Opis ogólny
Rezultatem działania O2 jest platforma zdalna laboratorium energoelektroniki, pozwalająca z wykorzystaniem prostego interfejsu sieciowego (przeglądarka internetowa lub dedykowane oprogramowanie komunikacyjne) przebadać zestaw podstawowych przekształtników energoelektronicznych.
Energoelektronika, zajmująca się przetwarzaniem i jakością energii elektrycznej jest jedną z kluczowych gałęzi przemysłu elektrotechnicznego. Przekształcanie energii bazuje na przełączaniu elementów energoelektronicznych (półprzewodnikowych). Analiza uproszczona takich układów możliwa jest na bazie obwodów elektrycznych (symulatorów). Wiele ośrodków opracowało na potrzeby studentów układy symulacyjne do energoelektroniki. System taki nie pozwala jednak na przebadanie systemów pracujących w układzie rzeczywistym, w szczególności wpływu elementów pasożytniczych oraz elementów dynamiki (np. wpływu elementów inercyjnych na pracę układu).
Struktura systemu
Przedmiotem prac w ramach rezultatu O2 było połączenie fizycznego laboratorium energoelektroniki z platformą cyfrową pozwalającą na zdalne uruchamianie tych układów oraz obserwowanie online odpowiedzi na różnego typu stany pracy. Rezultat został opracowany przez lidera projektu –Politechnikę Śląską, która wykorzystała do tego celu istniejącą koncepcję laboratorium energoelektroniki opracowując nowe zestawy przekształtników przystosowane do komunikacji zarówno w zakresie zadawania, jak i odczytu parametrów w sposób zdalny. Koncepcję funkcjonowania laboratorium przedstawiono na Rys. O2.1 w postaci schematu funkcjonalnego.
Rys. 1. Struktura systemu
Najistotniejszym, z edukacyjnego punktu widzenia elementem jest przekształtnik energoelektroniczny. Na potrzeby laboratorium zaprojektowano przekształtnik w postaci modularnej składający się z trzech elementów: pasywnego obwodu wejściowego, pasywnego obwodu wyjściowego oraz aktywnego układu energoelektronicznego złożonego z czterech tranzystorów lub tyrystorów połączonych w strukturę 3-fazowego mostka H (zawierającego 6 elementów półprzewodnikowych). Schemat układu połączeń pojedynczego modułu z tranzystorami przedstawiono na Rys. O2.2.
Rys. 2. Uniwersalny modułu przekształtnika energoelektronicznego, a) schemat, b) zdjęcie pojedynczego półmostka układu aktywnego, c) zdjęcie pasywnego układu wejściowego
Zakres ćwiczeń i struktura przekształtników
Na potrzeby laboratorium wykonanych zostało sześć zestawów przekształtnikowych, pozwalających na zrealizowanie równolegle sześciu różnych ćwiczeń laboratoryjnych (dla grupy studentów). Możliwa jest realizacja następujących ćwiczeń laboratoryjnych:
- Regulator DC/DC typu BUCK,
- Regulator DC/DC typu BOOST,
- Regulator DC/DC z kompensacją współczynnika mocy PFC BOOST,
- Szeregowy mostkowy falownik rezonansowy,
- 1-fazowy falownik napięcia,
- 3-fazowy falownik napięcia,
- 1-fazowy regulator napięcia przemiennego,
- 3-fazowy regulator napięcia przemiennego,
- 3-fazowy prostownik diodowy,
- 3-fazowy prostownik tyrystorowy.
Dla uzyskania odpowiedniego przekształtnika wykonywane są odpowiednie połączenia (w przypadku zajęć stacjonarnych połączenia mogą wykonać studenci, natomiast w przypadku zajęć zdalnych połączeń dokonuje prowadzący). Przykładowe schematy połączeń dla regulatorów DC/DC BUCK i BOOST przedstawiono na Rys. 3, natomiast wygląd kompletnego stanowiska laboratoryjnego na Rys. 4.
Rys. 3. Schematy połączeń dla regulatora DC/DC BUCK i BOOST
Rys. 4. Kompletne stanowisko laboratoryjne do badania przekształtnika energoelektronicznego
Sposób realizacji pomiarów
Sterowanie przekształtnikiem odbywa się za pośrednictwem mikrokomputera Raspberry PI oraz dedykowanej aplikacji opracowanej w języku Python, natomiast akwizycja pomiarów realizowana jest za pośrednictwem oscyloskopu cyfrowego Analog Discovery 2 i dedykowanej aplikacji Waveforms. Zarówno dostęp do aplikacji sterującej, jak i do akwizycji pomiarów jest możliwy dla uczestnika zdalnego za pośrednictwem komunikatora internetowego (zalecana w tym przypadku jest platforma ZOOM) dającego możliwość kontrolowania komputera zdalnego. Wygląd aplikacji sterującej dla falownika rezonansowego oraz przykładowy przebieg pomiarów uzyskany z oscyloskopu cyfrowego przedstawiono na Rys. 5. Wygląd aplikacji może się różnić w zależności od przekształtnika.
Rys. 5. Interfejs zdalny zadawania parametrów i akwizycji danych dostępny poprzez aplikację ZOOM
Zakres merytoryczny poszczególnych ćwiczeń ustalany jest zazwyczaj przez prowadzących. Przykładowe opisy ćwiczeń można znaleźć między innymi w literaturze, np. [1], a dodatkowe materiały na stronie http://kener.elektr.polsl.pl/energo.php. Chętnych do skorzystania z oferty laboratorium zachęcamy do kontaktu z liderem projektu lub z kadrą Katedry Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki Politechniki Śląskiej <re5(at)polsl.pl>.
[1]. B. Grzesik [red.]: Energoelektronika – ćwiczenia laboratoryjne, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001