Przekształtniki impulsowe dc/ac (falowniki)

advertisement
Przekształtniki impulsowe dc/ac (falowniki)
Podstawy
Ramię falownika (przełącznik)
Modulacja szerokości impulsów (MSI)
Pulse Width Modulation (PWM)
Falownik jednofazowy
Falownik trójfazowy
Czas martwy (blanking time )
Zasady sterowania
SZ_EN_w6
1
Wprowadzenie
Źródło napięcia o sinusoidalnej
składowej podstawowej i
regulowanych parametrach
Amplituda
Częstotliwość
Vd
~50Hz
~M
Zastosowania:
Napędy prądu zmiennego
prostownik
filtr
falownik
UPS
Prostowniki impulsowe
Kompensatory mocy
biernej
SZ_EN_w6
2
Hamowanie
Prostownik diodowy
Tylko I-sza ćwiartka
Podczas hamowania
energia płynie do filtru
Energia musi być
wytracana na rezystorze
Prostownik impulsowy
Moc jest zwracana do sieci
Vd
~50Hz
przekszt.
impulsowy
~M
filtr
przekszt.
impulsowy
Jest znacznie droższy niż
diodowy
SZ_EN_w6
3
Falownik napięcia (VSI- Voltage Source Inverter)
Napięcie wejściowe (na kondensatorze filtru) jest stałe
MSI – regulacja napięcia wyjściowego przez sterowanie szerokością
impulsów
Praca z falą prostokątną – impulsy o stałej szerokości, regulacja możliwa
poprzez zmianę napięcia stałego
Jednofazowy mostkowy falownik napięcia z przesunięciem fazowym –
regulacja napięcia przez zmianę przesunięcia fazowego między napięciami
obu ramion falownika
Różnice między falownikiem napięcia (VSI) a falownikiem prądu (CSI)
SZ_EN_w6
4
Praca 4-kwadrantowa
Jedna faza:
Napięcie sinusoidalne
Prąd przesunięty w fazie
Kierunki napięć i prądów:
Takie same: moc dc -> ac
Różne:
moc ac -> dc
Średnia moc (dodatnia lub
ujemna) w ciągu jednego
okresu zależy od przesuniięcia
fazowego między napięciem
i prądem
SZ_EN_w6
5
Przełącznik (falownik o jednym ramieniu)
Jest identyczny z ramieniem mostkowego przekształtnika dc-dc, tylko inaczej
sterowany
Wymaga wydzielenia punktu środkowego o , który:
Może być pomocny do objaśnienia działania falownika
Można do niego przyłączyć jednofazowy odbiornik
SZ_EN_w6
6
Modulacja szerokości impulsów
Sinusoidalne napięcie
sterujące , a nie stałe jak w
przekształtnikach dc/dc
Częstotliwość sygnału
sterującego (modulującego)
narzuca częstotliwość wyjścia
Częstotliwość nośna (sygnału
trójkątnego) narzuca
częstotliwość przełączeń
zaworów falownika fs
Stosunek częstotliwości : m f =
fs
f1
Amplituda zależna od
współczynnika głębokości
modulacji (modulation
V control
index):
ma =
V tri
SZ_EN_w6
7
Składowa podstawowa napięcia
W przekształtnikach dc/dc było:
Teraz zakłada się, że vcontrol
zmienia się powoli,
V Ao =
v control V d
V tri 2
Składowa podstawowa jest obliczana jako „chwilowa średnia”
tj. średnia za okres fali nośnej
Sterowanie sinusoidalne napięciem wyjściowym:
SZ_EN_w6
v control = V control sin 1 t
8
Składowa podstawowa napięcia - c.d.
Składowa podstawowa zależy liniowo od współczynnika głębokości
modulacji (dla współczynników mniejszych od jedności):
V control V d
Vd
sin 1 t = m a
sin 1 t ,
 v Ao 1 = 
2
2
V tri
SZ_EN_w6
ma 1.0
9
Harmoniczne
Częstotliwości harmoniczne
zbliżone do wielokrotności
częstotliwości przełączeń fs
f h =  jm f ± k  f 1 = jf s ± kf 1
j parzyste ⇒ k nieparzyste
j nieparzyste ⇒ k parzyste
Stosunek częstotliwości mf
powinien być nieparzysty
- symetria półokresowa
- tylko nieparzyste
harmoniczne
SZ_EN_w6
10
Wybór częstotliwości fs
Im większa częstotliwość przełączeń, tym łatwiejsze filtrowanie
Straty wywołane przełączaniem rosną ze wzrostem częstotliwości
Pożądane są częstotliwości powyżej pasma akustycznego (>20kHz),
co nie zawsze jest osiągalne w napędach z silnikami większej mocy
SZ_EN_w6
11
Stosunek częstotliwości mf =fs /f1
Gdy mf jest nieduże (<21) stosuje się synchroniczną MSI
Fala nośna jest synchronizowana z sinusoidalnym sygnałem
sterującym; częstotliwość fali nośnej nie jest stała
W ten sposób unika się generowania podharmonicznych
mf musi być liczbą nieparzystą
Gdy mf jest duże (>21) stosuje się asynchroniczną MSI (częstotliwość
nośna fs jest stała, niezależna od zmian częstotliwości f1.
Subharmoniczne powstają, ale są niewielkie
SZ_EN_w6
12
Nadmodulacja
MSI liniowa: mf <1
Harmoniczne
zbliżone do krotności
fs
Ograniczona
amplituda składowej
podstawowej
Nadmodulacja: mf >1
Pojawiają się
harmoniczne niskich
rzędów
Nieliniowa zależność
V1 od Vcontrol
Składowa
podstawowa zależy
również od mf
SZ_EN_w6
13
Prostokątna fala wyjściowa
Bardzo duży współczynnik głębokości modulacji mf »1 prowadzi
do tylko dwóch przełączeń na okres f1 i do prostokątnego
(niemodulowanego) napięcia wyjściowego
Niska częstotliwość przełączeń => niskie straty
Regulacja napięcia tylko przez dc
Harmoniczne niskich rzędów stają się dominujące
SZ_EN_w6
14
FALOWNIKI 1-FAZOWE
Półmostkowe
Mostkowe:
Z modulacją bipolarną
Z modulacją unipolarną
Prąd po stronie dc
Tętnienia napięcia wyjściowego
SZ_EN_w6
15
Falownik półmostkowy
C+ i C- dzielą napięcie na pół; punkt o ma stały potencjał
W stanie ustalonym nie ma składowej stałej prądu io , ze względu
na kondensatory => nie ma ryzyka nasycenia , gdyby obciążeniem
był transformator.
SZ_EN_w6
16
Falownik mostkowy
Przy tym samym napięciu Vd co poprzednio, moc wyjściowa jest
dwukrotnie wyższa => wyższa moc wyjściowa przy tych samych
obciążeniach elementów (ale liczba zaworów też dwukrotnie wyższa)
SZ_EN_w6
17
Bipolarna MSI
To samo co w
przekształtnikach dc/dc
Napięcie A: v Ao t 
Napięcie B:
Wyjście:
v Bo t =−v Ao t 
v o =v Ao−v Bo=2 v Ao
Składowa
podstawowa:
V o1 = ma V d
gdy
ma 1.0 ,
4
V d  V o1

SZ_EN_w6
gdy
ma 1.0
18
Prąd po stronie prądu stałego (idealny)
Zakłada się nieskończenie wielką częstotliwość przełączeń
Filtr LC na wyjściu
Napięcie i prąd wyjściowe są idealne:
v o1 = v o =  2V o sin 1 t
i o =  2 I o sin 1 t−
Filtr LC także na wejściu => nie ma harmonicznych fs
SZ_EN_w6
19
Prąd po stronie prądu stałego (idealny)
Zakłada się brak strat
V d i *d = v o i o =  2 V o sin 1 t  2sin 1 −
id =
V o Io
VoIo
cos −
cos 21 − I d −  2 I d2 cos 21 t−
Vd
Vd
Id =
V o Io
cos
Vd
*
I d2 =
1 V o Io
2 V d
Prąd po stronie dc zawiera:
Składową stałą, przenoszącą moc czynną
Składową zmienną o podwójnej częstotliwości wyjściowej, 2f1
SZ_EN_w6
20
Prąd po stronie prądu stałego bez filtru
Składowe:
Średnia
2*f1
Harmoniczne od MSI
Napięcie DC
- średnie
- harmoniczne od
prostownika
- harmoniczne od
prądu id
SZ_EN_w6
21
Unipolarna MSI
2 sygnały sterujące
4 kombinacje stanów
zaworów
Prąd zamyka się wewnątrz
przekształtnika, gdy napięcie
wyjściowe jest zerowe
Częstotliwość przełączeń
napięcia wyjściowego jest
dwukrotnie wyższa niż
częstotliwość przełączeń
zaworów
SZ_EN_w6
22
Unipolarna MSI – prąd po stronie DC
Wartość chwilowa jest zerowa gdy przewodzą: łacznik i dioda (dla modulacji
bipolarnej prąd był w takiej sytuacji ujemny)
SZ_EN_w6
23
SZ_EN_w6
24
Falownik (bez MSI) z regulacją przesunięcia fazowego
SZ_EN_w6
25
Regulacja napięcia
Względny czas załączenia obu łączników jest równy 0.5
Sterowanie kątem α tj. kątem zachodzenia na siebie napięć wyjściowych
 = 90 −  / 2
Składowa podstawowa i harmoniczne:

4V d
2

V
=
V
cos
hd

=
sin h 
 o h  ∫ d
h
−
SZ_EN_w6
26
Tętnienia napięcia i prądu wyjściowego
SZ_EN_w6
27
Tętnienia napięcia wyjściowego - c.d.
Tętnienia (ripple) = różnica między wartością chwilową
a składową podstawową
Model obciążenia składa się z:
Sinusoidalnej SEM
Indukcyjności
Stosuje się zasadę superpozycji:
t
v ripple = v o − v o1
i ripple =
1
∫ v d i ripple 0
L 0 ripple
SZ_EN_w6
28
Tętnienia napięcia wyjściowego - przebiegi
t
v ripple = v o − v o1
i ripple =
1
∫ v  d i ripple 0
L 0 ripple
SZ_EN_w6
29
Wykorzystanie łączników – porównanie struktur
Zakłada się sinusoidalny prąd wyjściowy
Stopień wykorzystania zaworów , SWZ:
półmostek:
V o1 I o , max
SWZ =
qV T IT
V T = V d , max I T =  2 I o , max V o1 , max =
V d , max
 2 2
4
SWZ =
1
≈0.16
2
SWZ =
1
≈0.16
2
mostek:
V T = V d , max I T =  2 I o , max V o1 , max =
4
 2
V d , max
Dla obu struktur SWZ taki sam, w praktyce <0.16
SZ_EN_w6
30
FALOWNIK 3-FAZOWY
MSI w falowniku 3-fazowym
Praca w zakresie liniowym
Nadmodulacja
Praca bez MSI (fala prostokątna)
Tętnienia napięcia i prądu wyjściowego
Przedziały przewodzenia
SZ_EN_w6
31
Falownik 3-fazowy – struktura przeksztaltnika
W zasadzie można by użyć trzech falowników 1-fazowych
=> wymagałoby to sześciu przełączników
Obciążenie jest połączone w gwiazdę lub trójkąt
=> trzy przełączniki wystarczą
Napięcie wyjściowe przełącznika względem N (ujemny biegun zasilania) jest
równe Vd lub 0.
SZ_EN_w6
32
Falownik 3-fazowy – MSI
Trzy przesunięte o 120o
sygnały sterujące (modulujące)
Napięcia VAN , VBN , VCN mają
taką samą wartość średnią
W napięciach wyjściowych
(międzyprzewodowych) znoszą
się składowe:
Średnie
Wielokrotności mf rzędu 3n
=> wybiera się mf będące
nieparzystą wielokrotnością
liczby 3, t.j. 9,15,21,...
SZ_EN_w6
33
Falownik 3-fazowy – stosunek częstotliwosci mf
Stosunek częstotliwości mf = fs / f1
Mały
Stosuje się modulacje synchronizowaną, aby uniknąć
parzystych harmonicznych
mf wybiera sie jako nieparzystą wielokrotność 3
Duży
(patrz uwagi do falownika jednofazowego)
Nadmodulacja ma > 1
SZ_EN_w6
34
MSI – zakres liniowy
Składowa podstawowa napięcia przełącznika:
Wartość skuteczna napięcia międzyprzewodowego
V AB =
 V AN 1 = ma
Vd
2
 3 V
 3 m V ≈0.612 m V
=


a
d
 2 AN 1 2  2 a d
Znikają
niektóre
harmoniczne
1-fazowe
SZ_EN_w6
35
MSI – nadmodulacja
Sygnały sterujące większe
niż fala nośna , zmniejsza
sie liczba przełączeń, w
końcu fala prostokątna
Napięcie wyjściowe:
Nieliniowa charakterystyka
sterowania
Pojawiają się harmoniczne
niższych rzędów
Amplituda składowej
podstawowej wyższa niż dla
ma < 1
SZ_EN_w6
36
Falownik 3f – prostokątne napięcia wyjściowe
Napięcia każdej fazy podobne jak w falowniku 1-fazowym
Każda faza przez 180o daje napięcie Vd ; przesunięcia między fazami 120o
Napięcie wyjściowe (wartość skuteczna składowej podstawowej):
V AB =
3 4 V d
2  2
=
6 V

d
≈0.78V d
jest o 27% wyższe od napięcia MSI w zakresie liniowym (0.78/0.612=1.27)
Harmoniczne:
V AB , h =
6 V
h
d≈
0.78
Vd
h
h=6 n±1, 2,3, ...
SZ_EN_w6
37
Falownik 3f – prostokątne napięcia wyjściowe
Uwaga: nie ma możliwości regulacji amplitudy przez zmianę przesunięcia fazowego
SZ_EN_w6
38
Stopień wykorzystania zaworów
Narażenia max:
6 par łączników
i diod
V T = V d , mzx
SWZ =
I T =  2 I o ,max
V⋅I 3faz
 3 V AB I o , max
1 V AB
=
=
6V T I T
6V d ,max  2 I o , max 2  6 V d ,max
MSI, liniowo:
SWZ =
Fala schodkowa:
SWZ =
 3 m = ma ≈0.125 m
a
a
8
26 22
1
1
6 =
26 
1
≈0.16
2
SZ_EN_w6
39
Falownik 3f – napięcia wyjściowe
Model obciążenia: sinusoidalne SEM i indukcyjności
Zasady takie same jak w 1-fazowym
Napięcie fazy obciążenia zależy nie tylko od napięcia fazy falownika
(napięcie w punkcie n różne od N i różne od o)
SZ_EN_w6
40
Falownik 3f – napięcia
Napięcia faz obciążenia vkn :
v An = v AN − v nN ,
v Bn = v BN − v nN ,
vCn = v CN − v nN ,
Z drugiej strony:
di k
v kn = L
e kn , i A i B i C =0 ,
dt
⇒ v An v BnvCn = 0
d
i i i =0 ,
dt A B C
e Ae B eC = 0
Napięcie między punktem gwiazdowym odbiornika n, a biegunem ujemnym zasilania N
v nN =
1
v v v 
3 AN BN CN
Napięcie fazy A odbiornika:
v An = v AN −v nN = v AN −
1
2
1
 v AN v BN v CN  = v AN −  v BN v CN 
3
3
3
Napięcia faz B i C można wyliczyć podobnym sposobem
Napięcia vkN są równe Vd lub 0, stąd napięcia faz odbiornika mogą być:
2/3−1/300 = 2/ 3 ,
0−1/ 300 = 0 ,
2/3−1/310 = 1/3 , 2/ 3−1/311 = 0
0−1/310 = −1/ 3 , 0−1/311 = −2/ 3
SZ_EN_w6
41
Falownik 3f – przebiegi
Tętnienia prądu przy MSI są znacznie mniejsze niż w falowniku schodkowym
SZ_EN_w6
42
Falownik 3f – prąd po stronie dc
Założenia jak w 1-fazowym
Składowe podstawowe decydują o mocy:
V d i *d = v An i A  v Bn i B  v Cn iC
1
1
1
Filtrowany prąd po stronie dc:
2V o I o
o
o
i =
[ cos1 t−  cos 1 t −120  cos1 t−120 −
Vd
3V o I o
cos1 t−240 o  cos1 t −240o − ] =
cos  = I d
Vd
*
d
Prąd po stronie dc nie zawiera składowej o częstotliwości 2f1, jak to miało
miejsce w falowniku 1-fazowym
SZ_EN_w6
43
Falownik 3f – prąd niefiltrowany po stronie dc
Do wartości średniej dochodzą harmoniczne wynikające z przełączania:
SZ_EN_w6
44
Falownik 3f – przewodzenie zaworów
Zakłada sie
schodkową falę
napięcia
Zakłada się, że
prąd jest opóźniony
o 30o
Dioda przewodzi
gdy napięcie i prąd
są różnych znaków
Czysto
rezystancyjne
obciążenie (nie
istniejące w
praktyce) nie
wymagałoby
obecności diod
SZ_EN_w6
45
Falownik 3f – przewodzenie zaworów przy MSI
Przesuniecie fazowe
jak poprzednio
Prąd sinusoidalny
SZ_EN_w6
46
Falownik 3f – czas martwy (blanking time)
Poprzednio zakładano, że zawory są
idealne; w praktyce trzeba uwzględnić
opóźnienia przy załączaniu i wyłączaniu
Aby zapobiec zwarciu źródła dc przez
dwa komutujące łączniki (w tym samym
ramieniu falownika) wprowadza się czas
martwy przy przełączaniu
Czas martwy (do kilku mikrosekund)
dobiera się z uwzględnieniem parametrów
łączników (tranzystorów)
Czas martwy wpływa na wartość
„średnią chwilową” napięcia, powodując
jego deformację
SZ_EN_w6
47
Czas martwy – wpływ na przekształtniki dc/dc
Napięcie sterujące jest stałe
Czas martwy t∆ wprowadza spadek napięcia ∆V w każdym cyklu przełączeń
Ważny jest znak prądu w chwili komutacji
t
Ts
t
 V BN = −
Ts
 V AN = 
gdy i A0 ;
gdy i A0 ;
t
 V o = 2 V d
TS
t
 V o = −2 V d
TS
t
Ts
t
 V BN = 
Ts
 V AN = −
gdy
i A 0
gdy
i A 0
SZ_EN_w6
gdy i A0
gdy i A0
48
Czas martwy – odkształcenie napięcia
SZ_EN_w6
49
Wpływ czasu martwego na falowniki
Założenia:
sinusoidalne
napięcia sterujące
Sinusoidalne
napięcie wyjściowe
Pojawiają sie
odkształcenia przy
każdym przejściu
prądu przez zero
=> harmoniczne
rzędów: 3,5,7,...
SZ_EN_w6
50
Inne metody sterowania falowników:
a) eliminacja wybranych harmonicznych
Harmoniczne eliminuje
się przez specjalny dobór
odstępów czasowych
między impulsami, tak
aby:
Regulować składową
podstawową
Eliminować
harmoniczne niższych
rzędów: 5,7
Obliczenia
optymalnych odstępów
wymagają iteracji
SZ_EN_w6
51
Inne metody sterowania falowników:
histerezowa regulacja prądu
Prąd zadany i mierzony
decydują o chwilach
przełączeń
Częstotliwość
przełączeń nie jest stała
Prąd mieści się w
założonej strefie;
zapewnia to ochronę
przed przetężeniami
SZ_EN_w6
52
Inne metody sterowania falowników:
regulacja PI prądu, z wykorzystaniem MSI
Regulator prądu , najczęściej PI, generuje sygnał sterujący vcontrol dla modulatora MSI
Częstotliwość przełączeń jest stała
Ograniczenie sygnału zadanego i*A zapewnia ochronę przed przetężeniami
Sprzężenie w przód (feed-forward) może być wykorzystane do kompensacji wpływu sem
oraz czasu martwego
SZ_EN_w6
53
Praca prostownikowa falownika
Zmiana przesunięcia
fazowego między
napięciem wyjściowym a
napięciem wewnętrznym
(sem )
Przejście do zwrotu
energii (praca
prostownikowa) odbywa
sie samoczynnie
Zmienia się znak
średniej wartości prądu po
stronie dc
SZ_EN_w6
54
Download