Introduktion
Hvordan sikrer vi, at alle de forskellige moduler i et produkt får de rigtige spændinger og derved fungerer efter hensigten? Vi bruger power electronics!
Power electronics er den gren af elektroteknik, der beskæftiger sig med behandling af spændinger og strømme for at levere strøm, der understøtter en række forskellige behov. Dette omfatter alt fra husholdningselektronik til udstyr i rumapplikationer.
Formålet med power electronics er at konstruere stabil og pålidelig elektrisk strøm med de ønskede specifikationer.
Feedback-chain
Ved elproduktion, især inden for vedvarende energi, skal den producerede strøm behandles for at opfylde spændingsspecifikationen for elnettet. For eksempel producerer en solcelle, der genererer jævnstrøm, ikke en konstant spænding, så det er vigtigt at maksimere og udnytte al energien fra solcellerne. Formålet er altså at udtrække den maksimale effekt, der er tilgængelig ved solcellernes udgang og overføre den videre i systemet med den højest mulige effektivitet.
For netop ikke at spilde energi, når man arbejder med solceller, bruges genopladelige batterier ofte til at lagre energi. Denne lagrede energi kan da efter behov benyttes senere i systemet og derved kan effektiviteten øges.
Dette udføres ofte ved at opstille en feedback-kæde, eller feedback-chain/feedback-loop, i kredsløbet. En feedback-chain fungerer ved at måle bestemte spændinger rundt i kredsløbet for at kontrollere, om spændingerne er som ønsket ved disse punkter. Når de ikke er som ønsket, foretages der beregninger i kredsløbet for at rette disse fejl. Jo hurtigere korrektionerne beregnes og reageres på, jo mere følsom er feedback-kontrollen. Nedenfor på figur 1 er et blokdiagram af et typisk power electronics system.
Figur 1: Blokdiagram over et typisk power electronics system. Så hvis vi tænker på vores situation med solcellerne, vil den strøm, der genereres fra dem, være input. Inputtet ville være varierende og ikke være konstant, men vi ønsker ofte et konstant output uden udsving. Dertil benyttes en feedback-chain til at bestemme og korrigere for fejlen. Metoden til korrektionen afhænger af den specifikke applikation, men fejlen er næsten altid forskellen mellem vores input og vores ønskede output.
Det primære element i power electronic system er en switching power converter. En switch/kontakt kan opfattes som et led mellem forskellige kredsløb og underkredsløb. Når kontakten er lukket, forbinder den en underkreds med en anden, og når den er lukket, er der ingen forbindelse. Da effektiviteten af et system er meget vigtig for power electronics, giver det mening at diskutere det tab et kredsløb udsættes for, når et switch udføres.
Switching losses
Switching losses opstår når en switch/kontatk åbnes og lukkes. For eksempel, når en kontakt tændes, går spændingen over kontakten fra en lav værdi til den spænding, der blev blokeret, da den var i slukket tilstand. Samtidig går strømmen gennem enheden fra nul til belastningsstrømniveauet/load current (eller til hvad end switchen forbinder). Da denne proces ikke sker øjeblikkeligt og tager en mængde tid, finder strømtab sted. Disse tab udgør switching losses. Så hver gang man forbinder eller afbryder underkredsløb/kredsløb til hinanden, oplever systemet swithcing losses, fordi aktionen for et swtich ikke er momentant.
Typer af Power Electronics kredsløb
Alt afhængigt af formålet med kredsløbet, der arbejdes på, skal vi muligvis konvertere input til en bestemt slags output. Måske ønskes at spændingen stiger eller falder eller går fra en jævnspænding til en vekselspænding eller omvendt. Til dette kan converters benyttes.
Figur 2: Forskelige typer af power converters.
Der er mange forskellige converters, der kan bruges til at konvertere alle input til de outputs set i figur 2. Lad os gennemgå en for hver konvertering.
En ensretter (rectifier), som også er nævnt i denne blog om analoge kredsløb kan bruges til at konvertere et AC-signal til DC.
En buck-converter bruges for eksempel til at konvertere en DC-spænding til en mindre DC-spænding. Boost-converteren, som du måske har gættet, booster spændingen, så output er højere end input.
Og til sidst fra AC til AC kan en cycloconverter, også kaldet en frequency changer, bruges.
Vigtigheden af Power Electronics
Fordi vi benytter mere og mere elektricitet vokser behovet for denne energikilde hurtigt. Vi bruger utrolige mængder elektrisk energi i dag, så det er vigtigt at udnytte så meget som muligt. Det er vigtigt, at denne energi konverteres til en form, der kan bruges i forskellige applikationer.
Så for at opsummere kan et elektrisk produkt bestå af mange forskellige moduler. Hvert modul i systemet har hver især kriterier for modulets input- og output-spænding for at fungere optimalt. Der er altså typisk både kriterier for spændingen over modulets ind- og udgang. Metoderne for at opfylde disse kriterier og samtidig opretholde en høj effektivitet for den tilgængelig energi er lige præcis hvad power electronics handler om.
