Przekształtnik sieciowy AC/DC przy sterowaniu napięciowym i prądowym analiza porównawcza

Transkrypt

1 Adam RUSZCZYK, Andrzej SIKORSKI Politechnika Białostocka, Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Przekształtnik sieciowy AC/DC przy sterowaniu napięciowym i prądowym analiza porównawcza Streszczenie. Trójfazowy przekształtnik tranzystorowy AC/DC zapewnia dwukierunkowy przepływ energii przy sinusoidalnym prądzie pobieranym z sieci. W artykule zaprezentowano różne metody napięciowego i prądowego sterowania tego przekształtnika przy współczynniku cosϕ=1. Jego właściwości w głównej mierze zależą od przyjętej metody sterowania (napięciowa lub prądowa, liniowa lub nieliniowa). Przedyskutowano wady i zalety różnych metod sterowania. Rozważania teoretyczne zostały potwierdzone badaniami na modelu laboratoryjnym. Abstract. The AC/DC converter enable the bi-directional power flow with the sinusoidal waveform shape absorbed from the net. The different methods of voltage or current control of this converter with the input power coefficient equal to 1 are presented in the article. The properties of this converter depends on control method realization (voltage or current, linear or non-linear). The advantages and disadvantages of such a control method are discussed. The theoretical research is confirmed by the laboratory model investigation.(the comparative analysis of voltage and current control method of the AC/DC converter). Słowa kluczowe: przekształtnik AC/DC, sterowanie prądowe, sterowanie napięciowe Keywords: AC/DC converter, current control, voltage control Wstęp Przekształtniki AC/DC jako źródła napięcia stałego lub jako pierwszy człon przekształtnika AC/DC/AC są stosowane coraz częściej, stanowiąc znaczącą część urządzeń podłączonych do sieci. Stosowanie klasycznych prostowników diodowych powoduje wprowadzanie do sieci zasilającej prądu deformacji będącego przyczyną strat mocy w liniach przesyłowych. Stąd rosnące zainteresowanie przekształtnikami AC/DC z sinusoidalnym prądem pobieranym z sieci zasilającej przy współczynniku mocy równym jeden. W większości rozwiązań część silnoprądową przekształtnika stanowi klasyczny mostek tranzystorowy (rys.1a), który poprzez sterowanie prądowe zostaje zamieniony w źródło prądu pobierające prąd sinusoidalny z sieci zasilającej (pierwsza harmoniczna). a) b) c) Im i y E U L L R~0 U ~ U* Rys.1. Konfiguracja części silnoprądowej przekształtnika AC/DC (a) jego schemat zastępczy w wirującym układzie współrzędnych y (b) oraz odpowiadający mu wykres wskazowy (c) i y E ~ U* Re LOAD U= i ~U* L L y y Integralną częścią przekształtnika AC/DC są dławiki sieciowe. Ich indukcyjność powinna być dobrana w odpowiedni sposób. Powinna ona być na tyle mała, aby przy maksymalnym prądzie pobieranym z sieci, założonym dla projektowanego przekształtnika, zachować możliwość kontroli kształtu prądu [4], a jednocześnie na tyle duża, aby możliwie najlepiej eliminować tętnienia prądu związane ze zmianami stanu łączników przekształtnika. Trójfazowy przekształtnik tranzystorowy AC/DC zapewnia dwukierunkowy przepływ energii (z sieci i do sieci zasilającej) przy praktycznie sinusoidalnych prądach i współczynniku cosϕ=1. Jednakże jego właściwości w głównej mierze zależą od przyjętej metody sterowania (napięciowa lub prądowa, liniowa lub nieliniowa). Każda z tych metod ma na celu takie sterowanie przekształtnikiem, aby na jego trójfazowym wejściu kształtować zadany wektor napięcia * (rys. 1c). Składowa tego wektora jest proporcjonalna do wektora napięcia sieci E, a składowa y jest proporcjonalna do spadku napięcia U L na indukcyjności dławików sieciowych L. Spadek napięcia na indukcyjności jest wywołany przepływem prądu zadanego. Do dalszej analizy należy założyć, że sterowanie przekształtnika powinno być realizowane w układzie polowo zorientowanym (VOC). Można wtedy przyjąć, że wektor napięcia sieci pokrywa się z osią O układu współrzędnych i ma zwrot dodatni. Oznacza to, że wektor ten może być reprezentowany przez wielkość skalarną E [1]. Poszczególne metody sterowania zaprezentowane w dalszej części artykułu charakteryzują się odmiennym sposobem kształtowania zadanego wektora *. Metody sterowania można podzielić na dwie podstawowe grupy. Pierwsza, to sterowanie napięciowe (bez regulatorów prądu). Ich podstawową zaletą jest brak pomiaru prądów, który w układach praktycznych podnosi koszt przekształtnika. Układy pomiarowe prądu mogą być przyczyną dodatkowych awarii (np. uszkodzenie czujnika pomiarowego, przerwanie ciągłości toru prądowego). Druga grupa metod sterowania, to sterowanie prądowe, które bazuje na informacji o aktualnej wartości prądu pobieranego z sieci zasilającej i jego uchybie względem wartości zadanej. Sterowanie prądowe może być podzielone na dwie podgrupy. Pierwsza dotyczy układów wykorzystujących liniowe regulatory prądu (typu PI) do zadawania napięcia wyjściowego przekształtnika. Napięcie to kształtowane jest przez modulator MSI. Druga podgrupa obejmuje nieliniowe 52

2 regulatory prądu (np. histerezowe lub z modulacją typu delta) pełniące równocześnie rolę modulatora. Sterowanie napięciowe Sterowanie napięciowe jest jedną z najprostszych, a zarazem tanich metod realizacji sterowania. Tak jak to pokazano na rysunku 2, do jego realizacji niezbędna jest informacja o uchybie napięcia U dc na wyjściu stałonapięciowym. napięciem sieci [3]. Rozwiązaniem tego problemu jest wprowadzenie pomiaru amplitudy wektora napięcia sieci zasilającej (rys. 4). Jednakże, w ten sposób rośnie również złożoność i koszt struktury sterowania przekształtnika. Rys. 4. Struktura wektorowego sterowania napięciowego przekształtnika AC/DC z mierzoną amplitudą napięcia sieci Rys. 2. Struktura wektorowego sterowania napięciowego przekształtnika AC/DC z założoną stałą wartością napięcia sieci Wyjście regulatora napięcia R U dc zadaje wartość prądu jaką trzeba pobrać z sieci zasilającej, aby do kondensatora dostarczyć odpowiednią ilość mocy czynnej. Jedyną dodatkową informacją wymaganą w układzie sterowania jest znajomość reaktancji dławików sieciowych L. Wektor napięcia wyjściowego może być opisany zależnością: (1) * * * * U = U + ju = E + j i y y L Do realizacji takiego sterowania przyjmuje się następujące założenia upraszające: - reaktancja dławików jest stała, bez nasycenia, - napięcie sieci zasilającej jest sinusoidalne, o stałej, znamionowej amplitudzie, - zadawany prąd pobierany z sieci zasilającej jest w fazie z napięciem sieci i odpowiada za pobieraną moc czynną. Często okazuje się, że wartość napięcia sieci zasilającej odbiega od znamionowej. Prowadzi to do zmiany układu napięć w schemacie zastępczym układu przekształtnik-sieć (rys. 1b). Sterowanie prądowe liniowe Sterowanie prądowe realizowane jest przez zamknięcie pętli sprzężenia zwrotnego od prądów pobieranych z sieci zasilającej. W przypadku sterowania linowego (rys. 5) wykorzystuje się regulatory typu PI, które na podstawie uchybu prądu zadają napięcie (pierwsza harmoniczna), które powinno być kształtowane na wyjściu przekształtnika aby wymusić przepływ prądu zadanego. Rysunek 5 przedstawia regulatory PI pracujące na składowych prądu przeniesionych do wirującego z pulsacją synchroniczna układu y. Możliwa jest też realizacja regulacji prądu w układzie trójfazowym oraz stacjonarnym αβ, ale wtedy uchyb regulowanych prądów pozostaje niezerowy. Rys. 5. Struktura wektorowego sterowania prądowego z liniowymi regulatorami prądu typu PI Rys. 3. Zmiana położeń wektorów napięć i wektora prądu wywołana nie uwzględnianą zmianą amplitudy napięcia sieci Ponieważ, z godnie z drugim prawem Kirchoffa, suma spadków napięć w oczku musi być równa zero, to trójkąt napięć z rysunku 3 zamknie się tracąc prostopadłość pomiędzy wektorem E i U L. To z kolei spowoduje, że prąd pobierany z sieci zasilającej nie będzie już w fazie z W torze zadawania składowej napięcia wyjściowego przekształtnika dodaje się stałą wartość, która jest w przybliżeniu równa amplitudzie wektora siły elektromotorycznej. Zadanie tej wartości jest warunkiem koniecznym, który należy spełnić, aby przekształtnik AC/DC mógł ruszyć. Wartość E nie musi być mierzona. Jeżeli wartość dodana E jest różna od wartości rzeczywistej, to pojawi się niezerowej wartości w składowej i y prądu pobieranego z sieci. Regulator R i y odpowiadający za utrzymywanie zerowej wartości składowej i y dodaje 53

3 brakującą część do składowej U napięcia wyjściowego przekształtnika. Po czasie przejściowym związanym ze stałą czasową regulatora R i y przekształtnik zaczyna pobierać z sieci wyłącznie moc czynną. Regulator R i odpowiada za zadawanie składowej U y napięcia wyjściowego przekształtnika, która wymusza pobór z sieci zasilającej zadanego prądu. Nie jest konieczna w takim przypadku znajomość wartości indukcyjności dławików sieciowych, chociaż wiedza o ich wartości może być pomocna do ustalenia stałej czasowej obwodu regulacji i doborze nastaw regulatorów. Wadą tak zrealizowanego sterowania przekształtnika AC/DC jest konieczność doboru nastaw trzech regulatorów PI. Nastawy tych regulatorów odpowiadają za czas reakcji przekształtnika w stanach przejściowych (odpowiedź na skokową zmianę obciążenia na wyjściu stałonapięciowym), a także za wartość tętnień napięcia na kondensatorze w stanach statycznych. Zawsze jest to kompromis miedzy pracą statyczną i dynamiczną. Jako wspólną zaletę przedstawionych dotychczas metod sterowania można potraktować pracę przekształtnika ze stałą, średnią częstotliwością łączeń. Częstotliwość ta wynika z częstotliwości modulacji PWM i dla modulatora typu 6-step jest ona sześć razy większa od częstotliwości modulacji. Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie filtrów pasywnych, strojonych na wybrane częstotliwości do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych generowanych przez przekształtnik. Sterowanie prądowe nieliniowe Sterowanie nieliniowe realizowane jest przez wykorzystanie nieliniowych regulatorów w pętli sprzężenia prądowego (rys. 6). Blok modulatora PWM w takim przypadku nie występuje ponieważ regulatory nieliniowe pełnia równocześnie rolę modulatora. jeżeli zawartość wyższych harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci elektrycznej określona współczynnikiem THD I jest zbliżona dla różnych metod, to w metodzie z nieliniowym regulatorem prądu ulega ona rozmyciu w widmie częstotliwości i może się okazać, że nie musi być filtrowana. Badania laboratoryjne Do budowy układu sterowania wykorzystano 32-bitowy, zmiennoprzecinkowy procesor DSP. Opisane struktury sterowania zrealizowano programowo w procesorze. W części silnoprądowej do badań eksperymentalnych wykorzystano moduł przekształtnika tranzystorowego. Moduł przeznaczony jest do pracy w zakresie częstotliwości modulacji PWM do f PWM =20kHz, z maksymalnym prądem kolektora do I C =15A i napięciem na złączu kolektor-emiter pojedynczego tranzystora do U CEma =1200V. Moduł połączony jest z siecią zasilającą poprzez trzy włączone szeregowo, indywidualne dławiki sieciowe o dopuszczalnym, skutecznym prądzie obciążenia równym I Lsk =15A. Dławiki wykonane są na rdzeniach z blach stalowych. Istnieje możliwość regulowania indukcyjności dławików poprzez regulację szczelin powietrznych jarzm dławików. Wartość indukcyjności wszystkich dławików została ustawiona na L=39,6mH. Rezystancja uzwojeń każdego z dławików R=0,4Ω. Przekształtnik zasilany był napięciem fazowym o wartości skutecznej U sk =115V, co odpowiada połowie napięcia znamionowego. Zadane napięcie wyjściowe było równe U dc =325V (połowa napięcia znamionowego). Na wyjściu przekształtnika znajduje się filtr pojemnościowy, którego głównym elementem są energetyczne kondensatory elektrolityczne o pojemności C=2200μF. Wyjście stałonapięciowe zostało obciążone odbiornikiem o charakterze rezystancyjnym. Odbiornik połączony jest z wyjściem przekształtnika poprzez łącznik elektromechaniczny. Znamionowy prąd obciążenia wynosił ok. 2A. W strukturach sterowania, gdzie wykorzystywany był modulator PWM częstotliwość modulacji wynosiła f PWM =2,5kHz. Częstotliwość próbkowania w regulatorze nieliniowym wynosiła f P = f PWM *6 =15kHz. a) Rys. 6. Struktura wektorowego sterowania prądowego z komparatorowymi regulatorami prądu z delta-modulacją Rolę nieliniowego regulatora prądu pełnią komparatory pracujące ze stałym okresem próbkowania T p. Okres próbkowania został ustalony na 1/6 okresu modulacji PWM. Daje to w przybliżeniu taką samą średnią częstotliwość łączeń jak w opisanych wcześniej metodach. Zbliżona średnia częstotliwość łączeń pozwala porównywać ze sobą wyniki pracy regulatorów liniowych i regulatora nieliniowego [2]. Jak widać na rysunku 6, struktura regulacji przekształtnika jest prosta. Nastawy dobierane są jedynie dla regulatora R U dc. Za wadę może być uważany fakt, że regulator ten pracuje z trudną do określenia częstotliwością łączeń. Uniemożliwia to stosowanie filtrów pasywnych do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych. Z drugiej strony, b) Rys. 7. Przebieg czasowy napięcia fazowego sieci zasilającej (a) oraz jego analiza harmoniczna (b) 54

4 Przekształtnik AC/DC współpracował z trójfazową siecią zasilającą budynku. Budynek zasilany jest transformatorem o mocy 400kVA. Do tego samego transformatora dołączony jest centralny UPS do zasilania sieci komputerowej. Zainstalowana moc UPS-a wynosi 100kVA. Bez wątpienia wpływa on w znaczący sposób na napięcie sieci (rys. 7). Informacja o jakości napięcia zasilającego przekształtnik AC/DC jest ważna, ponieważ napięcie to ma wpływ na powstawanie dodatkowych zniekształceń w prądzie pobieranym z sieci przez przekształtnik. Wszystkie metody sterowania zakładają, że napięcie sieci jest sinusoidalne. Współczynniki THD U zawartości wyższych harmonicznych napięcia sieci wynosił 7,2%. wykorzystania regulatora prądu typu PI (rys. 10) regulator dostraja fazę pobieranego prądu tak, aby w stanie statycznym prąd był w fazie z odpowiednim napięciem sieci. Niestety, w stanach przejściowych wektor prądu odchyla się od wektora napięcia. Tabela 1. Współczynnik THD I prądu pobieranego z sieci zasilającej Rodzaj sterowania THD I Prostownik diodowy 23,0% Sterowanie napięciowe 6,0% Sterowanie prądowe liniowe 6,8% Sterowanie prądowe nieliniowe 6,7% Rysunek 8 pokazuje, że możliwe jest takie zestrojenie regulatora napięciowego, aby przekształtnik AC/DC pobierał z sieci zasilającej prąd bliski sinusoidalnemu w fazie z napięciem. Rys. 10. Napięcie i prąd pobierany z sieci przy sterowaniu prądowym z liniowymi regulatorami typu PI Rys. 8. Napięcie i prąd pobierany z sieci przy sterowaniu napięciowym z właściwie zestrojoną wartością amplitudy napięcia sieci zasilającej Rys. 11. Napięcie i prąd pobierany z sieci przy sterowaniu prądowym z nieliniowymi regulatorami typu delta-modulacja Rys. 9. Napięcie i prąd pobierany z sieci przy sterowaniu napięciowym ze niewłaściwie zestrojoną wartością amplitudy napięcia sieci zasilającej Sytuacja braku współfazowości napięcia i prądu może wystąpić, gdy składowa U napięcia kształtowanego przez przekształtnik nie jest właściwa (rys. 9). W przypadku Rys. 12. Wektor prądu w układzie αβ - sterowanie napięciowe Wykorzystanie nieliniowego regulatora prądu pozwala kształtować prąd pobierany z sieci zasilającej z zadowalającą jakością zarówno w stanach statycznych (rys. 11) jak i dynamicznych (rys. 15). Tętnienia prądu w 55

5 przekształtniku AC/DC sterowanym z delta-modulacją nie są większe niż w przekształtniku z liniowym regulatorem prądu i modulatorem PWM, pod warunkiem, że okres próbkowania w regulatorze nieliniowym będzie 6 razy krótszy niż okres modulacji PWM. Przedstawione w tabeli 1 wartości współczynnika THD I dla poszczególnych metod sterowania nie odbiegają znacząco od siebie. Zastosowanie sterowanego, tranzystorowego przekształtnika AC/DC daje ok. 4 razy mniejszy współczynnik zawartości wyższych harmonicznych w pobieranym prądzie niż dla prostownika diodowego. Rys. 13. Wektor prądu w układzie αβ - sterowanie prądowe liniowe Rys. 14. Wektor prądu w układzie αβ - sterowanie prądowe nieliniowe Rys. 15. Składowe prądu przekształtnika AC/DC w odpowiedzi na skokową zmianę obciążenia sterowanie prądowe, nieliniowe Wnioski końcowe W artykule przedstawiono badania przekształtnika AC/DC sterowanego metodą prądową liniową i nieliniową oraz metodą napięciową (bez sprzężenia prądowego). Na podstawie zarejestrowanych przebiegów prądów pobieranych z sieci zasilającej została dokonana analiza porównawcza właściwości przekształtnika sieciowego w zależności od sposobu sterowania. W wyniku oceny można stwierdzić, że wszystkie metody sterowania w stanie statycznym zapewniają pobór sinusoidalnego prądu z sieci zasilającej. W przypadku zasilania z wyjścia stałonapięciowego odbiorników o małej dynamice zmian obciążenia można z powodzeniem stosować napięciowe metody sterowania (bez pomiaru prądów) jako tańszą alternatywę w porównaniu do układów sterowania prądowego. Do sterowania napięciowego można wprowadzać różne modyfikacje, które mają na celu eliminację wad tego sterowania w stanach przejściowych. Jednak algorytm sterowania staje się wtedy bardziej złożony. Kłopotliwym wydaje się stosowanie metody sterowania prądowego z regulatorami typu PI, głównie z uwagi na trudności w doborze właściwych nastaw regulatorów. Przekształtnik z nieliniowym regulatorem prądu w stanie statycznym kształtuje prąd pobierany z sieci zasilającej w sposób porównywalny (ze względu na THD I ) do pozostałych metod. W stanach przejściowych jego działanie zapewnia najwyższą możliwą do uzyskania dynamikę odpowiedzi, ograniczoną jedynie zewnętrzną pętlą regulacji. Ta metoda sterowania zalecana jest w układach, w których obciążenie zmienia znacznie swoją wartość w krótkim czasie (np. pierwszy człon przekształtników AC/DC/AC). W celu poprawy jakości kształtowanego prądu możliwe jest zwiększenie częstotliwości modulacji sygnałów wyjściowych. Należy jednak pamiętać, że wraz ze wzrostem częstotliwości łączeń rosną straty łączeniowe przekształtnika (maleje sprawność, rosną gabaryty układów chłodzenia). Wykorzystana w badaniach laboratoryjnych częstotliwość PWM równa 2,5kHz była wystarczająca, aby kształtować prąd dostatecznie bliski sinusoidalnemu. Niższa częstotliwość modulacji pozwoliła wyraźniej wykazać podobieństwa i różnice w przedstawionych metodach sterowania. Praca finansowana ze środków na realizację projektów na badania własne Politechniki Białostockiej. LITERATURA [1] Aleksandrowicz S., Ruszczyk A., Odtwarzanie kąta obrotu w układzie sterowania przekształtnika AC/DC realizacja w strukturze programowalnej, Łódź-Arturówek III Krajowa Konferencja: Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym, listopad 1997, s [2] Ruszczyk A., Nowe algorytmy predykcyjnych metod regulacji prądów przekształtników AC/DC i DC/AC, Politechnika Białostocka, Rozprawa doktorska, Białystok 2005 [3] Ruszczyk A., Sikorski A., Citko T., Voltage Control Possibility of AC/DC Converter, 13th International Conference on Electrical Drives and Power Electronics, EDPE 99, Stara Lesna Slovak Republic 1999, s [4] S i k o r s k i A., Problemy dotyczące minimalizacji strat łączeniowych w przekształtniku AC/DC/AC - PWM zasilającym maszynę indukcyjną. Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Rozprawy naukowe nr 58 Autorzy: dr inż. Adam Ruszczyk, Politechnika Białostocka, Katedra energoelektroniki i Napędów Elektrycznych, ul. Wiejska 45d, Białystok, ruszczyk@pb.bialystok.pl; dr hab. inż. Andrzej Sikorski, Politechnika Białostocka, Katedra energoelektroniki i Napędów Elektrycznych, ul. Wiejska 45d, Białystok, sikorski@pb.bialystok.pl. 56