1)Czym zajmuje się energoelektronika?

Energoelektronika jest to dział elektroniki zajmujący się analizą pracy przekształtników energii elektrycznej zbudowanych w oparciu o elementy mocy (tyrystory, tranzystory mocy).

Przekształtniki energoelektryczne są to układy wykorzystujące w budowie elementy półprzewodnikowe mocy i służące do zmiany parametrów charakteryzujących energię elektryczną. Pod określeniem: parametry charakteryzujące energię elektryczną rozumiemy rodzaj lub kształt prądu i napięcia (np. stały, przemienny, sinusoidalny, impulsowy), wartość napięcia (skuteczna, średnia), częstotliwość, liczbę faz

2)Rodzaje przekształtników i zastosowanie

A- prostowniki

B- przerywacze

C-falowniki

D- sterowniki prądu przemiennego

Prostowniki, czyli przekształtniki za­mieniające energię prądu przemiennego na energię prądu stałego są najczęściej stosowane w układach zautomatyzowanych napędów z silnikiem prądu stałego, w układach ładowania akumulatorów oraz w stacjach prostownikowych trakcji kolejowej czy tramwajowej.

Sterowniki prądu stałego,(przerywacze) znajdują zastosowanie w napędach trakcji kolejowej, tramwajowej i trolejbusowej oraz w pojazdach zasilanych z akumulatorów.

falowniki, które zamieniają energię źródła napięcia (prądu) stałego na energię o zmiennej częstotliwości. Służą one głównie do zasilania silników indukcyjnych klatkowych, na statkach do realizacji prądnic wałowych oraz w układach bezprzerwowego zasilania różnych urządzeń.

Sterowniki prądu przemiennego są stosowane powszechnie w urządzeniach automatyki grzejnictwa, oświetlenia oraz w wielu urządzeniach gospodarstwa domowego (pralki, suszarki itp.)

3) Symbol i własności tyrystora- impuls załączający.

Tyrystor jest elementem wielozłączowym. Składa się z czterech warstw typu n-p-n-p albo p-n-p-n.

Tyrystory są to elementy półprzewodnikowe wielozłączowe (Składa się z czterech warstw typu n-p-n-p albo p-n-p-n) o charakterystyce niesymetrycznej: małe napięcie i duży prąd w stanie przewodzenia oraz duże napięcie i mały prąd w stanie blokowania i zaporowym.

Przejście ze stanu blokowania do stanu przewodzenia odbywa się pod wpływem impulsu załą­czającego iq. Natomiast wyłączanie w tyrystorach klasycznych następuje wskutek oddziaływania na obwód główny anoda-katoda, a w tyrystorach GTO - przez podanie ujemnego im­pulsu na bramkę tyrystora

Stan zaporowy U_ak<0, U_gk-dowolne

Złącza J₁ i J₃ polaryzują się w kierunku zaporowym, prąd w obwodzie głównym anoda-katoda nie może przepływać. Pojawia się tylko bardzo mały prąd wynikający z przepływu nośników mniejszościowych. Po przekroczeniu pewnego napięcia, zwanego napięciem przebicia U_br następuje przebicie złącza i lawinowy wzrost prądu. Przekroczenie napięcia powoduje zniszczenie tyrystora.

Stan blokowania U_ak>0 U_gk<0

Złącza J₁ i J₃ są teraz spolaryzowane w kierunku przewodzenia, natomiast złącze J₂ spolaryzowane jest zaporowo. Prąd przez tyrystor nadal nie przepływa. Przekroczenie pewnego napięcia U_dm powoduje przebicie złącza J₂ i przepływ prądu w obwodzie głównym.

Stan przewodzenia U_ak>0 U_gk>0 Z chwilą podania napięcia dodatniego na bramkę tyrystora złącze J₂ zostaje spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Nośniki większościowe mogą przepływać przez poszczególne złącza. Przejście od stanu blokowania do stanu przewodzenia nazywa się załączeniem lub wyzwalaniem tyrystora. Przejście ze stanu przewodzenia do stanu zaporowego nazywa się wyłączaniem tyrystora. W układach tyrystorowych używa się też pojęcia komutacja dla opisania procesu, w którym załączenie jednego tyrystora powoduje wyłączenie innego, poprzednio przewodzącego (proces przejmowania prądu). Istotną cechą omawianego tyrystora jest możliwość jego załączania przez podanie impulsu wyzwalającego na bramkę. Wyłączenie tyrystora jest możliwe przez doprowadzenie do zaniku prądu w obwodzie głównym, najczęściej za pomocą zmiany napięcia anodowego.

Ograniczony dwiema liniami obszar, w którym musi przebiegać charakterystyka bramki tyrystora.

I - obszar niemożliwych załączeń,

II - obszar prawdopodobnych załączeń,

III - obszar pewnych załączeń.

4) Tranzystory mocy MOSFET i IGBT

Tranzystory MOSFET mogą być wykonane z kanałem typu n bądź p. Tranzystory z kanałem n sterowane są dodatnim napięciem bramka-źródło. Tranzystory z kanałem p mają po­nad dwukrotnie większą rezystancję dren-źródlo w stanie przewodzenia niż tranzystory z kanałem n o tym samym napięciu wstecznym. Dlatego tranzystory z kanałem p są produkowane przeważnie na mniejsze napięcia wsteczne.

Ze względu na udział w przewodnictwie prądu jedynie nośników większościowych tranzystory polowe cechują krótkie czasy przełączania - rzędu kilkudziesięciu ns. Pozwala to na ich wykorzystanie w układach sterujących o częstotliwości po­wyżej 100 kHz. Sterowanie tranzystorem MOSFET przy małej rezystancji kanału powoduje duże stromości narastania prądu drenu, a tym samym, na skutek występowania indukcyjności, pasożytniczych dużych przepięć.

Aby zapobiec tego rodzaju szkodliwym zjawiskom, stosuje się strukturę, w której MOSFET jest zintegrowany z szybką diodą zwrotną. . Obecnie coraz częściej tranzys­tory te zastępują tranzystory bipolarne, gdyż mają znacznie większą odporność na przeciążenia i przepięcia, charakteryzują się jednak większymi stratami przewodzenia. Główną ich zaletą jest mała moc sygnałów sterowania. Tran­zystory polowe małej mocy są stosowane w elektrotechnice pojazdów, w telekomunikacji, zasilaczach z przetwarzaniem energii, wzmacniaczach. Tranzystorów większej mocy używa się w energoelektronice do budowy czoperów czy falowników MSI.

Tranzystory bipolarne z izolowaną bramką IGBT stanowią grupę tranzystorów przełączających, w których występuje sterowanie napięciowe. Łączą korzystne własności tranzystorów bipo­larnych i polowych. Uzyskuje się zatem niskie napięcie przewo­dzenia i jednocześnie krótkie czasy przełączania t_wł= 0,4-1 us, t_wył = 0,8-2 us. Własności te gwarantują efektywną pracę elementów w zakresie częstotliwości 10-30 kHz, a nawet 100 kHz, przy wykorzystaniu układów rezonansowych w falo­wnikach. Zalety tych tranzystorów można podsumować następująco: duża impedancja wejściowa, duża szybkość działania, duży obszar bezpiecznej pracy.

Do prawidłowej pracy tranzystorów IGBT niezbędne jest rów­noległe włączenie szybkich diod prostowniczych na zaciski kolektor-emiter.

6) Prostownik jednofazowy jednopulsowy z obciążeniem R.

Prostowniki jednofazowe wykorzystujemy w układach, w których moc odbiornika nie przekracza 2 kW. Prostownik sterowany jednopulsowy jest najprostszym układem tyrystorowym.

Kąt załączenia tyrystora może być zmieniany w zakresie 0<υ_z<π. W chwili odpowiadającej kątowi π prąd odbiornika zanika do zera i tyrystor zostaje wyłączony.

Największą wartość średnią napięcia wyprostowanego uzyskuje się dla kata wysterowania υ_z =0 (prostownik diodowy). Wprowadzenie diody między transformator a rezystor zmniejsza moc wydzieloną do 20% mocy przy bezpośrednim zasilaniu rezystora z transformatora. Wykorzystanie mocy transformatora jest małe, a pulsacja prądu i napięcia - duże.

7) Prostownik tyrystorowy dwupulsowy

W praktyce stosowane są dwie wersje układów dwupulsowych :układ z dzielonym uzwojeniem( rzadko stosowany ze względu na konieczność użycia transformatora) i układ mostkowy (może być zasilany bezpośrednio z sieci). Układ mostkowy składa się z dwóch grup rezystorów, grupy o wspólnej anodzie T3, T4 oraz o wspólnej katodzie T1, T2.

W układzie z obciążeniem rezystancyjnym impulsy na tyrystory Tl, T3 podajemy jednocześnie, a na tyrystory T2, T4 - przesunięte o π w stosunku do impulsów tyrystorów T l, T3. W każdym półokresie przewodzi więc jeden tyrystor z grupy anodowej i jeden z grupy katodo­wej. Wartość średnia prądu i napięcia jest dwukrotnie większa w porównaniu z prostownikiem jednopołówkowym. Szczytowe wsteczne napięcie transformatora w tym układzie wynosi U_RRM=U_m.

8) Prostowniki trójfazowe

- trójpulsowe (gwiazdowe z przewodem zerowym),

- sześciopulsowe (mostkowe),

• wielopulsowe (dwunastopulsowe).

• nawrotne (dające możliwość bezprzerwowej zmiany kierunku przepływu energii i prądu odbiornika.)

Trójpulsowe - stosowane są do mocy około 20 kW. Wymagają one transformatora z przewodem zerowym po stronie wtórnej oraz przy bezpośrednim zasilaniu poprzez dławiki sieciowe - sieci z przewodem neutralnym.

Możliwy jest przebieg prądu ciągły lub impulsowy. Kąt wysterowania a, w prostownikach trójfazowychmierzy się względem punktu prze­cięcia napięć fazowych. Wyłączenie tyrystora w przypadku przewodzenia impulsowego wystąpi dla kąta π dla fazy A. Przepływ ciągły prądu w prostowniku wystąpi, gdy kąt wyste­rowania będzie się mieścił w zakresię π/3>α>0.

Szesciopulsowe - zaleca się wykorzystywać dla mocy obciążenia P_d>20kW.

Układ mostkowy charakteryzuje się dwukierunkowym przepływem prądu w uzwojeniu wtórnym transformatora. Poszczególne tyrystory przewodzą prąd przez 1/3 okresu. Układ ten jest najbardziej ekonomiczny i powszechnie stosowany. Tyrystory grupy katodowej mostka przechodzą w stan przewodzenia przy dodatnich półfalach napięć fazowych zasilania, a tyrystory grupy anodowej w czasie ujemnych fal.. Układ sterowania impulsów bramkowych tyrystorów mostka musi zapewnić podczas pracy impulsowej jednoczesne włączenie jednego tyrystora grupy anodowej i jednego grupy katodowej.

Wielopulsowe -stosuje się w celu zmniejszenia pulsacji napięcia wyprostowanego oraz zmniejszenia zawartości wyższych harmonicznych prądu w linii zasilającej prostowniki . Z reguły układy złożone z prostowników składają się z dwóch lub więcej prosto­wników o jednakowej liczbie pulsów w okresie p. Napięcia za­silające muszą być przesunięte w fazie o pewien kąt.

Przesunięcie fazowe o kąt y uzyskuje się dzięki połączeniu je­dnego uzwojenia wtórnego w gwiazdę, a drugiego w trójkąt. Można też łączyć prostowniki szeregowo bez przesunięcia fa­zowego, zachowując liczbę pulsów w napięciu wyjściowym równą liczbie pulsów poszczególnych prostowników.

10) Schemat blokowy prostownika nawrotnego

Umożliwia bezprzerwową zmianę kierunku przepływu prądu odbiornika. Są dwa rodzaje sterowania: sterowanie na przemian, sterowanie symetryczne. Sterowanie na przemian stosowane w układach napędowych dużych mocy, polega na wysterowaniu dla jednego kierunku przepływu prądu jednego prostownika, na przykład P l, a zablokowaniu drugiego — P2. Ponieważ prostowniki P l i P2 nie pracują jednocześnie, a więc nie występują przy tego typu ste­rowaniu prądy wyrównanwcze. Wadą jest przerwa w prze­pływie prądu w procesie nawrotu, wynosząca kilkadziesiąt milisekund, co pogarsza dynamikę napędu. W przypadku symetrycznego sterowania prostowników oba przekształtniki pracują wówczas jednocześnie, przy czym jeden z nich pracuje jako prostownik a drugi jako falownik. Wartości średnie napięć obu przekształtników są takie same.

11) Sposoby sterowania prądu przemiennego - sterowniki

.Możliwe są trzy rodzaje sterowania zaworów w sterownkach : fazowe, grupowe, impulsowe.

Optymalnym sterowaniem jest sterowanie impulsowe, zapewniające:

- minimalizację odkształcenia prądu obciążenia,

- praktycznie w całym zakresie stały współczynnik mocy obciążenia cos<p = l,

• ze względu na dużą częstotliwość przełączania małe wymiary filtrów przeciwzakłóceniowych i wygładzających

Sterowniki impulsowe budowane są z wykorzystaniem tran­zystorów mocy.

Tranzystor mocy T pracuje impulsowo z czasem załączania t, i stałą częstotliwością f = l/T. Zmieniając czas trwania impulsu możemy płynnie sterować wartością sku­teczną napięcia bądź prądu obciążenia.

Maksymalna częstotli­wość przełączania tranzystora zależy od parametrów czaso­wych t_on i t_off - Dla dużych częstotliwości przełączania tranzystora niezbędne są diody szybkie do budowy prosto­wnika. Zwiększanie częstotliwości powiększa straty łączeniowe. Sterowniki jednofazowe o sterowaniu impulsowym mogą zna­leźć szerokie zastosowanie w układach małej i średniej mocy, w sprzęcie gospodarstwa domowego, do automatycznej bezstykowej regulacji temperatury i oświetlenia.

12) Schemat blokowy tyrystora (układ sterowania fazowego), nastawnika kątów α-z

13. Zabezpieczenia tyrystorów

Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym o bardzo małej pojemności cieplnej; z tego powodu powinien być szcze­gólnie chroniony przed przegrzaniem. Stosuje się trzy podstawowe rodzaje zabezpieczeń tyrystorów:

- przeciążeniowe prądowe.

• przepięciowe,

• przed wytwarzaniem zakłóceń przez układ tyrystorowy

ZABEZPIECZENIA PRZECIĄŻENIOWE PRĄDOWE

Zabezpieczenia przeciążeniowe chromą strukturę półprze­wodnikową tyrystora przed przekroczeniem tempertury do­puszczalnej, gdyż mogłoby to spowodować jego zniszczenie. Rozróżniamy dwa rodzaje zabezpieczeń przeciążeniowych:

- nadprądowe przy wolno zmieniającym się prądzie tyry­stora,

- zwarciowe z dużą stromością narastania prądu.

W pierwszym przypadku ochronę tyrystorów realizujemy układowo, stosując ograniczenie prądu odbiornika przez układ automatycznej regulacji poprzez blokowanie impulsów bram­kowych sterujących tyrystory.

.Aby układ był skuteczny, dyna­mika układu pomiarowego prądu i układu wyzwalania powinna zapewnić blokadę impulsów do czasu przekroczenia przez prąd tyrystorów wartości dopuszczalnej.

Czynione są też próby zabezpieczeń termicznych tyrystorów, polegające na pomiarze temperatury radiatora, na którym mocowany jest tyrystor i blokowanie impulsów tyrystora po jej przekroczeniu.

W przypadku przeciążeń zwarciowych, które charaktery­zują się dużą stromością narastania prądu, najczęściej stosuje się bezpieczniki topikowe, tak zwane szybkie (Btp produkcji polskiej). Bezpiecznik topikowy, przeznaczony do ochrony ty­rystora, musi mieć specjalne własności — krótki czas przerwania prądu zwarciowego < 10 ms.

Narastający prąd zwarciowy i^ powoduje nagrzewanie wkładki topikowej, która jest wykonana w postaci paska ze srebrnej folii. Po pewnym czasie następuje stopienie wkładki i wyła­dowanie łukowe.

ZABEZPIECZENIA PRZEPIĘCIOWE

Mogą się pojawić przepięcia, które przy braku ochrony przepięciowej zniszczą tyrystor. Rozróżnia się dwie podstawowe przyczyny powstawania przepięć. Są to:

- procesy łączeniowe, występujące poza układem prze­kształtnika (w sieci zasilającej lub w obwodzie odbiornika),

• procesy komutacyjne wewnątrz przekształtnika.

Przykładem powstawania przepięć łączeniowych jest od­łączenie transformatora. Największe przepięcie wy­stąpi wówczas, gdy w chwili odłączenia prąd nagrzewający transformatora ma wartość maksymalną. Podobne przepięcia generowane są w przypadku włączenia lub wyłączenia odbior­nika. Aby amplituda przepięcia została ograniczona do war­tości mniejszej niż dopuszczalne napięcie wsteczne lub napięcie blokowania tyrystora, należy do uzwojenia wtórnego transformatora dołączyć obwody RC .

Zabezpieczenia przed przepięciami łqczeniowymi

Przepięcia generowane są w przypadku włączenia lub wyłączenia odbior­nika. Aby amplituda przepięcia została ograniczona do war­tości mniejszej niż dopuszczalne napięcie wsteczne lub napięcie blokowania tyrystora, należy do uzwojenia wtórnego transformatora dołączyć obwody RC . Zadaniem opornika R włączonego w szereg z kondensatorem jest tłumienie oscylacji napięcia wywołanych istnieniem indukcyjności rozproszenia.

Zabezpieczenia przed przepięciami komutacyjnymi.

Eliminują przepięcia okresowe wynikające z przejmowania przez poszczególne tyrystory prądu.

14. Co to jest sterownik prądu stałego (czoper) ?

Przekształtniki, które służą do płynnej regu­lacji napięcia stałego, nazywamy przerywaczami prądu stałego. Nazwa "przerywacze" wynika z ich impulsowej pracy.

Między źródło napięcia i odbiornik włączony jest przerywacz przedstawiony symbolicz­nie w postaci zamykającego się i otwierającego styku. Napięcie na wyjściu przy rezystancyjnym obciążeniu ma przebieg jak na rysunku b) .

Możliwe są dwa sposoby sterowania wartości średniej napięcia:

a) dla t, = var i T = const Ten rodzaj modulacji napięcia nazywamy typem PWM (Pulse Weate Modulation).

b) dla t, = const i T = var Ten rodzaj modulacji napięcia to typ FM (Frequence Modulation).

15. Co to jest falownik?

Falownik jest to przekształtnik energoelektroniczny, słu­żący do przetwarzania energii dostarczonej ze źródła napięcia lub prądu stałego w energię napięcia lub prądu przemiennego.

. MODULACJA Z SYGNAŁEM NOŚNYM W FALOWNIKACH MSI

W procesie modulacji szerokości impulsów stosowane są dwa rodzaje sygnałów nośnych:

- przebieg piłokształtny,

- przebieg trójkątny.

Przy sygnale piłokształtnym jedno zbocze prostokątnego sygna­łu wyjściowego ma względem sygnału nośnego ustalone poło­żenie, natomiast położenie drugiego zbocza jest modulowane Przy sygnale nośnym trójkątnym modulowane są położenia obu zboczy; jest to tak zwana modulacja dwustronna. Sygnał modulujący ma zazwyczaj kształt sinusoidy o czę­stotliwości równej wymaganej częstotliwości pierwszej harmo­nicznej napięcia wyjściowego i amplitudzie proporcjonalnej do wymaganej amplitudy tej harmonicznej. Analiza porównawcza wykazała przewagę sygnału uzyskanego w wyniku modulacji dwustronnej nad sygnałem uzyskanym metodą zmian jedno­stronnych.

---