ANALIZA WPŁYWU CZASÓW MARTWYCH NA WŁAŚCIWOŚCI HYBRYDOWEGO ENERGETYCZNEGO FILTRU AKTYWNEGO

Transkrypt

1 ELEKTRYKA 2012 Zeszy 3-4 ( ) Rok LVIII Tomasz ADRIKOWSKI, Dawid BUŁA, Marian PASKO Insyu Elekroechniki i Informayki, Poliechnika Śląska w Gliwicach ANALIZA WPŁYWU CZASÓW MARTWYCH NA WŁAŚCIWOŚCI HYBRYDOWEGO ENERGETYCZNEGO FILTRU AKTYWNEGO Sreszczenie. W pracy przedsawiono analizę wpływu czasów marwych na właściwości hybrydowego energeycznego filru akywnego. Jako przykład posłużył rójfazowy filr hybrydowy w układzie z filrem pasywnym jednej harmonicznej. Pokazano wpływ czasów marwych przekszałnika na jego napięcia wyjściowe oraz na efek redukcji wyższych harmonicznych przez układ hybrydowy. Słowa kluczowe: energeyczny filr akywny, wyższe harmoniczne, falownik napięcia ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF DEAD TIME ON THE HYBRID ACTIVE POWER Summary. In he paper influence of volage inverer dead ime on filering properies of hybrid acive power filer was analyzed. The hybrid filer wih single uned passive filer was used as an example. The effec of inverer dead ime o he oupu volages as well as impac on harmonics reducion by hybrid filer were presened. Keywords: acive power filer, higher harmonics, volage inverer 1. WSTĘP Przedmioem rozważań jes rójfazowy hybrydowy energeyczny filr akywny (HEFA) [2,3,6,11], kóry sanowi połączenie klasycznego pasywnego filru wyższych harmonicznych i energeycznego filru akywnego (EFA). Połączenie obu rozwiązań pozwala na uzyskanie lepszych właściwości filracyjnych w sosunku do układu pasywnego oraz na obniżenie wymaganej mocy pozornej układu akywnego [2,3,11]. Układ sosowany jes w celu eliminacji wyższych harmonicznych prądu sieci oraz saycznej kompensacji mocy biernej podsawowej harmonicznej. Niezależnie od konfiguracji HEFA, elemenem wykonawczym części akywnej układu jes przekszałnik ranzysorowy generujący napięcia o zadanym przez układ serowania kszałcie. Z powodu skończonego czasu zmiany sanów ranzysorów konieczne jes wprowadzenie w ich serowaniu czasów marwych. Czasy marwe powodują

2 90 T. Adrikowski, D. Buła, M. Pasko naomias odkszałcenie generowanych napięć, co może sanowić isony problem w działaniu układu. Przykładowo, w przypadku energeycznego filru akywnego konieczna jes kompensacja czasów marwych [8,9,10], gdyż mogą one w znacznym sopniu obniżyć efekywność filracji wyższych harmonicznych prądów [1]. W arykule dokonano analizy wpływu czasów marwych na właściwości filracyjne układu HEFA na przykładzie konfiguracji z połączeniem szeregowym filru pasywnego siódmej harmonicznej i układu EFA [4,5,7,12]. Schema badanego układu zosał pokazany na rys. 1. Rys. 1. Trójfazowy energeyczny filr hybrydowy z filrem pasywnym jednej harmonicznej Fig. 1. Three-phase hybrid acive power filer wih single uned passive filer Zasosowanie w analizowanym układzie filru pasywnego dla jednej harmonicznej pozwala na obniżenie koszów, ale pociąga za sobą konieczność rozbudowy układu serowania. Algorym serownia przedsawiony zosał w poprzednich pracach auorów [4,5]. Pozwala on na wyznaczenie wzorów napięć wyjściowych przekszałnika v k1,2,3 zależnych od wyższych harmonicznych prądów źródła oraz wybranych wyższych harmonicznych prądów odbiornika. Daje o możliwość kszałowania charakerysyk filracyjnych układu HEFA dla wybranych harmonicznych [4, 5]. Schema algorymu wyznaczania napięć wzorcowych przekszałnika pokazano na rys. 2.

3 Analiza wpływów czasów 91 Rys. 2. Schema algorymu wyznaczania napięć wzorcowych przekszałnika Fig. 2. Diagram of he algorihm deermining he reference volage of he inverer 2. CZASY MARTWE I SPOSÓB ICH KOMPENSACJI Wprowadzenie czasu marwego d do przebiegów serujących parami ranzysorów przekszałnika zaburza współczynnik wypełnienia przebiegu wyjściowego. Wpływ czasu marwego zosał przeanalizowany na przykładzie fazy L1 (rys. 3a). W czasie marwym d żaden z ranzysorów T11, T12 nie przewodzi, naomias przewodzi jedna z diod: dolna (przy T12), jeżeli prąd wyjściowy i K1 > 0 oraz górna (przy T11), jeżeli i K1 < 0. W związku z ym przebieg napięcia wyjściowego v k1 kszałuje się odmiennie w zależności od znaku i K1 : a) jeżeli w danym k-ym cyklu przewarzania PWM i K1 > 0, wówczas jego szerokość impulsu ΔT k zmniejsza się o d, co prowadzi do zaniżenia współczynnika wypełnienia D k o ΔD do warości: D d k (rys. 3a): Dd k Dk D (dla i K1 > 0), (1) gdzie: D k T T k PWM, D T d PWM, T PWM okres cyklu PWM,

4 92 T. Adrikowski, D. Buła, M. Pasko b) jeżeli w danym l-ym cyklu przewarzania PWM i K1 < 0, wówczas szerokość impulsu ΔT l zwiększa się o d, co prowadzi do zawyżenia współczynnika wypełnienia D l o ΔD do warości: D d l (rys.3a): Dd l Dl D (dla i K1 < 0), (2) gdzie: D l Tl. T PWM Czas marwy można skompensować poprzez zwiększenie współczynnika wypełnienia przebiegów serujących g 11, g 12 o ΔD (zwiększenie szerokości impulsu o d ), jeżeli i K1 > 0, oraz zmniejszenie o ΔD (zmniejszenie szerokości impulsu o d ), jeżeli i K1 < 0 [9]. W efekcie ej koreky współczynnik wypełnienia przebiegu v K1 osiąga zamierzone warości (szerokość impulsu ΔT k ) dla i K1 > 0 oraz D l (szerokość impulsu ΔT l ) dla i K1 < 0 (rys. 3b). Efekem ubocznym koreky jes ograniczenie głębokości modulacji PWM do zakresu: D k D D 1 D (względem 0 < D < 1), (3) co przekłada się na ograniczenie dopuszczalnego zakresu napięcia wejściowego modulaora u K1, do poziomu ±u K1 max : Vdc uk 1max 1 2 D (względem 2 Vdc uk1max ). (4) 2 Przekroczenie zakresów (3), (4) prowadzi do przeserowania modulaora. Korekę współczynnika wypełnienia (1), (2) można przeliczyć na wymaganą zmianę napięcia u K1, przemnażając je przez korekcyjny współczynnik wzmocnienia K c : K c uk1c DVdc 1 sign i K1, (5) u u K1 K1 gdzie: u K1c skorygowane napięcie wejściowe modulaora.

5 Analiza wpływów czasów 93 a) b) g 11 T k d =0 d =0 d =0 T l V dc /2 0 -V dc /2 g 12 i K1 v K1 d =0 d =0 d d d d d T k d T l + d d =0 d =0 T PWM T PWM Rys. 3. Przykładowe przebiegi przekszałnika: a) z wprowadzonym czasem marwym d dla fazy L1, b) po wprowadzeniu kompensacji czasu marwego: przebiegi serujące g 11, g 12 parą ranzysorów T11, T12, prąd i K1, napięcie wyjściowe v K1 Fig. 3. Example of inverer waveforms: a) wih dead ime d for phase L1, b) afer he daed ime compensaion: gae waveforms g 11, g 12 for ransisors T11, T12, i K1 curren, v K1 oupu volage 3. WYNIKI SYMULACJI ORAZ ICH ANALIZA Przed wprowadzeniem kompensacji czasów marwych w rozparywanym układzie przeprowadzono jego symulację w środowisku Malab-Simulink. Dla symulacji założono nasępujące warunki: E 1,2,3 = 230 V, R S = 0,1 Ω, L S = 0,2 mh, L 7 = 4,2 mh, C 7 = 50 μf, R 7 = 0,4 Ω, P L = 5 kw, f PWM = 25 khz. Na rysunku 4 przedsawiono wyniki symulacji dla dwóch przypadków czasów marwych, j. dla d = 1 μs (rys. 4a) oraz d = 6 μs (rys. 4b). W drugim przypadku widoczne jes znaczne odkszałcenie generowanego napięcia ν K1 od napięcia wzorcowego ν K1w, co wynika ze sosunkowego długiego czasu marwego. Zaskakujące naomias może się wydawać, że w obu przypadkach wynik filracji wyższych harmonicznych prądu jes zbliżony. Wynika o naomias ze sosunkowo niskiej zawarości wyższych harmonicznych wprowadzanych przez czasy marwe w przebiegach napięć wyjściowych układu, co widoczne jes na przebiegach błędu napięcia wyjściowego Δν K1 (rys. 4). Dodakowo rozparywany filr serowany jes częściowo w układzie zamknięym [4,5,12], co powoduje kompensację błędu wprowadzonego przez czasy marwe. W analizowanych przypadkach kompensacja a była na yle wysarczające, iż nie było konieczności modyfikacji układu serowania w celu redukcji wpływu czasów marwych na działanie HEFA.

6 94 a) T. Adrikowski, D. Buła, M. Pasko b) Rys. 4. Wyniki symulacji. Przebiegi prądu odbiornika il1, prądu sieci is1, napięcia kompensaora vk1 wraz z napięciem wzorcowym vk1w oraz błędu generowanego napięcia ΔvK1, przy założeniu a) d = 1 μs, b) d = 6 μs. (przebieg napięcia vk1 po odfilrowaniu częsoliwości kluczowania) Fig. 4. Simulaion resuls. Load curren il1, source curren is1, hybrid filer volage vk1, reference volage vk1w error of generaed volage ΔvK1 on he assumpion, a) d = 1 μs, b) d = 6 μs 4. PODSUMOWANIE W arykule pokazano analizę wpływu czasów marwych w sygnałach bramkowych ranzysorów hybrydowego energeycznego filru akywnego na jego właściwości filrujące. Mimo znacznej zależności przebiegów napięć wyjściowych przekszałnika od czasów marwych nie miały one isonego wpływu na uzyskiwane wyniki filracji wyższych harmonicznych prądów sieci. W przypadku wprowadzenia czasów marwych o warości 6 μs uzyskana warość THD dla prądu sieci wynosiła 3,3%. Sosowane w analizowanym filrze hybrydowym serowanie w układzie zamknięym powoduje, iż nie ma konieczności dodakowej kompensacji czasów marwych, a ich jedyny wpływ zauważalny jes w ograniczeniu maksymalnych warości generowanych napięć wyjściowych oraz w niewielkim wzroście podsawowej harmonicznej prądu kompensaora (o około 5% w przypadku d = 6 μs). Zaznaczyć jednak należy, że uzyskane wyniki doyczą konkrenej konfiguracji hybrydowego energeycznego filru akywnego i mogą one różnić się dla innych ypów HEFA oraz innych rodzajów serowania i ypu odbiornika. Na rysunku 5 pokazano dodakowo wyniki badań laboraoryjnych analizowanego układu przy założeniu czasu marwego d = 1 μs.

7 Analiza wpływów czasów 95 i L1 i S1 v k1 Rys. 5. Porównanie przebiegów prądów odbiornika i L, prądów źródła i S, oraz generowanego napięcia v k dla różnych przypadków obciążenia. Wyniki laboraoryjne, d = 1 μs Fig. 5. Load currens i L, source currens i S and oupu volage v k comparison for differen cases of load. Experimenal resuls, d = 1 μs BIBLIOGRAFIA 1. Adrikowski T., Buła D., Pasko M.: Poprawa właściwości energeycznego filru akywnego poprzez redukcję wpływu czasów marwych. MSiZwT, Kościelisko, czerwiec Akagi H., Waanabe E.H., Aredes M.: Insananeous Power Theory and Applicaions o Power Condiioning, Wiley IEEE Press, Bhaacharya S., Cheng P., Divan D.: Hybrid soluions for improving passive filer performance in high power applicaions. IEEE Trans. Ind. Appl. 1997, vol. 33, no. 3, p Buła D., Pasko M.: Dynamical properies of hybrid power filer wih single uned passive filer. Przegląd Elekroechniczny 2011, nr 1, s Buła D., Pasko M.: Hybrydowy energeyczny filr akywny w układzie z filrem pasywnym dla jednej harmonicznej. Przegląd Elekroechniczny 2010, nr 3, s Fuchs E., Masoum M.A.S.: Power Qualiy in Power Sysems and Elecrical Machines. Elsevier/Academic Press, Inzunza R., Akagi H.: A 6.6 kv ransformerless shun hybrid acive filer for insallaion on a power disribuion sysem. IEEE Trans. Power Elecron. 2005, vol. 20, no. 4, p Kerkman. R. J., Legae D., Schlegel D. W., Winerhaler C.: Effecs of Parasiics on he Conrol of Volage Source lnverers. IEEE Transacions on Power Elecronics 2003, vol. 18, no. 1, p Leggae D., Kerkman R. J.: Pulse Based Dead Time Compensaor for PWM Volage Inverers. IEEE Trans. Ind. Applica. 1997, p

8 96 T. Adrikowski, D. Buła, M. Pasko 10. Munoz Alfredo R., Lipo Thomas A.: On-Line Dead-Time Compensaion Technique for Open-Loop PWM-VSI Drives. IEEE Transacions on Power Elecronics 1999, vol. 14, no. 4, p Pasko M., Buła D.: Hybrydowe energeyczne filry akywne. Przegląd Elekroechniczny 2007, nr 7/8, s Tangheerajaroonwong W., Haada T., Wada K., Akagi H.: Design and performance of a ransformerless shun hybrid filer inegraed ino a hree phase diode recifier. IEEE Trans. Power Elecron. 2007, vol. 22, no. 5, p Wpłynęło do Redakcji dnia 10 grudnia 2012 r. Recenzen: Prof. dr hab. inż. Ryszard Nawrowski Dr inż. Tomasz ADRIKOWSKI Poliechnika Śląska Insyu Elekroechniki i Informayki ul. Akademicka Gliwice Tel. (032) ; Tomasz.Adrikowski@polsl.pl Dr inż. Dawid BUŁA Poliechnika Śląska Insyu Elekroechniki i Informayki ul. Akademicka Gliwice Tel. (032) ; Dawid.Bula@polsl.pl Prof. dr hab. inż. Marian PASKO Poliechnika Śląska Insyu Elekroechniki i Informayki ul. Akademicka Gliwice Tel. (032) ; Marian.Pasko@polsl.pl