,037 poměr modulace mf a ma mf ± 4 (pro ma > 1 dochází ke 2mf ± 1 0,116 0,200 generování stejných 2mf ± 5 harmonických jako u 3mf ± 2 0,027 0,085 3mf ± 4 0,007 obdélníku) – sdružené napětí UL1 pro 3 ma<1, ostatní harmonické U L1  maU d 2 2 složky v tabulce (grafu)


0,6

0,8

1

0,367 0,490 0,612 0,080 0,135 0,195 0,005 0,011 0,227 0,192 0,111 0,008 0,020 0,124 0,108 0,038 0,029 0,064 0,096

23

Střídače

• 3f střídač – zapojení zátěže do hvězdy – pro symetrickou zátěž, střední uzel N není nikam připojen

2 1 1 u AN  u A  uB  uC , 3 3 3

2 1 1 2 1 1 u BN  u B  u A  uC , uCN  uC  u B  u A 3 3 3 3 3 3 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

24

Střídače

• Obdélník - průběh 3 f napětí ua, ub, uc,


25

Střídač

• Trojfázové řízení PWM – zapojení symetrické zátěže do hvězdy s odpojeným středem


26

Střídač

• Víceúrovňové střídače - tříúrovňový střídač – snížení napětí na tranzistorech, zmenšení harmonického zkreslení


27

Střídač

• Víceúrovňové střídače - tříúrovňový střídač – výstupní napětí podle sepnutých spínačů S1A

S1B

S4A

S4B

uAN

1

1

0

0

+Ud/2

0

1

1

0

0

0

0

1

1

−Ud/2

spínač na on

podmínka

S1A

ucontrA > utri1

S1B

ucontrA > utri2

S4A

ucontrA < utri1

S4B

ucontrA < utri2

– Synchronní PWM řízení


28

Střídač

• Proudové střídače – – – –

napájení – zdroj proudu, řízený tyristorový usměrňovač při rekuperaci se mění směr napětí na vstupu třífázové, jen velké výkony PWM nebo obdélníkové řízení (úhel otevření 120°)


29


Děkuji za pozornost

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

Recommend Documents