Introduktion

Hur ser vi till att alla olika moduler i en produkt får rätt spänningar och därmed fungerar som avsett? Vi använder kraftelektronik!
Kraftelektronik är den gren av elektrotekniken som behandlar spänningar och strömmar för att leverera el som uppfyller olika behov. Det omfattar allt från hushållselektronik till utrustning för rymdtillämpningar.
Syftet med kraftelektronik är att skapa stabil och tillförlitlig elektrisk effekt med önskade specifikationer.

Återkopplingskedja

Vid elproduktion, särskilt inom förnybar energi, måste den producerade elen behandlas för att uppfylla elnätets spänningskrav. En solcell som genererar likström ger exempelvis inte en konstant spänning, så det är viktigt att maximera och utnyttja all energi från solcellerna. Målet är att ta ut maximal tillgänglig effekt vid solcellernas utgång och överföra den vidare i systemet med högsta möjliga verkningsgrad.
För att undvika energispill när man arbetar med solceller används ofta uppladdningsbara batterier för att lagra energi. Den lagrade energin kan sedan användas senare i systemet vid behov, vilket kan öka effektiviteten.
Det görs ofta genom att skapa en återkopplingskedja, eller återkopplingsslinga, i kretsen. En återkopplingskedja mäter vissa spänningar i kretsen för att kontrollera att de är som önskat vid dessa punkter. Om de inte är det görs beräkningar i kretsen för att rätta felen. Ju snabbare korrigeringarna beräknas och genomförs, desto snabbare reagerar återkopplingsregleringen. Figur 1 nedan visar ett blockschema för ett typiskt kraftelektroniksystem.


Figur 1: Blockschema för ett typiskt kraftelektroniksystem. I vårt solcellsexempel är elen som genereras indata. Den varierar i stället för att vara konstant, men vi vill ofta ha en konstant utgång utan variationer. Då används en återkopplingskedja för att bestämma och korrigera felet. Korrigeringsmetoden beror på tillämpningen, men felet är nästan alltid skillnaden mellan önskat referensvärde och uppmätt utgång.

Huvudelementet i ett kraftelektroniksystem är en switchande effektomvandlare. En brytare kan ses som en länk mellan olika kretsar och delkretsar. När brytaren är sluten förbinder den en delkrets med en annan, och när den är öppen finns ingen förbindelse. Eftersom verkningsgraden är mycket viktig inom kraftelektronik är det rimligt att diskutera kretsens förluster när en omkoppling sker.

Switchförluster

Switchförluster uppstår när en brytare öppnas och sluts. När en brytare slås på faller exempelvis spänningen över den från den blockerade spänningen mot ett lågt värde. Samtidigt går strömmen genom enheten från noll till belastningsströmmen (eller till det som brytaren ansluter). Eftersom processen inte sker omedelbart utan tar tid uppstår effektförluster. Dessa utgör switchförluster. Varje gång delkretsar/kretsar kopplas samman eller isär får systemet alltså switchförluster eftersom en omkoppling inte sker momentant.

Typer av kraftelektroniska kretsar

Beroende på kretsens syfte kan vi behöva omvandla ingången till en viss typ av utgång. Kanske ska spänningen öka eller minska, eller ändras från likspänning till växelspänning eller tvärtom. Till det används omvandlare.


Figur 2: Olika typer av effektomvandlare.

Det finns många olika omvandlare som kan omvandla ingångar till utgångarna i figur 2. Låt oss gå igenom en för varje omvandling.

En likriktare, som också nämns i den här bloggen om analoga kretsar, kan omvandla en AC-signal till DC.

En buck-omvandlare används exempelvis för att omvandla en likspänning till en lägre likspänning. Boost-omvandlaren höjer, som du kanske har gissat, spänningen så att utgången är högre än ingången.

Slutligen kan en cyklokonverter, även kallad frekvensomvandlare, användas från AC till AC.

Kraftelektronikens betydelse

När vi använder allt mer elektricitet växer behovet av denna energikälla snabbt. Vi använder otroliga mängder elektrisk energi i dag, så det är viktigt att utnyttja så mycket som möjligt. Energin måste omvandlas till en form som kan användas i olika tillämpningar.
Sammanfattningsvis kan en elektrisk produkt bestå av många olika moduler. Varje modul i systemet har egna krav på in- och utspänning för optimal funktion. Det finns alltså oftast kriterier för spänningen över både modulens ingång och utgång. Metoderna för att uppfylla kraven och samtidigt behålla hög verkningsgrad för den tillgängliga energin är precis vad kraftelektronik handlar om.