ELECTRONICĂ DE PUTERE
Curs 1: INTRODUCERE
CONŢINUT
Definiţii şi concepte Istoric Aplicaţii Despre curs
I. Definiţii şi concepte
Electronica de putere – electronica aplicată pentru
conversia şi controlul puterii electrice.
Domeniile de putere:
milliwatts (mW) megawatts (MW) gigawatts
(GW)
Scop explicit: Primul rol al electronicii de putere este
de a realiza şi controla transferul de putere electrică
prin tensiuni şi curenţi cu formă optimă pentru sarcina
utilizatorilor.
Convertoare de putere Convertoare Convertoare în comutaţie Circuite electronice de putere Convertoare electronice de
putere
Conversia puterii electrice
Electric Power
Converter
Power output
Power input
Control input
Denumiri atribuite convertoarelor de putere electrică:
Schema bloc de bază a unui sistem electronic de putere
Power Processor
Controller
Load
measurement
reference
POWERINPUT
POWEROUTPUT
vi , ii vo , io
Source
Structura generică a unui sistem electronic de putere
Power Converter
Control input Controller
Reference
Power input
Power output
Feedback (measurements of output signals )
Feedforward ( measurements of input signals )
Controlul este absolut necesar. Convertorul de putere împreună cu controller-ul şi circuitele
de măsurare şi interfaţă corespunzătoare, sunt de asemenea
numite sistem electronic de putere.
Power Converter
Measurements
Controller Reference
Power input
Power output
Electric Motor light heating other electric equipment power converter
Electric utility battery other electric energy source power converter
Source
Load
io
Vo
ii
Vi
Un sistem electronic de putere tipic
În sarcina electronicii de putere a fost adăugată recent problematica asigurării curentului, respectiv puterii consumate de convertoarele de putere şi sarcini, pentru a satisface cerinţele impuse surselor de energie electrică.
Relaţia cu electronica de informatie
Clasificarea electronicii după obiectul procesării:a. Electronică de informaţie - pentru procesarea de informaţieb. Electronică de putere – pentru procesarea puterii electrice
Alte clasificări a domeniului electronicii:a. Electronica vidului – utilizează dispozitive cu vid (ex. tuburi cu
vid)b. Electronica solidului (solid state) - utilizează dispozitive solid
state (ex. dispozitive semiconductoare)
a. Electronica fizică – fizica, materialele şi realizarea dispozitivelorb. Electronica aplicată – aplicaţii ale dispozitivelor electronice în diferite domenii
Caracterul interdisciplinar al Electronicii de Putere
Power Electronics
学
Electronics
Power
学
Control
Continuous,
discrete
连续、离
散
Static & rotating
power equipment
Devices,circuits
William E. Newell’sdescription
Electronica de putere este interfaţa dintre electronică şi putere.
Power electronics
electronics electr
Electric machines
Circuit Ct theory
Systems& Control theory
Control
theory
Signal processing
Simulation & computing
electronics
Solid state
physics
Electromagnetics
Power systems
Relaţia multidisciplinară
Modeling &Simulation
System &Control theory
System Area
Circuit Theory
Electric machines
Power Systems
Electromagnetics
Analog Electronics
Signal Processing
Solid-State Physics
Digital Electronics
Low Power Area High Power Area
PowerElectronics
Electronica de putere este în prezent cea mai activă disciplină în cadrul ingineriei electrice.
Importanţa şi poziţia în societate
- Electronica de putere este folosită în aproape toate domeniile societăţii moderne.
- Energia electrică este cea mai importantă formă de energie utilizată în societatea modernă.
- Obiectivul electronicii de putere este de a stabili modul de utilizare eficientă şi efectivă a puterii electrice, precum şi modul de îmbunătăţire a calităţii acesteia.
- Electronica de putere şi electronica de informaţie constituie doi poli ai tehnologiei moderne şi societăţii umane: electronica de informaţie reprezintă creierul, iar electronica de putere este sistemul muscular.
II. Istoric
Mercury arc rectifier Vacuum- tube rectifier
Thyratron
Invention of Thyristor
Applicat ion of fast- switching fully- controlled semiconductor
devices
Power diode Thyristor
GTO GTR
Power MOSFET Thyristor
(microprocessor)
IGBT Power MOSFET
Thyristor (DSP)
Pre-history
1st phase
2nd phase
3rd phase
1957
1900
late 1980s
mid 1970s
III. Applicaţii
Aplicaţii industriale:
Comanda motoarelor Electroliza Placări electrice Încălzire prin inducţie Sudura Furnale şi cuptoare electrice Iluminare
Aplicaţii în transporturi:
Trenuri&locomotive Metrou Trolley buses Levitaţie magnetică Vehicule electrice Electronica automobilelor Sistemele de putere a navelor Sistemele de putere ale aeronavelor
Aplicaţii în sisteme utilitare:
Acţionări de c.c. la Î.T.(HVDC) Acţionări flexible de c.a.(FACTS) Compensare statică (v.a.r. & armonici) Suprimare: TCR, TSC, SVG, APF Reglare nivel de putere & control calitate Surse complementare de energie: eoliene, fotovoltaice, fuel cells Sisteme de înmagazinare a energiei
Telecomunicaţii Echipamente de calcul Echipamente de birou Instrumente electronice Echipamente electronice portabile sau mobile
Surse de alimentare a echipamentelor electronice:
Aplicaţii rezidenţiale şi casnice:
Iluminare Încălzire Air condiţionat Răcire şi congelare Preparare hrană Aspirare Multimedia
Aplicaţii în tehnologia spaţiului:
Sistemele electrice ale navelor de transport Sistemele electrice ale sateliţilor Sistemele electrice ale vehiculelor spaţiale
Alte aplicaţii:
Controlul reactoarelor nucleare Sistemele electrice ale acceleratoarelor de particule Ingineria mediului
Se estimează că în prezent, în ţările dezvoltate peste 60% din energia electrică este livrată prin intermediul unor astfel de convertoare electronice de putere.
Electronica de putere va avea contribuţii majore la: -- performanţe mai bune pentru sursele electrice şi un control
mai bun al echipamentelor electrice; -- economisirea energiei; -- protecţia mediului. Reducerea consumului de energie conduce la reducerea
poluării. Reducerea poluării este determinată şi de aplicaţiile directe cu
convertoare de putere.
Tendinţe:
Exemplu:
Dc-dc converter
+ -
+
-
V
50V
R
5Ω
I
10A
Vg
100V
Sursa de intrare: 100VSarcina de ieşire: 50V, 10A, 500WCum poate fi realizat?
+ -
+
-
V
50V
R
5Ω
I
10A
Vg
100V
Pout=500W Pin=1000W
+
-
50V
Ploss=500W
• Realizare disipativă:
Divizor rezistiv de tensiune
+ -
+
-
V
50V
R
5Ω
I
10A
Vg
100V
Pout=500W Pin≈1000W
+
-
50V
Ploss≈500W
linear amplifier
And base driver
- +
Vref
Regulator serie:
- tranzistorul operează în regiunea activă
+ -
+
-
V(t)
50V
R
I
10A
Vg
100V
+
-
Vs(t)
Vs(t) Vg
switch position:
Vs=DVg
DTs
(1-D)Ts
0
1
1
2
t
1
2
• Realizare cu comutator (SPDT switch)
Vs(t) Vg
switch position:
Vs=DVg
DTs
(1-D)Ts
0
1
1
2
t
D=switch duty cycle
0<D<1
-
- Ts=switching period
fs=switching frequency
=1/ Ts DC component of Vs(t)=average value:
Vs
=
∫ 0
Ts Vs(t)
dt
=DVg
Comutatorul modifică nivelul tensiunii de c.c.
+ -
+
-
V(t)
50V
R
I
10A
Vg
100V
+
-
Vs(t)
1
2
L C
Pin≈ 500W Ploss small
Pout=500W
• Introducerea unui F.T.J.Introducerea unui filtru trece-jos (ideal) L-C, pentru înlăturarea armonicilor de comutaţie:
Frecvenţa de tăiere a filtrului fo va fi mult mai mică decât frecvenţa de comutaţie fs.Acest circuit este cunoscut ca “buck converter”.
• Introducerea sistemului de control pentru stabilizarea tensiunii de ieşire
+ -
+
-
V
i
Vg
H(s)
Pulse-width modulator
sensor gain
Gc(s)
-
+
transistor gate driver
Power input
Load Switching converter
error signal
Ve
Vc
Vref
Reference input
compensator
δ
δ (t)
t
dTs
Ts
Există trei categorii de echipamente electronice care realizează conversia energiei electrice şi sunt utilizate în calitate de surse electrice:
- surse de alimentare (c.a./c.c.); - convertoare (c.c./c.c. şi c.a./c.a.); - invertoare (c.c./c.a.).
SWITCH MODE POWER SUPPLY
Surse electrice în comutaţie vs. Surse electrice liniare
Sursă de tensiune continuă liniară: a. schema bloc; b. formele de undă ale tensiunii.
0
ui(t)
ui,min
Uotb.
Domeniulde variaţie
al ui
Sarcină
UCE = ui - Uo
+
-
B
ui
Uo
Uref
Rs
Transformator (50 Hz)
Redresor Filtrare
+
-
I0
Intrare de linie(monofazat sau
trifazat) C-dă
a.
C
E
Uo
Configuraţia de bază a unei surse stabilizate de tensiune continuă în comutaţie.
PWM
OSCVrefTc
Intrare(c.a.)
Circuit decomandă şi
control
Transformatorde putere
Redresor şifiltru
Tensiune de ieşire (c.c.)
Controlul duratei relative de comutare
Comutator deînaltă frecvenţă
Redresor şifiltru
k
PARAMETRU SURSĂ LINIARĂ SURSĂ ÎN COMUTAŢIE
Stabilizare de linie 0,020,05% 0,050,1%
Stabilizare de sarcină 0,020,1% 0,10,5%
Pulsaţii la ieşire 0,72,82mV (amplitudine)
2550mVvv
Domeniul tens. de intrare 10% 20%
Randament 3055% 7090%
Densitate de putere 0.5W/in3 2.5W/in3
Durata tranz. de revenire 50sec. 300sec.
Timp de menţinere 2 msec. 32 msec.
Stabilizarea de linie – modificarea (în procente) a tensiunii de ieşire ca urmare a modificării tensiunii de linie (de alimentare) peste limitele specificate, la sarcină şi temperatură constantă.Stabilizarea de sarcină – modificarea (în procente) a tensiunii de ieşire ca urmare a modificării sarcinii de la valoarea minimă la valoarea maximă, la tensiune de alimentare şi temperatură constantă.Durata de revenire tranzitorie – timpul necesar pentru ca tensiunea de ieşire a sursei să se stabilească în limitele specificate, după modificarea prin salt a curentului de sarcină sau a tensiunii de alimentare.Timpul de menţinere – intervalul de timp pe durata căruia tensiunea de ieşire a sursei rămâne în intervalul specificat după întreruperea (pierderea) alimentării.
Puncte majore în dezvoltarea electronicii de putere
Îndeplinirea cerinţelor impuse de sarcină Îmbunătăţirea eficienţei -- pentru o funcţionare sigură a dispozitivelor
semiconductoare de putere -- pentru economisirea energiei. Realizarea conversiei cu costuri, volum şi
greutate cât mai reduse. Reducerea influenţei negative asupra altor
echipamente din sistemul electric de putere şi asupra mediului electromagnetic.
IV. Despre curs
2C+2L/sapt.
CONŢINUT:
- Dispozitive electronice de putere
- Circuite electronice de putere
- Tehnici de comandă
Recommended