BEZCZUJNIKOWE METODY STEROWANIA PRZEKSZTAŁTNIKAMI SIECIOWYMI AC/DC O DWUKIERUNKOWYM PRZEPŁYWIE ENERGII

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów Pomarów Elektrycznych Nr 56 Poltechnk Wrocławskej Nr 56 Studa Materały Nr przekształtnk secowy AC/DC, metody bezczujnkowe, sterowane, analza Mchał KNAPCZYK *, Krzysztof PIEŃKOWSKI * BEZCZUJNIKOWE METODY STEROWANIA PRZEKSZTAŁTNIKAMI SIECIOWYMI AC/DC O DWUKIERUNKOWYM PRZEPŁYWIE ENERGII Artykuł prezentuje analzę porównawczą bezczujnkowych metod sterowana przekształtnkam secowym AC/DC o dwukerunkowym przepływe energ. Omówono zasady algorytmy sterowana przekształtnkam AC/DC. Przedstawono wykresy wektorowe schematy bezczujnkowych układów sterowana w oparcu o metody: Voltage Orented Control (VOC), Vrtual Flux Orented Control (VFOC), Voltage Based Drect Power Control (V-DPC) Vrtual Flux Based Drect Power Control (VF-DPC). Opsano właścwośc estymatorów wybranych zmennych stanu oraz przedstawono wybrane wynk symulacj komputerowych bezczujnkowych metod sterowana przekształtnkam AC/DC. Dokonano oceny jakośc przedstawonych metod sterowana. 1. WSTĘP Do zaslana tradycyjnych napędów przekształtnkowych prądu przemennego stosuje sę prostownk dodowe lub tyrystorowe, które poberają z sec zaslającej prąd odkształcony, stając sę źródłem wyższych harmoncznych. Przekształtnk te, będące odbornkam nelnowym poberającym prąd odkształcony, powodują pobór mocy bernej wzrost strat w lnach przesyłowych. Zredukowane zawartośc wyższych harmoncznych w prądach sec zaslającej do wartośc klku procent pozwala unknąć wększośc z wyżej wymenonych problemów. Opracowano szereg metod elmnacj wyższych harmoncznych. Tradycyjne metody wykorzystują fltry pasywne, cechujące sę prostą konstrukcją nskm kosztem [5]. Obecne badane rozwjane są metody aktywnej fltracj, polegające na * Poltechnka Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów Pomarów Elektrycznych, Wrocław, ul.smoluchowskego 19, krzysztof.penkowsk@pwr.wroc.pl, mchal.knapczyk@pwr.wroc.pl..

2 takm dostosowanu kształtu prądu fltru do prądu odbornka nelnowego, aby wypadkowy prąd sec utrzymywał przebeg blsk snusodalnemu [1,5]. W Europe obowązują obecne przepsy regulujące problem jakośc energ (IEC /IEC ), które narzucają wymagana nowoczesnym urządzenom energoelektroncznym, zaslanym z sec prądu przemennego. Urządzena te pownny poberać prąd o kształce zblżonym do snusody, przy jednoczesnym zapewnenu jednostkowego współczynnka mocy we wszystkch stanach pracy. Do urządzeń spełnających powyższe warunk należą przekształtnk secowe AC/DC o dwukerunkowym przepływe energ, nazwane także prostownkam PWM. Zastosowane tego typu przekształtnków w nowoczesnych przemennkach częstotlwośc jest uzasadnone ch właścwoścam. Z drugej strony wysok koszt oraz skomplkowane struktury sterowana stanową jedną z przeszkód ch powszechnego stosowana. Jedną z możlwośc obnżena kosztów przekształtnków jest redukcja lczby elementów pomarowych. Zastosowane procesorów sygnałowych umożlwa odtwarzane zmennych stanu z dużą dokładnoścą. Można przewdywać, że układy napędowe z prostownkam PWM o sterowanu bezczujnkowym będą w przyszłośc stanowć rozwązana standardowe, zapewnające pobór energ o wysokej jakośc [5]. 2. STEROWANIE BEZCZUJNIKOWE PRZEKSZTAŁTNIKAMI AC/DC O DWUKIERUNKOWYM PRZEPŁYWIE ENERGII Na podstawe przeglądu lteratury techncznej wyróżnć można następujące metody sterowana przekształtnkam secowym AC/DC: metodę VOC (Voltage Orented Control), metodę VFOC (Vrtual Flux Orented Control), metodę V-DPC (Voltage Based Drect Power Control) oraz metodę VF-DPC (Vrtual Flux Based Drect Power Control) [2,3,5,6,7]. W klasycznym ujęcu wszystke wymenone metody sterowana prostownkem PWM dla poprawnej pracy wymagają zastosowana następujących czujnków: czujnka napęca stałego w obwodze pośrednczącym, trzech czujnków napęć przemennych sec zaslającej oraz trzech czujnków prądów przemennych sec zaslającej. Zastosowane metod sterowana bezczujnkowego ma uzasadnene zarówno technczne jak ekonomczne: upraszcza topologę układu sterowana, wprowadza zolację mędzy obwodem mocy układem regulacj, zapewna nezawodność dzałana przekształtnka oraz obnża koszty układu [4,5,7]. Najczęścej stosowanym rozwązanam układów bezczujnkowych są: układy estymujące napęca sec, bazujące na pomarze napęca stałego, prądów AC ln zaslającej aktualnym stane kluczy przekształtnka [5,6], układy estymujące prądy sec, bazujące na pomarze napęca dławka seco-

3 wego wylczające prąd na podstawe całk z napęca dławka, układy jednocześne estymujące napęca prądy sec, bazujące na pomarze prądu napęca w obwodze DC aktualnym stane kluczy przekształtnka [4].2.1. BEZCZUJNIKOWE STEROWANIE PRZEKSZTAŁTNIKIEM SIECIOWYM AC/DC METODĄ VOLTAGE ORIENTED CONTROL (VOC) Wykres wektorowy układ sterowana przekształtnkem AC/DC z orentacją wektora prądu sec g względem wektora napęca sec e g przedstawono na rys.1. Rys.1. Metoda napęcowo-zorentowana: (a) zasada dzałana; (b) schemat blokowy Fg.1. Voltage Orented Control: (a) vector dagram; (b) block dagram Regulator napęca stałego wyznacza zadaną wartość składowej gxref prądu sec. Składowa gyref prądu sec dla zapewnena jednostkowego współczynnka mocy jest ustawona na wartość zerową. W bloku x-y/α-β dokonuje sę transformacj składowych zadanych wektora prądu sec gxref, gyref do neruchomego układu współrzędnych α-β. Po przekształcenu składowych ref, ref do układu trójfazowego ABC otrzymuje sę wartośc zadane prądów fazowych sec. Hsterezowe regulatory prądu określają sygnały S a, S b, S c sterujące kluczam przekształtnka AC/DC [2,8]. Wektor napęca sec e g estymowany jest na podstawe znajomośc wektora napęca przekształtnka u p oraz wektora napęca dławka secowego u L : * g e = u + u p L (1) Składowe wektora napęca przekształtnka wylcza sę z zależnośc wążącej napęce obowodu pośrednczącego aktualny stan kluczy przekształtnka:

4 u u pα pβ = = 2 U 3 1 U 2 dc dc S a ( S S ) b 1 2 ( S + S ) c b c (2) Znając wartość prądów poberanych z sec oraz wylczając wartość chwlową mocy bernej poberanej przez dławk (3) można estymować napęce dławka secowego, korzystając z zależnośc (4)[5]: u u 3Lg dga dgc q = gc ga 3 dt dt = + q Lα 0 Lβ (3) (4) Rys.2 przedstawa przebeg napęca prądu poberanego z sec zaslającej przez prostownk PWM w momence załączena obcążena. Rys.2. Metoda napęcowo-zorentowana: (a) napęce prąd sec; (b) składowe zadane prądu sec Fg.2. Voltage Orented Control: (a) phase voltage and lne current; (b) reference lne currents Utrzymane zerowej wartośc składowej prądu gyref zapewna współfazowość przebegów napęć prądów sec, co oznacza, że układ pracuje z jednostkowym współczynnkem mocy (UPF- Unty Power Factor). Prąd sec ga odbega kształtem

5 od snusody ze względu na operację różnczkowana, zachodzącą w estymatorze napęca. Układ sterowana przekształtnkem AC/DC oparty na metodze VOC ne zapewna snusodalnego kształtu prądu poberanego z sec, w przypadku wystąpena wyższych harmoncznych w napęcu sec BEZCZUJNIKOWE STEROWANIE PRZEKSZTAŁTNIKIEM SIECIOWYM AC/DC METODĄ VIRTUAL FLUX ORIENTED CONTROL (VFOC) Rys.3 przedstawa wykres wektorowy układ sterowana przekształtnkem AC/DC z orentacją wektora prądu sec g względem wrtualnego wektora strumena sec Ψ g. Rys.3. Metoda strumenowo- zorentowana: (a) zasada dzałana; (b) schemat blokowy Fg.3. Vrtual Flux Orented Control: (a) vector dagram; (b) block dagram Regulator napęca stałego wyznacza zadaną wartość składowej gyref prądu sec. Składowa gxref prądu sec dla zapewnena jednostkowego współczynnka mocy jest utrzymywana na pozome zerowym. W bloku x-y/α-β następuje transformacja składowych zadanych wektora prądu sec gxref, gyref do neruchomego układu współrzędnych α-β. Następne po przekształcenu składowych ref, ref do układu trójfazowego ABC otrzymuje sę wartośc zadane prądów fazowych sec. Zastosowane hsterezowych regulatorów prądu sec narzuca zmenną częstotlwość przełączeń kluczy przekształtnka. Zastąpene regulatorów dwustanowych regulatoram PI zastosowane modulatora wektorowego zapewna uzyskane stałej częstotlwośc przełączeń w układze [9]. Otrzymane na podstawe badań symulacyjnych przebeg napęca prądu poberanego z sec zaslającej przez prostownk PWM w momence załączena obcążena przedstawa rys.4. Z badań wynka, że następuje szybka odpowedź składowej zadanej prądu sec gyref, a układ

6 pracuje z jednostkowym współczynnkem mocy. Przekształtnk w stane obcążena pobera z sec prąd ga o kształce blskm snusodalnemu. Układ sterowana przekształtnkem AC/DC oparty na metodze VFOC zapewna pobór prądu o kształce zblżonym do snusody nawet w przypadku występena wyższych harmoncznych w napęcu sec. Składowe wrtualnego wektora strumena sec Ψ g w układze α-β otrzymuje sę w wynku całkowana zależnośc (1), opsującej wektor napęca sec [5]: Ψ Ψ * * = = u u pα pβ dg + L dt α dg + L dt β dt = dt = u u pα pβ dt + L dt + L (5) Operacja całkowana, w wynku której estymowany jest wrtualny wektor strumena sec (5), ma właścwośc fltru dolnoprzepustowego [5]. Zapewna to snusodalny kształt wrtualnego strumena sec w warunkach zaslana napęcem odkształconym. Rys. 4. Metoda strumenowo-zorentowana: (a) napęce prąd sec; (b) składowe zadane prądu sec Fg. 4. Vrtual Flux Orented Control: (a) phase voltage and lne current; (b) reference lne currents Rys.5 przedstawa przebeg prądu poberanego z sec przez prostownk PWM zaslany układem napęć odkształconych z 15-procentowym udzałem 5. harmoncznej.

7 Rys.5. Metoda strumenowo-zorentowana: (a) prąd fazowy sec wymuszony odkształconym napęcem zaslającym; (b) składowe zadane prądu sec Fg.5. Vrtual Flux Orented Control: (a) lne current under dstorted lne voltage condton; (b) reference lne currents 2.3. BEZCZUJNIKOWE STEROWANIE PRZEKSZTAŁTNIKIEM SIECIOWYM AC/DC METODĄ VOLTAGE BASED DIRECT POWER CONTROL (V-DPC) Układ sterowana przekształtnkem AC/DC z bezpośrednm sterowanem mocy opartym na wektorze napęca sec przedstawono na rys.6. Wartośc chwlowe mocy czynnej bernej są estymowane na podstawe nformacj o napęcu stałym, prądach sec aktualnym stane przekształtnka [5,7]: d p = L dt ga ga d + dt 1 dga q = 3L g 3 dt gb gc gb d + dt d dt gc gc ga gc U + U dc dc ( S + S + S ) ( S ( ) + S ( ) + S ( ) a a ga gb gc b gb b c gc Perwszy składnk równań (6) opsuje moc w ndukcyjnośc sec, natomast składnk drug opsuje moc przekształtnka. Rys.7. przedstawa przebeg napęca prądu poberanego z sec zaslającej przez przekształtnk AC/DC w momence załączena obcążena. Warunek zapewnena jednostkowego współczynnka mocy wymaga utrzymana zerowej wartośc mocy bernej. gc ga c ga gb (6)

8 Rys.6. Napęcowa metoda bezpośrednego sterowana mocą: (a) kolejność sektorów wektora napęca sec; (b) schemat blokowy Fg.6. Voltage Based Drect Power Control: (a) placement of lne voltage vector sectors; (b) block dagram Optymalne przełączena stabelaryzowane są w tablcy przełączeń adresowanej stanem komparatorów mocy czynnej bernej zależne od sektora, w którym aktualne znajduje sę estymowany wektor napęca sec e g. Ze względu na zastosowane dużych wartośc ndukcyjnośc dławków secowych, prąd sec ga odbega neznaczne kształtem od snusody. Układ sterowana prostownkwm PWM oparty na metodze V-DPC ne zapewna snusodalnego kształtu prądu poberanego z sec w przypadku występowana wyższych harmoncznych w napęcu zaslającym [7] BEZCZUJNIKOWE STEROWANIE PRZEKSZTAŁTNIKIEM SIECIOWYM AC/DC METODĄ VIRTUAL FLUX BASED DIRECT POWER CONTROL (VF-DPC) Układ sterowana przekształtnkem AC/DC z bezpośrednm sterowanem mocy opartym na wrtualnym wektorze strumena sec przedstawono na rys.8. W tej metodze podobne jak w metodze VFOC na podstawe estymowanego wektora napęca sec oblczany jest wrtualny wektor strumena sec (5). Nadrzędny układ regulacj napęca obwodu pośrednczącego wyznacza wartość zadanej mocy czynnej. Dla zapewnena jednostkowego współczynnka mocy wymaga sę utrzymana zerowej wartośc mocy bernej. Odchyłk mocy elektrycznej oraz sygnał określający kąt położena wektora strumena sec wyznaczają, na podstawe tablcy przełączeń, odpowedn wybór wektora napęca przekształtnka.

9 Rys.7. Napęcowa metoda bezpośrednego sterowana mocą: (a) napęce prąd sec; (b) moc czynna zadana (3) estymowana moc berna (4) Fg.7. Voltage Based Drect Power Control: (a) phase voltage and lne current; (b) reference actve power (3) and estmated reactve power (4) Dla snusodalnych symetrycznych napęć zaslających, wartośc chwlowe mocy czynnej bernej estymowane są na podstawe następujących zależnośc [5,6,7]: p = ω q = ω ( Ψ Ψ ) ( Ψ + Ψ ), (7) gdze ω jest pulsacją napęca secowego. Przebeg napęca prądu poberanego z sec zaslającej przez prostownk PWM w momence załączena obcążena przedstawono na rys.9. Przebeg procesu regulacj jest analogczny do procesu sterowana występującego w metodze V-DPC. Z rys.10 wynka, że podobne jak w przypadku metody VFOC układ sterowana przekształtnkem AC/DC oparty na metodze VF-DPC zapewna pobór prądu o kształce zblżonym do snusody w przypadku występowana wyższych harmoncznych w napęcu sec [6]. W przecweństwe do metody VFOC w metodze VF-DPC ne występują wewnętrzne pętle regulacj prądu. Brak modulatora PWM wraz z układam transformacj współrzędnych stanow znaczne uproszczene topolog układu sterowana.

10 Rys. 8. Strumenowa metoda bezpośrednego sterowana mocą: (a) kolejność sektorów wrtualnego wektora strumena sec; (b) schemat blokowy Fg.8. Vrtual Flux Based Drect Power Control: (a) placement of vrtual flux vector sectors; (b) block dagram Rys.9. Strumenowa metoda bezpośrednego sterowana mocą: (a) napęce prąd sec; (b) moc czynna, (3) zadana (4) estymowana moc berna Fg.9. Voltage Based Drect Power Control: (a) phase voltage and lne current; (b) reference actve power (3) and estmated reactve power (4)

11 Rys.10. Strumenowa metoda bezpośrednego sterowana mocą: (a) prąd fazowy sec wymuszony odkształconym napęcem zaslającym; (b) moc czynna zadana (3) estymowana moc berna (4) Fg.10. Vrtual Flux Based Drect Power Control: (a) lne current under dstorted lne voltage condton; (b) reference actve power (3) and estmated reactve power (4) 3. PODSUMOWANIE W artykule przedstawono bezczujnkowe metody sterowana przekształtnkem secowym AC/DC o dwukerunkowym przepływe energ. Zastosowane estymatorów zmennych stanu pozwolło na wyelmnowane trzech czujnków napęca ln zaslającej w przedstawonych układach regulacj przekształtnka. Do prawdłowego odtworzena nezbędnych welkośc sterujących wymenone układy sterowana przekształtnkem wymagają zastosowana czujnka napęca obwodu pośrednczącego jedyne dwóch czujnków prądów sec zaslającej. W metodze VOC jednostkowy współczynnk mocy zapewnony jest przez orentację wektora prądu sec względem wektora napęca sec. Metoda VFOC jest zmodyfkowaną metodą napęcowo-zorentowaną. Poprawę właścwośc dynamcznych układu odporność na wyższe harmonczne w napęcu zaslającym uzyskano przez orentację wektora prądu sec względem wrtualnego wektora strumena sec. Przedstawono dwa waranty metody bezpośrednego sterowana mocą: V-DPC VF-DPC. W metodze V-DPC sterowane przepływem mocy czynnej bernej odbywa sę z wykorzystanem wektora napęca sec. Metodę VF-DPC charakteryzuje estymacja chwlowych wartośc mocy czynnej bernej na podstawe nformacj o module położenu wrtualnego wektora strumena sec. Operając sę na przedstawonej analze porównawczej wykazano wyższość metody VF-DPC nad

12 opsanym metodam sterowana. Doskonała dynamka, prosty algorytm dzałana mała wrażlwość na odkształcone napęce zaslające stanową główne zalety metody. Bezczujnkowa metoda bezpośrednego sterowana mocą przekształtnka AC/DC, w oparcu o wrtualny strumeń sec (VF-DPC) jest obecne szczególne badana rozwjana. LITERATURA [1] BUSO S., MALESANI L., MATTAVELLI P., Comparson of Current Control Technques for Actve Flter Applcatons, IEEE Transactons on ndustral electroncs, vol.45, no.5, October [2] KAŹMIERKOWSKI M. P., MALESANI L., Current Control Technques for Three-Phase Voltage- Source PWM Converters: A Survey, IEEE Transactons on ndustral electroncs, vol.45, no.5, October [3] KAŹMIERKOWSKI M. P., CICHOWLAS M., Comparson of Current Control Technques for PWM Rectfers, Warsaw Unversty of Technology, [4] LEE D.-C., LIM D.-S., AC Voltage and Current Sensorless Control of Three-Phase PWM Rectfers, IEEE Transactons on power electroncs, vol.17, no.6, November [5] MALINOWSKI M., Sensorless Control Strateges for Three-Phase PWM Rectfers, Ph.D.Thess, Warsaw Unversty of Technology, [6] MALINOWSKI M., KAŹMIERKOWSKI M. P., HANSEN S., BLAABJERG F., MARQUES G. D., Vrtual-Flux-Based Drect Power Control of Three-Phase PWM Rectfers, IEEE Transactons on ndustry applcatons, vol.37, no.4, July/August [7] MALINOWSKI M., KAŹMIERKOWSKI M. P., TRZYNADLOWSKI A. M., A Comparatve Study of Control Technques for PWM Rectfers n AC Adjustable Speed Drves, IEEE Transactons on power electroncs, vol.18, no.6, November [8] SILVA J. F., PIRES V. F., PINTO S. F., BARROS J. D., Advanced control methods for power electroncs systems, Mathematcs and Computers n Smulatons 63, 2003, [9] ZHOU K., WANG D., Relatonshp Between Space-Vector Modulaton and Three-Phase Carrer- Based PWM: A Comprehensve Analyss, IEEE Transactons on ndustral electroncs, vol.49, no.1, February SENSORLESS CONTROL OF REVERSIBLE AC/DC CONVERTERS The paper presents a comparatve study of sensorless control technques for PWM rectfers. In partcular, Voltage Orented Control (VOC), Vrtual Flux Orented Control (VFOC), Voltage Based Drect Power Control (V-DPC) and Vrtual Flux Based Drect Power Control (VF-DPC) are presented and dscussed. Theoretcal background for each control technque s provded and comparatve analyss based on computer smulatons s carred out. Operatng characterstcs, advantages and dsadvantages of ndvdual control strategy are descrbed. The goal of the control systems s to mantan the output dc-lnk voltage at the requred level, whle lne currents should be deally snusodal and n phase wth respectve phase voltages to satsfy the unty power factor (UPF) condton. Moreover the sensorless operaton reduces the system cost and mproves ts relablty.