Część 1 - neo.dmcs.p.lodz.plneo.dmcs.p.lodz.pl/~starzak/pub/ec/ec_wykl_1b.pdf · alternatywne...
Transcript of Część 1 - neo.dmcs.p.lodz.plneo.dmcs.p.lodz.pl/~starzak/pub/ec/ec_wykl_1b.pdf · alternatywne...
Część 1
Przekształtniki elektroniczne
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 2
Elektronika mocy
Elektronika mocy (energoelektronika; power electronics) jest gałęzią elektroniki zajmującą się przekształcaniem energii elektrycznej za pomocą przyrządów elektronicznych
w odróżnieniu od elektroniki sygnałowej, która zajmuje się przetwarzaniem sygnałów elektrycznych niosących informację
pewna część wspólna z automatyką i elektrotechniką
Elektronika przemysłowa (industrial electronics) – ogół zagadnień związanych ze sterowaniem procesami przemysłowymi za pomocą układów elektronicznych
elektronika mocy sterowniki programowalne (PLC)
i komputery przemysłowe sieci transmisji danych robotyka i sztuczna inteligencja akwizycja i przetwarzanie
danych niezawodność i testowanie
znacząca część wspólna z automatyką, informatyką i telekomunikacją
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 3
Elementy i aplikacje elektroniki mocy
10 kluczowych zagadnień wg Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE)
przyrządy półprzewodnikowe mocy
układy scalone chłodzenie elementy bierne przekształtniki impulsowe sterowanie silnikami
elektrycznymi nowe źródła światła alternatywne źródła energii sterowanie modelowanie
Współczesne zastosowania zasilanie sprzętu komputerowego
i telekomunikacyjnego instalacje samochodowe trakcja elektryczna zasilanie i sterowanie sprzętu
domowego użytku sterowanie silnikami
elektrycznymi w instalacjach przemysłowych
sterowanie oświetleniem elektryczne systemy zasilania,
w tym wykorzystujące alternatywne źródła energii
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 4
Energia elektryczna
Energia elektryczna to energia związana z wielkościami elektrycznymi ładunek: związana z nim jest siła Coulomba; siła może wykonać pracę, czyli
dokonać przekazu energii ⇒ z ładunkiem elektrycznym związana jest energia napięcie: spoczywające ładunki wytwarzają pole elektryczne, a więc napięcie
– związana jest z nim energia potencjalna przykład: rozwarty naładowany kondensator
prąd: z definicji stanowi uporządkowany ruch ładunków – związana jest z nim energia kinetyczna
przykład: obwód po przyłączeniu opornika do końcówek naładowanego kondensatora
Przekaz energii elektrycznej wymaga: przemieszczenia ładunków, a więc przepływu prądu pola elektrycznego, które wywoła ten ruch ładunków, a więc występowania
napięcia
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 5
Przekształcanie energii elektrycznej
Przekształtnik (zasadniczy rodzaj układu energoelektronicznego) pobiera ze źródła zasilania energię elektryczną, co oznacza przepływ pewnego prądu przy pewnym napięciu, a następnie oddaje do odbiornika energię elektryczną przekształconą, co oznacza przepływ innego prądu przy innym napięciu
Przemiana napięcia/prądu może obejmować: występowanie/brak składowej stałej/przemiennej wartość (amplituda, wartość średnia, skuteczna itd.) częstotliwość (składowej przemiennej) kształt (np. prostokątny lub sinusoidalny, stopień odkształcenia)
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 6
Moc czynna
Moc czynna to wartość średnia mocy chwilowej za jej okres konwencja strzałkowania: jeżeli źródło wydaje energię, to jego p > 0; jeżeli
odbiornik pobiera energię, to jego p > 0 Moc chwilowa może zmieniać wartość i znak
zmiana kierunku przepływu energii (magazynowanie, zwrot do źródła) Moc czynna odzwierciedla wypadkowy efekt energetyczny w każdym
okresie składowej przemiennej
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 7
Zastosowania mocy czynnej
Skoro przebiegi są okresowe, to
Energii elektrycznej przetworzonej na inną postać energii (mechaniczną, świetlną, cieplną – w tym straty) odpowiada moc czynna
Sprawność przekształtnika
Wartość skuteczna odzwierciedla wypadkową (efektywną) energię, którą może przenieść dany przebieg zmienny w czasie
pozwala stosować prawa Ohma i Joule’a (oczywiście dla rezystancji)
:
Pc
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 8
Moc odbiorników impedancyjnych przy przebiegach przemiennych sinusoidalnych
Wartość skuteczna przebiegu przemiennego sinusoidalnego
Odbiornik rezystancyjny
Odbiornik impedancyjny
Moc chwilowa
Moc czynna
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 9
Współczynnik mocy
Jeżeli odbiornik jest zasilany ze źródła napięcia sinusoidalnego U, to aby wydzielić w nim moc P, w obwodzie musi popłynąć prąd o natężeniu:
dla odbiornika rezystancyjnego dla odbiornika impedancyjnego
I′ > I , gdyż cos φ < 1 dla φ ≠ 0 Różnicę tę opisuje współczynnik mocy
dla przebiegów sinusoidalnych Współczynnik mocy mniejszy od 1 jest niekorzystny
konieczna większa wydajność prądowa źródeł (generatorów, akumulatorów) konieczna większa obciążalność prądowa elementów obwodu przekazywania
i przetwarzania energii (szczególnie magnetycznych, np. transformatorów) większe spadki napięć i moc strat w przewodach (P = I 2 ∙ R ; ∆U = I ∙ R) większa moc strat i ryzyko nasycenia elementów magnetycznych trzeba je dobierać na moc pozorną, a nie czynną
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 10
Moc pozorna i bierna
Moc pozorna odzwierciedla moc, jaka mogłaby być wydzielona w odbiorniku, gdyby był on czysto dyssypatywny (rezystancyjny)
Jest to całkowita moc, która krąży w obwodzie (jest przekazywana między źródłem a odbiornikiem – moc chwilowa p = u∙i), ale niekoniecznie służy do wykonania pracy, tj. do przemiany energii elektrycznej na inną postać energii (np. mechaniczną, świetlną, cieplną)
Moc bierna to moc, która krąży w obwodzie nie będąc przetwarzaną na pracę (niezależnie czy użyteczną, czy straty ciepła)
na przykład (ale nie tylko) jest ona na przemian magazynowana i oddawana przez elementy reaktancyjne
przy przebiegach sinusoidalnych
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 11
Przebiegi niesinusoidalne
Rozwinięcie w szereg Fouriera
składowa stała – z twierdzenia Fouriera składowa przemienna
x1 – składowa podstawowa; f = ω/(2π) – częstotliwość podstawowa x2, x3, … – składowe harmoniczne – również sinusoidalne
Wzór Parsevala dla wartości skutecznej
dla mocy czynnej
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 12
Układy o działaniu ciągłym (linear mode)
Sygnały sterujące zmieniają się w sposób ciągły – mogą przyjmować dowolne wartości
punkt pracy w centralnej części charakterystyki stanu przewodzenia
Współczesne zastosowania niektóre wzmacniacze (np.
klasy A) niektóre stabilizatory (liniowe)
Zalety bezpośrednio wytwarzają
przebiegi stałe i n.cz. nie generują zaburzeń proste sterowanie
Wady duże straty mocy
pc,max
:
pc,min
=0:
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 13
Układy o działaniu przełączającym (switched-mode)
Sygnał sterujący zmienia się cyklicznie i skokowo, przyjmując na przemian skrajne wartości
na przemian pełne wyłączenie i załączenie – przełączanie
zmiana drogi przepływu, tj. przełączanie prądu do innej gałęzi, czy też przełączanie efektywnej topologii układu
Zalety bardzo małe straty mocy
(nawet rzędu <1%) Wady
konieczność filtracji przebiegu użytecznego (przepustowej) i zaburzeń (zaporowej)
cond b
bb
b
bcond
cond
∆ton+∆toff
∆tb
∆tcond
∆ton
∆toff
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 14
Przyrząd półprzewodnikowy jako łącznikidealny i rzeczywisty
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 15
Wymuszenie a odpowiedź łącznika
W stanie załączenia układ zewnętrzny narzuca prąd łącznika
spadek potencjału na łączniku wynika z jego niezerowej rezystancji
W stanie wyłączenia układ zewnętrzny narzuca napięcie na łączniku
prąd płynący przez łącznik wynika z jego skończonej rezystancji
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 16
Przykład – układ obniżający napięcie
Przekształtnik elektromechaniczny
Przekształtnik elektronicznyo działaniu ciągłym
Przekształtnik elektronicznyo działaniu przełączającym
ZałożeniaUi = 20 VUo = 10 VIo = 1 A ⇒ RL = Uo / Io = 10 Ω
η = 0,5
η = 0,5
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 17
Parametry przebiegów impulsowych
• okres powtarzania Tp (period)• częstotliwość powtarzania fp
(frequency)fp = 1 / Tp
• czas trwania impulsu tp (pulse width)
• współczynnik wypełnienia D (duty cycle)
D = tp / Tp
• poziom niski XL (low level) • poziom wysoki XH (high level)• amplituda Xm (amplitude)
• czas narastania tr (rise time)• czas opadania tf (fall time)
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 18
Założenia dodatkowefs = fp = 100 kHzTs = 10 µsD = 0,5 ⇒ tp = 0,5 ∙ Tp = 5 µs
Parametry tranzystorajako łącznika
Uon = 1 VIoff = 0 A∆ton = ∆toff = 0,5 µs
⇒ ∆tcond = ∆tb = 4,5 µs
η = 0,92
Przykład – cd.
∆tcond = 4,5 µs ∆tb = 4,5 µs
∆toff
= 0,5 µs∆t
on = 0,5 µs
9,5 W
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 19
Klasyfikacja przekształtników
Podstawowa klasyfikacja oparta jest o stwierdzenie, z którą składową (stałą czy przemienną) związana jest wypadkowa energia na wejściu i na wyjściu przekształtnika – tj. która składowa mocy czynnej przeważa
Przekształtniki AC-AC sterowniki prądu przemiennego, przemienniki częstotliwości
Przekształtniki AC-DC prostowniki
Przekształtniki DC-AC falowniki, w tym: rezonansowe, impulsowe
Przekształtniki DC-DC przetwornice, w tym: dławikowe, transformatorowe, rezonansowe
Przekształtniki mogą być wielostopniowe prostownik z aktywną kompensacją współczynnika mocy: AC-DC → DC-DC falownik podwyższający napięcie: DC-DC → DC-AC impulsowy przemiennik częstotliwości: AC-DC → DC-AC
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 20
Zastosowania sterowania w przekształtnikach impulsowych ze zmianą współczynnika wypełnienia Przetwornice prądu stałego (DC-DC)
regulacja (utrzymanie wartości) stałego napięcia wyjściowego sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t)
podążało za (zwykle stałym) sygnałem odniesienia vref(t)
Falowniki (DC-AC) regulacja przemiennego napięcia (rzadziej prądu) wyjściowego – utrzymanie
częstotliwości i wartości skutecznej oraz (z różną dokładnością) kształtu sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t)
podążało za (zawsze przemiennym) sygnałem odniesienia vref(t)
Prostowniki (AC-DC) regulacja stałego napięcia wyjściowego regulacja przemiennego prądu wejściowego co do kształtu sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t)
podążało za sygnałem odniesienia vref(t), zaś prąd wejściowy ig(t) podążał za sygnałem odniesienia ic(t)
„prąd” odnosi się (najczęściej) do wartości średniej lub szczytowej
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 21
Niektóre przypadki szczególne
Przetwornice sterujące lampami elektroluminescencyjnymi (LED) regulacja (utrzymanie wartości) stałego prądu wyjściowego sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby prąd wyjściowy i(t)
podążał za sygnałem odniesienia iref(t) natężenie promieniowania zależy wprost od natężenia prądu
Przetwornice pracujące jako aktywne obciążenie (MPPT) modułów słonecznych (PVM)
regulacja (dostosowanie) mocy czynnej wejściowej sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby moc wejściowa
Pg=Vg∙Ig była maksymalna w bieżących warunkach nasłonecznienia wartości Vg i Ig łączy funkcja nieliniowa o przebiegu zmiennym w funkcji
natężenia oświetlenia Przetwornice sterujące silnikami prądu stałego
regulacja składowej stałej prądu wyjściowego od natężenia prądu wyjściowego zależą prędkość i moment obrotowy sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby uzyskać zadaną
prędkość lub moment
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 22
Korzyści z cyfrowego sterowania przekształtników
Zmniejszenie liczby elementów i wymiarów układu obwody sterowania, zabezpieczeń, pomiaru, kompensacji pętli sprzężenia
zwrotnego, sterowania chłodzeniem itd. zintegrowane w jednym układzie scalonym
Sterowanie przekształtnikami o dowolnej topologii i metodzie sterowania scalone sterowniki analogowe
są przeznaczone do 1–3 topologii i stosują 1–2 metody sterowania produkowane są tylko dla najbardziej popularnych, co z kolei wpływa na
ich popularność zmiana metody sterowania nie pociąga za sobą konieczności zmiany układu
elektronicznego (topografii płytki, elementów) Ten sam obwód drukowany dla produktów o różnych parametrach
zmianie ulega wyłącznie program w zakresie parametrów konfiguracyjnych obniżenie kosztów produkcji przez zwiększenie liczby egzemplarzy
a zmniejszenie liczby wariantów tańszy również serwis i doskonalenie
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 23
Korzyści z cyfrowego sterowania przekształtników (cd.)
Zwiększenie sprawności energetycznej, zmniejszenie poboru mocy dostosowanie układu do zmiennego obciążenia – zmiana częstotliwości
przełączania, zmiana zasady sterowania, wyłączenie bloków czasowo zbędnych (np. wentylatora)
łatwa realizacja stanu czuwania – potrzebna jest tylko energia do zasilenia wybranych bloków mikroprocesora
Możliwość realizacji pomiarów pośrednich niektóre wielkości fizyczne można obliczyć na podstawie innych, np. moment
obrotowy realizacja sprzężeń zwrotnych od momentu, mocy itp. dodatkowa wiedza o stanie układu
Poprawa jakości sterowania, w tym zwiększenie szybkości odpowiedzi łatwa realizacja sprzężenia w przód
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 24
Sprzężenie w przód (feedforward)
Tradycyjny sterownik – ze sprzężeniem zwrotnym
najbardziej ogólny – PID zsumowane sygnały
proporcjonalne do: uchybu, całki z uchybu i pochodnej uchybu określają współczynnik wypełnienia
wymaga znajomości uchybu, tj. różnicy między wartością uzyskaną a zadaną
wymaga znajomości historii regulacja statyczna tym lepsza,
im większe wzmocnienie ⇒ pogorszona dynamika
łatwa realizacja analogowa i cyfrowa
Idea sprzężenia w przód współczynnik wypełnienia
wyliczany ze wzorów analitycznych
wzory te mogą łączyć np. pożądane napięcie
wyjściowe, moc wejściową napięcie wejściowe,
obciążenie wartości elementów
przekształtnika charakter wzorów
teoretyczne lub empiryczne idealne lub rzeczywiste
oparte na teraźniejszości i przyszłości
dodanie do sterownika cyfrowego łatwe, analogowego – złożone
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 25
Korzyści ze sprzężenia w przód
Pożądany sygnał wyjściowy może być obliczony zanim zmiana w układzie przełoży się na wielkość wyjściową (np. napięcie)
zmiany napięcia wejściowego sygnał mówiący o (planowanym) uśpieniu i wybudzeniu zasilanego
podzespołu Ograniczenie
wzory analityczne dają sygnał sterujący poprawny dla układu idealizowanego dla układu rzeczywistego wynik będzie przybliżony dokładne ustalenie odpowiedniego sygnału sterującego możliwe jest
wyłącznie poprzez sprzężenie zwrotne Sprzężenie w przód jest z natury stabilne
dodatkowo sterownik PID może mieć mniejsze wzmocnienie, gdyż gros sygnału sterującego pochodzi ze sprzężenia w przód (zwykle) ⇒ stabilność
Łatwo zrealizować wiele sprzężeń napięcie wyjściowe, prąd wejściowy, moc wejściowa itp. tradycyjny podział na sprzężenia napięciowe i prądowe nie ma zastosowania
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 26
Funkcje sterowania cyfrowego przekształtników(lista niewyczerpująca)
tryb niskiego poboru mocy przełączanie źródeł zasilania łagodny start pamięć i zarządzanie awariami zmiana (nastawa) sygnału
odniesienia zmiana zasady sterowania złożone techniki sterowania (np.
PWM z modulacją częstotliwości) cyfrowa implementacja pętli
sprzężenia zwrotnego
komunikacja z innymi blokami i użytkownikiem
pomiar wartości skutecznej, mocy
czynnej, współczynnika zniekształceń
prędkości, momentu obrotowego kompensacja współczynnika mocy minimalizacja zniekształceń
harmonicznych minimalizacja zaburzeń wysokiej
częstotliwości funkcje pomocnicze
chłodzenie – sterowanie wentylatorem
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 27
Poziom 1Sterowanie włącz-wyłącz
Funkcje start-stop tryb niskiego poboru
energii zarządzanie wieloma
odbiornikami pamięć awarii, watchdog,
zarządzanie awariami komunikacja zabezpieczenia termiczne
Sprzęt przetwornica z własnym
sterownikiem analogowym prosty mikrokontroler
oddziałujący poprzez wejścia typu włącz-wyłącz
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 28
Poziom 2Sterowanie proporcjonalne
Funkcje sterowanie napięciem
wyjściowym ograniczenia prądowe,
napięciowe, temperaturowe łagodny start i kontrolowane
zatrzymanie sterowanie chłodzeniem
Sprzęt przetwornica z własnym
sterownikiem analogowym średnio prosty mikrokontroler
przebieg impulsowy (PWM/CCP) podawany na wejście typu zezwalającego
pomiar (ADC, SPI/I2C)
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 29
Funkcje przełączanie topologii
kompensatora przełączanie zasady sterowania
i rodzaju sprzężenia zwrotnego (np. przy małym obciążeniu)
zmiana częstotliwości przełączania
realizacja sprzężenia zwrotnego
Poziom 3Sterowanie wewnątrz topologii przekształtnika
Sprzęt wewnętrzny generator-
modulator (PWM) wewnętrzne zasoby analogowe lub zewnętrzne układy dedykowane
(przetworniki A/C, wzmacniacze operacyjne, komparatory, oscylator, źródło napięcia odniesienia)
zewnętrzny sterownik bramki
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 30
Poziom 4Sterowanie w pełni cyfrowe (1)
Funkcje bardziej złożone funkcje
z niższych poziomów przekształtniki wielostopniowe cyfrowa (programowa)
implementacja sprzężenia zwrotnego
sterownik PI(D) lub inne algorytmy sterowania
zaawansowane pomiary korektory współczynnika
mocy (avg, rms, λ, dh, i(k)) falowniki (v(k), dh)
szczególne sprzężenia zwrotne śledzenie punktu
maksymalnej mocy (energia słoneczna)
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 31
Poziom 4Sterowanie w pełni cyfrowe (2)
Sprzęt – zwykle procesory DSP / mikrokontrolery sygnałowe DSC
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 32
Poziom 4Sterowanie w pełni cyfrowe (3)
Współpraca mikrokontrolerów DSC – wielostopniowy przekształtnik z izolacją galwaniczną
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 33
Rodziny mikrokontrolerów MicroChip dedykowane do zastosowań w elektronice mocy
Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 34
Sugerowane aplikacje różnych rodzin mikrokontrolerów firmy MicroChip