F1: Introduktion till Kraftelektronik

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Definition av kraftelektronik

Den enegelska motsvarigheten till kraft elektronikär “Power electronics”. På Wikipedia kan man hitta följande definition:“Power electronics is the application of solid-state electronics for the control and conversion of electric power.”En sådan definition säger inte mycket om ämnet!

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Ändra spänning och frekvens

• Seriereglering– Stor effektförlust

• Transformator– Fungerar bara för växelspänning– Ändrar inte frekvensen

• Roterande omformare– Fast förhållande mellan f1 och f2– Mekaniskt slitage

• Lösning– Kraftelektronik…

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Vad vill man åstadkomma med kraftelektronik?

• Man vill höja verkningsgraden!• Inte så mycket av miljöhänsyn (dvs spara energi)!• Snarare för att minska värmen man måste kyla bort!

• En annan stor fördel är att transformatorerna (i de fall där galvanisk separation behövs) kan göras väldigt mycket mindre än vid 50 Hz.

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

nVar används det?

• Elmotordriftpumpar, fläktar, kranar, tåg, elbilar

• KraftsystemHVDC, sol/vindkraft, reaktiv effektkompensering, aktiv filtrering

• StrömförsörjningTV apparater, datorer, batteriladdare, UPS

och på många andra ställen…

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Switchat slutsteg?

• Kraftelektronisk omvandlare baseras alltså på fasta tillståndets elektronik (solid state electronics) alltsåhalvledare!

• Inom kraftelektronik arbetar halvledarna dock inte i linjära området utan som switchar dvs ”av” (off) eller ”på” (on)

• För en bipolär-transistor (BJT) innebär off strypt (cut-off) • För en BJT innebär on bottnad (saturated)• I schema ritas ofta halvledarna som brytare

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Verkningsgraden hos ett Switchat slutsteg

• Maximal verkningsgrad hos ett linjärt slutsteg: η < 78.5%• Typisk verkningsgrad hos en industriell frekvensomriktare

med Pn >10 kW: η > 98 %• ABB HVDC-Classic omformarstation (baserad på

tyristorteknik): η > 99.3 %• ABB HVDC-Light omformarstation (baserad på

transistorteknik): η > 98.7 %

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Vad tas upp i kursen?

• Kraftelektroniska grundkretsar som likriktare, switchadenätaggregat, likspänningsomvandlare och växelriktare

• Krafthalvledare som dioder, tyristorer och transistorer• Halvledarförluster och kylning• Skyddskretsar för krafthalvledare (snubbers)• Drivkretsar för krafthalvledare• Passiva komponenter som induktorer, transformatorer och

kondensatorer

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

nKlassificering av omvandlare

• Likriktare (eng. rectifier eller AC-DC converter): Omvandling från växelspänning till likspänning

• Likspänningsomvandlare (Eng. DC-DC converter): omvandling från en likspänningsnivå till en annan

• Växelriktare (eng. inverter eller DC-AC converter): Omvandling från likspänning till växelspänning

Det är vanligt att en omvandlare består av flera omvandlingssteg tex först en likriktare och därefter en växelriktare.

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Exempel: Switchat nätaggregat

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

nDe viktigaste komponenterna i

Kraftelektronik

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Induktans och Kapacitans

2

21

LL LIW = 2

21

CC CVW =

dtdvCi c

c =dtdiLv L

L =

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Dioden

”Till” / ”från” bestäms av kretsen

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Transistorn

• Styrbar, en stor ström kan styras med en liten ström eller spänning

• Linjär förstärkare, ”variabel resistans”

• Till / från, ”strömbrytare utan rörliga delar”

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

• Strömstyrd, basströmmen styr kollektorströmmen

• Strömförstärkningsfaktor hFE

Bipolär transistor (BJT)

CBE

FEBC

IIIhII+=⋅=

bas

kollektor

emitter

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

• Spänningsstyrd• Används till till/från styrning• MOSFET

• IGBTKombination av bipolär och fälteffekt transistorAnvänds vid högre effekter

Fälteffekttransistor

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Transistoreri verkligheten

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Mellanled: Kretsen mellan omvandlingsstegen

• Ett spänningsstyvt mellanled har en kapacitiv karaktär• Ett strömstyvt mellanled har en induktiv karaktär• Detta kommer sig av att för en kondensator så är

spänningen ett mått på den upplagrade elektriska energin och för en induktor är strömmen ett mått på den upplagrade elektriska energin.

energilager energilager energilager

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

nMellanledets karaktär (I)

Eftersom halvledarna arbetar som switchar behöver man ett filter på utgången. Om mellanledet är kapacitivt försöker man göra filtret induktivt och vice versa. Om man försöker switcha två kapacitiva system mot varandra så får man en situation som kan beskrivas som:

vC1+ vC2

+

När man sluter switchen S så kommer strömmen att bli väldigt hög om spänningarna är olika stora eftersom:

dtdvCiC =

vilket troligtvis innebär att något går sönder!

S

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Mellanledets karaktär (II)Motsvarande gäller om man försöker switcha två induktiva system mot varandra. I detta fall blir spänningen väldigt hög om induktansernas strömmar är olika höga. Det går bra att sluta switchen S om man kopplar in en induktor som nedan

MEN – när man öppnar switchen S så bryter man en induktiv ström! Detta är olämpligt eftersom

dtdiLv L

L =

vilket betyder att spänningen blir väldigt hög och switchen S troligtvis går sönder!

vC1+ vC2

+S L

iL

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

nMellanledets karaktär (III)

Detta problem löser man genom att ansluta en frihjulsdiod (eng. free-wheeling diode) enligt nedan:

När man öppnar switchen S så finner strömmen iL en alternativ väg genom frihjulsdioden D.

vC1+ vC2

+S L

iL

D

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Switchning

• Vi vill sänka medelspänning och medelström• Jämför: Hur regleras temperatur i ett hus?

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

nSwitchning

Sänk medelspänning och medelström

Ljusreglering HusuppvärmningSpänning Tillförd effekt Ström Temperatur

0=−− LudtdiLu

( )∫ −= dtuuL

i L1

dtdiLuu L =−

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

LikriktareOfta har man nätspänning som måste likriktas

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

nEnfasig diodlikriktare (I)

- Halvvågslikriktaren med resistiv lastIntegrera över en period och dividera med periodtiden:

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Enfasig diodlikriktare (II)- Halvvågslikriktaren med RL-last

Induktansens spännings-tidytanoll över en period→ medelströmmen konstant

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

nEnfasig diodlikriktare (III)

- Helvågslikriktaren med resistiv lastIn

dust

rial E

lect

rical

Eng

inee

ring

and

Aut

omat

ion

Enfasig diodlikriktare (IV)- Helvågslikriktaren C-utgångsfilter

Klarar ofta inte kraven när det gäller övertonsström från nätet

Kondensatorn filtrerar spänningen

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

nEnfasig diodlikriktare (V)

- Helvågslikriktaren med LC-utgångsfilter

Viktigaste enfasiga likriktaren!

Indu

stria

l Ele

ctric

alE

ngin

eerin

gan

d A

utom

atio

n

Sammanfattning

2

21

LL LIW =

2

21

CC CVW =

dtdvCi c

c =

dtdiLv L

L =Spänningen över en induktans kan skrivas:

Strömmen i en kondensator kan skrivas:

Ström i en induktans motsvarar energi:

Spänning i en kondensator motsvarar energi:

En switchad omvandlare har lägre förluster än en linjär

Medelspänningen kan sänkas genom att switcha

Medelspänningen från en likriktarbrygga fås genom att integrera över en period och dividera med periodtiden