Fö 8 - TMEI01 Elkraftteknik Kraftelektronik

Transkript

1 Fö 8 - TMEI1 Elkraftteknik Kraftelektronik Per Öberg 24 februari 215

2 Outline 1 Kraftelektronik Översikt 2 Likriktning Grunder Ostyrda kopplingar Enfas Flerfas Styrda kopplingar 3 Växelriktning

3 Kraftelektronik, översikt Används för att omvandla elektriska spänningar och strömmar Tänk växellåda Bred flora av komponenter, gemensamt är förmågan att switcha och agera strömventiler Exempel: Diod, Zenerdiod IGBT / FET - Transistorer Diac, Triac, Tyristor Dubbelbasdiod Skillnaden mellan komponenterna är i princip möjligeten att styra dem Olika tillämpningar Likriktare - För att göra växelspänning till likspänning Växelriktare - För att göra växelspänning av lik- eller växel-spänning Styrning - För att ändra effektivvärde för en växelspänning

4 Likriktning, grunder Enklaste fallet: Enfas - Halvvågslikriktare (Enpulskoppling) u1 Input voltage u in u ut u2 Output voltage

5 Likriktning, grunder Aktiv komponent: Diod Current I [A] + Leder i framriktningen Spärrar i backriktningen Ideal Diod + Voltate V [V] Olika mått på spänningens storlek Exempel: Halvvågslikritning Storhet Värde Toppvärde û Medelvärde U L = û π Effektivvärde U = û 2 Effektivvärdet är användbart vid effekt-räkningar där medeleffekten är intressant eftersom p(t) = u2 (t) R. Medelvärdet är användbart för räkningar på t.ex. liksströmsmaskiner där medeleffekten är mindre intressant än medelspänningen.

6 Likriktning, grunder Steg 2 - Enfas - Fullvågslikriktare (Tvåpulskoppling) u in u1 Input voltage I u ut u3 Output voltage Storhet Halvvåg Hel-/Full-våg Toppvärde û û Medelvärde U L = û π Effektivvärde U = û 2 U L = 2û π U = û 2

7 Likriktat medelvärde, exempel Beräkna likriktade medelvärdet U L av u(t) = û sin (ωt) för 1 Halvvågslikriktare, Area = A1 2 Helvågslikriktare, Area = A1 + A2 u1 UL A1 A2 T/2 T 2T 3T Time

8 Likriktat medelvärde, exempel Beräkna likriktade medelvärdet U L av u(t) = û sin (ωt) u1 UL A1 A2 Helvåg: T U L = 1 u 1 (t)dt = T / = ω = 2πf = 2 π / T = ω π û [ cos (ωt) ω T/2 T 2T 3T Time { / T 2 /A 1 = A 2 ] π ω = û π [ 1 + 1] = 2û π Halvvåg: A 2 = U L = û π = 1 T 2 = ω π π ω û sin (ωt) dt = = û [ cos(π) cos()] = π u(t) dt } =

9 Effektivvärde av sinus (RMS) Beräkna effektivvärdet U av u(t) = û sin (ωt) (RMS = Root Mean Square = Effektivvärde) 1 T U = u(t) T 2 dt u1 UL A1 A2 T/2 T 2T 3T Time

10 Matematisk utvikning, Eulers sinussamband Euler-formler: sinus-samband från e jx = cos x + j sin x (Istället för att memorera en massa trigonometriska formler) e jx = cos(x) + j sin(x) Detta räcker för att härleda resten e jx = cos( x) + j sin( x) = cos(x) j sin(x) = sin x = ejx e jx 2j cos x = ejx + e jx 2 ( e sin 2 jx e jx x = 2j ) 2 = e2jx + e 2jx 2e 4 = 1 cos 2x 2

11 Effektivvärde av sinus (RMS) Beräkna effektivvärdet av u(t) = û sin (ωt) ( 1 T T /2 ) T U = u(t) T 2 dt = û2 sin 2 (ωt)dt + sin 2 (ωt)dt = T T /2 2û = 2 / T /2 sin 2 (ωt)dt = sin 2 (ωt) = 1 cos(2ωt), T = 2π / = T 2 ω 2û = 2 π ( 2π ω ω 1 2 cos(2ωt) ) dt = û ω ( π ) π ω 1 2 π 2 dt ω cos(2ωt) dt = 2 = û ω ( [ ] π [ ] π ) ( ) t ω sin(2ωt) ω ω π = û π 2 4π π 2ω = û 2

12 Exempel på likriktare: Krets med kondensator + Spole u1 Input voltage U U Load voltage a) Glättning, kapacitansen laddas upp på sinus-topparna och driver sedan lasten. L C I b) Drossel/Spole och frihjulsdiod b) Matnings-sinusen laddar upp kapacitansen genom drosseln som då laddar upp magnetfält. När spänningen sjunker så fortsät- U ter drosseln ladda upp kondensatorn genom att istället dra strömmen genom frihjulsdioden.

13 Exempel på likriktare: Mittpunktskoppling Mittpunktskoppling (halvvåg) C U Mittpunktskoppling med helvågslikriktning ger ±U och.

14 Exempel på likriktare: Spänningsdubblare u1 Input voltage U Load voltage Vid envågs spänningsdubbling med glättnings-kapacitanser fås glättning på både positiv och negativ spänningskurva.

15 Likriktning, Kopplingar för flera faser Betrakta tvåpulskopplingen u in I u1 Input voltage u3 Output voltage u ut Kommuteringspunkter När spänningen passerar nollan så byts dioderna av så att de som förut spärrade leder o.s.v. Detta kallas kommuteringspunkter Kommuteringspunkter Kommuteringspunkterna behöver inte alltid inträffa vid noll-genomgång.

16 Likriktning, Trepulskoppling Trepulskoppling u 1 u 2 u 3 I u u 1 u 2 u 3 u L N Den Diod som för tillfället känner högst spänning leder medan de andra spärrar. Kommuteringspunkterna blir 3, 15, 27 o.s.v. u L u För trepulskopplingen fås likriktat medelvärde enligt nedan Storhet Toppvärde Medelvärde Värde û = û F U L = 3 3 û F 2 π = 3 û H 2 π

17 Likriktning, Sexpulskoppling Sexpulskoppling u 1 u 2 u 3 I u u 1 u 2 u 3 u L u ut u Dioderna leder parvis så att spänningen u ut blir maximala skillnaden mellan de tre fasspänningarna. Kommuteringspunkterna blir 3, 9, 15 o.s.v. För sexpulskopplingen fås likriktat medelvärde enligt nedan Storhet Toppvärde Medelvärde Värde û = û F U L = 3 3 û F π = 3 û H π

18 Styrning av likspänning, komponenter Thyristor, styrbar diod Anod Styre Katod FET Transistor, Transistor med mycket hög isolation. Tål hög spänning och ström TRIAC Dubbelriktad tyristor kopplade till samma styre. DIAC Dubbelriktad tyristordiod. Utan styre, spontantänder vid ca 2V Dubbelbasdiod och PUT (Programmable Unijunction Transistor) (PUT = Styrbar dubbelbasdiod)

19 Styrning av likspänning, Thyristorn Thyristor - Symbol Anod Styre Katod Thyristorn kan inta tre olika tillstånd Ledande, när ström flyter från anod till katod Spärrande, när en yttre spänning försöker driva ström baklänges, från katod till anod. Blockerande tillstånd, när en yttre spänning försöker driva ström från anod till katod, men ström i styret saknas. Thyristor, funktion En thyristor tänds med hjälp av en strömpuls på styret. När thyristorn väl börjat leda så fortsätter den av sig själv så länge strömmen genom thyristorn är större än den s.k. hållströmmen.

20 Styrning av likspänning, Thyristorn forts. A

21 Styrning av likspänning, Exempel på FET. VMOS - Strömtålig MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) När en spänning läggs på den isolerade Gate-anslutningen så dras elektroner in i det spärrande skiktet vilket tillåter en ström att flyta mellan Drain- och Source-anslutningarna.

22 Styrning av likspänning, spänningsutseende för DIAC DIAC-en är en dubbelriktad Thyristor (som TRIAC-fast utan styre) som tänder automatiskt vid en viss tändspänning. (Här U BJ )

23 Styrning av likspänning, Exempelkrets med DIAC som tänder TRIAC Styrd last Uin Styrning Diac Triac DIAC-en tänder automatiskt när spänningen över kondensatorn passerar tändspänningen. DIAC-en används i sin tur för att tända TRIAC-en som då släpper på ström genom den styrda lasten. Den varibla resistansen kan därmed användas för att justera tändvinkeln för TRIAC-en.

24 Styrning av likspänning, Exempel Helstyrd tvåpulskoppling u in u1 Input voltage I u ut u3 Output voltage Tändvinkel α = 6, resistiv last Exempel på styrning: Tändvinkeln α för tyristorerna räknas från den naturliga kommuteringspunkten.

25 Styrning av likspänning, Exempel Helstyrd tvåpulskoppling - Induktiv last u in u1 Input voltage I u3 Output voltage u ut Tändvinkel α = 6, starkt induktiv last När matnings-spänningen över tyristorn växlar tecken fortsätter den induktiva lasten att dra ström och håller tyristorn öppen.

26 Styrning av likspänning, Exempel Halvstyrd tvåpulskoppling u in I u ut Billigare än helstyrd Används i princip alltid om inte syftet är att agera växelriktare.

27 Växelriktning, grunder Exempel på grundkrets för växelriktning och tillgörande utseende på utspänning. Elmaskinernas induktanser filtrerar kurvan så att strömmen som uppstår i lindningarna närmar sig sinusform. De förluster som uppstår i dioderna är beroende av diodernas switchtid i förhållande till switchfrekvensen.

28 Växelriktning, HVDC - HVDC = High Voltage Direct Current - Svensk uppfinning, började användas till Gotland Nya kraftelektronikkomponenter (t.ex. Tyristorventilen från 197) gör tekniken effektivare och effektivare genom att minska switchförlusterna samt möjliggöra högre spänningar.

29 Exempel: Styrd likriktare En tyristorstyrd trepulslikriktare ansluts till ett trefasnät med huvudspänning U H = 4 V. a) Rita ett kretsschema för kopplingen och sätt ut spänningar och strömmar. b) Skissa spänningen över lasten för de två fallen med rent resistiv samt starkt induktiv last och tändvinkel α = 3. c) Vilken tändvinkel α skall tyristorerna ges för att den likriktade spänningens medelvärde skall bli 12 V? Antag att den anslutna lasten är rent resistiv.

30 Exempel: Styrd likriktare, lösning a) u 1 u 2 I u 3 u L N b) Figurerna för induktiv och resistiv last blir helt identiska eftersom tändvinkeln endast är 3 u u 1 u 2 u 3 u L u

31 Exempel: Styrd likriktare, lösning c) Låt x vara fördröjningen till tillslag mätt i periodandelar enligt figuren nedan. Vi får då U L = 12V T T (2 U L = 1 u(t) dt = 3 u(t) dt = 3 T T x T T / = T = 2π / = 3 ω [ cos (ω t) ω 2π 23 2 ω = 155, 3 [ cos (π) + cos (2πx)] = , 3 = cos (2πx) = x = , 3 T motsvarar 36 så xt motsvarar 13, 2 och α = 13, 2 3 = 83, 2 T /2 x T ] π ω 2πx ω 23 2 sin (ω t) dt = =

32 Exempel 9.9