AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKEJ

Transkrypt

1 AUTOEFEAT OZPAWY DOKTOSKEJ mgr inż. fł Michł Miśkiewicz Sytemy beztykweg zilni z dwukierunkwym rzeyłem energii POMOTO: rf. dr hb. inż. Mrin P. Kźmierkwki Wrzw, 07

2 Wtę Si treści Wtę... 3 Przegląd rzwiązń ytemów IET Mdel trnfrmtr w ytemch IET d kątem nlizy rzężeni mgnetyczneg. 4 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni eznnwy ukłd kmencji Szeregw - Szeregwy S-S eznnwy ukłd kmencji Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii Metd terwni Fzw - Integrcyjn PhI Metd terwni ze tłą częttliwścią PSM Prcedur rjektwni ytemów IET Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych Bdni ukłdu IET z dwukierunkwym rzeływem energii terwneg metdą zmienn częttliwściwą Fzw - Integrcjyjnej PhI Bdni ukłdu IET z dwukierunkwym rzeływem energii terwneg metdą tł częttliwściwą PSM Pdumwnie i wniki Pdumwnie Wniki Przyzłe bdni Oznczeni i Symble ITEATUA... 55

3 Wtę Wtę Wrz z rzwjem nwczenych ytemów energelektrniki i ytemów zilni berwuje ię tle rnące zinterewnie ytemmi beztykweg rzeyłu energii ng. ntctle Energy Trnfer - ET, rzwój nwych bzrów ich ztwń rz bów zwiękzeni rwnści rzeyłu energii [0, 9, 43-46, 84, 90]. Technlgi ytemów ET inicjuje nwe mżliwści zilni urządzeń, w zczególnści urządzeń i mzyn będących w ruchu, jk również twrz mżliwść zilni urządzeń tm gdzie dtychcz był t niemżliwe lub niebezieczne ze względu n wrunki śrdwikwe. Jk główne zlety ytemów ET nleży dkreślić tkie cechy jk: elimincj elementów tykwych i rzewdów, zwiękzeni liczby tni wbdy między źródłem zilni dbirnikiem energii, mżliwść rcy w trudnych wrunkch śrdwikwych, zwiękzne bezieczeńtw zilni ddtkw izlcj glwniczn i bezikrwść zncznie więkze mżliwści utmtyzcji rceu zilni. iczne zlety ytemów ET tj. urządzeń wyżnych w ytem zilni beztykweg rwiją, że ich ztwnie jet trkcyjne w zerkim zkreie zrówn w urządzenich d użytku rywtneg dmwych w jezcze więkzej kli w rzwiąznich rzemyłwych ltnictw, rbtyk, medycyn, mtryzcj, telekmunikcj, i in. yunek. rzedtwi klyfikcję ytemów ET ze względu n rdzj użyteg medium trnmiyjneg. Energi w ytemch beztykweg zilni mże być rzeyłn rzez: świtł, dźwięk, le elektryczne, le mgnetyczne. Kżde z nich m wją ecyfikcję i inny włściwści. Dlteg też medi tkie jk dźwięk, świtł i le elektryczne rzężenie jemnściwe ą twne w ytemch ET młej mcy, by zminimlizwć ddziływnie n śrdwik zewnętrzne [5, 0, 4, 5, 8, 84, 86, 88]. 3

4 Wtę y.. Klyfikcj ytemów ET z uwzględnieniem dziłu n medi trnferu energii. W ytemch więkzych mcy wykrzytywnym medium jet le mgnetyczne, głównym człnem tkich ytemów jet trnfrmtr, rcujący w zczególnych wrunkch t.j. z dużą zczeliną wietrzną dległścią między trn ierwtną i wtórną uzwjeń. Teg tyu rzwiązni nzywne ą indukcyjnymi ytemmi beztykweg zilni ng. Inductive ntctle Energy Trnfer - IET. Obzr ciezący ię njwiękzą ulrnścią ztwń ytemów IET t utmtyk rzemyłw zilnie ciągłe lub unktwe wózków rzemyłwych n hlch rdukcyjnych rz cły bzr kreślny jk elektrmbility - dtyczący jzdów elektrycznych EV. Sytemy IET dl EV mgą rcwć, jk ytemy zilni lub łdwni/dłdwywni bterii kumultrów ng. GV Grid t Vehicle jzdu elektryczneg. Wrz z rzwjem dnwilnych źródeł energii i inteligentnych ieci rumenckich, jwił ię n rynku energii elektrycznej trzeb mgzynwni 4

5 Wtę energii. Dlteg zmienił ię jrzenie n bterię kumultrów jzdu elektryczneg EV, któr nie tnwi już tylk źródł zilni dl nędu elektryczneg, le mże być częścią rzrznych mgzynów energii dl ytemu elektrenergetyczneg. Energi grmdzn w kumultrch dcz tju jzdu mże być użyt w krech jej więkzeg lklneg ztrzebwni ng.vg Vehicle t Grid i dwrtnie rzrzny mgzyn energii mże być częścią ytemu zewnijąceg równmierne bciążenie ytemu energetyczneg elektrwni zbierjąc ndmir energii d wich kumultrów GV. Pwyżze wrunki wymgją d ytemów IET nie tylk zewnieni wykrwneg rzeyłu energii, lecz również mżliwści jej trnferu w bu kierunkch. Intytut Elektrtechniki rzczął inierkie w krju bdni nd ytemmi beztykweg zilni IET już w rku 00, które udkumentwne ztły w wielu ublikcjch krjwych i zgrnicznych [43, 44, 45, 46, 73, 74, 75]. Jednk ierwze rce dtyczyły jedynie ytemów IET z jednkierunkwym rzeływem energii. Niniejz rzrw jet kntynucją i rzzerzeniem tych bdń. Nleży dkreślić że w ciągu ttnich 5-8 lt, jwił ię wiele ublikcji n temt ytemów IET, których więkzść święcn był ytemm jednkierunkwym rzeyle energii. Drwdził t d wtni witej luki jeśli chdzi metdykę rjektwni i budwy ytemów beztykwych z dwukierunkwym rzeyłem energii. Dlteg utr niniejzej rzrwy frmułwł ntęującą tezę: "Indukcyjne ytemy beztykweg rzeyłu energii ng. IET, z zeregw - zeregwym S-S ukłdem kmencji zewniją wyk rwny dwukierunkwy rzeył energii w zerkim zkreie zmin bciążeni rz wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k". W celu udwdnieni tezy, utr łużył ię metdmi nlitycznymi ymulcji kmuterwej rz weryfikcji ekerymentlnej n mdelu lbrtryjnym mcy 5kVA. Złżn tkże, że mdele bwdwe i regulcyjne ą liniwe, tkże rzyjęt, że rzekztłtniki ą idelne. 5

6 W inii utr ntęujące części rcy tnwią jeg ryginlny wkłd: Orcwnie mdelu ymulcyjneg indukcyjneg ytemu beztykweg zilni IET z dwukierunkwym rzeływem energii, Orcwnie w rgrmie OMSO mdelu FEM trnfrmtr lnrneg ytemu IET rz rcwnie bu wyznczni indukcyjnści włnej i wzjemnej, Anliz reznnwych bwdów kmencji w kiecie rgrmitycznym MATAB, Orcwnie energelektrnicznych mdeli ymulcyjnych w kiecie PSIM rz metd terwni rzekztłtnikmi ytemu IET, Wyzncznie chrkterytyk częttliwściwych dl różnych knfigurcji reznnwych bwdów kmencji, Orcwnie i bdni dwóch metd terwni: Fzw - Integrcyjnej PhI i tł częttliwściwej PSM, Orcwnie metdyki rjektwni ytemów IET z dwukierunkwym rzeyłem energii, Prjekt, budw i rktyczn weryfikcj mdelu lbrtryjneg ytemu IET mcy 5 kw z dwukierunkwym rzeływu energii i lgrytmem terwni bzującym n ukłdzie rgrmwlnym FPGA EP8T448N. 6

7 Przegląd rzwiązń ytemów IET Przegląd rzwiązń ytemów IET Nie itnieje jednlit i gólnie kcetwn terminlgi dtycząc ytemów IET. Aktulnie mżn dzielić je n [45]: Wirele Pwer Trnfer WPT, Inductive Pwer Trnfer IPT. Główną różnicą między tymi dwm rdzjmi ytemów jet częttliwść rcy, dległść n jką energi jet rzekzywn, rwnść rzeyłu energii rzede wzytkim wielkść mcy mkymlnej. Sytemy WPT rcują z wyką częttliwścią rbczą w zkreie d MHz d kilku GHz [6, 7, 9-33, 48, 5]. Energi w tych ytemch jet rzeyłn n dległści d kilku metrów, jednkże w nikim zkreie mcy tj. d kilkuet miliwtów d jedynczych etek wtów. Sytemy IPT t ukłdy zncznie więkzych mcch, w literturze mżn tkć udkumentwne rzwiązni mcch z zkreu kilku kw d MW [, 3, 5, 3, 7, 34-49, 5-58, 6, 70, 7, 77, 83, 89, 03, 04, 09, 5, 8, 3, 9]. Energi w ytemch IPT jet efektywnie rzeyłn tj. z wyką rwnścią rzez rzężenie mgnetyczne n dległści d kilkudzieięciu centymetrów. zęttliwść rcy ytemów IPT t zkre d kilkudzieięciu d kilkuet khz. Klejnym rdzjem dziłu ytemów IET jet ób zilni dbirnik. Zilnie mże dbywć ię w ruchu n. jzd EV będący w ruchu jet t zilnie dynmiczne, bądź dcz tju n. zrkwny jzd EV jet t zilnie tcjnrne. Niezleżnie d ztwni i wrunków rcy, budw ytemów IET jet dbn, tywy chemt blkwy rzedtwin n ry... Wyróżni ię dwie części: tcjnrną trn ierwtn ytemu zzwyczj rzyłączną d ziljącej ieci energetycznej lub dnwilneg źródł energii, rz trnę wtórną ytemu, kreśln jk część mbiln, zintegrwną n tłe z dbirnikiem energii. Ntmit mą trukturę blkwą ytemu IET dzielić mżn n trzy wrtwy: dtwwą, ddtkwą rz ieci ziljącej lub bciążeni. W kłd wrtwy dtwwej ytemu IET zliczmy: trnfrmtr z dwm lub więkzą ilścią uzwjeń rzężnych mgnetycznie. Uwg:Niniejz rc dtyczy wyłącznie ytemów IPT, które dlej znczne ą gólnie IET 7

8 Przegląd rzwiązń ytemów IET Głównym grniczeniem w rwnści rzeyłu energii w trnfrmtrch IET dziłjących w zkreie nikich wrtści wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k, ą dki nięć n indukcyjnścich rzrzeni uzwjeń. AYE OF ET SYSTEMS PIMAY SIDE OF ET SYSTEM STAJONAY SIDE SEONDAY SIDE OF ET SYSTEM MOVEABE SIDE ESONANT ONVETE ESONANT APAITO MAGNETI OUPING ESONANT APAITO ESONANT ONVETE BASI k POWE OVETES POWE OVETES ADITIONA ETIFIE A/D ATIVE ETIFIE A/A ONVETE D/D ONVETE D/A ONVETE A/A ONVETE GID/OAD UNIDIETIONA ENEGY FOW GIDTO OAD BIDIETIONA ENEGY FOW BETWEEN GID AND OAD M y.. Ugólniny chemt blkwy ytemu IET. Tę niedgdnść w rcy ytemu IET, zminimlizwć mżn rzez dłączenie kndentrów d zcików trnfrmtr, tk wtły bwód drwdzić d reznnu. Knfigurcji reznnwych bwdów kmenujących mże być wiele, w zleżnści d bu rzyłączeni kndentrów d zcików trnfrmtr. Energi nięci bwdu średnieg jet rzekztłcn rzez rzekztłtnik reznnwy D-A n nięci rzemienne wykiej częttliwści. T nięcie wymuz rąd w uzwjeniu ierwtnym, który zgdnie z rwem indukcji elektrmgnetycznej indukuje nięcie w uzwjeniu wtórnym. Zindukwne nięcie rzemienne w bwdzie wtórnym rzekztłcne jet rzez rzekztłtniki trny wtórnej njczęściej n nięcie tłe D ziljące dbirnik. Zdę tą tuje ię w więkzści ytemów IET. Niewielk gru ytemów IET używ bezśrednieg rzekztłtnik A-A [40, 55, 6, 7]. Jednk zd trnferu energii jet tk m, z tą różnicą, że rzekztłtnik A-A wymuz w uzwjeniu rąd wykiej częttliwści zmdulwny rzez nięcie ieci ziljącej, c wduje, że zindukwne nięcie trnie wtórnej ytemu jet również mdulwne. 8

9 Przegląd rzwiązń ytemów IET Ntęnie zindukwne nięcie jet demdulwne i rtwne rzez rzekztłtnik A-D. Pwyżzy rdzj rzwiązni jet twny rzede wzytkim w ytemch z jednkierunkwym rzeływem energii. Drug wrtw ytemu IET zwier ddtkwe rzekztłtniki. Od trny ierwtnej ytemu IET twne ą jedn bądź trójfzwe rtwniki didwe lub trnzytrwe rtwniki ktywne. Zewniją ne tbilizcję nięci n zynie D, dwukierunkwy rzeływ energii rzy jednczenym utrzymniu jedntkweg wółczynnik mcy i redukcję hrmnicznych rądu ieci ziljącej. P trnie wtórnej tuje ię różne rdzje tlgii rzekztłtników, w zleżnści d rdzju bciążeni. W rzydku bciążeni kumultrweg zzwyczj używne ą rzekztłtniki D-D, zewnijące tymlne wrunki rądu łdwni i nięci dl dbirnik kumultrweg. Jeśli bciążeniem ytemu IET jet ukłd nędwy z ilnikiem indukcyjnym lub PMSM t tywym ukłdem jet rzekztłtnik D-A. Pdził rzekztłtników jkie ą twne w ytemch IET rzedtwi ry... W rzydku, gdy dtww truktur ytemu IET nie zewni wymgnych rmetrów zilni n. zwiękzenie mcy lub zmniejzenie ceny urządzeni, tuje ię różne knfigurcje elementów czynnych i biernych w ytemie, y..3. MEDIUM POWE OW POWE OW POWE MEDIUM POWE HIGH POWE y... Pdził kntrukcji trnfrmtrów względem długści zczeliny wietrznej rz mcy mkymlnej. Tlgie rzekztłtników używne w trukturze ytemu IET: Przekztłtnik mtkwy jednfzwy, b rzekztłtnik mtkwy trójfzwy, c rzekztłtnik trójzimwy, d rzekztłtnik bezśredni A-A, e rtwnik jednfzwy, f rtwnik trójfzwy. 9

10 Przegląd rzwiązń ytemów IET PAAE ONFIGUATION OF ET SYSTEM N MODUE ESONANT ESONANT MAGNETI ESONANT ESONANT ONVETE APAITO OUPING APAITO ONVETE k D POWE SUPPY OAD FIST MODUE ESONANT ESONANT MAGNETI ESONANT ESONANT M ONVETE APAITO OUPING APAITO ONVETE k b ASADE ONFIGUATION OF ET SYSTEM ESONANT APAITO MAGNETI OUPING ESONANT APAITO ESONANT ONVETE OAD k M ESONANT APAITO MAGNETI OUPING ESONANT APAITO ESONANT ONVETE OAD k M D POWE SUPPY ESONANT ONVETE ESONANT APAITO MAGNETI OUPING ESONANT APAITO ESONANT ONVETE OAD k M c MUTI PIKUP ONFIGUATION OF ET SYSTEM SEONDAY OI N ESONANT APAITO ESONANT ONVETE k M MAGNETI OUPING SEONDAY OI ESONANT APAITO ESONANT ONVETE k M Mn SEONDAY OI ESONANT APAITO ESONANT ONVETE M k M M ESONANT ONVETE ESONANT APAITO PIMAY OI y..3. Przegląd knfigurcji ytemów IET równległ, b kkdw, c Multi PickU 0

11 Mdel trnfrmtr w ytemch IET d kątem nlizy rzężeni mgnetyczneg. 3 Mdel trnfrmtr w ytemch IET d kątem nlizy rzężeni mgnetyczneg. Zdę dziłni dwóch cewek rzężnych mgnetycznie dl rchunku trumieni mgnetycznych rzedtwi ry. 3.. y. 3.. ewki rzężnych mgnetycznie, grficznie rzedtwin zd dziłni, b chemt ztęczy, c chemt ztęczy tyu T N dtwie wyżzeg mdelu mżn wyznczyć dw równwżne chemty ztęcze rzedtwine n ry. 3. b i c. Stąd blicz ię: r r r r r r v k M M M M M M U U G 3.

12 Mdel trnfrmtr w ytemch IET d kątem nlizy rzężeni mgnetyczneg. G I M M i 3. I r M U r Zin I M M M k r r r r r M r M 3.3 Njwiękzym grniczeniem w ytemch IET jet rc rzy nikich wrtścich wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k c rzekłd ię bezśredni n mniejzą ilść rzekznej energii i niżzą rwnść. Anliz częttliwściw mdelu T trnfrmtr twierdz ntęujące włściwści: Dl, wzmcnienie nięciwe w zerkim zkreie częttliwści jet rrcjnlne d wrtści wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k y. 3.. Dl, wzmcnienie nięciwe równe jet ilczynwi wrtści wółczynnik rzężeni k mgnetyczneg i rzekłdni zwjwej N G v kn. Przekłdni zwjw N zwier infrmcje wrtścich indukcyjnści włnych uzwjeń. W związku z tym, w mdelu T trnfrmtr tuje ię idelny trnfrmtr rzekłdni :, by dkreślić ercje elektryczną między uzwjenimi. W rzydku nikiej częttliwści dminujące jet wzmcnienie nięciwe, któreg wrtść zleży d wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k i rzekłdni zwjwej N. ówncześnie wzmcnienie rądwe G i i imedncj wejściw Z in iągją nikie wrtści. Odwrtn ytucj wytęuje dl wykich częttliwści, dminującym kłdnikiem jet wzmcnienie G i w związku ze dkiem wzmcnieni nięci G v i wzrtem imedncji wejściwej Z in. Otymlną częttliwścią rcy jet unkt iągnięty dl rzecięci mkymlnej wrtści G i i G v y.3..

13 Mdel trnfrmtr w ytemch IET d kątem nlizy rzężeni mgnetyczneg. bgv fi[deg] [%] Srwnść rzeyłu energii zleży d wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k. Wrz ze dkiem wrtści wółczynnik rzężeni k rwnść rzenzeni energii mleje y. 3.. ezytncj bciążeni m wływ n tymlną częttliwść jk kzn n ryunku 3.. Im niżz rezytncj bciążeni, tym wężzy jet zkre częttliwści rcy. Frequency hrcteritic fr mgnetic culing cil Prmeter: 560uH 00m 00 0 Vltge Gin bg v urrent Gin bg i Vltge Gin bg v k0.9 k k0.8 k k0.8 k k0.6 k k0.6 k k0.4 k k0.4 k0.3 k0. 0. k k0. k f [Hz] f [Hz] f [Hz] Phe Z we Phe G i Phe Z we bgi fi[deg] n[%] f [Hz] f [Hz] f [Hz] f [Hz] bp ut /S in Efficiency P ut /P in Efficiency P ut /P in bgv fi[deg] n[%] f [Hz] f [Hz] y. 3..hrkterytyki częttliwściwe trnfrmtr ytemu IET dl dwóch rezytncji bciążeni 00Ω i 0Ω dl różnych wrtści wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k, 560uH. Nleży dkreślić, że wyżzy mdel mtemtyczny i bzujący n nim chemt ztęczy ą rwne dl częttliwści rcy d kilku Hz d MHz. W rzydku wyżzych częttliwści w mdelu mtemtycznym, jk również n chemcie ztęczym nleży uwzględnić jemnść międzyzwjwe, które ą rzyłączne równlegle d uzwjeń trnfrmtr. 3

14 Mdel trnfrmtr w ytemch IET d kątem nlizy rzężeni mgnetyczneg. W ztwniu ytemu IET dl jzdów elektrycznych używ ię n gół uzwjeni lnrne trnfrmtr, ze względu n: łką trukturę wykść, duże wymiry gemetryczne rz tymlne rzmiezczenie uzwjeń. echy te zewniją niką wrżliwść n brk wycentrwni uzwjeń względem iebie i rty mntż n zilnym jeździe rz miejcu rkingwym tnwiącym tcje łdwni dl jzdów elektrycznych. yunek 3.3 rzedtwi zdjęcie mdelu lbrtryjneg trnfrmtr IET. c b y Zdjęcie mdelu lbrtryjneg trnfrmtr bezrdzeniweg, b wymiry gemetryczne uzwjeń, c mdel lwy FEM trnfrmtr ytemu IET. yunek 3.4 rzedtwi rzykłd rzkłd ntężeni l mgnetyczneg dl ytemu IET rcująceg z mcą 5kW i wykrwnym rzeyłem energii. Jk wynik z nrm i rzrządzeń "zimu ntężeń l elektrmgnetyczneg INIP i rzrządzeni minitr rcy", duzczlny zim ntężeni l mgnetyczneg ze względu n rgnizmy żywe nie mże rzekrcz 0 A/m, c dwid wrtści indukcji mgnetycznej 5uT [4][5]. 4

15 Mdel trnfrmtr w ytemch IET d kątem nlizy rzężeni mgnetyczneg. I PI S60A SEONDAY OI d h c PIMAY OI d l l z [m] y [m] x [m] b d y Wyniki bdń ymulcyjnych rzkłdu l mgnetyczneg w trnfrmtrze bezrdzeniwym rzy rcy z mcą 5kW i zczeliną wietrzną 00mm mdel trnfrmtr, b rzkłd ntężeni l w ich xy, c rzkłd ntężeni l w ich zy, d rzkłd ntężeni l w ich xz. Wrtść t tnwi wytyczne d rjektwni trnfrmtr ytemu IET dl mkymlnej mcy. Itnieją trzy metdy zmniejzjące rzkłd l mgnetyczneg w rzetrzeni rzez: Zmniejzenie dległści zczeliny wietrznej między uzwjenimi, Ztwnie rdzeni ferrytwych, Ztwnie łny mgnetycznej w tci elementów rzewdzących. Obecnie dtęnymi rdzenimi trukturze łkiej ą tk zwne Ferrite Plte, wymirch 00 x 00 x 5 mm, wyknne z mteriłów N87, której dwiednikiem jet mterił 390. yunek 3.5 rzedtwi równnie chrkterytyki zmin wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k względem zmin łżeni gemetryczneg uzwjeń, dl wyników uzyknych w ymulcji mdelu w rgrmie 5

16 Mdel trnfrmtr w ytemch IET d kątem nlizy rzężeni mgnetyczneg. FEM rz zmierzny mtkiem. Ntmit y. 3.6 rzedtwi wływ rdzeni n zminę wółczynnik rzężeni w mgnetyczneg k dl tej mej kntrukcji uzwjeń trnfrmtr. y Wykre równwczy zmin wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k względem zmin wykści uzwjeń dl trzech różnych rzeunięć w i x wyznczneg metdą ymulcyjną i mirwą y Wykre równwczy zmin wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k względem zmin wykści uzwjeń dl trzech różnych rzeunięć w i x, dl trnfrmtr rdzeniweg i bezrdzeniweg Z wyżzych chrkterytyk trzymujemy ntęujące wniki: Dl kntrukcji bezrdzeniwej trnfrmtr, im więkz jet dległść lub rzeunięcie między uzwjenimi, tym niżzy wółczynnik k, Ztwnie rdzeni m ntęujący wływ n włściwści trnfrmtr: dl młych dległści między uzwjenimi wzrt wółczynnik k, dl dużych dległści i rzeunięć nie wływ n wółczynnik k w równniu d kntrukcji bezrdzeniwej. 6

17 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni 7 4 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni 4. eznnwy ukłd kmencji Szeregw - Szeregwy S-S Schemt ztęczy ukłdu S-S rzedtwi ryunek 4.. y. 4.. Schemt ztęczy zeregw - zeregweg S-S ukłdu kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni r i r, z uwzględnieniem trt n rezytncjch uzwjeń, rz kndentrów kmenujących ES. N dtwie chemtu ztęczeg ukłdu kreśl ię włściwści ukłdu w funkcji częttliwści wyznczjąc wzmcnienie nięciwe G v, wzmcnienie rądwe G i, imedncję wejściwą Z we ry. 4., rwnść ytemu η rz tunek mcy zrnej wyjściwej d wejściwej ry.4.3. Przyjmując znczeni: r r r r M M r M 3 r M trzymuje ię: 3 i M I I G v M U U G 4. we I U Z { } we we v i Z Z GG I U I U P P e c ϕ η 4.4 v i G G I U I U S S 4.5

18 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni b fi[deg] fi[deg] bgv bgv y. 4.. hrkterytyk częttliwściw wzmcnieni nięciweg G v rz fzy imedncji wejściwej dl ukłdu kmencji S-S i zmiennej rezytncji bciążeni, dl k0. b k0.4. 8

19 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni Vltge Gin bgv f/fr f/fr P ut /S in P ut /S in Frequency hrcteritic fr SS cmentin ciricuit Prmeter: 560uH 30nF 0. k0. Vltge Gin bg v k f/fr 00 Efficiency P ut /P in f/fr f/fr f/fr Efficiency P ut /P in y hrkterytyki częttliwściwe wzmcnieni nięciweg i rwnści dl dwóch wółczynników rzężeni mgnetyczneg k0. i k0.4, w funkcji zmin rezytncji bciążeni. Obwód kmencji S-S m ymetryczną trukturę któr rwi, że nliz i włściwści ukłdu ą tkie me dl bu kierunków rzeyłu energii. Ukłd ten chrkteryzuje ię ntęującymi cechmi: Stłść rmetrów niezleżnie d wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k, Dwukierunkwy i wykrwny rzeył energii, Symetryczną trukturą, Pid trzy reginy częttliwści rcy i dwie częttliwści reznnwe: Pierwz wynikjąc z indukcyjnści włnych uzwjeń, i jemnści kmenujących, : 9 f. Dl π π r tej częttliwści, ytem m chrkter dwyżzjący nięci, w

20 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni zczególnści rzy nikich wrtścich wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k c kreśl wzór n wzmcnieni nięciwe G v U. W tym unkcie rcy bwiązuje zleżnść U ωr k U I U I. Drug wynikjące z indukcyjnści rzrzeni r, r i jemnści kmenujących, : f. W tym tnie π π r rcy dl ymetrycznych uzwjeń, wzmcnienie nięciwe wyni G v. Dl ymetrycznych wrtści indukcyjnści uzwjeń wzmcnienie nięciwe G v N równe jet rzekłdni zwjwej niezleżnie d wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k i rezytncji bciążeni. Schemt ztęczy ukłdu tnwi łączenie równlegle indukcyjnści wzjemnej M i rezytncji bciążeni. Im mniejz wrtść wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k, tym więkzy rąd bierny bierny rzez ukłd. W reginie bwód m chrkter indukcyjny i wzmcnienie nięciwe eridycznie mleje wrz ze wzrtem częttliwści. W bzrze B bwód mże mieć chrter indukcyjny lub jemnściwy. Wzmcnienie nięciwe jk i rądwe ilnie zleżą d rezytncji bciążeni. Dl nikich wrtści bciążeni wzmcnienie nięciwe jet mniejze d jednści G v <, dl wykich wrtści dwyżz nięcie. Odwrtną ytucję uzykujemy dl wzmcnieni rądweg. Dl nikiej wrtści rezytncji rąd dbirnik będzie wyżzy niż rąd bierny ze źródł zilni. Wzrt wrtści wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k zmniejz rzyrt wzmcnieni nięciweg względem zmin bciążeni. W reginie A ukłd m chrkter jemnściwy i wzmcnienie nięciwe jet eridyczny mlejące. r r 0

21 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni Srwnść ytemu uzleżnin jet d trt w rezytncji uzwjeń i kndentrów reznnwych ES. Dl rnąceg wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k chrkterytyki wzmcnieni nięciweg i imedncji wejściwej zwiękzją trmść c wduje, że terwnie genertr częttliwścią mui dbywć ię z dużą rzdzielczścią, by uchwycić unkt reznnwy. Tłumienie mlitudwe rądu w bwdzie reznnwym Metd Integrcyjn Schemt ztęczy ukłdu kmencji S-S dcz rcy z integrcją rzedtwi ryunek 4.4. W tym tnie bwód jet zwrty źródłem wymuzeni tje ię nięcie bterii kndentr reznnweg. Prąd trny ierwtnej tłuminy jet n dw by ry. 4.5: Aeridycznie zleżnie d wrtści rezytncji bciążeni. Im mniejz jet wrtść rezytncji tym tłumienie rądu i jet zybze. zęttliwść rcy jet niezleżn d i k. Ocylcyjnie dl nikich wrtści rezytncji, gdy ełniny jet wrunek, genercji drgń włnych bwdu zeregweg ukłd r. Prąd ierwtny i jet umą kłdwych rądów i, i M różnych częttliwścich f r i f r, c wywłuje efekt tłumieni cylcyjneg częttliwści tnwiącej różnicę f r - f r. y Schemt ztęczy ukłdu kmenująceg SS brzujący dziłnie metdy integrcyjnej.

22 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni y Przebiegi rądu uzwjeni ierwtneg i i jeg bwiedni dl wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k0. w funkcji zmin rezytncji bciążeni. Zjwik integrcji wykrzytywne jet d zybkieg tłumieni mlitudy rądu bwdu reznnweg. Niewątliwą zletą teg trybu rcy jet wykrzytnie energii zgrmdznej w elementch bwdu reznnweg i wykrzytnie jej d zilni dbirnik. W tnie integrcji bwód nie bier energii z źródł zilni, c wływ n rwę rwnści.

23 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni 3 4. eznnwy ukłd kmencji - Schemt ztęczy ukłdu - rzedtwi ryunek 4.6. y Schemt ztęczy - ukłdu kmencji z uwzględnieniem trt n rezytncjch uzwjeń, rz kndentrów kmenujących ES. N dtwie chemtu ztęczeg i mdelu mtemtyczneg ukłdu kreśl ię włściwści w funkcji częttliwści wyznczjąc wzmcnienie nięciwe G v, wzmcnienie rądwe G i i imedncji wejściwej Z in ry. 4.7, rwnść ytemu η rz tunek mcy zrnej wyjściwej d wejściwej ry 4.8. Przyjmując znczeni: r r r r M M M r M r 3 4 M M trzymuje ię: M U U G r v 4.3 i M I I G I U Z r in 4.5

24 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni bgv Frequency hrcteritic fr - cmentin ciricuit Prmeter: 00uH 660nF k0. Vltge Gin bgv Vltge Gin bgv 5 f r f r3 bgv f r4 f r f r f r f/fr f r Phe Zwe f r f/fr Phe Zwe fi[deg] 0 fi[deg] f/fr f/fr b fi[deg] fi[deg] bgv bgv y hrkterytyki częttliwściwe wzmcnieni nięciweg i fzy imedncji wejściwej dl zkreu rezytncji bciążeni 0-500Ω i wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k0., c k0.4. 4

25 eznnwe ukłdy kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni y hrkterytyki częttliwściwe wzmcnieni nięciweg i rwnści dl dwóch wółczynników rzężeni mgnetyczneg k0. i k0.4, w funkcji zmin rezytncji bciążeni. Ukłd kmencji - m ymetryczną budwę, więc nliz jet dekwtn dl bu kierunków rzeływu energii. Sytem ten chrkteryzuje ię ntęującymi cechmi: Dbór rmetrów elementów jet niezleżny d wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k. Dwukierunkwy rzeływ energii. Symetryczn truktur. ztery częttliwści reznnwe rcy: Pierwz wynikjąc z indukcyjnści włnych, uzwjeń i jemnści kmenujących,. W tym bzrze, dl średniej wrtści wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k rz zerkieg zkreu zmin rezytncji bwód m chrkter dwyżzjący nięcie. 5

26 Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii Przy nikich wrtścich wółczynnik k i rezytncji bciążeni w zleżnści d rmetrów bwód bniż nięcie. Drug wynikjąc z indukcyjnści rzrzeni r, r uzwjeń i jemnści kmenujących,. Wzmcnienie nięciwe równe jet jednści dcz rcy w zkreie średniej wrtści wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k rz cłym zkreie zmin rezytncji bciążeni. Dl nikich wrtści k i ten unktu rcy nie wytęuje y.4.7. Trzeci i czwrt częttliwść reznnw wynikją z kmbincji łączeń elementów,,,,, ywnych ukłdu kmencji. Prc z częttliwścią f r3 chrkteryzuje ię trmą chrkterytyką wzmcnieni nięciweg w zerkim zkreie zmin k i. zwrt częttliwść reznnw nie wytęuje dl nikich wrtści wółczynnik k i rezytncji, ntmit dl ztłych rzydków wzmcnieni nięciwe dąży d jednści. 5 Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii Z unktu widzeni rzeływu energii, ytemy IET mżn dzielić n jedn- lub dwukierunkwe. Schemt blkwy ukłdu terwni ytemem IET rzedtwi ryunek 5.. W rzydku ukłdów jednkierunkwych d dtwwych zdń ukłdu terująceg nleżą: Zewnienie wykrwneg rzeyłu energii, Kntrl nięć i rądów w bwdzie kmenującym, Stbilizcj nięci wyjściweg i rgnicznie rądu bciążeni. W rzydku ukłdów dwukierunkwym rzeływie energii wymgne jet ndt: egulcj rądu lub mcy łdwni/rzłdwni, Zewnie zminy kierunku rzeływu energii. Infrmcje wrtścich nięć i rądów w bwdzie D rzeyłne ą między trnmi ukłdu zzwyczj z wykrzytniem ytemu kmunikcji bezrzewdwej. 6

27 Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii y. 5.. Schemt blkwy bwdu główneg i ukłdu terwni ytemu IET z dwukierunkwym rzeływem energii. Metdy terwni ytemem IET ściśle zleżą d ztwneg bwdu reznnweg ukłdu kmencji. W rzydku ukłdu S-S regulcji wrtści nięć lub rądów wyjściwych dknuje ię z mcą: Dtrjeni ukłdu d częttliwści reznnwej f r lub f r i zminy nięci w bwdzie średniczącym rzekztłtnik wejściweg. T metd wymg ztwnie ddtkwych rzekztłtników w ytemie. Zminy częttliwści rcy ukłdu kąt fzweg między nięciem wejściwym i rądem w ntęujący ób: rzy dużej mcy bciążeni ukłd rcuje z częttliwścią reznnwą f r i miękkim rzełączniem, rzy nikiej mcy bciążeni ukłd rcuje z kmutcją twrdą łączników rzekztłtnik [,36,73-75]. Wykrzytniu zjwik tłumieni mlitudy rądu w bwdzie reznnwym - zwne metdą integrcyjną [69]. Prc ze tłą częttliwścią reznnwą f r i regulcji wyełnieni nięci wejściweg metdą PSM ng. Phe Shfit Mdultin [7,8,0,,99,3]. 7

28 Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii Dlteg mżn dzielić metdy terwni ytemów IET wykrzytujących ukłd kmencji S-S n dwie gruy rcujące ze: tłą lub zmienną częttliwścią. Wzytkie metdy ą rte n mirch nięć i rądów w bwdzie D źródł i bciążeni. Metdy zmienn-częttliwściwe, rte ą n mirze i ynchrnizcji między rądm i lub i i nięci zilni w bwdzie kmencji. Aby bniżyć kzty, tuje ię jedynie mir rądu trnie terwnej uzwjeni trnfrmtr i ynchrnizcji g z ygnłmi terującymi trnzytry wygenerwnych rzez ukłd terwni. 5. Metd terwni Fzw - Integrcyjn PhI Metd t jet uwżn z jedną z metd zmienn częttliwściwych. Przez zminę kąt rzeunięci fzweg dknujemy regulcji rądu łdwni lub rzłdwni bciążeni ytemu IET czyli mgzynu energii w tci n. bterii kumultrów. Kąt rzeunięci fzweg kreślny jet między nięciem u rądem i lub u rz i. N ry 5. rzedtwin chemt czujnik wyznczjąceg fzę, jej znk rz generująceg ygnł wyzwljący integrcyjną metdę terwni. y. 5.. Schemt blkw idewy czujnik rądu wyznczjąceg fzę jej znk rz ygnł wyzwljący d metdy integrcyjnej. yunek 5. kzuje chemt blkwy lgrytmu terwni ytemu IET z dwukierunkwym rzeływem energii w rciu metdę fzw - integrcyjną. 8

29 Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii Obwód terwni trnie ierwtnej mżn dzielić n dwie części: zewnętrzną ętle terwni i terwnik rzekztłtnik reznnweg. Ndrzędny terwnik dwiedzilny jet z kreślenie wrtści zdnej rądu łdwni lub rzłdwni bterii. Dną wrtść rądu wyzncz ię n dtwie tnu nięci łdwni, którą kreśl nięcie bterii U dcut. Infrmcj n temt tnu nłdwni bterii jk i jej rądu rbczeg rzekzywn jet z wykrzytniem łącznści bezrzewdwej ze terwnik trny wtórnej ytemu d terwnik trny ierwtnej. W zleżnści d znku rądu dnieieni, ddtni lub ujemny, terwnie dbyw ię rzekztłtnikiem trny ierwtnej lub wtórnej ytemu. Prąd wyjściwy I dcut jet rrcjnlny d wrtści kąt rzeunięci fzweg dwneg d regultr PI. W zleżnści d bieżących wrtści błędu wzrt lub zmniejz ię częttliwść rcy rzekztłtnik. Ze względu n mżliwść zminy częttliwści reznnwej rcy wynikjącej z wrtści wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k, ytem IET uruchminy jet z mkymlną częttliwścią zncznie więkzą niż wynikjąc z indukcyjnści uzwjeń r, r i jemnści,. Gdy rąd iąg wrtść zdną fzy wówcz cyluje wkół tej wrtści. W tnie reznnu, gdy mlitud rądu w uzwjeniu mże rzekrczyć wrtść grniczną, wykrzytuje ię metdę integrcyjną generwnie wektr nięci zer. W ten ób zbieg ię rzekrczeniu nięci rzebici n bterii kndentrów reznnwych, zrzem grnicz mc wyjściwą cłeg ytemu. Pndt, ukłd terwni ytemem IET zbeziecz bterie kumultrów rzed rzełdwniem i ndmiernym rzłdwniem, c jet ittne rzy dl wydłużeni czu ekltcji bterii. Gdy nięcie bterii iągnie wrtść mkymlną, ukłd terwni utrzymuje je n tłym zimie i nie zwl n dlze łdwnie, umżliwijąc jedynie zdnie rądu rzłdwni. Dl ytucji dwrtnej, gdy nięcie iągnie zbyt niką wrtść, ytem rzechdzi w tn łdwni i nie duzcz d ndmierneg rzłdwni mgzynu energii. Przebiegi n ry. 5.3, 5.4 rzedtwiją dziłnie ukłdu IET z dwukierunkwym rzeływem energii rteg n lgrytmie fzw-integrcyjnym. 9

30 Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii STAT Initil f f mx YES I EF > 0 NO Initil f f mx MEASUED I DOUT MEASUED I DOUT YES I DOUT > I EF NO YES I DOUT > I EF NO Icrement ef Old Old ef Decrement ef Old - Old ef Icrement ef Old Old ef Decrement ef Old - Old ef MEASUED U DOUT MEASUED U DOUT YES U DOUT > U EF NO YES U DOUT > U EF NO Icrement ef Old Old ef Icrement ef Old Old ef MEASUED U P, I P lculted Shift he between U nd I lculted I mx mxbi MEASUED U S, I S lculted Shift he between U nd I lculted I mx mxbi NO I PMAX < I EF I SMAX < I EF NO YES YES YES u,i> ref NO YES u,i> ref NO Decrement f f ld - f ld f Icrement f f ld f ld f Decrement f f ld - f ld f Icrement f f ld f ld f Zer vectr f f Zer vectr STOP y. 5.. Schemt blkwy lgrytmu terwni ytemu IET z dwukierunkwym rzeływem energii ze terwniem fzw-integrcyjnym. 30

31 Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii V A A Phe hift nd Integrted cntrl methd Prmeter 560uH 30nF k0. Iref Udcin Udcut Idcin Idcut m 0.0m 30.0m 40.0m 50.0m t k 3.08k 3.06k 3.04k 3.0k 3.0k 3.5k 3.0k.5k.0k.5k.0k A Phe hift nd Integrted cntrl methd Prmeter 560uH 30nF k0. Primry cnveter frequecny Iref Primry cnveter he hift heref Idcut Secndry cnveter frequecny Secndry cnveter he hift heref m 0.0m 30.0m 40.0m 50.0m t y. 5.3 Wyniki ymulcyjnej ytemu IET z dwukierunkwym rzeyłem energii ze terwniem fzw - integrcyjnym w ętli regulcji rądu łdwni rzłdwni bterii kumultrów, gdzie I dcin i rąd bierny ze ytem, I dcut rąd dbirnik, wrtść zdn rądu I ref, nięcie tłe wejściwe i wyjściwe U dcin, U dcut, fz referencyjn he ref, he ref trny ierwtnej i wtórnej. b Phe hift nd Integrted cntrl methd V A Prmeter 560uH 30nF k0. V m.3m.3m.34m.36m.38m t u u i i A Phe hift nd Integrted cntrl methd Prmeter 560uH 30nF k m 45.0m 45.04m 45.06m 45.08m 45.m t y. 5.5 Wyniki ymulcyjnej ytemu IET z dwukierunkwym rzeyłem energii ze terwniem fzw - integrcyjnym w ętli regulcji rądu łdwni rzłdwni bterii kumultrów,, zwrt energii d ieci ziljącej, b łdwnie bterii kumultrów, gdzie i i - rąd uzwjeni ierwtneg i wtórneg u, u nięci wyjściwe rzekztłtnik trny ierwtnej i wtórnej ytemu. u u i i 3

32 Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii 5. Metd terwni ze tłą częttliwścią PSM Metd t zlicz ię d gruy tł częttliwściwych [75,76,78] i leg n regulcji wyełnieni nięci rzez zminę rzeunięci fzweg między głęzimi rzekztłtnik ng. PSM. zęttliwść reznnw jet kreśln rzez zleżnść: f 5. π π r W tym trybie rcy bwód kmencji S-S mże dwyżzć lub bniżć nięcie w zleżnści d wrtści rezytncji bciążeni i wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k. Itnieją dw wrunki rcy: W rzydku nikiej wrtści rezytncji bciążeni, mleje wzmcnienie nięciwe zwiękz ię wzmcnienie rądwe. Ozncz t, że wrtść rądu bciążeni jet więkz niż wrtść rądu bierneg rzez bwód kmencji, W rzydku wykich wrtści rezytncji bciążeni, wzmcnienie nięciwe rśnie i wrtść rądu bciążeni mleje. Wynik t z teg, że nięcie wyjściwe jet rrcjnlne d rądu wejściweg, zgdnie z 5., 5.3, niezleżnie d kierunku rzeyłnej energii. U c I j r ω M I U c I j r ω M I Przez zminę rzeunięci fzweg między głęzimi rzekztłtnik Phe Shift Mdultin zmienine jet wyełnienie nięci wejściweg : 4 ϕ u t dcin ωr π r U c in t ϕ u t dcut ωr π r U c in t 5.5 Ukłd rcuje z częttliwścią reznnwą, dlteg tylk ierwz hrmniczn rądu i nięci bierze udził w rzekzywniu energii, nięcie jet w fzie z rądem 3

33 Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii wejściwym. Ntmit nięcie wyjściwe jet rzeunięte kąt 90 tni względem nięci wejściweg. Tywym rdzjem bciążenie dl ytemu IET z dwukierunkwym rzeyłem energii jet bteri kumultrów, więc głównym zdniem ukłdu terwni jet utrzymywnie zdnej wrtści rądu łdwni i rzłdwni ry y Ukłd terwni ytemu IET z dwukierunkwym rzeływem energii i zdwniem rądu łdwni i rzłdwni mgzynu energii. Przekztłcjąc równie 5. i 5.3 trzymuje ię I ut I > 0 I < 0 ref ϕr 4U dcin c πω M r I ut ref ϕr 4U dcut c πω M r 5.6 Przebiegi n ry. 5.7, 5.8 rzedtwiją dziłnie ukłdu IET z dwukierunkwym rzeływem energii terwneg metdą PSM. 33

34 Metdy terwni ytemmi IET z dwukierunkwym rzeływem energii V PWM Phe hift mdultin cntrl methd Prmeter 560uH 30nF k0. U dcin PWM Phe hift mdultin cntrl methd Prmeter 560uH 30nF k0. Delt i Primry PI regultr Delt i Secndry PI regultr U dcut A A I dcin I dcut m 0.0m 30.0m 40.0m 50.0m t Primry cnveter Phe I ref I dcut Secndry cnveter he m 0.0m 30.0m 40.0m 50.0m t y. 5.7 Wyniki ymulcyjne ytemu IET z dwukierunkwym rzeyłem energii rty n metdzie tł częttliwściwej rzez zminę wyełnieni PSM w ętli regulcji rądu łdwni/rzłdwni. Gdzie: I dcin rąd bierny rzez ytem IET, I dcut rąd dbirnik, wrtść zdn rądu I ref, nięcie tłe wejściwe i wyjściwe U dcin, U dcut, fz PSM trny ierwtnej i wtórnej. y. 5.8 Wyniki ymulcyjne ytemu IET z dwukierunkwym rzeyłem energii rty n metdzie tł częttliwściwej rzez zminę wyełnieni PSM w ętli regulcji rądu łdwni rzłdwni, zwrt energii d ieci ziljącej, b łdwnie bterii kumultrów. Gdzie: i i - rąd uzwjeni ierwtneg i wtórneg u, u nięci wyjściwe rzekztłtnik trny ierwtnej i wtórnej ytemu. 34

35 Prcedur rjektwni ytemów IET 6 Prcedur rjektwni ytemów IET yunek 6. rzedtwi chemt blkwy metdlgii rjektwni ytemów IET, kłdjący ię z ntęujących etów:. Pdtwwe rmetry i dne wejściwe d rjektwni ytem IET: nięcie wejściwe i wyjściwe, mc, rwnść mkymln, rdzj bciążeni dbirnik, zkre zmiennści zczeliny wietrznej i wymiry gemetryczne dtęnej rzetrzeni.. Wybór ukłdu kmencji dku nięci n indukcyjnścich rzrzeni uzwjeń, birąc d uwgę zkre zminy wółczynnik k, dwukierunkwy rzeływ energii rz rdzj bciążeni. 3. Wyzncznie indukcyjnści włnych uzwjeń, rz jemnści kmencyjne,. 4. Wybór metdy terwni rzekztłtników reznnwych częttliwść, fz i ętli regulcji, blicznie trt mcy w kżdym blku mdelu ymulcyjneg 5. Prjekt kntrukcji trnfrmtr ytemu IET uwzględnijący: wyznczne indukcyjnści, mkymlizcję wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k rz minimlizcje rzkłdu l mgnetyczneg w rzetrzeni wkół uzwjeń trnfrmtr. 6. ewizj ukłdu kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni i jeg rmetrów, jeśli wyniki uzykne w unkcie 5 i 6 nie wkzują n iągnięcie zkłdnych rmetrów lub mżliwści relizcji rktycznej. 7. Zmin i wybór ttecznej tlgii ytemu IET; gdy mc ytemu jet n tyle duż, że nie jet łclne budw g w jednym urządzeniu dził n mduły i rzerwdzenie czynnści d d Wybór elementów ółrzewdnikwych i biernych, tkże łyty terującej ytemu IET. 9. Budw i weryfikcj mdelu lbrtryjneg zrjektwneg ytemu IET. 35

36 Prcedur rjektwni ytemów IET y. 6.. Digrm rcedury rjektwni ytemów IET 36

37 Prcedur rjektwni ytemów IET fr m, n π m n fr m, n π r m n y. 6.. Algrytm wyznczni rmetrów reznnweg bwdu kmenująceg dl metdy zmienn częttliwściwej, b tł częttliwściwej. Ukłd kmencji S-S wykrzytuje dwie gruy metd terwni: ze tłą lub zmienną częttliwściwą. Dl z kżdeg z wyżzych trybów rcy itnieje indywidulny lgrytm dbru rmetrów bwdu reznnweg, jk kzn n ry. 6.. ównni 6.,6., 6.3,6.4 iują dbór rmetrów dl bu metd, ryunek 6.3 rzedtwi interretcję grficzną wływu zminy indukcyjnści włnej uzwjeń n włściwści ukłdu S-S. 37

38 Prcedur rjektwni ytemów IET 38 r r r U k k k I mx ω ω ω 6. r r r cr U k k k U mx ω ω ω ω ut P k U U 6.4 y Wykre wrtści rądu uzwjeni ierwtneg I, mkymlneg nięci n bterii kndentrów reznnwych U crmx i częttliwści reznnwej f r, f r, mkymlnej mcy wyjściwej P mx, względem zmin indukcyjnści włnej uzwjeń dl różnych wrtści wółczynnik k. dl metdy zmienn częttliwściwej, b dl metdy tł częttliwściwej.

39 Prcedur rjektwni ytemów IET Srwnść ytemu IET i dził trt n zczególne kłdniki rzedtwi ry 6.4. P dcin e Efficiency Switching nd cnductin le in IGBT trnitr nd Dide nverter D/A η dcc c e n ereie reitnce cil nd ES ccitr Primry il ennt citr Primry Side η trnfer e n ereie reitnce cil nd ES ccitr Secndry il ennt citr Secndry Side Switching nd cnductin le in Dide r trnitr IGBT nverter A/D η dcc P dcut η η η η dcc trnfer dcc y Digrm rwnści i trt wytęujących w ytemie IET. Srwnść cłkwitą ytemu kreśl ię jk tunek mcy dbirnik d mcy czynnej biernej rzez cły ytem, mierznej w bwdzie średniczącym nięci tłeg. Strty w ytemch IET dzieli ię n dwie gruy. Pierwze tnwią trty w elementch ółrzewdnikwych did i trnzytrów. W tej gruie dzieli ię je n: Strty n łączeniwe zleżne d częttliwści rcy i bu kmutcji łączników rzekztłtnik. Strty rzewdzeni wynikjące z wrtści średnich rądów rzeływjących rzez elementy ółrzewdnikwe. D drugiej gruy trt zlicz ię: Strty n rezytncjch uzwjeń trnfrmtr, zleżne d rdzju ztwneg drutu nwjweg. Przy wykich częttliwścich berwwny jet efekt nkórkwści, który wduje redukcję efektywnej średnicy drutu i wzrt rezytncji. Strty n rezytncji ES kndenrów reznnwych. 39

40 Prcedur rjektwni ytemów IET Mdel ten nie uwzględni trt ddtkwych tkich jk: Strty mcy w rdzenich ferrmgnetycznych. Strty mcy w łnch metlwych w których mgą indukwć ię rądy wirwe. N ryunku 6.5 rzedtwin udził rcentwy trt w ytemie IET z dwukierunkwym rzeyłem energii, dl metdy terwni fzw-integrcyjnej PhI. The ercentge f wer l in the ytem fr frequency f f r nd utut wer P ut 3 kw [%] η 95,6% y Wykre udziłu rcentweg udziłu trt w ytemie IET dl metdy terwni PhI. Gdzie:. Strty łączeniwe trnzytr,. Strty rzewdzeni trnzytr, 3. Strty rzewdzeni didy zwrtnej, 4. Strty łączeniwe didy zwrtnej, 5. Strty rzewdzeni kndentr reznnweg trny ierwtnej, 6. Strty w uzwjeniu ierwtnym, 7. Strty rzewdzeni kndentr reznnweg trny wtórnej, 8. Strty w uzwjeniu wtórnym, 9. Strty rzewdzeni w didch rtwnik trny wtórnej. Wyniki bdń rwnści wyzncznej metdą nlityczną krywją ię z bdnimi ekerymentlnymi. 40

41 Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych 7 Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych Widk tnwik lbrtryjneg ytemu beztykweg zilni IET z dwukierunkwym rzeływem energii rzedtwi ryunek 7.. y. 7.. Ukłd brtryjny: Widk gólny, trnfrmtr lnrny IET, Ver, Ver, Ver3 - werje uzwjeń trnfrmtr, 3 i 5 Sterwnik trnzytrów IGBT VA50 trny ierwtnej i wtórnej ytemu, 4 i 6 Płyty terujące FPGA EP8T44N8 rzekztłtnikiem reznnwym trny ierwtnej i wtórnej, 7 dbirnik rezytncyjny kw, 8 bciążenie rezytncyjne 5kW, 9 mgzyn energii z 9 kumultrmi ipfe4 V 90Ah. 4

42 Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych 7. Bdni ukłdu IET z dwukierunkwym rzeływem energii terwneg metdą zmienn częttliwściwą Fzw - Integrcjyjnej PhI Bdni tbilizcji nięci wyjściweg dl bciążeni rezytncyjneg 560uH, 30nF b y. 7.. Przebiegi rądów uzwjeń trnfrmtr i H kl: x, i H3 kl: /5 i nięci trny ierwtnej i wtórnej u - H cle: x, u - H3 cle: x w ytemie IET, ekerymentlne, b ymulcyjne. Wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k0., długść zczeliny wietrznej l30cm, bciążenie rezytncyjne mcy P in kw, częttliwść rcy f r 4.9kHz, rwnść cłkwit ytemu η 9.5%. 4

43 Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych y łkwit rwnść ytemu IET w funkcji zmin mcy wejściwej P in dl rcy z różnymi długścimi zczelin wietrznych i bciążeni rezytncyjneg. y Pzim ntężeni l mgnetyczneg w dległści 00 cm w zimie uzwjeni ierwtneg ytemu IET w funkcji zmin mcy wejściwej P in. Pmir ztł wyknny miernikiem l mgnetyczneg.a. 4 i ndy MF

44 Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych Wyniki bdń ttycznych i dynmicznych ytemu IET z dwukierunkwym rzeływem energii dl ętli regulcji rądu łdwni i rzłdwni bciążeni kumultrweg 55uH 00nF b c d y Przebiegi nięć i rądów dl wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k0., zczeliny wietrznej l5.5cm;, b nięcie wyjściwe U dcut - H, rąd wyjściwy I dcut - H i mcy wyjściwej P ut - H3 brzujący zminę kierunku rzeływu energii, c rądy uzwjeń i H cle x, i H3 cle /5, nięcie wejściwe i wyjściwe ukłdu kmencji u - H cle x, u - H3 cle x dl mcy wejściwej P in -.kw, częttliwść, f r 44kHz, rwnść ytemu η93%, d mc wejściw P in 3.4kW, częttliwść f r 4.8kHz, rwnść ytemu η94%. 44

45 Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych Wyniki bdń ttycznych i dynmicznych ytemu IET z dwukierunkwym rzeływem energii dl ętli regulcji rądu łdwni i rzłdwni bciążeni kumultrweg 77,7uH 00nF b c d y Przebiegi nięć i rądów dl wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k0., zczeliny wietrznej l0cm;, b nięcie wyjściwe U dcut - H, rąd wyjściwy I dcut - H i mcy wyjściwej P ut - H3 brzujący zminę kierunku rzeływu energii, c rądy uzwjeń i H cle x, i H3 cle /5, nięcie wejściwe i wyjściwe ukłdu kmencji u - H cle x, u - H3 cle x dl mcy wejściwej P in -4.4kW, częttliwść, f r 4.kHz, rwnść ytemu η93%, d mc wejściw P in 5.kW, częttliwść f r 4.kHz, rwnść ytemu η94%. 45

46 Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych 7. Bdni ukłdu IET z dwukierunkwym rzeływem energii terwneg metdą tł częttliwściwą PSM Bdni dl tbilizcji nięci wyjściweg dl bciążeni rezytncyjneg 560uH, 30nF b y Przebiegi rądów uzwjeń trnfrmtr i H kl: x, i H3 kl: /5 rz nięci trny ierwtnej i wtórnej u - H cle: x, u - H3 cle: x w ytemie IET, ekerymentlne, b ymulcyjne. Wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k0., długść zczeliny wietrznej l30cm, bciążenie rezytncyjne mcy P in 6.kW, częttliwść rcy f r 39.9kHz, rwnść cłkwit ytemu η 9% U dcin 6V. 46

47 Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych b y Przebiegi rądów uzwjeń trnfrmtr i H kl: x, i H3 kl: /5 i nięci trny ierwtnej i wtórnej u - H cle: x, u - H3 cle: x w ytemie IET, ekerymentlne, b ymulcyjne. Dl wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k0., długść zczeliny wietrznej l30cm, bciążenie rezytncyjne mcy P in 6.7kW, częttliwść rcy f r 39.9kHz, rwnść cłkwit ytemu η 90% U dcin 400V. 47

48 Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych Wyniki bdń ttycznych i dynmicznych ytemu IET z dwukierunkwym rzeływem energii dl ętli regulcji rądu łdwni i rzłdwni bciążeni kumultrweg 55uH 00nF y Przebiegi nięć i rądów dl wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k0., zczeliny wietrznej l0cm;, b nięcie wyjściwe U dcut - H, rąd wyjściwy I dcut - H i mcy wyjściwej P ut - H3 brzujący zminę kierunku rzeływu energii, c rądy uzwjeń i H cle x, i H3 cle /5, nięcie wejściwe i wyjściwe ukłdu kmencji u - H cle x, u - H3 cle x dl mcy wejściwej P in -.95kW, częttliwść, f r 4.kHz, rwnść ytemu η9%, d mc wejściw P in 3kW, częttliwść f r 4.kHz, rwnść ytemu η9%. 48

49 Wyniki bdń ymulcyjnych i ekerymentlnych Wyniki bdń ttycznych i dynmicznych ytemu IET z dwukierunkwym rzeływem energii dl ętli regulcji rądu łdwni i rzłdwni bciążeni kumultrweg 77,7uH 00nF b c d y Przebiegi nięć i rądów dl wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k 0.8, zczeliny wietrznej l 0cm;, b nięcie wyjściwe U dcut - H, rąd wyjściwy I dcut - H i mcy wyjściwej P ut - H3 brzujący zminę kierunku rzeływu energii, c rądy uzwjeń i H cle x, i H3 cle /5, nięcie wejściwe i wyjściwe ukłdu kmencji u - H cle x, u - H3 cle x dl mcy wejściwej P in -3.75kW, częttliwść, f r 4.kHz, rwnść ytemu η 94%, d mc wejściw P in 3.69kW, częttliwść f r 4.kHz, rwnść ytemu η 94%. 49

50 Pdumwnie i wniki 8 Pdumwnie i wniki 8. Pdumwnie Niniejz rzrw rezentuje kmlekwą nlizę rblemów i rzwiązń dedykwnych nwczenym indukcyjnym ytemm beztykweg zilni IET z mżliwścią dwukierunkweg rzeływu energii. Temt ten djęt ze względu n zybk rnące zinterewnie elektrmbilnścią e-mbility i rzwjem ieci inteligentnych Smrt Grid. Zwłzcz, funkcjnlnść łączeni jzdu z iecią ziljącą VG, któr zwl n wykrzytnie bterii kumultrów jzdu elektryczneg EV jk rzrzneg mgzynu energii, wymg d ytemów zilni dwukierunkweg rzeływu energii. Obecnie mc znminw nwczenych łdwrek wh ię d kilku kw w młych mchdch bwych d 500 kw w rzydku zybkieg łdwni dużych jzdów miejkich n. utbuów. Sytemy IET rcujące jk łdwrki kumultrów ą bezieczne, mbilne, ułtwiją utmtyzcje i bezbługwść, rz tnwią trkcyjne rzwiąznie dl rzyiezeni rceu zilni EV. Jednkże itnieje kilk grnicznych rmetrów w zkreie rjektwni i rzwju ytemów IET tkich jk: zim mcy wyjściwej, wielkść uzwjeń trnfrmtrów IET, zkre zmin wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k zminy długść zczeliny wietrznej, rwnść ytemu, częttliwść rcy, wrżliwść n brk wycentrwni łżeni uzwjeń względem iebie, tlgi rzekztłtnik, wymiry elementów, metdy terwni, kzty ytemu, it. Nleży dkreślić, że rmetry te ą ściśle wiązne, zmin jedneg ciąg kniecznść cłeg zeregu krekt. Dlteg w rcy rzedtwin ytemtyczną metdykę rjektwni ytemów IET, któr uwzględni kmrmiy rwdzące d zrjektwni ytemu ełnijąceg wymgni. Aby t iągnąć n czątku dknn rzeglądu itniejących rzwiązń ytemów IET kntrukcje trnfrmtrów, tlgii rzekztłtników i knfigurcji ytemwych. Ntęnie rzerwdzn nlizę teretyczną zjwik zchdzących w cewkch rzężnych mgnetycznie trnfrmtr, które ą dtwwym elementem ytemu IET. Pdtwwe włściwści ukłdu iują chrkterytyki częttliwściwe wzmcnieni nięciweg i rądweg, imedncji wejściwej rz rwnści. Zdniczym rblemem w rzydku uzwjeń trnfrmtrów lnrnych jet 50

51 Pdumwnie i wniki wyznczenie nlityczne indukcyjnści włnych uzwjeń rz indukcyjnści wzjemnej M i wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k. Ztwn d teg celu lwy rgrm ymulcyjny wykrzytujący metdę elementów kńcznych FEM. Orgrmwnie t umżliwi wyznczenie rzkłdu l mgnetyczneg wkół bdneg elementu w rzetrzeni D i 3D. Przedtwin równnie wyników wyznczni indukcyjnści uzyknych z mdelu ymulcyjneg i wyników ekerymentlnych. Przerwdzn zczegółwą nlizą wrunków rcy dwukierunkweg ytemu IET. Wżnym unktem rzwiązń był wnikliw nliz włściwści różnych tlgii bwdów kmencyjnych. D dlzej nlizy w rcy wybrn dw ukłdu kmencji zeregw-zeregwy S-S rz złżny -. Ukłd S-S chrkteryzuje ię dwm częttliwścimi reznnwymi rz trzem reginmi częttliwściwymi rcy. Inną wżną włściwścią ukłdu S-S jet mżliwść rcy w zerkim zkreie zmin wółczynnik rzężeni mgnetyczneg. Ukłd złżny kmencji - m cztery chrkterytyczne częttliwści reznnwe i kilk zkreów dziłni. Pndt mże n być wykrzytny tylk w wąkim zkreie zmin wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k. Dl ukłdu kmencji S-S rzedtwin nlizę wzytkich tnów rcy, w tym zjwik tzw. integrcji. Jet t tryb rcy w którym wykrzytuje ię tłumienie mlitudy rądu dcz zwrci w bwdzie reznnwym. Ten tryb rcy wykrzytywny jet w ukłdzie lbrtryjnym relizującym głównie zbezieczenie grniczjące rąd w bwdzie reznnwym. Anliz częttliwściw i kreślne rzy tym włściwści twrzą dtwę dl kreśleni metd terwni ytemem IET. Metdy te dzieli ię n dwie gruy: tł lub zmienn częttliwściwą. Sśród nich metdy mdulcji Phe Shift Mdultin PSM i fzw-integrcyjn PhI ztły zimlementwne i rwdzne dświdczlnie. Nleży dkreślić, że bdni ymulcyjne krywją ie z bdnimi ekerymentlnymi, twierdzjąc rwidłwść rnwnej metdyki rjektwni ytemów IET i wyznczni rmetrów ich elementów biernych. 5

52 Pdumwnie i wniki 8. Wniki Zdniem utr frmułwn tez ztł udwdnin nlitycznie i dświdczlnie. Ztwnie Szeregw-Szeregweg S-S ukłdu kmencyjneg zewni: Symetrię funkcjnwni ytemu dl dwukierunkweg rzeływu energii, Dbór rmetrów niezleżny d zmin wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k, Wyką rwnść ytemu dzięki kmencji dków nięci n indukcyjnścich rzrzeni uzwjeń, Mżliwści rcy z rzekztłtnikiem nięciwym. Ztwnie metdy terwni ze zmienną częttliwścią fzw integrcyjnej PhI zwl n: Prcę w zerkim zkreie zmin wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k. W rzydku mkymlneg bciążeni, ytem rcuje rzy częttliwści reznnwej, łączniki rzekztłtnik rzełączne ą rzy zerwej wrtści rądu ZS. Przy minimlnym bciążeniu rzekztłtnik rcuje w trybie kmutcji twrdej, egulcję rmetrów wyjściwych D: rądu lub nięci rzez zminę kąt rzeunięci fzweg, czyli częttliwści rcy ukłdu. Wymgny jet genertr częttliwści wykiej rzdzielczści w celu zewnieni wymgneg tni dkłdnści regulcji, Nik dynmik ukłdu dcz kkwych zmin wrtści zdnych. Przy bciążeniu kumultrwym ukłd dził rwnie dl nikich wrtści rzężeni mgnetyczneg k. Metd tł częttliwściw z mdulcją PSM zwl n: iągłą rcę rzy częttliwści reznnwej, egulcję rądu lub nięci wyjściweg jet rzez zminę wyełnieni PSM nięci ierwtneg lub wtórneg, zleżnie d kierunku rzeływu energii, Prcą w wąkim zkreie zmin wółczynnik rzężeni mgnetyczneg k <0,3-0,5> dl bciążeni rezytncyjneg, niewż w tym zkreie bwód 5

53 Pdumwnie i wniki kmencji S-S m njmniejzy rzyrt wzmcnieni G v w funkcji bciążeni. Dl bciążeni rezytncyjneg rc z nikim wółczynnikiem k wduje, że rzyrt wzmcnieni w funkcji rezytncji bciążeni jet duży i ytem tje ię nietbilny, c wduje utrtę mżliwści regulcji i tbilizcji. Zdniem utr wyniki niniejzej rcy będą użyteczne nie tylk rzy kntruwniu dwukierunkwych ytemów IET, le mgą być również twne d rjektwni nwczenych ytemów IET jednkierunkwym rzeyle energii, tkże w ytemch tyczneg jk i dynmiczneg zilni. 8.3 Przyzłe bdni Przyzłe bdni winny być kncentrwne n nlizie rzekztłtników trójfzwych dl zwiękzeni mcy wyjściwej ytemów IET. Pndt, ztwnie nwych elementów ółrzewdnikwych Si, GN i ztwnie rzekztłtników wielzimwych mże rwdzić d zwiękzeni gętści mcy i niezwdnści ytemów IET. 53