Curs cepe 1

31
CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 1 Introducere INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA i. PREZENT ŞI PERSPECTIVE ÎN ELECTRONICA DE PUTERE ii. TENDINŢE ÎN ELECTRONICA DE PUTERE iii. CONTROLUL DIGITAL IN ELECTRONICA DE PUTERE iv. APLICAŢII MODERNE ALE ELECTRONICII DE PUTERE v. VITORUL PROCESĂRII ŞI CONVERSIEI PUTERII ELECTRICE vi. CUPRINS CURS

Transcript of Curs cepe 1

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 1

IntroducereINTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA

i. PREZENT ŞI PERSPECTIVE ÎN ELECTRONICA DE PUTERE

ii. TENDINŢE ÎN ELECTRONICA DE PUTERE

iii. CONTROLUL DIGITAL IN ELECTRONICA DE PUTERE

iv. APLICAŢII MODERNE ALE ELECTRONICII DE PUTERE

v. VITORUL PROCESĂRII ŞI CONVERSIEI PUTERII ELECTRICE

vi. CUPRINS CURS

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 2

i. PREZENT ŞI PERSPECTIVE ÎN ELECTRONICA DE PUTERE

Ce înseamnă Electronică de Putere?

Termenul de "electronica de putere" se referă la componentele de mare putere şisisteme care utilizează dispozitive semiconductoare (de obicei pe baza de siliciu), cadispozitive de comutaţie primară. Cu toate acestea, dispozitivele semiconductoare deputere cuprind doar o parte din majoritatea sistemelor electronice de putere.Dispozitive auxiliare, sub formă de senzori, filtre active, circuite de protecţie şi circuitelogice de control sunt, de asemenea, prezente în majoritatea sistemelor electronicede putere.

Electronica de putere oferă în mod normal douăservicii principale: conversia energiei şi controluldistribuţiei energiei. Într-o aplicaţie de conversie aenergiei, electronica de putere se ocupă deconversia energiei electrice de la o forma la alta.Energia electrică există în două forme, care suntcunoscute sub numele de curent continuu (CC) şicurent alternativ (AC).

Un sistem de conversie va converti energiaelectrică în unul din cele patru moduri posibile: AC –AC, AC – DC (redresare), DC – DC şi DC – AC (invertare).

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 3

Într-o aplicaţie de control a distribuţiei energiei electrice, electronica de putereeste utilizată pentru a monitoriza nivelurile de curent într-o reţea de distribuţie şipoate întrerupe sau permite fluxul de curent electric în funcţie de cerinţeleoperaţionale ale reţelei. În acest caz, componentele electronice de putere suntfolosite ca întreruptoare inteligente care pot fi închise sau deschise automat folosindun control simplu. Semiconductorii de mare putere din siliciu au progresat până lapunctul în care aceştia sunt acum capabili de a controla mii de amperi şi mii de volţi.

Există o varietate de dispozitive semiconductoare de putere disponibile cum ar fitiristoare cu blocare în poartă (GTOs), Tranzistori bipolari cu poarta izolată (IGBT),tiristoare controlate cu tranzistoare MOS (MCTs), redresoare controlate din siliciu(SCR), şi tiristoare cu blocare în emitor (ETOs). De obicei, selectarea dispozitivuluidepinde de care parametru de proiectare al sistemului este mai important,capacitatea de curent electric sau viteza de comutaţie.

Capacitatea mare de curent electric permite proiectantului să folosească maipuţine componente în sistemul de conversie, iar viteze de comutaţie mai mari producforme de undă la ieşire mai curate şi se micşorează componentele pasive de filtrare.Tehnologia dispozitivelor de putere din siliciu a ajuns la maturitate şi dispozitiveleevoluează prin oferirea unei capacităţi de curent mai mare la viteze de comutaţie maimari.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 4

Dezvoltarea tiristorului ETO

Unul dintre dispozitivelesemiconductoare recent realizate careare un mare potenţial în aplicaţiilemilitare şi de distribuţie a energieielectrice este tiristorul cu blocare înemitor (ETO). Acesta a fost realizat laVirginia Tech în cadrul unui programcondus de Laboratoarele Sandia.

Tiristorul cu blocare în emitor a fostdezvoltat iniţial ca un dispozitiv de mare putere pentru conversia energiei în cadrulreţelelor de distribuţie. Totuşi acest tiristor are proprietăţi care îl face atractiv şi pentrualte aplicaţii de mare putere cum ar fi controlul motoarelor în gama multi-megawaţţilor. Tiristorul ETO poate comuta curenţi de până la 4000 amperi la tensiunide până la 6000 volţi.

Asamblarea unui tiristor ETO este foarte dificilă şi la ora actuală capacităţile deproducţie sunt limitate. Se fac eforturi pentru automatizarea procesului de asamblare.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 5

Tehnici avansate de Packaging Electronic

Dispozitivele semiconductoare de putere sunt limitatede legăturile cu restul sistemului. Legături prin fire(wirebond) sau lipituri executate prost pot produce zonefierbinţi la trecerea curentului electric prin dispozitiv.Aceste zone fierbinţi diminuează performanţelecomponentelor precum şi fiabilitatea lor. Legăturile de tipwirebond adaugă inductanţă parazită capsulei care poateduce la pierderi de putere şi supratensiuni.

Tehnologii noi de realizare a capsulelor, cum ar fi„thinPak” dezvoltată de Silicon Power Corporation(SPCO), elimină conexiunile prin fire ceea ce permitecurentului să treacă prin secţiuni mai mari micşorândposibilitatea producerii zonelor fierbinţi. TehnologiathinPak a fost utilizată la IGBT-uri, MCT-uri, diode şinecesită tehnici speciale de cositorire în zone extinse.

Metode asemănătoare au fost dezvoltate şi de alţi producători de componentesemiconductoare cum ar fi Texas Instruments şi gama de transistoare MOS numiteDUAL COOL TM care permit o mai bună densitate energetică în sisteme cum arconvertoarele DC – DC prin realizarea unei zone de transfer termic şi în parteasuperioară a capsulei.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 6

Utilizarea materialelor noi în construcţia dispozitivelor semiconductoare deputere

Noi materiale semiconductoare de putere, care au potenţialul de a înlocui siliciulîncep sa apară. De exemplu, Carbura de Siliciu (Silicon Carbide (SiC)) are marepotenţial ca material semiconductor deoarece este capabilă să funcţioneze latemperaturi mult mai mari decât siliciu standard. Ca urmare, componentele din SiCvor necesita mai putină răcire şi pot fi asamblate într-o capsulă mai mică. În viitoreste posibilă folosirea diamantului în construcţia dispozitivelor semiconductoare.

Diamantele au proprietăţi care le fac foarte atractive pentru folosirea lor casubstrat în dispozitivele semiconductoare de putere. Diamantul are cea mai bunăconductivitate termică şi în acelaşi timp are o rezistenţă electrică foarte mare.

Tehnici noi de fabricaţie cum ar fi Depunerea prin vapori a Carbonului (CarbonVapor Deposition (CVD)) vor permite producerea diamantelor sintetice la un costrezonabil. Se estimează că un dispozitiv semiconductor de diamant ar putea rezistala temperaturi de până la 5000 ° C, fără afectarea performanţei, ceea ce le face oalternativa interesantă la dispozitivele semiconductoare cu siliciu.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 7

Electronica de putere moderna

Electronica de putere clasică poate fi considerată, din mai multe puncte devedere, o disciplină matură, bine structurată. Tehnologiile şi ingineria de componentediscrete sunt pe deplin dezvoltate, în cazul în care nu se aşteaptă să întrezăreascăorice inovaţie majoră, cel puţin în viitorul apropiat. Simetric, la momentul prezent,domeniile de cercetare cu privire la topologiile convertoarelor de putere şi legate destrategiile convenţionale, de control analogic par a fi fost bine explorate.Pe de altăparte, putem identifica unele domenii foarte promiţătoare de cercetare în viitor incazul electronicii de putere. De exemplu in viitor, pot fi aşteptate noi oportunităţi îndomeniul dispozitivelor semiconductoare de frecvenţă mare, în special dacă luăm înconsiderare tehnologiile de realizare de semiconductori pe bază de carbura de siliciu,SiC, arseniură de galiu , GaAs, şi nitrură de galiu, GaN. Acestea ar putea, în viitorulapropiat, să se dovedească a fi, practic, uşor de utilizat nu numai pentru amplificareade ultra-înaltă frecvenţă ale semnalelor radio, dar şi pentru conversia energiei, laînaltă frecvenţă (multi-MHz) şi / sau de temperaturi ridicate şi, prin urmare, la un saltfoarte semnificativ în densităţile de putere realizabile.

În acest sens pot fi menţionate trei zone de interes şi care pot să joace un rolfoarte important în viitor în evoluţia conversiei de putere electrică.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 8

Prima este integrarea într-un singur dispozitiv de componente magnetice şicapacitive pasive, care ar putea permite punerea în aplicare a volumului minim,pentru convertoare cvasimonolit.

Al doilea este legat de analiza şi de atenuarea interferenţelor electromagnetice(EMI), care este posibil să devină fundamentale pentru proiectarea de frecvenţăînaltă, de convertoare, unde problemele critice de autosusceptibilite pot fi deîntrezărite.

În al treilea rând este dezvoltarea de tehnologii şi instrumente de proiectare caresă permită integrarea de circuite de control şi dispozitive de putere pe acelaşi cipsemiconductor – on chip, în conformitate cu conceptul de aşa-numita putereinteligentă.

Aceste domenii de cercetare reprezintă exemple bune de ceea ce, în viitor, pot ficonsiderate ca orientări în electronica modernă de putere.

Din acest punct de vedere, aplicarea tehnicilor de control digital poate juca un rolfoarte important în integrarea complexă de funcţii de control, cum ar fi cele care suntsusceptibile de a fi cerute de procesarea viitoare de energie.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 9

ii. TENDINŢE ÎN ELECTRONICA DE PUTERE

Este estimat că în următorii câţiva ani aproape toată energia electrică va fiprocesată cu ajutorul Electronicii de Putere undeva în drumul de la generare lautilizatorii finali. Electronica de putere (PE) ajută la utilizarea eficientă a energieielectrice, reducând astfel consumul de energie. Gama largă de aplicaţii continuă săse extindă în domenii cum ar fi sursele de tensiune, controlul motoarelor,automatizările industriale, stocarea energiei, precum şi transmiterea energieielectrice / distribuţie.

Viitorul Electronicii de Putere va evolua în următoarele direcţii:

Viitorul va cere Sisteme Integrate pentru procesarea electronică a puteriielectrice. O abordare multi-disciplinară este necesară pentru noi realizăriîn procesul de integrare, packaging, fiabilitate şi reducere a costurilor.

Controlul inteligent şi gestionarea energiei va deveni uşor. Integrareacomponentelor pasive şi managementul termic sunt la fel de importante.

Răspândirea electronicii de putere în sistemele de putere, în principal îngenerarea distribuită.

Folosirea pe scară largă a electronicii de putere în aplicaţii auto. Acestlucru depinde în mare măsură de deciziile politice, precum şi detehnologiile avansate.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 10

Avansul tehnologic al dispozitivelor către un curent şi tensiune mai mareva avea un impact major asupra aplicaţiilor de tracţiune.

Aplicaţii în curs de dezvoltare în domeniile comerciale / zone rezidenţiale:HVAC, gătit cu inducţie, iluminat, surse de calculator, etc.

Costurile de utilizare a electronicii de putere va depinde de factori cum arfi:

• Reciclarea• Standarde cu privire la EMI• Inteligenţă / protecţie• Convertoare modulare• Consideraţii legate de fiabilitate• Inginerie termică• Integrarea electromagnetică

Carbura de siliciu este o evoluţie importantă în viitorul dispozitivelorsemiconductoare de putere.

Generarea distribuită şi calitatea energiei electrice sunt consideraţiiimportante în viitor.

Pentru aplicatii de putere foarte mare modularizare se va extinde, cucondiţia ca eficienţa, costul sistemului şi flexibilitatea să fie acceptabile.

Stocarea rapidă a energiei este necesară în numeroase aplicaţii. Înprezent, super – condensatorii par a fi soluţia cea mai promiţătoare pentru

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 11

energii de până la 5 kWh. În următorii zece ani, toate celelalte opţiuni destocare a energiei vor continua să fie luate în considerare.

Aplicaţii în distribuţia puterii electrice includ convertoare DC-DC, filtredinamice, conversia frecvenţei şi dispozitive speciale.

Dezvoltarea continuă a standardelor şi reglementărilor de interconectare vaprezenta atât oportunităţi de piaţă cât şi provocări tehnologice pentru industriaelectronicii de putere. Cercetările viitoare şi eforturile de dezvoltare vor trebui să seconcentreze pe îmbunătăţirea eficienţei şi fiabilităţii, comunicare, managementultermic, reducerea numărului de componente folosite şi a punctelor de defectare,ambalarea şi minimizarea costurilor.

iii. CONTROLUL DIGITAL IN ELECTRONICA DE PUTERE

De ce controlul digital

Aplicarea de tehnici de control digital pentru conversia de putere electrică a fostîntotdeauna considerată foarte interesantă, în principal datorită avantajelor create deun control digital, comparativ cu unul analogic. Cu siguranţă, cea mai relevantă esteposibilitatea pe care le oferă controlul digital în aplicaţiile sofisticate de conversie aputerii electrice, având grijă de neliniarităţile, variaţiile parametrilor sau toleranţele deconstrucţie prin mijloacele de autoanaliză şi strategii de autoreglare, foarte dificil sau

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 12

imposibil să pună în aplicare într-un context analogic. Un alt avantaj major esteacela, care permite proiectantului să modifice strategia de control, sau chiar de areprograma complet aceasta, fără a fi nevoie de modificări semnificative dehardware. De asemenea, foarte importante sunt toleranţa mai mare la semnal/zgomot şi absenţa completă a efectelor îmbătrânirii sau cauzelor termice.În plus, trebuie să considerăm că, în prezent, o mare varietate de dispozitiveelectronice, de la cele electrocasnice la cele de instrumentaţie industriale, necesităprezenţa unor forme de interfaţa om-maşină. Implementarea sa este aproapeimposibil fără a avea un sistem cu microprocesor încorporat. Utilizarea puterii decalcul, care astfel devine disponibilă, de asemenea, pentru sarcini de control la nivelinferior este aproape inevitabilă.

Din aceste motive, punerea în aplicare a controlului digital a fost din ce în cerăspândită şi a devenit singura soluţie eficientă pentru o mulţime de zone industrialede producţie. Pentru a da un exemplu, unităţile de acţionare electrică şi sursele dealimentare neîntreruptibilă (UPS-uri) sunt în prezent aproape pe deplin controlate prinmijloace digitale.

Creşterea disponibilităţii de low-cost, de înaltă performanţă, microcontrolere şiprocesoare de semnal digitale stimulează diseminarea de controlere digitale, deasemenea, în zonele în care costurile de circuite de control sunt o problemă cuadevărat critică, ca şi cea a furnizărilor de energie pentru echipamente portabile,încărcătoare de baterii şi multe altele.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 13

Cu toate acestea, o creştere semnificativă a cererilor de control digital în acestepieţe foarte concurente nu este de natură să aibă loc până la apariţia de noi metodede punere în aplicare, diferit de microcontrolerele tradiţionale sau aplicarea de DSP-uri.. Din acest punct de vedere, efortul de cercetare spre aplicaţii de control digitaleste axat pe proiectarea de circuite integrate personalizate, pe sisteme dedicateorientate mai mult pe design algoritmic şi aplicaţii. Chestiuni cum ar fi minimizarea,scalabilitatea, reducerea consumului de putere şi de ciclu limită juca un rol cheie.Ingineria electronica de putere este, în acest caz, profund implicată în soluţionareaproblemelor de control digital integrat, de design de circuit, un rol care va fi şi maimult aprofundat şi mai frecvent în viitor.

Perspective în controlul digital în electronica de putere

Din discuţia de mai sus, rezultă fără nici o surpriză dacă afirmăm că ne putemgândi la elemente de creştere şi de utilizare a controlului digital în electronica deputere, situaţie practic de neoprit. Avantajele circuitelor de control digital, aşa cum aufost prezentate pe scurt în secţiunea anterioară, sunt atât de evidente că, în cele dinurmă, toate soluţiile disponibile în prezent de control analogic,în marea lor majoritate,urmează să fie înlocuite de altele noi, integrarea făcându-se prin prelucrarea desemnale digitale. Într-adevăr, aceasta este tendinţa imediată şi trebuie să serecunoască faptul că , caracteristicile de control digital corespund nevoilor actuale şi,chiar mai mult, în viitor în implementarea de soluţii puternic integrate de convertoare

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 14

inteligente de putere. Ideea este numai cât timp acest proces va lua. Putem încercasă contureze dezvoltarea viitoare de controlere digitale distinge diferite domenii deaplicare.

Mediile de aplicaţie de mare putere, cum ar fi unităţile de acţionare electrică,sursele de alimentare convenţională sau dedicate, surse de alimentareneîntreruptibile, interfeţele de surse de energie regenerabile, sunt susceptibile de a fidezvoltate în conformitate cu aceeaşi organizare hardware de bază pentru o lungăperioadă de timp. Utilizarea de unităţi microcontrolere sau procesoare de semnaledigitale în acest domeniu este probabil să rămână foarte intensă. Tendinţa deevoluţie va fi probabil reprezentată de integrarea tot mai mare de funcţii de nivelsuperior, de exemplu, de tip CAN, interfeţe om - maşină, capacităţi de diagnosticarela distanţă, care necesită în prezent adoptarea de diferite unităţi de procesare asemnalului, cu funcţii de control de nivel scăzut.

În ceea ce priveşte cererile de consum redus de energie care sunt determinante,aşa cum am menţionat în secţiunea anterioară, nu putem, în acest moment, descrieo piaţă stabilită şi stabilă pentru controlerele digitale. Aplicarea de control digital înacest domeniu este obiectul unor cercetări intense. În viitorul apropiat, noi soluţii decontrol pot fi anticipate, care vor înlocui controlul analogic echivalent cu soluţiidigitale, într-un mod care poate fi considerat aproape transparent pentru utilizator.Succesiv, integrarea completă a circuitelor de putere şi de control este de natură sădetermine o schimbare radicală în modul în care convertoarele de putere de mareeficienţă sunt proiectate şi realizate.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 15

iv. APLICAŢII MODERNE ALE ELECTRONICII DE PUTERE

Electronica de putere în soluţii de calitate a energiei

Calitatea energiei devine o problemă deactualitate datorită utilizării pe scară tot mai largă aaparaturii electronice tot mai sofisticate şi carenecesită o alimentare cu energie de bună calitate.Injectarea în reţea a puterii active provoacă noiprobleme în sistemul de distribuţie. Serviciile careasigură calitatea energiei trebuie studiate cu atenţiedatorită diversificării necesităţilor clienţilor.

Oportunitatile care apar în Electronica de putere Auto

Necesitatea pentru electronica de putere în vehicule apare datorită a patrufactori: arhitecturi noi, conversia energiei la cerere, un control electronic precis şicereri de mare putere intermitente. Costul electronicii de putere este de aspect critic,ceea ce duce la configuraţia optimă a sistemului pentru a face electronica de puteremai mică şi mai puţin costisitoare pentru fabricarea în volume mari. Provocările

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 16

pentru electronica de putere auto sunt să se găsească soluţiile tehnice la costuri câtmai mici pentru producţia de serie mare.

Două aspecte care generează unconsum important de putere în vehiculesunt nivelul sporit de confort în masinilenoastre, precum şi îmbunătăţirea şi/sauînlocuirea soluţiilor mecanice.Necesitatea reducerii consumului decarburant conduce la dezvoltarea depompe cu viteză variabilă de alimentarecu combustibil, ungere şi răcire învehicule. Reţelele CAN au devenitinevitabile în scopul de a reducecosturile, complexitatea şi ratele de defectare a cablurilor. Electronica de putere estedeja angajată în controlul motorului şi sistemul de frânare ABS. Introducereaalimentării la 42V (Powernet 42-V) este un pas intermediar pentru a introduceelectronica de putere în alte sisteme. Primele sisteme care vor beneficia de trecereala 42V Powernet sunt sistemele electrice, servodirectie, frâne electrice si motoarelede ventilatoare de răcire. Din cauza tensiunii mare, aspectele de siguranţă nu artrebui să fie ignorate. Îmbunătăţirea fiabilităţii şi durata de viaţă a bateriilor estenecesara.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 17

Vehicul electric hibrid oferă utilitate ne-compromisă şi beneficiile economiei decombustibil variind de la 5% la 50% sau mai mare faţă deun vehicul non-hibrid.Succesul noii generaţii Toyota Prius este un eveniment important. Prius are rapoarteexcelente de fiabilitate şi a marcat bine la testele de siguranta.

Packaging şi Sisteme inteligente

Un efort continuu în Electronica de Putere este de acreşte densitatea de putere. Acest lucru este realizat prinmicşorarea dimensiunilor componentelor, poziţionareamai apropiată faţă de alte componente şi reducereanumărului de componente.

O mai bună gestionare termică şi folosirea unormateriale îmbunătăţiete pentru capsule poate creştedensitatea componentelor în unitatea de suprafaţă.Sistemele pe siliciu (System on Chip (SOC)) şi Sistemelepe capsulă (System On Package (SOP)) permit densităţimai ridicate.

Multiple tehnologii de ambalare sunt necesare pentru a crea module integrate deputere (integrated power modules (IPMS)) sau blocri electronice elementare deputere (Power Electronic Building Block (PEBBs)). Aceste abordări vor fi economicedacă sunt realizate cu scop multiplu şi cu caracteristici programabile.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 18

Surse neîntreruptibile de alimentare

În ultimii ani a existat o creştere dramatică în vânzarilesistemelor UPS din gama 11 - 50kVA, precum şi o scădere lafel de rapidă în gama sub 2kVA. UPS-urile din gama 11-50kVAsunt segmentul dominant la nivelul anilor 2000. În următoriicinci ani, cu toate acestea, creşterea în segmentul 50kVA> şideclinul corespunzător în segmentul 2-10kVA este cu ritm mairapid decât înainte. Pierderea cotei de piaţă în segmentul sub2kVA este atribuită maturizării pieţei de PC şi Workstation.Creşterea numărului de centre de date pe Internet (IDCs) agenerat o creştere în segmentul de 11 - 50kVA.

Generare distribuită şi cogenerare

Generarea distribuită şi cogenerarea (Distributed and cogeneration (DCG)) au unpotenţial foarte mare de creştere, pe măsură ce lumea devine din ce în ce maidependentă de energie şi consumă mai multă energie. DCG ajută la stabiilzareapreţurilor asociate producţiei convenţionale de energie, asigură o fiabilitate sporită,creşte utilizarea energiei ecologice, reduce emisiile de seră şi reduce deficitul deenergie şi sărăcia.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 19

În noile tehnologii DCG, inclusiv celulele de combustie, panouri fotovoltaice,microturbine si turbine eoliene, electronica de putere reprezintă 15% - 25% din costultotal al sistemului. Mai mult, dezvoltarea din domeniul electronicii de putere joacă unrol foarte important în îmbunătăţirea performanţelor sistemelor, care va conduce lapenetrarea DCG pe piaţa de energie electrică.

Turbinele eoliene sunt cea mai mare piaţă pentru electronicade putere, în timp ce panourile fotovoltaice, microturbinele şicelulele de combistie vor avea rate mai mari de creştere. În urmăcu câţiva ani, doar aproximativ 30% din turbinele eoliene utilizauelectronica de putere. Acest procent a crescut la 80% în recentinstalatele turbine eoliene. Invertoarele sunt folosite pentruoperarea cu viteză variabilă a generatoarelor eoliene, pentru aatinge eficienţă bună şi pentru a îmbunătăţi calitatea energiei înfermele eoliene.

Un invertor multifuncţional combină funcţionarea dinacumulator cu funcţionarea din reţea pentru a asigura fiabilitateasistemului. Invertoare cu controllere inteligente pot urmări punctuloptim de funcţionare a panourilor solare în diferite condiţiiatmosferice şi de sarcină.

Comutatoare de transfer static folosind tiristoare reduc timpul de detecţie-reacţiela mai puţin de 4 ms, de şase ori mai rapid decât dispozitivele electromecanice.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 20

UltraCapacitoare

UltraCapacitoarele sunt utilizate în Electronica de Puterepentru a oferi putere mare la cerere. Ele sunt folosite cusucces în vehiculele electrice pentru medierea cereriiinstantanee de putere dubând durata de viaţă a bateriei şimărind autonomia cu până la 32%. Condensatori au aplicaţiilargi, dar sunt rareori folosiţi ca o sursă de alimentare de sinestătătore.

UltraCapacitorul este alcătuit dintr-o folie de metal legatăla un strat de carbon activat. Stratul de carbon activat esteseparat cu o folie de sticlă şi pot fi stratificate sau laminate într-un container. Un electrolit apos sau organic se adaugă lacontainer şi UltraCapacitorul este sigilat. Electrolitul organicoferă tensiuni mai mari de străpungere şi energie specifică mai mare, dar arerezistenţă internă mai mare comparativ cu electrolitul apos.

Deoarece încărcarea şi descărcarea unui condensator nu este un proces chimic,acestea pot fi folosite cu aproape nici o deteriorare. UltraCapacitoarele pot rezistamai mult de 5000000 de cicluri de descărcare, au de 10 ori densitatea de energie acondensatorilor electrolitici convenţionali şi de 10 ori densitatea de putere asistemelor de stocare cu acumulatori. Densitatea de putere este raportul dintrecapacitatea de livrare de putere şi greutatea dispozitivului.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 21

Variatoare de frecvenţă

Tendinţe cheie de dezvoltare în unităţi industriale şide tracţiune de curent alternativ includ dominaţiavariatoarelor de frecvenţă. Tranzistoarele IGBT suntpredominant folosite pe post de contactor electronicatât în aplicaţii industriale cât şi de tracţiune de lakilowaţi până la multi-MW. Realizări în tracţiuneelectrică atât pentru transportul feroviar cât şi pentruvehicule rutiere sunt aşteptate, inclusiv invertoare detracţiune în toate dimensiunile. Aspectele cheiecurente, cum ar fi calitatea puterii de intrare şi efectelecomutării tranzistoarelor IGBT rapide asupra maşinilorşi interferenţele electromagnetice (EMI) urmează să fiestudiate în detaliu.

Câteva motive pentru folosirea variatoarelor de frecvenţă pentru controlulmotoarelor:

1. Economiile de energie - Mai mult de 65% din energia electrică industrială esteconsumată de motoarele electrice. Din această cauză este logic să se adaptezeviteza motorului la cerinţle sarcinii. Diferite aplicaţii ca pompe centrifugale siventilatoare beneficiază cel mai mult de variatoarele de frecvenţă. De exemplu,

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 22

atunci când viteza pompei poate fi înjumătăţită, consumul de energie rezultat esteredus cu un factor de opt!

2. Controlul curentului de pornire - curenţii de pornire la motoarele de curentalternativ pot fi de 6-10 ori mai mari decât curenţii nominali. Aceşti curenţi genereazăstres în înfăşurări, generează căldură şi scurtează durata de viaţa a motorului.Variatoarele de frecvenţă încep de la zero tensiunea şi frecvenţa, prelungind duratade viaţă a motorului.

3. Reducerea perturbaţiilor pe liniile de alimentare – Variatoarele de frecvenţă,prin controlul curentului de pornire, micşorează perturbaţiile ce ajung în liniile dealiementare ceea ce împiedică dereglarea echipamentelor de tensiune sensibile,reducând timpii de întreţinere.

4. Micşorarea cererii de putere maximă - Reducerea cererii de putere maximăînregistrate în cursul unei perioade de timp poate reduce costurile de energie. Maipuţină energie folosită în timpul pornirii motorului înseamnă taxe mai mici.

5. Controlul acceleraţiei - Această caracteristică a sistemelor cu variator defrecvenţă reduce stresul mecanic din motor, precum şi asupra componentelorsistemului. Echipamentul clienţilor şi produsele sensibile sunt de asemenea protejate.

6. Controlul fin al turaţiei – Sistemele cu variator de frecvenţă oferă posibilitateaalegerii turaţiei optime procesului ceea ce permite optimizarea globală.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 23

7. Controlul cuplului – Un sistem cu variator de frecvenţă poate limita cuplu(curentul) furnizat unui motor AC pentru a proteja împotriva blocajelor mecanice saudefecţiuni. De asemenea, protejează produsul care este fabricat, care poate fi fragil.

8. Inversarea sensului de rotaţie - Prin schimbarea ordinii de deschidere adispozitivelor semiconductoare interne, variatorul de frecvenţă poate intershimbaordinea a două faza pentru a schimba sensul de rotaţie al motorului. Eliminareacontactoarelor mecanice separate scade spaţiul necesar şi scade costurile deîntreţinere.

9. Eliminarea componentelor – Sistemele cu variatoare de frecvenţă pot eliminacomponente externe-mecanice (curele, transmisii, cutii de viteze), electrice(automate programabile, contactoare), precum şi alte controllere de proces.

10. Oprirea controlată - Controlul decelerării unui motor este la fel de importantca şi controlul acceleraţiei. Timpul de oprire trebuie să se potrivească cu aplicaţiavariatorul de frecvenţă putând funcţiona ca o frână. Beneficiile sunt creştereaproductivităţii şi utilizarea eficientă a materiei prime.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 24

Power over Ethernet (PoE)

Power over Ethernet (PoE) integrează trasferul de putere şi de date pe un singurcablu de infrastructură, eliminând necesitatea de avea o priză de curent alternativdisponibilă în toate locaţiile.

Transmisia de putere şi de date este integrată pe acelaşi cablu, compatibil Cat5/5e cu o lungime de până la 100 de metri. În timpul penelor de curent, PoE asigurăfuncţionarea continuă de la distanţă adispozitivelor conectate cum ar fitelefoane IP, puncte wireless deacces şi camerele IP de securitate,atunci când este utilizat în conjuncţiecu un sistem centralizat de alimentareneîntreruptă (UPS).

PoEe, este deja adoptat pe scarălargă, economisind până la 50% dintotalul costurilor de instalare prineliminarea necesităţii de a instalacabluri electrice.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 25

v. VIITORUL PROCESĂRII ŞI CONVERSIEI PUTERII ELECTRICE

Trecerea de la electronica de putere la sisteme

Trei nivele există în electronica de putere, şi anume componente, circuite şisisteme. Sistemele au nevoie de mai multă atenţie, iar pe acest lucru se va puneaccentul în viitor.

Performanţa, probleme de control şi problemele de integrare de sistem audevenit mai importante decât tehnologia electronicii de putere.

Fiabilitatea şi costul vor fi foarte importante pentru acceptarea din parteaconsumatorilor.

Evoluţia pieţii de desfacere este un factor important pentru electronica deputere.

Electronica de putere este o tehnologie cu un rol de sprijin. Dacă vrem săjoace un rol mai mare, atunci trebuie să înţelegem problemele sistemelor.Cererea este pentru integrarea procesării puterii electrice în sisteme.

Electronica de putere îşi extinde rolul său odată cu prelucrarea inteligentă şieficientă de putere. Sistemele de putere şi sistemele de mecatronica oferă multeposibilităţi.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 26

Noile tehnologii şi proiectarea termică mai bună pot avea un impact mai mareîn creşterea densităţii de putere decât abordarea convenţională de îmbunătăţirea eficienţei.

Stocarea energiei

Viitorul este pentru surse de energie alternative combinate cu alte surse deenergie foarte dinamice ce utilizează noi tehnologii fiabile PE.

In gama kWh, super-condensatorii sunt propuşi şi folosiţi în prezent caelemente de depozitare corespunzătoare în scutere si propulsie diesel electrică.

Economia hidrogenului va oferi o bună oportunitate pentru electronica deputere pe termen lung. Cu toate acestea producţia, depozitarea şi transportul dehidrogen sunt încă principalii factori limitatori.

În aplicaţiile auto, ultra-condensatorii par a fi dispozitivele ideale pentru arecupera energiile cinetice (de frânare).

Stocarea eficientă a energiei este una dintre principalele provocări în următoriizece ani, în vederea optimizării utilizării energiei.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 27

Sisteme de alimentare

Reţelele de distribuţie electrică din viitor trebuie să fie inteligente, tolerante ladefecţiuni, dinamic şi static controlabile şi eficiente energetic.

Calitatea energiei electrice reprezintă o oportunitate semnificativă de a aplicaelectronica de putere în sistemele de alimentare.

HVDC din regiuni mai mari vor fi legate pentru a echilibra diferenţele regionaleîn producerea de energie (eoliene) şi consumul de energie.

Tehnologia

Este prevăzută o mare creştere a pieţei în domeniul electronicii de putere. Este un avantaj clar în creşterea puterii turbinelor eoliene în domeniul MW-lor. Densitatea de putere şi greutate a electronicii de putere au devenit factori de

limitare fundamentali. O mare provocare va fi integrarea surselor de producţie distribuită în reţea.

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 28

vi. CUPRINS CURS

CONVERSIA EFICIENTA A PUTERII ELECTRICE

CURS 1 INTRODUCERE IN EP MODERNA

i. PREZENT ŞI PERSPECTIVE ÎN ELECTRONICA DE PUTEREii. TENDINŢE ÎN ELECTRONICA DE PUTEREiii. CONTROLUL DIGITAL IN ELECTRONICA DE PUTEREiv. APLICAŢII MODERNE ALE ELECTRONICII DE PUTEREv. VITORUL PROCESĂRII ŞI CONVERSIEI PUTERII ELECTRICEvi. CUPRINS CURS

CURS 2 METODE DE MODULAŢIE PENTRU CONVERTOARE

2.1. PRINCIPIUL MODULAŢIEI PWM (PULSE WIDTH MODULATION)2.2. MODULAŢIA PWM PENTRU INVERTOARE MONOFAZATE2.3. ALTE METODE DE MODULAŢIE

CURS 3 MODULAŢIA PWM PENTRU CONVERTOARE DC-AC TRIFAZATE

3.1. INVERTOARE TRIFAZATE3.2. MODULAŢIA PWM SINUSOIDALĂ PENTRU INVERTOARE TRIFAZATE3.3. MODULAŢIA PWM CU FUNCŢII WALSH

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 29

CURS 4 MODULAŢIA PWM CU VECTORI SPAŢIALI (SV-PWM)

4.1. DEFINIREA VECTORILOR PARK (VECTORI SPAŢIALI)4.2. VECTORII PARK DE TENSIUNE PENTRU UN INVERTOR TRIFAZAT ÎN PUNTE

COMANDAT CU SECVENŢE DE 180

4.3. VECTORII PARK DE TENSIUNE PENTRU UN INVERTOR TRIFAZAT ÎN PUNTECOMANDAT PWM

CURS 5 ANALIZA CONVERTOARELOR REZONANTE

5.1 INTRODUCERE IN CONVERSIA REZONANTA A PUTERIIELECTRICE.CLASIFICAREA CONVERTOARELOR REZONANTE

5.2 MODELUL RETELEI CU COMUTATOARE CONTROLATE5.3 MODELEUL RETELEI DE REDRESARE SI A RETELEI FILTRU CAPACITIV5.4 MODELUL RETELEI REZONANTE5.5 CONVERTORUL REZONANT MODELAT PRIN FUNCTII DE TRANSFER

CURS 6 TEHNICI DE COMUTATIE LA CONVERTOARELE REZONANTE

6.1 COVERTORUL REZONANT SERIE6.2 CONVERTORUL REZONONANT PARALEL6.3 COMUTATIA SOFT6.4 COMUTATOARE REZONANTE ZVS-ZCS

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 30

CURS 7 ELEMENTE DE EFICIENTA COMUTATOARELOR STATICE

7.1 COMUTATIA TRANZISTORULUI CU SARCINA REZISTIVA7.2 SARCINA STOCATA LA DIODA7.3 CAPACITATILE PARAZITE ALE DISPOZITIVELOR7.4 EFICIENTA SI FRECVENTA DE COMUTATIE

CURS 8 PUTEREA ELECTRICĂ ŞI CALITATEA PUTERII . SOLUŢII PASIVE.

8.1 PUTEREA ELECTRICĂ ŞI CALITATEA PUTERII (POWER QUALITY)8.2 SOLUŢII PASIVE DE ÎMBUNĂTĂŢIRE A CALITĂŢII PUTERII

CURS 9 CIRCUITE DE CORECTIE A FACTORULUI DE PUTERE (PFC) MONOFAZATE

9.1 TOPOLOGII DE CIRCUIT PFC MONOFAZATE9.2 TOPOLOGIA REDRESORULUI CVASI-IDEAL

9.3 RELAŢII DE DIMENSIONARE

CURS 10 CIRCUITE DE CORECŢIE A FACTORULUI DE PUTERE (PFC) TRIFAZATE

10.1 REDRESORUL TRIFAZAT IDEAL ŞI REZISTORUL TRIFAZAT FĂRĂ PIERDERI10.2 CIRCUITE PFC TRIFAZATE CU MAI MULTE ÎNTRERUPĂTOARE ACTIVE10.3 CIRCUITE PFC TRIFAZATE BAZATE PE CONVERTOARE C.C.-C.C. CU UN

SINGUR ÎNTRERUPĂTOR ACTIV10.4 REDRESORUL VIENNA10.5 COMANDA CIRCUITELOR PFC TRIFAZATE

CURS 1 INTRODUCERE in ELECTRONICA de PUTERE MODERNA 31

CURS 11 FILTRE ACTIVE DE PUTERE

11.1 TOPOLOGIILE FILTRELOR ACTIVE

11.2 STUDIU - FILTRE ACTIVE DE PUTERE PARALEL TRIFAZATE

CURS 12 ELEMENTE DE ELECTRONICA DE PUTERE DIGITALA

12.1 INTRODUCERE ÎN MODELAREA DIGITALA ÎN EP12.2 MODELAREA CONVERTOARELOR AC-DC12.3 MODELAREA CONVERTOARELOR DC-AC12.4 MODELAREA CONVERTOARELOR DC-DC12.5 MODELAREA CONVERTOARELOR AC-AC

CURS 13 SISTEME DE COMANDĂ DEDICATE PENTRU CONVERSIA PUTERII ELECTRICE

13.1 PRIVIRE DE ANSAMBLU ASUPRA SISTEMELOR DE COMANDĂ DEDICATE13.2 SISTEM DE COMANDĂ DEDICAT PENTRU UN INVERTOR TRIFAZAT