Cyfroteka.pl

klikaj i czytaj online

Cyfro
Czytomierz
00128 003532 12433119 na godz. na dobę w sumie
Poradnik inżyniera energoelektronika. Tom 1 - ebook/pdf
Poradnik inżyniera energoelektronika. Tom 1 - ebook/pdf
Autor: , Liczba stron:
Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN Język publikacji: polski
ISBN: 978-83-01-18550-3 Data wydania:
Lektor:
Kategoria: ebooki >> naukowe i akademickie >> inżynieria i technika
Porównaj ceny (książka, ebook, audiobook).

W książce przedstawiono wiedzę o:
- zjawiskach fizycznych zachodzących w elementach obwodów energetycznych,
- oddziaływaniach przekształtników na źródła zasilania,
- metodach i układach sterowania,
- konstrukcji urządzeń energoelektronicznych,
- metodach projektowania wspomaganego komputerowo,
- obsłudze i naprawie urządzeń energoelektronicznych,
- wymaganiach środowiskowych i kompatybilności urządzeń,
- przepisach prawnych i normach technicznych.
Poradnik przeznaczony jest dla szerokiego grona specjalistów energetyków, elektroników i energoelektroników, a także studentów uczelni technicznych kształcących w zakresie projektowania i konstruowania urządzeń energoelektronicznych. Będzie też przydaną pomocą w pracy działów energetycznych większości firm produkcyjnych.
Plik pdf ma postać skanów co uniemożliwia przeszukiwanie tekstu.

Znajdź podobne książki Ostatnio czytane w tej kategorii

Darmowy fragment publikacji:

Trudno obecnie wyobrazić sobie procesy związane z wytwarzaniem i użytkowaniem energii elektrycznej bez udziału energoelektroniki. Obszar jej zastosowań rozciąga się niemal na wszystkie gałęzie przemysłu, informatykę, transport, komunikację, rolnictwo, a także produkcję sprzętu medycznego oraz urządzeń powszechnie wykorzystywanych w gospodarstwach domowych. W niniejszym Poradniku zostały przedstawione główne zasady, na podstawie których analizuje się, projektuje, buduje i eksploatuje urządzenia energoelektroniczne. W przystępny sposób omówiono najważniejsze zagadnienia dotyczące obwodów energetycznych i sterujących, zastępując skomplikowane analizy matematyczne opisowymi wyjaśnieniami o charakterze syntetyzującym. W takiej formie przedstawiono m.in. wiedzę o: ■ zjawiskach fizycznych zachodzących w elementach obwodów energetycznych ■ oddziaływaniach przekształtników na źródła zasilania ■ metodach i układach sterowania ■ konstrukcji urządzeń energoelektronicznych ■ metodach projektowania wspomaganego komputerowo ■ obsłudze i naprawie urządzeń energoelektronicznych ■ wymaganiach środowiskowych i kompatybilności urządzeń ■ przepisach prawnych i normach technicznych. Poradnik przeznaczony jest dla szerokiego grona specjalistów – energetyków, elektroników i energoelektroników, a takźe studentów uczelni technicznych kształcących w zakresie projektowania i konstruowania urządzeń energoelektronicznych. Będzie też przydatną pomocą w pracy działów energetycznych większości firm produkcyjnych. t. 1 t. 1–2 ł M e c z y s a w N o w a k i R o m a n B a r l i k P o r a d n i k i n ż y n i e r a e n e r g o e l e k t r o n i k a 1 Mieczysław Nowak Roman Barlik Poradnik inżyniera energoelektronika 1 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Wydawnictwo WNT Poradnik inżyniera energoelektronika ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Dr inż. Mieczysław Nowak jest adiunktem w Instytucie Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej. Jego głównym obszarem zainteresowania są przekształtniki dla potrzeb energetyki oraz zasilania maszyn elektrycznych, a także badanie właściwości nowoczesnych przyrządów półprzewodnikowych. Z tego zakresu opublikował samodzielnie lub jako współautor ponad 130 artykułów i referatów oraz uzyskał 28 patentów. Uczestniczył w realizacji ok. 50 projektów przemysłowych i grantów badawczych.W latach 1996–2010 był dyrektorem Centrum Promocji Badań z zakresu Energoelektroniki PW, w którym zorganizował kilkadziesiąt kursów i ogólnopolskich seminariów naukowych oraz popularyzatorskich. Przez wiele lat pełnił funkcję kierownika laboratoriów badawczych i dydaktycznych Instytutu Sterowania i Elektroniki Przemysłowej PW. Spędził łącznie 3 lata na stażach w firmach przemysłowych i uniwersytetach Europy Zachodniej. Prof. dr hab. inż. Roman Barlik jest profesorem zwyczajnym na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej. Zajmuje się teorią oraz projektowaniem układów energoelektronicznych służących do przekształcania energii prądu stałego i przemiennego w zastosowaniach energetycznych i napędowych, a także badaniami nad wprowadzaniem nowych technologii półprzewodnikowych w obszarze energoelektroniki. Jest autorem lub współautorem kilku monografii i podręczników, a także blisko 200 publikacji naukowych i 30 patentów, z których część została wykorzystana w licznych projektach przemysłowych oraz badawczych, finansowanych m.in. przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Jest członkiem Komitetu Elektrotechniki oraz Sekcji Napędu Elektrycznego i Energoelektroniki Polskiej Akademii Nauk, Polskiego Towarzystwa Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej, Polskiego Towarzystwa Pojazdów Ekologicznych, Międzynarodowego Stowarzyszenia Inżynierów Elektryków i Elektroników IEEE (Senior Member) i Stowarzyszenia Elektryków Polskich. Łącznie blisko 2 lata przebywał na stażach naukowych w zagranicznych uniwersytetach technicznych, m.in. w Aachen, Berlinie, Kolonii, Brukseli. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Mieczysław Nowak Roman Barlik Poradnik inżyniera energoelektronika 1Wydanie drugie zmienione Wydawnictwo WNT ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Opiniodawcy I wydania: doc. dr inż. Janusz Wdowiak Redaktor II wydania: inż. Lech Oleksiak Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski Wydawca: Adam Filutowski Skład i łamanie: Marta Jeczeń-Bańkowska Współpraca reklamowa: reklama@pwn.pl Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możeszudostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty. Szanujmy cudzą własność i prawo Więcej na www.legalnakultura.pl Polska Izba Książki Copyright © by Wydawnictwo WNT Warszawa 1998, 2013 Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA Warszawa 2016 ISBN 978-83-01-18550-3 (t. 1) ISBN 978-83-01-18633-3 (t. 1–2) Wydanie II zmien. – 1 dodruk (PWN) Warszawa 2016 Wydawnictwo Naukowe PWN SA 02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2 tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288 infolinia 801 33 33 88 e-mail: pwn@pwn.com.pl www.pwn.pl Druk i oprawa: OSDW Azymut Sp. z o.o. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Spis treści Przedmowa _____________________________________________________________________________ 7 Wykaz ważniejszych oznaczeń _____________________________________________________ 11 Wstęp 1. ________________________________________________________________________________ 19 1.1. Wiadomości ogólne ....................................................................................................................... 19 1.2. Układy przekształtnikowe .......................................................................................................... 22 1.3. Elementy układów przekształtnikowych ............................................................................ 29 1.4. Układy sterowania urządzeń energoelektronicznych .................................................... 37 Zastosowania energoelektroniki ............................................................................................. 42 1.5. 1.6. Projektowanie, konstrukcja i obsługa urządzeń energoelektronicznych .............. 44 2. Układy przekształtnikowe __________________________________________________________ 47 2.1. Wiadomości ogólne ....................................................................................................................... 47 2.2. Przekształtniki prądu przemiennego o sterowaniu fazowym .................................... 48 2.2.1. Prostowniki i falowniki o komutacji sieciowej .................................................................. 49 2.2.1.1. Przekształtniki jednokierunkowe ....................................................................... 65 2.2.1.2. Przekształtniki dwukierunkowe .......................................................................... 71 2.2.1.3. Przekształtniki podwójne (nawrotne, rewersyjne) ..................................... 86 2.2.1.4. Współczynnik mocy ................................................................................................... 92 2.2.1.5. Prąd wejściowy przekształtników sieciowych .............................................. 99 2.2.2. Bezpośrednie przemienniki częstotliwości ..................................................................... 109 2.2.3. Sterowniki i łączniki prądu przemiennego ...................................................................... 117 2.2.3.1. Sterowniki jednofazowe ....................................................................................... 118 2.2.3.2. Sterowniki trójfazowe prądu przemiennego ............................................... 125 2.2.3.3. Łączniki tyrystorowe prądu przemiennego ................................................. 131 2.3. Falowniki niezależne ................................................................................................................. 133 2.3.1. Falowniki napięcia ...................................................................................................................... 135 2.3.1.1. Układy jednofazowe ............................................................................................... 136 2.3.1.2. Układy trójfazowe ................................................................................................... 151 2.3.2. Falowniki prądu ........................................................................................................................... 172 2.3.2.1. Układy jednofazowe ............................................................................................... 174 2.3.2.2. Układy trójfazowe ................................................................................................... 183 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 6 SPIS TREŚCI 2.4. Przekształtniki impulsowe ..................................................................................................... 203 2.4.1. Przekształtniki (sterowniki) napięcia i prądu stałego ............................................... 203 2.4.1.1. Przekształtniki prądu stałego obniżające napięcie .................................. 204 2.4.1.2. Przekształtniki prądu stałego podwyższające napięcie ......................... 212 2.4.1.3. Przekształtniki prądu stałego obniżająco-podwyższające .................... 217 2.4.1.4. Wielokwadrantowe przekształtniki prądu stałego .................................. 220 2.4.1.5. Przekształtniki prądu stałego o zwiększonej częstotliwości z transformatorami pośredniczącymi ............................................................ 228 2.4.2. Falowniki niezależne o sterowaniu impulsowym ........................................................ 244 2.4.2.1. Falowniki napięcia PWM ...................................................................................... 244 2.4.2.2. Falowniki prądu PWM ........................................................................................... 297 2.4.2.3. Falownik z obwodem wejściowym typu Z .................................................... 313 2.4.3. Impulsowe przekształtniki sieciowe .................................................................................. 316 2.4.3.1. 2.4.3.2. 2.4.3.3. Impulsowe przekształtniki sieciowe z wyjściowym obwodem napięcia lub prądu stałego .................................................................................. 316 Impulsowe sterowniki napięcia przemiennego ......................................... 333 Impulsowe bezpośrednie przemienniki częstotliwości ......................... 336 2.4.4. Układy do poprawy jakości energii elektrycznej .......................................................... 339 2.5. Przekształtniki rezonansowe ................................................................................................ 362 2.5.1. Równoległe rezonansowe falowniki prądu ..................................................................... 363 2.5.2. Szeregowe rezonansowe falowniki napięcia .................................................................. 368 2.5.3. Rezonansowe przekształtniki prądu stałego z obwodami pośredniczącymi ......................................................................................................................... 373 2.5.4. Bezpośrednie rezonansowe przekształtniki prądu stałego z przełączaniem przy zerowym prądzie (ZCS) i zerowym napięciu (ZVS) .............................................................................................................................. 377 Literatura ____________________________________________________________________________ 386 Skorowidz ___________________________________________________________________________ 396 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Przedmowa Trudno obecnie wyobrazić sobie procesy związane z wytwarzaniem i użytkowa- niem energii elektrycznej bez udziału energoelektroniki. Obszar jej zastosowań rozciąga się przez elektroenergetykę systemową i rozproszoną, na niemal wszyst- kie gałęzie przemysłu, informatykę, transport, komunikację, rolnictwo, a także produkcję sprzętu medycznego i szeroko pojętego sprzętu powszechnego użytku, stosowanego w gospodarstwach domowych. Zasadnicza rola urządzeń energoelek- tronicznych, polegająca na przekształcaniu wielkości opisujących energię elek- tryczną i sterowaniu jej przepływu, wiąże się z zapewnieniem odpowiedniej ja- kości energii optymalnej dla odbiornika z jednoczesnym zachowaniem wysokiej jakości energii pobieranej ze źródła lub magazynu. Nie do przecenienia są również możliwości, jakie stwarzają urządzenia energoelektroniczne w zakresie poprawy jakości energii i ciągłości jej dostawy. Można z pełnym przekonaniem stwierdzić, że energoelektronika jest podstawowym czynnikiem umożliwiającym tak ważne w trudnej sytuacji energetycznej świata oszczędne gospodarowanie energią. Poziom elektronizacji układów pobierających energię z sieci elektroenergetycznej, źródeł rozproszonych, a także magazynów – głównie baterii galwanicznych – jest wskaźnikiem nowoczesności tych układów. W takich krajach, jak USA, Japonia czy Niemcy ponad siedemdziesiąt procent energii elektrycznej jest przekształcane, przed przetworzeniem jej na inny rodzaj energii (ciepło, ruch, światło), przy użyciu układów energoelektronicznych. Układy te są budowane na moce od kilkunastu watów (np. przetwornice do zasilania lamp jarzeniowych) do kilkudziesięciu megawatów (np. wielkie napędy pomp), przy czym sumaryczna moc urządzeń małej mocy jest obecnie porównywalna z mocą pobieraną przez urządzenia wielkogabarytowe. Oce- nia się, że największy udział w łącznej mocy zainstalowanych urządzeń ma grupa urządzeń średniej mocy, tzn. mieszczącej się w przedziale od kilku do kilkuset kilowa- tów. Jak wiadomo, wysoka sprawność energetyczna przekształtników energoelektro- nicznych wynika ze stosowania do ich budowy półprzewodnikowych przyrządów mocy, tj. elementów dwustanowych o właściwościach bliskich łącznikowi idealnemu. Są one w stanie przewodzić prądy o natężeniu kilku kiloamperów, a w stanie wyłą- czenia blokować napięcia wynoszące kilka kilowoltów i – co ma szczególnie duże znaczenie dla nowej generacji układów przekształtnikowych – mogą być załączane lub wyłączane w czasie krótszym niż jedna mikrosekunda. Dzięki temu stało się moż- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 8 PRZEDMOWA liwe znaczne zwiększenie częstotliwości łączeń, a tym samym uzyskanie nowych właściwości przekształtników. Powstały układy, które w znacznie mniejszym stopniu oddziałują szkodliwie na sieć zasilającą, a nawet mogą niwelować szkodli- wy wpływ innych odbiorników, pełniąc funkcję tzw. filtrów aktywnych. Zwiększe- nie częstotliwości łączeń umożliwia zmniejszenie wartości parametrów i wymia- rów geometrycznych kondensatorów oraz elementów magnetycznych, dzięki czemu uzyskuje się polepszenie cech użytkowych urządzeń energoelektronicz- nych. Przekroczenie częstotliwości 15 kHz eliminuje, uciążliwe niekiedy, efekty akustyczne. Skracanie czasów przełączania pozwoliło na uproszczenie sposobu sterowania i zmniejszenie mocy sygnałów sterujących, co z kolei doprowadziło do udoskonalenia aktywnych metod zabezpieczenia elementów i całych urządzeń przekształtnikowych, które teraz bardzo rzadko ulegają uszkodzeniu. Funkcje sterowania w urządzeniach energoelektronicznych – mimo coraz większego stop- nia komplikacji – można urzeczywistniać, stosując specjalizowane i uniwersalne scalone układy analogowe i cyfrowe. W grupie tych ostatnich dominują oczywiście mikroprocesory, superszybkie procesory sygnałowe i mikrokontrolery. Chociaż zasadnicze problemy związane z konstrukcją urządzeń energoelektro- nicznych zostały rozwiązane, to nadal pozostają one w obszarze intensywnych badań, o czym świadczą setki artykułów publikowanych co roku w periodykach i materiałach konferencyjnych. Do jednych z trudniejszych i zarazem ciekawych zadań, przed którymi stoją twórcy urządzeń przekształcających energię elektrycz- ną – energoelektronicy – należy skojarzenie struktury i elementów obwodu ener- getycznego z układami mikroelektroniki o niezwykle bogatych funkcjach sterowa- nia i zabezpieczeń. Najnowsza technologia XXI wieku umożliwia łączenie obydwu tych części – struktur półprzewodnikowych mocy i obwodów mikroelektroniki sterującej – w monolicie jednej pastylki krzemu. W niniejszym Poradniku przedstawiono główne zasady, na podstawie których analizuje się, projektuje, a także buduje i eksploatuje urządzenia energoelektro- niczne. Jego pierwowzorem jest wydany w 1998 roku przez WNT Poradnik inży- niera energoelektronika, napisany przez tych samych autorów. Z uwagi na szybki rozwój zarówno nowych przyrządów półprzewodnikowych mocy, technologii materiałów magnetycznych, jak i mikroelektroniki oraz techniki mikroprocesoro- wej, materiał zawarty w niniejszym Poradniku jest w znacznym stopniu zmieniony. Ograniczono zakres informacji na temat układów budowanych z zastosowaniem klasycznych przyrządów półprzewodnikowych mocy, takich jak diody czy tyrysto- ry, poświęcając dużo miejsca najnowszym rozwiązaniom przekształtników reali- zowanych z elementów półprzewodnikowych sterowanych przy użyciu metod modulacji szerokości impulsów PWM, w tym głównie metod wektorowych. Dużo miejsca poświęcono zarówno układom do poprawy jakości energii elektrycznej, jak i zagadnieniom związanym z zastosowaniem techniki przekształtnikowej w obszarze uzdatniania energii pozyskiwanej z tzw. źródeł odnawialnych, a także z magazynów energii. Zamieszczono także w stosownym zakresie podstawy teore- tyczne, jak również wskazówki praktyczne dotyczące projektowania i realizacji ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== PRZEDMOWA 9 układów sterowania opartych na dostępnych układach scalonych i systemach procesorowych. Pisząc ten Poradnik, staraliśmy się w możliwie przystępny sposób zapoznać Czytelnika z najważniejszymi zagadnieniami dotyczącymi zarówno obwodów energetycznych, jak i sterujących, omijając skomplikowane analizy matematyczne na korzyść wyjaśnień opisowych i zależności o charakterze syntetyzującym, przy- datnych w projektowaniu i konstruowaniu kompletnych urządzeń energoelektro- nicznych. Ta syntetyczna forma przekazywania wiedzy o szerokim wachlarzu merytorycznym, dotyczącym np. zjawisk fizycznych, zachodzących w elementach obwodów energetycznych, oddziaływania przekształtników na źródła zasilania, metod i układów sterowania, konstrukcji urządzeń energoelektronicznych, metod projektowania wspomaganego komputerem, obsługi i napraw tych urządzeń, wymagań środowiskowych i kompatybilności, przepisów i odpowiednich norm, wynika stąd, że staraliśmy się dotrzeć do jak najszerszego kręgu odbiorców, którzy bardzo często szukają wiedzy skondensowanej i jednocześnie przystępnej. W Poradniku, oprócz podania licznych zasad umożliwiających rutynowe projekto- wanie, wskazaliśmy także odpowiednie pozycje bogatej literatury naukowo-tech- nicznej, ujętej w wykazie zamieszczonym na końcu książki. Zasadnicza część mate- riału dotyczy współcześnie budowanych, a także będących jeszcze przedmiotem badań eksperymentalnych najnowszych rozwiązań, obwodów energetycznych oraz systemów sterowania, realizowanych w przeważającej części z zastosowaniem tech- niki mikroprocesorowej. Obszerne przedstawienie najnowszych osiągnięć, będących w fazie koncepcyjnej i oczekujących na produkcję w skali przemysłowej ma na celu zapewnienie jak najdłuższego okresu aktualności wiedzy zawartej w Poradniku. Nie oznacza to, jak już wspomniano wcześniej, że zaniechaliśmy prezentacji jeszcze szeroko stosowanych przekształtników diodowych czy tyrystorowych, zaliczanych obecnie do klasycznych. Zalecenia, wskazówki, jak i inne założenia projektowe i eksploatacyjne podane w Poradniku są w pełni zgodne z najnowszymi wymaga- niami zawartymi w międzynarodowych normach IEC oraz w odpowiednich nor- mach krajowych. W wybranych fragmentach Poradnika przedstawiliśmy wyniki prac badawczych prowadzonych w Zakładzie Elektroniki Przemysłowej Instytutu Sterowania i Elek- troniki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej. Kolegom biorącym udział w tych pracach i służącym nam licznymi radami i wskazówkami serdecznie dziękujemy. AUTORZY ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 10 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Wykaz ważniejszych oznaczeń A A, B, C a a, b B BM, Br C Cr CC CP Cs Cz c D d dLN drbN, dxbN drN dx dxN — powierzchnia załamania komutacyjnego; powietrze jako czynnik chłodzą- cy; wartość szczytowa sygnału modulowanego — klasy odporności przekształtników — współczynnik wysterowania transformatorowych przekształtników DC/DC — współczynniki rozwinięcia funkcji w szereg Fouriera — indukcja magnetyczna; bramka lub baza elementu półprzewodnikowego; wartość szczytowa sygnału modulującego — indukcja magnetyczna: wartość maksymalna (nasycenia) i wartość rema- nencji — pojemność; kolektor tranzystora — pojemność gałęzi równoległej filtrów; pojemność obwodu rezonansowego — macierz transformacji Clarke — macierz transformacji Parka — pojemność gałęzi szeregowej filtrów — pojemność sprzęgająca — ciepło właściwe — moc odkształcenia, współczynnik wysterowania bezpośrednich przekształt- ników DC/DC — oznaczenie osi odciętych wirującego układu współrzędnych — zmiana napięcia wyprostowanego związana z impedancją sieci zasilającej (wartość względna w stosunku do Udi) — zmiany napięcia wyprostowanego spowodowane rezystancją i indukcyj- nością elementów przekształtnika, np. dławików sieciowych, aparatury zabezpieczeniowej i łącznikowej, przy znamionowym prądzie wyprosto- wanym (wartość względna w stosunku do Udi) — całkowita zmiana napięcia wyprostowanego spowodowana rezystancją przy znamionowym obciążeniu przekształtnika (wartość względna w sto- sunku do Udi) — komutacyjna zmiana napięcia wyprostowanego (wartość względna w sto- sunku do Udi) — całkowita zmiana napięcia wyprostowanego spowodowana indukcyjno- ścią linii zasilającej przy znamionowym obciążeniu (wartość względna w stosunku do Udi) diG/dt — stromość narastania prądu bramki ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 12 WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ — stromość narastania prądu wstecznego — stromość narastania wstecznego prądu bramki w tyrystorze GTO — stromość narastania prądu przewodzenia tyrystora — stromość narastania napięcia blokowania dirr/dt diRG/dt diT/dt (diT/dt)crit — krytyczna stromość narastania prądu przewodzenia tyrystora duD/dt (duD/dt)crit — krytyczna stromość narastania napięcia blokowania E Eo E, F E e F f fd fh fM fN fo fO fr fi fS fT G H Hc g h — wartość stałego napięcia źródłowego — napięcie źródłowe odbiornika prądu stałego — chłodzenie wymuszone — emiter tranzystora — wartość chwilowa napięcia źródłowego lub indukowanego — powierzchnia jednej strony radiatora; współczynnik prądu impulsowego — częstotliwość — częstotliwość tętnień prądu wejściowego falownika napięcia — częstotliwość składowych harmonicznych napięcia wyprostowanego — częstotliwość sygnału modulującego — częstotliwość znamionowa — częstotliwość napięcia lub prądu odbiornika — częstotliwość drgań własnych (swobodnych) obwodu rezonansowego — częstotliwość rezonansowa — częstotliwość impulsowania — częstotliwość łączeń — częstotliwość sygnału nośnego — gaz jako środek chłodzący, przewodność — natężenie pola magnetycznego — natężenie koercji materiału magnetycznego — — rząd harmonicznych napięcia wyprostowanego przekształtników wielo- liczba jednostek komutacyjnych pracujących równolegle Ia I(BO) ICO ICB0, IEB0 id, Id ID, iD IDRM Idh IdN IdmN IE IFG, IFGM IF(OV) IFSM IGD, IGT IH pulsowych — składowa niesymetryczna prądu zaburzeniowego — prąd przełączania — prąd zerowy kolektora — wsteczne prądy kolektora i emitera — prąd wyprostowany: wartość chwilowa i średnia; prąd wejściowy falow- nika prądu — prąd drenu; wartość ustalona i chwilowa; prąd diody — powtarzalny szczytowy prąd kolektora — amplitudy składowych harmonicznych prądu wyprostowanego — znamionowa wartość średnia prądu wyprostowanego — największa wartość ciągłego prądu stałego — prąd emitera — prąd przewodzenia bramki: wartość stała i szczytowa — przeciążeniowy prąd przewodzenia diody — niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia diody — prąd bramki: nieprzełączający i przełączający — prąd wyłączania (podtrzymywania przewodzenia) tyrystora ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 13 Ik ILN InL Is IT(OV) ITQRM ITQSM ITQT ITSM IV, IVN — wektor przestrzenny prądu wyjściowego falownika prądu w k-tym poło- żeniu — wartość skuteczna znamionowa prądu linii zasilającej — wartość skuteczna harmonicznej rzędu n prądu linii zasilającej — składowa symetryczna prądu zaburzeniowego — przeciążeniowy prąd przewodzenia tyrystora — powtarzalny szczytowy prąd wyłączalny tyrystora GTO — niepowtarzalny szczytowy prąd wyłączalny tyrystora — wartość początkowa prądu resztkowego (ogona prądowego) podczas wyłączania tyrystora GTO — niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia tyrystora — prąd uzwojenia po stronie zaworowej (wtórnej) transformatora prze- kształtnikowego: wartość skuteczna i skuteczna wartość znamionowa IP I2t i iB, IB iC, IC iE, IE iF, IF, IFM, IF(AV), IF(RMS) — prąd przewodzenia diody: wartość chwilowa, stała, szczytowa, śred- — stopień ochrony obudowy — parametr przeciążeniowy diody lub tyrystora — wartość chwilowa prądu — prąd bazy: wartość chwilowa i ustalona — prąd kolektora: wartość chwilowa i ustalona — prąd emitera: wartość chwilowa i ustalona iFU, iFV, iFW iG, IG, IGM ikU, ikV, ikW iL, IL, I1L nia i skuteczna — wartości chwilowe prądów wyjściowych trójfazowych falowników nieza- leżnych — prąd bramki tyrystora: wartość chwilowa, stała, szczytowa — prądy wyjściowe filtrów energoelektronicznych (aktywnych) — prąd linii zasilającej: wartość chwilowa, skuteczna i skuteczna podstawo- wej harmonicznej io, Ioav, Io, Iom — prąd odbiornika: wartość chwilowa, średnia, skuteczna i szczytowa iR, IR irr, IrrM iT, IT, ITM, IT(AV), IT(RMS) — prąd przewodzenia tyrystora: wartość chwilowa, stała, szczytowa, — prąd wsteczny: wartość chwilowa i stała — przejściowy prąd wsteczny diody: wartość chwilowa i szczytowa iw J j, k kCu, kFe km kp kR kU L Lb średnia i skuteczna — wartość chwilowa prądu wyrównawczego — gęstość prądu — — współczynniki wypełnienia uzwojenia miedzią i rdzenia materiałem magne- liczba naturalna tycznym — stopień wykorzystania napięcia wejściowego falowników niezależnych — współczynnik głębokości modulacji impulsowego bezpośredniego prze- miennika częstotliwości — wzmocnienie proporcjonalne regulatora — współczynnik proporcjonalności między wartością średnią napięcia wypro- stowanego a wartością skuteczną fazowego napięcia wejściowego prze- kształtnika — indukcyjność — indukcyjność dławika sieciowego ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 14 WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ L1, L2, L3 — zaciski fazowe linii zasilającej Ld Lk LL Lo Lt Lμ Lσ Lσ1, Lσ2 — indukcyjność dławika w obwodzie prądu wyprostowanego — indukcyjność obwodu komutacyjnego — indukcyjność linii zasilającej — indukcyjność odbiornika — wypadkowa indukcyjność rozproszenia transformatora — indukcyjność magnesująca — — indukcyjność rozproszenia uzwojenia pierwotnego i wtórnego transfor- indukcyjność połączeń w obwodach przekształtników lp Ł M ma mf mm mw N n O P PCu PFe PD, PR PDQ Pd Pdi PG PŁ Poff Pon PRQ PT PT(AV) PTT Ptot PE PEN p Q QC matora — długość szczeliny powietrznej — łącznik półprzewodnikowy — indukcyjność wzajemna — współczynnik głębokości modulacji amplitudy — współczynnik modulacji częstotliwości — indeks modulacji — współczynnik modulacji wektorowej — naturalny obieg czynnika chłodzącego; liczba zwojów; przewód neutralny — linii zasilającej liczba naturalna; przekładnia zwojowa transformatorów; rząd harmonicz- nej prądu — olej mineralny jako czynnik chłodzący — moc czynna; czynnik chłodzący przy chłodzeniu parowym — straty mocy w uzwojeniu z przewodów miedzianych — straty mocy w rdzeniu ferromagnetycznym — straty mocy w stanach: blokowania i zaworowym — straty mocy przy wyłączaniu tyrystora GTO — moc wyjściowa prostownika — moc umowna obwodu prądu stałego prostownika — straty mocy w bramce tyrystora — straty mocy przełączania (suma strat mocy przy załączaniu i wyłączaniu przyrządów półprzewodnikowych) — straty mocy przy wyłączaniu tranzystora — straty mocy przy załączaniu tranzystora — straty mocy przy wyłączaniu tyrystora — straty mocy w stanie przewodzenia przyrządu półprzewodnikowego — średnie straty mocy w stanie przewodzenia tyrystora — straty mocy przy załączaniu tyrystora — całkowite straty mocy w elemencie półprzewodnikowym — przewód ochronny — przewód ochronno-neutralny — liczba komutacji zachodzących niejednocześnie podczas jednego okresu przemiennego napięcia zasilania (liczba tętnieniowa); chwilowa moc czynna — moc bierna; współczynnik dobroci obwodu rezonansowego — moc bierna kondensatorów kompensujących ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 15 Q1L Qrr q — moc bierna przesunięcia fazowego podstawowej harmonicznej — ładunek przejściowy tyrystora — liczba komutacyjna (liczba komutacji występujących w jednostce komuta- cyjnej w jednym okresie napięcia linii zasilającej przekształtnik); oznacze- nie osi rzędnych wirującego układu współrzędnych prostokątnych; chwi- lowa moc bierna Rb Rk RL Ro Rt Rth j-c, Rth c-r, Rth r-a — rezystancja cieplna: złącze–obudowa, obudowa–radiator, radiator–czyn- — rezystancja wewnętrzna połączeń obwodu głównego przekształtnika — rezystancja obwodu komutacji — rezystancja linii zasilającej — rezystancja odbiornika — rezystancja uzwojeń transformatora Rμ rF, rT S SC SCu SFe So SL S1L S1LN ST SV nik chłodzący — reluktancja — rezystancja dynamiczna diody i tyrystora — moc pozorna — moc zwarciowa linii — pole powierzchni przekroju poprzecznego przewodu — pole powierzchni przekroju poprzecznego rdzenia ferromagnetycznego — pole powierzchni okna rdzenia ferromagnetycznego — moc pozorna pobierana z linii zasilającej — moc pozorna przenoszona przez harmoniczną podstawową prądu linii — moc pozorna przenoszona przez harmoniczną podstawową prądu linii przy znamionowym obciążeniu przekształtnika — moc typowa (obliczeniowa) transformatora — moc pozorna uzwojenia po stronie zaworowej (wtórnej) transformatora przekształtnikowego liczba jednostek komutacyjnych przekształtnika łączonych szeregowo s sT Ta Tc Td THDi, THDu — współczynnik zawartości wyższych harmonicznych (współczynnik od- — — sygnał modulowany — temperatura czynnika chłodzącego, temperatura otoczenia — temperatura obudowy elementu półprzewodnikowego — czas wyprzedzenia regulatora różniczkującego Ti Tj T0 Tp Tr t tbr td tgd kształcenia) prądu i napięcia — czas zdwojenia regulatora proporcjonalno-całkującego; stała czasu całko- wania; okres impulsowania (przełączania łącznika); okres trójkątnego sy- gnału modulowanego — temperatura struktury półprzewodnikowej (złączowej) — okres drgań własnych (swobodnych) — okres przełączania łączników — temperatura radiatora — czas — dopuszczalny czas polaryzacji bramki tyrystora GTO napięciem URGM — czas dysponowany na wyłączenie tyrystora, czas opóźnienia przy załącza- niu — czas opóźnienia przy załączaniu tyrystora GTO ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 16 WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ tgf tgl tgq tgr tgt toff ton tp tq tr ttq — czas opadania przy wyłączaniu tyrystora GTO prądem bramki — czas opóźnienia przy wyłączaniu tyrystora GTO prądem bramki — czas wyłączania sygnałem bramkowym tyrystorów GTO i SITh — czas narastania przy załączaniu tyrystora GTO prądem bramki — czas załączania tyrystora — czas wyłączania tranzystora — czas załączania tyrystora — czas przewodzenia łącznika — czas wyłączania tyrystora — czas narastania prądu głównego łącznika — czas przepływu prądu resztkowego (ogona prądowego) podczas wyłącza- nia tyrystora GTO prądem bramki — czas wyłączenia (nieprzewodzenia) łącznika — zacisk wyjściowy fazy U falownika — napięcie przełączania tyrystora w stanie blokowania — napięcie przebicia tyrystora w stanie zaworowym — napięcie przebicia kolektor–emiter — napięcie kolektor–emiter: wartość stała i chwilowa — napięcie nasycenia kolektor–emiter — szczytowe dopuszczalne napięcie kolektor–emiter — napięcie blokowania tyrystora — pierwsze przepięcie w tyrystorze GTO przy wyłączaniu tw U U(BO) U(BR) UCEO UCE, uCE UCE(sat) UCEO(sus) UD UDP UDRM, UDSM — szczytowe napięcia blokowania: powtarzalne i niepowtarzalne UDS, uDS UDS(sat) UDSS UDWM Ud Udα — napięcie dren–źródło: wartość stała i chwilowa — napięcie nasycenia dren–źródło — szczytowe napięcie dren–źródło — szczytowe napięcie pracy w stanie blokowania tyrystora — napięcie wejściowe falownika napięcia i przekształtnika prądu stałego — wartość średnia napięcia wyprostowanego przekształtnika sieciowego UdO UdOα Udhi Udhiα Udi Udiα Udr Udx sterowanego fazowo — umowna wartość średnia napięcia wyprostowanego przekształtnika siecio- wego przy pełnym wysterowaniu w stanie jałowym — umowna wartość średnia napięcia wyprostowanego przekształtnika sieciowego przy kącie wysterowania α w stanie jałowym — wartość skuteczna składowych harmonicznych napięcia wyprostowanego przy całkowitym wysterowaniu przekształtnika — wartość skuteczna składowych harmonicznych napięcia wyprostowanego przekształtnika sieciowego przy kącie opóźnienia wysterowania α — idealne napięcie stałe w stanie jałowym przekształtnika — idealne napięcie stałe w stanie jałowym przekształtnika przy kącie opóź- nienia wysterowania α — zmiana napięcia wyprostowanego związana z rezystancją linii zasilającej RL, uzwojeń transformatora Rt, dławików sieciowych oraz wewnętrznych połą- czeń przekształtnika z wyjątkiem rezystancji zaworów — wypadkowa zmiana napięcia wyprostowanego spowodowana indukcyjno- ścią linii zasilającej ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 17 Udxb UdxL Udxt UFG, UFGM UFM UF(TO) UG UGD UGE, uGE UGS UGT Uk Uk ULRM ULSM ULWM Uon UR, uR URG, URGM URRM URSM URWM US, UV0 — wewnętrzna zmiana napięcia wyprostowanego, wynikająca z obecności dławików sieciowych i anodowych oraz indukcyjności wewnętrznych po- łączeń przekształtnika — zewnętrzna zmiana napięcia wyprostowanego, wywołana indukcyjnością linii zasilającej — wewnętrzna zmiana napięcia wyprostowanego, wywołana indukcyjnością rozproszenia transformatora — napięcie przewodzenia bramki: wartość stała i szczytowa — szczytowe napięcie w stanie przewodzenia diody — napięcie progowe diody — napięcie bramki tyrystora — napięcie nieprzełączajace bramki tyrystora — napięcie bramka–emiter: wartość stała i chwilowa — napięcie bramka–źródło — napięcie przełączające bramki — wartość skuteczna napięcia obwodu komutacyjnego — wektor przestrzenny napięcia wyjściowego falownika napięcia w k-tym położeniu — maksymalna wartość chwilowa napięcia uL łącznie z przepięciami powta- rzalnymi — maksymalna niepowtarzalna wartość chwilowa napięcia uL — maksymalna wartość szczytowa międzyprzewodowego napięcia linii zasila- jącej — wartość skuteczna składowej harmonicznej n-tego rzędu napięcia odbior- nika — napięcie wsteczne: wartość stała i chwilowa — napięcie wsteczne bramki: wartość stała i szczytowa — powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne tyrystora lub diody — niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne tyrystora lub diody — szczytowe wsteczne napięcie pracy tyrystora lub diody — wartość skuteczna napięcia fazowego i międzyprzewodowego po stronie zaworowej (wtórnej) transformatora w stanie jałowym — szczytowe napięcie w stanie przewodzenia tyrystora UTM — napięcie progowe tyrystora UT(T0) UU, UV, UW — wartości skuteczne fazowych napięć wyjściowych falowników niezależnych UUV, UVW, UWU — wartości skuteczne międzyprzewodowych napięć wyjściowych falowni- ków niezależnych — wartość chwilowa napięcia u ud, Ud, Udm — napięcie wyprostowane: wartość chwilowa, średnia i szczytowa uF, UF uL, UL uo, Uo, Uoav — napięcie przemienne odbiornika: wartość chwilowa, skuteczna i średnia — napięcie przewodzenia diody: wartość chwilowa i stała — napięcie międzyprzewodowe linii zasilającej: wartość chwilowa i skuteczna półokresowa uw V W — wartość chwilowa napięcia wyrównawczego — chłodzenie dwustanowe; zacisk wyjściowy fazy V falownika — energia elektryczna; zacisk wyjściowy fazy W falownika ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 18 wh wh1 whid whUd XC X X′′ ,d XL ′′ q Z Zth Zth j-a Zth j-c α αk β γd γi δ ε ε0 η ϑ ϑw ϑz λ λŁ λD, λT μ μ0 τ Φ φ φ1 ψ ω ωr ω0 WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ — współczynnik zawartości wyższych harmonicznych napięcia wyjściowego falownika napięcia — współczynnik zawartości harmonicznej podstawowej w napięciu wyjścio- wym falownika napięcia — współczynnik tętnień prądu wyprostowanego — współczynnik zawartości wyższych harmonicznych idealnego napięcia wyprostowanego — reaktancja pojemnościowa filtrów — reaktancja podprzejściowa maszyny synchronicznej: podłużna i poprzeczna — reaktancja rozproszenia (podprzejściowa) maszyny synchronicznej; reak- tancja indukcyjna filtrów — impedancja — przejściowa impedancja cieplna — przejściowa impedancja cieplna: struktura złączowa–otoczenie — przejściowa impedancja cieplna: struktura złączowa–obudowa — kąt opóźnienia wysterowania tyrystorów, mierzony od punktu odpowia- dającego komutacji naturalnej; współczynnik oddawania ciepła; oś odcię- tych nieruchomego prostokątnego układu współrzędnych — kąty przełączeń łączników impulsowych falowników niezależnych (PWM) — kąt wyprzedzenia wysterowania tyrystorów, mierzony od punktu odpo- wiadającego komutacji naturalnej; szerokość impulsu napięcia niezależne- go falownika napięcia wyrażona w mierze kątowej — kąt dysponowany na wyłączenie tyrystora — współczynnik zawartości harmonicznej podstawowej prądu linii zasilającej — kąt odzyskiwania przez zawór właściwości blokowania napięć dodatnich — wartość względna napięcia źródłowego; przenikalność elektryczna — przenikalność elektryczna próżni (ε0 = (1/36π)∙10–9F/m) — sprawność energetyczna — kąt bieżący (ϑ = ωt) — kąt wyłączania tyrystora — kąt załączania tyrystora — współczynnik mocy odbiornika nieliniowego (przekształtnika) — kąt przewodzenia łącznika półprzewodnikowego — kąt przewodzenia diody i zaworu sterowanego — kąt komutacji; przenikalność magnetyczna względna — przenikalność magnetyczna próżni (μ0 = 4π∙10–7 H/m); kąt komutacji przy całkowitym wysterowaniu przekształtnika sieciowego — stała czasowa — strumień magnetyczny — kąt fazowy odbiornika — kąt przesunięcia fazowego podstawowej harmonicznej prądu względem napięcia — kąt przesunięcia fazowego — pulsacja — pulsacja rezonansowa — pulsacja drgań własnych (swobodnych) obwodu rezonansowego ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1. Wstęp 1.1. Wiadomości ogólne Energoelektronika to jeden z kierunków elektrotechniki, który przede wszystkim ze względu na rosnący obszar zastosowań, jak i stały postęp w technologii materia- łów półprzewodnikowych, pozostaje w stanie niezwykle intensywnego rozwoju. Wkraczając praktycznie we wszystkie obszary zastosowania energii elektrycznej, energoelektronika stała się dziedziną podstawową o cechach interdyscyplinar- nych. Stanowi ona szeroki dział tzw. elektroniki przemysłowej. Specyfiką energoelektroniki – wyróżniającą ją spośród innych dziedzin elektro- techniki – jest stosowanie półprzewodnikowych przyrządów (nazywanych rów- nież elementami) o łącznikowym działaniu dwustanowym jako podstawowych składników przekształtników – układów służących do przekształcania i sterowa- nia różnych rodzajów energii elektrycznej. Zagadnienia związane z budową i sterowaniem przekształtników są przedmio- tem dziedziny zwanej techniką przekształtnikową, która jest bardzo często utożsamiana z energoelektroniką. Do podstawowych kryteriów oceny jakości tego przekształcania należą spraw- ność energetyczna oraz stopień odkształcenia przebiegów czasowych napięcia, prądu wejściowego i wyjściowego urządzenia energoelektronicznego, w odniesie- niu do przebiegów idealnych, z punktu widzenia źródła zasilania oraz zasilanego przez ten przekształtnik odbiornika. Dotyczy to zarówno pracy w stanach ustalo- nych, jak i przejściowych – dynamicznych – związanych ze zmianami sterowanej mocy, a także innych wielkości charakteryzujących punkt pracy odbiornika energii elektrycznej. Przemiany energii elektrycznej dokonywane za pomocą urządzeń energo- elektronicznych są różnorodne i dotyczą przekształtników o mocy od kilku wa- tów do dziesiątków, a nawet setek megawatów. Ten niezwykle szeroki zakres mocy znajduje swoje odzwierciedlenie w wymiarach urządzeń energoelektro- nicznych, których liczne ilustracje są podawane w dostępnych na stronach www katalogach różnych firm. Wymownym wskaźnikiem, określającym aktualną rolę energoelektroniki, jest procentowy udział ilości energii przetwarzanej za pośrednictwem przekształtni- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 20 1. WSTĘP ków w odniesieniu do globalnej ilości zużywanej energii elektrycznej. W krajach o rozwiniętej gospodarce wynosi on ok. 60÷70 , w Polsce natomiast można go oszacować na 30÷40 . Energia elektryczna dostarczana za pomocą systemu elektroenergetycznego li- niami sinusoidalnego napięcia przemiennego o częstotliwości 50 Hz coraz częściej jest traktowana – przez wielu odbiorców – jako „półprodukt”, który wymaga prze- kształcenia (przetworzenia) do postaci optymalnej dla odbiornika. W ogólnym przypadku przekształtnik energoelektroniczny można określić jako układ przekazujący energię elektryczną między dwoma obwodami różniącymi się częstotliwością oraz wartością napięć i prądów (rys. 1.1). Rysunek 1.1. Ogólny schemat blokowy prze- kształtnika Rodzaje przekształcania energii elektrycznej, najczęściej spotykane w prakty- ce, można sprowadzić do kilku podstawowych typów, które pokazano na rys. 1.2. Obejmują one: prostowanie, czyli przekazywanie energii z obwodu napięcia przemiennego do obwodu napięcia stałego (prostowniki); falowanie, tzn. prze- kazywanie energii z obwodu napięcia stałego do obwodu napięcia przemiennego (falowniki); sterowanie napięcia przemiennego i sterowanie impulsowe napięcia stałego (sterowniki). Łącząc powyższe operacje przekształcania energii elek- trycznej, można uzyskać funkcje bardziej złożone. Do najczęściej stosowanych należą: przemiana częstotliwości w układzie złożonym z prostownika połączo- nego poprzez obwód pośredniczący napięcia lub prądu stałego z falownikiem (rys. 1.2d) oraz przekształcanie napięcia stałego w napięcie stałe z pośrednim obwodem napięcia przemiennego (rys. 1.2f). Rysunek 1.2. Symbole bloków funkcjonalnych przekształtników: a) przekształtnik prądu przemiennego w prąd stały (prostownik); b) przekształtnik prądu stałego w prąd przemienny (falownik); c) przekształtnik prądu przemiennego w prąd przemienny (sterownik napięcia przemiennego, bezpośredni przemiennik częstotliwości); d) pośredni przemiennik prądu przemiennego w prąd przemienny (przemiennik częstotliwości z pośrednim obwodem napię- cia stałego); e) bezpośredni przekształtnik prądu stałego w prąd stały; f) pośredni przekształt- nik prądu stałego w prąd stały ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1.1. WIADOMOŚCI OGÓLNE 21 Typowe urządzenie energoelektroniczne jest złożone z kilku zespołów funkcjo- nalnych (rys. 1.3). Centralny fragment stanowi sam przekształtnik zbudowany z półprzewodnikowych przyrządów, zwanych ogólnie łącznikami lub zaworami, współpracujących z elementami magazynującymi energię, tzn. dławikami (induk- cyjnościami) i kondensatorami (pojemnościami), a także niekiedy z pomocniczymi elementami rozpraszającymi energię (np. rezystorami). Rysunek 1.3. Zespoły funk- cjonalne tworzące urządzenie energoelektroniczne Drugi podstawowy zespół przedstawiony na tym uproszczonym rysunku zawiera układy sterujące, zwane również elektroniką informacji. Funkcje obu bloków są ze sobą ściśle powiązane w ramach ogólnego zadania, które realizuje urządzenie ener- goelektroniczne, toteż jest konieczne dobre wzajemne dopasowanie ich parametrów technicznych i cech konstrukcyjnych. W celu lepszego zrozumienia wzajemnych relacji między częścią energetyczną i sterującą można posłużyć się analogią układu elektrycznego do organizmu żywego, porównując sam przekształtnik z systemem mięśni, a układy sterujące – z centralnym systemem nerwowym. Trudno wskazać, która z części jest ważniejsza. Oczywista wydaje się jednak nadrzędność funkcjonal- na systemu sterowania nad częścią wykonawczą. W tym miejscu jest niezbędna uwaga, wyjaśniająca zakres zaangażowania twórcy i użytkownika urządzeń energoelektronicznych – inżyniera i technika – w prace projektowe i obsługę każdego z tych zespołów. Otóż można stwierdzić, że występuje równorzędne, porównywalne ilościowo, rozłożenie tych prac w odnie- sieniu do obu części. Wobec tego jest konieczne przygotowanie specjalisty energo- elektronika do rozwiązywania wielu problemów nie tylko z zakresu techniki prze- kształtnikowej i sposobu stosowania nowoczesnych elementów półprzewodniko- wych mocy, lecz także obeznanego z innymi elementami, np. transformatorami, dławikami, kondensatorami. Konieczna jest również dobra znajomość dziedziny elektroniki informacji, a w tym nowoczesnej techniki analogowego oraz cyfrowego przetwarzania sygna- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 22 1. WSTĘP łów pomiarowych i sterujących. Na szczególne podkreślenie zasługuje rola nowo- czesnej techniki mikroprocesorowej i komputerowej w konstrukcji układów steru- jących, a także w obliczeniach, projektowaniu oraz testowaniu kompletnych urzą- dzeń energoelektronicznych. Mając powyższe na uwadze, starano się dobrać taki materiał, który może być użyteczny w pracy energoelektronika. W dalszej części niniejszego rozdziału szczególną uwagę zwrócono na anali- zę działania układów i na problemy wymagające rozwiązywania zarówno w projektowaniu, jak i eksploatacji przekształtnikowych urządzeń energoelek- tronicznych. 1.2. Układy przekształtnikowe Istnieje wielka różnorodność opracowanych w ciągu ponad 50-letniego rozwoju energoelektroniki układów spełniających określone funkcje przekształcania rodza- jów energii. Właściwości tych układów pozostają w związku z właściwościami i parametrami elementów – przede wszystkim przyrządów półprzewodnikowych – toteż ich opracowywanie i udoskonalanie stymuluje rozwój i budowę przekształt- ników o coraz lepszych parametrach użytkowych. Niezależnie od licznych warian- tów i modyfikacji można wskazać kilka podstawowych, standardowych typów układów, które stanowią główne ogniwa ogromnej większości przekształtników stosowanych współcześnie. Układy jednego typu mogą być realizowane z zastoso- waniem różnych rodzajów zaworów (łączników) półprzewodnikowych, jednak nie ma to istotnego znaczenia dla ogólnego wyjaśnienia zasady ich działania. Wystar- czy skorzystać z uproszczonego modelu łącznika przyjmującego dwa stany, tzn. stan przewodzenia, gdy łącznik zamknięty reprezentuje pomijalnie mały spadek napięcia, niezależnie od wartości przepływającego przezeń prądu, oraz stan roz- warcia (stan blokowania lub zaworowy), gdy niezależnie od występującego na nim napięcia przepływający prąd jest bliski zeru. Sposobem klasyfikacji układów przekształtnikowych jest rodzaj dokonywanej przez nie przemiany energii stosownie do przedstawionych na rys. 1.2 bloków funkcjonalnych. Dodatkowym rozróżnieniem może być fakt, czy ich działanie jest zależne od napięcia przemiennego linii zasilającej lub odbiornika, czy też jest cał- kowicie niezależne. Pewnym wspólnym kryterium dotyczącym klasyfikacji i oceny ogólnych właściwości układów jest częstotliwość łączeń elementów półprzewod- nikowych. Nie chodzi tu tylko o częstotliwość bezwzględną, mierzoną w hercach, lecz także o stosunek częstotliwości łączeń do częstotliwości podstawowej harmo- nicznej przebiegu napięcia lub prądu formowanego przez przekształtnik na jego wejściu lub wyjściu. Poniżej omówiono wstępnie podstawowe układy. Bardziej szczegółowe informacje, dotyczące analizy działania i właściwości najważniejszych przekształtników podano w rozdz. 2. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1.2. UKŁADY PRZEKSZTAŁTNIKOWE 23 Prostowniki Układy te służą do przekazywania energii między obwodem napięcia prze- miennego (zwykle jest to ogólnodostępna sieć o napięciu sinusoidalnym) i obwo- dem prądu stałego. Stanowią one podstawowe rodzaje układów, pracujących sa- modzielnie lub z innymi przekształtnikami. Schemat jednofazowego mostkowego prostownika, w którym w miejsce zwykłych – dla tego układu – diod lub tyrysto- rów wprowadzono symbole łączników, pokazano na rys. 1.4. Rysunek 1.4. Schemat zastępczy jednofazowego mostkowego prostownika Jako obciążenie takiego układu w obwodzie prądu jednokierunkowego (prądu stałego) zwykle występuje odbiornik o cechach źródła napięcia, np. kondensator filtru napięcia, bateria akumulatorów lub maszyna prądu stałego. Jeżeli przyjąć, że źródło napięcia przemiennego jest bliskie idealnemu (tzn. jego impedancja we- wnętrzna jest bliska zeru), to konieczne jest uniemożliwienie przepływu dużych impulsów prądu między obwodem wejściowym i wyjściowym. Najprostsze stosowane rozwiązanie polega na włączeniu do obwodu prądu sta- łego dławika o indukcyjności wystarczającej do zmniejszenia tętnień prądu wypro- stowanego. Ten sposób rozwiązania problemu niepożądanych przetężeń – przy łączeniu obwodów o cechach źródeł napięcia przez układ przekształtnika – ma charakter ogólny i prowadzi do twierdzenia ujmującego warunek poprawnej pracy przekształtnika. Mianowicie – o ile jeden z dwóch obwodów kojarzonych przez przekształtnik ma cechy źródła napięcia, o tyle obwód drugi musi reprezentować cechy źródła prądu. Na rysunku 1.5 przedstawiono podstawowe przebiegi napięć i prądów w ukła- dzie prostownika z rys. 1.4, przy założeniu, że indukcyjność dławika wyjściowego jest tak duża, iż zapewnia całkowite wygładzenie prądu wyprostowanego. Jeżeli łączniki są sterowane parami, przy czym przesunięcie fazowe przedziału przewodzenia – odpowiadającego zamknięciu łączników Ł1 i Ł3 lub Ł2 i Ł4 – jest nastawiane względem fali wejściowego napięcia przemiennego uL, to uzyskuje się regulację wartości średniej napięcia wyprostowanego Ud. Prąd w obwodzie wyj- ściowym prostownika sterowanego fazowo zachowuje zawsze jeden kierunek, natomiast napięcie wyjściowe może zmieniać kierunek (tzn. zmieniać polaryzację) zarówno w odniesieniu do wartości chwilowych, jak i wartości średniej. W przy- padku gdy wartość średnia napięcia jest ujemna, następuje przekazywanie energii ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 24 1. WSTĘP Rysunek 1.5. Przebiegi napięć i prą- dów w linii zasilającej i odbiorniku prostownika wg rys. 1.4 sterowane- go fazowo, przy różnych kątach opóźnienia załączania łączników (wysterowania): a) α = 0; b) α = π/3; c) α = 2π/3 z obwodu prądu stałego do linii napięcia przemiennego. Jest to tzw. praca falow- nikowa układu prostownika sterowanego. Przebieg prądu płynącego w linii napięcia przemiennego (linii zasilającej) ma postać impulsów o kształcie zbliżo- nym do prostokątnego i przesuniętych w fazie względem fali napięcia uL. Oznacza to pobór mocy biernej, zwykle indukcyjnej, oraz dodatkowo wprowadzanie do linii zasilającej wyższych harmonicznych prądu, co może powodować zakłócenia w pracy innych urządzeń elektrycznych i wiąże się z obciążeniem systemu elektro- energetycznego tzw. mocą deformacji. Sterowniki napięcia przemiennego Prosty układ jednofazowego sterownika napięcia przemiennego pokazano na rys. 1.6a. Odpowiednie przebiegi prądów i napięć (rys. 1.6b) charakteryzują dzia- łanie układu, które prowadzi do regulacji wartości skutecznej napięcia i prądu przemiennego przy obciążeniu rezystancyjnym, a więc gdy odbiornikiem jest grzejnik oporowy lub żarówka o regulowanej mocy. Jak widać, fale napięcia i prądu wyjściowego mają w tym przypadku kształt wycinków funkcji sinusoidalnych o czasie trwania zależnym od czasu przewodzenia łącznika. Układy sterowników napięcia przemiennego w wykonaniu tyrystorowym należą do względnie prostych ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1.2. UKŁADY PRZEKSZTAŁTNIKOWE 25 Rysunek 1.6. Łącznik jako sterownik napięcia przemiennego: a) schemat; b) przebiegi na- pięcia wejściowego i prądu wyjściowego i są często stosowane w urządzeniach powszechnego użytku. Ich istotną wadą jest szkodliwe oddziaływanie na sieć zasilającą – podobne do tego, jakie powodują prostowniki sterowane fazowo. Falowniki Falownik niezależny to przekształtnik przekazujący energię z obwodu prądu stałego do autonomicznego (tzn. niezwiązanego z linią elektroenergetyczną o stałej częstotliwości) odbiornika prądu przemiennego. Częstotliwość napięcia i prądu wyjściowego takiego układu zależy tylko od częstotliwości łączeń elementów stero- wanych przekształtnika i często jest wielkością zmienną – nastawianą jak kąt prze- sunięcia fazowego w prostownikach sterowanych. Na rysunku 1.7 przedstawiono dwa schematy jednofazowych falowników, zasilanych z dwóch różnych źródeł. Rysunek 1.7. Schematy falowników: a) zasilanego ze źródła prądu; b) zasilanego ze źródła napięcia uop, uon – napięcia wyjściowe; iop, ion – prądy wyjściowe falownika prądu i napięcia W pierwszym z nich (rys. 1.7a) występuje źródło prądu, co odzwierciedla sze- regowy dławik w obwodzie zasilania. Obwód obciążenia musi mieć w tym przy- padku charakter napięciowy, łączniki natomiast muszą być zdolne do blokowania napięcia dla obu kierunków polaryzacji. W falowniku drugiego typu (rys. 1.7b) ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 26 1. WSTĘP źródło zasilające ma charakter napięciowy, co odzwierciedla kondensator przyłą- czony do zacisków wejściowych, obwód wyjściowy natomiast musi być o charakte- rze źródła prądu (zawierać znaczną indukcyjność szeregową). Ponadto łączniki muszą być zdolne przewodzić prąd w obu kierunkach. Na rysunku 1.8 pokazano przykładowe przebiegi napięcia i prądu na wyjściu każdego z układów z rys. 1.7. Rysunek 1.8. Przebiegi napięć i prądów wyjściowych falownika: a) zasilanego ze źródła prądu; b) zasilanego ze źródła napięcia Inny podział przekształtników dotyczy sposobu sterowania i warunków prze- łączania łączników. Tak więc można wyróżnić układy impulsowe i rezonansowe, których znaczenie w nowoczesnych urządzeniach energoelektronicznych jest coraz większe. Przekształtniki impulsowe Przekształtniki te można podzielić na układy impulsowego sterowania napięcia stałego (przekształcanie napięcia stałego w napięcie stałe) oraz układy impulso- wego formowania napięć i prądów przemiennych (falowniki impulsowe), prze- kształcające napięcie lub prąd stały w napięcie przemienne z zastosowaniem tzw. metody modulacji szerokości impulsów PWM (ang. pulse width modulation). Wspólną cechą tych układów jest duża częstotliwość łączeń, wielokrotnie większa niż częstotliwość podstawowa przebiegów wielkości wejściowych i wyjściowych. Jeżeli założyć, że typowy przedział częstotliwości użytecznych napięć i prądów zawiera się w granicach 0÷50 Hz, to częstotliwość łączeń w przekształtnikach impulsowych należy do przedziału 0,5÷20 kHz. Uzyskiwanie dużej częstotliwości łączeń stało się możliwe dzięki opracowaniu nowych typów elementów półprze- wodnikowych. Stosowanie dużych częstotliwości łączeń pozwala na poprawę kształtu przebiegów prądu lub napięcia, uzyskiwanych z przekształtnika, oraz na poprawę statycznych i dynamicznych charakterystyk i parametrów urządzenia. Przekroczenie częstotliwości 15 kHz wywołuje znaczne zmniejszenie poziomu hałasu (praca w zakresie niesłyszalnych ultradźwięków). Duża częstotliwość łą- czeń jest jednak przyczyną zwiększenia strat mocy w przekształtniku, wynikające- go przede wszystkim ze zwiększenia strat mocy przełączania w przyrządach pół- przewodnikowych. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1.2. UKŁADY PRZEKSZTAŁTNIKOWE 27 Schematy podstawowych układów przekształtników impulsowych do stero- wania napięcia i prądu stałego przedstawiono na rys. 1.9. Posłużą one – wspólnie z zamieszczonymi na rys. 1.9a, b przebiegami napięć i prądów – do bardzo uproszczonej prezentacji ich zasady działania i realizowanych funkcji. Najprost- szy układ impulsowego przekształtnika (rys. 1.9a), zawierający dwa łączniki wzajemnie sprzężone, umożliwia regulację wartości średniej napięcia wyjścio- wego w przedziale od zera do wartości równej napięciu zasilania. Układ tego rodzaju był popularnie nazywany w literaturze krajowej przerywaczem lub czoperem (ang. chopper lub buck converter). Zgodnie z podaną uprzednio zasadą, dotyczącą charakteru obwodów, z którymi współpracuje przekształtnik, na wyj- ściu przekształtnika musi występować dławik o indukcyjności wystarczającej do ograniczenia nadmiernej szybkości zmian prądu i tym samym zmniejszenia tętnień prądu wyjściowego (rys. 1.10). Nastawianie wartości napięcia wyjściowego jest dokonywane przez zmianę czasu trwania stanu przewodzenia (stanu zwarcia) łącznika Ł1 w stosunku do okresu powtarzania impulsów, przy czym okres ten powinien być znacznie krótszy niż elektromagnetyczna stała czasowa odbiornika. Jeżeli uwzględni się fakt, że obwód wyjściowy ma charakter indukcyjny i prąd nie może być w nim przerwany, zrozumiała stanie się konieczność zastosowania do- datkowego łącznika (Ł2), który zapewnia zamknięcie obwodu prądu odbiornika i dławika wyjściowego przy rozwartym łączniku Ł1. W praktyce funkcję łącznika Ł2 może spełniać zwykła dioda (rys. 1.9b). Układ z rysunku 1.9a może służyć do prze- kazywania energii nie tylko ze źródła o wyższym napięciu (Ud) do źródła o napię- ciu niższym (Uo), lecz także w przeciwnym kierunku (rys. 1.9c). Taka konfigura- cja przekształtnika może być również zastosowana do podwyższania napięcia (ang. step-up converter lub boost converter). Rysunek 1.9. Podstawowe schematy impulsowego przekształtnika do sterowania napięcia sta- łego: a) schemat ogólny z dwoma łącznikami; b) schemat z diodą rozładowczą; c) schemat z diodą zwrotną Najbardziej uniwersalne przekształtniki impulsowe to układy mostkowe – identyczne z tymi, które zostały przedstawione na rys. 1.7a, b w postaci falowni- ków niezależnych. Sterowanie impulsowe pozwala na uzyskanie na wyjściu układu zmiennego kierunku przepływu prądu i zmiennej polaryzacji napięcia przy utrzy- maniu częstotliwości łąc
Pobierz darmowy fragment (pdf)

Gdzie kupić całą publikację:

Poradnik inżyniera energoelektronika. Tom 1
Autor:
,

Opinie na temat publikacji:


Inne popularne pozycje z tej kategorii:


Czytaj również:


Prowadzisz stronę lub blog? Wstaw link do fragmentu tej książki i współpracuj z Cyfroteką: