Przekształtniki energoelektroniczne o komutacji zewnętrznej

Przekształtniki energoelektroniczne o komutacji
zewnętrznej (sieciowej) - podstawy
• Klasyfikacja , podstawowe pojęcia
• Nierozgałęziony obwód z diodą lub tyrystorem
• Schemat(y), zasady działania, przebiegi
• Ćwiczenia interakcyjne iPES *) WILE **)
• Jednofazowe mostkowe prostowniki diodowe
• Z obciążeniem -R, -RL, -LE
• Wpływ indukcyjności sieci Ls
• Obciążenie pojemnościowe mostka
• Wpływ prostowników na sieć
*) Interactive Power Electronics Seminar: www.ipes.ethz.ch
**) Wirtualne Internetowe Laboratorium Energoelektroniki :
http://dsplab.iee.put.poznan.pl/wile.html
SZ_EN- w3
1
Klasyfikacja urządzeń energoelektronicznych
A.) Łączniki (power electronic switches)
• prądu stałego (dc power switch)
• prądu przemiennego (ac power switch)
B.) Przekształtniki (converters)
• prądu stałego (dc/dc converters)
• prądu przemiennego (ac/ac converters)
• prądu stałego/przemiennego (ac/dc)
• prostowniki (rectifiers, ac->dc)
• falowniki (inverters, dc - > ac)
SZ_EN- w3
2
Inne podstawy klasyfikacji przekształtników
Ze względu na sposób przełączania zaworów:
• Przekształtniki komutacji wymuszonej
Switching (forced-commutaded) converters
• Przekształtniki o komutacji sieciowej (naturalnej)
Line frequency (naturally commutated) converters
• Przekształtniki rezonansowe
Resonant (quasi-resonant) converters
Ze względu na strukturę i elementy LC:
• przekształtniki prądu , przekształtniki napięcia
( voltage stiff converters, current stiff converters)
• bezpośrednie i pośrednie (direct, indirect converters)
• jedno-, trój- i wielo- fazowe
• mostkowe, półmostkowe ( full bridge , half-bridge )
SZ_EN- w3
3
Warianty przekształcania energii
SZ_EN- w3
4
Przekształtniki energoelektroniczne o komutacji zewnętrznej
(sieciowej)
Vs,Is,fs,ms
sieć ~
(+transformator
)
jednofazowe
trójfazowe
~
Vo,Io,fo,mo
=
lub ~
odbiornik
prostowniki
przekształtniki
~/=
diody
tyrystory
mostkowe,
półmostkowe
inne
falowniki
bezpośrednie
sterowniki
przeprzemienniki
(regulatory) kształtniki
częstotliwości
~/~
napięcia
(cyklokonwertory)
przemiennego
SZ_EN- w3
5
Klasyfikacja prostowników, ze względu na:
1) Sterowanie:
• niesterowane (diodowe)
• sterowane (tyrystorowe)
• półsterowane (tyrystorowo-diodowe, z odcięciem zerowym)
2) Liczbę grup komutacyjnych:
• proste (jedna grupa komutacyjna)
• złożone (więcej niż jedna grupa komutacyjna)
3) Zdolność do zmiany znaku prądu wyjściowego (nawrotne i nienawrotne)
4) Liczbę faz zasilania (1- i 3-fazowe)
5) Liczbę faz uzwojenia wtórnego transformatora (1-,3-, 6- fazowe)
6) Wskaźnik tętnienia (liczbę pulsów na okres sieci): p = 1,2,3,6,12
7) Sposób połączenia z transformatorem:
• jednokierunkowe (gwiazdowe) – wymagają przewodu zerowego
• dwukierunkowe (mostkowe) – bez przewodu zerowego
8) Zakres osiągalnego obszaru charakterystyk zewnętrznych Vd(Id)
• jednokwadrantowe: diodowe i tyrystorowe z odcięciem zerowym
• dwukwadrantowe : tyrystorowe, bez diod
• czterokwadrantowe : tyrystorowe nawrotne (złożone)
SZ_EN- w3
6
Prostowniki diodowe

Obwody główne, zasilane z sieci 50Hz włączają i wyłączaja diody

Prosta konstrukcja, brak elektroniki sterującej, tanie

Bardzo popularne, używane w zasilaczach wszelkiego typu

Energia może płynąć tylko od zasilania do obciążenia

Przebiegi i charakterystyki w zasadniczy sposób zależą od obciążenia:
• pojemnościowe (zasilacze małej mocy) silnie odkształca
prąd is pobierany z sieci
• indukcyjne nie zapewnia wygładzenia napięcia vd
SZ_EN- w3
7
Sterowane fazowo przekształtniki tyrystorowe



Mostki diodowe mogą być rozpatywane jako szczególny przypadek
przekształtników tyrystorowych (kąt włączenia α = 0)
Sterowanie fazowe ==> zmiana napięcia wyjściowego Vd
Zastosowania (niektóre)

Napędy z silnikami pradu stałego

Zasilanie wzbudzenia maszyn synchronicznych

Trakcja elektryczna

Elektroliza i elektrometalurgia

Spawalnictwo

Układy ładowania baterii

Linie energetyczne zasilane napięciem stałym (HVDC)
SZ_EN- w3
8
Praca prostownikowa i falownikowa przekształtnika ~/=



Mostki diodowe pracują tylko w I ćwiartce
W przeksztaltnikach tyrystorowych biegunowość napięcia może być zmieniona
(α>π/2 ==> Ud<0), o ile obciążenie podtrzymuje przepływ dodatniego prądu
Zmiana znaku prądu (II i III ćwiartka) wymaga przekształtnika nawrotnego,
o podwójnej liczbie zaworów
SZ_EN- w3
9
Tyrystor w obwodzie: V-Th-R- oraz V-Th-L-R
•Impuls iG jest
opóźniony
o kąt α względem
punktu komutacji
naturalnej
(diodowej)
• Przy obciążeniu R
prąd jest zerowy
przy ωt = π, Vd=0
•Przy obciążeniu
indukcyjnym
przewodzenie trwa
dłużej,a prąd
osiąga zero przy
ωt > π,Vd<0
•Średnia wartość
napięcia na L musi
być zerowa
(A1=A2)
SZ_EN- w3
10
Tyrystor w obwodach: V-Th-R-, V-Th-L-R- (ćwiczenie 1)
•Co się zmieni w przebiegach napięć i prądów,gdy tyrystor zastąpimy diodą?
SZ_EN- w3
11
Tyrystor w obwodach: V-Th-R-, V-Th-L-R- (ćwiczenie 2)
•Co się zmieni w przebiegach napięć i prądów, gdy do obciążenia dołączymy równolegle diodę ?
SZ_EN- w3
12
Tyrystor w obwodach: V-Th-R-, V-Th-L-R- (ćwiczenie 3)
•Co się zmieni, gdy do tyrystora dołączymy przeciwrównolegle drugi tyrystor, sterowany z takim
samym kątem włączenia ? Jak można nazwać powstały układ?
SZ_EN- w3
13
Tyrystor w obwodzie z aktywnym obciążeniem: V-Th-L-E
•Tyrystor może się
załączyć tylko gdy
vAK> 0, tj. vs > Ed ,
θ1< α < θ1
• Prąd płynie tak
długo, aż A2 = A1
•Średnie napięcie
wyjściowe jest równe
sem: Vd = Ed
SZ_EN- w3
14
Tyrystor w obwodzie: V-Th-L-E- (ćwiczenie 1)
•Co się zmieni, gdy
tyrystor zastąpimy
diodą ?
SZ_EN- w3
15
Tyrystor w obwodzie: V-Th-L-E- (ćwiczenie 2)
•Co się zmieni, gdy
do obciążenia
dołączymy
równolegle diodę ?
SZ_EN- w3
16
Tyrystor w obwodzie: V-Th-L-E- (ćwiczenie 3)
•Jak wyglądałyby
przebiegi, gdyby sem
Ed była ujemna?
(Ed < 0)
• Czy do obciążenia
można by wówczas
dołączyć równolegle
diodę?
•Jaki znak ma
średnia moc
przekazywana
obciążeniu?
SZ_EN- w3
17
Generowanie impulsów bramkowych tyrystora
• Synchronizacja z
napięciem sieciowym
• Kąt sterowania α
liniowo zależy od
napiecia sterującego:
o
= 180
o
V control
V
st
SZ_EN- w3
18
Obwód z tyrystorem - ćwiczenia interaktywne iPES
SZ_EN- w3
19
Jednofazowy mostek diodowy z obciążeniem rezystancyjnym
• Źródło ma zerową impedancję wewnętrzną
• Napięcie i prąd wyjściowy mają ten sam kształt
• Ćwiczenie interakcyjne iPES: Ohmic Load
SZ_EN- w3
20
Mostek diodowy z obciążeniem czynnym (Ed = const, Rd=Ld=0)
• Źródło ma (musi mieć) niezerową impedancję: Ls > 0
• Przebiegi podobne jak w obwodzie: vs – Th – Ld – Ed
• Zaznaczone obszary między vs a Ed muszą być równe
• Ćwiczenie interakcyjne iPES
SZ_EN- w3
21
Mostek diodowy z obciążeniem LE (Ed = const, Rd=0, Ld>0)
• Źródło ma zerową impedancję: Ls = 0
• Prąd może być przerywany lub ciągły
• Przy przewodzeniu przerywanym przebiegi podobne jak poprzednio
• Przy przewodzeniu ciągłym i braku rezystancji prąd rośnie
bez ograniczenia
• Ćwiczenie interakcyjne iPES
SZ_EN- w3
22
Jednofazowy mostek diodowy z obciążeniem pojemnościowym
• Źródło ma
niezerową
impedancję
wewnętrzną
• Napięcie wyjściowe
jest wygładzane
przez filtr
pojemnościowy
(kondensator Cd)
• Obciążenie
reprezentowane
przez rezystancję
zastępczą Rload
SZ_EN- w3
23
Mostek diodowy z obciążeniem pojemnościowym
(Ls=0,Rs=0)
• Ćwiczenie interakcyjne iPES
• Źródło ma zerową impedancję wewnętrzną
SZ_EN- w3
24
Jednofazowy mostek diodowy z obciążeniem C||R (Rs>0, Ls>0)
• Źródło ma
niezerową
impedancję
wewnętrzną
• Napięcie wyjściowe
jest wygładzane
przez filtr
pojemnościowy
(kondensator Cd)
Pełny schemat obwodowy
• Obciążenie
reprezentowane
przez rezystancję
zastępczą Rload
Uproszczony schemat zastępczy do analizy
w przedziale ½ okresu napięcia sieci
SZ_EN- w3
25
Wyniki analizy uproszczonego schematu (MATLAB)
Odpowiedz:
• Dlaczego prąd nie
zaczyna płynąć od
chwili t=0, a dopiero
gdy t>tb ?
•Dlaczego prąd
płynie tylko w
krótkim przedziale
czasu tb < t < tf ?
• Dlaczego napięcie
Vd opada liniowo(?)
w przedziale czasu
tf < t < 11 ms ?
SZ_EN- w3
26
Wyniki symulacji (PSpice) pełnego schematu mostka
is – prąd pobierany ze źródła
is1 – składowa podstawowa prądu, o częstotliwości napięcia vs
• Niewielkie opóźnienie fazowe is1 wzgledem vs
•Bardzo znaczne odkształcenie prądu (wysoka zawartość wyższych
harmonicznych)
SZ_EN- w3
27
Odkształcenie prądu pobieranego z sieci
idis - prąd odkształcenia: idis = is - is1
is3 - trzecia harmoniczna prądu
SZ_EN- w3
28
Przebiegi napięć i prądów w mostku - ćwiczenie
Jak zmieniłyby się przebiegi, gdyby założyć, że źródło ma zerową
impedancję wewnętrzną?
Jak wpłynęłoby to na odkształcenie prądu?
SZ_EN- w3
29
Odkształcanie napięcia sieci spowodowane pracą mostka
x
SZ_EN- w3
30
Odkształcanie napięcia sieci spowodowane pracą mostka
.
SZ_EN- w3
31
Podwajacz napięcia (w zasilaczu 115/230V ac)
.
SZ_EN- w3
32
Nieliniowe odbiorniki jednofazowe w sieci 3-fazowej
Suma harmonicznych rzędu 3n płynie w przewodzie zerowym (nawet
przy idealnej symetrii obciążeń)
SZ_EN- w3
33
Prąd w przewodzie neutralnym (zerowym)
Suma harmonicznych rzędu 3n płynie w przewodzie zerowym (nawet
przy idealnej symetrii obciążeń)
SZ_EN- w3
34