PLAN PREZENTACJI. 2 z 30

Transkrypt

1 P O L I T E C H N I K A Ś L Ą S K A WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI, NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO I ROBOTYKI Energoelektroniczne przekształtniki wielopoziomowe właściwości i zastosowanie dr inż. Marcin Zygmanowski

2 2 z 30 PLAN PREZENTACJI 1. Cel referatu i wprowadzenie 2. Energoelektroniczny przekształtnik DC-AC i AC-DC 3. Działanie przekształtnika wielopoziomowego 4. Podstawowe topologie 5. Metody modulacji 6. Zastosowanie 7. Najnowsze rozwiązania 8. Podsumowanie i wnioski

3 3 z 30 CEL REFERATU I WPROWADZENIE Cel referatu: Przybliżenie tematyki związanej z najnowocześniejszymi rozwiązaniami energoelektronicznymi dla napędu elektrycznego i energetyki. Motywacja: Przekształtniki wielopoziomowe są najkorzystniejszym rozwiązaniem stosowanym przy przekształcaniu energii elektrycznej AC-DC i DC-AC przy napięciach wyższych niż 1000 V. Przekształtniki wielopoziomowe znane są nauce od początku lat 90- tych XX. wieku, lecz dopiero w ostatnim dziesięcioleciu doczekały się seryjnej produkcji (ABB, Alstom, Ansaldo, GE, Rockwell, Siemens i wiele innych). Słownik: Przekształtnik wielopoziomowy ang. MultilevelConverter

4 4 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK DC-AC (FALOWNIK) Jednofazowy falownik napięcia idea działania U DC /2 0 U DC /2 i A A u A0 widmo napięcia u A rząd harmonicznej h przebieg prądu i A0

5 5 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK DC-AC (FALOWNIK) Trójfazowy falownik napięcia idea działania

6 6 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK DC-AC Falownik Prostownik PWM Zamiast nazwy falownik/prostownik PWM stosuje się nazwę przekształtnik dwupoziomowy (2-level converter) (od liczby poziomów w napięciu wyjściowym u A0, u B0 lub u C0 ).

7 7 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK DWUPOZIOMOWY Prąd fazowy przekształtnika zależy od: - napięcia obwodu DC -U DC - głębokości modulacji -m a - impedancji odbiornika (modułu i kąta fazowego) - częstotliwości przełączania tranzystorów f Przykład: U DC = 600 V; P = 100 kw; cosφ = 0,99; m a = 0,9 f = 1 khz; f = 5 khz Wyższa częstotliwość przełączania redukuje harmoniczne niższych rzędów i znacząco zwiększa straty mocy!

8 8 z 30 OGRANICZENIA PRZEKSZTAŁTNIKA DWUPOZIOMOWEGO Napięcie: Tranzystory IGBT o napięciu 6,5 kv umożliwiają, że U DC 3300 V, U RMS 3x2300 V. Zwiększenie napięcia można osiągnąć za pomocą: - łączenia szeregowego tranzystorów (nierówne napięcia) -transformatora podwyższający napięcie (drogie i wielkogabarytowe) Częstotliwość: Częstotliwość przełączania przekształtnika jest ograniczana szybkością tranzystorów - stratami mocy przełączania. Prąd: Znamionowy prąd przekształtnika nie stanowi ograniczenia konstrukcyjnego ponieważ IGBT można łączyć równolegle.

9 9 z 30 WYSOKONAPIĘCIOWE TRANZYSTORY IGBT Tranzystor CM400HG-66H CM600HG-90H CM600HG-130H Obudowa Napięcie blokowania/prąd 3300 V/400 A 4500 V/600 A 6500 V/600 A Strata energii przy pojedynczym przełączeniu 1,59 J 1,65 kv, 300 A, 125ºC 3,1 J 2,25 kv, 300 A, 125ºC 6,4 J 3,6 kv, 300 A, 125ºC Całkowity czas przełączania 6,1 µs 10,8 µs 13,3 µs Maksymalna częstotliwość przełączania 2000 Hz 1500 Hz 1000 Hz Dla napięć większych niż 3000 V (U DC = 4,5 kv) konieczne było opracowanie nowych topologii przekształtników przekształtników wielopoziomowych.

10 10 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK WIELOPOZIOMOWY IDEA DZIAŁANIA Napięcie wyjściowe przekształtnika n-poziomowego Napięcia występujące na tranzystorach przekształtnika n-poziomowego równe sąu DC /(n-1).

11 11 z 30 PODSTAWOWE ROZWIĄZANIA Wielopoziomowy przekształtnik kaskadowy jedna faza Przekształtnik 9-poziomowy Separowane źródła napięcia DC (wielouzwojeniowy transformator lub kilkanaście transformatorów średniej częstotliwości MFT)

12 12 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK KASKADOWY (CHB) (trójfazowy, 5-poziomowy, z transformatorami MF)

13 13 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK KASKADOWY (CHB) Zalety: - modularność, - zwielokrotnienie częstotliwości napięcia wyjściowego względem częstotliwości przełączania tranzystorów, - równomierne obciążenie wszystkich zaworów (liczba przełączeń, prądy, napięcia). Wady: - Wymagana duża liczba separowanych źródeł DC (3(n-1)/2), (za pomocą transformatora wielouzwojeniowego (n-1)/2+1, albo za pomocą transformatorów średniej częstotliwości (MFT), - Rozwiązanie z transformatorami MFT wymaga stosowania bardzo dużej liczby tranzystorów (24(n-1) co dla n = 5 daje 96 tranzystorów, a dla n = 9 daje 192 tranzystorów).

14 14 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK NPC najczęściej stosowany przekształtnik wielopoziomowy w układach napędowych do napięcia 3x1000 V, przekształtnik 3-poziomowy, stosując tranzystory 6,5 kv lub 4,5 kv można uzyskać przekształtnik na napięcie 3x3300 V.

15 15 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK NPC Zalety: - liczba poziomów n = 3, - wymaga użycia małej liczby tranzystorów (12 tranzystorów dla jednego przekształtnika AC-DC lub DC-AC), - stosunkowo prosty układ sterowania, - do napięcia 1700 V (3x690 V) produkowane są gotowe moduły NPC. Wady: - nierównomierne obciążenie tranzystorów - konieczność stabilizowania napięcia punktu środkowego kondensatorów obwodu DC (za pomocą napięcia wspólnego) Przekształtnik NPC jest szczególnym przypadkiem przekształtnika z diodami poziomującymi.

16 16 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK Z DIODAMI POZIOMUJĄCYMI (DCC) Trójfazowy czteropoziomowy przekształtnik z diodami poziomującymi. Wszystkie tranzystory narażane są na napięcia U DC /(n-1) = U DC /3. Wady: - diody poziomujące muszą być szybkie, - istnieją problemy ze stabilizacją napięć na kondensatorach.

17 17 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK Z KONDENSATORAMI POZIOMUJĄCYMI (FCC) Jest to drugi obok przekształtnika NPC i przekształtnika kaskadowego najpopularniejszy przekształtnik wielopoziomowy.

18 18 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK Z KONDENSATORAMI POZIOMUJĄCYMI (FCC) Zalety: - dostateczna modularność przekształtnika (wyjątkiem są kondensatory poziomujące), - prosty sposób zapewnienia stabilnych napięć na kondensatorach poziomujących. - zwielokrotnienie częstotliwości przełączeń w napięciu wyjściowym względem częstotliwości przełączeń tranzystorów Wady: - duża liczba kondensatorów poziomujących, - skomplikowany układ wstępnego ładowania kondensatorów poziomujących.

19 19 z 30 METODY MODULACJI W PRZEKSZTAŁTNIKACH WIELOPOZIOMOWYCH Korzystne dla dużych n Lepsze dla małych n

20 20 z 30 METODY MODULACJI W PRZEKSZTAŁTNIKACH WIELOPOZIOMOWYCH Metoda z sygnałami nośnymi przesuniętym poziomowo (PD-PWM) Metoda z sygnałami nośnymi przesuniętym fazowo (PS-PWM) ma = 0,85 n = 5 f = 1050 Hz m a =0,85 n=5 f = 250 Hz S N1 S N2 S N3 S N4 S M S N1 S M S N2 t t S N3 S N4 u A0 u A0 S M U DC /2 t U DC /2 t THD = 35,7% THD=35,9% u A u A S M U DC /2 t U DC /2 t THD = 18,9% THD=29,1%

21 21 z 30 METODY MODULACJI W PRZEKSZTAŁTNIKACH WIELOPOZIOMOWYCH Metoda wektorowa (SV-PWM) n = 2 y u A0 m a = 0,85 n = 11 m f = 21 S M U DC /2 t x THD = 20,2% u A y S M U DC /2 t n = 11 THD = 11,2% x Większa liczba poziomów bardziej złożona metoda.

22 22 z 30 ZASTOSOWANIE PRZEKSZTAŁTNIKÓW WIELOPOZIOMOWYCH Zastosowanie przekształtników wielopoziomowych: - przemysłowe napędy elektryczne średniego napięcia i dużych mocy (pompy, wentylatory, przenośniki, taśmociągi i wiele innych), - transport (kolej dużych prędkości), - energetyka (kompensatory mocy biernej STATCOM, układy HVDC) STATCOM P Q U U S P = δ δ X L U U X S P S L sin 0 0 U U P 1 HVDC

23 23 z 30 KONDYCJONER ENERGII Z WIELOPOZIOMOWYM PRZEKSZTAŁTNIKIEM I SUPERKONDENSTORAMI 5-poziomowy przekształtnik kaskadowy (metoda z sygnałami nośnymi przesuniętymi fazowo) zasobnik superkondensatorowy 1 m U n =3x400 V, 50 Hz; S n =10 kva; Zasobnik superkondensatorowy 48 modułów 58 F, 15 V E max =300 kj.

24 24 z 30 INNE ROZWIĄZANIA PRZEKSZTAŁTNIKÓW WIELOPOZIOMOWYCH Przekształtniki hybrydowe i aktywne bazują na topologiach podtawowych. Cechami pożądanymi nowych rozwiązań są: - modularność, - równomierność obciążenia, - minimalizacja strat mocy, - stabilizacja napięć obwodów DC, - duża liczba poziomów napięć przy najmniejszej liczbie tranzystorów A (typowo w trójfazowym przekształtniku n-poziomowymn= 6(n-1)).

25 25 z 30 INNE ROZWIĄZANIA PRZEKSZTAŁTNIKÓW WIELOPOZIOMOWYCH Przekształtnik kaskadowy zbudowany z mostkowego przekształtnika NPC, a zasilany za pomocą prostownika 36-pulsowego. A B C

26 26 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK MODULARNY (MMC) Przekształtnik MMC zyskuje w ciągu ostatnich 2-3 lat coraz więcej zainteresowania z uwagi na jego liczne zalety.

27 27 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK MODULARNY (MMC) Zalety: - pełna modularność, - brak kondensatora w obwodzie DC, - możliwość budowania przekształtników na dowolne napięcia DC (rzędu 100 kv do kilku MV), - opracowane lecz bardzo złożone metody stabilizacji napięć kondensatorów modularnych. Te zalety sprawiają, że jest on predestynowany do układów HVDC Wady: - silna nieliniowość dynamiczna przekształtnika, - bardzo złożony układ sterowania umożliwiający stabilizację napięć na kondensatorach modularnych. Mimo tych wad wielu światowych producentów (SIEMENS, ABB i ALSTOM) jest zainteresowanych tym przekształtnikiem.

28 28 z 30 PRZEKSZTAŁTNIK MODULARNY (MMC) Pilotażowy model HVDC z MMC o mocy 25 MW

29 29 z 30 PODSUMOWANIE I WNIOSKI 1. Przekształtniki wielopoziomowe są coraz powszechniej stosowane w różnych gałęziach przemysłu. 2. Co roku coraz więcej przekształtników wielopoziomowych jest w ofercie producentów (zmniejszenie ceny z 1 mln zł/ MW?). 3. Choć technologia przekształtników wielopoziomowych wydaje się, że osiągnęła dojrzałość, to wiele problemów istniejących w przekształtnikach nie zostało jeszcze do końca rozwiązanych (całkowita odporność na awarie, minimalizacja gabarytów, układ chłodzenia, długa żywotność). 4. W Katedrze Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki trwają prace naukowo-badawcze nad przekształtnikami wielopoziomowymi od ponad 8 lat.

30 30 z 30 Dziękuję za uwagę