Przekształtniki impulsowe dc/ac (falowniki)

Transkrypt

1 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 1

2 Wprowadzenie Źródło napięcia o sinusoidalnej składowej podstawowej i regulowanych parametrach Amplituda Częstotliwość Zastosowania: Napędy prądu zmiennego UPS Prostowniki impulsowe Kompensatory mocy biernej ~50Hz V d prostownik filtr falownik ~M 2

3 Hamowanie Prostownik diodowy Tylko I-sza ćwiartka Podczas hamowania energia płynie do filtru Energia musi być wytracana na rezystorze ~50Hz V d ~M Prostownik impulsowy Moc jest zwracana do sieci przekszt. impulsowy filtr przekszt. impulsowy Jest znacznie droższy niż diodowy 3

4 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) 4

5 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 5

6 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 6

7 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 f s Modulacja szerokości impulsów Stosunek częstotliwości : m f = f s f 1 Amplituda zależna od współczynnika głębokości modulacji (modulation V index): m a = control V tri 7

8 Składowa podstawowa napięcia W przekształtnikach dc/dc było: Teraz zakłada się, że v control zmienia się powoli, V Ao = v control V tri Składowa podstawowa jest obliczana jako chwilowa średnia tj. średnia za okres fali nośnej Sterowanie sinusoidalne napięciem wyjściowym: V d 2 v control = V control sin 1 t 8

9 Składowa podstawowa napięcia - c.d. Składowa podstawowa zależy liniowo od współczynnika głębokości modulacji (dla współczynników mniejszych od jedności): v Ao 1 = V control V tri V d 2 sin 1t = m a V d 2 sin 1t, m a 1.0 9

10 Harmoniczne Częstotliwości harmoniczne zbliżone do wielokrotności częstotliwości przełączeń f s f h = jm f ± k f 1 = jf s ± kf 1 j parzyste k nieparzyste j nieparzyste k parzyste Stosunek częstotliwości m f powinien być nieparzysty - symetria półokresowa - tylko nieparzyste harmoniczne 10

11 Wybór częstotliwości f s 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 11

12 Stosunek częstotliwości m f =f s /f 1 Gdy m f 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 m f musi być liczbą nieparzystą Gdy m f jest duże (>21) stosuje się asynchroniczną MSI (częstotliwość nośna f s jest stała, niezależna od zmian częstotliwości f 1. Subharmoniczne powstają, ale są niewielkie 12

13 Nadmodulacja MSI liniowa: m f <1 Harmoniczne zbliżone do krotności fs Ograniczona amplituda składowej podstawowej Nadmodulacja: m f >1 Pojawiają się harmoniczne niskich rzędów Nieliniowa zależność V 1 od V control Składowa podstawowa zależy również od m f 13

14 Prostokątna fala wyjściowa Bardzo duży współczynnik głębokości modulacji m f»1 prowadzi do tylko dwóch przełączeń na okres f 1 i do prostokątnego (niemodulowanego) napięcia wyjściowego Niska częstotliwość przełączeń => niskie straty Regulacja napięcia tylko przez dc Harmoniczne niskich rzędów stają się dominujące 14

15 FALOWNIKI 1-FAZOWE Półmostkowe Mostkowe: Z modulacją bipolarną Z modulacją unipolarną Prąd po stronie dc Tętnienia napięcia wyjściowego 15

16 Falownik półmostkowy C+ i C- dzielą napięcie na pół; punkt o ma stały potencjał W stanie ustalonym nie ma składowej stałej prądu i o, ze względu na kondensatory => nie ma ryzyka nasycenia, gdyby obciążeniem był transformator. 16

17 Falownik mostkowy Przy tym samym napięciu V d co poprzednio, moc wyjściowa jest dwukrotnie wyższa => wyższa moc wyjściowa przy tych samych obciążeniach elementów (ale liczba zaworów też dwukrotnie wyższa) 17

18 Bipolarna MSI To samo co w przekształtnikach dc/dc Napięcie A: Napięcie B: v Ao t v Bo t = v Ao t Wyjście: v o =v Ao v Bo =2v Ao Składowa podstawowa: V o1 = m a V d gdy m a 1.0, V d V o1 4 gdy m a

19 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 f s 19

20 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 i d * = V o I o V d cos V o I o V d cos 2 1 I d 2 I d2 cos 2 1 t I d = V o I o V d cos I d2 = 1 2 V o I o V d Prąd po stronie dc zawiera: Składową stałą, przenoszącą moc czynną Składową zmienną o podwójnej częstotliwości wyjściowej, 2f 1 20

21 Prąd po stronie prądu stałego bez filtru Składowe: Średnia 2*f 1 Harmoniczne od MSI Napięcie DC - średnie - harmoniczne od prostownika - harmoniczne od prądu i d 21

22 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 22

23 Unipolarna MSI prąd po stronie DC Wartość chwilowa jest zerowa gdy przewodzą: łacznik i dioda (dla modulacji bipolarnej prąd był w takiej sytuacji ujemny) 23

24 24

25 Falownik (bez MSI) z regulacją przesunięcia fazowego 25

26 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: V o h = 2 V d cos h d = 4 V d h sin h 26

27 Tętnienia napięcia i prądu wyjściowego 27

28 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: v ripple = v o v o1 i ripple = 1 L 0 t v ripple d i ripple 0 28

29 Tętnienia napięcia wyjściowego - przebiegi v ripple = v o v o1 i ripple = 1 L 0 t v ripple d i ripple 0 29

30 Wykorzystanie łączników porównanie struktur Zakłada się sinusoidalny prąd wyjściowy Stopień wykorzystania zaworów, SWZ: półmostek: SWZ = V o1 I o, max q V T I T V T = V d, max I T = 2 I o, max V o1, max = 4 2 V d, max 2 SWZ = mostek: V T = V d, max I T = 2 I o, max V o1, max = 4 2 V d, max SWZ = Dla obu struktur SWZ taki sam, w praktyce <

31 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 31

32 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 V d lub 0. 32

33 Falownik 3-fazowy MSI Trzy przesunięte o 120 o sygnały sterujące (modulujące) Napięcia V AN, V BN, V CN mają taką samą wartość średnią W napięciach wyjściowych (międzyprzewodowych) znoszą się składowe: Średnie Wielokrotności m f rzędu 3n => wybiera się m f będące nieparzystą wielokrotnością liczby 3, t.j. 9,15,21,... 33

34 Falownik 3-fazowy stosunek częstotliwosci m f Stosunek częstotliwości m f = f s / f 1 Mały Duży Nadmodulacja m a > 1 Stosuje się modulacje synchronizowaną, aby uniknąć parzystych harmonicznych m f wybiera sie jako nieparzystą wielokrotność 3 (patrz uwagi do falownika jednofazowego) 34

35 MSI zakres liniowy Składowa podstawowa napięcia przełącznika: Wartość skuteczna napięcia międzyprzewodowego V AN 1 = m a V d 2 V AB = 3 2 V AN 1 = m av d m a V d Znikają niektóre harmoniczne 1-fazowe 35

36 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 m a < 1 36

37 Falownik 3f prostokątne napięcia wyjściowe Napięcia każdej fazy podobne jak w falowniku 1-fazowym Każda faza przez 180 o daje napięcie V d ; przesunięcia między fazami 120 o Napięcie wyjściowe (wartość skuteczna składowej podstawowej): V AB = V d 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 h V d 0.78 h V d h=6n±1, 2,3,... 37

38 Falownik 3f prostokątne napięcia wyjściowe Uwaga: nie ma możliwości regulacji amplitudy przez zmianę przesunięcia fazowego 38

39 Stopień wykorzystania zaworów Narażenia max: V T = V d, mzx I T = 2 I o,max 6 par łączników i diod SWZ = V I 3faz 6V T I T = 3V AB I o, max 6V d,max 2 I o, max = V AB V d,max MSI, liniowo: SWZ = m a = m a m a Fala schodkowa: SWZ = =

40 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) 40

41 Falownik 3f napięcia Napięcia faz obciążenia v kn : v An = v AN v nn, v Bn = v BN v nn, v Cn = v CN v nn, Z drugiej strony: v kn = L di k dt e, i i i =0, d kn A B C dt i i i =0, e e e = 0 A B C A B C v An v Bn v Cn = 0 Napięcie między punktem gwiazdowym odbiornika n, a biegunem ujemnym zasilania N v nn = 1 3 v AN v BN v CN Napięcie fazy A odbiornika: v An = v AN v nn = v AN 1 3 v AN v BN v CN = 2 3 v AN 1 3 v BN v CN Napięcia faz B i C można wyliczyć podobnym sposobem Napięcia v kn są równe V d lub 0, stąd napięcia faz odbiornika mogą być: 2/3 1/3 0 0 = 2/3, 2/3 1/3 1 0 = 1/3, 2/3 1/3 1 1 = 0 0 1/3 0 0 = 0, 0 1/3 1 0 = 1/3, 0 1/3 1 1 = 2/3 41

42 Falownik 3f przebiegi Tętnienia prądu przy MSI są znacznie mniejsze niż w falowniku schodkowym 42

43 Falownik 3f prąd po stronie dc Założenia jak w 1-fazowym Składowe podstawowe decydują o mocy: V d i d * = v An1 i A v Bn1 i B v Cn1 i C Filtrowany prąd po stronie dc: i d * = 2V o I o V d [ cos 1 t cos 1 t 120 o cos 1 t 120 o cos 1 t 240 o cos 1 t 240 o ] = 3V o I o V d cos = I d Prąd po stronie dc nie zawiera składowej o częstotliwości 2f 1, jak to miało miejsce w falowniku 1-fazowym 43

44 Falownik 3f prąd niefiltrowany po stronie dc Do wartości średniej dochodzą harmoniczne wynikające z przełączania: 44

45 Falownik 3f przewodzenie zaworów Zakłada sie schodkową falę napięcia Zakłada się, że prąd jest opóźniony o 30 o Dioda przewodzi gdy napięcie i prąd są różnych znaków Czysto rezystancyjne obciążenie (nie istniejące w praktyce) nie wymagałoby obecności diod 45

46 Falownik 3f przewodzenie zaworów przy MSI Przesuniecie fazowe jak poprzednio Prąd sinusoidalny 46

47 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 47

48 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 V AN = t T s gdy i A 0 ; V AN = t T s V BN = t T s gdy i A 0 ; V BN = t T s gdy i A 0 gdy i A 0 V o = 2 t T S V d gdy i A 0 V o = 2 t T S V d gdy i A 0 48

49 Czas martwy odkształcenie napięcia 49

50 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,... 50

51 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 51

52 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 52

53 Inne metody sterowania falowników: regulacja PI prądu, z wykorzystaniem MSI Regulator prądu, najczęściej PI, generuje sygnał sterujący v control dla modulatora MSI Częstotliwość przełączeń jest stała Ograniczenie sygnału zadanego i * zapewnia ochronę przed przetężeniami A Sprzężenie w przód (feed-forward) może być wykorzystane do kompensacji wpływu sem oraz czasu martwego 53

54 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 54