Układy prostowników wielopulsowych z modulacją w obwodzie prądu stałego

Transkrypt

1 Jarosław ROLEK Politechnia Świętorzysa, Katedra Energoeletronii Ułady prostowniów wielopulsowych z modulacją w obwodzie prądu stałego Streszczenie. Przeształtnii AC/DC są nieliniowymi odbiorniami energii eletrycznej. Generują one wyższe harmoniczne prądów, tóre powodują odształcenie przebiegów napięć i prądów w sieci zasilającej prądu przemiennego oraz dodatowe straty mocy czynnej. Zmniejszenie współczynniów odształcenia prądów i napięć do wartości dopuszczanych przez normy międzynarodowe uzysuje się przez stosowanie uładów wielopulsowych. W artyule przedstawiono ułady prostowniów -, 4- i 6-pulsowych z zastosowaniem modulatora w obwodzie prądu stałego. Zaprezentowano wybrane wynii badań symulacyjnych tego typu uładów pod ątem reducji wyższych harmonicznych prądu pobieranego z sieci zasilającej. Abstract. AC/DC converters are the non-linear electrical loads. They generate into the power system high harmonic currents and voltages, which causes a deformation of their shapes and increases active power losses. Applying multi-pulse rectifiers one occurs the decrease of current and voltage THD coefficients to values established by international standards. n this paper there are topologies of -, 4- and 6-pulse rectifiers with modulation in DC current circuit presented. The selected simulations results of investigations from the point of view of eliminated of the high harmonic supply currents are also presented (Multi-pulse rectifiers with modulation in DC current). Słowa luczowe: prostownii wielopulsowe, modulacja, symulacja, analiza widmowa Keywords: Multi-pulse rectifiers, modulation, simulation, spectrum analysis Wprowadzenie Przeształtnii napięcia przemiennego na stałe są nieliniowymi odbiorniami energii eletrycznej i powodują powstawanie odształconych prądów i napięć w sieciach energetycznych. Stopień odształcenia prądów i napięć, wywołany przez wyższe harmoniczne jest mierzony za pomocą współczynnia odształcenia THD (Total Harmonic Distortion). Wsaźni ten jest jedną z najważniejszych cech oceny jaości energii eletrycznej. stotnym z puntu widzenia analizowanych w artyule uładów przeształtniowych jest współczynni odształcenia prądu THD i, oreślany następująco: h h= h h= () THD = 00 [% ] = gdzie: = h [% ] i h 00 - względny udział h tej harmonicznej prądu, h rząd harmonicznej Wielopulsowe przeształtnii napięcia zmiennego na napięcie stałe generują harmoniczne prądu rzędu: () h = ± gdzie: - liczba naturalna, - liczba pulsów przeształtnia. W przypadu, gdy przeształtni jest obciążony źródłem prądowym o bezpulsacyjnym przebiegu prądu wyprostowanego, a ponadto jest zasilany z idealnego źródła napięcia, zachodzi: () h = h Z () i () wynia, że podstawowym sposobem ograniczenia udziału wyższych harmonicznych jest zwięszanie liczby pulsów. Dla uładu 6 - pulsowego wartość współczynnia THD i na podstawie () i () wynosi 4,56%. W lasycznych uładach wielopulsowych zwielorotnienie liczby pulsów uzysuje się poprzez połączenie szeregowe lub równoległe uładów mostowych trójfazowych z zastosowaniem pomiędzy ich napięciami zasilającymi przesunięcia fazowego: (4) φ = p gdzie: p - liczba uładów podstawowych łączonych do pracy szeregowej lub równoległej. Przy założeniu, że prostowni zasilany jest poprzez transformator z trójfazowego, symetrycznego uładu napięciowego, a przeształtni nie aumuluje energii eletrycznej oraz gdy odbiorni jest źródłem prądowym, prąd w linii zasilającej ma przebieg -schodowy []. Przebieg ten jest funcją prądu wyprostowanego d i opisany jest następującym równaniem: = (5) A cos( ) i d gdzie: A współczynni związany z przeładnią transformatora, = 0,,, numer setora, - ąt mierzony pomiędzy najbliższymi wierzchołami napięcia fazowego źródła zasilania i napięcia wyprostowanego. Na rysunu przedstawiono graficzny sposób wyznaczania przebiegu prądu linowego zasilającego uład - pulsowy. Przebieg prądu liniowego dowolnej fazy zasilającej uład w danym setorze jest oreślony jao rzut wsazu prądu d na oś napięcia danej fazy. Rys. Graficzna metoda wyznaczania przebiegu czasowego prądu sieciowego prostownia -pulsowego obciążonego źródłem prądowym PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 84 NR 5/008. 5

2 Celem pracy jest ocena wpływu sposobu modulacji w obwodzie prądu stałego na wartość współczynnia odształcenia prądu pobieranego z sieci. Przedstawiono wynii porównawcze badań symulacyjnych wybranych uładów. Badania symulacyjne przeprowadzono z wyorzystaniem paietu Matlab-Simulin, przy czym model matematyczny uładu zbudowano przy następujących założeniach upraszczających: pominięto wpływ histerezy magnetycznej, pominięto wpływ temperatury na parametry obwodu, przyjęto idealne zawory, uład jest zasilany z symetrycznego źródła trójfazowego bez przewodu zerowego, uład obciążony jest źródłem prądowym. Prostowni -pulsowy Schemat ideowy lasycznego prostownia - pulsowego w uładzie równoległym poazano na rysunu. Niezależną pracę jednoste w połączeniu równoległym zapewniają dławii ojarzące. Sładowa przemienna prądu wyjściowego poszczególnych uładów nie przeracza wartości 4%. Wartość tego prądu wynia z wartości prądu magnesującego. Uład charateryzuje się mocą gabarytową równą,0 U d d (mocy prądu stałego). jest sumą prądów pobieranych przez poszczególne ułady: (7) i ( ω = d (cos( ω cos(5 ω 5 cos(7 ω cos( ω K sin( ω 7 (8) i ( ω t) = d (cos( ω cos(5 ω 5 cos(7 ω cos( ω K sin( ω t) 7 Na rysunu 4 przedstawiono przebiegi oraz widma amplitudowe prądów liniowych: sumarycznego i pobieranych przez poszczególne ułady mostowe. Rys.. Schemat lasycznego -pulsowego prostownia diodowego zasilanego z transformatora trójfazowego Zmniejszenie mocy gabarytowej do wartości 0,57 U d d można uzysać stosując uład zmodyfiowany ja na rysunu []. Rys. 4. Przebiegi prądów pobieranych przez poszczególne ułady oraz ich widma amplitudowe Wartość współczynnia odształcenia prądu THD i dla analizowanego uładu wynosi4,9 %. Prostownii 4-pulsowe Rysune 5 przedstawia zmodyfiowany uład o połączeniu równoległym prostowniów 6-pulsowych, wyazujący cechy prostownia 4-pulsowego na sute naprzemiennego przewodzenia diod D i D dołączonych odpowiednio do odczepów dławia ojarzącego. Rys.. Schemat -pulsowego prostownia diodowego zasilanego z transformatora trójfazowego o zreduowanej mocy gabarytowej Prąd pobierany z sieci 4 ( i ω = i ( ω i ( ω = d (cos( ω (6) cos( ω K sin( ω ) Rys. 5. Schemat 4-pulsowego prostownia diodowego z modulatorem diodowym w obwodzie prądu stałego. Stopień asymetrii obciążenia mostów w zależności od liczby zezwojów poszczególnych secji dławia ojarzącego, przy pominięciu prądu magnesującego, wyznacza się z warunu równości przepływów dla przypadów z rys. 6: 54 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 84 NR 5/008

3 0.5 a = 0. 5 a d (0) ( ) d ( ) gdziebłąd! Nie zdefiniowano załadi. a z = z y z () i = (0.5 ± a) d cos( ) (4) i = (0.5 m a ) d cos( ) gdzie: a może przyjmować wartości: a,-a, 0. Rys. 6. Przepływ prądu dla ierunu napięcia: a) dodatniego b) ujemnego W onsewencji, uwzględniając (0) oraz załadając stałoprądowe obciążenie przeształtnia, prądy obciążenia poszczególnych mostów oreślone są następująco: () i = (0.5 ± a ) d cos( ) () i = (0.5 m a ) d cos( ) Rysune 7 przedstawia przebiegi prądów pobieranych z sieci przez poszczególne mosti i sumarycznego, uzysane w wyniu symulacji uładu z rys. 5. Na rysunu tym poazano taże widma amplitudowe analizowanych prądów. Rys. 8. Połączenie równoległe dwóch prostowniów 6-cio pulsowych z modulatorem tyrystorowym w obwodzie prądu stałego wyazujące cechy uładu 6-pulsowego. Na rysunu 9 przedstawiono schemat bloowy uładu z rysunu 8, zasilanego z dwóch grup trójfazowych źródeł napięciowych (bez przewodu zerowego) przesuniętych wzajemnie o ąt 0. Obciążeniem uładu jest źródło prądowe. Rys. 9. Obwód silnoprądowy modelu symulacyjnego prostownia 6-pulsowego Rys. 7. Przebiegi prądów pobieranych przez poszczególne ułady, widma amplitudowe prądu sieciowego Wartość współczynnia odształcenia prądu THD i analizowanego uładu wynosi 7,09 %. Prostownii 6-pulsowe Uład o połączeniu równoległym dwóch prostowniów 6- pulsowych, wyazujący własności uładu 6-pulsowego [] przedstawiono na rysunu 8. Uzysuje się to poprzez załączanie trzech tyrystorów w olejności T -T -T -T -T -T - T -T. Dzielone uzwojenia dławia ojarzącego w obwodzie prądu stałego zapewniają omutację naturalną dołączonych tyrystorów []. Przy założeniu symetrii napięć zasilających oraz stałoprądowego obciążenia przeształtnia, a taże przy pominięciu wpływu zjawisa omutacji, prądy obciążenia poszczególnych mostów dla uładu z rys. 8 opisują zależności: dla Uład sterowania poszczególnymi zaworami zapewnia synchronizację oraz odpowiednią olejność i częstotliwość załączania tyrystorów, przy czym częstotliwość łączenia zaworu T jest dwurotnie więsza niż zaworów T i T. Badania symulacyjne zbudowanego modelu przeprowadzono dla różnych wartości prądu obciążenia i różnych wartości współczynnia a. Rysune przedstawia przebiegi prądów pobieranych z sieci przez poszczególne mosti i sumarycznego, uzysane w wyniu symulacji uładu z rysunu 9, przy czym przyjęty do obliczeń współczynni a zapewnia minimalne THD i. Na rysunu tym poazano taże widma amplitudowe analizowanych prądów. Obliczenia wyonano w środowisu Matlab-Simulin. Przeprowadzone badania symulacyjne wyazały istotne wygładzenie ształtu prądu pobieranego z sieci przez prostowni. Potwierdza to również analiza widmowa prądów sieciowych, z tórej wynia, że dominującymi harmonicznymi są 5-ta i 7-ma. Uzysana wartość współczynnia odształcenia prądu THD i dla tego uładu wynosi 4,66 %, co jest wartością bardzo dobrą. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 84 NR 5/

4 Załadając, że w wyniu włączenia modulatora, prąd pobierany ze źródła zasilania jest sinusoidalnie zmienny można wyznaczyć funcję opisującą ształt prądu modulującego. Na rysunu b przedstawiono przebieg tego prądu dla przeładni prądowej dławia ojarzącego równej. Załadając trójątny przebieg prądu modulującego M o stałej wartości amplitudy równej d i częstotliwości sześciorotnie więszej od częstotliwości napięcia zasilającego otrzymuje się przebiegi ja na rysunu 4. Rys.. Przebiegi w wybranych puntach prostownia 6- pulsowego z modulacja w obwodzie prądu stałego Prostowni z modulatorem prądu w obwodzie pierwotnym dławia ojarzącego W prostowniach diodowych łączonych do pracy równoległej możliwe jest zastosowanie atywnego modulatora prądu. Koncepcję taiego uładu przedstawiono na rysunu. Rys. 4. Przebiegi: prądu modulującego, prądów pobieranych przez mosti M i M oraz prądu sumarycznego. Rys.. Połączenie równolegle prostowniów mostowych z dodatowym uzwojeniem pierwotnym. Dławi, łączący ułady M i M do pracy równoległej, ma dodatowe uzwojenie, nazywane uzwojeniem pierwotnym, w obwód tórego jest włączony modulator prądu. Prąd modulatora M transformowany do uzwojenia wtórnego dławia, jest przemienny i dodaje się ze znaiem lub - do prądów wyjściowych uładów M i M Przebieg prądu pobieranego z sieci zasilającej jest w dostatecznym stopniu zbliżony do przebiegu sinusoidalnie zmiennego. Wartość współczynnia THD i wyznaczona dla tego przypadu wynosi,0 %. Moc gabarytowa źródła prądu modulującego stanowi tylo,5 % mocy prądu stałego [4]. Wpływ impedancji sieci Prezentowane powyżej wynii badań uzysane zostały przy założeniu, iż prostowni wielopulsowy zasilany jest z idealnego źródła napięciowego. W uładach rzeczywistych impedancja linii zasilającej ma sończoną, różną od zera wartość. W celu oreślenia wpływu impedancji linii zasilającej przeprowadzono badania symulacyjne prostownia -pulsowego zasilanego ze źródła napięcia uwzględniającego impedancję sieci. Wybrane wynii badań przedstawiono na rysunu 6 i 7. Rys.. Przebiegi czasowe: a) prądu sieci zasilającej i harmonicznej podstawowej tego prądu, b) prądu modulującego Rys.6. Wpływ impedancji sieci na przebieg prądu sieciowego 56 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 84 NR 5/008

5 znaczną poprawę ształtu prądu sieciowego zbliżając jego przebieg do sinusoidalnego z THD i na poziomie,0 %, co należy uznać za wyni bardzo dobry. stotna jest taże, z puntu widzenia sprawności energetycznej, mała moc źródła prądu modulującego wynosząca w tym przypadu tylo,5 % mocy prądu stałego. Rys.7. Wpływ impedancji sieci na współczynni THD prądu sieciowego prostownia -pulsowego Już dla niewielich wartości inducyjności w obwodzie zasilania przeształtnia (rys. 7) występuje zmniejszenie współczynnia THD i. Ta więc, zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilającej można ograniczyć poprzez włączenie dodatowych dławiów na wejściach prostowniów wielopulsowych. Wniosi ońcowe W artyule omówiono ułady prostowniów o wieloschodowym przebiegu prądu sieciowego z modulatorem w obwodzie prądu stałego. Przeprowadzone badania symulacyjne wyazały, że zwięszanie liczby schodów za pomocą modulatora powoduje, że ułady -pulsowe wyazują własności uładów 4- i 6-pulsowych, co charateryzuje się mniejszym oddziaływaniem prostownia na sieć zasilającą (Tabela). Przeprowadzone badania symulacyjne uładu z dodatowym uzwojeniem dławia ojarzącego wyazały Tabela. Parametry analizowanych uładów Rodzaj uładu Nr rys Moc gabarytowa THD [%] Prostowni -pulsowy Rys.,0 Vd*d 4,9 Prostowni -pulsowy Rys. 0,57 Vd*d 4,9 Prostowni 4-pulsowy Rys. 5 0,57 Vd*d 7,09 Prostowni 6-pulsowy Rys. 8 0,57 Vd*d 4,66 Prostowni z modulatorem prądu Rys. 0.57Vd*d,0 LTERATURA [] Tunia H.: Ułady eletromagnetyczne prostowniów wielopulsowych V Szoła Konferencja Eletrotechnia Prądy Niesinusoidalne Lubiatów 004 [ ] P a ice D. A.: Power Electronic Converter Harmonics. Multipulse Methods For Clean Power, EEE PRESS New Yor 996 [].Miyairi S, ida S, Naata K, Masubawa S.: New Method for Reducing Harmonics nvolved in nput and Output of Rectifier with nterphase Transformer, EEE Trans. on ndustry Applications, vol. A-, no. 5, Sep/Oct 986 [4] Strzeleci R., Supronowicz H.: Współczynni mocy w systemach zasilania prądu przemiennego i metody jego poprawy. Oficyna Wydawnicza Politechnii Warszawsiej Warszawa 000 Autor: mgr inż. Jarosław Role, Politechnia Świętorzysa, Katedra Energoeletronii, Al. Tysiąclecia Państwa Polsiego 7, 5-4 Kielce jrole@tu.ielce.pl Wydział Eletryczny Politechnii Białostociej PTETiS Oddział Białostoci Szanowne Koleżani i Koledzy V Seminarium Nauowe WYBRANE ZAGADNENA ELKTROTECHNK ELEKTRONK WZEE 008 Białysto-Białowieża Serdecznie zapraszamy do uczestnictwa w V Seminarium Nauowym: Wybrane Zagadnienia Eletrotechnii i Eletronii WZEE 008, tóre odbędzie się w Białymstou i Białowieży. W pierwszym dniu Seminarium w Białymstou spotamy się z Władzami Retorsimi i Dzieańsimi Wydziału Eletrycznego Politechnii Białostociej. Po obiedzie wyjedziemy do Białowieży. W następnych dniach będą obrady, uatracyjnione wycieczami do: Obszaru Ochrony Ścisłej Białowiesiego Paru Narodowego, Muzeum Przyrodniczo-Leśnego oraz Cerwi w Białowieży. Zapraszam i serdecznie pozdrawiam Andrzej Siorsi Przewodniczący Oddziału Białostociego Polsiego Towarzystwa Eletrotechnii Teoretycznej i Stosowanej. nformacje: wzee@we.pb.edu.pl Terminy: zgłoszenie udziału: ; nadesłanie referatu: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 84 NR 5/