Základní pojmy z oboru výkonová elektronika

Transkript

1 Základní pojmy z oboru výkonová elektronika prezentace k přednášce 2013 Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/ Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

2 výkonová elektronika obor, který se zabývá přeměnou nebo spínáním elektrického výkonu s jeho řízením nebo bez řízení. Přitom přeměna znamená změnu jedné nebo více charakteristických veličin výkonového systému prostřednictvím elektronických spínacích součástek bez značnější ztráty výkonu zařízení výkonové elektroniky provozní jednotka elektronické výkonové přeměny, zpracovává elektrický výkon ze vstupu (zdroj elektrického výkon, elektrická síť, akumulátor, ultrakapacitor) na výstup (spotřebič), kde má elektrický výkon požadované elektrické parametry. Obsahuje jednu nebo více elektronických spínacích součástek transformátorů a filtrů zkrácený název měnič výuky technických předmětů 2

3 základní rozdělení měničů podle typu vstupního a výstupního proudu výuky technických předmětů 3

4 Energetická účinnost měniče energie ztracená přenosem ze vstupu na výstup se mění v teplo účinnost: P U in out S P U I Z S I Z P Z P P P out in in P out výuky technických předmětů 4

5 Způsoby řízení výkonu spojitý (lineární) snížení napětí na zátěži zařazením sériového rezistoru (reostat nebo přepínání, případně lineární tranzistor) v režimu regulace velké ztráty na elektronickém obvodu vhodné pro malé výkony jednoduché pro konstrukci a řízení U Z U S U R P I R Z U R výuky technických předmětů 5

6 Způsoby řízení výkonu spínaný (impulzní) periodické připínání zátěže použití pulzně-šířkové modulace PWM konstantní frekvence střída D t1 D T t 1 t1 t 2 f 1/T výuky technických předmětů 6

7 Řízení výkonu výkonová elektronika - úvod přerušováním zastavení proudu (ne pro induktivní zátěže!) komutací přenesení proudu z jedné větve na jinou větev výuky technických předmětů 7

8 Komutace soubor jevů při přechodu proudu v měniči z jedné vodivé větve na jinou větev spojenou v jeden společný uzel, aniž by byl na výstupu z uzlu přerušen tok proudu vnější vedení komutace komutace způsobená změnou vně měniče, přerušení odebíraného proudu, přechod proudu z kladné do záporné půlvlny síťová komutace usměrňovač,střídavý měnič vlastní vedení komutace komutace je způsobená spínáním a rozpínáním řídících prvků měniče střídače, měniče, Přerušování ukončení toku proudu ve větvi bez komutace (přenesení proudu jinam), při induktoru v sérii se spínačem při vypnutí vysoké napětí na pólech spínače výuky technických předmětů 8

9 PWM harmonický rozbor PWM je neharmonický periodický průběh obsahuje stejnosměrnou složku a vyšší harmonické složky SS roste lineárně se střídou U D U M harmonické složky změna podle střídy, maximum: 2U M U Mn n měniče se doplňují filtry, aby se vyšší harmonické potlačily 0 výuky technických předmětů 9

10 Kvadranty funkce měniče tok energie, polarita jednokvadrantový lineární měniče, základní stejnosměrné měniče dvoukvadrantový 1. opačný tok energie při brzdění 1. napěťový měnič 2. opačný tok energie při reverzaci otáček 1. proudový měnič čtyřkvadrantový universální měnič (nejsložitější) výuky technických předmětů 10

11 spínací prvky v měničích mechanický spínač ruční spínač, relé, stykač výhody proudová a napěťová přetížitelnost, případná opravitelnost, nízký úbytek napětí při proudu (nízké propustné ztráty), optická kontrola sepnutí (možnost) nevýhoda pomalý ( s), nízké množství spínacích cyklů ( ), obtížné elektronické ovládání, nákladné polovodičový spínač tranzistor, tyristor, dioda výhody rychlost ( s), >10 9 cyklů, elektronické ovládání, nižší cena (obdobné parametry proud, napětí) nevýhody při přetížení se snadno zničí a nejde opravit, úbytek napětí v propustném směru (tepelné ztráty) výuky technických předmětů 11

12 ideální spínač výkonová elektronika - úvod stav vypnuto (závěrný stav,stav vysoké impedance) neomezená napěťová odolnost (velikost, polarita) nulový svodový proud (bez závěrných ztrát) stav zapnuto (propustný stav, stav nízké impedance) proud bez omezení (velikost polarita) nulový sériový odpor (úbytek napětí, ztráty spínání, vypínání bez doby zpoždění okamžitě po sepnutí má všechny parametry (neomezený proud, neomezené napětí, nulový svod, nulový úbytek napětí) výuky technických předmětů 12

13 reálný spínač (polovodičový, mechanický) stav vypnuto (závěrný stav) omezené blokovací nebo závěrné napětí, mění se s teplotou, svodový proud polarita stav zapnuto (propustný stav) omezený proud při sepnutí (v souvislosti s úbytkem, výkonovými ztrátami a omezenou teplotou, v souvislosti s konstrukcí omezení shora i zdola) úbytek napětí (vznik výkonových ztrát, omezení při konstrukci nízkovoltových výkonových obvodů) polarita spínání vypínání časové zpoždění procesu vůči řídícímu signálů změna probíhá určitou dobu po změně trvá jistou dobu, než spínač dosáhne optimálních parametrů (nízký úbytek napětí, plné blokovací napětí, odolnost vůči opětovnému sepnutí nebo vypnutí) výuky technických předmětů 13

14 popis práce spínače časový průběh funkce napětí a proudu v časové oblasti základní popis, někdy nepřehledné výstupní voltampérová charakteristika vodorovná osa napětí svislá osa proud zobrazení pracovního bodu, SOA, mezní výkon, trajektorie spínání výuky technických předmětů 14

15 charakter spínání výkonová elektronika - úvod průběh napětí a proudu na spínači měkké spínání - malé spínací ztráty, složitý obvod, malé rušení tvrdé spínání - velké spínací ztráty, velké rušení, jednoduchý obvod výuky technických předmětů 15

16 charakter spínání znázornění na výstupní voltampérové charakteristice výuky technických předmětů 16

17 zvláštní typy spínání rezonanční vnější rezonanční obvod zajistí měkký charakter spínání s komutačním obvodem vnější obvod zpozdí náběh napětí nebo proudu po vypnutí - tyristorové stejnosměrné měniče s vnější komutací výkonová elektronika - úvod změna polarity zdroje způsobí zapnutí nebo vypnutí dioda, tyristor, triak výuky technických předmětů 17

18 Literatura ČSN EN (351530) Polovodičové měniče - Všeobecné požadavky a měniče se síťovou komutací - Část 1-1: Stanovení základních požadavků výuky technických předmětů 18

19 výuky technických předmětů Děkuji za pozornost Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.