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 21 − I d − 2 I d2 cos 21 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 hd = 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 26 22 1 1 6 = 26 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 BnvCn = 0 d i i i =0 , dt A B C e Ae 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: 2/3−1/300 = 2/ 3 , 0−1/ 300 = 0 , 2/3−1/310 = 1/3 , 2/ 3−1/311 = 0 0−1/310 = −1/ 3 , 0−1/311 = −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 = [ cos1 t− cos 1 t −120 cos1 t−120 − Vd 3V o I o cos1 t−240 o cos1 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 A0 ; gdy i A0 ; 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 A0 gdy i A0 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
