Część 1

Przekształtniki elektroniczne

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 2

Elektronika mocy

Elektronika mocy (energoelektronika; power electronics) jest gałęzią elektroniki zajmującą się przekształcaniem energii elektrycznej za pomocą przyrządów elektronicznych

w odróżnieniu od elektroniki sygnałowej, która zajmuje się przetwarzaniem sygnałów elektrycznych niosących informację

pewna część wspólna z automatyką i elektrotechniką

Elektronika przemysłowa (industrial electronics) – ogół zagadnień związanych ze sterowaniem procesami przemysłowymi za pomocą układów elektronicznych

elektronika mocy sterowniki programowalne (PLC)

i komputery przemysłowe sieci transmisji danych robotyka i sztuczna inteligencja akwizycja i przetwarzanie

danych niezawodność i testowanie

znacząca część wspólna z automatyką, informatyką i telekomunikacją

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 3

Elementy i aplikacje elektroniki mocy

10 kluczowych zagadnień wg Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE)

przyrządy półprzewodnikowe mocy

układy scalone chłodzenie elementy bierne przekształtniki impulsowe sterowanie silnikami

elektrycznymi nowe źródła światła alternatywne źródła energii sterowanie modelowanie

Współczesne zastosowania zasilanie sprzętu komputerowego

i telekomunikacyjnego instalacje samochodowe trakcja elektryczna zasilanie i sterowanie sprzętu

domowego użytku sterowanie silnikami

elektrycznymi w instalacjach przemysłowych

sterowanie oświetleniem elektryczne systemy zasilania,

w tym wykorzystujące alternatywne źródła energii

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 4

Energia elektryczna

Energia elektryczna to energia związana z wielkościami elektrycznymi ładunek: związana z nim jest siła Coulomba; siła może wykonać pracę, czyli

dokonać przekazu energii ⇒ z ładunkiem elektrycznym związana jest energia napięcie: spoczywające ładunki wytwarzają pole elektryczne, a więc napięcie

– związana jest z nim energia potencjalna przykład: rozwarty naładowany kondensator

prąd: z definicji stanowi uporządkowany ruch ładunków – związana jest z nim energia kinetyczna

przykład: obwód po przyłączeniu opornika do końcówek naładowanego kondensatora

Przekaz energii elektrycznej wymaga: przemieszczenia ładunków, a więc przepływu prądu pola elektrycznego, które wywoła ten ruch ładunków, a więc występowania

napięcia

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 5

Przekształcanie energii elektrycznej

Przekształtnik (zasadniczy rodzaj układu energoelektronicznego) pobiera ze źródła zasilania energię elektryczną, co oznacza przepływ pewnego prądu przy pewnym napięciu, a następnie oddaje do odbiornika energię elektryczną przekształconą, co oznacza przepływ innego prądu przy innym napięciu

Przemiana napięcia/prądu może obejmować: występowanie/brak składowej stałej/przemiennej wartość (amplituda, wartość średnia, skuteczna itd.) częstotliwość (składowej przemiennej) kształt (np. prostokątny lub sinusoidalny, stopień odkształcenia)

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 6

Moc czynna

Moc czynna to wartość średnia mocy chwilowej za jej okres konwencja strzałkowania: jeżeli źródło wydaje energię, to jego p > 0; jeżeli

odbiornik pobiera energię, to jego p > 0 Moc chwilowa może zmieniać wartość i znak

zmiana kierunku przepływu energii (magazynowanie, zwrot do źródła) Moc czynna odzwierciedla wypadkowy efekt energetyczny w każdym

okresie składowej przemiennej

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 7

Zastosowania mocy czynnej

Skoro przebiegi są okresowe, to

Energii elektrycznej przetworzonej na inną postać energii (mechaniczną, świetlną, cieplną – w tym straty) odpowiada moc czynna

Sprawność przekształtnika

Wartość skuteczna odzwierciedla wypadkową (efektywną) energię, którą może przenieść dany przebieg zmienny w czasie

pozwala stosować prawa Ohma i Joule’a (oczywiście dla rezystancji)

:

Pc

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 8

Moc odbiorników impedancyjnych przy przebiegach przemiennych sinusoidalnych

Wartość skuteczna przebiegu przemiennego sinusoidalnego

Odbiornik rezystancyjny

Odbiornik impedancyjny

Moc chwilowa

Moc czynna

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 9

Współczynnik mocy

Jeżeli odbiornik jest zasilany ze źródła napięcia sinusoidalnego U, to aby wydzielić w nim moc P, w obwodzie musi popłynąć prąd o natężeniu:

dla odbiornika rezystancyjnego dla odbiornika impedancyjnego

I′ > I , gdyż cos φ < 1 dla φ ≠ 0 Różnicę tę opisuje współczynnik mocy

dla przebiegów sinusoidalnych Współczynnik mocy mniejszy od 1 jest niekorzystny

konieczna większa wydajność prądowa źródeł (generatorów, akumulatorów) konieczna większa obciążalność prądowa elementów obwodu przekazywania

i przetwarzania energii (szczególnie magnetycznych, np. transformatorów) większe spadki napięć i moc strat w przewodach (P = I 2 ∙ R ; ∆U = I ∙ R) większa moc strat i ryzyko nasycenia elementów magnetycznych trzeba je dobierać na moc pozorną, a nie czynną

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 10

Moc pozorna i bierna

Moc pozorna odzwierciedla moc, jaka mogłaby być wydzielona w odbiorniku, gdyby był on czysto dyssypatywny (rezystancyjny)

Jest to całkowita moc, która krąży w obwodzie (jest przekazywana między źródłem a odbiornikiem – moc chwilowa p = u∙i), ale niekoniecznie służy do wykonania pracy, tj. do przemiany energii elektrycznej na inną postać energii (np. mechaniczną, świetlną, cieplną)

Moc bierna to moc, która krąży w obwodzie nie będąc przetwarzaną na pracę (niezależnie czy użyteczną, czy straty ciepła)

na przykład (ale nie tylko) jest ona na przemian magazynowana i oddawana przez elementy reaktancyjne

przy przebiegach sinusoidalnych

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 11

Przebiegi niesinusoidalne

Rozwinięcie w szereg Fouriera

składowa stała – z twierdzenia Fouriera składowa przemienna

x1 – składowa podstawowa; f = ω/(2π) – częstotliwość podstawowa x2, x3, … – składowe harmoniczne – również sinusoidalne

Wzór Parsevala dla wartości skutecznej

dla mocy czynnej

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 12

Układy o działaniu ciągłym (linear mode)

Sygnały sterujące zmieniają się w sposób ciągły – mogą przyjmować dowolne wartości

punkt pracy w centralnej części charakterystyki stanu przewodzenia

Współczesne zastosowania niektóre wzmacniacze (np.

klasy A) niektóre stabilizatory (liniowe)

Zalety bezpośrednio wytwarzają

przebiegi stałe i n.cz. nie generują zaburzeń proste sterowanie

Wady duże straty mocy

pc,max

:

pc,min

=0:

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 13

Układy o działaniu przełączającym (switched-mode)

Sygnał sterujący zmienia się cyklicznie i skokowo, przyjmując na przemian skrajne wartości

na przemian pełne wyłączenie i załączenie – przełączanie

zmiana drogi przepływu, tj. przełączanie prądu do innej gałęzi, czy też przełączanie efektywnej topologii układu

Zalety bardzo małe straty mocy

(nawet rzędu <1%) Wady

konieczność filtracji przebiegu użytecznego (przepustowej) i zaburzeń (zaporowej)

cond b

bb

b

bcond

cond

∆ton+∆toff

∆tb

∆tcond

∆ton

∆toff

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 14

Przyrząd półprzewodnikowy jako łącznikidealny i rzeczywisty

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 15

Wymuszenie a odpowiedź łącznika

W stanie załączenia układ zewnętrzny narzuca prąd łącznika

spadek potencjału na łączniku wynika z jego niezerowej rezystancji

W stanie wyłączenia układ zewnętrzny narzuca napięcie na łączniku

prąd płynący przez łącznik wynika z jego skończonej rezystancji

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 16

Przykład – układ obniżający napięcie

Przekształtnik elektromechaniczny

Przekształtnik elektronicznyo działaniu ciągłym

Przekształtnik elektronicznyo działaniu przełączającym

ZałożeniaUi = 20 VUo = 10 VIo = 1 A ⇒ RL = Uo / Io = 10 Ω

η = 0,5

η = 0,5

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 17

Parametry przebiegów impulsowych

• okres powtarzania Tp (period)• częstotliwość powtarzania fp

(frequency)fp = 1 / Tp

• czas trwania impulsu tp (pulse width)

• współczynnik wypełnienia D (duty cycle)

D = tp / Tp

• poziom niski XL (low level) • poziom wysoki XH (high level)• amplituda Xm (amplitude)

• czas narastania tr (rise time)• czas opadania tf (fall time)

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 18

Założenia dodatkowefs = fp = 100 kHzTs = 10 µsD = 0,5 ⇒ tp = 0,5 ∙ Tp = 5 µs

Parametry tranzystorajako łącznika

Uon = 1 VIoff = 0 A∆ton = ∆toff = 0,5 µs

⇒ ∆tcond = ∆tb = 4,5 µs

η = 0,92

Przykład – cd.

∆tcond = 4,5 µs ∆tb = 4,5 µs

∆toff

= 0,5 µs∆t

on = 0,5 µs

9,5 W

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 19

Klasyfikacja przekształtników

Podstawowa klasyfikacja oparta jest o stwierdzenie, z którą składową (stałą czy przemienną) związana jest wypadkowa energia na wejściu i na wyjściu przekształtnika – tj. która składowa mocy czynnej przeważa

Przekształtniki AC-AC sterowniki prądu przemiennego, przemienniki częstotliwości

Przekształtniki AC-DC prostowniki

Przekształtniki DC-AC falowniki, w tym: rezonansowe, impulsowe

Przekształtniki DC-DC przetwornice, w tym: dławikowe, transformatorowe, rezonansowe

Przekształtniki mogą być wielostopniowe prostownik z aktywną kompensacją współczynnika mocy: AC-DC → DC-DC falownik podwyższający napięcie: DC-DC → DC-AC impulsowy przemiennik częstotliwości: AC-DC → DC-AC

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 20

Zastosowania sterowania w przekształtnikach impulsowych ze zmianą współczynnika wypełnienia Przetwornice prądu stałego (DC-DC)

regulacja (utrzymanie wartości) stałego napięcia wyjściowego sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t)

podążało za (zwykle stałym) sygnałem odniesienia vref(t)

Falowniki (DC-AC) regulacja przemiennego napięcia (rzadziej prądu) wyjściowego – utrzymanie

częstotliwości i wartości skutecznej oraz (z różną dokładnością) kształtu sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t)

podążało za (zawsze przemiennym) sygnałem odniesienia vref(t)

Prostowniki (AC-DC) regulacja stałego napięcia wyjściowego regulacja przemiennego prądu wejściowego co do kształtu sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t)

podążało za sygnałem odniesienia vref(t), zaś prąd wejściowy ig(t) podążał za sygnałem odniesienia ic(t)

„prąd” odnosi się (najczęściej) do wartości średniej lub szczytowej

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 21

Niektóre przypadki szczególne

Przetwornice sterujące lampami elektroluminescencyjnymi (LED) regulacja (utrzymanie wartości) stałego prądu wyjściowego sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby prąd wyjściowy i(t)

podążał za sygnałem odniesienia iref(t) natężenie promieniowania zależy wprost od natężenia prądu

Przetwornice pracujące jako aktywne obciążenie (MPPT) modułów słonecznych (PVM)

regulacja (dostosowanie) mocy czynnej wejściowej sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby moc wejściowa

Pg=Vg∙Ig była maksymalna w bieżących warunkach nasłonecznienia wartości Vg i Ig łączy funkcja nieliniowa o przebiegu zmiennym w funkcji

natężenia oświetlenia Przetwornice sterujące silnikami prądu stałego

regulacja składowej stałej prądu wyjściowego od natężenia prądu wyjściowego zależą prędkość i moment obrotowy sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby uzyskać zadaną

prędkość lub moment

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 22

Korzyści z cyfrowego sterowania przekształtników

Zmniejszenie liczby elementów i wymiarów układu obwody sterowania, zabezpieczeń, pomiaru, kompensacji pętli sprzężenia

zwrotnego, sterowania chłodzeniem itd. zintegrowane w jednym układzie scalonym

Sterowanie przekształtnikami o dowolnej topologii i metodzie sterowania scalone sterowniki analogowe

są przeznaczone do 1–3 topologii i stosują 1–2 metody sterowania produkowane są tylko dla najbardziej popularnych, co z kolei wpływa na

ich popularność zmiana metody sterowania nie pociąga za sobą konieczności zmiany układu

elektronicznego (topografii płytki, elementów) Ten sam obwód drukowany dla produktów o różnych parametrach

zmianie ulega wyłącznie program w zakresie parametrów konfiguracyjnych obniżenie kosztów produkcji przez zwiększenie liczby egzemplarzy

a zmniejszenie liczby wariantów tańszy również serwis i doskonalenie

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 23

Korzyści z cyfrowego sterowania przekształtników (cd.)

Zwiększenie sprawności energetycznej, zmniejszenie poboru mocy dostosowanie układu do zmiennego obciążenia – zmiana częstotliwości

przełączania, zmiana zasady sterowania, wyłączenie bloków czasowo zbędnych (np. wentylatora)

łatwa realizacja stanu czuwania – potrzebna jest tylko energia do zasilenia wybranych bloków mikroprocesora

Możliwość realizacji pomiarów pośrednich niektóre wielkości fizyczne można obliczyć na podstawie innych, np. moment

obrotowy realizacja sprzężeń zwrotnych od momentu, mocy itp. dodatkowa wiedza o stanie układu

Poprawa jakości sterowania, w tym zwiększenie szybkości odpowiedzi łatwa realizacja sprzężenia w przód

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 24

Sprzężenie w przód (feedforward)

Tradycyjny sterownik – ze sprzężeniem zwrotnym

najbardziej ogólny – PID zsumowane sygnały

proporcjonalne do: uchybu, całki z uchybu i pochodnej uchybu określają współczynnik wypełnienia

wymaga znajomości uchybu, tj. różnicy między wartością uzyskaną a zadaną

wymaga znajomości historii regulacja statyczna tym lepsza,

im większe wzmocnienie ⇒ pogorszona dynamika

łatwa realizacja analogowa i cyfrowa

Idea sprzężenia w przód współczynnik wypełnienia

wyliczany ze wzorów analitycznych

wzory te mogą łączyć np. pożądane napięcie

wyjściowe, moc wejściową napięcie wejściowe,

obciążenie wartości elementów

przekształtnika charakter wzorów

teoretyczne lub empiryczne idealne lub rzeczywiste

oparte na teraźniejszości i przyszłości

dodanie do sterownika cyfrowego łatwe, analogowego – złożone

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 25

Korzyści ze sprzężenia w przód

Pożądany sygnał wyjściowy może być obliczony zanim zmiana w układzie przełoży się na wielkość wyjściową (np. napięcie)

zmiany napięcia wejściowego sygnał mówiący o (planowanym) uśpieniu i wybudzeniu zasilanego

podzespołu Ograniczenie

wzory analityczne dają sygnał sterujący poprawny dla układu idealizowanego dla układu rzeczywistego wynik będzie przybliżony dokładne ustalenie odpowiedniego sygnału sterującego możliwe jest

wyłącznie poprzez sprzężenie zwrotne Sprzężenie w przód jest z natury stabilne

dodatkowo sterownik PID może mieć mniejsze wzmocnienie, gdyż gros sygnału sterującego pochodzi ze sprzężenia w przód (zwykle) ⇒ stabilność

Łatwo zrealizować wiele sprzężeń napięcie wyjściowe, prąd wejściowy, moc wejściowa itp. tradycyjny podział na sprzężenia napięciowe i prądowe nie ma zastosowania

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 26

Funkcje sterowania cyfrowego przekształtników(lista niewyczerpująca)

tryb niskiego poboru mocy przełączanie źródeł zasilania łagodny start pamięć i zarządzanie awariami zmiana (nastawa) sygnału

odniesienia zmiana zasady sterowania złożone techniki sterowania (np.

PWM z modulacją częstotliwości) cyfrowa implementacja pętli

sprzężenia zwrotnego

komunikacja z innymi blokami i użytkownikiem

pomiar wartości skutecznej, mocy

czynnej, współczynnika zniekształceń

prędkości, momentu obrotowego kompensacja współczynnika mocy minimalizacja zniekształceń

harmonicznych minimalizacja zaburzeń wysokiej

częstotliwości funkcje pomocnicze

chłodzenie – sterowanie wentylatorem

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 27

Poziom 1Sterowanie włącz-wyłącz

Funkcje start-stop tryb niskiego poboru

energii zarządzanie wieloma

odbiornikami pamięć awarii, watchdog,

zarządzanie awariami komunikacja zabezpieczenia termiczne

Sprzęt przetwornica z własnym

sterownikiem analogowym prosty mikrokontroler

oddziałujący poprzez wejścia typu włącz-wyłącz

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 28

Poziom 2Sterowanie proporcjonalne

Funkcje sterowanie napięciem

wyjściowym ograniczenia prądowe,

napięciowe, temperaturowe łagodny start i kontrolowane

zatrzymanie sterowanie chłodzeniem

Sprzęt przetwornica z własnym

sterownikiem analogowym średnio prosty mikrokontroler

przebieg impulsowy (PWM/CCP) podawany na wejście typu zezwalającego

pomiar (ADC, SPI/I2C)

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 29

Funkcje przełączanie topologii

kompensatora przełączanie zasady sterowania

i rodzaju sprzężenia zwrotnego (np. przy małym obciążeniu)

zmiana częstotliwości przełączania

realizacja sprzężenia zwrotnego

Poziom 3Sterowanie wewnątrz topologii przekształtnika

Sprzęt wewnętrzny generator-

modulator (PWM) wewnętrzne zasoby analogowe lub zewnętrzne układy dedykowane

(przetworniki A/C, wzmacniacze operacyjne, komparatory, oscylator, źródło napięcia odniesienia)

zewnętrzny sterownik bramki

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 30

Poziom 4Sterowanie w pełni cyfrowe (1)

Funkcje bardziej złożone funkcje

z niższych poziomów przekształtniki wielostopniowe cyfrowa (programowa)

implementacja sprzężenia zwrotnego

sterownik PI(D) lub inne algorytmy sterowania

zaawansowane pomiary korektory współczynnika

mocy (avg, rms, λ, dh, i(k)) falowniki (v(k), dh)

szczególne sprzężenia zwrotne śledzenie punktu

maksymalnej mocy (energia słoneczna)

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 31

Poziom 4Sterowanie w pełni cyfrowe (2)

Sprzęt – zwykle procesory DSP / mikrokontrolery sygnałowe DSC

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 32

Poziom 4Sterowanie w pełni cyfrowe (3)

Współpraca mikrokontrolerów DSC – wielostopniowy przekształtnik z izolacją galwaniczną

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 33

Rodziny mikrokontrolerów MicroChip dedykowane do zastosowań w elektronice mocy

Łukasz Starzak, Energoelektronika cyfrowa, studia stacjonarne, zima 2018/19 34

Sugerowane aplikacje różnych rodzin mikrokontrolerów firmy MicroChip