Trójpoziomowy falownik typu Z-NPC

Transkrypt

1 Ryszard STRZELEKI, Daniel WOJIEHOWSKI, arek ADAOWIZ Andrzej WILK, Ireneusz OSOŃ Akademia orska w Gdyni, Kaedra Auomayki Okręowej (), Poliechnika Gdańska, Kaedra Energoelekroniki i aszyn Elekrycznych () Trójpoziomowy falownik ypu ZNP Sreszczenie. W arykule omówiono budowę, zasadę działania oraz właściwości i możliwości niekonwencjonalnych 3fazowych układów falowników ypu Z. W szczególności przedsawiono układ podsawowy oraz auorską propozycję 3poziomowego układu Zfalownika ypu NP. Przeprowadzona w pracy uproszczona analiza eoreyczna obydwu układów zosała zweryfikowana szczegółowymi badaniami symulacyjnymi. W podsumowaniu pokazano możliwość budowy wielopoziomowych Zfalowników w oparciu opologię Diode lamped. Absrac. The paper describes consrucion and he principles of aciviy, aribues and poenial of 3phase Zype inverers. The paper focuses on he basic sysem and suggesed 3level sysem of a NP ype Zinverer, which was elaboraed by auhors. Simplified heoreical analysis of boh sysems has been verified by deailed simulaion research. In he las secion of he aricle, he possibiliy o build mulilevel Z inverers based on Diode lamped ypology is presened. (ThreeLevel NP Zinverer) Słowa kluczowe: energoelekronika, przekszałnik podwyższającoobniżający, falownik ypu Z, NPfalownik. Keywords: power elecronics, boosbuck converer, Zinverer, NPinverer. Wsęp Przekszałniki napięcia przemiennego zasilane z niskonapięciowych źródeł D (np. ogniw paliwowych, ogniw foowolaicznych) są realizowane najczęściej na podsawie nasępujących rzech opologii podsawowych: falownika napięcia PW z bezransformaorową przewornicą D/D w układzie boosconverera, falownika napięcia PW z ransformaorową przewornicą D/D w układzie boosconverera, falownika prądu PW. Żadne z ych rozwiązań nie jes jednak jednoznacznie najlepsze i dominujące. Tym eż można również wyjaśnić ciągłe poszukiwanie nowych rozwiązań, wśród kórych bardzo ineresujące właściwości posiada zw. Zfalownik [,]. elem podsawowym niniejszego arykułu jes przedsawienie zasady działania, analizy eoreycznej oraz wybranych wyników badań symulacyjnych 3fazowego układu Zfalownika. elem dodakowym jes omówienie działania oraz wsępnych wyników badań symulacyjnych auorskiego rozwiązania 3poziomowego Zfalownika ypu NP, powierdzających jego przydaność. Budowa i zasada działania falownika ypu Z Schema podsawowego układu 3fazowego Zfalownika przedsawiono na rysunku. W odróżnieniu od falowników VSI i SI, po sronie D Zfalownika wysępuje dioda D i zw. Zźródło w kszałcie X, składające się z dwóch kondensaorów i oraz dwóch dławików L i. Dioda D zapobiega niedozwolonemu wsecznemu przepływowi prądu. Z ego powodu zasosowanie Zfalownika (bez dodakowych obwodów) jes możliwe ylko am, gdzie nie ma porzeby zwrou energii do źródła, lub nawe jes o niedozwolone, np. w przypadku ogniwa paliwowego czy foowolaicznego. Należy przy ym zaznaczyć, że rolę diody D mogą również spełniać inne układy energoelekroniczne, w ym w np. prosownik diodowy (w przypadku zasilania A) lub ypowy boosconverer z diodą wyjściową (w przypadku porzeby wsępnego podwyższenia napięci. Źródło Z sanowi układ służący do magazynowania energii i zapewniający podwójny sopień filracji na wejściu przekszałnika, a przez o i większe łumienie ęnień prądu i napięcia w obwodzie D. W przypadku, gdy dławiki L i mają bardzo małe indukcyjności ( ), Zźródło worzą jedynie równolegle połączone kondensaory i. Wówczas Zfalownik saje się układem VSI, a kondensaory w obwodzie D jedynym magazynem energii oraz elemenem filrującym ęnienia napięcia. Podobnie, w przypadku, gdy kondensaory i mają bardzo małe pojemności ( ), Zźródło redukuje się do dwóch dławików L i połączonych szeregowo, a Zfalownik saje się układem SI. Dławiki w obwodzie D układu SI oraz kondensaory w obwodzie D układu VSI muszą mieć większą indukcyjność i pojemność (j. i gabaryy) niż w przypadku Zfalownika. D Z źródło L V V V 3 L f V 4 V5 V6 f Rys.. kład podsawowy 3fazowego Zfalownika W ypowym 3fazowym układzie VSI wyróżnia się osiem sanów dozwolonych, sześć akywnych (gdy nasępuje wymiana mocy chwilowej między obciążeniem i obwodem D) i dwa zerowe (gdy obciążenie jes zware przez dolną lub górną grupę łączników). Naomias, układ 3fazowego Z falownika (rys.) pozwala wykorzysywać dziewięć sanów dozwolonych, j. jeden więcej niż w układzie VSI. Dodakowy san dziewiąy jes rzecim sanem zerowym, wysępującym w syuacji, gdy obciążenie jes zwierane jednocześnie przez dolną i górną grupę łączników. Ten san, zabroniony w układzie VSI i nazywany dalej sanem zwarcia gałęzi, może zosać wygenerowany na siedem różnych, aczkolwiek równoważnych sposobów: niezależnie przez każdą gałąź (3 sposoby), równocześnie przez dwie gałęzie (3 sposoby), równocześnie przez wszyskie rzy gałęzie ( sposó. San zwarcia gałęzi umożliwia regulację napięcia wyjściowego w górę, powyżej napięcia zasilania, sanowiącą główną specyficzną właściwość Z falownika. Na rysunku przedsawiono uproszczone schemay zasępcze Zfalownika, na kórych źródło u d modeluje mosek falownikowy V V 6 (rys.), rozparywany od srony zacisków D. W sanach zwarcia gałęzi (rys. dioda D jes polaryzowana wsecznie i nieprzewodzi, napięcie wejściowe moska falownikowego u d =, a energia zmagazynowana w kondensaorach i jes przekazywana do dławików L i. W sanach niezwarciowych, w kórych możliwe są wszyskie kombinacje łączników V V 6 dozwolone dla układu VSI, dioda D przewodzi, a napięcie u d wzrasa skokowo od do warości maksymalnej u d *. u OT 54 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY, ISSN 3397, R. 8 NR /6

2 D L L L i u f Zźródło u d i d i u f Zźródło u d = i u f Zźródło u d i d Rys.. Schemay zasępcze Zfalownika: ogólny, w sanach zwarcia gałęzi, w sanach niezwarciowych Ponieważ Zźródło jes obwodem symerycznym (rys.), o, w przypadku = i L = oraz małych pulsacji napięć u i u za okres impulsowania T, można zapisać: () u = u =, () u L =, u f =, u d = (3) u, u =, u u = u = u gdzie: warość średnia napięcia na kondensaorach w okresie impulsowania; u L napięcie chwilowe na dławikach. względniając () oraz schemay zasępcze Zfalownika (rys.), napięcie u d oblicza się na podsawie nasępujących zależności: w sanach zwarcia gałęzi (rys. rwających czas T Z w sanach niezwarciowych (rys. rwających czas T N L L = f d = ul = L L gdzie: współczynnik głębokości modulacji ampliudy, o warości maksymalnej ograniczonej nierównością D, związaną z czasem T Z sanów zwarcia gałęzi Jak wynika ze wzoru (6), ampliuda u OT(max) napięcia wyjściowego Zfalownika, może być zarówno mniejsza jak i większa niż w układzie VSI (w ypowym układzie VSI o sinusoidalnej PW u OT(max) = / ). Taką możliwość powierdza wykres 3D zależności (7) u K = OT = D w obszarze Ω= ( ; D<,5 D ) dopuszczalnych zmian współczynników D i, przedsawiony na rysunku 3 5 gdzie: u f napięcie wejściowe Zźródła. Jeżeli weźmiemy pod uwagę, że za okres T=T Z T N w sanie usalonym średnie napięcie na dławikach L =, o na podsawie () i (3) orzymujemy: L TZ T TZ = uld uld = T TZ T ( ) = 5 K 5,5,4,3 D,,,,4,6,8 Z powyższego równania, ponieważ średnie napięcie na wejściu moska falownikowego d = L, wynika wzór: (4) = d = T T N Z = D D gdzie: D=T Z /T zw. zwarciowy współczynnik wypełnienia impulsów, spełniający warunek D<,5. W podobny sposób, na podsawie (3) i (4) wyznaczamy warość u d * napięcia u d w sanach niezwarciowych :,5,4,3 D,, Ω,, 4, 6,8 (5) u d = ul = = = B D gdzie: B=/( D)=T/(T N T Z ) współczynnik szczyu, określający warość u d * względem napięcia zasilania. Od warości u d * zależy z kolei ampliuda u OT(max) napięcia wyjściowego Zfalownika. W przypadku zasosowania algorymu sinusoidalnej PW a ampliuda wynosi: u (6) uot = * d = B = D Rys.3. Wykres zależności (7) w obszarze Ω dopuszczalnych zmian współczynników D i Wyniki badań symulacyjnych Zfalownika Symulacje układu (rys.) prowadzono w pakiecie PSI Professional. Do serowania łączników V V 6 wykorzysano algorym sinusoidalnej PW, zmodyfikowany przez sany zwarcia gałęzi. Isoę ej modyfikacji wyjaśnia rysunek 4. Wybrane wyniki badań przedsawiono na rysunkach 58. Przyjmowane w badaniach podsawowe paramery układu zesawiono w ablicy. Wszelkie zmiany ych paramerów opisano na odpowiednich rysunkach. PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY, ISSN 3397, R. 8 NR /6 55

3 ud, u Z D u T u a(ref ) u b(ref ) u c(ref ) u Z T N/ T N/ TZ/4 TZ/ T Z/4 T V V 4 V V 5 V 3 V 6 uv,uv Sany zwarcia gałęzi Rys.4. Algorym serowania łącznikami VV6 Zfalownika (rys.), zaimplemenowany w modelu symulacyjnym iv, iv4, id, il?m ud Rys.6. Przebiegi napięć i prądów w charakerysycznych miejscach układu (rys.), w przedziale czasu Δ m zaznaczonym na rys. 4, ua, 4 ia, i L R =4? R =? R =6? R =3??m il L=L=, mh ; ==, mf, ua, 4 ia, il R =4? R =? R =6? R =3??m u a, u b, u c L=L=, mh ; = =, mf, ua, 4 ia, il R=4? R=? R=6? R=3? L=L=, mh ; ==,4 mf Rys.5. Przebiegi wybranych prądów i napięć po załączeniu oraz po zmianie zwarciowego współczynnika wypełnienia impulsów D=,48,47 w chwili = ms (=,48) Rys.7. Przebiegi wybranych napięć i prądów w przypadku skokowych zmian obciążenia rezysancyjnego R i przy różnych warościach elemenów L i Zźródła (=,48 i D=,48) 56 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY, ISSN 3397, R. 8 NR /6

4 Rys.8. Przebiegi napięć i prądów jak na rysunku 7 w przypadku skokowych zmian współczynników D i (R =6 Ω) Tabela. Paramery badanego Zfalownika (rys.) Rodzaj Oznaczenie Warość Zasilanie D 5V Zźródło dławiki L,, mh kondensaory,,mf Filr dławiki L f μh wyjściowy kondensaory f 5 μf Obciążenie (rezysancyjne) R 6 Ω zęsoliwość nośna PW /T khz D D, ua, 4 ia, il =,54 D=,45 Zźródło Zźródło L L L =,54 D=,4 Rys.9. kład falownika ypu ZNP V =,59 D=,4 V V V3 V4 V 5 V6 u F V V V 3 V 4 V 5 V 6 Przeprowadzone badania symulacyjne Zfalownika powierdziły zależność eoreyczną (7) z bardzo dużą dokładnością. ały błąd prakycznie nie zależał od warości przyjmowanych obciążeń R oraz paramerów L = i = Zźródła, a obliczany każdorazowo współczynnik zawarości L f =,59 D=,35 f u O T harmonicznych w napięciu wyjściowym u OT nie przekraczał nigdy 3%. Badania e pokazały również, że procesy przejściowe przy zmianie obciążenia oraz współczynników i D (w owarym układzie serowani zachodzą w Z falowniku względnie szybko. Ponado, sały się one akże inspiracją dla auorów do opracowania i przeprowadzenia wsępnych symulacji 3poziomowego falownika ypu ZNP. Przesłankę ku emu sanowił fak, że zwiększenie ampliudy napięcia wyjściowego Zfalownika powyżej kronej warości napięcia zasilania jes urudnione. Falownik ypu ZNP Proponowany układ 3poziomowego falownika ypu Z NP przedsawiono na rysunku 9. W ym falowniku, zamias dwóch źródeł napięcia lub dwóch kondensaorów z punkem wspólnym, ak, jak się o sosuje w ypowych układach VSI NP [3,4], zasosowano dwa Zźródła o napięciach wejściowych i bez punku wspólnego. Dzięki emu w układzie falownika ZNP jes możliwa zarówno wspólna jak i oddzielna regulacja napięć u d i u d. Taką możliwość wyjaśniają schemay zasępcze falownika ZNP w sanach zwarcia, pokazane na rysunku. W sanie zwarcia gałęzi górnych (rys. są załączone łączniki V V 6 i V V 3, naomias w sanach zwarcia gałęzi dolnych (rys. łączniki V V 6 i V 4 V 6 (rys.9). Te dwa sany, o czasach rwania T Z i T Z w okresie T (rys.), powodują wzros napięć średnich i d oraz maksymalnych u d * do warości: na wyjściu górnego Z źródła (8) D = d = i D na wyjściu dolnego Z źródła (9) D = d = i D ud = ud = D D gdzie: D=T Z /T oraz D =T Z /T zwarciowe współczynniki wypełnienia impulsów gałęzi górnych oraz dolnych. T Rys.. Przykładowy rozkład czasów zwarć gałęzi w okresie T?TZ TZ Zźródło Zźródło D L L L b3) L i uf Zźródło u d id i uf Zźródło i uf Zźródło u d id i uf Zźródło u d D L L L L i uf Zźródło ud id i uf Zźródło ud id i uf Zźródło i uf Zźródło u d L L L L Rys.. Schemay zasępcze falownika ypu ZNP: ogólny, w sanach zwarcia gałęzi górnych (, dolnych ( i pełnych (b3) PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY, ISSN 3397, R. 8 NR /6 57

5 Zachodzące przy ym procesy fizyczne i wynikający z nich sposób wyprowadzenia zależności (8) i (9), są analogiczne jak w przypadku podsawowego układu Z falownika (rys.) oraz wzorów (4) i (5). Nie zmienia ego również zw. san zwarć pełnych (rys.b3), wysępujący wówczas, gdy zwarcia gałęzi górnych i dolnych zachodzą jednocześnie w czasie T Z ΔT Z (rys.). W przypadku falownika ZNP zasilanego ze źródeł o różnych napięciach i serowanego na podsawie sinusoidalnej PW, warość międzyszczyową napięcia wyjściowego, uwzględniając (8) i (9), można wyznaczyć na podsawie zależności: () uot ( p p) = D D gdzie: i współczynniki głębokości modulacji dla dodaniej i ujemnej połówki napięcia wyjściowego. Jeśli przy ym nie jes spełniony warunek Wszyskie współczynniki wzmocnienia wyszczególnione na ym schemacie mają warość K=. kład zasadniczo nie różni od modulaora PW ypowego układu NPVSI (rys., poza dołączeniem generaora sanów zwarć gałęzi (rys., z rozłącznym zadawaniem zwarciowych współczynników wypełnienia D i D, oraz prosych obwodów z logiką OR do serowania łącznikami falownika ZNP (rys.. Paramery układu ZNP przyjęo analogiczne jak w przypadku falownika ypu Z (abl.) Ewenualne zmiany ych paramerów zaznaczono na rysunkach 37, przedsawiających najważniejsze wybrane wyniki symulacji, przeprowadzonych za pomocą pakieu PSI Professional. Badania powierdziły poprawność działania falownika Z NP (rys.9) przy zasilaniu układu zarówno ze źródeł o równych jak i różnych napięciach i (rys.3rys.6). () = D D o napięcie u com pomiędzy poencjałem odniesienia V (rys.9) a punkem gwiazdowym odbiornika symerycznego (zw. Doffse): () u π d ud ucom = V jes różne od zera. Wówczas eż, w napięciu wyjściowym pojawiają się dodakowe odkszałcenia, związane głównie z parzysymi harmonicznymi. Spełnienie warunku (), eliminującego odkszałcenie napięcia wyjściowego i Doffse, jes możliwe poprzez: dobór różnych współczynników głębokości modulacji i dla dodaniej i ujemnej połówki; dobór różnych zwarciowych współczynników wypełnienia D i D dla gałęzi górnych i dolnych. W przypadku pierwszym, gdy D=D i jes zachowana relacja: (3) = ampliudę napięcia u OT można zmieniać w granicach: uot min D, ( ) Naomias, w przypadku drugim, gdy = i zachowamy relację: D D = (4) ( ) ( ) mamy możliwość regulacji ampliudy w granicach: uot = D ( ) ( D' ) przy czym napięcia maksymalne na łącznikach V V 6 i V V 6 (rys.9) są jednakowe. Oczywisa jes możliwość połączenia obydwu sposobów spełnienia warunku (). Wyniki badań falownika ZNP Na rysunku przedsawiono schema prosego układu modulaora sinusoidalnej PW, wykorzysywany przez auora w badaniach symulacyjnych falownika ZNP (rys.9). Rys.. Schema prosego modulaora falownika ZNP (rys.9): generaor sinusoidalnej PW układu NPVSI; generaor sanów zwarć gałęzi; układy serowania łącznikami V V 6 i V V 6 W wszyskich badanych przypadkach, gdy =, zawarość harmonicznych w napięciu u OT jes podobna jak w układzie podsawowym Zfalownika (rys.). Podobnie przebiegają również procesy przejściowe (rys.3, rys.6). Zauważalne są ylko nieco większe niskoczęsoliwościowe pulsacje napięcia i prądu w Zźródłach falownika ZNP (porównaj rysunek 5, i rysunek 3). echuje o również, choć w mniejszym sopniu, ypowy układu NPVSI z kondensaorowym dzielnikiem napięcia zasilania. 58 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY, ISSN 3397, R. 8 NR /6

6 , V=5 V D =,46 V=5 V D =,46 ud, ud V=5 V D =,46 V =75 V D =,46 il, il' V=5 V D =,46 ua, ub, uc V =75 V D =,48 Rys.5. Przebiegi wyjściowych napięć fazowych oraz napięcia Doffseu w falowniku ZNP w przypadkach: równych napięć = i współczynników D =D ; różnych napięć i równych współczynników D =D ; różnych napięć po korekcji współczynnika D na podsawie relacji (4) Rys.3. Przebiegi wybranych prądów i napięć w falowniku ZNP po załączeniu oraz po zmianie zwarciowego współczynnika wypełnienia impulsów D=,48,47 w chwili = ms (=,48) u a, u b, u c, u com D=,48, D=,48 V=5 V, V=75 V a b c ua, ub, uc, ucom D =,48, D=,49 V=5 V, V=75 V Rys.6. Przebiegi wyjściowych napięć fazowych oraz napięcia Doffseu, w przypadku skokowych zmian warunków pracy falownika ZNP wydzielonych na rysunkach 5 a,b,c W przypadkach zasilania układu ZNP ze źródeł o napięciach, dobór zwarciowych współczynników wypełnienia impulsów gałęzi górnych D i dolnych D spełniających relację (4) okazał się skuecznym sposobem eliminującym odkszałcenie napięcia wyjściowego u OT oraz Dofsse (rys.4rys.6). Taki dobór ych współczynników, jak oczekiwano, powodował również wyrównywanie napięć maksymalnych na łącznikach V V 6 i V V 6 i ampliudy impulsów napięcia wyjściowego u Fa bezpośrednio na zaciskach falownika (rys.4, rys.7). Rys.4. Przebiegi wyjściowych napięć fazowych, napięcia Doffseu oraz napięcia wyjściowego u Fa na zaciskach falownika, w przypadku różnych napięć i: równych współczynników D =D ; po korekcji współczynnika D na podsawie relacji (4) Wnioski Jak wynika z przedsawionych w arykule rozważań, Z źródło z powodzeniem można zasosować w falownikach PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY, ISSN 3397, R. 8 NR /6 59

7 wielopoziomowych realizowanych na podsawie opologii Diode lamped. Przykładem, jes układ przedsawiony na rysunku 8. Należy przy ym zaznaczyć, że w przypadku, gdy falowniki z Zźródłami są zasilane z sieci napięcia przemiennego przez prosowniki diodowe, o zasadniczo nie ma porzeby sosowania filru pojemnościowego ani eż diod wejściowych falowników. Rolę diod wejściowych przejmują diody prosownika, a filr pojemnościowy można zasąpić odpowiednią regulacją zwarciowych współczynników wypełnienia D. D L Zźródło D L V V V 3 V 4 V 5 V 6 V V V 3 ud, ud Zźródło V 4 V 5 V 6 L f f u OT D L L V V V 3 TZ Z3źró dło L V 4 V 5 V 6 Rys.8. Przykładowy układ 4poziomowego Zfalownika ypu Diode lamed (D) ud, ud ud, ud TZ Przedsawione wyniki przemawiają za konynuacją badań układów z Zźródłami, w szczególności w aspekcie prakycznym. Auorzy zwracają przy ym uwagę na wymóg dużej dokładności realizowanych serowników, związany z czułością omówionych układów na zmiany zwarciowych współczynników wypełnienia impulsów. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w laach 58 jako projek badawczy Nr 3 TA 57 9 ANALIZA I BADANIA KŁAD GENERATORA DKYJNEGO Z ASZYNĄ DWSTRONNIE ZASILANĄ W KŁADZIE BEZSTYKOWY Auorzy dziękują Pani Joannie Kizermann, sudence V roku A w Gdyni oraz Panu mgr inż. arcinowi Jarnuowi, pracownikowi niwersyeu Zielonogórskiego za przeprowadzenie pierwszych, wsępnych badań symulacyjnych podsawowego układu Zfalownika ud, ud u d, u d?tz/ TZ?TZ/ Arykuł napisany na podsawie referau pod ym samym yulem prezenowanego podczas Konferencji Prądy Niesinusoidalne. LITERATRA [] Peng F. Z., ZSource Inverer, IEEE IAS onf. Proc.,, [] Peng F. Z., ZSource Inverer, IEEE Trans. on Indusry Applicaions, No. (3), Vol. 39, 545 [3] Teichmann R., Berne S., A comparison of hreelevel converers versus wolevel converers for lowvolage drives, racion, and uiliy applicaions. IEEE Trans. on Indusry Applicaions, No.3 (5), Vol. 4, [4] Rodriguez J., JihSheng L., Peng F. Z., ulilevel inverers: a survey of opologies, conrols, and applicaions. IEEE Trans. on Indusrial Elecronics, No.4 (), Vol.49, Rys.7. Przebiegi impulsów napięcia na wyjściu Zźródeł oraz napięcia bezpośrednio na zaciskach wyjściowych falownika w przypadkach wydzielonych na rysunkach 5a,b,c Auorzy: prof. dr hab. inż. Ryszard Srzelecki;, dr inż. Daniel Wojciechowski; mgr inż. arek Adamowicz, Akademia orska w Gdyni, Kaedra Auomayki Okręowej, ul. orska 887, 85 Gdynia, rsrzele@am.gdynia.pl; dwojc@am.gdynia.pl; madamowi@am.gdynia.pl dr inż. Ireneusz osoń; dr inż. Andrzej Wilk, Poliechnika Gdańska, Kaedra Energoelekroniki i aszyn Elekrycznych, ul. Naruowicza /, 895 Gdańsk, i.moson@ely.pg.gda.pl; a.wilk@ely.pg.gda.pl; 6 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY, ISSN 3397, R. 8 NR /6