T45 Układy energoelektroniczne sterowanie napędem.

Układy energoelektroniczne Układ energoelektroniczny (nazywany układem przekształtnikowym) jest elementem pośredniczącym pomiędzy źródłem a użytkownikiem energii elektrycznej (przekształca źródło zasilania w sterowane źródło wyjściowe). Jego wielkością wejściową jest energia elektryczna o ściśle określonych parametrach (prąd, napięcie, amplituda, częstotliwość), pobierana z zewnętrznego źródła zasilającego przekształtnik a wielkością wyjściową energii elektrycznej o parametrach regulowanych zgodnie z wymaganiami użytkownika. Zakres zastosowania urządzeń i elementów energoelektronicznych jest obecnie bardzo szeroki Obejmuje praktycznie większość dziedzin elektroniki w przemyśle, handlu, transporcie, energetyce, telekomunikacji, gospodarce komunalnej oraz w urządzeniach elektrycznych powszechnego użytku w gospodarstwach domowych.

Układy energoelektroniczne Jako najczęściej występujące dziedziny zastosowań urządzeń energoelektronicznych można wymienić: - regulowane napędy z silnikami prądu stałego i przemiennego, - zasilanie urządzeń elektrotermicznych (głównie jako statyczne przemienniki częstotliwości w nagrzewaniu indukcyjnym), - zasilanie urządzeń oświetlenia elektrycznego, - kompensacja mocy biernej i ograniczanie wahań napięcia w sieciach, - zasilanie urządzeń pokładowych samolotów za pomocą lokalnej sieci specjalizowanej 400 Hz, - zasilanie urządzeń spawalniczych i galwanotechnicznych, - zasilanie urządzeń trakcji elektrycznej (napędy i podstacje zasilające), - układy rezerwowego (bezprzewodowego) zasilania prądu przemiennego 50 Hz stosowane głównie w sieciach komputerowych, w telekomunikacji i w medycynie - stabilizowane źródła napięcia i prądu. Urządzenia energoelektroniczne przekształcają energię elektryczną w energię elektryczna o parametrach właściwych dla danego odbiornika często są zwane przekształtnikami energoelektronicznymi.

Przekształtniki Przekształtnikami nazywamy urządzenia energoelektroniczne służące do przekształcania energii elektrycznej o parametrach charakteryzujących źródło zasilania (u1, i1,f1), na energię elektryczną o parametrach regulowanych (u2,i2, f2), zgodnie z wymaganiami urządzeń odbiorczych. Przekształcenie energii elektrycznej realizuje się przy pomocy zaworów tyrystorowych lub tranzystorowych. W przekształtnikach są stosowane: zawory niesterowane (diody), półsterowane (tyrystory klasyczne), w pełni sterowalne (tyrystory typu GTO, IGBT). Zewnętrzny sygnał sterujący jest przetwarzany w specjalnym bloku - zwanym sterownikiem (generatorem impulsów wyzwalających) - w zbiór sygnałów sterujących poszczególnymi zaworami i funkcjonalnie stanowi integralną część przekształtnika. Urządzenie energoelektroniczne jest złożone z kilku zespołów funkcjonalnych: przekształtnika, pulpitu sterowania i obiektu regulacji (urządzenie odbiorcze, np. silnik napędowy lub inny odbiornik energii). Uproszczony schemat blokowy przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Zespoły funkcjonalne urządzenia energoelektronicznego.

Przekształtniki W przypadku prądów przemiennych przekształtniki dzielimy na układy jednofazowe, trójfazowe, lub wielofazowe. Główny podział rozróżnia źródła prądu stałego (DC) i źródła prądu przemiennego (AC). Zarówno po stronie zasilania jak i po stronie obciążenia możemy mieć napięcie albo prądy stałe lub przemienne. Różnego rodzaju podziały źródeł energii elektrycznej determinują różne podziały przekształtników. Rodzaje przekształtników energoelektronicznych 1) Prostowniki (AC/DC) 2) Przetworniki prądu stałego (DC/DC)(ang. Choppery) 3) Falowniki (DC/AC) 4) Przekształtniki prądu przemiennego (AC/AC): - bezpośrednie - cyklokonwertory, - pośrednie - przemienniki. Inne kryteria charakteryzujące przekształtniki, to podział: a) ze względu na sposób przekształcania energii elektrycznej: - pośrednie (np. przemienniki częstotliwości), - bezpośrednie (np. prostowniki) b) ze względu na budowę: - proste, - złożone (szeregowe, równoległe), c) ze względu na kierunek przepływu prądu i energii, zwrot napięcia: - nawrotne i nienawrotne, - odzyskowe i nieodzyskowe).

Prostowniki AC/DC Prostowniki to układy energoelektroniczne, zasilane napięciami sinusoidalnymi jednofazowymi lub trójfazowymi. Służą do przekształcania napięć przemiennych w napięcie stałe (jednokierunkowe). Napięcie stałe składa się z odpowiednich wycinków napięć sinusoidalnych zasilających prostownik. Od liczby impulsów napięcia i prądu wyprostowanego przypadającej na okres napięcia przemiennego linii zasilającej prostownik wywodzą się nazwy prostowników, np. prostownik impulsowy oznacza, iż na jeden okres napięcia przemiennego wejściowego przypada impulsów napięcia wyjściowego. 1) Układy prostownikowe można podzielić na: a) niesterowane (diodowe). b) sterowane (z tyrystorami SCR) 2) W obydwu powyższych grupach można dokonać podziału uwzględniającego sposób zasilania i topologię układu na: a) jednofazowe (jedno i dwupulsowe) b) trójfazowe (trójpulsowe, sześciopulsowe, wielopulsowe)

Prostowniki AC/DC W prostownikach sterowanych zasilające napięcia przemienne są doprowadzane do odbiornika prądu stałego poprzez tyrystory, w ściśle określonych przedziałach czasu. Sterując fazowo tyrystory uzyskuje się bezstopniową regulację napięcia i prądu wyprostowanego. W zależności od wartości kąta załączania tyrystorów oraz od rodzaju odbiornika prostowniki sterowane mogą przekazywać energię w kierunku od linii zasilającej do odbiornika (stan pracy prostownikowej), lub w kierunku przeciwnym (stan pracy falownikowej). Schematy blokowe przekształtnika znajdującego się w stanie pracy prostownikowej i falownikowej przedstawiono na rys. 2. Rys. 2a. Stany pracy prostownikowej, 2b. Stan pracy falownikowej

Falowniki Falownikami nazywamy urządzenia energoelektroniczne, których zadaniem jest przetwarzanie prądów i napięć stałych na przemienne (DC/AC). Falowniki stosowane są głównie do zasilania: - regulowanych napędów elektrycznych (ASD), - zasilaczy bezprzerwowych (UPS), - statycznych kompensatorów mocy biernej (SVC), - filtrów aktywnych (AF), - elastycznych systemów przesyłu energii (FACTS). Ze względu na ilość faz napięcia/prądu wyjściowego falowniki dzielimy na : a) falowniki jednofazowe b) falowniki trójfazowe c) falowniki wielofazowe o dowolnej ilości faz (specjalnego przeznaczenia) Ze względu na rodzaj źródła zasilania falowniki dzielimy na: a) napięciowe b) prądowe.

Falowniki napięciowe (VSI) Źródłem energii wejściowej w falowniku napięciowym jest naładowany kondensator (E = CU2/2) dzięki czemu napięcie wyjściowe jest ciągiem impulsów prostokątnych o regulowanej szerokości, a prąd wyjściowy dla obciążenia typu RL ma kształt quasisinusoidalny. W tego rodzaju falownikach podstawowymi przyrządami energoelektronicznymi są elementy w pełni sterowalne. Falowniki napięciowe są obecnie najczęściej stosowanymi układami energoelektronicznymi. Źródłem energii wejściowej w falowniku prądowym jest dławik z płynącym prądem (E = LI2/2). Prąd wyjściowy jest ciągiem impulsów prostokątnych o regulowanej szerokości, a napięcie wyjściowe dla obciążenia rezystancyjno – indukcyjnego jest quasisinusoidalne. W falownikach prądowych można stosować zarówno tyrystory SCR jak i elementy w pełni sterowalne. Zastosowanie tego typu falowników obejmuje przede wszystkim grupę napędów elektrycznych średniej mocy.

Przetworniki prądu stałego na prąd stały (DC/DC - Choppery) Przetwornikami prądu stałego na prąd stały DC/DC nazywamy układy energoelektroniczne przetwarzające nieregulowane wejściowe napięcie stałe na unipolarne napięcie wyjściowe o regulowanej wartości średniej. Przetworniki tego typu mają szerokie zastosowanie jako zasilacze impulsowe i regulowane trakcyjne napędy prądu stałego. Przyrządami energoelektronicznymi wykorzystywanymi w przetwornikach typu DC/DC są elementy w pełni sterowalne. Przetworniki DC/DC można podzielić, w zależności od funkcji przetwarzania, na: - Przetworniki DC/DC obniżające napięcie (Buck Converter) - w tych układach regulowana średnia wartość napięcia wyjściowego jest mniejsza lub równa wartości stałego napięcia wejściowego. - Przetworniki DC/DC podwyższające napięcie (Boost Converter) - w tego typu układach możliwe jest uzyskiwanie napięcia wyjściowego o wartości średnie większej niż stałe napięcie wejściowe. - Przetworniki DC/DC podwyższające i obniżające napięcie (Buck-Boost, Flyback,Ćuk Converters); układy tego typu łączą cechy dwu poprzednich grup, umożliwiając zarówno obniżanie jak i podwyższanie napięcia wyjściowego ponad wartość napięcia wejściowego. - Wielokwadrantowe przetworniki DC/DC - kłady te umożliwiają dwustronny przepływ energii elektrycznej dla odbiorników typu RLE. - Transformatorowe, wysokoczęstotliwościowe przetworniki DC/DC - stosowane głównie w zasilaczach impulsowych małej mocy (do 1 kW). Dzięki bardzo wysokim częstotliwościom przełączania (nawet rzędu 1 MHz) wymagają zastosowania małogabarytowych transformatorów. Ten rodzaj przetworników DC/DC ma najszersze zastosowania. Przetworniki DC/DC charakteryzują się tym, że energia jest przekazywana pomiędzy źródłem zasilania a odbiornikiem tylko w jedną stronę, natomiast przetworniki wielokwadrantowe są zdolne do przekazywania energii w obie strony.

Układy przekształtnikowe - energoelektroniczne przekazują energię elektryczną między dwoma obwodami różniącymi się częstotliwością oraz wartościami napięć i prądów