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