ELECTRONICĂ DE PUTERE

Curs 1: INTRODUCERE

CONŢINUT

Definiţii şi concepte Istoric Aplicaţii Despre curs

I. Definiţii şi concepte

Electronica de putere – electronica aplicată pentru

conversia şi controlul puterii electrice.

Domeniile de putere:

milliwatts (mW) megawatts (MW) gigawatts

(GW)

Scop explicit: Primul rol al electronicii de putere este

de a realiza şi controla transferul de putere electrică

prin tensiuni şi curenţi cu formă optimă pentru sarcina

utilizatorilor.

Convertoare de putere Convertoare Convertoare în comutaţie Circuite electronice de putere Convertoare electronice de

putere

Conversia puterii electrice

Electric Power

Converter

Power output

Power input

Control input

Denumiri atribuite convertoarelor de putere electrică:

Schema bloc de bază a unui sistem electronic de putere

Power Processor

Controller

Load

measurement

reference

POWERINPUT

POWEROUTPUT

vi , ii vo , io

Source

Structura generică a unui sistem electronic de putere

Power Converter

Control input Controller

Reference

Power input

Power output

Feedback (measurements of output signals )

Feedforward ( measurements of input signals )

Controlul este absolut necesar. Convertorul de putere împreună cu controller-ul şi circuitele

de măsurare şi interfaţă corespunzătoare, sunt de asemenea

numite sistem electronic de putere.

Power Converter

Measurements

Controller Reference

Power input

Power output

Electric Motor light heating other electric equipment power converter

Electric utility battery other electric energy source power converter

Source

Load

io

Vo

ii

Vi

Un sistem electronic de putere tipic

În sarcina electronicii de putere a fost adăugată recent problematica asigurării curentului, respectiv puterii consumate de convertoarele de putere şi sarcini, pentru a satisface cerinţele impuse surselor de energie electrică.

Relaţia cu electronica de informatie

Clasificarea electronicii după obiectul procesării:a. Electronică de informaţie - pentru procesarea de informaţieb. Electronică de putere – pentru procesarea puterii electrice

Alte clasificări a domeniului electronicii:a. Electronica vidului – utilizează dispozitive cu vid (ex. tuburi cu

vid)b. Electronica solidului (solid state) - utilizează dispozitive solid

state (ex. dispozitive semiconductoare)

a. Electronica fizică – fizica, materialele şi realizarea dispozitivelorb. Electronica aplicată – aplicaţii ale dispozitivelor electronice în diferite domenii

Caracterul interdisciplinar al Electronicii de Putere

Power Electronics

学

Electronics

Power

学

Control

Continuous,

discrete

连续、离

散

Static & rotating

power equipment

Devices,circuits

William E. Newell’sdescription

Electronica de putere este interfaţa dintre electronică şi putere.

Power electronics

electronics electr

Electric machines

Circuit Ct theory

Systems& Control theory

Control

theory

Signal processing

Simulation & computing

electronics

Solid state

physics

Electromagnetics

Power systems

Relaţia multidisciplinară

Modeling &Simulation

System &Control theory

System Area

Circuit Theory

Electric machines

Power Systems

Electromagnetics

Analog Electronics

Signal Processing

Solid-State Physics

Digital Electronics

Low Power Area High Power Area

PowerElectronics

Electronica de putere este în prezent cea mai activă disciplină în cadrul ingineriei electrice.

Importanţa şi poziţia în societate

- Electronica de putere este folosită în aproape toate domeniile societăţii moderne.

- Energia electrică este cea mai importantă formă de energie utilizată în societatea modernă.

- Obiectivul electronicii de putere este de a stabili modul de utilizare eficientă şi efectivă a puterii electrice, precum şi modul de îmbunătăţire a calităţii acesteia.

- Electronica de putere şi electronica de informaţie constituie doi poli ai tehnologiei moderne şi societăţii umane: electronica de informaţie reprezintă creierul, iar electronica de putere este sistemul muscular.

II. Istoric

Mercury arc rectifier Vacuum- tube rectifier

Thyratron

Invention of Thyristor

Applicat ion of fast- switching fully- controlled semiconductor

devices

Power diode Thyristor

GTO GTR

Power MOSFET Thyristor

(microprocessor)

IGBT Power MOSFET

Thyristor (DSP)

Pre-history

1st phase

2nd phase

3rd phase

1957

1900

late 1980s

mid 1970s

III. Applicaţii

Aplicaţii industriale:

Comanda motoarelor Electroliza Placări electrice Încălzire prin inducţie Sudura Furnale şi cuptoare electrice Iluminare

Aplicaţii în transporturi:

Trenuri&locomotive Metrou Trolley buses Levitaţie magnetică Vehicule electrice Electronica automobilelor Sistemele de putere a navelor Sistemele de putere ale aeronavelor

Aplicaţii în sisteme utilitare:

Acţionări de c.c. la Î.T.(HVDC) Acţionări flexible de c.a.(FACTS) Compensare statică (v.a.r. & armonici) Suprimare: TCR, TSC, SVG, APF Reglare nivel de putere & control calitate Surse complementare de energie: eoliene, fotovoltaice, fuel cells Sisteme de înmagazinare a energiei

Telecomunicaţii Echipamente de calcul Echipamente de birou Instrumente electronice Echipamente electronice portabile sau mobile

Surse de alimentare a echipamentelor electronice:

Aplicaţii rezidenţiale şi casnice:

Iluminare Încălzire Air condiţionat Răcire şi congelare Preparare hrană Aspirare Multimedia

Aplicaţii în tehnologia spaţiului:

Sistemele electrice ale navelor de transport Sistemele electrice ale sateliţilor Sistemele electrice ale vehiculelor spaţiale

Alte aplicaţii:

Controlul reactoarelor nucleare Sistemele electrice ale acceleratoarelor de particule Ingineria mediului

Se estimează că în prezent, în ţările dezvoltate peste 60% din energia electrică este livrată prin intermediul unor astfel de convertoare electronice de putere.

Electronica de putere va avea contribuţii majore la: -- performanţe mai bune pentru sursele electrice şi un control

mai bun al echipamentelor electrice; -- economisirea energiei; -- protecţia mediului. Reducerea consumului de energie conduce la reducerea

poluării. Reducerea poluării este determinată şi de aplicaţiile directe cu

convertoare de putere.

Tendinţe:

Exemplu:

Dc-dc converter

+ -

+

-

V

50V

R

5Ω

I

10A

Vg

100V

Sursa de intrare: 100VSarcina de ieşire: 50V, 10A, 500WCum poate fi realizat?

+ -

+

-

V

50V

R

5Ω

I

10A

Vg

100V

Pout=500W Pin=1000W

+

-

50V

Ploss=500W

• Realizare disipativă:

Divizor rezistiv de tensiune

+ -

+

-

V

50V

R

5Ω

I

10A

Vg

100V

Pout=500W Pin≈1000W

+

-

50V

Ploss≈500W

linear amplifier

And base driver

- +

Vref

Regulator serie:

- tranzistorul operează în regiunea activă

+ -

+

-

V(t)

50V

R

I

10A

Vg

100V

+

-

Vs(t)

Vs(t) Vg

switch position:

Vs=DVg

DTs

(1-D)Ts

0

1

1

2

t

1

2

• Realizare cu comutator (SPDT switch)

Vs(t) Vg

switch position:

Vs=DVg

DTs

(1-D)Ts

0

1

1

2

t

D=switch duty cycle

0<D<1

-

- Ts=switching period

fs=switching frequency

=1/ Ts DC component of Vs(t)=average value:

Vs

=

∫ 0

Ts Vs(t)

dt

=DVg

Comutatorul modifică nivelul tensiunii de c.c.

+ -

+

-

V(t)

50V

R

I

10A

Vg

100V

+

-

Vs(t)

1

2

L C

Pin≈ 500W Ploss small

Pout=500W

• Introducerea unui F.T.J.Introducerea unui filtru trece-jos (ideal) L-C, pentru înlăturarea armonicilor de comutaţie:

Frecvenţa de tăiere a filtrului fo va fi mult mai mică decât frecvenţa de comutaţie fs.Acest circuit este cunoscut ca “buck converter”.

• Introducerea sistemului de control pentru stabilizarea tensiunii de ieşire

+ -

+

-

V

i

Vg

H(s)

Pulse-width modulator

sensor gain

Gc(s)

-

+

transistor gate driver

Power input

Load Switching converter

error signal

Ve

Vc

Vref

Reference input

compensator

δ

δ (t)

t

dTs

Ts

Există trei categorii de echipamente electronice care realizează conversia energiei electrice şi sunt utilizate în calitate de surse electrice:

- surse de alimentare (c.a./c.c.); - convertoare (c.c./c.c. şi c.a./c.a.); - invertoare (c.c./c.a.).

SWITCH MODE POWER SUPPLY

Surse electrice în comutaţie vs. Surse electrice liniare

Sursă de tensiune continuă liniară: a. schema bloc; b. formele de undă ale tensiunii.

0

ui(t)

ui,min

Uotb.

Domeniulde variaţie

al ui

Sarcină

UCE = ui - Uo

+

-

B

ui

Uo

Uref

Rs

Transformator (50 Hz)

Redresor Filtrare

+

-

I0

Intrare de linie(monofazat sau

trifazat) C-dă

a.

C

E

Uo

Configuraţia de bază a unei surse stabilizate de tensiune continuă în comutaţie.

PWM

OSCVrefTc

Intrare(c.a.)

Circuit decomandă şi

control

Transformatorde putere

Redresor şifiltru

Tensiune de ieşire (c.c.)

Controlul duratei relative de comutare

Comutator deînaltă frecvenţă

Redresor şifiltru

k

PARAMETRU SURSĂ LINIARĂ SURSĂ ÎN COMUTAŢIE

Stabilizare de linie 0,020,05% 0,050,1%

Stabilizare de sarcină 0,020,1% 0,10,5%

Pulsaţii la ieşire 0,72,82mV (amplitudine)

2550mVvv

Domeniul tens. de intrare 10% 20%

Randament 3055% 7090%

Densitate de putere 0.5W/in3 2.5W/in3

Durata tranz. de revenire 50sec. 300sec.

Timp de menţinere 2 msec. 32 msec.

Stabilizarea de linie – modificarea (în procente) a tensiunii de ieşire ca urmare a modificării tensiunii de linie (de alimentare) peste limitele specificate, la sarcină şi temperatură constantă.Stabilizarea de sarcină – modificarea (în procente) a tensiunii de ieşire ca urmare a modificării sarcinii de la valoarea minimă la valoarea maximă, la tensiune de alimentare şi temperatură constantă.Durata de revenire tranzitorie – timpul necesar pentru ca tensiunea de ieşire a sursei să se stabilească în limitele specificate, după modificarea prin salt a curentului de sarcină sau a tensiunii de alimentare.Timpul de menţinere – intervalul de timp pe durata căruia tensiunea de ieşire a sursei rămâne în intervalul specificat după întreruperea (pierderea) alimentării.

Puncte majore în dezvoltarea electronicii de putere

Îndeplinirea cerinţelor impuse de sarcină Îmbunătăţirea eficienţei -- pentru o funcţionare sigură a dispozitivelor

semiconductoare de putere -- pentru economisirea energiei. Realizarea conversiei cu costuri, volum şi

greutate cât mai reduse. Reducerea influenţei negative asupra altor

echipamente din sistemul electric de putere şi asupra mediului electromagnetic.

IV. Despre curs

2C+2L/sapt.

CONŢINUT:

- Dispozitive electronice de putere

- Circuite electronice de putere

- Tehnici de comandă