Maciej Tondos

  PODSTAWY ENERGOELEKTRONIKI

1. Co to jest energoelektronika ?                                                                  Str.

         1.1. DEFINICJA ENERGOELEKTRONIKI................................................................2

         1.2. HISTORIA ENERGOELEKTRONIKI..................................................................2

         1.3.ZASTOSOWANIA ENERGOELEKTRONIKI .....................................................3

2.Podstawowe problemy energoelektroniki.

         2.1.MIEJSCE UKŁADU ENERGOELEKTRONICZNEGO........................................4

         2.2.SPRAWNOŚĆ UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH............................4

3.Elementy energoelektroniczne

         3.1. KLASYFIKACJA ELEMENTÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH.................6

         3.2. KRÓTKI OPIS DZIAŁANIA NAJWAŻNIEJSZYCH ELEMENTÓW ...............7

                ENERGOELEKTRONICZNYCH

            3.2.1. DIODA..............................................................................................................9

            3.2.2. TYRYSTOR SCR...........................................................................................10

            3.2.3. TRIAK.............................................................................................................10

            3.2.4. TYRYSTOR  WYŁĄCZALNY GTO.............................................................11

            3.2.5. TYRYSTOR MCT...........................................................................................11

            3.2.6. TRANZYSTOR BIPOLARNY  BJT...............................................................11

            3.2.7. TRANZYSTOR BIPOLARNY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ -  IGBT..........12

            3.2.8. TRANZYSTOR POLOWY MOCY  -  MOSFET...........................................12

            3.2.9. ELEMENTY SCALONE TYPU „SMART”(Intelligent Power Module)……13

         3.3.ZAKRESY MOCY I CZĘSTOTLIWOŚCI PRZEŁĄCZEŃ W PODSTA –

               WOWYCH URZĄDZENIACH ENERGOELEKTRONICZNYCH......................14

4.Podstawowe układy energoelektroniczne

         4.1.KLASYFIKACJA PRZETWORNIKÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH........14

         4.2. PROSTOWNIKI  (przetworniki AC/DC)...............................................................15

              4.2.1. PROSTOWNIKI  JEDNOPULSOWE............................................................16

              4.2.2. PROSTOWNIKI DWUPULSOWE................................................................19

              4.2.3. PROSTOWNIKI TRÓJPULSOWY ...............................................................20

            4.2.4. PROSTOWNIKI SZEŚCIOPULSOWE..........................................................21               

         4.3.FALOWNIKI............................................................................................................21

                4.3.1. ZASADA MODULACJI SZEROKOŚCI IMPULSÓW...............................22

                4.3.2. RODZAJE FALOWNIKÓW NAPIĘCIOWYCH.........................................23

          4.4. PRZETWORNIKI DC/DC.....................................................................................24

                 4.4.1. PRZETWORNIKI TYPU DC/DC OBNIŻAJĄCE NAPIĘCIE...................25

                    18.4.4.2. WIELOKWADRANTOWE PRZETWORNIKI TYPU DC/DC.........26

          4.5.CYKLOKONWERTORY.......................................................................................27

5. Oddziaływanie układów energoelektronicznych na sieć zasilającą

          5.1.POBÓR MOCY BIERNEJ......................................................................................29

          5.2.KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ .....................................................................31

1. Co to jest energoelektronika ?

1.1. DEFINICJA ENERGOELEKTRONIKI  (wg.IEEE – PELS)

      Na stronie internetowej (http://www.pels.org) Towarzystwa Energoelektronicznego  amerykańskiego Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników [The Institute of Electrical and Electronics Engineers – Power Electronics Society (IEEE-PELS)] możemy przeczytać:  

„Energoelektronika to zastosowanie układów elektronicznych do przetwarzania energii elektrycznej. Ty masz więcej kontaktów z energoelektroniką niż przypuszczasz. Jeżeli prowadzisz samochód, używasz komputera, gotujesz w kuchni mikrofalowej, rozmawiasz przez telefon jakiegokolwiek typu, słuchasz radioodbiornika stereo, wiercisz otwór przy pomocy wiertarki bezprzewodowej, wtedy masz kontakt z energoelektroniką. Dzięki energoelektronice energia elektryczna potrzebna do uruchomienia urządzeń  , których codziennie używasz, jest przetwarzana, filtrowana i dostarczana z maksymalną sprawnością w najmniejszych rozmiarach i w minimalnej wadze. Jej oficjalna definicja jest następująca :

Energoelektronika to techniki obejmujące zastosowanie urządzeń elektronicznych, teorii obwodów, metod projektowych oraz nowoczesnych narzędzi analizy w celu wysokosprawnego przetwarzania, sterowania i dopasowywania parametrów energii elektrycznej.”

Wydaje się, że niezbędnym jest przytoczenie tego nieco przydługiego cytatu, gdyż nawet w szerokich kręgach elektryków istnieje niezrozumienie miejsca i roli energoelektroniki. Bardzo często jest ona postrzegana jako tzw. „elektronika silnych prądów”  lub „elektronika dużych mocy”. Nic bardziej błędnego !  Tego rodzaju poglądy mają pewne uzasadnienie wynikające z historii rozwoju energoelektroniki (patrz. Rozdz. 1.2). Przez kilka dziesięcioleci XX wieku rzeczywiście obszarem zastosowań energoelektroniki były urządzenia elektryczne dużych mocy. Były to głównie napędy elektryczne górniczych maszyn wyciągowych i walcowni hutniczych. Natomiast obserwując energoelektronikę na progu XXI wieku widzimy, że obecnie największym obszarem zastosowań urządzeń energoelektronicznych są gospodarstwa domowe (patrz Tab.1). Odbiorniki tam stosowane charakteryzują się bardzo niewielkimi mocami (od kilkunastu watów do kilku kilowatów), natomiast ich ilość jest olbrzymia. Stąd wolumen mocy zainstalowanej w używanych w gospodarstwach domowych urządzeniach energoelektronicznych jest największy spośród wszystkich obszarów zastosowań energoelektroniki.  Mało kto w pełni z tego sobie zdaje sprawę. Czasami rozwój energoelektroniki określa się jako „cichą rewolucję”, gdyż bardzo ekspansywnie wnika ona we wszystkie obszary techniki bez specjalnego podkreślania swojej roli. Zwróćmy uwagę, że cytowana powyżej definicja, opracowana przez najbardziej kompetentnych specjalistów, nie mówi nic o wielkości mocy przetwarzanej przez urządzenia energoelektroniczne. Podkreśla natomiast bardzo mocno konieczność wysokiej sprawności tego przetwarzania.

1.2. HISTORIA ENERGOELEKTRONIKI

        Energoelektronika jest częścią elektrotechniki o znacznie krótszej historii. Za jej początek można uznać przełom XIX i XX wieku. Swoistymi „kamieniami milowymi” w rozwoju energoelektroniki były:

·  1897 - Układ prostownikowy   (Graetz)

·  1901 - Prostownik rtęciowy   ( Hewitt Cooper)

·  1923 - Tyratron ( Langmuir, Hall)

·  1933 - Ignitron ( Slepian)

       Energoelektronika półprzewodnikowa

·  1948 -  Tranzystor ( Bardeen,Brittain,Shockley)

                                                 Nagroda Nobla w 1956 r.  

·  1957 -  Tyrystor SCR ( General Electric)

·  1970 -  Tranzystor mocy 500V  20A ( Delco Electronics)

·  1975 -  TOSHIBA GIANT TRANSISTOR (300V, 400A)

·  1978 -  Power MOSFET  100V  25A ( International Rectifier)

·  1980 -  Tyrystor GTO 2500V  1000A ( Hitachi, Mitsubishi, Toshiba)

                Pierwszy tyrystor GTO 200V, 50A  opracowano w 1970 roku w firmie      

                General  Electric USA

·  1985 -  Tranzystor IGBT ( General Electric, Siemens, Power Compact )

·  1988 -  Smart Power Device ( Thomson , firmy japońskie)

Doniosłe wydarzenie, jakim było wynalezienie w 1948 roku tranzystora, zapoczątkowało nowy okres w rozwoju energoelektroniki. Jest nim aż do chwili obecnej energoelektronika półprzewodnikowa. Od tego czasu opracowano wiele nowych elementów półprzewodnikowych , uległy również znacznemu zwiększeniu ich zakresy prądowe i napięciowe. Jest to proces ciągły i również w chwili obecnej jesteśmy świadkami znacznego postępu w tej dziedzinie techniki.

1.3.ZASTOSOWANIA ENERGOELEKTRONIKI

Tabela 1.  Obszary zastosowań energoelektroniki  (wg. [1])

     Przedstawiona powyżej Tab.1 zawierająca wyniki swoistego rankingu obszarów zastosowań energoelektroniki zestawionego wg kryterium wielkości wolumenu mocy zainstalowanej została opracowana przez specjalistów amerykańskich. Uwzględnia tym samym stan energoelektroniki w Stanach Zjednoczonych. W innych krajach , w tym i w Polsce, ta kolejność jest zapewne bardzo różna.  Można przyjąć, że poziom stosowanych technologii decyduje o zastosowaniach energoelektroniki. Im bardziej nowoczesne technologie są wprowadzane, tym większe są zapotrzebowania na zastosowania urządzeń energoelektronicznych. Szacuje się, że w krajach o najwyższym poziomie technologicznym, takich jak Japonia czy Stany Zjednoczone, aż  80% – 90% procent użytkowanej energii elektrycznej jest przetwarzana w urządzeniach energoelektronicznych. W chwili obecnej brak jest  wiarygodnych szacunków jak ten problem wygląda w Polsce.

2.Podstawowe problemy energoelektroniki.

2.1.MIEJSCE UKŁADU ENERGOELEKTRONICZNEGO

    Na rys.1 przedstawiono uproszczony schemat  systemu  wytwarzania, przesyłu  i  przetwarzania energii elektrycznej.  Jak widać, układ energoelektroniczny jest członem pośredniczącym pomiędzy źródłem a użytkownikiem energii elektrycznej. Jego wielkością wejściową jest energia elektryczna o ściśle określonych parametrach (napięcie, częstotliwość), a wielkością wyjściową również energia elektryczna ale o parametrach regulowanych zgodnie z wymaganiami użytkownika.

     Rys.1. Uproszczony schemat systemu wytwarzania, przesyłu i przetwarzania energii

                elektrycznej

To centralne usytuowanie urządzenia energoelektronicznego nakłada na nie bardzo wysokie wymagania dotyczące sprawności i pewności działania. Zarówno sprawność jak i niezawodność działania systemu wytwarzania i przesyłu jest bardzo wysoka (bliska 100%). Dlatego też, to od przetwornika energoelektronicznego zależy głównie jakość działania całego systemu.

2.2.SPRAWNOŚĆ UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

     Jednym z podstawowych wymagań stawianych urządzeniom energoelektronicznym jest wysoka sprawność przetwarzania energii. W odróżnieniu od układów tzw. elektroniki liniowej , gdzie sprawność nie jest podstawowym wyróżnikem ich jakości działania, układy energoelektroniczne muszą pracować ze sprawnością rzędu 90 - 99%. Dlatego też zagadnienia minimalizacji strat w każdym urządzeniu energoelektronicznym zawsze były i będą  podstawowym problemem, z którym musi uporać się konstruktor. W początkowym okresie rozwoju energoelektroniki półprzewodnikowej (1955-70) podstawowym układem stosowanym w praktyce przemysłowej był prostownik z komutacją sieciową, gdzie przełączanie elementów odbywało się z bardzo niską częstotliwością sieciową. W tym układzie podstawowym źródłem strat były stany przewodzenia elementów, którymi były tyrystory SCR. O sprawności układu prostownikowego decydowały zatem jedynie parametry tyrystorów, głównie spadek napięcia w stanie przewodzenia. Możliwości zmniejszania strat były zatem bardzo ograniczone.

Konstruowane w tym okresie czasu inne układy energoelektroniczne, takie jak falowniki czy choppery wykorzystywały również jedyny dostępny na rynku element nie w pełni sterowalny jakim był tyrystor SCR. Powodowało to, że ich struktury były bardzo rozbudowane, ponieważ aby umożliwić wyłączenie elementu, należało stosować często bardzo skomplikowane układy komutacji zewnętrznej. Obniżało to znacznie sprawność układu energoelektronicznego.

Ale to już tylko historia energoelektroniki.

W połowie lat siedemdziesiątych (1975) pojawił się na rynku pierwszy użyteczny dla zastosowań w energoelektronice bipolarny tranzystor mocy (Toshiba Giant Transistor –

Ic= 400 A   ,Vce=300 V), który zapoczątkował epokę zastosowań elementów w pełni sterowalnych . Obecnie dysponujemy już bardzo szeroką gamą tych elementów, z których najważniejsze to: tranzystor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), polowe tranzystory mocy (Power MOSFET), tyrystory GTO (Gate Turn Off ) i inne. Technolodzy nie powiedzieli w tej dziedzinie ostatniego słowa. 

Zastosowanie dostępnych elementów w pełni sterowalnych spowodowało ogromny postęp w zakresie konstrukcji głównie układów falownikowych (DC/AC, AC/DC/AC)  i chopperowych (DC/DC).  Możliwym stało się wykorzystanie znanych z innych dziedzin technik modulacyjnych takich jak PWM (Pulse Width Modulation) czy też PFM (Pulse Frequency Modulation), gdzie elementy są przełączane z częstotliwościami od kilku kHz do kilku Mhz, dzięki czemu przebiegi wyjściowe prądów bądź napięć są bardzo zbliżone do przebiegów sinusoidalnych. Wiadomym jest, że wzrost częstotliwości przełączeń musi spowodować wzrost strat łączeniowych. W tradycyjnej, tzw. „twardej” metodzie przełączania (hard switching)...