Mostkowy prostownik rezonansowy klasy E zasilany z falownika napięcia

Transkrypt

1 Paweł BUŁKOWSK, Tadeusz TKO Politehnika Białostoka, Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektryznyh Mostkowy prostownik rezonansowy klasy E zasilany z falownika napięia Streszzenie. W artykule przedstawiono sposób projektowania mostkowego prostownika rezonansowego klasy E zasilanego z falownika napięia. Sterowanie przesyłem energii odbywa się poprzez zmianę zęstotliwośi przy stałym współzynniku wypełnienia. Wyznazono harakterystykę regulayjną analizowanego układu. Dokonano analizy teoretyznej popartej odpowiednimi zależnośiami oraz potwierdzono słuszność oblizeń poprzez symulaję przekształtnika w środowisku PSPE. Abstrat. n this artile the way of designing lass E retifier bridge supplied by series resonant onverter. The ontrol of energy transmission takes plae by has been shown hanging the frequeny with onstant off-time. Determined the regulation harateristi of the analyzed struture. Theoretial analysis supported by appropriate relations has been made and the orretness of alulations has been onfirmed by the simulation of the onverter in PSPE environment. (lass E retifier bridge supplied by series resonant onverter). Słowa kluzowe: D/A/D, rezonans szeregowy, przekształtnik klasy E. Keywords: D/A/D, serial resonane, E-lass onverter. doi: /pe Wstęp W systemah dystrybuji energii, przesyle energii odnawialnej do siei, pojazdah elektryznyh, bezprzerwowyh systemah zasilająyh UPS itp., znajdują szerokie zastosowanie przekształtniki D/D z izolają galwanizną. Sprawą istotną jest sprawność tyh urządzeń. W przypadku ogólnym przekształtnik kojarzy ze sobą dwa źródła napięia stałego o niskim i wysokim poziomie napięia. Straty po stronie niskiego napięia gdzie jest duży prąd deydują o sprawnośi ałego przekształtnika. W artykułah [1]-[8] przedstawiono układy umożliwiająe dwukierunkowy transfer energii. W artykule [9] przedstawiono układ przesyłu energii ze źródła niskonapięiowego do źródła o wysokim napięiu. W tym artykule autorzy skupiają się na układzie przesyłu energii w kierunku odwrotnym tzn. od źródła wysokiego do niskiego. Przekształtnikiem regulująym przepływ energii jest falownik napięia z rezonansem szeregowym. Taki układ wydaje się bezkonkurenyjny ze względu na sprawność zarówno samego falownika jak i transformatora wysokiej zęstotliwośi. Falownik z rezonansem szeregowym można potraktować jako źródło prądowe które zasila prostownik diodowy. stotą referatu jest prezentaja prostownika klasy E występująego po stronie niskiego napięia zasilanego ze źródła prądu. W referaie zostaną omówione harakterystyzne przebiegi w układzie prostownika klasy E. Zostanie dokonana analiza matematyzna umożliwiająa zaprojektowanie układu oraz podane będą wyniki symulayjne i laboratoryjne weryfikująe wybrany układ o założonej moy 5kW. Analiza pray przekształtnika Analizowany przekształtnik składa się z mostkowego falownika napięia, transformatora dopasowująego poziomy napięć, obwodu rezonansowego oraz prostownika klasy E. Shemat omawianego układu przedstawiony jest na rysunku 1. Analiza układ prostownika wymaga następująyh założeń: - ze względu na wartość dławika L przebieg zasowy prądu wyjśiowego prostownika w okresie sterowania przyjmujemy za stały, - prąd w obwodzie rezonansowym zakładamy sinusoidalny o zęstotliwośi sterowania f i amplitudzie rm. W proesie przewodzenia prostownika przewodzą dwie diody z jednej przekątnej prostownika i dwa kondensatory z drugiej przekątnej mostka bądź ztery diody równoześnie. Biorą to pod uwagę okres sterowania T możemy podzielić na dwa przedziały równe t D zas przewodzenia diody i t =T t D zas przewodzenia kondensatora. Rys. 1. Shemat prostownika rezonansowego klasy E zasilanego z falownika napięia Sterowanie odbywa się poprzez zmianę zęstotliwośi z wypełnieniem 0,5-t Δ ze stałym zasem martwym t Δ jak pokazano na rysunku 3. Rys.. mpulsy sterująe tranzystorami falownika napięia Rys. 3. Uproszzony shemat przekształtnika z rysunku 1 Shemat przekształtnika z rysunku 1 uproszzono i do dalszej analizy wykorzystano układ przedstawiony na rysunku. 8 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNZNY, SSN , R. 90 NR 8/014

2 Układ zaprojektowano dla zęstotliwośi rezonansowej tj. dla punktu pray w którym przesyłana jest maksymalna energia. Odpowiednie przebiegi prądów i napięć dla tego stanu pray przedstawiono na rysunku 3. Wyznazają zależność pomiędzy prądem przeładowująym kondensator a amplitudą prądu w obwodzie rezonansowym w opariu o rysunek 3, można zapisać: i i sin t (1) r rm dla hwili t=0 równanie (1) przyjmuje postać: () i 0 sin 0 rm wię wartość prądu wyjśiowego wynosi: (3) rm sin stąd wartość kąta φ wyznazono jako: (4) arsin rm (8) sin t tg os t tg t 0 Z równania (8) można wyznazyć wartość kąta φ w zależnośi od zasu t tj. zasu potrzebnego na rozładowanie pojemnośi. (9) 1 os t artg t sin t Wartość kąta φ można uzależnić od zasu przewodzenia diody. Wówzas równanie (9) przyjmie postać: (10) artg 1 osd 1 D sind td gdzie: D - względny zas przewodzenia diody. T Następnym krokiem jest rozwiązanie równania (11) (11) t tg t t t 1 sin os 0 tg dx V którego rozwiązanie przedstawione zależnośią (1) określa pojemnośi, od której zależy wartość przesyłanej energii. Rys. 4. Przebiegi prądów i napięć w przekształtniku dla zęstotliwośi rezonansowej W elu wyznazenia napięia na kondensatorze lub diodzie w mostku prostownizym należy rozwiązać równanie (5). 1 t (5) u t rm sin 0 Ostateznie wartość tego napięia wyrażono jako: (6) u sint tg ost tg dx t Biorą pod uwagę, że w zasie t=t =T t D napięie na kondensatorze musi być równe zeru (7): (7) u t 0 oraz uwzględniają równanie (6) otrzymano: 1 1 ost t (1) V t sin t 1 ost Projektowanie przekształtnika Danymi wejśiowymi do zaprojektowania przekształtnika są: maksymalna mo jaka ma być przesyłana, wartośi napięć źródłowyh oraz zęstotliwość pray. Założono, że maksymalna mo jest przesyłana w stanie rezonansu kiedy napięie i prąd wyjśiowy falownika są w fazie. Przyjęto następująe dane wejśiowe: V in =650V, V =60V, P in =5kW, f rez =00kHz. Sposób wyznazenia dławika wyjśiowego oraz elementów rezonansowyh został przedstawiony w [9]. Dla analizowanej konfiguraji wyznazono r =0,5µF, L r =1,3μH, L =0µH. Zastosowany transformator odpowiada za izolaję galwanizną oraz dopasowanie poziomów napięć, wię przyjęto, że V r /V =1. Sprawność założono 0,95. Mo na wyjśiu falownika wyznazono jako 4 Vin in (13) Pin Vrsk rsk Vinin Zakładają sprawność układu η określono mo wyjśiową: (14) P V Pin Podstawiają wynik z równania (13) do (14) oraz uwzględniają zależność (3) otrzymano: (15) V sin V in Z zależnośi (15) wyznazono wartość kąta φ, który w projektowanym przekształtniku wynosi: 0,95 (16) arsin 37, PRZEGLĄD ELEKTROTEHNZNY, SSN , R. 90 NR 8/014 9

3 Wykreślono równanie (10) i odzytano wartość ωt. Dla projektowanego przekształtnika ωt =,86[rad]. Ostatnim krokiem jest wyznazenie pojemnośi z zależnośi (1). Należy jednak pamiętać, że równanie (1) dotyzy modelu uproszzonego gdzie przyjęto podwójną wartość pojemnośi kondensatora, wię dla układu mostkowego przyjmie ono postać: Wyniki symulaji przedstawione na rysunku 7 odpowiadają pray przekształtnika przy zęstotliwośi f=588khz. (17) V 1 os 4 t sin 1 os t t t t 1 i w ostateznośi wartość wynosi 111,8nF. Badania symulayjne Symulaje przekształtnika z rysunku 1 zostały wykonane w środowisku PSPE dla następująyh danyh: V in =60V, V =650V, P in =5kW, f r =00kHz, r =0,5µF, L r =1,3μH, L =0µH, Dx =110nF. Falownik napięia tworzyły tranzystory XFN36N100 a w mostku prostownizym zastosowano diody STTH00R04TV1. W układzie wykorzystano idealny transformator o przekładni 1/10. Zależność moy wyjśiowej od zęstotliwośi (harakterystyka regulayjna) oraz sprawność układu przedstawione są na rysunku 5. Rys. 7. Prądy i napięia w przekształtniku dla zęstotliwośi 588kHz Badania laboratoryjne Badania laboratoryjne zostały przeprowadzone na układzie przedstawionym na rysunku 8. Rys. 8. Stanowisko badawze mostkowego prostownika rezonansowego klasy E zasilanego z falownika napięia Rys. 5. Sprawność i mo wyjśiowa w funkji zęstotliwośi Zakres regulaji wynosi od P =4,56kW przy f r =48kHz i sprawnośi 96% do P =03W przy f=588khz i 93% sprawnośi. Rys. 6. Prądy i napięia w przekształtniku dla zęstotliwośi 48kHz Maksymalna energia jest przekazywana przy zęstotliwośi f=48khz, która to, jak widać z przebiegów z rysunku 6, jest zęstotliwośią bliską rezonansowej (prąd i napięie transformatora są w fazie). zas trwania proesu przeładowania pojemnośi Dx wynosi 1,74µs do daje ωt =,4[rad]. Badany układ został zbudowany w opariu o następująe elementy: falownik napięia z tranzystorów XFN36N100, transformator planarny o moy 5kW i przekładni 1/10, dławik rezonansowy DTMSS-103/0,001/100 o indukyjnośi 1,3μH, kondensator rezonansowy serii SP150 0,5μF, 700 V, 50A, mostek prostownizy z diod XYS DSE x11-0 A, dławik wyjśiowy stanowiły szeregowo połązone dwa dławiki DEHF-4/1uH/180A, kondensator polipropylenowy włązony równolegle do diod FKP 100n, 630V. Obiążenie stanowił rezystor R=0,54Ω. Za sterowanie odpowiadał układ FPGA firmy XLNX serii SPARTAN X3S00 a impulsy na drivery tranzystorów przekazywane były w opariu o transmisję światłowodową. Ze względu na zjawiska towarzysząe pray układu w stanie idealnego rezonansu zaleana jest praa nieo powyżej zęstotliwośi rezonansowej i wyniki badań przedstawione na rysunku 9 dotyzą właśnie tego punktu pray. Pomiary wykonywane były z użyiem: osyloskopu TEKTRONX serii TDS55034B (350MHz, 5GS/s), sondy prądowej TP0, sondy napięiowej różniowej P505,oraz sondy napięiowej Tek P5050. Układ zasilany był napięiem 600V a przekazywana mo do odbiornika przy zęstotliwośi f=00khz wynosiła 3kW przy sprawnośi 93% (rys.9). 10 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNZNY, SSN , R. 90 NR 8/014

4 Rys. 9. Prądy i napięia w przekształtniku dla zęstotliwośi f=00khz, przy V in =600V: h1 - napięie transformatora po stronie niskiego napięia, h - prąd pobierany przez falownik napięia, h3 - napięie na kondensatorze D1, h4 - prąd w obwodzie rezonansowym Ponieważ wartość prądu płynąa przez kondensatory Dx przewyższała dopuszzalną dla sondy pomiarowej, dlatego osylogramy obrazująe ten prąd zostały zarejestrowane przy obniżonym napięiu V in =300V (rys.10 i rys.11). Rys. 1. Prądy i napięia kondensatora (poliestrowego) D1 dla zęstotliwośi f=00khz, przy V in =300V: h1 - napięie na kondensatorze D1, h - prąd kondensatora D1 Zostały również wykonane badania przy wyższej zęstotliwośi w elu potwierdzenia możliwośi płynnej regulaji przesyłanej energii. Rysunek 11 przedstawia osylogramy dla zęstotliwośi f=300khz i napięiu V in =300V. Osylaje prądu w pojemnośi D1 przedstawione na rysunkah 10 i 11 wynikają z jego indukyjnośi pasożytnizej. Po zmianie kondensatora polipropylenowego na poliestrowy zas trwania oraz amplituda tętnień znaznie zmalały o obrazuje rysunek 1. zas trwania proesu przeładowania pojemnośi D1 przy pominięiu tętnień wynosi około µs do daje ωt =,5[rad]. Jak widać wyniki oblizeń projektowyh, badań symulayjnyh oraz laboratoryjnyh są bardzo zbliżone. Wyznazono również harakterystyki sprawnośi (rys.13) i przekazywanej moy (rys.14). Badania wykonano przy stałym napięiu zasilająym V in =600V, oraz stałym obiążeniu R=0,54Ω. Rys. 10. Prądy i napięia w przekształtniku dla zęstotliwośi f=00khz, przy V in =300V: h1 - napięie transformatora po stronie niskiego napięia, h - prąd kondensatora D1, h3 - napięie na kondensatorze D1, h4 - prąd w obwodzie rezonansowym Rys. 13. Mo wyjśiowa w funkji zęstotliwośi przy V in =600V Rys. 11. Prądy i napięia w przekształtniku dla zęstotliwośi f=300khz, przy V in =300V: h1 - napięie transformatora po stronie niskiego napięia, h - prąd kondensatora D1, h3 - napięie na kondensatorze D1, h4 - prąd w obwodzie rezonansowym Rys. 14. Sprawność przekształtnika w funkji zęstotliwośi przy V in =600V PRZEGLĄD ELEKTROTEHNZNY, SSN , R. 90 NR 8/014 11

5 Niewielkie rozbieżnośi między badaniami symulayjnymi a laboratoryjnymi wynikają przede wszystkim z użytyh elementów. W symulajah kondensatory, dławiki i transformator założono jako idealne. Jak widać z rysunku 10 indukyjność kondensatora rzezywistego jest znaząa zwłaszza przy wyższyh zęstotliwośiah. W elu poprawy uzyskanej sprawnośi należałoby zastosować kondensatory styrofleksowe a dławik rezonansowy wykonać w tehnie planarnej. Wnioski Wysoka sprawność przekształtnika wynika z małej stromośi napięia i prądu przy wyłązaniu diody w prostowniku klasy E. Wymiana prądu między diodą prostownizą a boznikująym ją kondensatorem przebiega zgodnie z założeniami o potwierdza poprawność wykonanej analizy. Wyniki badań symulayjnyh oraz laboratoryjnyh są zbliżone a ewentualne rozbieżnośi wynikają z przyjętyh uproszzeń w analizie oraz zastosowania w symulajah idealnyh elementów. Zakres regulaji przekazywanej energii przy wysokiej sprawnośi jest duży i stawia ten układ w zołówe wysokosprawnyh przekształtników D/A/D. Praa naukowa finansowana ze środków na badania naukowe Wydziału Elektryznego Politehniki Białostokiej w ramah pray W/WE//013. LTERATURA [1] itko T., Jałbrzykowski S. Bogdan A., Dual Full-Bridge Resonant lass-e Bidiretional D D onverter, EEE Transations on ndustrial Eletronis, 78 (00), Vol.: 58, No. 9, 011 [] Pavlovi Z., Oliver J.A., Alou P., Garia O., obos J.A., Bidiretional Dual Ative Bridge Series Resonant onverter with Pulse Modulation, Applied Power Eletronis onferene and Exposition (APE), 01 Twenty-Seventh Annual EEE [3] noue S., Akagi H., A Bi-Diretional solated D/D onverter as a ore iruit of the Next-Generation Medium-Voltage Power onversion System, Power Eletronis Speialists onferene, 006. PES '06. 37th EEE [4] G. Ma, W. Qu, G. Yu, Y. Liu, N. Liang, and W. Li, A zerovoltage-swithing bidiretional d d onverter with state analysis and soft-swithing-oriented design onsideration, EEE Transations on ndustrial Eletronis, vol. 56, no. 6, pp , Jun. 009 [5] B. Ray, Bidiretional D D power onversion using quasiresonant topology, in Pro. EEE Annu. Power Eletron. Spe. onf., Jun. 199,pp [6] X. Li, A. K. S. Bhat, Analysis and Design of High-Frequeny solated Dual-Bridge Series Resonant D/D onverter, EEE Transations on Power Eletronis, vol. 5, no. 4, pp , April 010 [7] Y. Xie, J. Sun, J. S. Freudenberg, Power Flow haraterization of a Bidiretional Galvanially solated High-Power D/D onverter Over a Wide Operating Range, EEE Transations on Power Eletronis, vol. 5, no. 1, pp , January 010 [8] W. hen, P. Rong, Z. Lu, Snubberless Bidiretional D D onverter With New LL Resonant Tank Featuring Minimized Swithing Loss, EEE Transations on ndustrial Eletronis, vol. 57, no. 9, September 010 [9] Bułkowski P., harakterystyka regulayjna przekształtnika D/A/D podwyższająego napięie z rezonansem szeregowym, Przegląd Elektrotehnizny,1b 01, 38-4 Autorzy: prof. dr hab. inż. Tadeusz itko, Politehnika Białostoka, Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektryznyh, ul. Wiejska 45D, Białystok, t.itko@pb.edu.pl, mgr inż. Paweł Bułkowski Politehnika Białostoka, Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektryznyh, ul. Wiejska 45D, Białystok, E- mail: p.bulkowski@we.pb.edu.pl.. 1 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNZNY, SSN , R. 90 NR 8/014