InfoNu.nl > Wetenschap > Techniek > Vermogenselektronica

Vermogenselektronica

Elektronica werkt doorgaans met lage spanningen en zeer lage stromen. Dit is voordelig vanwege lage stroomverbruik. Het maakt dat toepassingen klein en handzaam zijn (zoals mobiele telefoons), en er is relatief weinig warmteontwikkeling. Vermogenselektronica werkt met hoge spanningen en stromen, en neemt tegenwoordig een steeds belangrijker plaats in. Het is mogelijk om met deze componenten hoogspanning om te vormen naar gewenst type (AC of DC), en gewenste vorm, grootte en frequentie.

Systemen die werken met hoge vermogens

Elektrisch vermogen kan worden uitgedrukt als het product van spanning en stroom. Toepassingen in de elektronica werken meestal met lage spanningen en stromen, en dus met lage vermogens. Bij elektrische installaties en systemen die met hoge vermogens werken, moeten we denken aan elektromotoren, industriële toepassingen, transport van hoogspanning, en recente ontwikkelingen zoals elektrisch rijden.

Vanwege revolutionaire ontwikkelingen in de halfgeleider-techniek is het mogelijk geworden om signalen met hoog vermogen te bewerken (processen). Een dergelijk systeem noemt men een power processor. Er is een groeiende markt voor vermogenselektronica (power electronics) vanwege de onderstaande factoren.

schakelende voedingen en uninterruptable power supplies

Door ontwikkelingen in het halfgeleider fabricageproces worden in applicaties zoals computers, communicatie-apparatuur, en consumentenelektronica steeds vaker schakelende voedingen (en uninterruptable power supplies) gebruikt.

energiebesparing

Door stijgende energiekosten en zorg voor het milieu, is energiebesparing een prioriteit geworden. Zo zijn fluoriserende lampen efficienter in energieverbruik als powerelektronica deze lampen met hoog-frequente signalen aanstuurt. Ook toepassingen met een elektromotor zoals pompen en compressoren gebruiken vermogenselektronica om het energieverbruik te minimaliseren. De elektronica zorgt voor de juiste energietoevoer afhankelijk van de belasting van de motoren.

elektrisch vervoer

Bron: Sass Peress / Wikimedia CommonsBron: Sass Peress / Wikimedia Commons
In veel landen zijn elektrische treinen een dagelijkse vorm van vervoer. Elektrische auto's komen eraan (om in verstedelijkte gebieden smog en vervuiling tegen te gaan); vermogenselektronica is nodig voor de oplaadsystemen voor de accu's.

automatisering en process control

Er is een toenemende vraag naar snelheid-instelbare motoren in pompen en motoren om processen te automatiseren. Robots in industriele toepassingen worden aangestuurd door snelheid- en positie-instelbare motoren (servo's), hiervoor is vermogenselektronica nodig.

transport van energie

Elektrische energie kan in de vorm van een DC-spanning (in plaats van de gebruikelijke wisselspanning AC) getransporteerd worden via HVDC-lijnen. Vermogenselektronica zorgt voor de conversie van AC naar DC aan de zenderzijde, en andersom bij de ontvanger van de energie. De energieopwekking wordt tegenwoordig meer decentraal en beter aangepast aan de vraag (smart grid). Zo worden er op allerlei plaatsen via vermogenselektronica windmolens en zonnecel-systemen op het spanningsnet aangesloten.

elektrotechnische toepassingen

Apparatuur die wordt gebruikt bij elektrisch lassen en verwarming door inductie gebruiken vermogenselektronica.

Basisprincipe

Bron: TronicBron: Tronic
De taak van vermogenselektronica is het bewerken van elektrische energie. Aan de outputzijde worden spanningen en stromen geleverd, die optimaal aan de belasting zijn aangepast.
In de figuur hiernaast is een zogenaamde power processor afgebeeld. Meestal wordt aan de ingang van het systeem elektrische energie geleverd in de vorm van netspanning met 50 of 60 Hz frequentie (eenfasig of driefasig). De fasehoek tussen de ingang- spanning en -stroom is afhankelijk van het type power processor dat gebruikt wordt.

De uitgang levert het meest geschikte vermogen (spanning, stroom, frequentie, aantal fasen) voor de belasting. De controller vormt een feedback-systeem; de uitgangssignalen worden vergeleken met de gewenste waarden, en het verschil tussen die twee wordt door het systeem geminimaliseerd. De energierichting is doorgaans van input naar output, maar het kan in bepaalde systemen ook andersom zijn; een elektromotor die afremt levert namelijk energie (in dat geval stroomt de energie van motor naar input).

Vermogenselektronica

Vermogenselektronica kan worden ingedeeld in de volgende categorieën:

power processors

In deze toepassingen is de input het gebruikte spanningsnet, afhanklijk van de toepassing zal de output-spanning de volgende vorm hebben:
  • DC --- constante grootte of instelbare grootte
  • AC --- constante frequentie en instelbare grootte, instelbare frequentie en grootte

power converters

Een power converter is een basis-bouwblok van vermogenssystemen. Met meerdere converters kan (modulair) een systeem worden opgebouwd. Er kan bijvoorbeeld energie opgeslagen worden met behulp van inducties en capaciteiten. Zo is het mogelijk om midden in een systeem de energie tijdelijk op te slaan, om het vervolgens weer te bewerken.
Er zijn vier typen converters (AC-AC, AC-DC, DC-DC, en DC-AC). Wanneer de energie stroomt van AC- naar DC-zijde noemt men de converter een gelijkrichter; bij een energiestroom van DC- naar AC-zijde spreken we van een inverter.

Componenten

Vanwege vooruitgang in de halfgeleidertechnologie is het tegenwoordig mogelijk om halfgeleiders te maken die werken met hoge vermogens. We kunnen een classificatie maken in de drie belangrijkste groepen:
  1. diodes
  2. thyristors
  3. controlable swtiches (transistoren, MOSFETs, ...)

Bron: TronicBron: Tronic
Deze componenten worden in de vermogenselektronica allemaal gebruikt als schakelaar. Het symbool voor een diode is in de figuur hiernaast afgebeeld. Wanneer we het elektrische gedrag van een diode modelleren, maken we gebruik van de ideale karakteristiek. Wanneer een positieve (anode-kathode) spanning wordt aangeboden gaat de diode in geleiding; de spanning over de diode is klein (orde 1 Volt). Wanneer de spanning negatief is blokkeert de diode de stroom.

Een thyristor heeft een soortgelijke ideale karakteristiek, zij het dat een trigger signaal nodig is om in voorwaartse stand geleiding mogelijk te maken. Wanneer op de gate-input een pulse wordt gegeven zal bij positieve anode-kathode spanning de thyristor in geleiding gaan, zo niet, dan wordt de stroom geblokkeerd (evenals bij een negatieve a-k spanning). Een bipolaire junctie transistor en MOSFET hebben ongeveer dezelfde ideale karakteristiek. Wanneer de gate spanning een drempel overschrijdt zal de component in geleiding gaan (als Vce of Vds positief is).

verliezen

Voor een ideale schakelaar zal gelden dat:
  1. In de off-toestand (sper) wordt elke spanning tegengehouden en er loopt een stroom gelijk aan nul.
  2. In de on-toestand (geleiding) wordt elke mogelijke stroom geleid met nul spanningsverlies.
  3. Schakelen van on-offf en vice-versa zonder tijdverlies
  4. Verwaarloosbaar vermogen nodig om de trigger (gate) aan te zetten.

In werkelijkheid zijn er natuurlijk wel verliezen. We kunnen voorstellen dat als een schakelaar in de off-toestand gaat, dat het eventjes duurt voordat de spanning en de stroom gestabiliseerd zijn (= tc off). Hetzelfde geldt voor het schakelen naar de on-toestand (= tc on). Het totale vermogensverlies kan nu worden uitgedrukt als:

  • Ps = 1/2 Vd Io fs (tc on + tc off)

met
  • Vd = ingangspanning
  • Io = de stroom die de schakelaar geleidt
  • fs = schakelfrequentie
© 2012 - 2017 Tronic, het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Switching power suppliesOntwikkelingen in de halfgeleidertechnologie hebben het mogelijk gemaakt om zeer efficiënte power supplies (voeding van…
Uninterruptable power suppliesIn sommige bedrijfstakken is het van groot belang dat de voedingsspanning continu aanwezig blijft, ook tijdens storingen…
Wat is Power Balance? - Werkt de Power Balance armband?Power Balance is een technologie die is ontwikkeld op basis van het in harmonie brengen van de energiestromen in het lic…
Het meten van energieHet meten van energieEr bestaan vele verschillende vormen van energie. Denk aan mechanische, chemische en warmte-energie. Energie wordt opges…
Hoe werkt een kWh-meter?Hoe werkt een kWh-meter?Een kWh-meter of elektriciteitsmeter meet het elektriciteitsverbruik van een huishouden, instelling, of bedrijf. De mete…
Bronnen en referenties
  • Power electronics - Mohan, Undeland, Robbins - 3rd edtion
  • Afbeelding bron 1: Sass Peress / Wikimedia Commons
  • Afbeelding bron 2: Tronic
  • Afbeelding bron 3: Tronic

Reageer op het artikel "Vermogenselektronica"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Infoteur: Tronic
Laatste update: 10-03-2017
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Techniek
Bronnen en referenties: 4
Schrijf mee!