Kraftelektronik. Ingmar Leisse Industriell Elektroteknik och Automation

Transkript

1 Kraftelektronk Ingmar Lesse Indstrell Elektroteknk och Atomaton

2 Överskt Swtchnng styr medelvärde nder swtchperod Styra ström och spännng med medelspännngskällor Kvadranter Komponenter Stepdown Förlster Stepp Två och fyrkvadrant LSomvandlare Tllämpnngar Class D, 12V DC 230V AC, UPS Trefasg växelrktare Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 2

3 Kraftelektronk = ~

4 Tll/frånreglerng styr medelvärde U dc S L R U dc S D L R U dc U medel 0 0 tp T Perodsk med perodtd T Swtchen S växlar läge: U nder tden tp, noll övrgt U medel T = U dc tp Medelvärde UU mmmmmmmmmm = tt PP TT UU dddd Lka mycket yta över som nder U medel Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 4

5 PWM Plse Wdth Modlaton Plsbreddsmodlerng I elektronk eller processor: Modlerande trangelvåg tr Önskat medelvärde ref swtch := ref > tr» Swtch S=1 när ref > tr =U dc» Swtch S=0 när ref < tr =0 medel=ref Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 5

6 Välja ström RLkrets L R medel medel R medel medel har dynamk kopplad tll medel Steg medel stegsvar medel Swtchnng Ld/dt och snabb varaton medel och medel båda postva tllräcklgt? medel rlpwm_klar.mdl Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 6

7 Olka tecken olka kvadranter kvadrant 2kvadrant 2kvadrant 4kvadrant Kraftelektronsk omvandlare Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 7

8 Motordrft och kvadranter Lkströmsmotor ngefär R, L, emk sere: varvtal~spännng ω~e tecken på e = tecken på ω moment~ström T~ tecken på = tecken på dω/dt Bakåt Framåt Inbromsnng Acceleraton/belastnng UI<0 lämnar effekt 2 1 UI>0 drar effekt 3 4 Bakåt Framåt Acceleraton/belastnng Inbromsnng UI>0 drar effekt t a 4d r ka nv UI<0 ta lämnar effekt dcm_dc.mdl kvadranter.m Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 8

9 Välja strömrktnng RLkrets L R e Med ytterlgare spännng (e) kan strömrktnng RLkrets väljas medel e R och medel >e eller medel <e avgör strömrktnng Swtchng Ld/dt Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 9

10 Välja spännngens polartet RLEkrets a L R e b a b RLE anslts mellan a och b: a medel b medel ger spännng med valfr polartet (ab) medel e R Swtchnng Ld/dt Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 10

11 Strömventler (eng. valves) Gate TrnOff Tyrstor Bpolar Transstor FeldEffect Transstor Inslated Gate Bpolar Transstor Dod Tyrstor Tänd och släckbar ventl Exempel på tänd och släckbara ventler Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 11

12 Doden Anod Ledtllstånd Katod Spärrtllstånd Backrktnng Framrktnng Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 12

13 IGBT C Bottnad Kollektor Gate GE Emtter C CE Symbol Strypt GE3 GE2 GE1 Ökande GE Effektgräns CE Spännngsstyrd som FET I övrgt som bpolär transstor Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 13

14 Tyrstorn Anod St yre Ledtllstånd Led Katod Tändnng Släck Tänd Spärrtllstånd Blocktllstånd Spärr Block Backrktnng Framrktnng Som dod där tändnng fördröjs Tänds framspänd med styrspännng Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 14

15 1kvadrant nedspännngsomvandlare d Ud L, R e Ud>e Omvandlar från högre tll lägre spännng Bara postv ström (ngen väg för negatv ström) Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 15

16 Styrnng av 1kvadrant nedspännngsomv. d Ud L, R e e<ref Effektrktnng Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 16

17 Låga förlster vd swtchnng d Ud T T v T D D v D L, R e T v T D v D T: v T nära 0 D: D =0 T v T D v D T: T =0 D: v D nära 0 Förlster = effekt = v T T eller v D D = hela tden (nära) noll både T och D! Låga förlster lte värme ltet kylbehov hög verknngsgrad >95% Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 17

18 Ungefär så här Kraft F och gldnng med fart V effekt P=F V=värme Hårt grepp kraft F och ngen gldnng V=0 effekt P=F V=0 Löst grepp kraft F=0 och repet glder med fart V effekt P=F V=0 V=0 eller F=0 ngen värme Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 18

19 1kvadrant ppspännngsomvandlare Ud>e Omvandlar effekt från lägre tll högre spännng! Bara negatv ström Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 19

20 Styrnng av 1kvadrant ppspännngsomv. d Ud L, R e e>ref Effektrktnng Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 20

21 Uppspännngsomvandlare Upprepa: =e L d/dt Slt S Indktans L laddas pp och energn 2 lagras Öppna S d L C Ud >e e S 1 L 2 Försök att bryta strömmen ger stort L d/dt = >Ud Så fort når Ud leder doden och energ överförs tll C Spännngen Ud stger Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 21

22 Energomvandlng 1 mv 2 2 Knetsk energ potentell energ Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 22

23 2kvadrant lkspännngsomvandlare Båda effektrktnngarna >0, både postv och negatv (både ref>e och ref<e) Fyra vägar för strömmen beroende på >0/<0, swtchläge s Ekvvalent swtch: d d Ud s L, R e Ud s L, R e Ett bryggben Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse Ett bryggben 23

24 Styrnng av 2kvadrant LSomvandlare d Ud L, R e Här är ref e vd medel =0 Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 24

25 4kvadrant LSomvandlare Alla kombnatoner av och I Ud/2 0 d sa va L, R e vb sb Ud/2 Bryggben Bryggben Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 25

26 Styrnng av 4kvadrant LSomvandlare: DC Börvärde ref delas två lka delar: varef=ref/2 vbref=ref/2 Exempel: Udc=300 ref=100 Imedel=0 här Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 26

27 4kvadrant LSomvandlare: Sns Börvärde sns Exempel: Udc=350 ref=325sn(314t) Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse TwoQvoltage_3.mdl 27

28 Sns vd högre swtchfrekvens Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 28

29 230 V sns r 12 V blbatter! Lkspännngsomvandlng 2 Växelrktnng Batter last Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 29

30 Kamera med blxt mest bekant Batterspännng omvandlas två steg: Först tll ca 300 V och sedan tll spännng kvklass för blxt Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 30

31 Class D Ado Amplfers Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 31

32 UPS Unnterrptable Power Spply Lkrktnng Lkspännngsomvandlng 1 Lkspännngsomvandlng 2 Växelrktnng nät Nät Batter last Last t.ex. dator Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 32

33 Trefasg växelrktare Ud/2 d Bryggben Bryggben Bryggben varef vbref vcref 0 sa va sb vb sc vc Ud/2 ab bc ca a b c vo Trefasg belastnng va Snsformade referensvärden Snsformade medelpotentaler va, vb, vc Snsformade medelspännngar mellan faser, mellan fas och nolla Ampltd och frekvens kan väljas Varvtalsreglerng av ACmotor Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 33

34 Trefasg elmotordrft kanske vktgast Svenljnga renngsverk Fläktar (bättre än strypnng med spjäll) Pmpar (bättre än strypnng med ventl) Hssar Rlltrappor Kranar El(hybrd)blar Tåg Trckar Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 34

35 HVDC elnätet tre generatoner Lne Commtated Converter Fasvnkelstyrda tyrstorer Ger styckvs sns Voltage Sorce Converter PWM som här Två potentalnvåer Modlar Mltlevel Converter Många småspännngar Nära snsspännng t Sydvästlänken Källa: TDK Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 35

36 Sammanfattnng Swtchnng ger låga förlster för när Swtchen leder och när den spärrar så Att varera plslängden nder peroden kallas och ger önskad Ett sätt att få rätt plslängd är modlaton med U/Ikvadranter motsvarar en lkströmsmotors respektve Med 1/2 bryggben kan man skapa spännng som är eller 2kvadrant LSomvandlare kan ge spännng och ström som är En 4kvadrant LSomvandlare tnyttjar bryggben En 4kvadrant LSomvandlare gör 50 Hz medelspännng om För att göra trefasg växelspännng behöver man bryggben Lnds nverstet/lth/bme/iea Elenergteknk Ingmar Lesse 36

37