Teljesítményelektronika szabályozása Összeállította dr. Blága Csaba egyetemi docens
Szakirodalom 1. Ferenczi Ödön, Teljesítményszabályozó áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981. 2. Ipsits Imre, Villamos automatikaelemek, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1982.
Tartalom 1. Teljesítményelektronikai szabályozási elvek 2. Teljesítményelektronikát szabályozó integrált áramkörök
1. Teljesítményelektronikai szabályozási elvek 1. AC AC átalakítás 2. DC DC átalakítás 3. DC AC átalakítás 4. AC DC átalakítás
1.1. AC AC átalakítás 1. Fázishasítás 2. Hullámcsomag vezérlés 3. Impulzus vezérlés 4. Szinkronizált megcsapolású transzformátor
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
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.
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
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
1.1.3.a. Impulzus vezérlés elve u Z L ωt A tápfeszültség nagyfrekvenciás szaggatása.
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
1.1.4. 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
1.1.5. Egyfázisú áramkör topologiák D 2 D 1 Ti 1 Ti 2 Z L D 1 Ti D 3 D 4 D 2 Z L
1.1.6. 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.
1.2. DC DC átalakítás 1. Impulzusszélesség moduláció 2. Impulzusfrekvencia moduláció 3. Jelkövető (kétpont, hiszterézises) szabályozás
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
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.
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
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
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
1.2.3. 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
1.3. DC AC átalakítás Jelkövető (kétpont, hiszterézises) szabályozás
1.3.a. Váltójelkövető szabályozás tömbvázlata + npn i* i hiszterézises szabályozó 1 npn _ R L
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.
1.3.c. Modulált váltójelkövető szabályozás tömbvázlata i* háromszögjel f >1 khz i ε komparátor kapcsolás logika τ τ + pnp npn _ R L
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
2. Teljesítményelektronikát szabályozó integrált áramkörök 1. UAA 145 2. µa 742 3. PWM modulátor 4. PFM modulátor
2.1. UAA 145 - fázishasításos integrált vezérlő - univerzálisan alkalmas egy- és háromfázisú egyenirányítókapcsolások tirisztorainak vezérlésére
2.1.1. UAA 145 tömbvázlata hálózat meredekség 3f szinkron szinkronozó fűrészgenerátor komparátor tároló U α vezérlőjel impulzusgenerátor impulzus szélesség csatornaszétválasztó 1. 2. kimenetek
u 2.1.2. 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
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
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
2.1.4. 3F2U6Ü Ti-os kapcsolás vezérlőjeleinek ütemtáblázata u u TS u RS u RT u ST u SR u TR U R S T 1 2 3 4 5 6 R π 2π α=ωt A Ti-okat 6 -onként kell párosával gyújtani. 1 2 3 4 5 6
2.2. µa 742 - hullámcsomag vezérléshez alkalmazzák - átmenet vezérlő (TRIGAC)
kiegyenlítetlen híd R R R R- R 2.2.1. µa 742 tömbvázlata 2 3 7 _ 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
2.2.2. µa 742 alapbekötése R R R ( ) 2 13 1 sync R R t R P (+) 3 8 12 11 trigger - hálózati feszültségre is köthető θ C C T
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
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