Kraftelektronik
Kraftelektronik Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation Översikt • Switchning styr medelvärde under switchperiod • Styra ström och spänning med medelspänningskällor – Kvadranter – Komponenter • Step-down • Förluster • Step-up • Två- och fyr-kvadrant LS-omvandlare • Tillämpningar Class D, 12V DC230V AC, UPS • Trefasig växelriktare Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 2 Kraftelektronik = ~ Till/från-reglering styr medelvärde S Udc L D R u L S Udc u R u Udc Umedel 0 0 tp T • Periodisk med periodtid T • Switchen S växlar läge: U under tiden tp, noll i övrigt • Umedel·T=Udc·tp • Medelvärde=Umedel=(tp/T)·Udc • Lika mycket yta över som under Umedel Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 4 PWM – Pulse Width Modulation Pulsbreddsmodulering • I elektronik eller processor: – Modulerande triangelvåg tri – Önskat medelvärde uref – switch:=uref>tri » Switch S=1 när uref>tri u=Udc » Switch S=0 när uref<tri u=0 • umedel=uref Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 5 Välja ström i RL-krets L i R u umedel • umedel Rimedel • imedel har i-dynamik kopplad till umedel imedel • Steg umedel stegsvar imedel u • Switchning Ldi/dt och snabb i-variation i rlpwm_klar.mdl Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 6 Välja strömriktning i RL-krets L R i e u • Med ytterligare spänning (e) kan strömriktning i RL-krets väljas • umedel-e Ri och umedel>e eller umedel<e avgör strömriktning • Switching Ldi/dt Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 7 Välja spänningens polaritet i RLE-krets e L i a R b ua ub • RLE ansluts mellan a och b: uamedel – ubmedel ger spänning med valfri polaritet • (ua-ub)medel–e Ri • Switchning Ldi/dt Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 8 Kvadranter i i i u 1-kvadrant u 2-kvadrant i u 2-kvadrant 2 1 3 4 u 4-kvadrant + Kraftelektronisk omvandlare Lunds universitet/LTH/BME/IEA i u - Elenergiteknik Olof Samuelsson 9 Motordrift och kvadranter Likströmsmotor: varvtal~spänning +/- tecken på moment~ström +/- tecken på d/dt Bakåt Inbromsning UI<0 – lämnar effekt Bakåt Acceleration/belastning UI>0 – drar effekt Framåt Acceleration/belastning UI>0 – drar effekt i 2 1 3 4 4-kvadrant u Framåt Inbromsning UI<0 – lämnar effekt dcm_dc.mdl kvadranter.m Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 10 Strömventiler (eng. valves) Insulated Gate Turn-Off Bipolar Field-Effect Gate Bipolar Tyristor Transistor Transistor Transistor Diod Tyristor Lunds universitet/LTH/BME/IEA Tänd- och släckbar ventil Elenergiteknik Exempel på tänd- och släckbara ventiler Olof Samuelsson 11 Dioden i Ledtillstånd Anod i + u Katod - u Spärrtillstånd Backriktning Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Framriktning Olof Samuelsson 12 IGBT i Kollektor Gate + u GE Emitter C Bottnad iC u GE3 + u CE u GE2 Ökande u GE u GE1 - Strypt Symbol Effektgräns u CE • Spänningsstyrd som FET • I övrigt som bipolär transistor Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 13 Tyristorn i Anod Styre Katod i + u Ledtillstånd Led Tändning u Spärrtillstånd Backriktning Blocktillstånd Släck Tänd Spärr Block Framriktning • Som diod där tändning fördröjs • Tänds framspänd med styrspänning Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 14 1-kvadrant nedspänningsomvandlare id + i Ud - L, R + e - + u - • Ud>e • Omvandlar från högre till lägre spänning • Bara positiv ström (ingen väg för negativ ström) Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 15 Styrning av 1-kvadrant nedspänningsomv. id + i Ud L, R + e - + u - - e<uref Effektriktning Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 16 Låga förluster vid switchning id + T Ud iD D - iT iD iT + vT + vD - + vT + vD - i L, R + u - + e - T: vT=0 iT iD D: iD=0 + vT + vD - T: iT=0 D: vD=0 Förluster = effekt = vTiT eller vDiD = hela tiden (nära) noll i både T och D! Låga förluster = hög verkningsgrad >95% lite värme litet kylbehov Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 17 Ungefär så här • Kraft F och glidning med fart V effekt P=F·V=värme • Hårt grepp kraft F och ingen glidning V=0 – effekt P=F·V=0 • Löst grepp kraft F=0 och repet glider med fart V – effekt P=F·V=0 • V=0 or F=0 ingen värme Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 18 1-kvadrant uppspänningsomvandlare • Ud>e • Omvandlar effekt från lägre till högre spänning • Bara negativ ström Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 19 Styrning av 1-kvadrant uppspänningsomv. id + i Ud L, R + e - + u - - e>uref Effektriktning Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 20 Uppspänningsomvandlare id + L + e - • Upprepa: i + u - C S Ud >e - u=e - L di/dt – Slut S 1 2 – Induktans L laddas upp och energin Li lagras 2 – Öppna S – Försök att bryta strömmen i ger stort -L di/dt = u u>Ud – Så fort u når Ud leder dioden och energi överförs till C – Spänningen Ud stiger Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 21 Energiomvandling 1 2 mv • Kinetisk energi 2 Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik potentiell energi Olof Samuelsson 22 2-kvadrant likspänningsomvandlare • Båda effektriktningarna – u>0, i både positiv och negativ (både uref>e och uref<e) – Fyra vägar för strömmen beroende på i>0/i<0, switchläge s • Ekvivalent switch: id id + Ud + s - Lunds universitet/LTH/BME/IEA i L, R + u - + e - Elenergiteknik Ud s - Olof Samuelsson i L, R + u - + e - 23 Styrning av 2-kvadrant LS-omvandlare id + Ud - i L, R + u - + e - Här är uref≈e vid imedel=0 Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 24 4-kvadrant LS-omvandlare • Alla kombinationer av u och I id +Ud/2 0 +ei sa va sb L, R + u - vb -Ud/2 Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 25 Styrning av 4-kvadrant LS-omvandlare: DC • Börvärde uref delas i två lika delar: varef=uref/2 vbref=-uref/2 • Exempel: – Udc=300 – uref=100 – Imedel=0 här Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 26 4-kvadrant LS-omvandlare: Sinus • Börvärde nu sinus • Exempel: – Udc=350 – uref=325sin(314t) TwoQvoltage_3.mdl Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 27 Sinus vid högre switchfrekvens Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 28 230 V sinus ur 12 V bilbatteri! Likspänningsomvandling 2 Växelriktning Batteri + ulast - Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 29 Kamera med blixt - mest bekant • Batterispänning omvandlas till spänning i kV-klass för blixt Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 30 Class D Audio Amplifiers Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 31 UPS – Uninterruptable Power Supply Likriktning Likspänningsomvandling 1 Likspänningsomvandling 2 + unät - Växelriktning Batteri Nät + ulast - Last t.ex. dator Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 32 Trefasig växelriktare id +Ud/2 0 varef va sa sb vb sc uca + vbref vcref vc -Ud/2 + - uab ubc + + + + ua ub uc - vo Trefasig belastning va • Sinusformade referensvärden • Sinusformade medelpotentialer va, vb, vc • Sinusformade medelspänningar mellan faser, mellan fas och nolla Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 33 Trefasig elmotordrift - kanske viktigast • • • • • • • • Lunds universitet/LTH/BME/IEA Hissar Rulltrappor Fläktar (bättre än strypning med spjäll) Pumpar (bättre än strypning med ventil) Kranar El(hybrid)bilar Tåg Truckar Elenergiteknik Olof Samuelsson 34 HVDC - största produkten i MW • Sjökabel Sverige till – Gotland, Finland, Danmark, Tyskland, Polen • Standardstorlek 600 MW • Voltage Source Converter – IGBT-transistorer – PMW i HVDC light/plus • Line Commutated Converter – Tyristorer – Switchning av nätperioder Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 35 Sammanfattning • Switchning ger låga förluster – Idealt är antingen u(t) över eller i(t) genom switch noll hela tiden – PWM ger medelvärde under period – PWM med modulerande (triangel)våg • U/I-kvadranter motsvarar varvtal/moment – 1-kvadrant nedspänningsomvandlare (1/2 bryggben) – 1-kvadrant uppspänningsomvandlare (1/2 bryggben) – 2-kvadrant LS-omvandlare (1 bryggben) – 4-kvadrant LS-omvandlare (2 bryggben) • Sinusformade referensvärden – Enfasig växelspänning från 4-kvadrant LS-omv (2 bryggben) – Trefasig växelspänning från trefasig växelriktare (3 bryggben)
© Copyright 2024