Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 71 Politechniki Wrocławskiej Nr 71. Studia i Materiały Nr

Transkrypt

1 Prace Naukowe nyuu Mazyn, Napęów i Pomiarów Elekrycznych Nr 71 Poliechniki Wrocławkiej Nr 71 Suia i Maeriały Nr przełączalne konenaory, yryorowy przekzałnik rezonanowy, ukła powyżzający napięcie ałe Anrzej MONDZK*, Aam KAWA*, Saniław PRÓG*, Aam PENCZEK*, Rober STALA* OPTYMALZACJA KSZTAŁT PRĄD WEJŚCOWEGO TYRYSTOROWEGO PRZEKSZTAŁTNKA Z PRZEŁĄCZANYM KONDENSATORAM PODNOSZĄCEGO NAPĘCE STAŁE O ŁADOWAN KOLEJNOŚCOWYM W arykule opiano ukła yryorowego przekzałnika DC-DC z przełączalnymi konenaorami powyżzający napięcie, ze zczególnym uwzglęnieniem opnia wejściowego. Opowieni poział i obór inukcyjności rezonanowej ogranicza impul prąu rozłaowania konenaorów roboczych komórek, w celu wyrównania warości zczyowych pulów wyępujących w prązie wejściowym przekzałnika. Pozwala o na obór filru wejściowego na więkzą częoliwość, a ym amym na reukcję jego gabaryu. Zamiezczono analizę maemayczną ukłau oraz przykłaowe wyniki baań laboraoryjnych. 1. WSTĘP Przekzałniki ponozące napięcie ałe z przełączalnymi konenaorami ą ukłaami o ounkowo użych wzmocnieniach. Charakeryzują ię małymi gabaryami, użą niezawonością i prooą erowania. Mogą być alernaywą o klaycznych, ukłaów przekzałników DC-DC. Prezenowany ukła ziała na zaazie pompy łaunku. Konenaory łaowane i rozłaowywane ą poprzez ławik, worząc obwó rezonanowy. Pozwala o na załączanie i wyłączanie bezprąowe łączników półprzewonikowych, a więc zwiękzenie prawności i zmniejzenie gabaryów ukłau, a akże możliwość wykorzyania * AGH Akaemia Górniczo-Hunicza, Wyział Elekroechniki, Auomayki, nformayki i nżynierii Biomeycznej, Kaera Energoelekroniki i Auomayki Syemów Przewarzania Energii, al. A. Mickiewicza 30, Kraków, monzik@agh.eu.pl, aamkawa@agh.eu.pl, pirog@agh.eu.pl, penczek@agh.eu.pl

2 17 yryorów. Zaoowanie yryorów uprazcza erowanie, gyż nie je wymagana konrola prąu konenaorów. Doakowo zmniejza o kozy i umożliwia buowanie ukłaów więkzych mocy. Przekzałniki z przełączalnymi konenaorami wykonywane ą mięzy innymi jako ukłay ponozące napięcie ałe [], [6], [8], [9], [11], [13] [15], [17] wukierunkowe napięcia ałego [4], [5], [1], [16], ukłay AC-AC [1], [7] lub falowniki [10], [3].. ZASADA DZAŁANA Na ryunku 1 przeawiono yryorowy przekzałnik ponozący napięcie ałe. kła kłaa ię z n komórek zawierających po wa yryory TPk, TNk i konenaor Ck, wóch yryorów TR1, oraz ławika L wejściowego i konenaora wyjściowego C. L TP1 TP TP3 TPn TR TR1 TN1 C1 TN C TN3 C3 TNn Cn C Ry. 1. Wielokomórkowy ukła yryorowy o łaowaniu kolejnościowym konenaorów Praca ukłau przebiega wueapowo. W pierwzym eapie kolejno łaowane ą konenaory komórki Ck ze źróła napięcia poprzez ławik L i parę yryorów TPk, TNk. Załączanie yryorów komórek w przyjęym rozwiązaniu naępuje cyklicznie po obie, ponieważ przy równoczenej pracy komórek ozłoby o zwarcia źróła zailającego. Na ryunku kolorem czarnym wyróżniono obwó łaowania konenaora pierwzej komórki. L TP1 TP TP3 TPn TR TR1 TN1 C1 TN C TN3 C3 TNn Cn C Ry.. Obwó łaowania konenaora pierwzej komórki (analogiczny o pozoałych komórek)

3 18 W rugim eapie załączane ą yryory TR1, TR i naępuje łaowanie konenaora wyjściowego C ze źróła napięcia i konenaorów C n poprzez ławik L (ry. 3). L TP1 TP TP3 TPn TR TR1 TN1 C1 TN C TN3 C3 TNn Cn C Ry. 3. Obwó łaowania konenaora wyjściowego Warość pojemności konenaora wyjściowego powinna być użo więkza o warości pojemności konenaorów komórek, aby pojeyncze cykle pracy nie powoowały znaczącej zmiany jego napięcia. Pomięzy każym cyklem łaowania konenaorów komórek lub konenaora wyjściowego mui być zachowana minimalna przerwa równa lub łużza niż cza ozykiwania zolności zaworowych yryorów. Wzmocnienie napięciowe ukłau bez uwzglęnienia paków napięć, rezyancji ip. wynoi n ANALZA MATEMATYCZNA KŁAD W czaie łaowania konenaorów k. komórki półokre rgań włanych i oporność falowa ukłau z ryunku, z pominięciem rezyancji, paków napięć na elemenach ip. wynoi: p 1 π LC (1) L ρ 1 () C gzie: p1, ρ 1 półokre i oporność falowa ukłau w czaie łaowania, L warość inukcyjności wejściowej, C warość pojemności konenaorów komórek. Prą i napięcie konenaora w rakcie łaowania wynikają z opiu obwou LC z zerowym prąem począkowym inukcyjności wejściowej i niezerowym napięciem na konenaorze: i C min 1 inω (3) ρ C 1 1

4 19 u ( ω + (4) C C min ) co 1 gzie: warość napięcia zailającego, Cmin minimalna warość napięcia na konenaorze, ω 1 pulacja ukłau w czaie łaowania Szczyowa warość impulu prąu łaowania każego konenaora wynoi więc: C min p1 (5) ρ1 Konenaory łaują ię o makymalnego napięcia po czaie p1 czyli la ω 1 π: (6) C max C min W przypaku makymalnego obciążenia ukłau, konenaory bęą ię rozłaowywać o zera, więc makymalna warość napięcia w czaie łaowania wynieie. W rakcie łaowania konenaora wyjściowego czyli rozłaowania zeregowo połączonych n konenaorów komórek (ry. 3), półokre rgań włanych i oporność falowa ukłau wynozą: C p1 π L (7) n n pr1 L nl ρ r1 nρ1 (8) C C n gzie: pr1, ρ r1 półokre i oporność falowa ukłau w czaie rozłaowania Prą i napięcie opiane ą wey zależnościami: nu i n C max + 1 in ωr (9) ρ Cr 1 r1 Cr nc max + ) co r1 gzie: warość napięcia wyjściowego Szczyowa warość prąu rozłaowania: ( ω + (10) n + C max pr1 (11) ρr1 Proce rozłaowania konenaorów komórek kończy ię, gy prą oiągnie warość zero, czyli po czaie pr1 (la ω r1 π). Napięcia na konenaorach maleje o warości:

5 0 (1) n C min C max Z zależności (6) i (1) wynika warość napięcia wyjściowego: ( n +1) (13) Po poawieniu (13) o (11) i uwzglęnieniu (8) i (6) orzymuje ię zależność mięzy warością makymalną prąu rozłaowania i łaowania konenaorów: n( C max C min pr1 n ρr1 nρ1 Na ryunku 4 przeawiono przebieg prąu źróła ak erowanego przekzałnika, w anie ualonym. ) n p1 (14) pr1 i p1 pr1 p1 p1 + n( p1 + ) pr1 + T 1 n( p1 + )+ pr1 + Ry. 4. Przebieg prąu źróła w anie ualonym, zailającego przekzałnik o konenaorach łaowanych kolejnościowo W prązie źróła (ry. 4) ukłau przeawionego na ryunku 1 wyępuje kłaowa o częoliwości powarzania cyklu pracy przekzałnika, wywołana impulem prąu rozłaowania. Filr wejściowy powinien być obrany na ę częoliwość. Filr wejściowy można obrać la częoliwości wynikającej z okreu łaowania konenaorów komórek, czyli o czaie rwania p1 + 1 jeżeli zczyowa warość impul prąu rozłaowania zoanie zmniejzona o zczyowej warości impulu prąu łaowania konenaora. W ym celu zeregowo z yryorem TR1 lub TR, a więc w obwozie rozłaowania, należy włączyć oakowy ławik zwiękzający oporność falową obwou rozłaowania. Na ryunku 5 przeawiono aki ukła.

6 1 L TP1 L TP TP3 TPn TR TR1 TN1 C1 TN C TN3 C3 TNn Cn C Ry. 5. Wielokomórkowy ukła yryorowy o łaowaniu kolejnościowym konenaorów z oakowym ławikiem L w obwozie rozłaowywania. Zmoyfikowany ukła z ry. 1 Jeżeli zczyowa warość prąu łaowania pojeynczego konenaora (5) ma być równa zczyowej warości prąu rozłaowania (14), o: Z zależności (15) orzymuje ię: czyli: n( C min C min pr (15) ρ ρr n ρ nρ (16) r L n( L + L ) (17) C C gzie: L warość inukcyjności wejściowej w obwozie łaowania, L warość oakowej inukcyjności w obwozie rozłaowania. Są: nl L + L L ( n 1) L (18) Dławiki L i L można wykonać na wpólnym rzeniu. Spowouje o minimalizację kozów i gabaryów ukłau, ale zwiękzy makymalne napięcie wyępujące na yryorach rozłaowujących w anie blokowania. Przy pominięciu czaów, okrey pracy bazowego przekzałnika (ry. 1) i zmoyfikowanego (ry. 5) wynozą opowienio: 1 T1 p1 n + (19) n T p n 1) (0) ( + Aby przekzałnik po wprowazeniu oakowego ławika miał aką amą moc makymalną, przy niezmienionych warościach pojemności konenaorów, powinien pracować z ą amą częoliwością. Z ego założenia wynika ounek pomięzy czaami rwania pulów łaowania w obu przekzałnikach: )

7 p1 n n + n m Równość (1) pozwala na określenie relacji pomięzy warościami inukcyjności L przekzałnika bazowego, a L zmoyfikowanego przekzałnika: (1) L π CL mπ CL m () L Jeżeli oba przekzałniki pracują z ą amą mocą przy ienycznym napięciu wejściowym, (a akie je założenie) zachozi równość ich warości śrenich prąów wejściowych: AVG1 p1m AVG (3) π π p1 m Korzyając z (1), (), (4), możliwe je porównanie makymalnych energii, jakie ą magazynowane w elemenach inukcyjnych obu przekzałników: W LL max W L max (4) 1 n p1l (5) 1 1 ( L + L ) n p1l (6) Z porównania zależności (5) i (6) wynika, że ławiki la obu ukłaów mają jenakową objęość, a więc rozzielenie ławika wejściowego nie zwiękza objęości i kozów ukłau. i + pr n( + ) + T n( + )+( + ) Ry. 6. Przebieg prąu źróła zailającego przekzałnik o kolejno łaowanych konenaorach z oakowym ławikiem L w obwozie rozłaowywania, w anie ualonym

8 3 4. PARAMETRY KŁAD Z DODATKOWYM DŁAWKEM L Moc wejściowa ukłau z przełączanymi konenaorami o łaowaniu kolejnościowym z oakowym ławikiem L w obwozie rozłaowywania wynoi: P AVG π ( n + 1) ( n + 1)( ( n + 1) π T p + ) 1 π 1+ Częoliwość pełnego cyklu łaowania i rozłaowania wynoi: (7) 1 f ( n + 1)( p + ) (8) Częoliwość kłaowej zmiennej prąu źróła: f 1 + (9) Z zależności (1) i (5) la makymalnej mocy, czyli la Cmin 0 orzymuje ię warość inukcyjności wejściowej i pojemności konenaorów: L π π P max 1 + (30) P max 1 + C π (31) 5. PRACA KŁAD WYNK BADAŃ W celu weryfikacji rozważań analiycznych zbuowano i zbaano yryorowy przekzałnik z przełączalnymi konenaorami o łaowaniu kolejnościowym. Jako elemeny kłaowe komórek wykorzyano konenaory impulowe MKP o pojemności, uf i yryory TR9. nukcyjność wejściową anowi ławik z rzeniem ferryowym o inukcyjności 180 uh. W obwozie rozłaowania zaoowano również yryory TR9 i ławik oakowy o inukcyjności 540 uh. Przekzałnik zwymia-

9 4 rowano na moc rzęu 150 W i zailono napięciem równym 60 V. Paramery ukłau zawaro w abeli 1. Tabela 1. Paramery ukłau Paramer Warość lość komórek n 4 Wzmocnienie napięciowe / 5 Tyryory TP, TN, TR TR9 Pojemność konenaora Cn,uF nukcyjność wejściowa L 180uH nukcyjność oakowa L 540uH Pojemność konenaora C 180uF Ry. 7. Przebieg napięcia na konenaorze pierwzej komórki u góry (3), prąu źróła zailającego przekzałnik u ołu (1) oraz impul bramkowy yryora rozłaowującego () przekzałnika o konenaorach łaowanych kolejnościowo: bez oakowego ławika L (u góry) i z oakowym ławikiem L (u ołu) w obwozie rozłaowywania an ualony, obciążenie znamionowe Na ryunku 7 przeawiono przebiegi prąu wejściowego i napięcia na konenaorze przekzałnika znamionowo obciążonego, bez i z oakowym ławikiem L.

10 5 W pierwzym przypaku, w prązie wejściowym wioczny je co piąy wyoki i króki impul pochozący o rozłaowywania konenaorów. Czery pozoałe, akie ame impuly, wywołane ą łaowaniem pojemności roboczych. W rugim przypaku wzykie impuly mają ą amą warość zczyową. Częoliwość pełnego cyklu pracy ukłau w obu przypakach je aka ama i wynoi. khz. Makymalna warość napięcia na konenaorach wynoi 10 V. Je równa powojonej warości napięcia zailającego ponieważ konenaor zoaje w pełni rozłaowany. Świaczy o o obciążeniu przekzałnika makymalną mocą. Ry. 8. Przebieg napięcia na yryorze TP1 pierwzej komórki u góry (3), prąu źróła zailającego przekzałnik u ołu (1) oraz impul bramkowy yryora rozłaowującego () przekzałnika o konenaorach łaowanych kolejnościowo: bez oakowego ławika L (u góry) i z oakowym ławikiem L (u ołu) w obwozie rozłaowywania an ualony Ryunek 8 iluruje napięcie na yryorze łaującym, górnym pierwzej komórki TP1 wraz z prąem wejściowym la obu ukłaów. W czaie rwania pierwzego impulu łaującego, oberwowane napięcie w przybliżeniu je równe zeru. W rakcie łaowania kolejnych konenaorów opniowo wzraa o około 360 V, co anowi umę napięć na konenaorach C, C3 i C4. Pocza rozłaowania konenaorów napięcie na oberwowanym yryorze je o około 100 V więkze w ukłazie z woma ławikami z powou paku napięcia na inukcyjności oakowej L.

11 6 Ry. 9. Napięcie wyjściowe (u góry) oraz prawność (u ołu) w funkcji prąu wyjściowego przekzałnika o konenaorach łaowanych kolejnościowo bez oakowego ławika L i z oakowym ławikiem L w obwozie rozłaowywania Na ryunku 9 zamiezczono zmierzoną charakeryykę wyjściowa przekzałnika la wóch przypaków: bez oakowego ławika L i z oakowym ławikiem L w obwozie rozłaowywania. Do pomiaru użyo analizaora mocy Yokogawa WT1800. Aby wyznaczyć zaępczą rezyancję wyjściową przekzałnika w obu przypakach opaowano proą o punków pomiarowych. Zainalowanie ławika L powoowało zmniejzenie zaępczej rezyancji wyjściowej przekzałnika, a akże zwiękzenie napięcia jałowego. Poprawa efekywności napięciowej przekzałnika wynika ze zmniejzenia paków napięcia w obwozie rozłaowania (zmniejzenie warości zczyowej i wyłużenie impulu prąu rozłaowania). Wprowazenie oakowej inukcyjności L poprawia akże prawność przekzałnika (ry. 9) zarówno w zakreie niewielkich obciążeń, jaki i blikich znamionowemu. 6. PODSMOWANE W arykule przeawiono yryorowy ukła DC-DC powyżzający napięcie z przełączalnymi konenaorami o łaowaniu kolejnościowym. W celu opymalizacji

12 7 kzału prąu wejściowego okonano moyfikacji poprzez włączenie oakowej inukcyjności w orze rozłaowania konenaorów roboczych. Spowoowało o zmniejzenie warości zczyowej i wyłużenie impulu prąu rozłaowującego. Rozwiązanie akie korzynie wpływa na obciążanie źróła i obór filru wejściowego. Waą zaprezenowanej moyfikacji może być zwiękzenie napięcia wyępującego na yryorach w anie zaporowym. Doakowo, pomimo wykazanej równości energii magazynowanej w elemenach inukcyjnych w przekzałniku bazowym i zmoyfikowanym, zaoowanie wóch ławików może w prakycznej realizacji oznaczać niewielkie zwiękzenie gabaryu urzązenia. Jenak w zczególnym przypaku rozzielenie jenego ławika na wa elemeny może wpłynąć korzynie na rozmiezczenie elemenów w obuowie przekzałnika i więkzą gęość zabuowy. LTERATRA [1] ANDERSEN R.L., LAZZARN T.B., BARB., A 1-kW Sep-p/Sep-Down Swiche-Capacior AC AC Converer, EEE Tranacion on Power Elecronic, 013, Vol. 8, No. 7, [] CHNG H.S.-H., Deign an analyi of a wiche-capacior-bae ep-up DC/DC converer wih coninuou inpu curren, Circui an Syem : Funamenal Theory an Applicaion, EEE Tranacion on, 1999, Vol. 46, No. 6, [3] DNG L, POH CHANG LOH, MAO ZH, FENG GAO, BLAABJERG F., Generalize Mulicell Swiche-nucor an Swiche-Capacior Z-Source nverer, EEE Tranacion on Power Elecronic, 013, Vol. 8, No., [4] FAN ZHANG, LE D, FANG ZHENG PENG, ZHAOMNG QAN, A New Deign Meho for High-Power High-Efficiency Swiche-Capacior DC DC Converer, EEE Tranacion on Power Elecronic, 008, Vol. 3, No., [5] FLORES CORTEZ D., WALTRCH G., FRAGNEAD J., MRANDA H., BARB, DC-DC Converer for Dual Volage Auomoive Syem Bae on Biirecional Hybri Swiche-Capacior Archiecure, EEE Tranacion on nurial Elecronic, Vol. PP, No. 99. [6] KESER O., STEMER P.K., KOLAR J.W., High power reonan Swiche-Capacior ep-own converer, Power Elecronic Speciali Conference, 008. PESC 008. EEE, June 008, [7] LAZZARN T.B., ANDERSEN R.L., MARTNS G.B., BARB., A 600-W Swiche-Capacior AC AC Converer for 0 V/110 V an 110 V/0 V Applicaion, EEE Tranacion on Power Elecronic, 01, Vol. 7, No. 1, [8] MAKOWSK M.S., Realizabiliy coniion an boun on ynhei of wiche-capacior DC-DC volage muliplier circui, EEE Tranacion on Circui an Syem : Funamenal Theory an Applicaion, 1997, Vol. 44, No. 8, [9] ON-CHEONG MAK, YE-CHNG WONG, ONOVC A., Sep-up DC power upply bae on a wiche-capacior circui, EEE Tranacion on nurial Elecronic, 1995, Vol. 4, No. 1, [10] TSNODA A., HNAGO Y., KOZM H., Level an Phae Shife PWM for 7-Level Swiche- Capacior nverer ing Serie/Parallel Converion, EEE Tranacion on nurial Elecronic, 014, Vol. 61, No. 8, [11] WE QAN, DONG CAO, CNTRON-RVERA J.G., GEBBEN M., WEY D., FANG ZHENG PENG, A Swiche-Capacior DC DC Converer Wih High Volage Gain an Reuce Componen Raing an Coun, EEE Tranacion on nury Applicaion, 01, Vol. 48, No. 4,

13 8 [1] WE QAN, HONNYONG CHA, FANG-ZHENG PENG, TOLBERT L.M., 55-kW Variable 3X DC-DC Converer for Plug-in Hybri Elecric Vehicle, EEE Tranacion on Power Elecronic, 01, Vol. 7, No. 4, [13] W G., RAN X., YE Z., Non-olae High Sep-p DC-DC Converer Aoping Swiche- Capacior Cell, EEE Tranacion on nurial Elecronic, Vol. PP, No. 99. [14] YENG Y.P.B., CHENG K.W.E., HO S.L., LAW K.K., STANTO D., nifie analyi of wiche- -capacior reonan converer, EEE Tranacion on nurial Elecronic, 004, Vol. 51, No. 4. [15] Y-PNG HSEH, JANN-FH CHEN, TSORNG-J LANG, LNG-SHENG YANG, Novel High Sep-p DC DC Converer Wih Couple-nucor an Swiche-Capacior Technique, EEE Tranacion on nurial Elecronic, 01, Vol. 59, No., [16] YANG-SHNG LEE, Y-PN KO, MNG-WANG CHENG, L-JEN L, Muliphae Zero- Curren Swiching Biirecional Converer an Baery Energy Sorage Applicaion, EEE Tranacion on Power Elecronic, 013, Vol. 8, No. 8, [17] YANMAO YE, CHENG K.W.E., A Family of Single-Sage Swiche-Capacior nucor PWM Converer, EEE Tranacion on Power Elecronic, 013, Vol. 8, No. 11, THE OPTMZATON OF THE SHAPE OF NPT CRRENT N THYRSTOR BASED BOOST SWTCHED CAPACTOR CONVERTER WTH SEQENCE CHARGNG Thi paper ecribe he hyrior bae DC-DC ep-up wiche capacior converer, aking ino accoun he inpu age. Proper ivie an value elecion of reonan inucance reuce he peak value of icharging curren pule in orer o equalize peak value of pule of inpu curren of converer. Thi allow o eign he inpu filer for a higher frequency, which bring gauge reucion. Mahemaical analyi of moel an experimenal reul of laboraory eup have been preene.