HARMONIC REDUCTION TECHNIQUES USING MULTI-PULSE RECTIFIERS

Transkrypt

1 PAWEŁ STAWCZYK Kelce Unversty of Technology e-mal: HARMONIC REDUCTION TECHNIQUES USING MULTI-PULSE RECTIFIERS A b s t r a c t AC/DC converters generate hgh harmonc currents and voltages nto the power system, whch causes a deformaton of ther shapes and ncreases actve power losses. Ths artcle gves short revew about basc methods of reducton of hgher harmoncs n phase currents of AC/DC converters consstng of parallel connected 6-pulse brdges. Keywords: AC/DC converter, power qualty, THD (Total Harmonc Dstorton), autotransformer 1. Introducton In recent years, the harmoncs n the power system appear due to the wde applcatons of the electronc equpments n whch the AC/ DC converter are usually used. Therefore, t s very mportant to reduce harmonc components n supply currents of the AC/DC converters. The harmonc problems can be solved by usng the actve flters whch usually operate at hgh swtchng frequency and are not sutable for hgh power applcatons. The power factor and total harmonc current dstorton THD of the nput lne current can be mproved by usng of the mult-pulse AC/DC converter. The total harmonc current dstorton THD s descrbed by formula: I h h= * THD = 100% = I h (1) I 1 h= where: I h* relatve current component of h- harmonc order. Mult-pulse AC/DC converters generate odd current harmoncs order: h = k q ± 1 () where k number of parallel connected 6-pulse brdges, q number of pulses As results from () an ncrease n pulse number q s the basc method to elmnate hgh harmonc currents. One obtans an ncrease n q n classcal solutons by seres or parallel connecton of p number of 3-phase brdges suppled by transformers wth requred phase shftng. π φ = (3) qp Another method s based on the use of rectfers wth modulators n DC current crcuts.. Mult-pulse AC/DC rectfers Fgure 1 shows modfed systems consstng of 6-pulse rectfers. They behave approxmately as 4-pulse (Fg. 1a) and 36-pulse (Fg. 1b) rectfers n consequence of alternate conductng of dodes and thyrtors connectng to termnals of the nterphase transformer. The depth of asymmetry n load of each of component rectfers depends of turn number of reactor segments n consequence mprove the power qualty. 43

2 Paweł Stawczyk Fg. 1. Dode rectfers wth modulaton n DC current: a) 4-pulse, b) 36-pulse [4] Fg.. Lne currents of component brdges and rectfer and ther FFT analyss n: a) 4-pulse, b) 36-pulse mode [1, 3] 1I, 1II phase supply currents of component brdges 44

3 HARMONIC REDUCTION TECHNIQUES USING MULTI-PULSE RECTIFIERS 1II 1I = 3 = (0.5 a) I 3 3 (0.5 ± a) I 3 d d π cos( n ) q π π cos( n + ) q 1 (4) where: a takes values: a x, -a x for converter n Fgure 1a and a x, -a x, 0 for converter n Fgure 1b, q number of pulses, I d DC current. The 36-pulse rectfer offers a hgher qualty nput current (lne current) whle that of the 4-pulse rectfer s dstorted. The THD of the 4-pulse rectfer equals 7.09% but for 36-pulse rectfer 4.66%. Another type of modulaton n DC current crcut n the form of nterphase transformer s presented n Fgure 3 [7]. Prmary wndng of the transformer s suppled from AC current modulator. The shape and magntude of AC current transformed from prmary to secondary wndng determnes the depth of load asymmetry of rectfer component brdges. Fg pulse rectfer wth modulaton n DC crcut [3] The shape of lne current of the converter s close to snusodal one. The total harmonc current dstorton THD n ths case s equal to 1.03%. 3. Conclusons Conventonal AC/DC converters are developed usng dodes and thyrstors to provde controlled and uncontrolled undrectonal and bdrectonal Fg. 4. Lne currents of component brdges and rectfer and ther FFT analyss [3] 45

4 Paweł Stawczyk dc power, however, these converters have problems of poor power qualty n terms of njected current harmoncs, resultant voltage dstorton and slowly varyng rppled DC output at load end, low effcency, and large sze of AC an DC flters. Hgh-power applcatons use AC/DC converters based on the concept of multpulse mode (namely: 1-, 4-, 36-pulse) to reduce the harmoncs n AC supply currents, to overcome presented drawbacks and to fulfl contemporary power qualty standards. The varaton of harmoncs n the nput current for dfferent pulse numbers s shown Table 1. Table 1. Varaton of THD wth pulse number Pulse number THD [%] It s possble to further mprove the THD usng the modulator n the DC crcut shown n Fgure 3. The value of THD for ths case s 1.03%, whch s a very good result. Mult-pulse rectfers wth modulaton n DC current crcut meets the standards specfed for connectng devces I and II qualty [8]. References [1] Rolek J.: Układy prostownków welopulsowych z modulacją w obwodze prądu stałego (Mult-pulse rectfers wth modulaton n DC current), Przegląd elektrotechnczny, R. 84 5, 008. [] Anrvndan A.N., Pushpakarthck P.: 4- pulse rectfer realzaton b 3-phase to four 3-phase transformaton usng conventonal transformer, NPEC 010. [3] Kapłon A., Rolek J.: Analyss of Multpulse Rectfers wth Modulaton n DC Crcut n Vector Space Approach th Internatonal Power Electroncs and Moton Control Conference (EPE-PEMC 008). [4] Myar S., Ida S., Nakata K., Masukawa S.: New Method for Reducng Harmoncs Involved n Input and output of Rectfer wth Interphase Transformer, IEEE Trans. On Industry Applcatons, IA- (5), pp [5] Pace D. A.: Power Electronc Converter Harmoncs Multpulse Methods for Clean Power, IEEE PRESS New York [6] Youns M., Rahm N., Mekhlef S.: Harmonc reducton n a three-phase rectfer wth snusodal current. Power System Technology, 00. PowerCon 00. Internatonal Conference on, pp [7] Strzeleck R., Supronowcz H.: Współczynnk mocy w systemach zaslana prądu przemennego metody jego poprawy (Power factor n AC power supply systems and methods of ts mprovement), Ofcyna Wydawncza Poltechnk Warszawskej, Warszawa 000. [8] Mnster of Economc Affars 4 May 007 In the specfc condtons of power system (9 May 007) (orgnal: Rozporządzene Mnstra Gospodark z dna 4 maja 007 r. W sprawe szczegółowych warunków funkcjonowana systemu elektroenergetycznego (9. maj. 007)), Warszawa Paweł Stawczyk Metody redukcj wyższych harmoncznych z wykorzystanem prostownków multpulsowych 1. Wprowadzene W ostatnch latach z powodu znacznej lczby urządzeń elektrycznych zaslonych z prostownków AC/DC wzrasta zawartość wyższych harmoncznych prądów w secach zaslających. Redukcja harmoncznych, które pojawają sę w prądach zaslających przekształtnk AC/DC jest zatem bardzo ważnym problemem. Zmnejszene udzału wyższych harmoncznych uzyskuje sę mędzy nnym przy pomocy fltrów aktywnych pracujących z wysoką częstotlwoścą przełączeń, które jednak ne są przystosowane do pracy w układach wysokej mocy. Poprawene współczynnka mocy oraz całkowtego współczynnka odkształcena prądu THD można uzyskać stosując welopulsowe przekształtnk AC/DC. Całkowty współczynnk odkształcena prądu określa wzór (1). 46

5 HARMONIC REDUCTION TECHNIQUES USING MULTI-PULSE RECTIFIERS Welopulsowe przekształtnk AC/DC generują neparzysty rząd harmoncznych prądu wzór (). Jak wynka z powyższej zależnośc zwększane lczby pulsów q jest podstawową metodą pozwalającą na wyelmnowane wyższych harmoncznych w prądach zaslających. W klasycznych rozwązanach zwększene lczby pulsów q uzyskuje sę poprzez szeregowe lub równoległe połączene p trójfazowych układów mostkowych zaslonych przez transformator o symetrycznym układze napęć wtórnych przesunętych względem sebe o kąt wzór (3). Innym rozwązanem jest prostownk multpulsowy z modulatorem w obwodze prądu stałego.. Welopulsowe prostownk AC/DC Na rysunku 1 pokazano dwa przykładowe rozwązana zawerające dwa trójfazowe układy mostkowe wykazujące właścwośc pracy prostownka 4-pulsowego (rys. 1a) oraz 36-pulsowego (rys. 1b) wskutek przemennego przewodzena dod oraz tyrystorów podłączonych do zacsków dławka kojarzącego. Stopeń asymetr w obcążenu każdego z mostków zależy od lczby odczepów dławka kojarzącego, co znacząco wpływa na poprawę jakośc energ. Prostownk 36-pulsowy oferuje mnej odkształcone prądy zaslające w stosunku do prostownka 4-pulsowego. W przypadku prostownka 4-pulsowego całkowty współczynnk odkształcena THD wynos 7,09%, natomast dla prostownka 36-pulsowego współczynnk ten wynos 4,66%. Innym sposobem pozwalającym na zmnejszene współczynnka THD prądów poberanych z sec jest transformator mędzyfazowy, który pełn funkcję modulatora, co pokazano na rysunku 3 [7]. Perwotne uzwojene transformatora zapewna wzajemne skojarzene składowych mostków, natomast uzwojene wtórne pełn funkcję obwodu modulującego. Kształt oraz wartość prądu przemennego AC transformowanego z uzwojena perwotnego do uzwojena wtórnego transformatora wyznacza stopeń asymetr obcążena składowych mostków. Kształt prądu lnowego takego przekształtnka jest blsk snusodalnemu. Całkowty współczynnk odkształcena prądu THD wynos 1,03%. prądu, odkształcene napęca wypadkowego, tętnene napęca wyjścowego DC, nska sprawność układu oraz znaczny rozmar fltrów AC oraz DC. Przekształtnk bazujące na koncepcj pracy welopulsowej (manowce: 1-, 4-, 36-pulsowe) stanowące zaslane układów wysokej mocy redukują wyższe harmonczne prądów zaslających, wpływają na wyelmnowane przedstawonych wyżej wad oraz zapewnają spełnene aktualnych standardów jakośc energ. W tabel 1 pokazano przykłady współczynnka odkształcena THD dla różnej lczby pulsów q. Dalsze zmnejszene współczynnka THD możlwe jest dzęk zastosowanu modulatora w obwodze prądu stałego, co pokazano na rysunku 3. W przypadku powyższego rozwązana współczynnk THD wynos 1,03%, co jest bardzo nską wartoścą. Przekształtnk welopulsowe z modulacją w obwodze prądu stałego spełnają wysoke standardy przewdzane dla urządzeń przyłączenowych klasy I oraz II. 3. Wnosk Klasyczne przekształtnk AC/DC zbudowane w oparcu o dody oraz tyrystory zapewnają kontrolowany oraz nekontrolowany jedno lub dwukerunkowy przepływ mocy. Ich wadą jest: pogorszene jakośc energ z powodu wyższych harmoncznych 47