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 DC230V 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)