Teljesítményelektronika szabályozása. Összeállította dr. Blága Csaba egyetemi docens

Átírás

1 Teljesítményelektronika szabályozása Összeállította dr. Blága Csaba egyetemi docens

2 Szakirodalom 1. Ferenczi Ödön, Teljesítményszabályozó áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, Ipsits Imre, Villamos automatikaelemek, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1982.

3 Tartalom 1. Teljesítményelektronikai szabályozási elvek 2. Teljesítményelektronikát szabályozó integrált áramkörök

4 1. Teljesítményelektronikai szabályozási elvek 1. AC AC átalakítás 2. DC DC átalakítás 3. DC AC átalakítás 4. AC DC átalakítás

5 1.1. AC AC átalakítás 1. Fázishasítás 2. Hullámcsomag vezérlés 3. Impulzus vezérlés 4. Szinkronizált megcsapolású transzformátor

6 1.1.1.a. Fázishasítás elve u α Z L α ωt Egy prióduson belül nem lehet a gyújtásszöget változtatni, mert egyenösszetevő jelenik meg és mágneses fogyasztó esetén telítődés következik be. Ha α=állandó feszültség és áram lineáris közép értéke=. Ha Z L =R P = U R 1 α π sin 2α + 2π Ha α P, de nem lineárisan. 2 P π α

7 1.1.1.b. Fázishasítás jellemzői Előnyök: - folyamatos szabályozás α min és α max között - a fogyasztóra jutó áram alapharmonikusának frekvenciája = a táp frekvenciájával szinkron fordulatszám megmarad Hátrányok: - felharmonikus tartalom - Ω-os fogyasztó esetén is van meddő teljesítmény - visszahat a hálózatra - rádiófrekvenciás zavarás - du/dt, di/dt speciális félvezetők Alkalmazás: ahol az 5 Hz-es váltóáram szabályozása szükséges: fényerő, motorfordulatszám, elektromágnes behúzó ereje, stb.

8 1.1.2.a. Hullámcsomag vezérlés elve N teljes periódusból m teljes periódust vezet. u Z L m Külön áramkör gondoskodik arról, hogy mindig -nál legyen a bekapcsolás és teljes periódust legyen bekapcsolva. N ωt Ha Z L =R P max = U R 2 és P = m N Pmax

9 1.1.2.b. Hullámcsomag vezérlés jellemzői Előnyök: - kapcsolás átmenetnél - nincs felharmonikus tartalom - nincs rádiófrekvenciás zavarás - du/dt, di/dt nem jelentős Hátrányok: - szubharmonikusok keletkeznek mechanikus rezgések - lassú vezérlés Alkalmazás: nagy tehetetlenségű (időállandójú) rendszerek esetén: villamos hevítés

10 1.1.3.a. Impulzus vezérlés elve u Z L ωt A tápfeszültség nagyfrekvenciás szaggatása.

11 1.1.3.b. Impulzus vezérlés jellemzői Előnyök: - gyors szabályozás Hátrányok: - felharmonikus tartalom - Ω-os fogyasztó esetén is van meddő teljesítmény - visszahat a hálózatra - rádiófrekvenciás zavarás - du/dt, di/dt speciális félvezetők Alkalmazás: különösen gyors beavatkozást igénylő berendezéseknél: szervohajtás

12 Szinkronizált megcsapolású u L transzformátor u L [,u 1 ] ωt u L u 2 u 1 u L Z L u L u L [,u 2 ] ωt u L [u 1,u 2 ] ωt

13 Egyfázisú áramkör topologiák D 2 D 1 Ti 1 Ti 2 Z L D 1 Ti D 3 D 4 D 2 Z L

14 Háromfázisú áramkör topologiák Z L Z L Z L Z L Z L Z L TRIAK-ok egy egységben Z L Z L Z L A 3-ad rendű felharmonikusok a körben maradnak.

15 1.2. DC DC átalakítás 1. Impulzusszélesség moduláció 2. Impulzusfrekvencia moduláció 3. Jelkövető (kétpont, hiszterézises) szabályozás

16 1.2.1.a. Egypólusú impulzusszélesség + moduláció =U R _ u U U átlag U átlag γtu = = T γ = 1 γu γt T t ha γ= nincs fékezés

17 1.2.1.b. Kétpólusú impulzusszélesség + =U záró bontó R moduláció bontó záró u +U γt U átlag t _ -U T U átlag ( 1 γ) T( U) γtu + = = ( 2γ 1)U γ = 1 T Ha γ=5% U átlag = és nincs fékezés, de ha kicsit is kimozdul a fordulatszám, akkor fékező nyomaték jelenik meg.

18 1.2.1.c. Impulzusszélesség moduláció jellemzői Előnyök: T periódus=állandó szűrni lehet a nagyfrekvenciás zavarokat Hátrányok: T perióduson belül nincs beavatkozási lehetőség lassúbb Alkalmazás: szervomotorok f=(3 4) khz nagy teljesítményű egyenáramú motorok f 1 khz

19 1.2.2.a. Impulzusfrekvencia moduláció + =U R _ U átlag = t beu T u U U átlag1 t be T 1 t be T 2 U átlag2 t be bekapcsolási idő=állandó, T periódus(idő) változik, (vagy t ki kikapcsolási idő=állandó, T periódus(idő) változik) változik a kitöltési tényező változik az átlagfeszültség t

20 1.2.2.b. Impulzusfrekvencia moduláció jellemzői Előnyök: T perióduson belül van beavatkozási lehetőség gyorsabb Hátrányok: T periódus változik nem lehet szűrni a nagyfrekvenciás zavarokat Alkalmazás: gyors beavatkozást igénylő szabályozási rendszereknél

21 Egyenjelkövető szabályozás + =U I _ i I max Z L I min - két érték között tartja az áramot kétpont vagy hiszterézises ( I) szabályozás - ugyanay a felfutási és a csökkenési idő, de U átlag más-más szinten ugyanarra a I-re más és más t be és t ki értéke változik a bekapcsolási idő is és a periódus is I I t

22 1.3. DC AC átalakítás Jelkövető (kétpont, hiszterézises) szabályozás

23 1.3.a. Váltójelkövető szabályozás tömbvázlata + npn i* i hiszterézises szabályozó 1 npn _ R L

24 1.3.b. Váltójelkövető szabályozás időfüggvénye i + i + i* i + i* t i t i t _ Állandóan változó frekvencia és kitöltési tényező, amelyek alapjel periódusától is függnek.

25 1.3.c. Modulált váltójelkövető szabályozás tömbvázlata i* háromszögjel f >1 khz i ε komparátor kapcsolás logika τ τ + pnp npn _ R L

26 1.3.d. Modulált váltójelkövető ε hibajel +U -U szabályozás időfüggvénye moduláló jel A kitöltési tényező változik, de a frekvencia állandó. t PWM Pulse Width Modulation impulzus szélesség moduláció tranzisztorok beés kikapcsolása Alkalmazás: t mezőorientált aszinkronmotor hajtás

27 2. Teljesítményelektronikát szabályozó integrált áramkörök 1. UAA µa PWM modulátor 4. PFM modulátor

28 2.1. UAA fázishasításos integrált vezérlő - univerzálisan alkalmas egy- és háromfázisú egyenirányítókapcsolások tirisztorainak vezérlésére

29 UAA 145 tömbvázlata hálózat meredekség 3f szinkron szinkronozó fűrészgenerátor komparátor tároló U α vezérlőjel impulzusgenerátor impulzus szélesség csatornaszétválasztó kimenetek

30 u UAA 145 jelalakjai t Szinkronozó: - átmenetnél trigger - trapéz jel a csatorna szétválasztáshoz u Fűrészgenerátor: - trigger indítja - egy kondenzátor gyors töltése, majd lassú (kvázi lineáris) kisütése u u u U α t t t t Komparátor, tároló: - fűrészjel és vezérlőjel összehasonlítása: - átbillenti a tárolót Impulzus generátor: - a tároló átbillentése egy MMV-t indít (MMV=monostabil multivibrátor) Csatorna szétválasztás: - a megfelelő Ti-nak adja a gyújtóimpulzust

31 2.1.3.a. UAA 145 3f szinkronjele 3F1U3Ü kapcsolás: U s =U f R S T U d 3 R I d A átmenet és a természetes kommutációs pont nem esik egybe. u u u R u S u T π 2π szinkronjel α=ωt α=ωt

32 2.1.3.b. UAA 145 3f szinkronjele Szinkrontranszformátort alkalmaznak: u u R u S u T U R 3º U S 3 π 2π α=ωt U T 1 órás Hogyan kell bekötni a primer és szekunder tekercseket (Y,, Z)? u szinkronjel α=ωt

33 F2U6Ü Ti-os kapcsolás vezérlőjeleinek ütemtáblázata u u TS u RS u RT u ST u SR u TR U R S T R π 2π α=ωt A Ti-okat 6 -onként kell párosával gyújtani

34 2.2. µa hullámcsomag vezérléshez alkalmazzák - átmenet vezérlő (TRIGAC)

35 kiegyenlítetlen híd R R R R- R µa 742 tömbvázlata _ ME + T komparátor önzáró I 13 D Z S 1 S 2 szinkronizáló R tápfesz = -ha C T feltöltve és van sync jel 11 kimenet V 2 R 12 C T 8 1 R sync

36 µa 742 alapbekötése R R R ( ) sync R R t R P (+) trigger - hálózati feszültségre is köthető θ C C T

37 2.3. Impulzusszélesség modulátor f γ max tiltó U ref sync fűrészgenerátor komparátor D Z U vezérlő +U t U ki U túlfesz. védelem tiltó áramkör PWM kimeneti fokozat OC R sc túláram védelem lassú indító és leállító hiba szám. áramkör hurokhiba védelem αu ki I ki Alkalmazás: motorvezérlés

38 2.4. Impulzusfrekvencia modulátor f VCO hibajel erősítő αu ki U ref I ki R sc túláram védelem VCO: feszültség vezérelt oszcillátor f : bekapcsolási idő rögzítése A túláram védelem a VCO frekvenciáját csökkenti. Alkalmazás: kapcsolóüzemű tápegység