ELEKTRONIKA E FUQISË II · 1.2.1 KLASIFIKIMI I ELEMENTËVE TE ELEKTRONIKËS SË FUQISË Elektronika e fuqisë filloj të zhvillohet në vitin 1900 kur për herë të parë u ndërtuar

ELEKTRONIKA E FUQISË II

HYRJE NË ELEKTRONIKËN E FUQISË

Dr.ing. Thomaq KOBLARA

LEKSIONI I

HYRJE

Konvertorët statikë (shnderuesat statikë) janë pajisje elektronike të cilat vendosen midis burimit të ushqimit dhe ngarkesës ose gjeneratorit. Nëpërmjet tyre realizohet një transferim optimal dhe i kontrolluar i energjisë elektrike. Transferimi kryhet ne një ose dy drejtime. Parametrat e energjisë elektrike në hyrje të konvertorit ndryshojnë me parametrat e energjisë elektrike në dalje të tij. Konvertimi i kryhet me lak të hapur ose me lak të mbyllur. Zhvillimi i teknologjisë ka çuar në përmirësimin e parametrave të elementëve te elektronikës së fuqisë dhe të konvertorëve statikë.

HYRJE

Pjesa më madhe e pajisjeve të elektronikës Pajisjet e elektronikës së fuqisë janë të ndërtuar nga disa konvertorë statikë të cilët janë të lidhur midis tyre me anë të grupeve të magazinimit të energjisë (këto grupe mund të jenë të tipit kapacitiv ose induktiv). Për ketë arësye fuqia e çastit në hyrje të konvertorit nuk është e njejtë me atë në dalje të tij.

1.1.1 KLASIFIKIMI I KONVERTORËVE STATIKË

Në funksion të parametrave të energjisë elektrike (tensionit dhe rrymës) si në hyrje dhe në dalje të tyre. 1. Në dalje pajisja e elektronikës së fuqisë furnizon tension të vazhduar (rrymë të vazhduar)

• Rryma dhe tensioni janë konstante Radrizatorët e pa komanduar. • Rryma dhe tensioni janë variabile (të ndryshueshme). Radrizatorët e komanduar.

2. Në dalje pajisja e elektronikës së fuqisë furnizon tension alternativ (rrymë alternative) • Frekuenca konstante ndërsa rryma dhe tensioni variabile. Variatorët e T.A. • Frekuenca rryma dhe tensioni janë variabile. Invertorët e T.A.

• Konvertorë me komutim natyral – elementët e elektronikës së fuqisë të cilët kalojnë nga gjëndja e komutimit në gjendje të bllokuar duke u bazuar në vetitë e valës së tensionit (rrymës) alternative.

• Konvertorë me komutim të detyruar – elementët e elektronikës së fuqisë janë plotësisht të komanduar. Kalimi nga gjendje e komutimit në gjendje të bllokuar dhe anasjelltas kryhet me anë të aplikimit të sinjaleve të komandës tek elementi elektronik.

• Konvertorët rezonantë të cilët janë pajisur me qarqe rezonante – komutimi realizohet mepermjet kalimit në zero të rrymës ose tensionit (kjo ne funksion të konvertorit)

Në funksion të procesit të komutimit

Konvertorët statikë klasifikohen ...

• Realizon shndërrimin e rrymës ose tensionit nga rryma alternative (r.a.) – në rrymë të vazhduar (r.v.) (RADRIZATORËT)

• Realizon shndërrimin e rrymës ose tensionit nga rryma e vazhduar (r.v.) – në rrymë alternative (r.a.) (INVERTORËT)

• Realizon shndërrimin e rrymës ose tensionit nga rryma e vazhduar (r.v.) – në rrymë të vazhduar (r.v.). Këta konvertorë njihen ndryshe si burime energjie me anë të komutimit. (VARIATORËT E RRYMËS, CHOPPERS, VARIATORËT E TENSIONIT.)

• Realizon shndërrimin e rrymës ose tensionit nga rryma alternative (r.a.) – në rrymë alternative (r.a.). Njihen si variatorë të tensionit alternativ në rastin kur parametri që ndryshon është dhe tensioni alternativ. CIKLOKONVERTORË, KONVERTORË MATRICIALË kur parametri që ndryshon është tensioni alternativ dhe frekuenca.


Konvertorët bidirekcionale (Konvertorët me dy kahe të kalimit të rrymës): • Lejon kalimin e rrymës në dy drejtime. • Mungesa e elementëve të magazinimit të energjisë çon në përmirësimin e faktorit të fuqisë dhe eliminimin e filtrave. • Në hyrje dhe në dalje të konvertorit mund të marim t.a ose t.v. por në rast se hyrja do të jetë burimi tensioni dalja e konvertorit do te jetë burim rryme dhe anasjelltas.

Në funksion të drejtimit të rrymës


Konvertorët unidirekcionalë (Konvertorët me një kah të kalimit të rrymës): • Lejon kalimin e rrymës vetëm në një kah. • Në pjesën më të madhe të tyre ekzistojnë grupet e magazinimit të energjisë • Në dalje të konvertorit mund të marrim t. alternativ ose t. të vazhduar.

Konvertorët rezonontë. Përdorin qarkun rezonant për të realizuar komutimin në TZ ose IZ Konvertorët matricorë. Kanë një strukturë speciale dhe realizojnë konvertimin e drejtpër drejtë Konvertorët me shumë nivele tensioni. Kanë një nr të madh elementësh elektronikë dhe përdoren në transmisione speciale si dhe në tension të mesëm.

Klasat speciale të konvertorëve

1.2.1 KLASIFIKIMI I ELEMENTËVE TE ELEKTRONIKËS SË FUQISË

Elektronika e fuqisë filloj të zhvillohet në vitin 1900 kur për herë të parë u ndërtuar radrizatori me hark (me tuba me mërkur) ndërkohë që zhvillimet e mëdha i filloj në vitet 1948 me shpikjen e transistorëve prej silici. Ndërkohë që prodhimi i tiristorit klasik (SCR) filloj në vitin 1958 i njohur si revolucioni i dytë në fushën e elektronikës së fuqisë.

Dioda

Tiristori (tiristorët)

Transistorët

Dioda kalon nga gjendja e bllokuar ne gjendje komutimit kur rryma ne qark kalon në drejtimin anoda - katodë.

1.3.1 DIODA E FUQISË

Diac-u kalon nga gjendja e bllokuar ne gjendje përcjellshmërie vetëm pasi tensioni alternativ aplikuar në bornat e tij është më madh se tensioni i shpimit Vbo. Diac qëndron në gjendje përcjellshmërie për sa kohë rryma në qark është më e madhe se Ib në të kundërt ai kalon në gjendjen e bllokimit. Diac ka një strukturë fiziko-kimike me tre shtresa.

1.3.2 DIAC (Diode for Alternating Current)

SICAD – Silicon diode for alternating current

1.4.1 KLASIFIKIMI I TIRISTORËVE TË FUQISË

SCR - Silicon Controlled Rectifier

GTO - Gate Turn-Off Thyristor

MCT - MOS Controlled Thyristor

FCTh - Field Controlled Thyristor

MTO - MOS Turn-off Thyristor

ETO - Emitter- Switchd (Turn-off) Thyristor

IGTT - Insulated Gate Turn-off Thyristor

IGT - Insulated Gate Thyristor

GTC - Gate-Commutated Thyristor

IGCT - Integrated Gate-Commuted Thyristor

Tiristori kalon nga gjendja e bllokuar ne gjendje komutimit me ane te sinjalit te aplikuar ne porte G. Kur rryma ne qark kalon në drejtimin katodë – anode atehere tiristori kalon nga gjendja e përcjellshmërisë ne gjendje te bllokuar. Në rast se koha e bllokimit të tiristorit varion ne intervalin 50 – 100 micro sekonda ai njihet me emrin si Phase control thyristor Në rast se koha e bllokimit të tiristorit varion ne intervalin 5 – 50 micro sekonda ai njihet me emrin si Fast switching thyristor

1.4.1 TIRISTORI I FUQISË (SCR – Silicon Controlled Rectifier)

Tiristori GTO kalon nga gjendja e bllokuar ne gjendje komutimit me ane te sinjalit te aplikuar ne porte. Bllokimi i tiristorit GTO kryhet me ane te dy menyrave a) - Kur rryma ne qark kalon në drejtimin katodë – anode atehere tiristori GTO kalon nga

gjendja e percjellshmerise ne gjendje te bllokuar. b) - Kur aplikohet nje sinjal ne grilen e tristorit dhe rryma kalon ne drejtimin anonde - katode

1.4.2 TIRISTORI GTO (Gate Turn Off Thyristor)

Karakteristikat e qarkut të fuqisë së tiristorit MCT janë të ngjashme me atë të tiristorit GTO Kalimi nga gjendja e bllokuar në gjendje përcjellshmërie realizohet nëpërmjet aplikimit të një impulsi negativ tensioni në grilën e tiristorit në lidhje me anodën. Kalimi nga gjendja e përcjellshmërisë në gjendje të bllokuar realizohet nëpërmjet aplikimit të një impulsi pozitiv në grilën e tiristorit në lidhje me anodën.

1.4.3 TIRISTORI MCT (MOS Controlled Thyristor)

Qarku ekuivalent i MCT

1.4.4 TIRISTORI FETh (Field Effect Transistor - Controlled Thyristor)

Simboli i Tiristorit FET

Tiristori është ndërtuar si rezultat i lidhjes së strukturës fiziko-kimike një transistori FET në paralel me strukturën fiziko-kimike të një tiristori klasik. Tiristori kalon nga gjendja e bllokimit në gjendje përcjellshmërie kur aplikojmë një impuls në grilën e tiristorit. Kalimi nga gjendja e përcjellshmërisë në gjendjen e bllokuar nuk mund të realizohet nëpërmjet grilës së tiristorit.

1.4.5 TIRISTORI MTO (MOS Turn-off Thyristor)

Simboli i Tiristorit MTO

Tiristori MTO njihet si zëvendësuesi i tiristorit GTO. Avantazhi që shfaq në lidhje me tiristorin GTO është në pjesën e komandës. Qarku i komandës është më i thjeshtë (pra kërkon më pak elementë) Humbjet gjatë procesit të komutimit janë më të vogla dhe rendimenti i tij është shumë i lartë sidomos tek konvertorët e tensionit të mesëm ku U=9Kv dhe fuqia e konvertorit varion nga 1-20 MVA. Kalimi nga gjendja e bllokuar në gjendjen e përcjellshmërisë realizohet nëpërmjet aplikimit të një impulsi pozitiv rryme në grilën G1. Bllokimi i tij realizohet nëpërmjet aplikimit të një impulsi pozitiv tensioni në grilën G2

Skema ekuivalente e Tiristorit MTO

1.4.6 TIRISTORI ETO (Emitter Turn Off Thyristor)

Tiristori ETO është një element elektronik i plotësisht i komanduar. Komutimi i tij realizohet nëpërmjet aplikimit të impulseve të tensionit në grila. Ky elemet përdor dy grila një që kontrollon kalimin nga gjendja e bllokuar në gjendje përcjellshmërie dhe grila tjetër për kalimin nga gjendja e përcjellshmërisë në gjendje të bllokuar. Qarku i fuqisë ka karakteristika të ngjashme me ato të tiristorit GTO

Skema ekuivalente e tiristorit ETO

1.4.7 TIRISTORI GCT (Gate-Commutated Thyristor)

Tiristori GCT është një element elektronik plotësisht i komanduar. Struktura fiziko – kimike e GCT është e ngjashme me atë të tiristorit GTO. Ky tiristor funksionon në një bandë të gjerë frekuencash nga në disa Hz në KHz. Ky element është superior krahasuar me tiristorin GTO Tiristori kalon nga gjendja e bllokuar në gjendjen e përcjellshmërisë nëpërmjet aplikimit të një sinjali në grilë për të evituar bllokimin automatik të tij duhet që impulsi i komandës të jetë i vazhduar por jo me vlerën fillestare të tij. Bllokimi realizohet nëpërmjet aplikimit të një impulsi negativ në grilën e tiristorit.

1.4.8 TIRISTORI IGCT (Integrated Gate-Commuted Thyristor)

Tiristori IGCT është një element elektronik plotësisht i komanduar. Është pasues i tiristorit GCT Struktura fiziko – kimike e IGCT është e ngjashme me atë të tiristorit GTO. Vlerat e impulsit rrymës (komandës) së portës janë më të larta se rryma e cila kalon nëpërmjet anodës. Ky tiristor funksionon në një bandë të gjerë frekuencash nga në disa Hz në KHz por me rritjen e frekuencës së punës rriten dhe humbjet gjatë regjimit të komutimit. Frekuenca optimale është 500 Hz. Ky tiristor përdoret sot në skemat elektronike të invertorëve.

Triac bën pjesë në familjen e tiristorëve. Ai shfaq disa avantazhe si dhe disavantazhe në krahasim me tiristorët klasikë. Ky element lejon kalimin e rrymës në dy drejtime. Nëpërmjet impulsit të aplikuar në grilën e triac-ut përcaktohet dhe kahu i rrymës së lejuar në qarkun e fuqisë. Për të kaluar nga gjendja e bllokimit në gjendjen e përcjellshmërisë duhet të aplikohet një impuls pozitiv ose negativ në grilën e tij. Menjëherë pasi aplikohet impulsi i komandës ai qëndron në gjendje përcjellshmërie për sa kohë rryma në qarkun e fuqisë është më e madhe se vlera minimale e lejuar.

1.4.9 TRIAC (Triode for Alternating Current)

1.5.1 KLASIFIKIMI I TRANSISTORËVE TË FUQISË

BJT – Bipolar Junction Transistor

DT – Darlington Transistor

MOS-FET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

FCT – Field Controlled Transistor

SIT – Static Induction Transistor

IEGT – Injection Enhanced (insulated) Gate Transistor

IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor

Tranzistori bipolar eshte nje element elektronik plotesisht i komanduar dhe përdoret në konvertorët statikë me vogël. Kalimi nga gjendja e bllokuar në gjendje saturimi realizohet nëpërmjet aplikimit të një impulsi (rryme) në bazen e tij. Qarku i komandës së transistorit realizohet midis bazës dhe emitorit. Qarku i fuqisë realizohet nga lidhja fiziko-kimike midis kolektorit dhe emitorit.

1.5.2 TRANZISTORI PBJT (Power Bipolar Junction Transistor)

Përcjellshmëria ruhet për sa kohe kemi ekziston sinjali në bazën tij. Tranzistori funksionon vetëm ne kuadratin e I.

Transistori Darlington realizohet si rezultat i lidhjes së dy transistorëve bipolarë. Kjo lidhje siguron amplifikimin e sinjalit në dy shkallë. Ndërkohë që në sistemet e konvertorëve statikë përdorët për të siguruar saturimin e sigurt të transistorit. Qarku i komandës së tij është më li thjeshtë se në rastin e transistorëve bipolarë.

1.5.3 TRANZISTORI DARLINGTON (DT – Darlington Transistor)

Tranzistori MOS eshte nje element elektronik plotesisht i komanduar. Sinjali i komandës realizohet nëpërmjet aplikimit të një impulsi tensioni në Ggrilën e tij. Si mbyllet qarku i komandës grile – burim. Qarku i fuqisë realizohet ne drejtimin drene burim. Ky element elektronik paraqit disa avantazhe krahasuar me paraardhësit e tij, si p.sh: frekuencë e lartë në komutim, qarku i komandës është i thjeshtë, rendiment i lartë në qarqet me fuqi të vogël.

1.5.4 TRANZISTORI MOS-FET I FUQISË (Metal Oxid Semiconductor – Field Effect Tranzistor)

Tranzistori SIT përdoret në qarqet e konvertorëve statikë. Ky element funksionon në frekuenca të larta. Structura fiziko-kimimike e tij lejon funksionimin në rryma të larta situatë e cila i rrit avantazhet krahasuar me transistorin MOS-FET Disa prej karakteristikave të tij janë:

Rezistencë shumë të vogël në grilë, Kapacitet të vogël në qarkun e komandës, Rezistencë termike të vogël, Rezistent ndaj zhurmave dhe sinjaleve perturbuese Koha e komutimit shume e shkurtër

1.5.5 TRANZISTORI SIT (Static Induction Tranzistor)

Transistori IGBT është një element elektronik superior ne krahasim me elementet e sipër përmendur. Bazuar në strukturën e tij fiziko-kimike ai kombinon karakteristikat e transistorëve bipolarë me ato me efekt fushe. Qarku i komandës i realizuar midis grilës dhe emiter-it ka të njëjtat karakteristika si ai i transistorëve MOS-FET Qarku i fuqisë (kolektor – emiter) ka të njëjtat karakteristika si ai i transistorit bipolar të fuqisë. Transistorët IGBT gjejnë një përdorim të madh në qarqet e konvertorëve statikë me fuqi të mesme dhe të lartë. Tensioni në qarkun e fuqisë arin vlerat e 6 kV. Bazuar në karakteristikat e strukturës së tij ai suporton vlera të larta të mbi rrymës dhe mbi tensionit. Rendimenti është shumë i lartë dhe humbjet gjatë komutimit janë të vogla.

1.5.6 TRANZISTORI IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Modulet e fuqise jane te ndertuara nga nje grup elementesh elektronike e realizuar ne formen e nje kapsule. Niveli i integrimit të elementëve elektronikë varet nga disa parametra si fuqia e konvertorit statik, tensioni dhe rryma nominale, regjimi i punës, etj. Modulet gjejnë një përdorim të gjerë në konvertorët statikë me fuqi të ulët dhe tension nominal tensionin e rrjetit ose nënfishin e tij.

1.6.1 MODULET E ELEKTRONIKËS SË FUQISË

Struktura konstruktive e moduleve

1.7.1 STRUKTURA E KONVERTORËVE STATIKË

Struktura e plotë e një konvertori statik për aplikime industriale në tension të ulët dhe fuqi deri në 700 Kw.

1

2

4 3

5


Modulet e transistorëve IGBT të konvertorëve statikë me shumë nivele të projektuar për kontrollin e shpejtësisë së makinave elektrike të cilat ushqehen në tension të mesëm me tension nominal 6 kV., dhe fuqi nominale 2MW (konvertor me tre nivele) Numri i elementëve elektronikë në brendësi të konvertorit është shumë i lartë: P.sh. Sipas ABB në një konvertor të tillë ndodhen 360 IGBT, 108 Dioda, 270 Kondensatorë, 108 siguresa

1

2

3


Konvertorët statikë të cilët përdoren në sistemet e transmetimit të energjisë elektrike në tension të vazhduar. Konvertorët me shumë nivele janë të ndërtuar nga module me tiristorë IGCT ose transistorë IGBT. Tensioni nominal i i konvertorëve 150kV, 330kV, 800kV, dhe fuqi nominale MW Figurat paraqesin konvertorët statikë të ndërtuar nga kompania ABB

1

2

3

1.8.1 APLIKIME TË ELEKTRONIKËS SË FUQISË

Konvertor statik i tipit AC-DC prodhuar nga firma ABB për sistemet hekurudhore (në transmisioneve elektrike të makinave elektrike asinkrone të lokomotivave Tensioni nominal alternativ në hyrje të konvertorit ne variantet 16 ose 25 kV Tensioni i vazhduar në dalje të konvertorit në variantet 600, 700 1.5 ose 3kV

Konvertori statik i tipit DC-DC në hyrje të Motherboard


Nënstacion AC – DC me fuqi 1000 MW – Chandrapur India në pronësi të Kompanisë ALSTOM UK


Sistemet filtruese të energjisë elektrike në linjën e transmisionit Suedi – Danimarkë

Pronësi e kompanisë ABB

1. Popovici D. – Bazele Convertoarelor Statice, Colectia Electrotehnica, Editura Politehnica, Timisoara – Romania 1999

2. Muntean N. – Convertoare Statice, Colectia Electrotehnica, Editura Politehnica, Timisoara – Romania 1998

3. Kelemen A. Imecs M.– Electronica de Putere, - Romania 1983 4. Mohan N. – Power Electronics, John Willy and Sons. 1995 5. Bin Wu – High Power Converters and AC Drivers, IEEE, 2006 6. Keng Wu – Switch Mode Power Converters, Elsevier Academic

Press, 2006 7. ABB Company Power Converters 8. Schnieder Electric Company 9. Siemens AG Company (Drives and Automation)

LITERATURA

Documents

ELEKTRONIKA E FUQISË II · 1.2.1 KLASIFIKIMI I ELEMENTËVE TE ELEKTRONIKËS SË FUQISË Elektronika e fuqisë filloj të zhvillohet në vitin 1900 kur për herë të parë u ndërtuar