Güç elektroniği - Power electronics
Güç elektroniği , katı hal elektroniğinin elektrik gücünün kontrolüne ve dönüştürülmesine uygulanmasıdır.
İlk yüksek güçlü elektronik cihazlar cıva arklı vanalardı . Modern sistemlerde, dönüşüm gerçekleştirilir iletken gibi anahtarlama cihazlarının diyotlar , tristörler , ve güç transistörleri gibi güç MOSFET ve IGBT . Sinyallerin ve verilerin iletimi ve işlenmesiyle ilgili elektronik sistemlerin aksine, güç elektroniğinde önemli miktarda elektrik enerjisi işlenir. Bir AC / DC dönüştürücü ( doğrultucu ), televizyon setleri, kişisel bilgisayarlar , pil şarj cihazları , vb. Gibi birçok tüketici elektroniği cihazında bulunan en tipik güç elektroniği cihazıdır . Güç aralığı tipik olarak onlarca watt ile birkaç yüz watt arasındadır. Olarak endüstri yaygın bir uygulamadır değişken hızlı tahrik (VSD), bir kontrol etmek için kullanılan indüksiyon motoru . VSD'lerin güç aralığı birkaç yüz watt'tan başlar ve onlarca megawatt ile biter .
Güç dönüştürme sistemleri, giriş ve çıkış gücünün türüne göre sınıflandırılabilir
- AC'den DC'ye ( doğrultucu )
- DC'den AC'ye ( invertör )
- DC'den DC'ye ( DC'den DC'ye dönüştürücü )
- AC'den AC'ye ( AC'den AC'ye dönüştürücü )
Tarih
Güç elektroniği, cıva ark doğrultucusunun geliştirilmesiyle başladı. 1902'de Peter Cooper Hewitt tarafından icat edildi , alternatif akımı (AC) doğru akıma (DC) dönüştürmek için kullanıldı. 1920'lerden itibaren, güç iletimine tiratronlar ve şebeke kontrollü cıva ark valfleri uygulama üzerine araştırmalar devam etti . Uno Lamm , elektrotları yüksek voltajlı doğru akım güç aktarımı için uygun hale getiren derecelendirme elektrotlarına sahip bir cıva valfi geliştirdi . 1933'te selenyum redresörleri icat edildi.
Julius Edgar Lilienfeld , 1926'da alan etkili bir transistör konseptini önerdi , ancak o zamanlar gerçekten çalışan bir cihaz inşa etmek mümkün değildi. 1947 yılında, iki kutuplu nokta temaslı transistör tarafından icat edilmiştir Walter H. Brattain ve John Bardeen yönetimindeki William Shockley at Bell Labs . 1948 arasında Shockley en buluş, çift kutuplu bağlantı transistor (BJT) stabilitesi ve performansı geliştirilmiş transistörlerin ve düşük maliyeti. 1950'lerde, daha yüksek güçlü yarı iletken diyotlar kullanıma sunuldu ve vakum tüplerini değiştirmeye başladı . 1956'da silikon kontrollü redresör (SCR) General Electric tarafından tanıtıldı ve güç elektroniği uygulamalarının kapsamını büyük ölçüde artırdı. 1960'larda, bipolar bağlantı transistörlerinin geliştirilmiş anahtarlama hızı, yüksek frekanslı DC / DC dönüştürücülere izin vermişti.
RD Middlebrook , güç elektroniğine önemli katkılarda bulundu. 1970 yılında Caltech'te Güç Elektroniği Grubu'nu kurdu . Durum uzayı ortalama analiz yöntemini ve modern güç elektroniği tasarımı için çok önemli olan diğer araçları geliştirdi.
Güç MOSFET
Güç elektroniği bir atılım buluşa gelen MOSFET ile (metal oksit yarı iletken alan etkili transistor) Mohamed atalla ve Dawon Kahng de Bell Labs mümkün değildir performans ve yoğunluk seviyelerinin elde edilmesi için güç tasarımcıları etkin MOSFET transistörünü 1959 Generasyonlarda bipolar transistörler ile. MOSFET teknolojisindeki gelişmeler nedeniyle (başlangıçta entegre devreler üretmek için kullanılır ), MOSFET gücü 1970'lerde kullanılabilir hale geldi.
1969'da Hitachi , daha sonra VMOS (V-oluklu MOSFET) olarak bilinen ilk dikey güç MOSFET'i piyasaya sürdü . 1974'ten itibaren Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony ve Toshiba , güçlü MOSFET'lerle ses amplifikatörleri üretmeye başladı . International Rectifier , 1978'de 25 A, 400 V güçte bir MOSFET'i piyasaya sürdü. Bu cihaz, iki kutuplu bir transistörden daha yüksek frekanslarda çalışmaya izin verir, ancak düşük voltaj uygulamalarıyla sınırlıdır.
Güç MOSFET, düşük kapı sürücü gücü, hızlı anahtarlama hızı, kolay gelişmiş paralelleme özelliği, geniş bant genişliği , sağlamlığı, kolay sürüş, basit önyargı, uygulama kolaylığı ve onarım kolaylığı nedeniyle dünyadaki en yaygın güç cihazıdır . Taşınabilir bilgi cihazları , güç entegre devreleri, cep telefonları , dizüstü bilgisayarlar ve İnternet'i sağlayan iletişim altyapısı gibi çok çeşitli güç elektroniği uygulamalarına sahiptir .
1982'de yalıtımlı kapılı bipolar transistör (IGBT) piyasaya sürüldü. 1990'larda yaygın olarak kullanıma sunuldu. Bu bileşen, bipolar transistörün güç işleme kapasitesine ve güç MOSFET'in izole edilmiş geçit sürücüsünün avantajlarına sahiptir.
Cihazlar
Güç elektroniği sisteminin yetenekleri ve ekonomisi, mevcut aktif cihazlarla belirlenir. Özellikleri ve sınırlamaları, güç elektroniği sistemlerinin tasarımında önemli bir unsurdur. Eskiden cıva ark valfi , yüksek vakumlu ve gazla doldurulmuş diyotlu termiyonik doğrultucular ve tiratron ve ateşleyici gibi tetiklenen cihazlar güç elektroniğinde yaygın olarak kullanılıyordu. Katı hal cihazlarının derecelendirmeleri hem voltaj hem de akım işleme kapasitesinde geliştikçe, vakum cihazları neredeyse tamamen katı hal cihazlarıyla değiştirildi.
Güç elektroniği cihazları anahtar veya amplifikatör olarak kullanılabilir. Bir İdeal anahtarı açık veya kapalı olduğunu ve bu nedenle hiçbir gücü dağıtır; uygulanan bir gerilime dayanır ve hiçbir akım geçirmez veya herhangi bir voltaj düşüşü olmadan herhangi bir miktarda akımı geçirir. Anahtar olarak kullanılan yarı iletken cihazlar bu ideal özelliğe yaklaşabilir ve bu nedenle çoğu güç elektroniği uygulaması, cihazları açıp kapatmaya dayanır, bu da anahtarda çok az güç harcanması nedeniyle sistemleri çok verimli hale getirir. Aksine, amplifikatör durumunda, cihazdan geçen akım, kontrollü bir girişe göre sürekli olarak değişir. Cihaz terminallerindeki voltaj ve akım bir yük hattını takip eder ve cihaz içindeki güç kaybı, yüke verilen güce kıyasla büyüktür.
Cihazların nasıl kullanılacağını çeşitli nitelikler belirler. Diyotlar gibi cihazlar , ileri bir voltaj uygulandığında çalışır ve iletim başlangıcında harici bir kontrole sahip değildir. Silikon kontrollü redresörler ve tristörler gibi güç cihazları (cıva valfi ve tiratronun yanı sıra ), iletimin başlamasının kontrolüne izin verir, ancak bunları kapatmak için akım akışının periyodik olarak tersine çevrilmesine güvenir. Kapı kapatma tristörleri, BJT ve MOSFET transistörleri gibi cihazlar, tam anahtarlama kontrolü sağlar ve içlerindeki akım akışına bakılmaksızın açılıp kapatılabilir. Transistör cihazları da orantılı amplifikasyona izin verir, ancak bu nadiren birkaç yüz watt'tan yüksek sistemler için kullanılır. Bir cihazın kontrol girişi özellikleri de tasarımı büyük ölçüde etkiler; bazen kontrol girişi toprağa göre çok yüksek bir voltajdadır ve yalıtılmış bir kaynak tarafından sürülmelidir.
Bir güç elektroniği dönüştürücüsünde verimlilik en yüksek seviyede olduğundan, bir güç elektroniği cihazının oluşturduğu kayıplar olabildiğince düşük olmalıdır.
Cihazlar anahtarlama hızında değişiklik gösterir. Bazı diyotlar ve tristörler nispeten yavaş hız için uygundur ve güç frekansı anahtarlama ve kontrolü için kullanışlıdır ; belirli tristörler birkaç kilohertz'de kullanışlıdır. MOSFETS ve BJT'ler gibi cihazlar, güç uygulamalarında onlarca kilohertz'de birkaç megahertz'e kadar geçiş yapabilir, ancak güç seviyeleri azalır. Vakum tüplü cihazlar, çok yüksek frekansta (yüzlerce veya binlerce megahertz) uygulamalarda yüksek güce (yüzlerce kilowatt) hakimdir. Daha hızlı anahtarlama cihazları, açıktan kapalıya ve geri geçişlerde enerji kaybını en aza indirir, ancak yayılan elektromanyetik girişim ile ilgili sorunlar yaratabilir. Kapı sürücü (veya eşdeğer) devreleri, bir cihazla mümkün olan tam anahtarlama hızına ulaşmak için yeterli sürücü akımını sağlayacak şekilde tasarlanmalıdır. Hızlı geçiş için yeterli güce sahip olmayan bir cihaz aşırı ısınma nedeniyle tahrip olabilir.
Pratik cihazlar, sıfır olmayan voltaj düşüşüne sahiptir ve açık olduğunda gücü dağıtır ve "açık" veya "kapalı" durumuna ulaşana kadar aktif bir bölgeden geçmeleri biraz zaman alır. Bu kayıplar, bir dönüştürücüdeki toplam kayıp gücün önemli bir parçasıdır.
Cihazların güç kullanımı ve dağıtımı da tasarımda kritik bir faktördür. Güç elektroniği cihazları, onlarca veya yüzlerce watt atık ısıyı dağıtmak zorunda kalabilir, hatta iletken ve iletken olmayan durumlar arasında olabildiğince verimli bir şekilde geçiş yapabilir. Anahtarlama modunda, kontrol edilen güç, anahtarda harcanan güçten çok daha büyüktür. İletken durumdaki ileri voltaj düşüşü, dağıtılması gereken ısıya dönüşür. Yüksek güçlü yarı iletkenler , bağlantı Sıcaklığını yönetmek için özel ısı alıcıları veya aktif soğutma sistemleri gerektirir ; Silisyum karbür gibi egzotik yarı iletkenler , bu açıdan düz silikona göre bir avantaja sahiptir ve katı hal elektroniğinin ana kalanı, elverişsiz yüksek sıcaklık özellikleri nedeniyle artık çok az kullanıldığından beri germanyum.
Yarı iletken cihazlar, tek bir cihazda birkaç kilovolta kadar derecelendirmelerle mevcuttur. Çok yüksek voltajın kontrol edilmesi gereken yerlerde, tüm cihazlar arasında voltajı eşitlemek için ağlarla birlikte birden fazla cihaz seri olarak kullanılmalıdır. Yine, anahtarlama hızı kritik bir faktördür çünkü en yavaş anahtarlama cihazı, toplam voltajın orantısız bir payına dayanmak zorunda kalacaktır. Cıva vanaları bir zamanlar tek bir ünitede 100 kV değerlerinde mevcuttu ve bu da HVDC sistemlerindeki uygulamalarını basitleştiriyordu .
Bir yarı iletken cihazın mevcut derecesi, kalıplarda üretilen ısı ve birbirine bağlanan uçların direncinde oluşan ısı ile sınırlıdır. Yarı iletken cihazlar, akımın cihaz içinde dahili bağlantıları (veya kanalları) boyunca eşit olarak dağıtılmasını sağlayacak şekilde tasarlanmalıdır; Bir "sıcak nokta" oluştuğunda, arıza etkileri cihazı hızla yok edebilir. Belirli SCR'ler, tek bir ünitede 3000 ampere kadar akım değerlerinde mevcuttur.
DC / AC dönüştürücüler (invertörler)
DC'den AC'ye dönüştürücüler, bir DC kaynağından bir AC çıkış dalga formu üretir. Uygulamalar arasında ayarlanabilir hızlı sürücüler (ASD), kesintisiz güç kaynakları (UPS), Esnek AC iletim sistemleri (FACTS), voltaj kompansatörleri ve fotovoltaik invertörler bulunur. Bu dönüştürücüler için topolojiler iki farklı kategoriye ayrılabilir: gerilim kaynağı inverterleri ve akım kaynağı inverterleri. Gerilim kaynağı inverterleri (VSI'ler), bağımsız olarak kontrol edilen çıkış bir gerilim dalga formu olduğu için böyle adlandırılır. Benzer şekilde, akım kaynağı invertörleri (CSI'ler), kontrollü AC çıktısının bir akım dalga formu olması bakımından farklıdır.
DC'den AC'ye güç dönüşümü, genel olarak tamamen kontrol edilebilen yarı iletken güç anahtarları olan güç anahtarlama cihazlarının sonucudur. Çıkış dalga biçimleri bu nedenle ayrı değerlerden oluşur ve yumuşak geçişler yerine hızlı geçişler üretir. Bazı uygulamalar için, AC gücünün sinüzoidal dalga biçiminin kaba bir yaklaşımı bile yeterlidir. Yakın bir sinüzoidal dalga formunun gerekli olduğu yerlerde, anahtarlama cihazları istenen çıkış frekansından çok daha hızlı çalıştırılır ve her iki durumda da harcadıkları süre kontrol edilir, böylece ortalama çıkış neredeyse sinüzoidaldir. Yaygın modülasyon teknikleri arasında taşıyıcı tabanlı teknik veya Darbe genişliği modülasyonu , uzay vektör tekniği ve seçici harmonik tekniği bulunur.
Gerilim kaynağı inverterleri, hem tek fazlı hem de üç fazlı uygulamalarda pratik kullanımlara sahiptir. Tek fazlı VSI'ler, yarım köprü ve tam köprü yapılandırmalarını kullanır ve çok hücreli yapılandırmalarda kullanıldıklarında güç kaynakları, tek fazlı UPS'ler ve ayrıntılı yüksek güçlü topolojiler için yaygın olarak kullanılır. Üç fazlı VSI'ler, ASD'ler, UPS'ler ve STATCOM gibi bazı FACTS cihazları gibi sinüzoidal voltaj dalga biçimleri gerektiren uygulamalarda kullanılır . Ayrıca, aktif güç filtreleri ve voltaj kompansatörlerinde olduğu gibi isteğe bağlı voltajların gerekli olduğu uygulamalarda da kullanılırlar.
Akım kaynağı inverterleri, bir DC akım kaynağından bir AC çıkış akımı üretmek için kullanılır. Bu tip invertör, yüksek kaliteli voltaj dalga formlarının gerekli olduğu üç fazlı uygulamalar için pratiktir.
Çok seviyeli invertörler olarak adlandırılan nispeten yeni bir invertör sınıfı, geniş bir ilgi gördü. CSI'ların ve VSI'lerin normal çalışması, güç anahtarlarının pozitif veya negatif DC barasına bağlanması nedeniyle iki seviyeli inverterler olarak sınıflandırılabilir. İnverter çıkış terminallerinde ikiden fazla voltaj seviyesi mevcutsa, AC çıkışı bir sinüs dalgasına daha iyi yaklaşabilirdi. Bu nedenle, çok düzeyli inverterler, daha karmaşık ve maliyetli olsalar da, daha yüksek performans sunarlar.
Her invertör tipi, kullanılan DC bağlantılarına ve serbest devinimli diyotlara ihtiyaç duyup duymadıklarına göre farklılık gösterir . Kullanım amacına bağlı olarak kare dalga veya darbe genişlik modülasyonu (PWM) modunda çalışacak şekilde yapılabilir. Kare dalga modu basitlik sunarken, PWM birkaç farklı şekilde uygulanabilir ve daha yüksek kaliteli dalga biçimleri üretir.
Gerilim Kaynağı İnvertörleri (VSI), çıkış inverter bölümünü yaklaşık olarak sabit voltajlı bir kaynaktan besler.
Akım çıkış dalga biçiminin istenen kalitesi, belirli bir uygulama için hangi modülasyon tekniğinin seçilmesi gerektiğini belirler. Bir VSI'nin çıktısı farklı değerlerden oluşur. Düzgün bir akım dalga biçimi elde etmek için, yüklerin seçilen harmonik frekanslarda endüktif olması gerekir. Kaynak ve yük arasında bir tür endüktif filtreleme olmadan, kapasitif bir yük, yükün büyük ve sık akım artışlarıyla dalgalı bir akım dalga formu almasına neden olur.
Üç ana VSI türü vardır:
- Tek fazlı yarım köprü invertör
- Tek fazlı tam köprü invertör
- Üç fazlı voltaj kaynağı invertörü
Tek fazlı yarım köprü invertör
Tek fazlı voltaj kaynağı yarım köprü inverterleri, daha düşük voltaj uygulamaları içindir ve genellikle güç kaynaklarında kullanılır. Şekil 9, bu invertörün devre şemasını göstermektedir.
Düşük sıralı akım harmonikleri, inverterin çalışmasıyla kaynak gerilimine geri enjekte edilir. Bu, bu tasarımda filtreleme amacıyla iki büyük kapasitörün gerekli olduğu anlamına gelir. Şekil 9'da gösterildiği gibi, eviricinin her bir ayağında aynı anda yalnızca bir anahtar açık olabilir. Bir bacaktaki her iki anahtar aynı anda açıksa, DC kaynağı kısa devre yapacaktır.
İnvertörler, anahtarlama şemalarını kontrol etmek için birkaç modülasyon tekniği kullanabilir. Taşıyıcı tabanlı PWM tekniği, AC çıkış dalga biçimini, v c , bir taşıyıcı voltaj sinyali v Δ ile karşılaştırır . V c v Δ'dan büyük olduğunda , S + açıktır ve v c v v'dan küçük olduğunda S- açıktır. AC çıkışı, genliği v c'de olan fc frekansında ve üçgen taşıyıcı sinyal, genliği v Δ'da olan f Δ frekansında olduğunda, PWM, taşıyıcı tabanlı PWM'nin özel bir sinüzoidal durumu haline gelir. Bu durum, sinüzoidal darbe genişliği modülasyonu (SPWM) olarak adlandırılır. Bunun için modülasyon indeksi veya genlik modülasyon oranı, m a = v c / v ∆ olarak tanımlanır .
Normalize taşıyıcı frekansı, ya da frekans modülasyon oranı, aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanır m f f = Δ / f c .
Aşırı modülasyon bölgesi, ma, birini aşarsa, daha yüksek bir AC çıkış voltajı gözlemlenecektir, ancak bu, doygunluk pahasına olacaktır. SPWM için, çıkış dalga biçiminin harmonikleri iyi tanımlanmış frekanslarda ve genliklerdedir. Bu, inverterin çalışmasından düşük sıralı akım harmonik enjeksiyonu için gerekli olan filtreleme bileşenlerinin tasarımını basitleştirir. Bu çalışma modunda maksimum çıkış genliği, kaynak voltajının yarısıdır. Maksimum çıkış genliği m a 3,24'ü aşarsa, sürücünün çıkış dalga formu kare dalga olur.
Darbe Genişliği Modülasyonu (PWM) için geçerli olduğu gibi, kare dalga modülasyonu için bir bacaktaki her iki anahtar da aynı anda açılamaz, çünkü bu, voltaj kaynağı boyunca kısa devreye neden olur. Anahtarlama şeması, hem S + hem de S-'nin AC çıkış periyodunun yarım döngüsü boyunca açık olmasını gerektirir. Temel AC çıkış genliği v o1 = v aN = 2v i / π'ye eşittir .
Harmoniklerinin genliği v oh = v o1 / h'dir .
Bu nedenle, AC çıkış voltajı invertör tarafından değil, inverterin DC giriş voltajının büyüklüğü tarafından kontrol edilir.
Seçici harmonik eliminasyonun (SHE) bir modülasyon tekniği olarak kullanılması, sürücünün anahtarlanmasının iç harmonikleri seçici olarak ortadan kaldırmasına izin verir. AC çıkış voltajının temel bileşeni de arzu edilen bir aralıkta ayarlanabilir. Bu modülasyon tekniğinden elde edilen AC çıkış voltajı, tek yarım ve tek çeyrek dalga simetrisine sahip olduğundan, harmonikler bile mevcut değildir. Çıkış dalga formundan herhangi bir istenmeyen tek (N-1) iç harmonik elimine edilebilir.
Tek fazlı tam köprü invertör
Tam köprülü invertör, yarım köprü invertörüne benzer, ancak nötr noktayı yüke bağlamak için ek bir ayağa sahiptir. Şekil 3, tek fazlı voltaj kaynağı tam köprülü invertörün devre şemasını göstermektedir.
Gerilim kaynağının kısa devre yapmasını önlemek için, S1 + ve S1- aynı anda açık olamaz ve S2 + ve S2- de aynı anda açık olamaz. Tam köprü konfigürasyonu için kullanılan herhangi bir modülasyon tekniği, herhangi bir zamanda her bir bacağın üst veya alt anahtarına sahip olmalıdır. Ekstra bacak nedeniyle, çıkış dalga biçiminin maksimum genliği Vi'dir ve yarım köprü konfigürasyonu için elde edilebilen maksimum çıktı genliğinin iki katıdır.
Tablo 2'deki Durum 1 ve 2, bipolar SPWM ile AC çıkış voltajını oluşturmak için kullanılır. AC çıkış voltajı, Vi veya –Vi olmak üzere yalnızca iki değer alabilir. Yarım köprü konfigürasyonu kullanarak bu aynı durumları oluşturmak için, taşıyıcı bazlı bir teknik kullanılabilir. Yarım köprü için S + 'nın açık olması S1 + ve S2'nin tam köprü için açık olmasına karşılık gelir. Benzer şekilde, yarım köprü için S'nin açık olması, S1- ve S2 + 'nın tam köprü için açık olmasına karşılık gelir. Bu modülasyon tekniği için çıkış voltajı bir ila eşit veya daha az doğrusal bölgesinde bir amplitüde sahip bir temel bileşenin, daha az ya da sinüs şeklinde v o1 = v AB1 = v ı • m bir .
İki kutuplu PWM tekniğinin aksine, tek kutuplu yaklaşım, AC çıkış voltajını oluşturmak için Tablo 2'deki 1, 2, 3 ve 4 durumlarını kullanır. Bu nedenle, AC çıkış voltajı Vi, 0 veya –V [1] i değerlerini alabilir. Bu durumları oluşturmak için, Şekil 4'te görüldüğü gibi iki sinüzoidal modülasyon sinyali, Vc ve –Vc gereklidir.
Vc, VaN oluşturmak için kullanılırken, –Vc VbN oluşturmak için kullanılır. Aşağıdaki ilişki, tek kutuplu taşıyıcı tabanlı SPWM v o1 = 2 • v aN1 = v i • m a olarak adlandırılır .
VaN ve VbN faz voltajları aynıdır, ancak birbirleriyle 180 derece faz dışıdır. Çıkış gerilimi, iki faz geriliminin farkına eşittir ve herhangi bir harmonik içermez. Bu nedenle, mf alınırsa, AC çıkış voltajı harmonikleri bile normalleştirilmiş tek frekanslarda, fh görünecektir. Bu frekanslar, normalize edilmiş taşıyıcı frekans değerinin iki katı üzerinde ortalanır. Bu belirli özellik, daha yüksek kalitede çıktı dalga formu elde etmeye çalışırken daha küçük filtreleme bileşenlerine izin verir.
Yarım köprü SHE'de olduğu gibi, AC çıkış voltajı tek yarım ve tek çeyrek dalga simetrisi nedeniyle bile harmonik içermez.
Üç fazlı voltaj kaynağı invertörü
Tek fazlı VSI'ler öncelikle düşük güç aralığı uygulamaları için kullanılırken, üç fazlı VSI'ler hem orta hem de yüksek güç aralığı uygulamalarını kapsar. Şekil 5, üç fazlı bir VSI için devre şemasını göstermektedir.
Eviricinin üç ayağından herhangi birindeki anahtarlar aynı anda kapatılamaz çünkü bu, voltajların ilgili hat akımının polaritesine bağlı olmasına neden olur. Durum 7 ve 8, sıfır AC hat voltajı üretir, bu da AC hat akımlarının üst veya alt bileşenlerde serbest dönmesine neden olur. Bununla birlikte, 1'den 6'ya kadar olan durumlar için hat voltajları, Vi, 0 veya –Vi'nin ayrı değerlerinden oluşan bir AC hat voltajı üretir.
Üç fazlı SPWM için, faz dışı yük voltajlarını üretmek için birbiriyle 120 derece faz dışı olan üç modülasyon sinyali kullanılır. PWM özelliklerini tek bir taşıyıcı sinyal ile korumak için, normalleştirilmiş taşıyıcı frekansı mf'nin üçün katı olması gerekir. Bu, faz gerilimlerinin büyüklüğünü aynı, ancak birbirleriyle 120 derece faz dışı tutar. Doğrusal bölgedeki maksimum elde edilebilir faz voltajı genliği, ma, birden küçük veya eşittir, v faz = v i / 2'dir . Ulaşılabilir maksimum hat voltajı genliği V ab1 = v ab • √ / 2'dir
Yük voltajını kontrol etmenin tek yolu giriş DC voltajını değiştirmektir.
Akım kaynak inverterleri
Akım kaynağı inverterleri, DC akımını bir AC akım dalga biçimine dönüştürür. Sinüzoidal AC dalga formları gerektiren uygulamalarda, büyüklük, frekans ve fazın tümü kontrol edilmelidir. CSI'lar zamanla akımda yüksek değişikliklere sahiptir, bu nedenle kondansatörler genellikle AC tarafında kullanılırken, indüktörler genellikle DC tarafında kullanılır. Serbest dönen diyotların olmaması nedeniyle, güç devresinin boyutu ve ağırlığı azalır ve VSI'lardan daha güvenilir olma eğilimindedir. Tek fazlı topolojiler mümkün olsa da, üç fazlı CSI'lar daha pratiktir.
En genel haliyle, üç fazlı bir CSI, altı darbeli bir doğrultucu ile aynı iletim dizisini kullanır. Herhangi bir zamanda, yalnızca bir ortak katot anahtarı ve bir ortak anot anahtarı açıktır.
Sonuç olarak, hat akımları –ii, 0 ve ii'nin ayrı değerlerini alır. Durumlar, istenen bir dalga biçiminin çıktısı alınacak ve yalnızca geçerli durumlar kullanılacak şekilde seçilir. Bu seçim, taşıyıcı tabanlı PWM, seçici harmonik eliminasyon ve uzay vektör tekniklerini içeren modülasyon tekniklerine dayanmaktadır.
VSI'ler için kullanılan taşıyıcı tabanlı teknikler, CSI'lar için de uygulanabilir ve bu da, VSI hat voltajlarıyla aynı şekilde davranan CSI hat akımlarına neden olur. Sinyalleri modüle etmek için kullanılan dijital devre, bir anahtarlama darbe üreteci, bir kısa devre darbe üreteci, bir kısa devre darbe dağıtıcısı ve bir anahtarlama ve kısa devre darbe birleştirici içerir. Bir taşıyıcı akım ve üç modülasyon sinyaline bağlı olarak bir geçit sinyali üretilir.
Bu sinyale bir kısa devre darbesi, üst anahtarlar ve alt anahtarlar geçilmezse eklenir ve bu da RMS akımlarının tüm bacaklarda eşit olmasına neden olur. Her faz için aynı yöntemler kullanılır, bununla birlikte, anahtarlama değişkenleri birbirine göre 120 derece faz dışıdır ve akım darbeleri, çıkış akımlarına göre yarım döngü ile kaydırılır. Sinüzoidal modülasyon sinyalleri ile üçgen bir taşıyıcı kullanılırsa, CSI'nın senkronize darbe genişlik modülasyonunu (SPWM) kullandığı söylenir. SPWM ile birlikte tam aşırı modülasyon kullanılırsa, inverterin kare dalga işletiminde olduğu söylenir.
İkinci CSI modülasyon kategorisi olan SHE, VSI muadiline benzer. Bir VSI için geliştirilen geçit sinyallerini ve bir dizi senkronize sinüzoidal akım sinyalini kullanmak, simetrik olarak dağıtılmış kısa devre darbeleri ve dolayısıyla simetrik geçitleme modelleri ile sonuçlanır. Bu, herhangi bir rasgele sayıda harmoniğin ortadan kaldırılmasına izin verir. Ayrıca, birincil anahtarlama açılarının uygun şekilde seçilmesiyle temel hat akımının kontrolüne izin verir. Optimal anahtarlama modelleri, çeyrek dalga ve yarım dalga simetrisinin yanı sıra yaklaşık 30 derece ve 150 derece simetriye sahip olmalıdır. 60 derece ile 120 derece arasında geçiş modellerine asla izin verilmez. Akım dalgalanması, daha büyük çıkış kapasitörlerinin kullanılmasıyla veya anahtarlama darbelerinin sayısının artırılmasıyla daha da azaltılabilir.
Üçüncü kategori, uzay vektörü tabanlı modülasyon, ortalama olarak yük hattı akımlarına eşit olan PWM yük hattı akımları üretir. Geçerli anahtarlama durumları ve zaman seçimleri, uzay vektörü dönüşümüne dayalı olarak dijital olarak yapılır. Modüle edici sinyaller, bir dönüşüm denklemi kullanılarak karmaşık bir vektör olarak temsil edilir. Dengeli üç fazlı sinüzoidal sinyaller için bu vektör, ω frekansında dönen sabit bir modül haline gelir. Bu uzay vektörleri daha sonra modülasyon sinyaline yaklaşmak için kullanılır. Sinyal rastgele vektörler arasındaysa, vektörler sıfır vektörler I7, I8 veya I9 ile birleştirilir. Aşağıdaki denklemler, üretilen akımların ve mevcut vektörlerin ortalama olarak eşdeğer olmasını sağlamak için kullanılır.
Çok düzeyli invertörler
Çok seviyeli invertörler olarak adlandırılan nispeten yeni bir sınıf, geniş bir ilgi gördü. CSI ve VSI'lerin normal çalışması, güç anahtarları pozitif veya negatif DC barasına bağlandığından iki seviyeli inverterler olarak sınıflandırılabilir. İnverter çıkış terminallerinde ikiden fazla voltaj seviyesi mevcutsa, AC çıkışı bir sinüs dalgasına daha iyi yaklaşabilirdi. Bu nedenle, çok seviyeli inverterler, daha karmaşık ve maliyetli olsalar da, daha yüksek performans sunarlar. Üç seviyeli nötr kenetli bir invertör Şekil 10'da gösterilmektedir.
Üç seviyeli bir invertör için kontrol yöntemleri, her bir bacaktaki dört anahtarın yalnızca iki anahtarının aynı anda iletim durumlarını değiştirmesine izin verir. Bu, yumuşak geçiş sağlar ve yalnızca geçerli durumları seçerek ateşlemeyi önler. DC bara voltajı en az iki güç vanası tarafından paylaşıldığı için, voltaj derecelendirmelerinin iki seviyeli bir muadilden daha az olabileceği de not edilebilir.
Taşıyıcı tabanlı ve uzay vektör modülasyon teknikleri, çok düzeyli topolojiler için kullanılır. Bu teknikler için yöntemler, klasik invertörlerin yöntemlerini takip eder, ancak daha karmaşıktır. Uzay vektör modülasyonu, modülasyon sinyaline yaklaştırmada kullanılacak daha fazla sayıda sabit voltaj vektörü sunar ve bu nedenle, daha ayrıntılı algoritmalar pahasına daha etkili uzay vektörü PWM stratejilerinin gerçekleştirilmesine izin verir. Eklenen karmaşıklık ve yarı iletken cihazların sayısı nedeniyle, çok seviyeli invertörler şu anda yüksek güçlü yüksek voltaj uygulamaları için daha uygundur. Bu teknoloji, harmonikleri azaltır, dolayısıyla programın genel verimliliğini artırır.
AC / AC dönüştürücüler
AC gücünün AC gücüne dönüştürülmesi, sağlanan bir AC sisteminden bir yüke uygulanan dalga formunun voltaj, frekans ve fazının kontrolüne izin verir. Dönüştürücü türlerini ayırmak için kullanılabilecek iki ana kategori, dalga biçiminin frekansının değiştirilip değiştirilmeyeceğidir. Kullanıcının frekansları değiştirmesine izin vermeyen AC / AC dönüştürücü , AC Voltaj Denetleyicileri veya AC Regülatörleri olarak bilinir. Kullanıcının frekansı değiştirmesine izin veren AC dönüştürücüler, AC'den AC'ye dönüştürme için basitçe frekans dönüştürücüler olarak adlandırılır. Frekans dönüştürücüler altında tipik olarak kullanılan üç farklı dönüştürücü türü vardır: siklo dönüştürücü, matris dönüştürücü, DC bağlantı dönüştürücü (aka AC / DC / AC dönüştürücü).
AC voltaj denetleyicisi: Bir AC Voltaj Denetleyicisinin veya AC Regülatörünün amacı, sabit bir frekansta yük boyunca RMS voltajını değiştirmektir. Genel olarak kabul edilen üç kontrol yöntemi, AÇIK / KAPALI Kontrolü, Faz Açısı Kontrolü ve Darbe Genişliği Modülasyonu AC Kıyıcı Kontrolüdür (PWM AC Kıyıcı Kontrolü). Bu yöntemlerin üçü de yalnızca tek fazlı devrelerde değil, üç fazlı devrelerde de uygulanabilir.
- AÇIK / KAPALI Kontrolü: Tipik olarak yükleri ısıtmak veya motorların hız kontrolü için kullanılan bu kontrol yöntemi, anahtarın n integral döngü için açılmasını ve m integral döngü için anahtarın kapatılmasını içerir. Anahtarların açılması ve kapatılması istenmeyen harmoniklerin oluşmasına neden olduğundan, anahtarlar sıfır gerilim ve sıfır akım koşullarında (sıfır geçiş) açılıp kapanır ve distorsiyon etkin bir şekilde azaltılır.
- Faz Açısı Kontrolü: Yarım dalga veya tam dalga voltaj kontrolü gibi farklı dalga formlarında bir faz açısı kontrolü uygulamak için çeşitli devreler mevcuttur. Tipik olarak kullanılan güç elektroniği bileşenleri diyotlar, SCR'ler ve Triyaklardır. Bu bileşenlerin kullanılmasıyla, kullanıcı bir dalgadaki ateşleme açısını geciktirebilir, bu da dalganın yalnızca bir kısmının çıkışta olmasına neden olur.
- PWM AC Kıyıcı Kontrolü: Diğer iki kontrol yöntemi genellikle zayıf harmoniklere, çıkış akımı kalitesine ve giriş gücü faktörüne sahiptir. Bu değerleri iyileştirmek için diğer yöntemler yerine PWM kullanılabilir. PWM AC Kıyıcı'nın yaptığı şey, giriş voltajının alternatif yarım döngüleri içinde birkaç kez açılan ve kapanan anahtarlara sahiptir.
Matris dönüştürücüler ve siklo dönüştürücüler: Siklo dönüştürücüler, yüksek güçlü uygulamalarda kullanılabildiklerinden, ac'den ac'ye dönüştürme için endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir besleme hattı ile senkronize edilen, değiştirilmiş doğrudan frekans dönüştürücülerdir. Siklo dönüştürücüler çıkış gerilimi dalga formları, makine endüktansı tarafından filtrelenen yüksek sıralı harmoniklerle karmaşık harmoniklere sahiptir. Makine akımının daha az harmoniğe sahip olmasına neden olurken, kalan harmonikler kayıplara ve tork dalgalanmalarına neden olur. Bir siklo dönüştürücüde, diğer dönüştürücülerin aksine, indüktör veya kapasitör bulunmadığını, yani depolama aygıtlarının olmadığını unutmayın. Bu nedenle anlık giriş gücü ile çıkış gücü eşittir.
- Tek Fazdan Tek Fazlıya Dönüştürücüler : Tek Fazdan Tek Faza Döngüsel dönüştürücüler, güç elektroniği anahtarlarının hem boyutundaki hem de fiyatındaki düşüş nedeniyle son zamanlarda daha fazla ilgi görmeye başladı. Tek fazlı yüksek frekanslı ac voltajı, sinüzoidal veya yamuk olabilir. Bunlar, kontrol amaçlı sıfır gerilim aralıkları veya sıfır gerilim değiştirme olabilir.
- Tek fazlı Üç fazlı cycloconverterler : 1φ yarım dalga cycloconverterler için 3φ ve 3φ 1φ köprü cycloconverterler için: tek fazlı cycloconverterler üç fazlı iki çeşidi vardır. Hem pozitif hem de negatif dönüştürücüler, her iki kutupta da voltaj üretebilir, bu da pozitif dönüştürücünün yalnızca pozitif akım beslemesi ve negatif dönüştürücünün yalnızca negatif akım beslemesi ile sonuçlanır.
Son cihaz gelişmeleriyle, matris dönüştürücüler gibi daha yeni siklo dönüştürücü biçimleri geliştirilmektedir. İlk fark edilen değişiklik, matris dönüştürücülerin çift yönlü, çift kutuplu anahtarlar kullanmasıdır. Tek fazlı bir matris dönüştürücüye tek faz, üç giriş fazını ağaç çıkış fazına bağlayan 9 anahtardan oluşan bir matristen oluşur. Herhangi bir giriş fazı ve çıkış fazı, aynı anda aynı fazdan iki anahtar bağlamadan herhangi bir zamanda birbirine bağlanabilir; aksi takdirde bu, giriş fazlarının kısa devresine neden olur. Matris dönüştürücüler, diğer dönüştürücü çözümlerinden daha hafif, daha kompakt ve çok yönlüdür. Sonuç olarak, enerjiyi işletmeye geri döndürmeye uygun daha yüksek seviyede entegrasyon, daha yüksek sıcaklıkta çalışma, geniş çıkış frekansı ve doğal çift yönlü güç akışı elde edebilirler.
Matris dönüştürücüler iki türe ayrılır: doğrudan ve dolaylı dönüştürücüler. Üç fazlı girişli ve üç fazlı çıkışlı bir doğrudan matris dönüştürücü, bir matris dönüştürücüdeki anahtarlar çift yönlü olmalıdır, yani her iki kutuptaki voltajı bloke edebilmeli ve akımı her iki yönde iletebilmelidir. Bu anahtarlama stratejisi, mümkün olan en yüksek çıkış voltajına izin verir ve reaktif hat tarafı akımını azaltır. Bu nedenle, dönüştürücüden geçen güç akışı tersine çevrilebilir. Komütasyon problemi ve karmaşık kontrolü nedeniyle, endüstride yaygın olarak kullanılmasını engeller.
Doğrudan matris dönüştürücülerden farklı olarak, dolaylı matris dönüştürücüler aynı işlevselliğe sahiptir, ancak depolama öğeleri olmadan bir dc bağlantısı aracılığıyla bağlanan ayrı giriş ve çıkış bölümleri kullanır. Tasarım, dört çeyrek akım kaynağı doğrultucu ve bir voltaj kaynağı invertörü içerir. Giriş bölümü iki yönlü çift kutuplu anahtarlardan oluşur. Komutasyon stratejisi, çıkış bölümü serbest bir moddayken giriş bölümünün anahtarlama durumu değiştirilerek uygulanabilir. Bu komutasyon algoritması, geleneksel bir doğrudan matris dönüştürücü ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha az karmaşıklık ve daha yüksek güvenilirliktir.
DC bağlantı dönüştürücüler: AC / DC / AC dönüştürücüler olarak da adlandırılan DC Bağlantı Dönüştürücüleri, ortada bir DC bağlantısı kullanarak bir AC girişini bir AC çıkışına dönüştürür. Bu, dönüştürücüdeki gücün bir redresör kullanılarak AC'den DC'ye dönüştürüldüğü ve daha sonra bir invertör kullanılarak DC'den AC'ye geri dönüştürüldüğü anlamına gelir. Sonuç, daha düşük voltaj ve değişken (daha yüksek veya daha düşük) frekansa sahip bir çıktıdır. Geniş uygulama alanları nedeniyle, AC / DC / AC dönüştürücüler en yaygın çağdaş çözümdür. AC / DC / AC dönüştürücülerin diğer avantajları, aşırı yük ve yüksüz koşullarda kararlı olmaları ve ayrıca bir yükten hasarsız olarak ayrılabilmeleridir.
Hibrit matris dönüştürücü: Hibrit matris dönüştürücüler, AC / AC dönüştürücüler için nispeten yenidir. Bu dönüştürücüler, AC / DC / AC tasarımını matris dönüştürücü tasarımıyla birleştirir. Bu yeni kategoride, tek yönlü anahtarlar ve dc bağlantısı olmadan iki dönüştürücü aşaması kullanan bir dönüştürücü gibi birden fazla hibrit dönüştürücü türü geliştirilmiştir; bir dc bağlantısı için gereken kapasitörler veya indüktörler olmadan, dönüştürücünün ağırlığı ve boyutu azaltılır. Hibrit dönüştürücülerden hibrit doğrudan matris dönüştürücü (HDMC) ve hibrit dolaylı matris dönüştürücü (HIMC) olarak adlandırılan iki alt kategori mevcuttur. HDMC, voltajı ve akımı bir aşamada dönüştürürken, HIMC, AC / DC / AC dönüştürücü gibi ayrı aşamaları kullanır, ancak bir ara depolama öğesi kullanmaz.
Uygulamalar: Aşağıda, her bir dönüştürücünün kullanıldığı yaygın uygulamaların bir listesi bulunmaktadır.
- AC Voltaj Denetleyici: Aydınlatma Kontrolü; Evsel ve Endüstriyel Isıtma; Fan, Pompa veya Vinç Tahriklerinin Hız Kontrolü, Asenkron Motorların Yumuşak Başlaması, Statik AC Anahtarları (Sıcaklık Kontrolü, Trafo Kademe Değiştirme vb.)
- Döngüsel Dönüştürücü: Yüksek Güçlü Düşük Hızlı Ters Çevrilebilir AC Motor Sürücüleri; Değişken Giriş Frekanslı Sabit Frekanslı Güç Kaynağı; Güç Faktörü Düzeltmesi için Kontrol Edilebilir VAR Jeneratörleri; İki Bağımsız Güç Sistemini Bağlayan AC Sistem Bağlantıları.
- Matris Dönüştürücü: Şu anda matris dönüştürücülerin uygulamaları, yüksek frekansta çalışabilen ikili monolitik anahtarların bulunmaması, karmaşık kontrol yasası uygulaması, komütasyon ve diğer nedenlerden dolayı sınırlıdır. Bu gelişmelerle birlikte matris dönüştürücüler, birçok alanda siklo dönüştürücülerin yerini alabilir.
- DC Link: Makine yapımı ve konstrüksiyonunun bireysel veya çoklu yük uygulamaları için kullanılabilir.
Güç elektroniği sistemlerinin simülasyonları
Güç elektroniği devreleri gibi bilgisayar simülasyon programları ile simüle edilmektedir PLECS , PSIM ve MATLAB / Simulink. Devreler, belirli koşullar altında devrelerin nasıl tepki verdiğini test etmek için üretilmeden önce simüle edilir. Ayrıca, bir simülasyon oluşturmak, test için kullanmak üzere bir prototip oluşturmaktan hem daha ucuz hem de daha hızlıdır.
Başvurular
Güç elektroniğinin uygulamaları, bir AC adaptöründeki anahtarlamalı mod güç kaynağından , pil şarj cihazlarından, ses amplifikatörlerinden, flüoresan lamba balastlarından, pompaları, fanları ve üretim makinelerini çalıştırmak için kullanılan değişken frekanslı sürücüler ve DC motor sürücülerinden gigawatt'a kadar çeşitlilik gösterir. - elektrik şebekelerini birbirine bağlamak için kullanılan ölçekli yüksek voltaj doğru akım güç iletim sistemleri. Güç elektroniği sistemleri neredeyse her elektronik cihazda bulunur. Örneğin:
- DC / DC dönüştürücüler , pilin voltaj seviyesi ne olursa olsun voltajı sabit bir değerde tutmak için çoğu mobil cihazda (cep telefonu, PDA vb.) Kullanılır. Bu dönüştürücüler ayrıca elektronik izolasyon ve güç faktörü düzeltmesi için kullanılır. Bir güç optimize edici , güneş fotovoltaik veya rüzgar türbini sistemlerinden enerji hasadını maksimize etmek için geliştirilmiş bir DC / DC dönüştürücü türüdür .
- AC / DC dönüştürücüler ( redresörler ), bir elektronik cihaz şebekeye (bilgisayar, televizyon vb.) Her bağlandığında kullanılır. Bunlar, AC'yi DC'ye değiştirebilir veya operasyonlarının bir parçası olarak voltaj seviyesini de değiştirebilir.
- AC / AC dönüştürücüler, voltaj seviyesini veya frekansı değiştirmek için kullanılır (uluslararası güç adaptörleri, ışık kısıcı). Güç dağıtım ağlarında AC / AC dönüştürücüler, 50 Hz ve 60 Hz şebeke frekansı arasında güç alışverişi yapmak için kullanılabilir .
- DC / AC dönüştürücüler ( inverterler ) öncelikle UPS veya yenilenebilir enerji sistemlerinde veya acil durum aydınlatma sistemlerinde kullanılır. Şebeke gücü DC pili şarj eder. Şebeke arızalanırsa, bir evirici, DC bataryadan şebeke voltajında AC elektrik üretir. Güneş invertör , hem daha küçük dize ve daha büyük merkezi invertörler yanı sıra güneş mikro invertör kullanılan fotovoltaik bir PV sisteminin bir bileşeni olarak.
Motor sürücüleri, tekstil, kağıt, çimento ve benzeri diğer tesisler için pompalar, üfleyiciler ve değirmen sürücülerinde bulunur. Sürücüler güç dönüşümü ve hareket kontrolü için kullanılabilir. AC motorlar için uygulamalar, değişken frekanslı sürücüleri , motor yumuşak yol vericileri ve uyarma sistemlerini içerir.
Gelen hibrid elektrikli araçlar (HEVs), güç elektroniği iki biçimde kullanılır: serisi hibrit ve paralel hibrit. Bir seri hibrit ve bir paralel hibrit arasındaki fark, elektrik motorunun içten yanmalı motorla (ICE) ilişkisidir . Elektrikli araçlarda kullanılan cihazlar çoğunlukla akü şarjı için dc / dc dönüştürücüler ve tahrik motoruna güç sağlamak için dc / ac dönüştürücülerden oluşur. Elektrikli trenler, güç elde etmek için güç elektroniği cihazlarının yanı sıra darbe genişlik modülasyonu (PWM) redresörlerini kullanan vektör kontrolü için kullanır . Trenler güçlerini elektrik hatlarından alıyor. Güç elektroniğinin bir başka yeni kullanım alanı da asansör sistemlerindedir. Bu sistemler tristörler , invertörler, kalıcı mıknatıslı motorlar veya PWM sistemlerini ve standart motorları içeren çeşitli hibrit sistemleri kullanabilir.
İnvertörler
Genel olarak, inverterler, elektrik enerjisinin DC'den AC'ye doğrudan dönüştürülmesini veya AC'den AC'ye dolaylı dönüştürülmesini gerektiren uygulamalarda kullanılır. DC'den AC'ye dönüştürme, güç koşullandırma, harmonik kompanzasyon, motor sürücüleri ve yenilenebilir enerji şebeke entegrasyonu dahil olmak üzere birçok alanda kullanışlıdır.
Güç sistemlerinde, genellikle hat akımlarında bulunan harmonik içeriğin ortadan kaldırılması istenir. VSI'ler bu kompanzasyonu sağlamak için aktif güç filtreleri olarak kullanılabilir. Ölçülen hat akımları ve gerilimlerine bağlı olarak, bir kontrol sistemi her faz için referans akım sinyallerini belirler. Bu, bir dış döngüden geri beslenir ve sürücüye bir iç döngü için akım sinyalleri oluşturmak için gerçek akım sinyallerinden çıkarılır. Bu sinyaller daha sonra sürücünün harmonik içeriği telafi eden çıkış akımları oluşturmasına neden olur. Bu konfigürasyon, hattan tamamen beslendiği için gerçek bir güç tüketimi gerektirmez; DC bağlantısı, kontrol sistemi tarafından sabit voltajda tutulan bir kapasitördür. Bu konfigürasyonda, bir birim güç faktörü üretmek için çıkış akımları hat gerilimleriyle aynı fazdadır. Tersine, VAR kompanzasyonu, çıkış akımlarının genel güç faktörünü iyileştirmek için hat voltajlarına yol açtığı benzer bir konfigürasyonda mümkündür.
Hastane ve hava limanları gibi sürekli enerji ihtiyacı olan tesislerde UPS sistemleri kullanılmaktadır. Yedek bir sistemde, normal besleme şebekesi kesintiye uğradığında bir inverter çevrim içi hale getirilir. Güç, yerinde akülerden anında çekilir ve şebeke gücü geri gelene kadar veya yedek jeneratörler devreye alınana kadar VSI tarafından kullanılabilir AC voltajına dönüştürülür. Çevrimiçi bir UPS sisteminde, yükü geçici akımlardan ve harmonik içerikten korumak için bir doğrultucu-DC-link-invertör kullanılır. DC bağlantısına paralel bir akü, şebeke gücünün kesilmesi durumunda çıkış tarafından tamamen şarj edilmiş halde tutulurken, inverterin çıkışı bir düşük geçiş filtresinden yüke beslenir. Yüksek güç kalitesi ve bozulmalardan bağımsızlık elde edilir.
AC motorların hız, tork ve konum kontrolü için çeşitli AC motor sürücüleri geliştirilmiştir. Bu sürücüler, sırasıyla skaler kontrollü veya vektör kontrollü olup olmadıklarına bağlı olarak düşük performanslı veya yüksek performanslı olarak kategorize edilebilir. Skaler kontrollü sürücülerde, temel stator akımı veya gerilim frekansı ve genliği, kontrol edilebilen tek büyüklüklerdir. Bu nedenle, bu sürücüler, fanlar ve kompresörler gibi yüksek kalite kontrolün gerekli olmadığı uygulamalarda kullanılır. Diğer yandan vektör kontrollü sürücüler anlık akım ve gerilim değerlerinin sürekli kontrol edilmesini sağlar. Bu yüksek performans, asansörler ve elektrikli arabalar gibi uygulamalar için gereklidir.
İnvertörler ayrıca birçok yenilenebilir enerji uygulaması için hayati öneme sahiptir. Fotovoltaik amaçlarda, genellikle bir PWM VSI olan inverter, bir fotovoltaik modülün veya dizinin DC elektrik enerjisi çıkışı tarafından beslenir. Evirici daha sonra bunu bir yük veya elektrik şebekesi ile arayüzlenecek bir AC voltajına dönüştürür. İnvertörler, rüzgar türbinleri gibi diğer yenilenebilir sistemlerde de kullanılabilir. Bu uygulamalarda türbin hızı genellikle voltaj frekansında ve bazen de büyüklükte değişikliklere neden olur. Bu durumda, üretilen voltaj düzeltilebilir ve ardından frekansı ve büyüklüğü stabilize etmek için tersine çevrilebilir.
Akıllı ızgara
Bir akıllı ızgara modernize olan elektrik şebekesi kullanan bu bilgi ve iletişim teknolojileri üretim verimliliği, güvenilirlik, ekonomi ve sürdürülebilirliği geliştirmek, otomatik bir biçimde bu tür tedarikçiler ve tüketicilerin davranışları hakkında bilgi olarak, toplamak ve bilgilere göre hareket etmek ve elektrik dağıtımı.
Endüksiyon jeneratörleri kullanılarak rüzgar türbinleri ve hidroelektrik türbinleri tarafından üretilen elektrik gücü, gücün üretildiği frekansta değişikliklere neden olabilir. Güç elektroniği cihazları bu sistemlerde üretilen ac voltajlarını yüksek voltajlı doğru akıma ( HVDC ) dönüştürmek için kullanılır . HVDC gücü, mevcut elektrik şebekesiyle ilişkili güç ile uyumlu olan üç fazlı güce daha kolay dönüştürülebilir. Bu cihazlar aracılığıyla, bu sistemler tarafından sağlanan güç daha temizdir ve daha yüksek bir ilişkili güç faktörüne sahiptir. Rüzgar enerjisi sistemleri optimum tork, güç elektroniği cihazının boyutunu küçültebilen bir dişli kutusu veya doğrudan tahrik teknolojileri aracılığıyla elde edilir.
Elektrik gücü, güç elektroniği cihazları kullanılarak fotovoltaik hücreler aracılığıyla üretilebilir . Üretilen güç genellikle daha sonra güneş invertörleri tarafından dönüştürülür . İnvertörler üç farklı türe ayrılır: merkezi, modüle entegre ve dizi. Merkezi dönüştürücüler, sistemin DC tarafına paralel veya seri olarak bağlanabilir. Fotovoltaik "çiftlikler" için, tüm sistem için tek bir merkezi dönüştürücü kullanılır. Modüle entegre dönüştürücüler, DC veya AC tarafında seri olarak bağlanır. Normalde bir fotovoltaik sistem içinde birkaç modül kullanılır, çünkü sistem bu dönüştürücüleri hem DC hem de AC terminallerinde gerektirir. Farklı yönlere bakan fotovoltaik hücreleri kullanan bir sistemde bir dizi dönüştürücü kullanılır. Üretilen gücü, fotovoltaik hücrelerin etkileşimde olduğu her diziye veya hatta dönüştürmek için kullanılır.
Güç elektroniği, kamu hizmetlerinin dağıtılmış konut / ticari güneş enerjisi üretimindeki hızlı artışa uyum sağlamasına yardımcı olmak için kullanılabilir . Almanya ve Hawaii, Kaliforniya ve New Jersey'nin bazı bölgeleri, yeni güneş enerjisi kurulumlarını onaylamadan önce maliyetli çalışmaların yapılmasını gerektiriyor. Nispeten küçük ölçekli, yere veya direğe monte cihazlar, güç akışını izlemek ve yönetmek için dağıtılmış bir kontrol altyapısı için potansiyel yaratır. Gibi geleneksel elektromekanik sistemler, kondansatör bankalar veya voltaj regülatörü de trafo , gerilimi ayarlamak için dakika sürebilir ve sorunların köken güneş enerjisi sistemlerinde uzak olabilir. Bir mahalle devresindeki voltaj çok yükselirse, kamu hizmet ekiplerini tehlikeye atabilir ve hem tesisatta hem de müşteri ekipmanında hasara neden olabilir. Dahası, bir şebeke hatası, fotovoltaik jeneratörlerin derhal kapanmasına neden olarak şebeke gücü talebini artırır. Akıllı şebeke tabanlı düzenleyiciler, çok daha fazla sayıda tüketici cihazından daha kontrol edilebilir.
Başka bir yaklaşımda, Batı Elektrik Endüstrisi Liderleri olarak adlandırılan 16 batılı kuruluştan oluşan bir grup "akıllı eviricilerin" zorunlu kullanımı çağrısında bulundu. Bu cihazlar DC'yi ev tipi AC'ye dönüştürür ve ayrıca güç kalitesine yardımcı olabilir. Bu tür cihazlar, çok daha düşük bir toplam maliyetle pahalı yardımcı ekipman yükseltmelerine olan ihtiyacı ortadan kaldırabilir.
Ayrıca bakınız
Notlar
Referanslar
- Issa Batarseh, "Güç Elektroniği Devreleri", John Wiley, 2003.
- SK Mazumder, "Yüksek Frekanslı Çeviriciler: Fotovoltaik, Rüzgar ve Yakıt Hücresi bazlı Yenilenebilir ve Alternatif Enerji DER / DG Sistemlerinden Pil Tabanlı Enerji Depolama Uygulamalarına", Güç Elektroniği el kitabında Kitap Bölümü, Editör MH Rashid, Akademik Basın, Burlington, Massachusetts, 2010.
- V. Gureich "Endüstri ve Güç Mühendisliği için Ayrık Bileşenler Üzerindeki Elektronik Cihazlar", CRC Press, New York, 2008, 418 s.
- Editör: Semikron, Yazarlar: Dr. Ulrich Nicolai, Dr. Tobias Reimann, Prof. Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Uygulama Kılavuzu IGBT- ve MOSFET-güç modülleri , 1. baskı, ISLE Verlag, 1998, ISBN 3-932633-24- 5 çevrimiçi sürüm
- RW Erickson, D. Maksimovic, Güç Elektroniğinin Temelleri, 2. Baskı. , Springer, 2001, ISBN 0-7923-7270-0 [1]
- Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobias Reimann (2010), Applikationshandbuch 2010 (PDF-Sürümü) (Almanca) (2. baskı), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-56-7
- Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobias Reimann (2011), Uygulama Kılavuzu 2011 (PDF) (Almanca) (2. baskı), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-66-6, 2013-09-03 tarihinde orjinalinden (PDF-Sürümü) arşivlendi
|Wikimedia Commons, Güç elektroniği ile ilgili medyaya sahiptir .|