ENERGIAÁTALAKÍTÓ TECHNIKA A teljesítményelektronikai kapcsolások, (áramirányítók), alaptipusai: 1. Váltó/egyen, (AC/DC) átalakítók, (hálózati kommutációs áramirányítók). Mûködésükhöz váltakozó feszültségü táphálózatot igényelnek. Az energiaáramlás kitüntetett iránya a válta-kozóáramu oldalról az egyenáramu oldal felé mutat, (egyenirányító üzem), de bizonyos tipu-sainál ellentétes irányu energiaáramlás is biztosítható, (váltóirányító/inverter üzem). 2. Váltó/váltó , (AC/AC), átalakítók, (váltakozóáramu szaggatók). Segítségükkel a rendelkezésre álló váltakozó feszültség értéke befolyásolható, (változtatható, vagy stabilizálható). 3. Egyen/egyen, (DC/DC), átalakítók, (egyenáramu szaggatók). Segítségükkel a rendelkezésre álló egyenfeszültség értéke befolyásolható, (változtatható, vagy stabilizálható). 4. Egyen/váltó, (DC/AC), átalakítók. Müködésükhöz egyenfeszültségü energiaforrás szükséges. Kimenetükön változtatható amplitudóju és frekvenciáju váltakozó feszültség állítható elõ. Az energiaáramlás kitüntetett iránya az egyenáramu oldalról a váltakozóáramu oldal felé mutat, de bizonyos tipusainál ellentétes irányu energiaáramlás is biztosítható. Alkalmazási területek: 1. tipus: • Különféle, jelfeldolgozó elektronikus készülékek/berendezések segédtápegységeinek beme-neti egyenirányítói. Pl. szórakoztató elektronikai készülékek, mint rádió, televízió stb., szá-mítógépek, adatfeldolgozó berendezések, különféle technológiai folyamatok irányító beren-dezései, stb. • Egyenáramu teljesítményt igénylõ technológiák egyenirányítói. (Pl. egyenáramu villamos hajtások tápegységei, (10W - 10MW tartományban). Vizes és tûzfolyós elektrolízisek a vegyiparban, (100V - 1000V és maximum többszáz kA). • Nagyvárosi tömegközlekedési jármüvek energiaellátása alállomásokon telepített egyenirányí-tókkal, (villamos, trolibusz, METRO, 500V - 1500V, néhány kA). • Galvanizáló kádak és korrózióvédelmi egyenirányítók, (max. néhány kA és max. 100V). • Szinkron generátorok gerjesztõgépei, (max. néhányszor 100V és többezer A). • Nagyvasuti vontatás egyenirányítói, alállomásokon vagy mozdonyokon telepítve, (2 5MW). • Akkumulátortöltõ berendezések. (Gépjármûvek, szünetmentes energiaellátó rendszerek ak-kumulátortelepei). • Elektrosztatikus lakkbevonat készítés, (100kV - 150kV, néhány mA). • Humán röntgenkészülékek bemeneti egyenirányítói, (max. 100kW és 150kV). • Fémröntgenek, (néhányszor 100W és 100kV - 300kV). • Porleválasztók táplálása, (20kW - 100kW és 60kV - 100kV). • Nagyfeszültségû, egyenáramu energiaátvitel, (~1000MW). 2. tipus: • Ellenállásterhelésû fogyasztók teljesítményszabályozása, (izzólámpák, ellenállásfûtésû háztar-tási készülékek, ellenállásfûtésû kemencék).
1
• Általános céllal kapcsolóelemként, (pl. kondenzátortelepek kapcsolására, meddõkompenzá-lás, vagy relék kiváltására). • Váltakozóáramu motorok fordulatszám szabályozása, (pl. villamos hajtásu kéziszerszám gé-pekben, daruhajtásokban, stb.).Elõtét szabályozó, (pl. porleválasztók vezéreletlen egyenirányító kapcsolásainak táplálására). • Fojtótekercsek áramának szabályozására, (meddõteljesítmény kompenzátorok). 3. tipus: • Különféle jelfeldolgozó elektronikus készülékek/berendezések segédtápegységeinek szabá-lyozói, (feszültség- és áramstabilizátorok). • Egyenfeszültségrõl táplált egyenáramu hajtások villamos szabályozói, (targonca, villamos, trolibusz, METRO, szervomotorok, szerszámgép mellékhajtások). • Napelemes rendszereket kiszolgáló átalakítók. • Egyenáramu szünetmentes rendszerek átalakítói, (posta). 4. tipus: • Váltakozóáramu szünetmentes energiaellátó rendszerek átalakítói, (kórházak, repülõterek, ipari folyamatok irányítása, számítógépek, vasúti biztosító berendezések). • Változtatható fordulatszám, váltakozóáramu villamos hajtások tápegységei. • Középfrekvenciás átalakítók ipari technológiai célokra, (indukciós hevítés, középfrekvenciás hegesztõgépek, stb.). • Speciális célú középfrekvenciás átalakítók, (pl. röntgentechnika). • Hangfrekvenciás körvezérlések tápegységei. • Napelemes rendszereket kiszolgáló átalakítók. 1. HÁLÓZATI KOMMUTÁCIÓS ÁRAMIRÁNYÍTÓ KAPCSOLÁSOK Egyen/váltó, (AC/DC), átalakítók. 1.1. Alapfogalmak: • Mûködésük feltétele:A hálózati feszültséget meghatározó feszültséggenerátorok a váltakozó-áramu oldalon. • Az elnevezésrendszer: xFyUpÜ ---> x fázisú, y utas, p ütemû h.k.á.i., (hálózati kommutáci-ós áramirányító). x=a váltakozóáramú hálózat fázisszáma, (1 ill. 3). y=az áram lehetséges folyási irányai a félvezetõ(ke)t közvetlenül tápláló generátor(ok)ban, (1 ill. 2). p=az egyen-irányított feszültség, Ud, legalacsonyabb rendszámû váltakozó összetevõjének frekvenciája osztva a tápláló hálózat frekvenciájával. Kommutáció: a félvezetõk közötti áramváltás. Ideális kommutáció ---> pillanatszerü kommutáció. Valóságos kommutáció ---> az áramváltás a kommutációs áramkör impedanciái miatt véges idõ alatt játszódik le. Hálózati kommutáció ---> a kommutációt a váltakaozóáramú hálózat feszültsége biztosítja. Természetes kommutáció ---> a diódák alkalmazásakor végbemenõ kommutáció. Késleltetett kommutáció ---> vezérelhetõ félvezetõk, tirisztorok, alkalmazásakor létrejövõ, idõben késleltetett kezdetû kommutáció. • Természetes kommutációs pont: a természetes kommutáció idõpontja ideális kommutációt feltételezve. • Gyujtáskésleltetési szög, α, α,: a vezérelt félvezetõk, (tirisztorok), gyujtásának villamos
2
fokokban kifejezett késleltetése, α= ωt, a természetes kommutációs ponthoz illetve a fázisfeszültség nullátmenetéhez képest, 1.1.-1.ábra.
1.1.-1. ábra • Fedési szög, µ: a valóságos kommutáció villamos fokokban kifejezett idõtartama, µ=ωtµ. • Folyamatos áramvezdetés: állandósult állapotban az egyenáramú körben az áram pillanatértéke sohasem lesz nulla. • Szaggatott áramvezetés: állandósult állapotban az egyenáramú körben az áram pillanatértéke periodikusan nulla lesz. • Ütemidõ, τ: Egy szelep áramvezetési ideje. • Áramfolyási szög Θ0, egy félvezetõ áramvezetési ideje villamos fokban kifejezve. Az ideálisnak feltételezett félvezetõk jelleggörbéi, 1.1.-2.ábra.
1.1.-2. ábra
3
1.2. Egyfázisu egyenirányítók mûködésének vizsgálata ellenállásterheléssel és kapacitív szûréssel. Ajánlott irodalom: [1] 2.8.,9.,10.,11.,12.ábra, 2.1., 2.2.,2.3.példa. Kisebb teljesítményeken, max. 100kW-ig általánosan elterjedt a kimeneti egyenirányított feszültség kondenzátorokkal való szûrése. A szûrõkondenzátorok általában elektrolit kondenzátorok, mivel ezek alkalmazásával lehet a szükséges kapacitás értéket a legkisebb méretben és a legolcsóbban létrehozni. Az elektrolit kondenzátorok egyirányu polározhatósága az esetek nagy részében nem zavaró. A vizsgálatok elsõ részében az egyenirányitott feszültség hullámosságát figyelmen kivül hagyjuk, azaz Cd⇒∞ értéket tételezünk fel. 1.2.1. Az alapkapcsolások , (1F1U1Ü, 1F1U2Ü és 1F2U2Ü kapcsolás) felépítése és a mûködésükre jellemzõ legfontosabb idõfüggvények. ismertetése Az 1F1U1Ü, 1F1U2Ü és 1F2U2Ü kapcsolások felépitése az 1.2.1.-1.,2.,3.a .ábrán látható. A müködésükre jellemzõ legfontosabb idõfüggvényeket, Cd⇒∞ értéket feltételezve, az 1.2.1.-1.,2.,3.b,c ábrában foglaltuk össze. Megjegyzések: • Mivel Cd⇒∞, az egyenirányított feszültség, Ud ,teljesen sima. • A diódá(k) akkor vezet(nek), amikor a generátorfeszültség(ek) értéke Ud-nél nagyobb. • Ud nagysága a töltésegyensúlyból számítható, u.i. állandósult állapotban Cd áramának középértéke, ICdAV=0. (A számítás transzcendens egyenletre vezet, ami iterációval oldható meg, ezért a méretezéshez célszerûbb elõreszámított görbeseregeket v. áramköri szimulátort alkalmazni.) • Ud =Ud (R/Rd, ωRdCd). R/Rd csökkenésével a Θ0 áramfolyási szög csökken, Ud értéke nõ. A tápforrásból felvett áram egyre csucsosabb, felharmonikustartalma nõ. Határesetben, (R=0, ill. Rd=∞), Ud⇒UgM, (csucsegyenirányító). • A valóságban ud(t) a Cd kondenzátor véges értéke miatt hullámos, a változás maximális értéke a hullámosság, ∆Ud, (ripple, brummfeszültség), l. 1.2.1.-4.ábra. 1.2.2. A méretezéshez használható jelleggörbeseregek ismertetése A görbeseregeket az 1.2.2.-1.,2.,3.,4.ábra tartalmazza.
4
1F1U1Ü kapcsolás: iD Rg
D
ud; Cd≠∞ ∆ud
ug
u ic
Cd
ug
ud
ud; Cd≅∞
Rd π θ0
iD =
ug − ud
ωt
2π
θ0
i
iD
Rg Id
ωt
iC
1.2.1.-1. Ábra 1F1U2Ü kapcsolás: Rg
ug1
u
iD1
∆ud
ug2
ud; Cd≠∞
D1 ug1
ug2
Rd
ud; Cd≅∞
id θ0 θ0
ic
ud
2π ωt
π
D2 Rg i D1, 2 =
iD1
i
iD2 u g1, 2 − u d
iD2
ID
Rg
iC
1.2.1.-2. Ábra 1F2U2Ü kapcsolás (1F Graetz kapcsolás): D1
iC
ig
ud; Cd≠∞
-ug
id
Cd
Rd
ud θ0 θ0
Da iD =
∆ud
ud; Cd≅∞ Rg
ug
+ug
u
D2
ug − ud Rg
Db
2π ωt
π
iD1,b
i
iD2,b
ID iC
1.2.1.-3. ábra
5
1.2.2.-1. ábra
1.2.2.-2. ábra
6
1.2.2.-3. ábra
1.2.2.-4. ábra Megjegyzések: • Az 1.2.2.-1.ábrán az Ud/UsM viszony látható ωRdCd függvényében, paraméter R/Rd. • Az 1.2.2.-2.ábrán az egyenirányított feszültség torzítását, σu , adtuk meg ωRdCd függvényében, paraméter R/Rd. (σu = Ud~RMS/Ud, ahol Ud~RMS az egyenirányított feszültség váltakozó ösztevõjének effektív értéke.) • Az 1.2.2.-3.,4.ábrán megadott jelleggörbeseregek segítségével a diódaáram effektiv értéke és periodikus csúcsértéke határozható meg ωpRdCd függvényében, paraméter R/pRd, ahol p az ütemszám. 7
1.3. Az 1F1U2Ü kapcsolás müködésének elemzése induktiv szûrést feltételezve Induktiv szûréskor az egyenirányított áram hullámosságát csökkentjük soros fojtótekercs, Ld, beiktatásával. Ajánlott irodalom, [1], 2.4., 2.5.,2.6.,2.7., 2.10., 2.13., 2.16., 2.17. példa. 1.3.1. Az 1F1U2Ü kapcsolás müködése tisztán induktív terheléskor Az 1.3.1.-1.ábrán a kapcsolás, az 1.3.1.-2.,3.ábrán pedig a jellegzetes idõfüggvények láthatók szaggatott és folyamatos áramvezetést feltételezve.
1.3.1.-1. ábra
1.3.1.-3. ábra
1.3.1.-3. ábra Megjegyzések: • A gyujtáskésleltetési szögeket a fázisfeszültségek pozitiv nullátmenetétõl mérjük, (természetes komutációs pontok). • α>π/2 esetben az áramvezetés szaggatott. Az áram idõfüggvénye a hurokegyenlet, us=id,Ld átalakításával, id, = us /Ld = (UsM /Ld) sin(ωt), majd annak integrálásával kapható meg. Azaz id (t)=-(UsM /ωLd) cos(ωt)+C. A kezdeti feltétel, id (α/ω)=0, felhasználásával C=(UsM /ωLd)cos(α) és id (t)= (UsM /ωLd)[-cos(ωt)+cos(α)]; • Az Ld induktivitás értékét növelve a lüktetõ áram amplitudója folyamatosan csökken. 8
Határesetben, Ld = ∞ mellett Id = 0 adódik, l. az id (t) fenti egyenletét. • α>π/2 esetben az áramvezetés folyamatos. Minden ütem végén, a következõ tirisztor gyujtásakor, pillanatszerü kommutáció játszódik le, mivel a kommutáló áramkört, us1 Th1-Th2-us2, impedanciamentesnek tételezzük fel. Mivel Ud > 0, id(t)⇒∞! 1.3.2. Az 1F1U2Ü kapcsolás müködése, ha a terhelés soros Ub-Ld-Rd és Ld⇒∞ Az áramkör felépítése és a mûködésére jellemzõ idõfüggvények az 13.2.-1.ábrán láthatók.
1.3.2.-1. ábra (LC=0!) Megjegyzések: • Az induktivitás feszültsége: uL = iL, L . Ebbõl: iL, = uL /L. t2 t2 Az utóbbi egyenletet t1 és t2 között integrálva:
∫i
, L
dt =
∫
1 uL dt = iL(t2)-iL(t1) = ∆IL, azaz L
az t1 t1 induktivitás áramváltozása a rájutó feszültségterülettel egyenesen, az induktivitás értékével pedig fordítottan arányos, tehát Ld értékét növelve, a véges feszültségterület miatt az áram ingadozása nullához tart. • Következésképpen, ha folyik áram az egyenáramu körben, az teljesen sima egyenáram lesz, (az áramvezetés folyamatos). • A félvezetõk az áramvezetést egymástól kommutációkkal veszik át.
9
• Az egyenirányított feszültség mindig az éppen áramot vezetõ fázis feszültségével egyezik meg. 1.4. 3F1U3Ü/ 3F1UpÜ áramirányító vizsgálata, 1.4.-1.ábra.
(1 az alapharmonikusok indexe) 1.4.-1. ábra Ajánlott irodalom: [1], 2.26., 2.27.,2.28., 2.31., 2.34., 2.36.példa. Megjegyzések: • Ld ≅ 00, az id áram egyenáram, id=Id; • A kommutációk: Th3-->Th1, Th1-->Th2, Th2-->Th3, (ic = a kommutációs áramok, a kommutáló áramkörök: Us1 -Th1-Th3-Us3, Us2 -Th2-Th1-Us1 , Us3 -Th3-Th2-Us2); Ud számítása, (p ütemû kapcsolásra, folyamatos áramvezetést feltételezve), 1.4.-2.ábra).
1.4.-2. ábra Megjegyzések:
10
• Az átalakító egyutas és p számú félvezetõt tartalmaz, amit szimmetrikus p-fázisú feszültségrendszerrel táplálunk; • Egy félvezetõ áramvezetése ideje a folyamatos áramvezetés miatt: α ' − α 'k = 2π p . A középérték számítása ennek megfelelõen - π/2+αk’ - π/2+αk’ Ud =
∫
1 p p UgM cos(ωt) d(ωt) = UgM [ sin(ωt) ] = UgM [sin(- π/2+αk’ )-sin(- π/2+α’)] 2π / p 2π 2π ’ ’ - π/2+α - π/2+α
Bevezetve az α’ = α+π/2-π/p és az αk’ = αk +π/2-π/p jelöléseket p [sin(-π/p+αk )-sin(-π/p+α )] és a folyamatos áramvezetés miatt az Ud =UgM 2π p p α − α k = 2π p összefüggést alkalmazva: Ud =UgM sin ( ) cos( α ): π π Az egyenáram számítása, (folyamatos áramvezetést feltételezve, azaz : α ' − α 'k = ωτ=2π/p), 1.4.-3.ábra.
1.4.-3. ábra ud = ub + id, Ld + id Rd az egyenlet mindkét oldalát az ütemidõre integrálva: αk,/ω αk,/ω αk,/ω αk,/ω
∫
∫
∫
∫
1 1 1 1 ud dt = Ub dt + Ld id, dt + Rd id dt τ τ τ τ , , , α /ω α /ω α /ω α,/ω ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ Ub 0 Id Ud Ennek megfelelõen: Id = (Ud - Ub)/Rd , azaz folyamatos áramvezetéskor az induktivitás értéke az áram középértékét nem befolyásolja. Megjegyzés: • Mivel a jelek periodikusan ismétlõdnek, id (τ) = id (0); • Id < 0 nem lehetséges. Ebben a esetben a számított eredmény hibás, a felvett pozitív iránnyal ellentétes egyenáram a körben a félvezetõk szelephatása miatt nem folyhat. Ezért az áramve-zetés nem folyamatos, hanem szaggatott. Ebben az esetben az Ld induktivitás értékét növelve a lüktetõ áram amplitudója folyamatosan csökken, l. 1.3.1.pontot. Határesetben, Ld = ∞ mellett Id = 0 adódik. Egy félvezetõ áramának középértéke: ITH,D, AV=Id /p; Egy félvezetõ áramának effektiv értéke: ITH,D,RMS=Id / p ;
11
1.5. Az 1F2U2Ü kapcsolás vizsgálata Ajánlott irodalom: [1], 2.19., 2.20., 2.24.példa. Megjegyzések: • 1F1U2Ü kapcsolás ⇒ egyfázisú Graetz kapcsolás ⇒ egyfázisu hídkapcsolás; • A kapcsolás és a jellemzõ idõfüggvények az 1.5.-1.ábrában láthatók.
1.5.-1. ábra • Ld ≅ ∞, az id áram tisztán egyenáram, id=Id; • A kapcsolás két független kommutációs csoportra bontható, a kommutációk a Th1,2 (D1,2) ill. a Tha,b (Da,b) elemek között játszódnak le; • A lehetséges vezérlési módok: szimmetrikus vezérlés, (a vezérlési szög a két kommutációs csoportban azonos), aszimmetrikus vezérlés, (a vezérlés a két kommutációs csoportban eltérõ), féligvezérelt megoldás, l.5.-2.ábra, (a kapcsolás fele-fele arányban tirisztorokat és
1.5.-2. ábra diódákat tartalmaz) és a vezéreletlen megoldás, (csak diódákból felépített egyenirányító). • A féligvezérelt megoldásra jellemzõ a szabadonfutó ág kialakulása. 12
1.6. A 3F2U6Ü kapcsolás vizsgálata Ajánlott irodalom: [1], 2.43., 2.49.a., 2.50.példa. Megjegyzések: • 3F2U6Ü kapcsolás ⇒ háromfázisu Graetz kapcsolás ⇒ háromfázisu hídkapcsolás; • A kapcsolás és a jellemzõ idõfüggvények az 1.6.-1.ábrában láthatók;
1.6.-1. ábra • Ld ≅ ∞, az id áram tisztán egyenáram, id=Id; • A kapcsolás két független kommutációs csoportra bontható, a kommutációk a Th1,2 ,3 (D1,2,3) ill. a Tha,b,c (Da,b,c) elemek között játszódnak le; • A lehetséges vezérlési módok: szimmetrikus vezérlés, (a vezérlési szög a két kommutációs csoportban azonos), aszimmetrikus vezérlés, (a vezérlés a két kommutációs csoportban eltérõ), féligvezérelt megoldás, (az egyik kommutációs csoport diódákból áll) és a vezéreletlen megoldás, (csak diódákból felépített egyenirányító). • Az Ud egyenirányított feszültség a két kommutációs csoport feszültségének összege, (kommutációss csoportok soros üzeme), azaz Ud = Udi0 [cos(αP +cos(αN)]; ahol 3 π Udi0 = UgM sin( ), mivel az egyes kommutációs csoportok háromütemûek. 3 π . 1.7. A hálózati kommutációs áramirányító lehetséges üzemmódjai Megjegyzések: • A gyujtási szög lehetséges változtatási tartománya: 0 < α < π; • A kommutáló áramkörökben a feszültség ekkor megfelelõ irányû az áramváltások végrehajtásához; • Az 1.4.pont szerint szimmetrikusan és teljesen vezérelt kapcsolásnál Ud = Udi0cos(α), azaz az 0< α< π / 2 tartományban Ud >0, (egyenirányító üzem), az π / 2< α< π tartományban Ud < 0, (váltóirányító üzem, invverter üzem); • Ιd csak pozitív lehet, mert ellentétes irányú áram a félvezetõk szelephatása miatt nem lehetséges; • Egyenirányító üzemben Pd = Ud Id >0, az energia a váltakozó áramú hálózatból az egyenáramu oldal felé áramlik, váltóirányító üze mben Pd = Ud Id < 0, azaz az energiáramlás iránya az elõbbivel ellentétes, (visszatáplálás);
13
• A váltóirányító üzem feltétele, hogy Ud < 0 ellenére az Id > 0 feltétel teljesüljön. Az Id = (Ud - Ub) képletnek megfelelõen ez akkor lehetséges, ha Ub elõjelét megfordítjuk és a gyujtásvezérléssel biztosítjuk a következõ feltétel teljesülését: Ud<Ub;
Egyen-/váltórányító üzem:
1.7.-1. ábra
14
2. VÁLTAKOZÓÁRAMÚ SZAGGATÓKAPCSOLÁSOK Váltó/váltó, (AC/AC), átalakítók Ajánlott irodalom: [1], 3.1.,3.4.,3.5.,3.6.példa. 2.1. Alapvetõ definíciók • A váltakozóáramú szsaggatókapcsolások olyan félvezetõs átalakítók, amelyek a váltakozó áramú hálózatban az energiaáramlást befolyásolják. • A megoldás alapja: a fázisonként ellenpárhuzamosan kapcsolt tirisztorpár. • Vezérlési módok: a fázisszög vezérlés, (a gyujtássszöget a fásifeszültség(ek) nullátmenetétõl mérjük), illl. az impulzuscsomag vezérlés, (a tirisztorokat a fázisfeszültség(ek) nullátmene-ténél gyujtjuk). Az elsõ esetben a beavatkozás gyors, de az áram felharmonikustartalma nagy, a második esetben a felharmonikustartalom kedvezõbb, de a beavatkozási idõ lényege-sen nagyobb. 2.2. Alkalmazási területek Egyfázisú megoldások, l. 2.2.-1.ábra:
2.2.-1.a. ábra
2.2.-1.b. ábra 15
2.2.-1.c. ábra • Izzólámpák fényerõszabályozása, forróvíztárolók hõmérsékletszbályozása, (ellenállásterhe-lés). • Mágnesek húzóerõ szabályozása, (induktív terhelés). • Kéziszerszámok fordulatszámszabályozása/nyomatékszabályozása, (soros RT-LT-UT terhelés). • Primerben szabályozott nagyfeszültségü ill. kisfeszültségû/nagyáramú egyenirányítók, (porleválasztók tápegységei ill. galvanizáló egyenirányítók). • Meddõteljesítmény szabályozás, (elektronikusan kapcsolt kondenzátortelepek ill. folyamatosan szabályozott áramú fojtótekercsek). • Általában különféle terhelések ki-/bekapcsolása, (mechanikus kapcsolók helyettesítése). Háromfázisú megoldások, l. 2.2.-2.ábra:
2.2.-2. ábra • Nagyobb teljesítményû ipari hõmérsékletszabályozások, (ellenállásterhelés). • Aszinkron motorok ki-/bekapcsolása, fordulatszámszabályozása, forgásirányváltása. 2.3. 1FThTh kapcsolás mûködése ellenállás terheléssel • A mûködésre jellemzõ idõfüggvények fázisszögvezérlést feltételezve a 2.2.-3.ábrán láthatók. • A terhelés teljesítménye folyamatosan változtatható. 16
2.2.-3. ábra
2.2.-4. ábra 2.4. 1FThTh kapcsolás mûködése induktiv terheléssel • A mûködésre jellemzõ idõfüggvények fázisszögvezérlést feltételezve a 2.2.-4.ábrán láthatók.
17
2.2.-4.a. ábra
• Az π/2< α < π tartományban az áramvezetés szaggatott, az áram effektív értéke folyamatosan szbályozható. • Az α < π/2 tartományban az áram egyenáramu összetevõvel rendelkezik és a késõbb gyujtott tirisztor nem vezet áramot.
18
3. DC/DC ÁTALAKÍTÓK A DC/DC átalakítók olyan elektronikus kapcsolások, amelyekkel az energiaáramlás egyenáramu áramkörökben befolyásolható. Két alapvetõ csoportra oszthatók, ezek: • Olyan kapcsolások, ahol a beavatkozást végzõ elem folyamatosan mûködik. • Olyan kapcsolások, ahol a beavatkozást végzõ elem vagy bekapcsolt vagy kikapcsolt állapot-ban van és a két állapot közötti átmenet gyors, (kapcsolóüzemû áramkörök). 3.1. Folyamatos üzemû egyenfeszültségû stabilizátorok Ajánlott irodalom: [4] 416.,......,422.old., 21.12., 21.13., 21.15., 21.16., 21.17.ábra. Két alapvetõ tipus sorolható ebbe a csoportba, a Zener diódás és a soros áteresztõ tranzisztoros feszültség stabilizátor. 3.1.1. A Zener diódás feszültségstabilizátor Megjegyzések: • A kapcsolás a 3.1.1.-1.ábrán látható.
• •
•
•
3.1.1.-1. ábra Feszültségstabilizálásra a Zener-dióda záróirányu jelleggörbéjének stabil szakaszát használ-juk. A méretezés során az Rs ellenállás értékét ugy kell megválasztani, hogy a Zener dióda mun-kapontja a bemenõ feszültség és terhelõáram elõírt változásait, (U1max/U1min és I2max/I2min), feltételezve Izmax és Izm in között maradjon. (Izmax értékét a melegedés korlátozza). U2 változásait elhanyagolva: Izmax= (U1max -U2)/Rs - I2min ill. Izmin= (U1min -U2)/Rs - I2max (U1min -U2)/ (Izmin+ I2max ) ≥ Rs ≥ (U1max -U2)/( Izmax + I2min) Ha a két feltétel nem elégíthetõ ki, más Zener dióda tipust kell alkalmazni. A kimeneti feszültség stabilitását a a Zener dióda jelleggörbéjének meredeksége és hõmérsékleti tényezõje határozza meg. Ezért precíziós referencia-forrásokban a Zener dióda mun-kapontját a terhelõ áramtól függetlenítik, ill. olyan közönséges diódát kötnek vele sorba, amelynek hõmérsékleti tényezõje abszolut értékben a Zener diódáéval megegyezik, de azzal ellentétes irányú, l. 3.1.1.-2.,3.ábra. A 3.1.1.-2.ábra szerinti kapcsolásban ideális mûveleti erõsítõt feltételezve Uz= U2 R2 /(R1+R2) ill. U2= (1+R1 /R2)Uz.
19
uCE iS u1
Tr. iB u2
RS iZ
3.1.1.-2. ábra
uz
R3
U+ T0
∼0
i2 u2
+ R1 R2 3.1.1.-3. ábra
3.1.2. A soros tranzisztoros feszültségstabilizátor A soros tranzisztoros stabilizátor alapkapcsolás a 3.1.2.-1.ábrán látható. Mejegyzések: • A kimeneti feszültség stabilitását a soros szabályozóelem, (tranzisztor), UCE feszültségének változtatása biztosítja. • A tranzisztor munkapontját az RS ellenállás segítségével a Zener dióda állítja be. (NPN tranzisztort feltételezve a bázispont feszültsége pozitívabb, mint az emitterpont feszültsége). • Ha a kimeneti feszültség valamilyen ok miatt, pl. terheléscsökkenés, megnõ, akkor az UBE feszültség csökken, emiatt a tranzisztor zárni kezd, azaz a a kapcsolásnak feszültségstabilizá-ló hatása van, (negatív visszacsatolás). A 3.1.2.-2.ábrán intgerált áramkörös feszültségstabilizátor áramkör, (µA723), segítségével fel-épített kapcsolás látható. Megjegyzések: • Az áramkör belsõ kompenzált belsõ referenciaforrást alkalmaz; • A szabályozást a beépített mûveleti erõsítõ végzi; • Kisebb teljesítményeken a terhelést a mûveleti erõsítõ által meghajtott T2 tranzisztor táplál-ja. (Nagyobb áramoknál Darlington kapcsolást kell használni esetleg azt a végtranzisztorok párhuzamos kapcsolásával kombinálva. A Darlington kapcsolásnál az elõzõ fokozat mara-dékáramát az utána következõ fokozat felerõsíti. Ezt elkerülendõ a
20
Darlington kapcsolásban a tranzisztorok bázisa és emittere között lezáró ellenállást kell alkalmazni, ami a maradékára-mot elvezeti.) • A T1 tranzisztor áramkorlátozási célokat szolgál. Jellemzõje a határozott küszöbfeszültség-gel rendelkezõ bázis-emitter jelleggörbe. Felhasználásával egyszerü ill. visszahajló jellegû á-ramkorlátozás valósítható meg. uz
I zk ⋅ R s = U BE 0 (Tr2 ) Tr1 disszipációja a zárlati pontban nagy! iz
Izk
Rl1, Rl2 ⇒ a maradékáram er megakadályozó ellenállások. iB
Tr1 Rl 1
(Tr2!)
Tr2 Tr3 Rl 2 uBE0
uBE
u2 iM
Tr1
I2 +
Tr2
+ R5
Rs u5
uBE R6
R1
I2rz u2
R2
I2max i2
u BE = I 2 R s − u 5 Teljes zárlatkor u5 er I 2 max ≅ 2...5 I rz 3.1.2.-1. ábra
3.1.2.-2. ábra
3.2. Kapcsolóüzemû áramkörök, (egyenáramu szaggatókapcsolások)
21
Ajánlott irodalom: [4] 433.old., 21.19., 21.23.ábra. A kapcsolóüzemû áramkörökben a félvezetõ teljesen zárt ill. teljesen nyitott állapotban van. A két állapot közötti átmenetet a lehetõ leggyorsabban kell végrehajtani, hogy a kapcsolási veszte-ségeket minimalizáljuk. A gyakorlatban háromféle szabályozási módot alkalmaznak. Ezek: az impulzusszélesség szabályozás, (PWM), az impulsufrekvencia szabályozás, PFM, a kétállásu szabályozás. Elõfordulnak ezek kombizációi is. 3.2.1. A feszültségcsökkentõ kapcsolás, (Buck konverter) A kapcsolási rajz a 3.2.1.-1.ábrán látható. A mûködésre jellemzõ legfontosabb idõfüggvényeket PWM modulációt feltételezve a 3.2.1.-2.ábra mutatja. iL
iB K uB
Ld ic D Cd
id ud
3.2.1.-1. ábra Megjegyzések: • A mûködést folyamatos áramvezetést feltételezve vizsgáljuk; • Állandósult állapotban az állapotváltozók kezdeti és végértékei megegyeznek, periodicitási feltétel. Az Ld induktivitásra jutó feszültségterület értéke nulla. Ennek megfelelõen: Ud/UB=D=Tbe/T; • Az áramingadozás mértéke a következõképpen számítható: a 0 < t < Tbe tartományban iL, = (UB -Ud)/Ld, ∆ILM =iL,Tbe végülis ∆ILM=(1-D)UBTbe /Ld; • Az IL0 áramérték a veszteségeket elhanyagolva a bemenõ és kimenõ teljesítmények egyensúlyából határozható meg, azaz IBAVUB = IdUd, ahol IBAV=(IL0+∆ILM /2)D. Végülis: IL0=Id - ∆ILM /2. Negatív érték nem lehetséges. Ha ilyen érték adódik, akkor az áramvezetés szaggatott és IL0=0; • A kondenzátor feszültségingadozását a kondenzátoregyenlet, Q=CU, ∆Qd=Cd ∆Ud, alapján 11 1 1 számítjuk, azaz ∆Ud=∆Qd /Cd, ∆Qd= ∆ILM T, ⇒ ∆Ud = ∆ILMT/Cd, ⇒ 22 2 8 1 ∆Ud /Ud = = ∆ILMrT/(CdRd), ahol ∆ILMr =∆ILM /Id, Rd=Ud /Id. 8
22
uD UB
UDAV=Ud Tbe
iL
T
t
∆Q ∆ILM
IL0
ILAV=Id Tki 2
Tbe 2
t
T 2
ud
∆ud
t
iB ∆ILM IL0
t
3.2.1.-2. ábra
3.2.2. A feszültségnövelõ kapcsolás, (Boost konverter) A kapcsolási rajz a 3.2.2.-1.ábrán látható. A mûködésre jellemzõ legfontosabb idõfüggvényeket PWM modulációt feltételezve a 3.2.2.-2.ábra mutatja.
iB uB
id uL K
Cd
ud
3.2.2.-1. ábra Megjegyzések: • A mûködést folyamatos áramvezetést feltételezve vizsgáljuk; • Állandósult állapotban az állapotváltozók kezdeti és végértékei megegyeznek, periodicitási feltétel. Az Ld induktivitásra jutó feszültségterület értéke nulla. Ennek 23
megfelelõen: UBTbe+(UB -Ud) (T- Tbe) = 0, ⇒ Ud /UB = 1/(1-D), azaz a feszültség értéke D⇒1 esetben ∞ -hez tart. A valóságban a határérték a kapcsolás veszteségei miatt 0 lesz. uL UB
+
Tbe
T
-
t
UB-Ud iB ∆ILM IL0 t
Ud UB
ideális esetben a veszteségek miatt
1 1
D
3.2.2.-2. ábra
3.2.3. A feszültségfordító kapcsolás, (Buck-Boost konverter) A kapcsolási rajz a 3.2.3.-1.ábrán látható. A mûködésre jellemzõ legfontosabb idõfüggvényeket PWM modulációt feltételezve a 3.2.3.-2.ábra mutatja. +
K uB
-
uL
D L iL
Cd ud
3.2.3.-1. ábra Megjegyzések: • A mûködést folyamatos áramvezetést feltételezve vizsgáljuk; • Állandósult állapotban az állapotváltozók kezdeti és végértékei megegyeznek, periodicitási feltétel. Az Ld induktivitásra jutó feszültségterület értéke nulla. Ennek megfelelõen: UBTbe=Ud (T-Tbe), Ud /UB = D/(1-D), azaz a feszültség értéke D⇒1 esetben ∞ -hez tart. A valóságban a határérték a kapcsolás veszteségei miatt 0 lesz.
24
uL UB
+
Tbe
T
-
t
-Ud iL ∆ILM IL0 t
Ud UB
ideális esetben a veszteségek miatt
1
3.2.3.-2. ábra
25
D
4. DC/AC ÁTALAKÍTÓK (Inverterek) Ajánlott irodalom: [3] 108.,109.,113.,114.,115.,117.,118.old. Az DC/AC átalakítók, váltóirányítók, inverterek, olyan kapcsolások, amelyek egyenfeszültség-bõl elvben tetszõleges frekvenciáju és amplitudóju váltakozó feszültséget állítanak elõ. 4.1. Egyfázisú váltóirányító kapcsolások 4.1.1. Az egyfázisú, hídkapcsolású váltóirányító mûködése A kapcsolás felépítése a 4.1.1.-1.ábrán, a jellemzõ menyiségek idõfüggvénye a 4.1.1.-2.ábrán látható.
4.1.1.-1. ábra
4.1.1.-2. ábra Megjegyzések: • Olyan indluktiv terhelést tételezünk fel, amelynek igen kismértékü ellenállása van. Ebben azesetben a terhelés feszültségegyenletébõl: uT = iT, LT + iTRT, ⇒ iT,= (UT - iTRT)/LT, és iTRT<
26
T
T
1T 1 ' 1 ∫ u T dt = L T ∫ i T dt + R T ∫ i T dt T0 T0 T0 ⇓ 0
⇓ 0
⇓ I TAV
• Mivel IBAV =0, hatásos teljesítményfelvétel nincs. (Induktív terheléskor az energia a tápforrás és a fogyasztó között leng.) • Az energia visszaáramlását a tápforrás felé a vissszáramdiódák biztosítják. 4.1.2. Az egyfázisú, középpontmegcsapolású transzformátoros váltóirányító mûködése A kapcsolás felépítése a 4.1.2.-1.ábrán, a jellemzõ menyiségek idõfüggvénye a 4.1.2.-2.ábrán látható.
4.1.2.-1. ábra
4.1.2.-2. ábra Megjegyzések: • Olyan indluktiv terhelést tételezünk fel, amelynek igen kismértékü ellenállása van. Ebben az esetben az elõzõ pontnak megfelelõen a terhelés árama egyenesdarabokból áll és középértéke állandósult állapotban nulla. • A transzformátor primer oldalán folyó áramok meghatározásakor a gerjesztési törvényt kell figyelembe venni, miszerint, ha ideális vasmagot tételezünk fel, ipNp=isNs. 27
4.2. A háromfázisú, hídkapcsolású váltóirányító felépítése, vezérlése A kapcsolás felépítése a 4.2.-1.ábrán látható a vezérlési sémával együtt.
GY 2
1
GY
T 2 6
T
t
T
t
T
t
3
GY
T 2 5
2
T 2
4.2.-1. ábra Megjegyzések: • A kapcsolás tulajdonképpen az egyfázisú hídkapcsolás kiegészítése. • Az egyes fázisokat képezõ félhidak félvezetõit a szimmetrikus háromfázisú rendszernek megfelelõen 1200-os eltolással vezéreljük.
4.3. A váltóirányítók kimeneti feszültségének szabályozása
A megoldási lehetõségek: • A hídfelek eltolt vezérlése. A vezérlési séma a 4.3.-1.ábrán látható. (A megoldás kimenõ feszültségének felharmonikustartalma nagy. • A kimenõ feszültség alacsony rendszámú felharmonikusai jelentõsen csökkenthetõk, ha a félperiódusokon belül egyszerû impulzusszélesség modulációt, PWM, alkalmazva, l.4.3.2.ábra, változtatjuk UT effektív értékét. • További csökkenés érhetõ el, ha szinuszos impulzusszélesség modulációt, SPWM, alkalma-zunk, l.4.3.-3.ábra.
28
4.3.-1. ábra 1 1,4
2
1,4
UB T/2 1,2
UB
3,4
t
1,2
uT
Tbe TM 2,3
3
4.3.-2. ábra
t
4.3.-3. ábra
29
4
4.4. A kimeneti feszültség szûrése A gyakorlatban megfelelõ minõségû szinuszos feszültséget kell a váltóirányító kimenetén biztosítani. E célból a váltóirányító kimenetére szûrõköröket csatlakoztatunk. Megjegyzések: • Az általános szûrõelrendezés a 4.4.-1.ábrán látható. A szûrõ tulajdonképpen egy frekvencia-függõ feszültségosztó. A bemeneti Ls-Cs kört az alapharmonikus frekvenciára hangoljuk, hogy alapharmonikus feszültségesése nulla legyen. Az Lp-Cp párhuzamos rezgõkört ugyan-csak az alapharmonikus frekvenciára hangoljuk, hogy Cp meddõ teljesítmé-nye a váltóirányí-tót ne terhelje. A kimenettel párhuzamosan csatlakozó Lsn-Csn rezgõköröket felharmonikus frevenciákra hangolva szükséges mennyiségû felharmonikus rövidzárat hozunk létre. LS
CS LS CP
u1
LSn
LS1
u2 CS1
CSn
4.4.-1. ábra • Nagyfrekvenciás, (10-20 kHz), PWM, ill. SPWM modulációt alkalmazva az elõbbiekben bemutatott szûrõelrendezés jelentõsen redukálható. A modern berendezésekben általában a 4.4.-2.ábrán látható megoldást alkalmazzák. LS u1
LP
CP
4.4.-2. ábra
30
u2
