Power elektronik - Power electronics

Et HVDC -tyristorventiltårn 16,8 m højt i en hal på Baltic Cable AB i Sverige
En batterioplader er et eksempel på et stykke strømelektronik
En pc -strømforsyning er et eksempel på et stykke strømelektronik, hvad enten det er inden for eller uden for kabinettet

Power eelectronics er anvendelsen af solid state elektronik til styring og konvertering af elektrisk strøm.

De første elektroniske enheder med høj effekt blev fremstillet ved hjælp af kviksølvbue-ventiler . I moderne systemer udføres konverteringen med halvlederomskifterenheder såsom dioder , tyristorer og effekttransistorer som f.eks. Strøm MOSFET og IGBT . I modsætning til elektroniske systemer, der beskæftiger sig med transmission og behandling af signaler og data, behandles der i kraftelektronik betydelige mængder elektrisk energi. En AC/DC -omformer ( ensretter ) er den mest typiske strømelektronik -enhed, der findes i mange forbrugerelektroniske enheder, f.eks. Fjernsynsapparater , pc'er , batteriopladere osv. Effektområdet er typisk fra titalls watt til flere hundrede watt. I industrien er en almindelig applikation variabelt hastighedsdrev (VSD) , der bruges til at styre en induktionsmotor . Effektområdet for VSD'er starter fra et par hundrede watt og slutter ved snesevis af megawatt .

Strømkonverteringssystemerne kan klassificeres i henhold til typen af ​​input- og outputeffekt

Historie

Powerelektronik startede med udviklingen af ​​kviksølvbue -ensretteren. Opfundet af Peter Cooper Hewitt i 1902, blev det brugt til at konvertere vekselstrøm (AC) til jævnstrøm (DC). Fra 1920'erne fortsatte forskningen med at anvende thyratrons og netstyrede kviksølvbue-ventiler til kraftoverførsel. Uno Lamm udviklede en kviksølvventil med gradueringselektroder, der gjorde dem velegnede til højspændings jævnstrømstransmission . I 1933 blev selen -ensrettere opfundet.

Julius Edgar Lilienfeld foreslog konceptet med en felt-effekt-transistor i 1926, men det var ikke muligt faktisk at konstruere en arbejdende enhed på det tidspunkt. I 1947 blev den bipolare punktkontakt-transistor opfundet af Walter H. Brattain og John Bardeen under ledelse af William ShockleyBell Labs . I 1948 forbedrede Shockleys opfindelse af bipolar junction transistor (BJT) stabiliteten og ydeevnen for transistorer og reducerede omkostninger. Af 1950'erne, højere effekthalvlederelementer dioder blev tilgængelige og begyndt at udskifte vakuumrør . I 1956 blev den siliciumstyrede ensretter (SCR) introduceret af General Electric , hvilket i høj grad øger rækkevidden af ​​effektelektronikapplikationer. I 1960'erne havde den forbedrede skiftehastighed for bipolære krydsetransistorer tilladt højfrekvente DC/DC -omformere.

RD Middlebrook leverede vigtige bidrag til strømelektronik. I 1970 grundlagde han Power Electronics Group hos Caltech . Han udviklede den gennemsnitlige stats-space-analysemetode og andre værktøjer, der er afgørende for moderne kraftelektronikdesign.

Strøm MOSFET

Et gennembrud inden for effektelektronik kom med opfindelsen af MOSFET (metaloxid-halvlederfelt-effekt-transistor) af Mohamed Atalla og Dawon KahngBell Labs i 1959. Generationer af MOSFET-transistorer gjorde det muligt for designere at opnå ydelse og tæthedsniveauer, der ikke var mulige med bipolare transistorer. På grund af forbedringer i MOSFET -teknologien (oprindeligt brugt til at producere integrerede kredsløb ) blev MOSFET -strømmen tilgængelig i 1970'erne.

I 1969 introducerede Hitachi den første lodrette effekt MOSFET, som senere ville blive kendt som VMOS (V-groove MOSFET). Fra 1974 begyndte Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony og Toshiba at producere lydforstærkere med kraftige MOSFET'er. International Rectifier introducerede en 25 A, 400 V effekt MOSFET i 1978. Denne enhed tillader drift ved højere frekvenser end en bipolar transistor, men er begrænset til lavspændingsapplikationer.

Power MOSFET er den mest almindelige kraftenhed i verden på grund af dens lave gate -drivkraft, hurtige skiftehastighed, let avancerede parallelleffekt, bred båndbredde , robusthed, let kørsel, enkel forspænding, brugervenlighed og nem reparation. Det har en bred vifte af strømelektroniske applikationer, såsom bærbare informationsapparater , integrerede strømkredsløb, mobiltelefoner , bærbare computere og kommunikationsinfrastrukturen, der muliggør internettet .

I 1982 blev den bipolære transistor (IGBT) med isoleret gate introduceret. Det blev bredt tilgængeligt i 1990'erne. Denne komponent har den bipolære transistors effekthåndteringsmuligheder og fordelene ved det isolerede gate -drev i power MOSFET.

Enheder

Kapacitet og økonomi i kraftelektroniksystem bestemmes af de aktive enheder, der er tilgængelige. Deres egenskaber og begrænsninger er et centralt element i designet af kraftelektroniksystemer. Tidligere blev kviksølvbue-ventilen , de termioniske ensrettere med højt vakuum og gasfyldte dioder og udløste anordninger såsom thyratron og ignitron i vid udstrækning brugt i effektelektronik. Efterhånden som vurderingen af ​​solid-state-enheder blev forbedret i både spænding og strømhåndteringskapacitet, er vakuumenheder næsten helt blevet erstattet af solid-state-enheder.

Elektriske elektroniske enheder kan bruges som kontakter eller som forstærkere. En ideel kontakt er enten åben eller lukket og spilder derfor ingen strøm; den modstår en påført spænding og passerer ingen strøm eller passerer enhver strøm uden spændingsfald. Halvlederenheder, der bruges som switches, kan tilnærme denne ideelle ejendom, og derfor er de fleste elektroniske applikationer afhængige af at tænde og slukke enheder, hvilket gør systemer meget effektive, da meget lidt strøm går til spilde i kontakten. I modsætning hertil varierer strømmen gennem enheden i tilfælde af forstærkeren kontinuerligt i henhold til en kontrolleret indgang. Spændingen og strømmen ved enhedens terminaler følger en belastningslinje , og strømafbrydelsen inde i enheden er stor sammenlignet med den effekt, der leveres til belastningen.

Flere attributter dikterer, hvordan enheder bruges. Enheder som dioder leder, når en forspænding påføres og har ingen ekstern styring af ledningens start. Strømudstyr såsom siliciumstyrede ensrettere og thyristorer (såvel som kviksølvventilen og thyratronen ) tillader styring af ledningens start, men er afhængige af periodisk tilbageførsel af strømmen for at slukke dem. Enheder som f.eks. Gate-turn-off-tyristorer, BJT- og MOSFET- transistorer giver fuld koblingskontrol og kan tændes eller slukkes uden hensyn til strømmen gennem dem. Transistorenheder tillader også proportional forstærkning, men dette bruges sjældent til systemer med en nominel værdi på mere end et par hundrede watt. Kontrolindgangskarakteristika for en enhed påvirker også design i høj grad; undertiden er kontrolindgangen ved en meget høj spænding i forhold til jorden og skal drives af en isoleret kilde.

Da effektiviteten er en præmie i en kraftelektronisk omformer, bør tabene, som en elektrisk elektronisk enhed genererer, være så lave som muligt.

Enheder varierer i skiftehastighed. Nogle dioder og tyristorer er velegnede til relativt lav hastighed og er nyttige til omskiftning og styring af effektfrekvenser ; visse tyristorer er nyttige ved et par kilohertz. Enheder som MOSFETS og BJT'er kan skifte med titalls kilohertz op til et par megahertz i strømapplikationer, men med faldende effektniveauer. Vakuumrørsenheder dominerer applikationer med høj effekt (hundredvis af kilowatt) ved meget høje frekvenser (hundreder eller tusinder af megahertz). Hurtigere koblingsanordninger minimerer energitab ved overgangene fra til og fra og tilbage, men kan skabe problemer med udstrålet elektromagnetisk interferens. Gate -drev (eller tilsvarende) kredsløb skal være designet til at levere tilstrækkelig drivstrøm til at opnå den fulde koblingshastighed, der er mulig med en enhed. En enhed uden tilstrækkeligt drev til hurtigt at skifte kan blive ødelagt af overophedning.

Praktiske enheder har spændingsfald uden nul og spreder strøm, når de er tændt, og det tager noget tid at passere gennem et aktivt område, indtil de når tilstanden "tændt" eller "slukket". Disse tab er en væsentlig del af den totale tabte effekt i en konverter.

Strømhåndtering og spredning af enheder er også en kritisk faktor i designet. Strømelektroniske enheder skal muligvis aflede titusinder eller hundredvis af watt spildvarme og endda skifte så effektivt som muligt mellem ledende og ikke-ledende tilstande. I skiftefunktionen er den styrede effekt meget større end den effekt, der spredes i kontakten. Spændingsfaldet fremad i den ledende tilstand omsættes til varme, der skal spredes. Høje effekthalvledere kræver specialiserede køleplader eller aktive kølesystemer til at styre deres kryds Temperatur ; eksotiske halvledere, såsom siliciumcarbid, har en fordel i forhold til lige silicium i denne henseende og germanium, når hovedophold af elektronik i fast tilstand nu er lidt brugt på grund af dets ugunstige egenskaber ved høje temperaturer.

Der findes halvlederenheder med vurderinger op til et par kilovolt i en enkelt enhed. Hvor meget høj spænding skal kontrolleres, skal flere enheder bruges i serie, med netværk for at udligne spænding på tværs af alle enheder. Igen er skiftehastighed en kritisk faktor, da den langsomste switch-enhed skal modstå en uforholdsmæssig stor andel af den samlede spænding. Kviksølvventiler var engang tilgængelige med værdier til 100 kV i en enkelt enhed, hvilket forenklede deres anvendelse i HVDC -systemer.

Den nuværende vurdering af en halvlederindretning er begrænset af varmen, der genereres i matricerne, og den varme, der udvikles i modstanden mellem de sammenkoblende ledninger. Halvlederanordninger skal være konstrueret således, at strømmen er jævnt fordelt i enheden på tværs af dets interne kryds (eller kanaler); når først et "hot spot" udvikler sig, kan nedbrudseffekter hurtigt ødelægge enheden. Visse SCR'er er tilgængelige med strømværdier til 3000 ampere i en enkelt enhed.

DC/AC -omformere (invertere)

DC til AC -omformere producerer en AC -udgangsbølgeform fra en DC -kilde. Ansøgningerne omfatter frekvensomformere (ASD), afbrydelige strømforsyninger (UPS), fleksible AC -transmissionssystemer (FACTS), spændingskompensatorer og fotovoltaiske omformere. Topologier for disse omformere kan adskilles i to forskellige kategorier: spændingskildeomformere og strømkildeomformere. Spændingskildeomformere (VSI'er) hedder det, fordi den uafhængigt kontrollerede udgang er en spændingsbølgeform. På samme måde er strømkildeomformere (CSI'er) forskellige ved, at den kontrollerede AC -udgang er en strømbølgeform.

Konvertering af jævnstrøm til vekselstrøm er resultatet af strømafbryder, som normalt er fuldt kontrollerbare halvlederstrømafbrydere. Outputbølgeformerne består derfor af diskrete værdier, der producerer hurtige overgange frem for glatte. For nogle applikationer er selv en grov tilnærmelse af den sinusformede bølgeform af vekselstrøm tilstrækkelig. Hvor der kræves en næsten sinusformet bølgeform, betjenes skifteindretningerne meget hurtigere end den ønskede udgangsfrekvens, og den tid, de bruger i begge stater, styres, så den gennemsnitlige udgang er næsten sinusformet. Almindelige moduleringsteknikker inkluderer den bærerbaserede teknik eller pulsbreddemodulation , rumvektorteknik og den selektive-harmoniske teknik.

Spændingskildeomformere har praktiske anvendelser i både enfasede og trefasede applikationer. Enfasede VSI'er anvender halvbro- og fuldbroskonfigurationer og bruges i vid udstrækning til strømforsyninger, enfasede UPS'er og udførlige topeffekt-topologier, når de bruges i multicellede konfigurationer. Tre-fase VSI'er bruges i applikationer, der kræver sinusformede spændingsbølgeformer, såsom ASD'er, UPS'er og nogle typer FAKTA-enheder, såsom STATCOM . De bruges også i applikationer, hvor der kræves vilkårlige spændinger som i tilfælde af aktive effektfiltre og spændingskompensatorer.

Strømkildeomformere bruges til at producere en AC -udgangsstrøm fra en jævnstrømforsyning. Denne type inverter er praktisk til trefasede applikationer, hvor der kræves spændingsbølgeformer af høj kvalitet.

En relativt ny klasse af invertere, kaldet multilevel invertere, har vundet stor interesse. Normal drift af CSI'er og VSI'er kan klassificeres som to-niveau omformere, fordi strømafbrydere tilsluttes enten den positive eller den negative DC-bus. Hvis der var mere end to spændingsniveauer til rådighed for inverterens udgangsterminaler, kunne vekselstrømsudgangen bedre tilnærme sig en sinusbølge. Det er af denne grund, at omformere på flere niveauer, selvom de er mere komplekse og dyre, tilbyder højere ydeevne.

Hver invertertype er forskellig i de anvendte DC -links, og om de kræver freewheeling -dioder eller ej . Begge kan fås til at fungere i firkantbølge- eller pulsbreddemodulation (PWM) -tilstand, afhængigt af dens tilsigtede anvendelse. Kvadratbølge-tilstand giver enkelhed, mens PWM kan implementeres på flere forskellige måder og producerer bølgeformer af højere kvalitet.

Spændingskildeomformere (VSI) fodrer udgangsinvertersektionen fra en tilnærmelsesvis konstant spændingskilde.

Den ønskede kvalitet af den aktuelle outputbølgeform bestemmer, hvilken moduleringsteknik der skal vælges til en given applikation. Outputtet af en VSI består af diskrete værdier. For at opnå en jævn strømbølgeform skal belastningerne være induktive ved de valgte harmoniske frekvenser. Uden en form for induktiv filtrering mellem kilden og belastningen vil en kapacitiv belastning få belastningen til at modtage en hakket strømbølgeform med store og hyppige strømspidser.

Der er tre hovedtyper af VSI'er:

  1. Enfaset halvbro-inverter
  2. Enfaset fuldbro-inverter
  3. Trefaset spændingskildeomformer

Enfaset halvbro-inverter

Figur 8: AC -indgangen til en ASD.
FIGUR 9: Enfaset halvbrospændingskilde-inverter

Enfasede spændingskilde halvbroomformere, er beregnet til applikationer med lavere spænding og bruges almindeligvis i strømforsyninger. Figur 9 viser kredsløbsskematikken for denne inverter.

Lavordens strømharmonikere injiceres tilbage til kildespændingen ved hjælp af inverteren. Dette betyder, at to store kondensatorer er nødvendige til filtrering i dette design. Som figur 9 illustrerer, kan der kun være tændt for en switch ad gangen i hvert ben af ​​omformeren. Hvis begge kontakter i et ben var tændt på samme tid, vil DC -kilden blive kortsluttet.

Invertere kan bruge flere moduleringsteknikker til at styre deres skifteordninger. Den bærerbaserede PWM-teknik sammenligner AC-udgangsbølgeformen, v c , med et bærespændingssignal, v Δ . Når v c er større end v Δ , er S+ tændt, og når v c er mindre end v Δ , er S- tændt. Når AC -udgangen er ved frekvensen fc med sin amplitude ved v c , og det trekantede bæresignal er ved frekvensen f Δ med sin amplitude ved v Δ , bliver PWM et særligt sinusformet tilfælde af den bærerbaserede PWM. Denne sag kaldes sinusformet pulsbreddemodulation (SPWM). For dette er modulationsindekset eller amplitude-modulationsforholdet defineret som m a = v c /v .

Den normaliserede bærefrekvens eller frekvens-modulationsforhold beregnes ved hjælp af ligningen m f = f /f c .

Hvis overmoduleringsområdet, ma, overstiger et, vil en højere grundlæggende AC-udgangsspænding blive observeret, men på bekostning af mætning. For SPWM er harmonierne i outputbølgeformen ved veldefinerede frekvenser og amplituder. Dette forenkler designet af de filtreringskomponenter, der er nødvendige for den harmoniske injektion med lav ordens strøm fra omformeren. Den maksimale udgangsamplitude i denne driftsmåde er halvdelen af ​​kildespændingen. Hvis den maksimale udgangsamplitude, m a , overstiger 3,24, bliver vekselretterens outputbølgeform til en firkantbølge.

Som det var tilfældet for Pulse Width Modulation (PWM), kan begge switche i et ben til kvadratbølgemodulation ikke tændes på samme tid, da dette ville forårsage kortslutning på tværs af spændingskilden. Skifteordningen kræver, at både S+ og S- er tændt i en halv cyklus af vekselstrømsudgangsperioden. Den grundlæggende AC -udgangsamplitude er lig med v o1 = v aN = 2v i .

Dens harmoniske har en amplitude på v oh = v o1 /h .

Derfor styres AC -udgangsspændingen ikke af inverteren, men derimod af størrelsen på inverterens DC -indgangsspænding.

Brug af selektiv harmonisk eliminering (SHE) som en moduleringsteknik gør det muligt for omformeren at skifte selektivt til at eliminere iboende harmoniske. Den grundlæggende komponent i AC -udgangsspændingen kan også justeres inden for et ønskeligt område. Da AC -udgangsspændingen opnået fra denne moduleringsteknik har ulige halv- og ulige kvartbølgesymmetri, eksisterer endda harmoniske ikke. Enhver uønsket ulige (N-1) iboende harmonik fra outputbølgeformen kan elimineres.

Enfaset fuldbro-inverter

FIGUR 3: Enfaset spændingskilde fuldbro-omformer
FIGUR 4: Bærer og modulerende signaler til den bipolære pulsbreddemoduleringsteknik

Hele broomformeren ligner den halve broomformer, men den har et ekstra ben til at forbinde det neutrale punkt med belastningen. Figur 3 viser kredsløbsskematisk enfaset spændingskilde fuldbro-inverter.

For at undgå at kortslutte spændingskilden kan S1+ og S1- ikke være tændt på samme tid, og S2+ og S2- kan heller ikke være tændt på samme tid. Enhver moduleringsteknik, der bruges til fuldbro-konfigurationen, skal have enten den øverste eller nederste kontakt på hvert ben til enhver tid. På grund af det ekstra ben er den maksimale amplitude af outputbølgeformen Vi og er dobbelt så stor som den maksimalt opnåelige outputamplitude for halvbrokonfigurationen.

Tilstande 1 og 2 fra tabel 2 bruges til at generere AC -udgangsspændingen med bipolar SPWM. AC -udgangsspændingen kan kun antage to værdier, enten Vi eller –Vi. For at generere de samme tilstande ved hjælp af en halvbroskonfiguration kan en bærerbaseret teknik bruges. S+ at være tændt for halvbroen svarer til at S1+ og S2- er tændt for fuldbroen. På samme måde svarer S- at være på for halvbroen til at S1- og S2+ er tændt for hele broen. Udgangsspændingen for denne moduleringsteknik er mere eller mindre sinusformet, med en grundlæggende komponent, der har en amplitude i det lineære område på mindre end eller lig med en v o1 = v ab1 = v i  • m a .

I modsætning til den bipolare PWM -teknik bruger den unipolare tilgang tilstande 1, 2, 3 og 4 fra tabel 2 til at generere sin vekselstrømsudgangsspænding. Derfor kan AC -udgangsspændingen antage værdierne Vi, 0 eller –V [1] i. For at generere disse tilstande er der brug for to sinusformede modulerende signaler, Vc og –Vc, som det ses i figur 4.

Vc bruges til at generere VaN, mens –Vc bruges til at generere VbN. Det følgende forhold kaldes unipolar carrier-baseret SPWM v o1 = 2 • v aN1 = v i  • m a .

Fasespændingerne VaN og VbN er identiske, men 180 grader ude af fase med hinanden. Udgangsspændingen er lig med forskellen på de to fasespændinger og indeholder ikke nogen endelige harmoniske. Derfor, hvis mf tages, vil selv AC -udgangsspændingsharmoniske vises ved normaliserede ulige frekvenser, fh. Disse frekvenser er centreret om det dobbelte af værdien af ​​den normaliserede bærefrekvens. Denne særlige funktion giver mulighed for mindre filtreringskomponenter, når man forsøger at opnå en outputbølgeform af højere kvalitet.

Som det var tilfældet for halvbroen SHE, indeholder AC-udgangsspændingen ikke engang harmoniske på grund af dens ulige halvdel og ulige kvartbølgesymmetri.

Trefaset spændingskildeomformer

FIGUR 5: Trefaset spændingskilde inverter kredsløb skematisk
FIGUR 6: Trefaset firkantbølgeoperation a) Switchtilstand S1 b) Switchtilstand S3 c) S1 Output d) S3 Output

Enfasede VSI'er bruges primært til applikationer med lavt effektområde, mens trefasede VSI'er dækker både applikationer med mellemstor og høj effekt. Figur 5 viser kredsløbsskemaet for en trefaset VSI.

Afbrydere i et af vekselretterens tre ben kan ikke slukkes samtidigt på grund af dette, hvilket resulterer i, at spændingerne er afhængige af den respektive netstrøms polaritet. Tilstande 7 og 8 producerer nul AC -ledningsspændinger, hvilket resulterer i vekselstrømsledningsstrømme, der freewheel enten gennem de øvre eller nedre komponenter. Netspændingen for tilstande 1 til 6 producerer imidlertid en vekselstrømsspænding, der består af de diskrete værdier for Vi, 0 eller –Vi.

For trefaset SPWM bruges tre modulerende signaler, der er 120 grader ude af fase med hinanden, for at producere spændingsspændinger uden for fasen. For at bevare PWM -funktionerne med et enkelt bæresignal skal den normaliserede bærefrekvens, mf, være et multiplum af tre. Dette holder fasespændingernes størrelse identisk, men ude af fase med hinanden med 120 grader. Den maksimalt opnåelige fasespændingsamplitude i det lineære område, ma mindre end eller lig med en, er v fase = v i  / 2 . Den maksimalt opnåelige linje spændingsamplitude er V ab1 = v ab  • 3  /2

Den eneste måde at styre belastningsspændingen på er ved at ændre indgangsspændingen.

Nuværende kildeomformere

FIGUR 7: Trefaset strømkildeomformer
Figur 8: Bølgeformer med synkroniseret pulsbredde-modulering til en trefaset strømkildeomformer a) Bærer- og moduleringssignaler b) S1-tilstand c) S3-tilstand d) Udgangsstrøm
Figur 9: Rumvektorrepræsentation i aktuelle kildeomformere

Strømkildeomformere konverterer jævnstrøm til en vekselstrømbølgeform. I applikationer, der kræver sinusformede AC -bølgeformer, bør størrelse, frekvens og fase alle kontrolleres. CSI'er har store ændringer i strøm over tid, så kondensatorer bruges sædvanligvis på AC -siden, mens induktorer normalt bruges på DC -siden. På grund af fraværet af friløbsdioder reduceres strømkredsløbet i størrelse og vægt og har en tendens til at være mere pålidelig end VSI'er. Selvom enfasetopologier er mulige, er trefasede CSI'er mere praktiske.

I sin mest generaliserede form anvender en trefaset CSI den samme ledningssekvens som en seks-puls-ensretter. Til enhver tid er der kun én fælles-katode-switch og en common-anode-switch.

Som følge heraf tager linjestrømme diskrete værdier på –ii, 0 og ii. Tilstande vælges således, at en ønsket bølgeform udsendes, og der kun bruges gyldige tilstande. Dette valg er baseret på modulerende teknikker, som omfatter bærerbaseret PWM, selektiv harmonisk eliminering og rumvektorteknikker.

Bærerbaserede teknikker, der bruges til VSI'er, kan også implementeres til CSI'er, hvilket resulterer i CSI-linjestrømme, der opfører sig på samme måde som VSI-liniespændinger. Det digitale kredsløb, der anvendes til modulering af signaler, indeholder en koblingspulsgenerator, en kortslutningspulsgenerator, en kortslutningsimpulsfordeler og en koblings- og kortslutningspulskombiner. Et gatesignal produceres baseret på en bærestrøm og tre modulerende signaler.

En kortslutningspuls tilføjes til dette signal, når ingen topkontakter og ingen bundkontakter er lukket, hvilket bevirker, at RMS -strømme er ens i alle ben. De samme metoder anvendes til hver fase, men omskiftningsvariabler er 120 grader ude af fase i forhold til hinanden, og de nuværende impulser forskydes med en halv cyklus med hensyn til udgangsstrømme. Hvis en trekantet bærer bruges med sinusformede modulerende signaler, siges CSI at bruge synkroniseret-pulsbreddemodulation (SPWM). Hvis der bruges fuld overmodulation i forbindelse med SPWM, siges det, at inverteren er i firkantbølgedrift.

Den anden CSI -moduleringskategori, SHE ligner også dens VSI -modstykke. Ved hjælp af de gatesignaler, der er udviklet til et VSI, og et sæt synkroniserende sinusformede strømsignaler resulterer det i symmetrisk fordelte kortslutningspulser og derfor symmetriske portmønstre. Dette gør det muligt at eliminere ethvert vilkårligt antal harmoniske. Det tillader også styring af grundlinjestrømmen gennem det korrekte valg af primære koblingsvinkler. Optimale koblingsmønstre skal have kvart- og halvbølge symmetri samt symmetri omkring 30 grader og 150 grader. Skiftemønstre er aldrig tilladt mellem 60 grader og 120 grader. Den aktuelle krusning kan reduceres yderligere ved brug af større udgangskondensatorer eller ved at øge antallet af koblingsimpulser.

Den tredje kategori, rumvektorbaseret modulering, genererer PWM-belastningslinjestrømme, der i gennemsnit svarer til belastningslinjestrømme. Gyldige koblingstilstande og tidsvalg foretages digitalt baseret på rumvektortransformation. Modulerende signaler er repræsenteret som en kompleks vektor ved hjælp af en transformationsligning. For balancerede trefasede sinusformede signaler bliver denne vektor til et fast modul, der roterer med en frekvens, ω. Disse rumvektorer bruges derefter til at tilnærme det modulerende signal. Hvis signalet er mellem vilkårlige vektorer, kombineres vektorerne med nulvektorerne I7, I8 eller I9. Følgende ligninger bruges til at sikre, at de genererede strømme og de nuværende vektorer i gennemsnit er ækvivalente.

Omformere på flere niveauer

FIGUR 10 : Neutral-spændet inverter i tre niveauer

En relativt ny klasse kaldet multilevel inverters har vundet stor interesse. Normal drift af CSI'er og VSI'er kan klassificeres som to-niveau invertere, fordi strømafbryderne tilsluttes enten den positive eller den negative DC-bus. Hvis der var mere end to spændingsniveauer til rådighed for inverterens udgangsterminaler, kunne vekselstrømsudgangen bedre tilnærme sig en sinusbølge. Af denne grund tilbyder multilevelomformere, selvom de er mere komplekse og dyre, højere ydelse. En tre-niveau neutral-fastspændt inverter er vist i figur 10.

Kontrolmetoder til en inverter med tre niveauer tillader kun to kontakter på de fire kontakter i hvert ben at samtidigt ændre ledningstilstande. Dette tillader jævn kommutering og undgår skydning ved kun at vælge gyldige tilstande. Det kan også bemærkes, at da DC-busspændingen deles af mindst to effektventiler, kan deres spændingsværdier være mindre end en to-niveau modstykke.

Bærerbaseret og rumvektormodulationsteknik bruges til topologier på flere niveauer. Metoderne til disse teknikker følger de klassiske inverters, men med ekstra kompleksitet. Rumvektormodulation tilbyder et større antal fastspændingsvektorer, der skal bruges til at tilnærme modulationssignalet, og gør det derfor muligt at opnå mere effektive rumvektor PWM-strategier på bekostning af mere detaljerede algoritmer. På grund af øget kompleksitet og antal halvlederenheder er flerniveauomformere i øjeblikket mere egnede til højeffektive højspændingsapplikationer. Denne teknologi reducerer harmonierne og forbedrer derfor systemets samlede effektivitet.

AC/AC -omformere

Konvertering af vekselstrøm til vekselstrøm tillader styring af spændingen, frekvensen og fasen af ​​den bølgeform, der påføres en belastning fra et leveret vekselstrømssystem. De to hovedkategorier, der kan bruges til at adskille typerne af omformere, er om bølgeformens frekvens ændres. AC/AC -omformer , der ikke tillader brugeren at ændre frekvenserne, kaldes AC -spændingsregulatorer eller AC -regulatorer. AC -omformere, der giver brugeren mulighed for at ændre frekvensen, kaldes simpelthen frekvensomformere til AC til AC -konvertering. Under frekvensomformere er der tre forskellige typer omformere, der typisk bruges: cycloconverter, matrix converter, DC link converter (aka AC/DC/AC converter).

AC -spændingsregulator: Formålet med en AC -spændingsregulator eller AC -regulator er at variere RMS -spændingen over belastningen, mens den er på en konstant frekvens. Tre almindeligt accepterede kontrolmetoder er ON/OFF Control, Phase-Angle Control og Pulse Width Modulation AC Chopper Control (PWM AC Chopper Control). Alle tre af disse metoder kan implementeres ikke kun i enfasede kredsløb, men også trefasede kredsløb.

  • TÆND/SLUK -styring: Denne kontrolmetode bruges typisk til opvarmning af belastninger eller hastighedsregulering af motorer og indebærer, at kontakten tændes for n integrale cyklusser og slukker kontakten for m integrale cyklusser. Fordi tænding og slukning af kontakterne medfører, at der skabes uønskede harmoniske, tændes og slukkes kontakterne under nulspændings- og nulstrømforhold (nulkrydsning), hvilket effektivt reducerer forvrængningen.
  • Fase-vinkelkontrol: Der findes forskellige kredsløb for at implementere en fasevinkelkontrol på forskellige bølgeformer, såsom halv- eller fuldbølgespændingskontrol. De elektroniske strømkomponenter, der typisk bruges, er dioder, SCR'er og Triac'er. Ved brug af disse komponenter kan brugeren forsinke skydevinklen i en bølge, som kun får en del af bølgen til at blive udsendt.
  • PWM AC Chopper Control: De to andre kontrolmetoder har ofte dårlige harmoniske, outputstrømskvalitet og inputeffektfaktor. For at forbedre disse værdier kan PWM bruges i stedet for de andre metoder. Hvad PWM AC Chopper gør, er at have kontakter, der tænder og slukker flere gange inden for alternative halvcyklusser af indgangsspændingen.

Matrixomformere og cyklokonvertere: Cyklokonvertere bruges i vid udstrækning i industrien til ac til ac-konvertering, fordi de kan bruges i applikationer med høj effekt. De er kommuterede direkte frekvensomformere, der er synkroniseret med en forsyningslinje. Cyklokonverternes udgangsspændingsbølgeformer har komplekse harmoniske, hvor harmonier i højere orden filtreres af maskinens induktans. Får maskinstrømmen til at have færre harmoniske, mens de resterende harmoniske forårsager tab og momentpulsationer. Bemærk, at i en cyklokonverter, i modsætning til andre omformere, er der ingen induktorer eller kondensatorer, dvs. ingen lagerenheder. Af denne grund er den øjeblikkelige indgangseffekt og udgangseffekten ens.

  • Single-Phase til Single-Phase Cycloconverters : Single-Phase til Single-Phase Cycloconverters begyndte at tegne mere interesse for nylig på grund af fald i både størrelse og pris af magt elektronik switche. Den enfasede højfrekvente vekselstrømsspænding kan enten være sinusformet eller trapezformet. Disse kan være nulspændingsintervaller til kontrolformål eller nulspændingskommutation.
  • Tre-fase til Single-Phase Cycloconverters : Der er to former for trefaset til enfasede cycloconverters: 3φ til 1φ halv bølge cycloconverters og 3φ til 1φ bro cycloconverters. Både positive og negative omformere kan generere spænding ved hver polaritet, hvilket resulterer i, at den positive omformer kun leverer positiv strøm, og den negative omformer kun leverer negativ strøm.

Med de seneste enhedsfremskridt udvikles nyere former for cyklokonvertere, f.eks. Matrixomformere. Den første ændring, der først bemærkes, er, at matrixomformere anvender tovejs, bipolære switches. En enkeltfase til en enkeltfasematrixomformer består af en matrix på 9 kontakter, der forbinder de tre inputfaser med træets udgangsfase. Enhver indgangsfase og udgangsfase kan til enhver tid forbindes sammen uden at tilslutte to switches fra samme fase på samme tid; ellers vil dette forårsage en kortslutning af inputfaserne. Matrixomformere er lettere, mere kompakte og alsidige end andre konverterløsninger. Som et resultat er de i stand til at opnå højere integrationsniveauer, højere temperaturdrift, bred udgangsfrekvens og naturlig tovejs strømstrøm, der er egnet til at generere energi tilbage til elværket.

Matrixomformerne er opdelt i to typer: direkte og indirekte omformere. En direkte matrixomformer med trefaset indgang og trefaset udgang, switchene i en matrixomformer skal være tovejs, det vil sige, at de skal være i stand til at blokere spændinger af enten polaritet og lede strøm i begge retninger. Denne omskiftningsstrategi tillader den højest mulige udgangsspænding og reducerer den reaktive ledningssidestrøm. Derfor er strømstrømmen gennem konverteren reversibel. På grund af dets kommutationsproblem og komplekse kontrol forhindrer den i at blive udbredt i industrien.

I modsætning til de direkte matrixomformere har de indirekte matrixomformere den samme funktionalitet, men bruger separate input- og outputafsnit, der er forbundet via et dc -link uden lagringselementer. Designet omfatter en firekvadrant strømkilde ensretter og en spændingskilde inverter. Indgangssektionen består af tovejs bipolare kontakter. Kommutationsstrategien kan anvendes ved at ændre indgangssektionens koblingstilstand, mens udgangssektionen er i en freewheeling -tilstand. Denne kommutationsalgoritme er betydeligt mindre kompleksitet og højere pålidelighed sammenlignet med en konventionel direkte matrixomformer.

DC -linkomformere: DC Link -konvertere , også kaldet AC/DC/AC -omformere, konverterer en AC -indgang til en AC -udgang ved brug af et DC -link i midten. Det betyder, at strømmen i konverteren konverteres til DC fra AC ved hjælp af en ensretter, og derefter konverteres den tilbage til AC fra DC med brug af en inverter. Slutresultatet er et output med en lavere spænding og variabel (højere eller lavere) frekvens. På grund af deres brede anvendelsesområde er AC/DC/AC -omformerne den mest almindelige nutidige løsning. Andre fordele ved AC/DC/AC-omformere er, at de er stabile under overbelastnings- og tomgangsforhold, samt at de kan frakobles fra en last uden skader.

Hybridmatrixomformer: Hybridmatrixomformere er relativt nye for AC/AC -omformere. Disse omformere kombinerer AC/DC/AC -designet med matrixomformeren. Flere typer hybridomformere er blevet udviklet i denne nye kategori, et eksempel er en konverter, der bruger envejskontakter og to konverttrin uden dc-link; uden de kondensatorer eller induktorer, der er nødvendige for et dc-link, reduceres vægten og størrelsen af ​​konverteren. Der findes to underkategorier fra hybridomformerne, der hedder hybrid direct matrix converter (HDMC) og hybrid indirekte matrix converter (HIMC). HDMC konverterer spændingen og strømmen i et trin, mens HIMC anvender separate trin, som AC/DC/AC -omformeren, men uden brug af et mellemlagerelement.

Applikationer: Nedenfor er en liste over almindelige applikationer, som hver converter bruges i.

  • AC -spændingsregulator: Belysningskontrol; Husholdnings- og industriel opvarmning; Hastighedsregulering af ventilator-, pumpe- eller taljedrev, blød start af induktionsmotorer, statiske vekselstrømsafbrydere (temperaturkontrol, skift af transformerhane osv.)
  • Cycloconverter: High-Power lavhastigheds reversible vekselstrømsmotordrev; Konstant frekvens strømforsyning med variabel indgangsfrekvens; Kontrollerbare VAR -generatorer til effektfaktorkorrektion; AC -systemets forbindelser, der forbinder to uafhængige elsystemer.
  • Matrix Converter: I øjeblikket er anvendelsen af ​​matrixomformere begrænset på grund af manglende tilgængelighed af bilaterale monolitiske switche, der kan fungere ved høj frekvens, kompleks kontrollovsimplementering, kommutation og andre årsager. Med denne udvikling kunne matrixomformere erstatte cyklokonvertere på mange områder.
  • DC Link: Kan bruges til individuelle eller multiple load applikationer inden for maskinbygning og konstruktion.

Simuleringer af kraftelektroniske systemer

Udgangsspænding af en fuldbølge-ensretter med kontrollerede tyristorer

Power -elektroniske kredsløb simuleres ved hjælp af computersimuleringsprogrammer som PLECS , PSIM og MATLAB /simulink. Kredsløb simuleres, før de produceres for at teste, hvordan kredsløbene reagerer under visse betingelser. Det er også både billigere og hurtigere at oprette en simulering end at oprette en prototype, der skal bruges til test.

Ansøgninger

Anvendelser af strømelektronik spænder i størrelse fra en switchet strømforsyning i en vekselstrømsadapter , batteriopladere, lydforstærkere, lysstofrørdioder , via frekvensomformere og DC -motordrev, der bruges til at betjene pumper, ventilatorer og produktionsmaskiner, op til gigawatt -skala højspændings jævnstrømstransmissionssystemer , der bruges til at forbinde elektriske net. Power -elektroniske systemer findes i stort set alle elektroniske enheder. For eksempel:

  • DC/DC -omformere bruges i de fleste mobile enheder (mobiltelefoner, PDA osv.) Til at holde spændingen på en fast værdi uanset batteriets spændingsniveau. Disse omformere bruges også til elektronisk isolering og effektfaktorkorrektion . En effektoptimering er en type DC/DC -omformer udviklet til at maksimere energihøsten fra solcelleanlæg eller vindmøllesystemer .
  • AC/DC -omformere ( ensrettere ) bruges hver gang en elektronisk enhed tilsluttes lysnettet (computer, fjernsyn osv.). Disse kan simpelthen ændre AC til DC eller kan også ændre spændingsniveauet som en del af deres drift.
  • AC/AC -omformere bruges til at ændre enten spændingsniveauet eller frekvensen (internationale strømadaptere, lysdæmper). I strømdistributionsnet kan AC/AC -omformere bruges til at udveksle strøm mellem strømfrekvenser på 50 Hz og 60 Hz.
  • DC/AC -omformere ( invertere ) bruges primært i UPS eller vedvarende energisystemer eller nødbelysningssystemer . Netstrøm oplader DC -batteriet. Hvis lysnettet svigter, producerer en inverter vekselstrøm ved netspænding fra DC -batteriet. Solar inverter , både mindre streng og større centrale invertere, samt solar micro-inverter bruges i solceller som en komponent i et solcelleanlæg.

Motordrev findes i pumper, blæsere og mølledrev til tekstil, papir, cement og andre sådanne faciliteter. Drev kan bruges til strømkonvertering og til bevægelseskontrol. For vekselstrømsmotorer omfatter applikationer variabelt frekvensomformere , motorbløde startere og excitationssystemer.

I hybridelektriske køretøjer (HEV'er) bruges effektelektronik i to formater: seriehybrid og parallelhybrid. Forskellen mellem en seriehybrid og en parallelhybrid er forholdet mellem elmotoren og forbrændingsmotoren (ICE). Enheder, der bruges i elektriske køretøjer, består hovedsageligt af DC/DC -omformere til batteriopladning og DC/AC -omformere til at drive fremdriftsmotoren. Elektriske tog bruger kraftelektroniske enheder til at opnå strøm, såvel som til vektorstyring ved hjælp af PWM -ensrettere (pulsbreddemodulation). Togene får deres strøm fra elledninger. En anden ny anvendelse til strømelektronik er i elevatorsystemer. Disse systemer kan bruge tyristorer , invertere, permanente magnetmotorer eller forskellige hybridsystemer, der indeholder PWM -systemer og standardmotorer.

Invertere

Generelt bruges invertere i applikationer, der kræver direkte konvertering af elektrisk energi fra DC til AC eller indirekte konvertering fra AC til AC. DC til AC-konvertering er nyttig på mange områder, herunder strømkonditionering, harmonisk kompensation, motordrev og integration af vedvarende energinet.

I elsystemer er det ofte ønsket at fjerne harmonisk indhold, der findes i linjestrømme. VSI'er kan bruges som aktive effektfiltre til at levere denne kompensation. Baseret på målte ledningsstrømme og spændinger bestemmer et kontrolsystem referencestrømssignaler for hver fase. Dette føres tilbage gennem en ydre sløjfe og trækkes fra aktuelle strømsignaler for at skabe strømsignaler for en indre sløjfe til inverteren. Disse signaler får derefter omformeren til at generere udgangsstrømme, der kompenserer for det harmoniske indhold. Denne konfiguration kræver ikke noget reelt strømforbrug, da den er fuldt fodret af linjen; DC -forbindelsen er simpelthen en kondensator, der holdes ved en konstant spænding af kontrolsystemet. I denne konfiguration er udgangsstrømme i fase med netspændinger for at producere en enhedseffektfaktor. Omvendt er VAR -kompensation mulig i en lignende konfiguration, hvor udgangsstrømme fører ledningsspændinger for at forbedre den samlede effektfaktor.

På faciliteter, der til enhver tid kræver energi, f.eks. Hospitaler og lufthavne, bruges UPS -systemer. I et standby -system bringes en inverter online, når det normalt leverende net afbrydes. Strøm trækkes øjeblikkeligt fra batterierne på stedet og konverteres til brugbar AC -spænding af VSI, indtil netstrømmen er genoprettet, eller indtil backupgeneratorer bringes online. I et online UPS-system bruges en ensretter-DC-link-inverter til at beskytte belastningen mod transienter og harmonisk indhold. Et batteri parallelt med DC-linket holdes fuldt opladet af udgangen, hvis netstrømmen afbrydes, mens output fra omformeren føres gennem et lavpasfilter til belastningen. Høj effektkvalitet og uafhængighed af forstyrrelser opnås.

Forskellige vekselstrømsmotordrev er blevet udviklet til hastighed, drejningsmoment og positionsregulering af vekselstrømsmotorer. Disse drev kan kategoriseres som lav ydeevne eller som høj ydeevne, baseret på om de er henholdsvis skalarstyrede eller vektorkontrollerede. I skalarstyrede drev er grundlæggende statorstrøm eller spændingsfrekvens og amplitude de eneste kontrollerbare størrelser. Derfor anvendes disse drev i applikationer, hvor høj kvalitetskontrol ikke er påkrævet, såsom ventilatorer og kompressorer. På den anden side gør vektorstyrede drev det muligt at kontrollere øjeblikkelige strøm- og spændingsværdier kontinuerligt. Denne høje ydeevne er nødvendig til applikationer som elevatorer og elbiler.

Invertere er også afgørende for mange applikationer inden for vedvarende energi. I fotovoltaiske formål bliver inverteren, der normalt er en PWM VSI, fodret af DC -elektrisk energiudgang fra et fotovoltaisk modul eller array. Inverteren konverterer derefter dette til en vekselstrømsspænding, der skal forbindes med enten en belastning eller elnettet. Invertere kan også anvendes i andre vedvarende systemer, såsom vindmøller. I disse applikationer varierer turbinehastigheden normalt, hvilket forårsager ændringer i spændingsfrekvensen og nogle gange i størrelsesordenen. I dette tilfælde kan den genererede spænding korrigeres og derefter vendes for at stabilisere frekvens og størrelse.

Smart Grid

Et smart grid er et moderniseret elektrisk net, der bruger informations- og kommunikationsteknologi til at indsamle og handle på information, f.eks. Oplysninger om adfærd hos leverandører og forbrugere, på en automatisk måde for at forbedre produktionens effektivitet, pålidelighed, økonomi og bæredygtighed og distribution af elektricitet.

Elektrisk kraft genereret af vindmøller og vandkraftmøller ved hjælp af induktionsgeneratorer kan forårsage afvigelser i den frekvens, hvormed der genereres strøm. Kraftelektroniske enheder bruges i disse systemer til at konvertere de genererede AC-spændinger til højspændings jævnstrøm ( HVDC ). HVDC -strømmen kan lettere omdannes til trefaset strøm, der er sammenhængende med den effekt, der er knyttet til det eksisterende elnet. Gennem disse enheder er strømmen fra disse systemer renere og har en højere tilhørende effektfaktor. Vindkraftsystemers optimale drejningsmoment opnås enten gennem en gearkasse eller direkte drivteknologier, der kan reducere størrelsen på kraftelektronik -enheden.

Elektrisk strøm kan genereres gennem fotovoltaiske celler ved hjælp af kraftelektroniske enheder. Den producerede strøm bliver normalt derefter transformeret af solomformere . Invertere er opdelt i tre forskellige typer: central, modulintegreret og streng. Centralomformere kan tilsluttes enten parallelt eller i serie på DC -siden af ​​systemet. Til fotovoltaiske "gårde" bruges en enkelt centralomformer til hele systemet. Modulintegrerede omformere er serieforbundet på enten DC- eller AC-siden. Normalt bruges flere moduler i et fotovoltaisk system, da systemet kræver disse omformere på både DC- og AC -terminaler. En strengkonverter bruges i et system, der anvender fotovoltaiske celler, der vender i forskellige retninger. Det bruges til at konvertere den genererede effekt til hver streng eller linje, hvor de fotovoltaiske celler interagerer.

Powerelektronik kan bruges til at hjælpe forsyningsselskaber med at tilpasse sig den hurtige stigning i distribueret bolig-/kommerciel solenergiproduktion . Tyskland og dele af Hawaii, Californien og New Jersey kræver dyre undersøgelser, før der godkendes nye solcelleanlæg. Relativt småskala jord- eller polmonterede enheder skaber potentiale for en distribueret kontrolinfrastruktur til at overvåge og styre strømmen. Traditionelle elektromekaniske systemer, såsom kondensatorbanker eller spændingsregulatorertransformerstationer , kan tage minutter at justere spændingen og kan være fjernt fra solcelleanlæggene, hvor problemerne stammer. Hvis spændingen på et nabolagskredsløb går for højt, kan det bringe forsyningsbesætninger i fare og forårsage skade på både forsynings- og kundeudstyr. Ydermere får en netfejl fotovoltaiske generatorer til at lukke øjeblikkeligt, hvilket øger efterspørgslen efter netstrøm. Smarte netbaserede regulatorer er mere kontrollerbare end langt flere talrige forbrugsenheder.

I en anden tilgang opfordrede en gruppe på 16 vestlige forsyningsselskaber kaldet Western Electric Industry Leaders til obligatorisk brug af "smarte omformere". Disse enheder konverterer DC til husholdningsstrøm og kan også hjælpe med strømkvaliteten. Sådanne anordninger kan eliminere behovet for dyre opgraderinger af forsyningsudstyr til en meget lavere totalpris.

Se også

Noter

Referencer

  • Issa Batarseh, "Power Electronic Circuits" af John Wiley, 2003.
  • SK Mazumder, "Højfrekvente vekselrettere: Fra fotovoltaiske, vind- og brændselscellebaserede vedvarende og alternative energidere/DG-systemer til batteribaserede applikationer til energilagring", bogkapitel i håndbog til elelektronik, redaktør MH Rashid, akademisk Press, Burlington, Massachusetts, 2010.
  • V. Gureich "Elektroniske enheder på diskrete komponenter til industri- og kraftteknik", CRC Press, New York, 2008, 418 s.
  • Redaktør: Semikron, Forfattere: Dr. Ulrich Nicolai, Dr. Tobias Reimann, Prof. Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Application Manual IGBT- og MOSFET-power modules , 1. edition, ISLE Verlag, 1998, ISBN  3-932633-24- 5 online version
  • RW Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, 2. udg. , Springer, 2001, ISBN  0-7923-7270-0 [1]
  • Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobias Reimann (2010), Applikationshandbuch 2010 (PDF-version) (på tysk) (2. red.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-56-7
  • Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobias Reimann (2011), Application Manual 2011 (PDF) (på tysk) (2. red.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-66-6, arkiveret fra originalen (PDF-version) den 2013-09-03

eksterne links