Ηλεκτρονικά Ισχύος Κωνσταντίνος Γεωργάκας

Σχετικά με την εξέταση του μαθήματος Δύο Τεστ κατά τη διάρκεια του εξαμήνου Προαιρετικά. Απροειδοποίητα. Αν ο βαθμός των τεστ είναι > 5, τότε λαμβάνεται υπόψη στον τελικό βαθμό. Το 10 θα προσθέσει στον τελικό βαθμό μία μονάδα (το 5 μισή μονάδα). Έτσι, αν κάποιος βαθμολογηθεί και στα 2 τεστ με 5 και στην τελική εξέταση του μαθήματος βαθμολογηθεί με 4, τότε ο τελικός βαθμός θα είναι 5. Δηλαδή, ο βαθμός των τεστ είναι επιπρόσθετος (Bonus). Υποχρεωτική γραπτή εξέταση στην εξεταστική του μαθήματος

Τρόπος επικοινωνίας Θεωρία Ισχύος: Τετάρτη 14:00 – 15:00 Θεωρία Ισχύος: Τετάρτη 14:00 – 15:00 Παρασκευή 8:00 – 10:00 Εργαστήριο Ισχύος: Δευτέρα 8:00 – 14:00 Τετάρτη 8:00 – 14:00 E-mail: kgeorgakas@hol.gr Οι διαλέξεις θα αναρτώνται στη σελίδα του μαθήματος στο e-class (δεν αντικαθιστούν το βιβλίο).

Μετατροπείς είναι τα μέσα με τα οποία μετατρέπουμε: Μετατροπείς είναι τα μέσα με τα οποία μετατρέπουμε: την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή ή αντίστροφα. τη συχνότητα από μια τιμή σε άλλη. τον αριθμό των φάσεων π.χ. από 1-φασικό σε 3-φασικό Παλαιότερα αυτά επιτυγχάνονταν με τη βοήθεια στρεφόμενων μετατροπέων, δηλαδή ηλεκτρικών μηχανών. Έτσι, με μια μηχανή συνεχούς ρεύματος μπορεί να επιτευχθεί η ανόρθωση του εναλλασσόμενου ρεύματος. Στο δρομέα μιας μηχανής με δακτυλίους ολίσθησης λαμβάνεται μια τάση ανάλογη της ολίσθησης με συχνότητα ίση με το γινόμενο της συχνότητας του στάτη και της ολίσθησης.

Μειονεκτήματα στρεφόμενων μετατροπέων Μηχανικές απώλειες τριβών και ηλεκτρικές απώλειες μεταξύ των ηλεκτρικών επαφών (π.χ. ψήκτρες). Έτσι, μειώνεται ο βαθμός απόδοσης. Φθορές: α) των στρεφόμενων μερών (μηχανικές) και β) των στρεφόμενων ηλεκτρικών επαφών με αποτέλεσμα την αύξηση της ωμικής αντίστασης τους και συνεπώς την αύξηση των απωλειών. Λόγω αυτών των φθορών απαιτείται συντήρηση της οποίας το κόστος είναι συνήθως πολύ υψηλό. Απαιτούν μεγάλο χώρο και έχουν μεγάλο βάρος. Προκαλούν θόρυβο. Προκαλούν ροπή επί των επιφανειών στήριξής και μεταφέρουν ταλαντώσεις επί αυτών. Οι γρήγορες μεταβολές είναι δύσκολές λόγω της αδράνειας των στρεφόμενων μαζών.

Για τους παραπάνω λόγους στραφήκαμε προς την ανάπτυξη ακίνητων μετατροπέων. - 1902. Cooper – Hewilt ανακάλυψε τον ανορθωτή με ατμό υδραργύρου. Η επαφή γινόταν μέσω των ατμών υδραργύρου από το φωτεινό τόξο που παραγόταν από κάποια ηλεκτρόδια. - 1925. Ο Presser ανακάλυψε τον ανορθωτή του σεληνίου και άνοιξε το δρόμο για την ανάπτυξη των ανορθωτών με ημιαγωγούς. - 1948. Οι Bardeen, Bratain και Schokley το transistor χρησιμοποιώντας ημιαγωγούς πυριτίου (Si) και γερμανίου (Ge). - 1958. Η General Electric εισήγαγε στα ενεργειακά συστήματα το Thyristor από πυρίτιο (Silicon Controlled Rectifier SCR). - Σήμερα υφίσταται μεγάλη εξέλιξη στα transistor ισχύος (IGBT, MOSFET, IGCT κ.α.).

Τι ονομάζουμε Ηλεκτρονικά Ισχύος Ονομάζονται τα ηλεκτρονικά τα οποία διαχειρίζονται μεγάλα ποσά ισχύος. Έτσι, αντί της διόδου των ηλεκτρονικών σε αντιστοιχία έχουμε τη δίοδο ισχύος, αντί του transistor των ηλεκτρονικών έχουμε το transistor ισχύος. Που χρησιμοποιούνται όμως τα ηλεκτρονικά ισχύος; Η κύρια εφαρμογή τους είναι σε ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος.

Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος είναι διατάξεις οι οποίες χρησιμοποιούνται στις εξής εφαρμογές: Α) Στη μετατροπή μιας τάσης : από εναλλασσόμενη σε συνεχή (ανορθωτές rectifiers). από συνεχή σε εναλλασσόμενη (αντιστροφείς inverters). από συνεχή κάποιας τιμής σε συνεχή κάποιας άλλης τιμής. από εναλλασσόμενη κάποιας τιμής σε εναλλασσόμενη κάποιας άλλης τιμής. από εναλλασσόμενη κάποιας συχνότητας και αριθμού φάσεων σε άλλη συχνότητα και άλλου αριθμού φάσεων. Β) Σε εφαρμογές που αφορούν στη διόρθωση του συντελεστή ισχύος και στην επίτευξη συμμετρίας μεταξύ των φάσεων (αναφέρονται στη βιβλιογραφία ως FACTS).

Συστοιχίες ανορθωτών για την μεταφορά με γραμμές συνεχούς ρεύματος Ηλεκτροκίνητο τρένο στην Κίνα με γραμμικό κινητήρα και τα ερμάρια των μετατροπέων για την τροφοδοσία του κινητήρα

Τι είναι όμως τα ημιαγωγικά στοιχεία; Όλοι οι προαναφερόμενοι μετατροπείς αποτελούνται από ημιαγωγικά στοιχεία. Τι είναι όμως τα ημιαγωγικά στοιχεία; Τα χημικά στοιχεία μπορούν να κατηγοριοποιηθούν, ανάλογα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στοιβάδας σε: Αγωγούς (με 1, 2 ή 3 ηλεκτρόνια e- στην εξωτερική στοιβάδα) Al, Cu. Ημιαγωγούς (με 4 e-) Si, Ge. Μονωτές.

Στους ημιαγωγούς η κρυσταλλική δομή του στοιχείου είναι ασθενής, με αποτέλεσμα να μένουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Καθώς αποκολλούνται e- (n) απομένουν θετικά φορτία που τα ονομάζουμε οπές (p). Έτσι, στη θερμοκρασία περιβάλλοντος για το Si έχουμε ανά cm 2*1010 ελεύθερα e- άλλες τόσες οπές. Ενώ για το Cu έχουμε ανά cm 2*1022 ελεύθερα e-/cm. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία οι δεσμοί του κρυστάλλου του ημιαγωγού εξασθενούν και έτσι μένουν ελεύθερα περισσότερα e- με αποτέλεσμα τη μείωση της ωμικής αντίστασης, ενώ στους αγωγούς λόγω της θερμοκρασίας αυξάνονται οι συγκρούσεις των ηλεκτρονίων με αποτέλεσμα να αυξάνεται λίγο η ωμική αντίσταση. Στον ακόλουθο πίνακα παρουσιάζονται κάποιες χαρακτηριστικές τιμές για την ειδική αντίσταση του πυριτίου και του χαλκού. Θερμοκρασίες Si Cu 20ο C 300.000 Ωcm 1,7*10-6 Ωcm 100ο C 4.000 Ωcm 2,3*10-6 Ωcm 200ο C 100 Ωcm 3*10-6 Ωcm

Με προσμίξεις των χρησιμοποιούμενων ημιαγωγικών στοιχείων με άτομα ξένων στοιχείων μπορούμε να πάρουμε μόνιμα περισσότερα ηλεκτρόνια (n – negative) ή οπές (p – positive). Έτσι με ένωση πλακών p με n παίρνουμε στοιχεία p – n (δίοδοι), p-n-p (transistor), p-n-p-n (thyristor). Δίοδος Συμβολισμοί Ανάστροφή πόλωση Ορθή πόλωση

Δίοδος Χαρακτηριστική διόδου Ανάστροφή πόλωση Ορθή πόλωση

Transistor Συμβολισμοί Ορθή πόλωση

GTO Thyristor Διάφορα Ημιαγωγικά Στοιχεία IGCT