Jednofazowy falownik napięcia z aktywnym obwodem
advertisement
Studium Doktoranckie Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Jednofazowy falownik napięcia z aktywnym obwodem odsprzęgającym Piotr CZYŻ [email protected] Opiekun naukowy: prof. dr hab. inż. Janusz Nieznański I. Wstęp Dla jednofazowego falownika napięcia generowana na wyjściu chwilowa moc czynna głównie zawiera składową stałą oraz składową zmienną o częstotliwości dwukrotnie większej od częstotliwości sieci. Ograniczenie składowej zmiennej prądu pobieranego ze źródła napięcia stałego w najprostszym przypadku można uzyskać poprzez zastosowanie baterii kondensatorów o stosunkowo bardzo dużej wartości pojemności. Sposób ten, określany odsprzęganiem pasywnym, realizowany jest najczęściej z wykorzystaniem kondensatorów elektrolitycznych. Ich krótki czas życia jest najczęstszą przyczyną awarii falowników, natomiast duże gabaryty determinują wymiary przekształtnika. Aby zwiększyć niezawodność i kompaktowość urządzeń stosowane są aktywne układy odsprzęgania mocy (z ang. Active Power Decoupling - APD). Techniki te zakładają wykorzystanie dodatkowych łączników, dławika i kondensatorów, które pozwalają na zmniejszenie wartości pojemności baterii kondensatorów, dzięki czemu kondensatory elektrolityczne można zastąpić polipropylenowymi kondensatorami foliowymi typu MKP. Przedstawiono wyniki symulacyjne oraz eksperymentalne działania jednofazowego falownika napięcia z APD w układzie podwyższającym napięcie. W pierwszej części zaprezentowano ideę odsprzęgania składowej przemiennej mocy. Głównym punktem opracowania jest zaproponowany sposób sterowania tranzystorami, umożliwiający magazynowanie i oddawanie energii z kondensatora odsprzegającego w zależności od różnicy pomiędzy chwilową i średnią mocą wyjściową. W celu weryfikacji zaproponowanego modelu sterowania przeprowadzono symulacje w programie PSIM. Działanie zaproponowanego rozwiązania zostało zademonstrowane w prototypie falownika jednofazowego przy mocy wyjściowej ok. 500 W. Wykonano badania statyczne zbudowanego prototypu oraz pomierzono sprawność układu. Zarejestrowane przebiegi charakteryzują się dużą zbieżnością z wynikami symulacji komputerowych. V. Podsumowanie Przedstawiono wyniki symulacyjne oraz eksperymentalne działania jednofazowego falownika napięcia z aktywnym obwodem odsprzęgającym w układzie podwyższającym napięcie. Wyniki eksperymentalne potwierdzają, że prąd wejściowy posiada znacznie zredukowaną drugą harmoniczną. Mimo dodatkowych elementów aktywnych i pasywnych sprawność układu jest na wysokim poziomie i wynosi ok. 94,2%. Zaproponowane rozwiązanie charakteryzuje się łatwą implementacją w falowniku jednofazowym i pozwala na skuteczną redukcję drugiej harmonicznej z napięcia i prądu wejściowego. Dzięki zastosowaniu kondensatorów polipropylenowych zamiast kondensatorów elektrolitycznych spodziewane jest także wydłużenie żywotności urządzenia. II. Zasada działania układu z aktywnym obwodem odsprzęgającym W jednofazowym falowniku napięcia wyjściowe wielkości chwilowe można opisać jako: u AC (t ) 2 U AC sin(t ), i AC (t ) 2 I AC sin(t ) Na podstawie powyższego opisu można zatem przedstawić moc wyjściową falownika pAC(t) jako: p AC (t ) u AC (t ) i AC (t ) U AC I AC (cos( ) cos( 2t )) Moc wyjściowa zawiera zatem dwie składowe: zmienną o częstotliwości równej podwojonej częstotliwości generowanej na wyjściu falownika oraz składową stałą. Aby uniknąć występowania dużych tętnień napięcia i prądu w obwodzie napięcia stałego najczęściej stosuje się odsprzęganie pasywne, realizowane za pomocą dużej baterii kondensatorów elektrolitycznych (Clink). Zastosowanie aktywnego obwodu odsprzęgania mocy pozwala na idc idec T T1 T3 wyeliminowanie baterii kondensatorów 5 elektrolitycznych. Ideą działania aktywnego Lout Rload odsprzęgania mocy w topologii UDC Ldec Cstore iout Cout podwyższającej napięcie jest zastosowanie ustore uout Clink dodatkowego kondensatora wysokoT6 napięciowego Cstore, który zamiast baterii T2 T4 Clink służy do magazynowania energii potrzebnej na wyeliminowanie składowej zmiennej mocy. III. Strategia sterowania Po prawej przedstawiono schemat algorytmu P p sterowania falownika z aktywnym obwodem u odsprzęgającym, który składa się z układu T5, T6 regulacji napięcia średniego w obwodzie Ustore + + ustore Regulator Cstore + predykcyjny PID odsprzęgającym oraz z bloku regulatora prądu predykcyjnego prądu. Sterowanie układem zrealizowano w oparciu o pomiar napięcia Uśrednianie kondensatora ustore, prądu dławika idec oraz prądu wyjściowego iout. W układzie regulacji wartości średniej napięcia na kondensatorze odsprzęgającym przyjęto stałą wartość zadaną równą 260 V. W omawianym układzie regulacji wykorzystano regulator PID. Wartość prądu referencyjnego obliczana jest na podstawie różnicy pomiędzy mocą średnią, a mocą chwilową odniesioną do napięcia wejściowego DC. Do formowania przebiegów prądu odsprzęgającego wykorzystano klasyczny regulator predykcyjny. Algorytm sterowania zaimplementowano w mikrokontrolerze sygnałowym TMS320F28335. AVG out DC IV. Wyniki symulacyjne i eksperymentalne W celu weryfikacji zaproponowanego modelu sterowania przeprowadzono symulacje i wykonano prototyp falownika. Zarówno w modelu symulacyjnym jak i rzeczywistym prototypie użyto tych samych parametrów. Po prawej zostały zeprezentowane wybrane przebiegi symulacyjne prądów i napięć falownika w stanie ustalonym przy mocy wyjściowej 500 W. Z rysunku (d) można odczytać, że wartość zadanego napięcia kondensatora odprzęgającego wynosiła 260 V oraz że jego częstotliwość jest dwa razy większa od częstotliwości napięcia wyjściowego. Zaproponowany układ aktywnego odsprzęgania mocy w jednofazowym falowniku napięcia został przetestowany w wykonanym prototypie. Wyniki przedstawione na oscylogramie potwierdzają poprawną pracę układu. Z oscylogramu można odczytać, że fluktuacje prądu wejściowego wynoszą mniej niż 20%. Przy mocy wyjściowej ok. 500 W i zadanej wartości napięcia średniego na kondensatorze odsprzęgającym 260 V napięcie fluktuuje ok. ±60V. Zmierzona w układzie sprawność wynosi 94,2%. Fotografia wykonanego prototypu Wyniki symulacyjne: a) 3.6 idc [A] 3.4 3.2 0 10 20 30 40 50 b) 60 70 80 90 100 t [ms] 10 iout [A] 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t [ms] c) 200 uout [V] 0 -200 0 10 20 30 40 50 d) 60 70 80 90 100 t [ms] 350 ustore [V] 300 250 200 0 10 20 30 40 50 60 70 Wyniki eksperymentalne: 80 90 100 t [ms]
