ENERGIAÁALAKÍÓ ECHNIKA A teljesítményelektronikai kapcsolások, (áramirányítók), alaptipusai: 1. Váltó/egyen, (AC/DC) átalakítók, (hálózati kommutációs áramirányítók). Mûködésükhöz váltakozó feszültségü táphálózatot igényelnek. Az energiaáramlás kitüntetett iránya a válta-kozóáramu oldalról az egyenáramu oldal felé mutat, (egyenirányító üzem), de bizonyos tipu-sainál ellentétes irányu energiaáramlás is biztosítható, (váltóirányító/inverter üzem). 2. Váltó/váltó, (AC/AC), átalakítók, (váltakozóáramu szaggatók). Segítségükkel a rendelkezésre álló váltakozó feszültség értéke befolyásolható, (változtatható, vagy stabilizálható). 3. Egyen/egyen, (DC/DC), átalakítók, (egyenáramu szaggatók). Segítségükkel a rendelkezésre álló egyenfeszültség értéke befolyásolható, (változtatható, vagy stabilizálható). 4. Egyen/váltó, (DC/AC), átalakítók. Müködésükhöz egyenfeszültségü energiaforrás szükséges. Kimenetükön változtatható amplitudóju és frekvenciáju váltakozó feszültség állítható elõ. Az energiaáramlás kitüntetett iránya az egyenáramu oldalról a váltakozóáramu oldal felé mutat, de bizonyos tipusainál ellentétes irányu energiaáramlás is biztosítható. Alkalmazási területek: 1. tipus: Különféle, jelfeldolgozó elektronikus készülékek/berendezések segédtápegységeinek beme-neti egyenirányítói. Pl. szórakoztató elektronikai készülékek, mint rádió, televízió stb., szá-mítógépek, adatfeldolgozó berendezések, különféle technológiai folyamatok irányító beren-dezései, stb. Egyenáramu teljesítményt igénylõ technológiák egyenirányítói. (Pl. egyenáramu villamos hajtások tápegységei, (10W - 10MW tartományban). Vizes és tûzfolyós elektrolízisek a vegyiparban, (100V - 1000V és maximum többszáz ka). Nagyvárosi tömegközlekedési jármüvek energiaellátása alállomásokon telepített egyenirányí-tókkal, (villamos, trolibusz, MERO, 500V - 1500V, néhány ka). Galvanizáló kádak és korrózióvédelmi egyenirányítók, (max. néhány ka és max. 100V). Szinkron generátorok gerjesztõgépei, (max. néhányszor 100V és többezer A). Nagyvasuti vontatás egyenirányítói, alállomásokon vagy mozdonyokon telepítve, (2-5MW). Akkumulátortöltõ berendezések. (Gépjármûvek, szünetmentes energiaellátó rendszerek ak-kumulátortelepei). Elektrosztatikus lakkbevonat készítés, (100kV - 150kV, néhány ma). Humán röntgenkészülékek bemeneti egyenirányítói, (max. 100kW és 150kV). Fémröntgenek, (néhányszor 100W és 100kV - 300kV). Porleválasztók táplálása, (20kW - 100kW és 60kV - 100kV). Nagyfeszültségû, egyenáramu energiaátvitel, (~1000MW). 2. tipus: Ellenállásterhelésû fogyasztók teljesítményszabályozása, (izzólámpák, ellenállásfûtésû háztar-tási készülékek, ellenállásfûtésû kemencék). 1
Általános céllal kapcsolóelemként, (pl. kondenzátortelepek kapcsolására, meddõkompenzá-lás, vagy relék kiváltására). Váltakozóáramu motorok fordulatszám szabályozása, (pl. villamos hajtásu kéziszerszám gé-pekben, daruhajtásokban, stb.).elõtét szabályozó, (pl. porleválasztók vezéreletlen egyenirányító kapcsolásainak táplálására). Fojtótekercsek áramának szabályozására, (meddõteljesítmény kompenzátorok). 3. tipus: Különféle jelfeldolgozó elektronikus készülékek/berendezések segédtápegységeinek szabá-lyozói, (feszültség- és áramstabilizátorok). Egyenfeszültségrõl táplált egyenáramu hajtások villamos szabályozói, (targonca, villamos, trolibusz, MERO, szervomotorok, szerszámgép mellékhajtások). Napelemes rendszereket kiszolgáló átalakítók. Egyenáramu szünetmentes rendszerek átalakítói, (posta). 4. tipus: Váltakozóáramu szünetmentes energiaellátó rendszerek átalakítói, (kórházak, repülõterek, ipari folyamatok irányítása, számítógépek, vasúti biztosító berendezések). Változtatható fordulatszám, váltakozóáramu villamos hajtások tápegységei. Középfrekvenciás átalakítók ipari technológiai célokra, (indukciós hevítés, középfrekvenciás hegesztõgépek, stb.). Speciális célú középfrekvenciás átalakítók, (pl. röntgentechnika). Hangfrekvenciás körvezérlések tápegységei. Napelemes rendszereket kiszolgáló átalakítók. 1. HÁLÓZAI KOMMUÁCIÓS ÁRAMIRÁNYÍÓ KAPCSOLÁSOK Egyen/váltó, (AC/DC), átalakítók. 1.1. Alapfogalmak: Mûködésük feltétele:a hálózati feszültséget meghatározó feszültséggenerátorok a váltakozó-áramu oldalon. Az elnevezésrendszer: xfyupü ---> x fázisú, y utas, p ütemû h.k.á.i., (hálózati kommutáci-ós áramirányító). x=a váltakozóáramú hálózat fázisszáma, (1 ill. 3). y=az áram lehetséges folyási irányai a félvezetõ(ke)t közvetlenül tápláló generátor(ok)ban, (1 ill. 2). p=az egyen-irányított feszültség, U d, legalacsonyabb rendszámû váltakozó összetevõjének frekvenciája osztva a tápláló hálózat frekvenciájával. Kommutáció: a félvezetõk közötti áramváltás. Ideális kommutáció ---> pillanatszerü kommutáció. Valóságos kommutáció ---> az áramváltás a kommutációs áramkör impedanciái miatt véges idõ alatt játszódik le. Hálózati kommutáció ---> a kommutációt a váltakaozóáramú hálózat feszültsége biztosítja. ermészetes kommutáció ---> a diódák alkalmazásakor végbemenõ kommutáció. Késleltetett kommutáció ---> vezérelhetõ félvezetõk, tirisztorok, alkalmazásakor létrejövõ, idõben késleltetett kezdetû kommutáció. ermészetes kommutációs pont: a természetes kommutáció idõpontja ideális kommutációt feltételezve. Gyujtáskésleltetési szög, α, α, : a vezérelt félvezetõk, (tirisztorok), gyujtásának villamos 2
fokokban kifejezett késleltetése, α= ωt, a természetes kommutációs ponthoz illetve a fázisfeszültség nullátmenetéhez képest, 1.1.-1.ábra. 1.1.-1. ábra Fedési szög, µ: a valóságos kommutáció villamos fokokban kifejezett idõtartama, µ=ωt µ. Folyamatos áramvezdetés: állandósult állapotban az egyenáramú körben az áram pillanatértéke sohasem lesz nulla. Szaggatott áramvezetés: állandósult állapotban az egyenáramú körben az áram pillanatértéke periodikusan nulla lesz. Ütemidõ, τ: Egy szelep áramvezetési ideje. Áramfolyási szög Θ 0, egy félvezetõ áramvezetési ideje villamos fokban kifejezve. Az ideálisnak feltételezett félvezetõk jelleggörbéi, 1.1.-2.ábra. 1.1.-2. ábra 3
1.2. Egyfázisu egyenirányítók mûködésének vizsgálata ellenállásterheléssel és kapacitív szûréssel. Ajánlott irodalom: [1] 2.8.,9.,10.,11.,12.ábra, 2.1., 2.2.,2.3.példa. Kisebb teljesítményeken, max. 100kW-ig általánosan elterjedt a kimeneti egyenirányított feszültség kondenzátorokkal való szûrése. A szûrõkondenzátorok általában elektrolit kondenzátorok, mivel ezek alkalmazásával lehet a szükséges kapacitás értéket a legkisebb méretben és a legolcsóbban létrehozni. Az elektrolit kondenzátorok egyirányu polározhatósága az esetek nagy részében nem zavaró. A vizsgálatok elsõ részében az egyenirányitott feszültség hullámosságát figyelmen kivül hagyjuk, azaz C d értéket tételezünk fel. 1.2.1. Az alapkapcsolások, (1F1U1Ü, 1F1U2Ü és 1F2U2Ü kapcsolás) felépítése és a mûködésükre jellemzõ legfontosabb idõfüggvények. ismertetése Az 1F1U1Ü, 1F1U2Ü és 1F2U2Ü kapcsolások felépitése az 1.2.1.-1.,2.,3.a.ábrán látható. A müködésükre jellemzõ legfontosabb idõfüggvényeket, C d értéket feltételezve, az 1.2.1.-1.,2.,3.b,c ábrában foglaltuk össze. Mivel C d, az egyenirányított feszültség, U d,teljesen sima. A diódá(k) akkor vezet(nek), amikor a generátorfeszültség(ek) értéke U d -nél nagyobb. U d nagysága a töltésegyensúlyból számítható, u.i. állandósult állapotban C d áramának középértéke, I CdAV =0. (A számítás transzcendens egyenletre vezet, ami iterációval oldható meg, ezért a méretezéshez célszerûbb elõreszámított görbeseregeket v. áramköri szimulátort alkalmazni.) U d =U d (R/R d, ωr d C d ). R/R d csökkenésével a Θ 0 áramfolyási szög csökken, U d értéke nõ. A tápforrásból felvett áram egyre csucsosabb, felharmonikustartalma nõ. Határesetben, (R=0, ill. R d = ), U d U gm, (csucsegyenirányító). A valóságban u d (t) a C d kondenzátor véges értéke miatt hullámos, a változás maximális értéke a hullámosság, U d, (ripple, brummfeszültség), l. 1.2.1.-4.ábra. 1.2.2. A méretezéshez használható jelleggörbeseregek ismertetése A görbeseregeket az 1.2.2.-1.,2.,3.,4.ábra tartalmazza. 4
1F1U1Ü kapcsolás: i D u u g u d ; C d u d R g u g D C d i c ud R d u d ; C d π 2π ωt θ 0 θ 0 i D = u g u R g d i i D I d i C ωt 1F1U2Ü kapcsolás: 1.2.1.-1. Ábra R g i D1 u u g1 u d u g2 u d ; C d u g1 u g2 R g R d u d D 1 i d π 2π ωt θ i 0 θ 0 c D 2 i D2 i i D1 i D2 u d ; C d i D1,2 u = g1,2 R u 1.2.1.-2. Ábra 1F2U2Ü kapcsolás (1F Graetz kapcsolás): g d I D u i C +u g u d -u g u d ; C d ig D 1 D 2 i d ic u d ; C d u g R g C d R d u d θ 0 θ 0 π 2π ωt D a D b i i D1,b i D2,b i D u g u = R g d I D 1.2.1.-3. ábra i C 5
1.2.2.-1. ábra 1.2.2.-2. ábra 6
1.2.2.-3. ábra 1.2.2.-4. ábra Az 1.2.2.-1.ábrán az U d /U sm viszony látható ωr d C d függvényében, paraméter R/R d. Az 1.2.2.-2.ábrán az egyenirányított feszültség torzítását, σ u, adtuk meg ωr d C d függvényében, paraméter R/R d. (σ u = U d~rms /U d, ahol U d~rms az egyenirányított feszültség váltakozó ösztevõjének effektív értéke.) Az 1.2.2.-3.,4.ábrán megadott jelleggörbeseregek segítségével a diódaáram effektiv értéke és periodikus csúcsértéke határozható meg ωpr d C d függvényében, paraméter R/pR d, ahol p az ütemszám. 7
1.3. Az 1F1U2Ü kapcsolás müködésének elemzése induktiv szûrést feltételezve Induktiv szûréskor az egyenirányított áram hullámosságát csökkentjük soros fojtótekercs, L d, beiktatásával. Ajánlott irodalom, [1], 2.4., 2.5.,2.6.,2.7., 2.10., 2.13., 2.16., 2.17. példa. 1.3.1. Az 1F1U2Ü kapcsolás müködése tisztán induktív terheléskor Az 1.3.1.-1.ábrán a kapcsolás, az 1.3.1.-2.,3.ábrán pedig a jellegzetes idõfüggvények láthatók szaggatott és folyamatos áramvezetést feltételezve. 1.3.1.-1. ábra 1.3.1.-3. ábra 1.3.1.-3. ábra A gyujtáskésleltetési szögeket a fázisfeszültségek pozitiv nullátmenetétõl mérjük, (természetes komutációs pontok). α>π/2 esetben az áramvezetés szaggatott. Az áram idõfüggvénye a hurokegyenlet, u s =i, d L d átalakításával, i, d = u s /L d = (U sm /L d ) sin(ωt), majd annak integrálásával kapható meg. Azaz i d (t)=-(u sm /ωl d ) cos(ωt)+c. A kezdeti feltétel, i d (α/ω)=0, felhasználásával C=(U sm /ωl d )cos(α) és i d (t)= (U sm /ωl d )[-cos(ωt)+cos(α)]; Az L d induktivitás értékét növelve a lüktetõ áram amplitudója folyamatosan csökken. 8
Határesetben, L d = mellett I d = 0 adódik, l. az i d (t) fenti egyenletét. α>π/2 esetben az áramvezetés folyamatos. Minden ütem végén, a következõ tirisztor gyujtásakor, pillanatszerü kommutáció játszódik le, mivel a kommutáló áramkört, u s1 - h1-h2-u s2, impedanciamentesnek tételezzük fel. Mivel U d > 0, i d (t)! 1.3.2. Az 1F1U2Ü kapcsolás müködése, ha a terhelés soros U b -L d -R d és L d Az áramkör felépítése és a mûködésére jellemzõ idõfüggvények az 13.2.-1.ábrán láthatók. 1.3.2.-1. ábra (L C =0!) Az induktivitás feszültsége: u L = i,, L L. Ebbõl: i L = u L /L. t 2 t 2 Az utóbbi egyenletet t 1 és t 2 között integrálva: i L, dt = 1 L u L dt = i L (t 2 )-i L (t 1 ) = I L, azaz az t 1 t 1 induktivitás áramváltozása a rájutó feszültségterülettel egyenesen, az induktivitás értékével pedig fordítottan arányos, tehát L d értékét növelve, a véges feszültségterület miatt az áram ingadozása nullához tart. Következésképpen, ha folyik áram az egyenáramu körben, az teljesen sima egyenáram lesz, (az áramvezetés folyamatos). A félvezetõk az áramvezetést egymástól kommutációkkal veszik át. 9
Az egyenirányított feszültség mindig az éppen áramot vezetõ fázis feszültségével egyezik meg. 1.4. 3F1U3Ü/ 3F1UpÜ áramirányító vizsgálata, 1.4.-1.ábra. (1 az alapharmonikusok indexe) 1.4.-1. ábra Ajánlott irodalom: [1], 2.26., 2.27.,2.28., 2.31., 2.34., 2.36.példa. L d 00, az i d áram egyenáram, i d =I d ; A kommutációk: h3-->h1, h1-->h2, h2-->h3, (i c = a kommutációs áramok, a kommutáló áramkörök: U s1 -h1-h3-u s3, U s2 -h2-h1-u s1, U s3 -h3-h2-u s2 ); U d számítása, (p ütemû kapcsolásra, folyamatos áramvezetést feltételezve), 1.4.-2.ábra). 1.4.-2. ábra 10
Az átalakító egyutas és p számú félvezetõt tartalmaz, amit szimmetrikus p-fázisú feszültségrendszerrel táplálunk; ' ' Egy félvezetõ áramvezetése ideje a folyamatos áramvezetés miatt: α α k = 2π p. A középérték számítása ennek megfelelõen - π/2+α k - π/2+α k U d = 1 p U gm cos(ωt) d(ωt) = UgM [ sin(ωt) ] = U gm 2π / p 2π - π/2+α - π/2+α p [sin(- π/2+αk )-sin(- π/2+α )] 2π Bevezetve az α = α+π/2-π/p és az α k = α k +π/2-π/p jelöléseket p U d =U gm [sin(-π/p+αk )-sin(-π/p+α )] és a folyamatos áramvezetés miatt az 2π p p α α = 2π p összefüggést alkalmazva: U d =U gm sin ( ) cos( α ): π π k ' ' Az egyenáram számítása, (folyamatos áramvezetést feltételezve, azaz : α α k = ωτ=2π/p), 1.4.-3.ábra. 1.4.-3. ábra u d = u b + i d, L d + i d R d az egyenlet mindkét oldalát az ütemidõre integrálva: α k, /ω α k, /ω α k, /ω α k, /ω 1 1 u d dt = U b dt + Ld i, 1 d dt + Rd i d dt τ τ1 τ τ α, /ω α, /ω α, /ω α, /ω U d U b 0 I d Ennek megfelelõen: I d = (U d - U b )/R d, azaz folyamatos áramvezetéskor az induktivitás értéke az áram középértékét nem befolyásolja. Megjegyzés: Mivel a jelek periodikusan ismétlõdnek, i d (τ) = i d (0); I d < 0 nem lehetséges. Ebben a esetben a számított eredmény hibás, a felvett pozitív iránnyal ellentétes egyenáram a körben a félvezetõk szelephatása miatt nem folyhat. Ezért az áramve-zetés nem folyamatos, hanem szaggatott. Ebben az esetben az L d induktivitás értékét növelve a lüktetõ áram amplitudója folyamatosan csökken, l. 1.3.1.pontot. Határesetben, L d = mellett I d = 0 adódik. Egy félvezetõ áramának középértéke: I H,D, AV =I d /p; Egy félvezetõ áramának effektiv értéke: I H,D,RMS =I d / p; 11
1.5. Az 1F2U2Ü kapcsolás vizsgálata Ajánlott irodalom: [1], 2.19., 2.20., 2.24.példa. 1F1U2Ü kapcsolás egyfázisú Graetz kapcsolás egyfázisu hídkapcsolás; A kapcsolás és a jellemzõ idõfüggvények az 1.5.-1.ábrában láthatók. 1.5.-1. ábra L d, az i d áram tisztán egyenáram, i d =I d ; A kapcsolás két független kommutációs csoportra bontható, a kommutációk a h1,2 (D1,2) ill. a ha,b (Da,b) elemek között játszódnak le; A lehetséges vezérlési módok: szimmetrikus vezérlés, (a vezérlési szög a két kommutációs csoportban azonos), aszimmetrikus vezérlés, (a vezérlés a két kommutációs csoportban eltérõ), féligvezérelt megoldás, l.5.-2.ábra, (a kapcsolás fele-fele arányban tirisztorokat és 1.5.-2. ábra diódákat tartalmaz) és a vezéreletlen megoldás, (csak diódákból felépített egyenirányító). A féligvezérelt megoldásra jellemzõ a szabadonfutó ág kialakulása. 12
1.6. A 3F2U6Ü kapcsolás vizsgálata Ajánlott irodalom: [1], 2.43., 2.49.a., 2.50.példa. 3F2U6Ü kapcsolás háromfázisu Graetz kapcsolás háromfázisu hídkapcsolás; A kapcsolás és a jellemzõ idõfüggvények az 1.6.-1.ábrában láthatók; 1.6.-1. ábra L d, az i d áram tisztán egyenáram, i d =I d ; A kapcsolás két független kommutációs csoportra bontható, a kommutációk a h1,2,3 (D1,2,3) ill. a ha,b,c (Da,b,c) elemek között játszódnak le; A lehetséges vezérlési módok: szimmetrikus vezérlés, (a vezérlési szög a két kommutációs csoportban azonos), aszimmetrikus vezérlés, (a vezérlés a két kommutációs csoportban eltérõ), féligvezérelt megoldás, (az egyik kommutációs csoport diódákból áll) és a vezéreletlen megoldás, (csak diódákból felépített egyenirányító). Az U d egyenirányított feszültség a két kommutációs csoport feszültségének összege, (kommutációss csoportok soros üzeme), azaz U d = U di0 [cos(α P +cos(α N )]; ahol. U di0 = U gm π 3 sin( 3 π ), mivel az egyes kommutációs csoportok háromütemûek. 1.7. A hálózati kommutációs áramirányító lehetséges üzemmódjai A gyujtási szög lehetséges változtatási tartománya: 0 < α < π; A kommutáló áramkörökben a feszültség ekkor megfelelõ irányû az áramváltások végrehajtásához; Az 1.4.pont szerint szimmetrikusan és teljesen vezérelt kapcsolásnál U d = U di0 cos(α), azaz az 0< α< π / 2 tartományban U d >0, (egyenirányító üzem), az π / 2< α< π tartományban U d < 0, (váltóirányító üzem, invverter üzem); Ι d csak pozitív lehet, mert ellentétes irányú áram a félvezetõk szelephatása miatt nem lehetséges; Egyenirányító üzemben P d = U d I d >0, az energia a váltakozó áramú hálózatból az egyenáramu oldal felé áramlik, váltóirányító üze mben P d = U d I d < 0, azaz az energiáramlás iránya az elõbbivel ellentétes, (visszatáplálás); 13
A váltóirányító üzem feltétele, hogy U d < 0 ellenére az I d > 0 feltétel teljesüljön. Az I d = (U d - U b ) képletnek megfelelõen ez akkor lehetséges, ha U b elõjelét megfordítjuk és a gyujtásvezérléssel biztosítjuk a következõ feltétel teljesülését: U d < U b ; Egyen-/váltórányító üzem: 1.7.-1. ábra 14
2. VÁLAKOZÓÁRAMÚ SZAGGAÓKAPCSOLÁSOK Váltó/váltó, (AC/AC), átalakítók Ajánlott irodalom: [1], 3.1.,3.4.,3.5.,3.6.példa. 2.1. Alapvetõ definíciók A váltakozóáramú szsaggatókapcsolások olyan félvezetõs átalakítók, amelyek a váltakozó áramú hálózatban az energiaáramlást befolyásolják. A megoldás alapja: a fázisonként ellenpárhuzamosan kapcsolt tirisztorpár. Vezérlési módok: a fázisszög vezérlés, (a gyujtássszöget a fásifeszültség(ek) nullátmenetétõl mérjük), illl. az impulzuscsomag vezérlés, (a tirisztorokat a fázisfeszültség(ek) nullátmene-ténél gyujtjuk). Az elsõ esetben a beavatkozás gyors, de az áram felharmonikustartalma nagy, a második esetben a felharmonikustartalom kedvezõbb, de a beavatkozási idõ lényege-sen nagyobb. 2.2. Alkalmazási területek Egyfázisú megoldások, l. 2.2.-1.ábra: 2.2.-1.a. ábra 2.2.-1.b. ábra 15
2.2.-1.c. ábra Izzólámpák fényerõszabályozása, forróvíztárolók hõmérsékletszbályozása, (ellenállásterhe-lés). Mágnesek húzóerõ szabályozása, (induktív terhelés). Kéziszerszámok fordulatszámszabályozása/nyomatékszabályozása, (soros R -L -U terhelés). Primerben szabályozott nagyfeszültségü ill. kisfeszültségû/nagyáramú egyenirányítók, (porleválasztók tápegységei ill. galvanizáló egyenirányítók). Meddõteljesítmény szabályozás, (elektronikusan kapcsolt kondenzátortelepek ill. folyamatosan szabályozott áramú fojtótekercsek). Általában különféle terhelések ki-/bekapcsolása, (mechanikus kapcsolók helyettesítése). Háromfázisú megoldások, l. 2.2.-2.ábra: 2.2.-2. ábra Nagyobb teljesítményû ipari hõmérsékletszabályozások, (ellenállásterhelés). Aszinkron motorok ki-/bekapcsolása, fordulatszámszabályozása, forgásirányváltása. 2.3. 1Fhh kapcsolás mûködése ellenállás terheléssel A mûködésre jellemzõ idõfüggvények fázisszögvezérlést feltételezve a 2.2.-3.ábrán láthatók. A terhelés teljesítménye folyamatosan változtatható. 16
2.2.-3. ábra 2.2.-4. ábra 2.4. 1Fhh kapcsolás mûködése induktiv terheléssel A mûködésre jellemzõ idõfüggvények fázisszögvezérlést feltételezve a 2.2.-4.ábrán láthatók. 17
2.2.-4.a. ábra Az π/2< α < π tartományban az áramvezetés szaggatott, az áram effektív értéke folyamatosan szbályozható. Az α < π/2 tartományban az áram egyenáramu összetevõvel rendelkezik és a késõbb gyujtott tirisztor nem vezet áramot. 18
3. DC/DC ÁALAKÍÓK A DC/DC átalakítók olyan elektronikus kapcsolások, amelyekkel az energiaáramlás egyenáramu áramkörökben befolyásolható. Két alapvetõ csoportra oszthatók, ezek: Olyan kapcsolások, ahol a beavatkozást végzõ elem folyamatosan mûködik. Olyan kapcsolások, ahol a beavatkozást végzõ elem vagy bekapcsolt vagy kikapcsolt állapot-ban van és a két állapot közötti átmenet gyors, (kapcsolóüzemû áramkörök). 3.1. Folyamatos üzemû egyenfeszültségû stabilizátorok Ajánlott irodalom: [4] 416.,...,422.old., 21.12., 21.13., 21.15., 21.16., 21.17.ábra. Két alapvetõ tipus sorolható ebbe a csoportba, a Zener diódás és a soros áteresztõ tranzisztoros feszültség stabilizátor. 3.1.1. A Zener diódás feszültségstabilizátor A kapcsolás a 3.1.1.-1.ábrán látható. 3.1.1.-1. ábra Feszültségstabilizálásra a Zener-dióda záróirányu jelleggörbéjének stabil szakaszát használ-juk. A méretezés során az R s ellenállás értékét ugy kell megválasztani, hogy a Zener dióda mun-kapontja a bemenõ feszültség és terhelõáram elõírt változásait, (U 1max /U 1min és I 2max /I 2min ), feltételezve I zmax és I zm in között maradjon. (I zmax értékét a melegedés korlátozza). U 2 változásait elhanyagolva: I zmax = (U 1max -U 2 )/R s - I 2min ill. I zmin = (U 1min -U 2 )/R s - I 2max (U 1min -U 2 )/ (I zmin + I 2max ) R s (U 1max -U 2 )/( I zmax + I 2min ) Ha a két feltétel nem elégíthetõ ki, más Zener dióda tipust kell alkalmazni. A kimeneti feszültség stabilitását a a Zener dióda jelleggörbéjének meredeksége és hõmérsékleti tényezõje határozza meg. Ezért precíziós referencia-forrásokban a Zener dióda mun-kapontját a terhelõ áramtól függetlenítik, ill. olyan közönséges diódát kötnek vele sorba, amelynek hõmérsékleti tényezõje abszolut értékben a Zener diódáéval megegyezik, de azzal ellentétes irányú, l. 3.1.1.-2.,3.ábra. A 3.1.1.-2.ábra szerinti kapcsolásban ideális mûveleti erõsítõt feltételezve U z = U 2 R 2 /(R 1 +R 2 ) ill. U 2 = (1+R 1 /R 2 )U z. 19
uce is r. ib u 1 u 2 RS i Z 3.1.1.-2. ábra u z - R 3 0 + U + 0 i 2 u 2 R 1 R2 3.1.1.-3. ábra 3.1.2. A soros tranzisztoros feszültségstabilizátor A soros tranzisztoros stabilizátor alapkapcsolás a 3.1.2.-1.ábrán látható. Mejegyzések: A kimeneti feszültség stabilitását a soros szabályozóelem, (tranzisztor), U CE feszültségének változtatása biztosítja. A tranzisztor munkapontját az R S ellenállás segítségével a Zener dióda állítja be. (NPN tranzisztort feltételezve a bázispont feszültsége pozitívabb, mint az emitterpont feszültsége). Ha a kimeneti feszültség valamilyen ok miatt, pl. terheléscsökkenés, megnõ, akkor az U BE feszültség csökken, emiatt a tranzisztor zárni kezd, azaz a a kapcsolásnak feszültségstabilizá-ló hatása van, (negatív visszacsatolás). A 3.1.2.-2.ábrán intgerált áramkörös feszültségstabilizátor áramkör, (µa723), segítségével fel-épített kapcsolás látható. Az áramkör belsõ kompenzált belsõ referenciaforrást alkalmaz; A szabályozást a beépített mûveleti erõsítõ végzi; Kisebb teljesítményeken a terhelést a mûveleti erõsítõ által meghajtott 2 tranzisztor táplál-ja. (Nagyobb áramoknál Darlington kapcsolást kell használni esetleg azt a végtranzisztorok párhuzamos kapcsolásával kombinálva. A Darlington kapcsolásnál az elõzõ fokozat mara-dékáramát az utána következõ fokozat felerõsíti. Ezt elkerülendõ a 20
Darlington kapcsolásban a tranzisztorok bázisa és emittere között lezáró ellenállást kell alkalmazni, ami a maradékára-mot elvezeti.) A 1 tranzisztor áramkorlátozási célokat szolgál. Jellemzõje a határozott küszöbfeszültség-gel rendelkezõ bázis-emitter jelleggörbe. Felhasználásával egyszerü ill. visszahajló jellegû á-ramkorlátozás valósítható meg. u z I R = U zk s BE0 ( r ) 2 r 1 disszipációja a zárlati pontban nagy! I zk i z R l1, R l2 a maradékáram er megakadályozó ellenállások. R l1 r 3 r 1 r 2 i B (r 2!) R l2 u BE0 u BE u 2 i M u BE r 2 r 1 + + R 5 R 6 I 2 R s u 5 R 1 R 2 u 2 I 2rz I 2max i 2 u BE = I 2R s u 5 eljes zárlatkor u 5 er I 2 max 2...5 I rz 3.1.2.-1. ábra 3.1.2.-2. ábra 3.2. Kapcsolóüzemû áramkörök, (egyenáramu szaggatókapcsolások) 21
Ajánlott irodalom: [4] 433.old., 21.19., 21.23.ábra. A kapcsolóüzemû áramkörökben a félvezetõ teljesen zárt ill. teljesen nyitott állapotban van. A két állapot közötti átmenetet a lehetõ leggyorsabban kell végrehajtani, hogy a kapcsolási veszte-ségeket minimalizáljuk. A gyakorlatban háromféle szabályozási módot alkalmaznak. Ezek: az impulzusszélesség szabályozás, (PWM), az impulsufrekvencia szabályozás, PFM, a kétállásu szabályozás. Elõfordulnak ezek kombizációi is. 3.2.1. A feszültségcsökkentõ kapcsolás, (Buck konverter) A kapcsolási rajz a 3.2.1.-1.ábrán látható. A mûködésre jellemzõ legfontosabb idõfüggvényeket PWM modulációt feltételezve a 3.2.1.-2.ábra mutatja. u B i B i L id K D i c L d C d u d 3.2.1.-1. ábra A mûködést folyamatos áramvezetést feltételezve vizsgáljuk; Állandósult állapotban az állapotváltozók kezdeti és végértékei megegyeznek, periodicitási feltétel. Az L d induktivitásra jutó feszültségterület értéke nulla. Ennek megfelelõen: U d /U B =D= be /; Az áramingadozás mértéke a következõképpen számítható: a 0 < t < be tartományban i, L = (U B -U d )/L d, I LM =i, L be végülis I LM =(1-D)U B be /L d ; Az I L0 áramérték a veszteségeket elhanyagolva a bemenõ és kimenõ teljesítmények egyensúlyából határozható meg, azaz I BAV U B = I d U d, ahol I BAV =(I L0 + I LM /2)D. Végülis: I L0 =I d - I LM /2. Negatív érték nem lehetséges. Ha ilyen érték adódik, akkor az áramvezetés szaggatott és I L0 =0; A kondenzátor feszültségingadozását a kondenzátoregyenlet, Q=CU, Q d =C d U d, alapján számítjuk, azaz U d = Q d /C d, Q d = 1 1 2 2 I 1 LM 2, U d = 1 8 I LM/C d, U d /U d = = 1 8 I LMr/(C d R d ), ahol I LMr = I LM /I d, R d =U d /I d. 22
u D U B U DAV =U d i L be Q t I LM I L0 I LAV =I d be ki 2 2 t u d 2 u d i B t I LM I L0 3.2.1.-2. ábra t 3.2.2. A feszültségnövelõ kapcsolás, (Boost konverter) A kapcsolási rajz a 3.2.2.-1.ábrán látható. A mûködésre jellemzõ legfontosabb idõfüggvényeket PWM modulációt feltételezve a 3.2.2.-2.ábra mutatja. i B i d u B u L K C d u d 3.2.2.-1. ábra A mûködést folyamatos áramvezetést feltételezve vizsgáljuk; Állandósult állapotban az állapotváltozók kezdeti és végértékei megegyeznek, periodicitási feltétel. Az L d induktivitásra jutó feszültségterület értéke nulla. Ennek 23
megfelelõen: U B be +(U B -U d ) (- be ) = 0, U d /U B = 1/(1-D), azaz a feszültség értéke D 1 esetben -hez tart. A valóságban a határérték a kapcsolás veszteségei miatt 0 lesz. u L U B U B -U d + be - t i B I LM I L0 U U d B ideális esetben a veszteségek miatt t 1 1 3.2.2.-2. ábra D 3.2.3. A feszültségfordító kapcsolás, (Buck-Boost konverter) A kapcsolási rajz a 3.2.3.-1.ábrán látható. A mûködésre jellemzõ legfontosabb idõfüggvényeket PWM modulációt feltételezve a 3.2.3.-2.ábra mutatja. + K - u B u L L D C d u d i L 3.2.3.-1. ábra A mûködést folyamatos áramvezetést feltételezve vizsgáljuk; Állandósult állapotban az állapotváltozók kezdeti és végértékei megegyeznek, periodicitási feltétel. Az L d induktivitásra jutó feszültségterület értéke nulla. Ennek megfelelõen: U B be =U d (- be ), U d /U B = D/(1-D), azaz a feszültség értéke D 1 esetben -hez tart. A valóságban a határérték a kapcsolás veszteségei miatt 0 lesz. 24
u L U B -U d + be - t i L I LM I L0 U U d B ideális esetben t a veszteségek miatt 1 3.2.3.-2. ábra D 25
4. DC/AC ÁALAKÍÓK (Inverterek) Ajánlott irodalom: [3] 108.,109.,113.,114.,115.,117.,118.old. Az DC/AC átalakítók, váltóirányítók, inverterek, olyan kapcsolások, amelyek egyenfeszültség-bõl elvben tetszõleges frekvenciáju és amplitudóju váltakozó feszültséget állítanak elõ. 4.1. Egyfázisú váltóirányító kapcsolások 4.1.1. Az egyfázisú, hídkapcsolású váltóirányító mûködése A kapcsolás felépítése a 4.1.1.-1.ábrán, a jellemzõ menyiségek idõfüggvénye a 4.1.1.-2.ábrán látható. 4.1.1.-1. ábra 4.1.1.-2. ábra Olyan indluktiv terhelést tételezünk fel, amelynek igen kismértékü ellenállása van. Ebben azesetben a terhelés feszültségegyenletébõl: u = i, L + i R, i, = (U - i R )/L, és i R <<U miatt i, ~ állandó, tehát az áram egyenesdarabokból áll. Állandósult állapotban az áram középértéke nulla, u.i. 26
1 u 0 0 dt = L 1 0 0 i ' dt + R Mivel I BAV =0, hatásos teljesítményfelvétel nincs. (Induktív terheléskor az energia a tápforrás és a fogyasztó között leng.) Az energia visszaáramlását a tápforrás felé a vissszáramdiódák biztosítják. 4.1.2. Az egyfázisú, középpontmegcsapolású transzformátoros váltóirányító mûködése A kapcsolás felépítése a 4.1.2.-1.ábrán, a jellemzõ menyiségek idõfüggvénye a 4.1.2.-2.ábrán látható. I 1 AV 0 i dt 4.1.2.-1. ábra 4.1.2.-2. ábra Olyan indluktiv terhelést tételezünk fel, amelynek igen kismértékü ellenállása van. Ebben az esetben az elõzõ pontnak megfelelõen a terhelés árama egyenesdarabokból áll és középértéke állandósult állapotban nulla. A transzformátor primer oldalán folyó áramok meghatározásakor a gerjesztési törvényt kell figyelembe venni, miszerint, ha ideális vasmagot tételezünk fel, i p N p =i s N s. 27
4.2. A háromfázisú, hídkapcsolású váltóirányító felépítése, vezérlése A kapcsolás felépítése a 4.2.-1.ábrán látható a vezérlési sémával együtt. GY 1 2 GY 2 t 6 3 GY 2 t 2 5 2 4.2.-1. ábra A kapcsolás tulajdonképpen az egyfázisú hídkapcsolás kiegészítése. Az egyes fázisokat képezõ félhidak félvezetõit a szimmetrikus háromfázisú rendszernek megfelelõen 120 0 -os eltolással vezéreljük. t 4.3. A váltóirányítók kimeneti feszültségének szabályozása A megoldási lehetõségek: A hídfelek eltolt vezérlése. A vezérlési séma a 4.3.-1.ábrán látható. (A megoldás kimenõ feszültségének felharmonikustartalma nagy. A kimenõ feszültség alacsony rendszámú felharmonikusai jelentõsen csökkenthetõk, ha a félperiódusokon belül egyszerû impulzusszélesség modulációt, PWM, alkalmazva, l.4.3.- 2.ábra, változtatjuk U effektív értékét. ovábbi csökkenés érhetõ el, ha szinuszos impulzusszélesség modulációt, SPWM, alkalma-zunk, l.4.3.-3.ábra. 28
4.3.-1. ábra 1 2 1,4 1,4 U B be 1,2 1,2 /2 3,4 t U B u M 2,3 4.3.-2. ábra 3 4 t 4.3.-3. ábra 29
4.4. A kimeneti feszültség szûrése A gyakorlatban megfelelõ minõségû szinuszos feszültséget kell a váltóirányító kimenetén biztosítani. E célból a váltóirányító kimenetére szûrõköröket csatlakoztatunk. Az általános szûrõelrendezés a 4.4.-1.ábrán látható. A szûrõ tulajdonképpen egy frekvencia-függõ feszültségosztó. A bemeneti L s -C s kört az alapharmonikus frekvenciára hangoljuk, hogy alapharmonikus feszültségesése nulla legyen. Az L p -C p párhuzamos rezgõkört ugyan-csak az alapharmonikus frekvenciára hangoljuk, hogy C p meddõ teljesítmé-nye a váltóirányí-tót ne terhelje. A kimenettel párhuzamosan csatlakozó L sn -C sn rezgõköröket felharmonikus frevenciákra hangolva szükséges mennyiségû felharmonikus rövidzárat hozunk létre. L S C S L Sn L L S C S1 P u 1 u 2 C S1 C Sn 4.4.-1. ábra Nagyfrekvenciás, (10-20 khz), PWM, ill. SPWM modulációt alkalmazva az elõbbiekben bemutatott szûrõelrendezés jelentõsen redukálható. A modern berendezésekben általában a 4.4.-2.ábrán látható megoldást alkalmazzák. L S u 1 C L P u 2 P 4.4.-2. ábra 30