Transcript Energetska elektronika (Predavanja u V. semestru sveučilišnog studija elektrotehnike akad. god. 2013/2014) Docent dr.

Energetska elektronika
(Predavanja u V. semestru sveučilišnog
studija elektrotehnike akad. god. 2013/2014)
Docent dr. sc. Saša Sladić,
Asist. Veljko Jardas,
e-pošta: [email protected]
e-pošta: [email protected]
1
ORGANIZACIJA PREDMETA
Predavanja
Auditorne vježbe
Laboratorijske vježbe
•
simulacijske (1*uvodne + 5*zadaci)
•
praktične (2*)
Kontrolne zadaće (3*)
Nenajavljene provjere znanja (2*)
Završni ispit
2
ORGANIZACIJA PREDMETA
Predavanja (utorkom – od 8-10 P1)
Literatura:
• Kassakian i dr.: Osnove energetske elektronike I., Graphis,
Zagreb, 2000.
• Benčić, Plenković: Energetska elektronika – Poluvodički
ventili, Školska knjiga, Zagreb, 1978.
• Brodić: Osnove energetske elektronike – energetski
poluvodički pretvarači, Zigo, Rijeka 2005.
• Teme 1- 4.
• Predavanja na web-u
Auditorne vježbe (četvrtkom od 13 do 15 u P3)
• zadaci na web-u
3
Dodatna literatura
• R. W. Erickson: Fundamentals of Power
Electronics, Kulwer Academic Publishers,
2001.
• M. H. Rashid: Power Electronics, Pearson
Education International, 2004.
• D. W. Hart: Introduction to Power
Electronics, Prentice Hall, 1997.
• www.ipes.ethz.ch
4
ORGANIZACIJA PREDMETA
Laboratorijske vježbe (četvrtkom od 8:00-12:00 u I3 ili četvrtkom u L2 do
14:45)
• svaki tjedan
• tri skupine
• simulacijske vježbe u Simploreru
• broj simulacijskih vježbi (5)
• priprema za rad sa Simplorerom (1)
• referati s dokumentiranim laboratorijskim vježbama predati
na idućim laboratorijskim vježbama
• praktične vježbe u laboratoriju (2)
5
ORGANIZACIJA PREDMETA
Konzultacije
- prije laboratorijskih vježbi
- nakon predavanja (utorkom ili u 16:00 utorkom i
četvrtkom)
- e-poštom
Obavijesti o predmetu
- http://riteh.hr/
6
ISPIT
1.
Kontrolna zadaća ............................15 bodova
2.
Kontrolna zadaća ............................15 bodova
3.
Kontrolna zadaća ............................15 bodova
Prisustvo na predavanjima.......................5 bodova
Lab. vježbe.............................................10 bodova
Nenajavljena provjera znanja (2x5)..…..10 bodova
Završni ispit (5 x 6)..…………...............30 bodova
____________________________________________
UKUPNO..............................................100 bodova
*Za pristupiti završnom ispitu potrebno je sakupiti minimalno 35 bodova
7
ISPIT
Bodovi za kontrolne zadaće (3)
3 zadatka po 5 bodava.................ukupno 15 bodova
Bodovi za prisustvo na predavanjima
>90 % ..........................5 bodova
80% - 90% ..................4 boda
70% - 80%...................3 boda
60% - 70%...................2 boda
50% - 60%...................1 bod
8
ISPIT
Bodovi za laboratorijske vježbe (7 laboratorijskih vježbi)
> 4,5 .....................10 bodova
4 – 4,5.....................9 bodova
3,5 – 4.....................7 bodova
3,0 – 3,5..................5 bodova
2,5 – 3,0..................4 bodova
2,0 – 2,5..................3 bodova
Bodovi na pismenom dijelu završnog ispita
5 zadataka po 6 bodova.................ukupno 30 bodova
*Za prolaz na završnom ispitu potrebno je minimalno 40% = 12 bodova
ISPIT
Ocjene
50 – 65 bodova.........................2 (dovoljan)
65 - 80 bodova..........................3 (dobar)
80 – 90 bodova.........................4 (vrlo dobar)
90 – 100 bodova.......................5 (izvrstan)
Područja primjene energetske/učinske elektronike
11
Energetska (učinska) elektronika je grana elektronike koja se
bavi pretvorbom parametara i upravljanjem tokom električne
energije. Na nju se može gledati i kao na skup metoda za analizu
nelinearnih mreža s električnim ventilima.
Pojam električnog transformatora je povezan s izmjeničnim
veličinama. Na njega se može gledati kao na pretvarač izmjeničnih
veličina (AC-AC pretvarač).
Istosmjerni transformator nije ostvariv jer svaki magnetski
materijal dolazi u zasićenje.
Kako je moguće ostvariti istosmjernu pretvorbu?
12
Klasifikacija učinskih pretvarača
•
•
•
•
Ispravljači (AC-DC pretvarači)
Izmjenjivači (DC-AC pretvarači)
Istosmjerni pretvarači (DC-DC pretvarači)
Izmjenični pretvarači (AC-AC pretvarači)
istosmjerni
pretvarači
DC
DC
iz
IZLAZ
m
ULAZ
je
nj
iv
usmjerivači
ač
i
namjestivi napon (struja) ili frekvencija
is
pr
av
lja
či
stalni napon (struja) ili frekvencija
AC
AC
izmjenični
pretvarači
Što su to usmjerivači?
13
Ispravljači
Ispravljači (AC-DC pretvarači) mogu biti neupravljivi,
poluupravljivi i upravljivi. Neupravljivi ispravljači su sačinjeni
od neupravljivih poluvodičkih ventila (dioda), a poluupravljivi
od neupravljivih i polupravljivih poluvodičkih ventila (tiristora).
Neupravljive i poluupravljive ispravljače karakterizira tok
energije od izmjenične prema istosmjernoj strani pa se zato i
nazivaju ispravljači.
Ipak , upravljivi ispravljači, koji su sačinjeni isključivo od
tiristora omogućavaju dvosmjeran tok energije. Pretvarači koji
omogućavaju tok energije u oba smjera se, općenito nazivaju
bidirekcijski pretvarači, a kod AC-DC pretvarača se takvi
spojevi nazivaju usmjerivači. Termin dolazi iz njemačkog
jezika (njem. stromrichter), a u hrvatski jezik ga je uveo prof.
Plenković.
14
Izmjenjivači
Izmjenjivači (DC-AC pretvarači)
Postoje dvije osnovne skupine izmjenjivača. Prvu skupinu čine
usmjerivači, koji mogu raditi kao klasični ispravljači, a
povećanjem kuta upravljanja, ovisno o konkretnom sklopu,
prelaze na usmjerivački način rada. Takvi izmjenjivači
(usmjerivači) se nazivaju mrežom vođeni ili neautonomni
izmjenjivači. Njihovo djelovanje nije moguće bez prisutnosti
izmjenične mreže.
Drugu skupinu izmjenjivača čine autonomni izmjenjivači koji
su sačinjeni, isključivo od upravljivih poluvodičkih sklopki
(tranzistori ili geitom isklopivi tiristori – GTO tiristori).
Frekvencija njihovog izlaznog signala je proizvoljnja, a
ograničena je brzinom sklapanja upotrijebljenih sklopki.
15
Istosmjerni pretvarači
Istosmjerni pretvarači (DC-DC pretvarači)
Istosmjerni pretvarači se koriste kada je potrebno
trošilu osigurati istosmjerni napon (obično
reguliran), koji se razlikuje od napona koji je
dostupan. Primjerice, napon od 5 V se može dobiti
od napona 12 V upotrebom silaznog pretvarača.
Do sada je poznato više od 500 različitih
istosmjernih pretvarača. Istosmjerni pretvarači
predstavljaju, vjerojatno, najpropulzivnije
područje energetske (učinske) elektronike.
16
Izmjenični pretvarači
Izmjenični pretvarači (AC-AC pretvarači)
Izmjenični pretvarači se koriste za promjenu
efektivne vrijednosti ili frekvencije izmjeničnog
signala. U tipične primjene spada regulacija
rasvjete, ali i regulacija brzine vrtnje asinkronog
stroja, u slučajevima kada se toleriraju povećane
pulzacije momenta. Izmjenični pretvarači su slično
kao i usmjerivači sačinjeni od poluupravljivih
sklopki – njihovi ventili su tiristori.
17
Područja upotreba učinskih
elektroničkih pretvarača
• Područje malih snaga (W) - upravljanje snagom
(rasvijetom)...
• Područje srednjih snaga (kW) - upravljanje
snagom (regulacija grijanja, rasvijete, pogona),
strujni i naponski izvori napajanja, pogon vozila...
• Područje velikih snaga - istosmjerni veleprijenos
(MW)
18
Primjene
• Male snage: kućanski aparati, ručni alati odvijači na baterije, regulacija rasvjete, punjači
baterija, igračke, displeji...
19
Prijenosno računalo
izmjenjivač
raster
(engl.
display)
iS
vS
85 V – 265 V
mikroprocesor
S1
silazni
pretvarač
S4
PWM
ispravljač ili
idealni
ispravljač
+
Litij-ionska
baterija
uzlazni
pretvarač
regulacija
napajanja
pogoni različitih
diskova
Blok-shema prijenosnog računala (engl. laptop)
20
Primjene
Srednje snage:
reklamni panoi, roboti, klima uređaji, napajanja zrakoplova, alarmni
sustavi, audio pojačala, punjači baterija, mikseri, sokovnici, ventilatori,
puhala, bojleri, perilice-sušilice, računala, pomične (transportne) trake,
dizalice, regulatori rasvjete, displeji, električni pokrivači, električni
podizači stakala i električna vrata, ventilatori, električna vozila,
elektromagneti, elektroničko ubrizgavanje, pozlaćivanje - posrebravanje
(galvanizacija), liftovi, bljeskalice, viličari, peći (industrijske), pokretači
plinskih turbina, uzbude generatora, ručni alati (npr: flekserica), regulatori
grijanja, visokofrekvencijska rasvjeta, indukcijsko zagrijavanje, napajnje
lasera, releji, V/f pretvarači, projektori (video-topovi), proizvodnja papira
(Fourdrinierov stroj), fotokopirni strojevi, pisači, pumpe i kompresori,
napajanja radara i sonara, hladnjaci, RF pojačala, servo sustavi, šivaće
mašine, solarni paneli i prateća oprema, poluvodički ventili, prekidači i
rastavljači, pokretači sinkronih strojeva, strojevi za izradu sintetičkih
vlakana, televizori, monitori, tajmeri, igračke, upravljanje semaforima, TV
deflekcija (otklon), ultrasonični generatori, izvori neprekidnog napajanja,
usisavači, uređaji za kompenzaciju faktora snage, uređaji za zavarivanje...
21
22
Koncept istosmjernog napajanja
solarni
moduli
+
regulator
punjenja i
pražnjenja
baterija
+
serijski
disipativni
regulator
napona
regulator
punjenja i
pražnjenja
baterija
istosmjerni
pretvarač
istosmjerni
pretvarač
+
istosmjerne
sabirnice
potrošači
potrošači
baterije
Blok-shema napajanja satelita
23
Koncept električnog automobila
trofazno
napajanje
Izmjenični
stroj
Izmjenični
stroj
Izmjenjivač
V/f metoda
Izmjenjivač
V/f metoda
upravljačke sabirnice
+
punjač
baterija
Istosmjerni
pretvarač
+
istosmjerne
sabirnice
mikroprocesorsko
vođenje sustava
elektronika vozila
Izmjenjivač
V/f metoda
Izmjenjivač
V/f metoda
Izmjenični
stroj
Izmjenični
stroj
Blok-shema električnog vozila
istosmjerne
sabirnice niskog
napona
24
Primjene
Velike snage
Istosmjerni veleprijenos (200 kV Njemačka i Nizozemska, slika 330 kVNigerija, )
Poriv broda (STADT promotivni materijal)
Dizalice, lokomotive...
Sušionica-pržionica u proizvodnji cementa
25
Primjena energetske elektronike u elektroenergetici …
Krajnja stanica istosmjernog veleprijenosa (Brazil)
26
Podaci tiristora: probojni
napon 7 kV, sklopna snaga
10 MW, promjer silicijeve
pločice 150 mm.
Jedna grana
usmjerivača
istosmjernog
veleprijenosa
27
Podaci geitom isklopivog
tiristora: blokirni napon 5 kV.
… u električnoj vuči …
28
… u postrojenjima za galvanizaciju …
29
… u automatizaciji
postrojenja.
30
31
32
33
Hrvatska ima tradiciju proizvodnje uređaja energetske elektronike
Tiristorski usmjerivač
za napajanje uzbude
sinkronog generatora
u HE Đerdap (1500 V,
1500 A, Končar) 34
Diodni ispravljač za
napajanje istosmjernih
motora na diodnoj
lokomotivi (Končar)
35
36
Izmjenjivač (4 kVA, 115 V) za napajanje izmjeničnih trošila na podmornici
37
I danas, nastavljajući tradiciju, Hrvatska proizvodi sofisticirane
uređaje energetske elektronike
38
Podaci tramvaja (serija TMK 2200)
– duljina:
31,5 m
– širina:
2,3 m
– visina:
3,4 m
– visina poda od ceste:
30-35 cm
– težina kompozicije:
36 t
– gustoća putnika:
četiri osobe/m2
– najveća brzina:
70 km/sat
– pogonska postolja:
3
– motori (asinkroni):
65 kW (trajna snaga)
– pojna mreža (istosmjerna): 600 V (+20%, –30%)
24. veljače 2003. potpisani su ugovori vezani za nabavku 70 niskopodnih
tramvaja za grad Zagreb. Vrijednost ugovora je 111,93 milijuna eura.
Kilogram tramvaja košta 330 kn. Rok isporuke je 48,5 mjeseci.
39
Koja predznanja su potrebna za inženjersko bavljenje
energetskom elektronikom?
- fenomenologija poluvodičkih komponenata
- elektromagnetika
- linearne i nelinearne mreže
- elektronika
- regulacija
- energetika
- strojarstvo (mehaničke konstrukcije)
- nauka o toplini
- elektromagnetska kompatibilnost
40
Funkcije pretvarača – neizravna pretvorba
ISPRAVLJANJE
∼
IZMJENIČNA
PRETVORBA
–
∼
–
∼
–
IZMJENJIVANJE
IZRAVNA
IZMJENIČNA
PRETVORBA
NEIZRAVNA
ISTOSMJERNA
PRETVORBA
ISTOSMJERNA
PRETVORBA
tok energije
IZRAVNA
NEIZRAVNA
41
Elektronička energetska pretvorba
Mijenjanje jednog ili više parametara električne energije bez
značajnog gubitka snage upotrebom elektroničkih komponenti.
42
Elektronički pretvarači spajaju dva, po nekom od parametara
električne energije, različita električka sustava:
43
44
Primjer ispravljanja
(izmjenično-istosmjerna pretvorba, AC/DC)
45
Objašnjenje crtanja trofaznog sustava napona:
- najprije se nacrta trokutna funkcija,
- zatim se povuku paralele na dvostrukoj amplitudi trokutne
funkcije i
- dodaju vrhovi sinusoida.
46
Primjer izmjenjivanja
(istosmjerno-izmjenična pretvorba, DC/AC)
47
Primjeri izravne izmjenične pretvorbe
(izmjenično-izmjenična pretvorba (AC/AC)
48
Načelo upravljanja osnovnim harmonikom izlaznog napona
49
Još jedan primjer izravne izmjenične pretvorbe
(AC/AC)
50
Primjer izravne istosmjerne pretvorbe
(istosmjerno-istosmjerna pretvorba DC/DC)
Ulazni napon 100 V
Trošilo: 50 V, 10 A, 500 W
Kako realizirati pretvorbu?
51
Ostvarenje pomoću disipativne komponente
Teorem maksimalne snage?
Kolika je maksimalna izlazna snaga?
52
Ostvarenje pomoću disipativne komponente,
... drugo rješenje
53
Ostvarenje pomoću preklopke
54
Preklopka mijenja razinu istosmjernog napona!
55
Dodavanje niskopropusnog filtra
Lomna frekvencija filtra treba biti niža od frekvencije sklapanja.
Prikazani pretvarač je poznat kao silazni pretvarač.
56
Još jedan primjer izravne istosmjerne pretvorbe
(DC/DC)
57
Načela energetske elektronike
bila su poznata i početkom 58
prošlog stoljeća (1935.)
I danas se mogu prepoznati ovakvi pretvarački sklopovi
59
Usporedba informacijske a) i energetske b) elektronike
60
Komponente učinske elektronike
61
U energetskoj elektronici važan je stupanj djelovanja
Ploss
Pout 62
Pokazatelji procesa pretvorbe
Stupanj djelovanja:
djelatna snaga trošila
P2

P1
djelatna snaga pojne mreže
Stupanj djelovanja
procesa pretvorbe:
k 
P2 f
P1

djelatna snaga na
željenoj frekvenciji
djelatna snaga pojne mreže
Faktor snage:
P1

S1
djelatna snaga pojne mreže
prividna snaga pojne mreže
63
Primjer izračuna
stupnja djelovanja procesa pretvorbe
k 
P2 f
P1

djelatna snaga na
željenoj
frekvenciji
djelatna snaga pojne
mreže
ton
D
T
U d  D U B
Pd  D2 U B2 R
UB
Id  D 
R
UB
U B2
P  UB 
D  D
R
R
Pd
k 
D
P
64
Definicija elektroničkog energetskog pretvarača
Elektronički energetski pretvarač je operativna jedinica za
elektroničku energetsku pretvorbu koja sadrži jedan ili više
elektroničkih ventila, te transformatore, filtre i upravljačke
sklopove ako je potrebno i ostale pomoćne sklopove ako ih ima.
65
Struktura elektroničkog energetskog pretvarača
Pre tvar ač
Tok e ne rgije
Sus tav A
U1, I1, f1, P1
Ene r ge ts k i dio
(e ne rge ts k i k rug)
Sus tav B
U2, I2, f2, P2
Inform acijs k i dio
Inform acija o že lje nim izlaznim
ve ličinam a pr e tvarača
66
Struktura elektroničkog energetskog pretvarača
za napajanje motora
ENERGETSKI DIO
Izm je nična m re ža
3 x 380 V, 50 Hz
Sink ronizacija
Pre tvaračk i s k lop
Re gulir ani obje k t
(m otor)
Odgovor
Ok idni
ure đaj
INFORMACIJSKI
DIO
Upr avljanje ,
re gulacija,
zaš tita,
s ignalizacija i
Povratne ve ze
m je re nje
Re fe r e ntni s ignal
67
Elektronički pretvarači
Sofisticirani elektronički pretvarači uključuju mikroprocesorske sustave
68
Predmet proučavanja energetske elektronike
Komponente sklopova
- elektronički učinski ventili (općenito)
- poluvodički učinski ventili
- magnetske komponente (transformatori i prigušnice)
- kondenzatori
- ostale komponente (osigurači, prigušni članovi i sl.)
Sklopovi
- za ispravljanje
- za izmjenjivanje
- za istosmjernu pretvorbu
- za izmjeničnu pretvorbu
69
Komponente uređaja
- elektronički sklopovi
- regulacijski krugovi
- krugovi upravljanja, signalizacije i zaštite
- ostale komponente (filtri, titrajni krugovi i sl.)
Uređaji
- pretvarači (ispravljači, izmjenjivači, istosmjerni pretvarači,
izmjenični pretvarači)
- istosmjerne i izmjenične sklopke
70
Upotreba uređaja u postrojenjima
- djelovanje na izvore električne energije
- djelovanje na trošila
- ostali problemi elektromagnetske kompatibilnosti
71
Paradigma današnje energetske elektronike
Energetska elektronika je stekla svoju dominirajuću paradigmu. To je
skup pravila i metoda za analizu i sintezu nelinearnih mreža s
elektroničkim ventilima.
Općenito, proučavanje paradigme jest ono što studente priprema za
članstvo u nekoj znanstvenoj zajednici. Diplomiranjem postat ćete
diplomirani inženjeri elektrotehnike i pridružiti ćete se ljudima koji
su temelje elektrotehnike naučili iz istih primjera. Zato, u svojoj
praksi rijetko ćete doći u konflikt oko temeljnih stvari.
A što možete očekivati od inženjerske prakse? Samo marljivi rad na
akumulaciji znanja na osnovu dominirajuće paradigme. Nobelovu
nagradu dobivaju oni koji napuštaju stare i uvode nove paradigme.
72
Energetska elektronika se jedino može naučiti radeći: na nižoj razini
primjenom uređaja energetske elektronike a na višoj razini
projektiranjem uređaja energetske elektronike. Naravno, to učenje se
odigrava unutar tima koja već zna energetsku elektroniku. Tko dovoljno
brzo ne savlada pravila igre bit će sankcioniran isključenjem iz tima.
Mogu postaviti općenito pitanje: “Da li ćete svi postati inženjeri
elektrotehnike”. Ne sumnjam, svi ćete steći diplomu inženjera
elektrotehnike. No, samo oni koji će odmah nakon diplome raditi u
nekom području elektrotehnike postat će inženjeri.
73
Zapamtite
Energetska elektronika je dio elektronike koji se koristi za
pretvorbu parametara električne energije.
Pretvorba parametara električne energije odigrava se u nelinearnoj
mreži. Bitna komponenta ove nelinearne mreže je elektronički
ventil.
74