Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Elektryczny

Transkrypt

1 Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Elektryczny Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla prosumenckiej mikroinfrastruktury energetycznej Autorzy: Marcin Zygmanowski, Jarosław Michalak Michał Jeleń, Grzegorz Jarek Energetyka Prosumencka w Wymiarach Zrównoważonego Rozwoju Listopada 216 Koszęcin

2 2 / 15 PLAN PREZENTACJI 1. Wstęp 2. Cel badań 3. Porównanie topologii przekształtników 4. Wyniki symulacji 5. Wyniki badań eksperymentalnych 6. Wnioski

3 3 / WSTĘP Sieć ac Wyłącznik sieciowy Przekształnik sieciowy AC Przekształtnik obdiorników dc Przekształtnik solarny (MPPT) Obwód dc Przekształtnik wiatrowy Interfejs energoelektroniczny PME AC Przekształtnik zasobnikowy Odbiorniki ac Odbiorniki dc Panel słoneczny Turbina wiatrowa G Zasobnik energii W proponowanej prosumenckiej mikroinfrastrukturze energetycznej wszystkie przekształtniki połączone są do wspólnego obwodu dc. Przekształtniki te mogą mieć budowę modułową. Czas działania proponowanej instalacji przekształtnikowej może być dłuższy niż 2 lat.

4 4 / CEL BADAŃ Wybór topologii przekształtnika o mocy 5 kw przeznaczonego dla przekształtnika sieciowego prosumenckiej mikroinfrastruktury energetycznej Rozważa się trzy rozwiązania różniące się topologią i technologią wykonania tranzystorów. 2-poziomowy przekształtnik z tranzystorami Si-IGBT, 3-poziomowy przekształtnik typu T z tranzystorami Si-IGBT, 2-poziomowy przekształtnik z tranzystorami SiC-MOSFET. Wszystkie rozwiązania analizowane są jako przekształtniki mostkowe Dodatkowo przedstawiono procedurę doboru dławika wyjściowego (5 µh/ 3 A)

5 5 / PORÓWNANIE TOPOLOGII Si-IGBT 2L Si-IGBT typu T 3L SiC-MOSFET 2L V dc V dc V dc T 1 T 3 T 1 T 1 i o i o i o T 2 T 4 T 2 T 2 Napięcie blokowania wszystkich tranzystorów wynosi 12 V Prąd kolektora IC, (A) Si-IGBT 2-poziomowy F4-75R12KS4 T j = 125ºC 1 2 V T 3 1/r T Napięcie kolektor-emiter V CE, (V) Prąd kolektora IC, (A) Si-IGBT typu T 12MBI75VN-12-5 T 1 T V T T1T2 V T T3T4 Napięcie kolektor-emiter V CE, (V) T 3 T 4 T j = 125ºC 1/r T T3T4 Prąd drenu ID, (A) SiC-MOSFET C2M812D T j = 125ºC /r T Napięcie dren-źródło V DS, (V) 4

6 6 / ANALIZA STRAT MOCY SYMULACJE Model symulacyjny w programie GeckoCIRCUIT (mostek H 2-L Si-IGBT) D3 F4-75R12KS4D.scl pt1 a) pv [PT1] FLOW pl pl pl pl b) pt1 ploss ploss D1 pt2 4 pv [PT2] FLOW T1 F4-75R12KS4D.scl pt2 ADD pl G1>> T3 pt3 ADD pt3 F4-75R12KS4.scl pv [PT3] FLOW G3>> pt4 PT1 U U F4-75R12KS4.scl V V pt4 pv [PT4] FLOW V U V pd1 VOLT Uo Uo PT2 pd1 L.1 R.1 pd2 Io Io pv [PD1] FLOW U U V V AMP U.2 U.2 pd3 ADD PT3 I [L.1] pd2 D2 pd4 L.1 pv [PD2] FLOW -4 F4-75R12KS4D.scl VL VL VOLT PT4 T2 T4 pd3 G2>> G4>> IL IL pv [PD3] FLOW AMP F4-75R12KS4.scl mn mn F4-75R12KS4.scl mn mn PD1 D4 i [L.1] pd4 F4-75R12KS4D.scl 4 pv [PD4] FLOW pt1 pd1 PD2 pt2 pd2 I_sin=86e-3 GATE >> T1 PD3 AND pt3 pd3 SINE DEL GE pt4 pd4 TRI NOT GATE Tri-Type >> T2 PD4 T=2e-9 OR I=1 DT f=1e3 r=-1 GATE >> T3 R.1 offset= AND po P DEL VOLT phase= GE MUL TREF duty=5e-3 NOT GATE >> T4 AMP T=2e-9 OR -4 i [R.1] Napięcie wyjściowe, (V) Prąd wyjściowy, (A) czas, (ms) Nazwa parametru Symbol Wartość Napięcie obwodu dc V dc 38 V Moc znamionowa P 5 kw Częstotliwość podstawowa f m 5 Hz Głębokość modulacji m a.85 Częstotliwość przełączania f S 1 khz (2.5 khz - 4 khz) Kąt przesunięcia fazowego odb. ϕ.9 deg Rezystancja odbiornika R 1 Ω Indukcyjność odbiornika L.5 mh

7 7 / ANALIZA STRAT MOCY SYMULACJE Całkowite straty mocy Ptot, (W) Si-IGBT 2-poziomowy symulacja pomiary P tot Straty mocy na przełączanie P sw Straty mocy na przewodzenie P con Całkowite straty mocy Ptot, (W) Si-IGBT NPC typu T 3-poziomowy symulacja P tot Straty mocy na przełączanie P sw Straty mocy na przewodzenie P con Całkowite straty mocy Ptot, (W) SiC-MOSFET 2-poziomowy symulacja P tot Straty mocy na przełączanie P sw Straty mocy na przewodzenie P con

8 Koszt użytkowania przekształtnika, (k ) Koszt użytkowania przekształtnika, (k ) 8 / KOSZT UŻYTKOWANIA PRZEKSZTAŁTNIKA 1,,8,6,4,2 Działanie z 1% mocy znamionowej przez 2 lat Si-IGBT typu T 3L Si-IGBT 2L SiC-MOSFET 2L Częstotliwość przełączania, f S (khz) 4, 3, 2, 1, Działanie z 5% mocy znamionowej przez 2 lat Si-IGBT 2L Si-IGBT typu T 3L SiC-MOSFET 2L Częstotliwość przełączania, f S (khz)

9 9 / WYNIKI BADAŃ PROTOTYPÓW Si-IGBT 2-poziomowy Si-IGBT typu T 3-poziomowy SiC-MOSFET 2-poziomowy V dc = 25 V, f S = 2,5 khz m a =,85, R = 9 Ω V dc = 25 V, f S = 37,5 khz m a =,85, R = 9 Ω V dc = 25 V, f S = 37,5 khz m a =,85, R = 9 Ω

10 1 / WYNIKI BADAŃ PROTOTYPÓW Całkowite straty mocy Ptot, (W) Si-IGBT 2-poziomowy Si-IGBT typu T SiC-MOSFET 2-poziomowy pomiary pomiary 9 analiza 9 analiza pomiary analiza Napięcie obwodu dc V dc = 25 V, Brak kontroli temperatury złącz tranzystorów (w analizie T j = 125 o C), Głębokość modulacji m a =,85, Wpływ składowej zmiennej prądu przy niskich f S i czasu martwego przy dużych f S Całkowite straty mocy Ptot, (W) V dc = 25 V; P 2.5kW V dc = 15 V, P 1.5kW

11 h = 32,8 mm 11 / DOBÓR PARAMETRÓW DŁAWIKA Straty w dławiku L = 5 μh I sat > 35 A otrzymano za pomocą oprogramowania GeckoMAGNETICS Analiza obejmuje: wybór materiału rdzenia wybór rozmiaru rdzenia (EE) dobór szczeliny powietrznej l g i liczby zwojów N 4xE65 l = 27,4 mm #1 #2 #3 #4 N stack = 4 Materiał rdzenia Liczba rdzeni, N stack Stal elektro. M165-35S Ferryt 3C Grubość rdzenia (mm) 313x,35 4x27,4 Liczba zwojów, N Proszek x27,4 19 w = 65 mm Typ licy 63x,1 2x,2 2x,2 w m 2 mm Indukcja maks. B max (T),275,35 Szczelina powiet., l g (mm) 4,2 1,95,3 --- l g Indukcyjność, L (µh) 495,9 53,6 48,9 Straty w uzwojeniu, P w (W) 2,9 11, 11, l g = 1 l g A w Straty w rdzeniu, P c (W) 29,2 Straty całkowite, P tot (W) 5,1 1, 12, 4,1 51,1

12 12 / DOBÓR PARAMETRÓW DŁAWIKA Bazując na Prawie Ampera dla obwodów magnetycznych: Liczba zwojów, N N(l g ) N l ' 2,5 5, 7,5 Szczelina pow., l g (mm) g B A l l ' Imax c Ac Ac ll g max c c g N stack = 3 N L = 5 µh stack = 4 N stack = 5 N stack = 6 4 ' ln 1 2 Liczba zwojów N dla danego B max /I max jest funkcją szczeliny powietrznej l g. Indukcyjność jest funkcją N i l g. 2 2 N l ' g N l ' g Ac L N, N stack E65 L > 5 µh E71 E8 E1 N N max = 27 max = 29 N stack = 3 N stack = 4 L = 5 µh N stack = 5 N stack = 6 N stack = 7 L < 5 µh N stack = 8 R c R g l l c g 14 ll ' ln 12 2,5 5, 7,5 2,5 5, 7,5 2,5 5, 7,5 Szczelina pow., l g (mm) Szczelina pow., l g (mm) Szczelina pow., l g (mm) A c g c N stack = 4 N L = 5 µh stack = 5 N stack = 6 N stack = 7 N N max stack L = 5 µh N stack = 2

13 13 / KOSZT UŻYTKOWANIA DŁAWIKA 12, Straty mocy w dławiku (W) x4 x3 x5 x4 x4 x6 E65 x5 E71 x5 E8 E1 11, 1, 9, 8, x6 7, x7 6,,5,6,7,8,9 Objętość dławika, V ind (dm 3 ) x8 x6 x7 x2 1, 4, 3, 2, 1, Względny koszt dławika (materiałowy) 4 E65 Koszt licy Koszt rdzenia 3C9 E71 E8 E Liczba rdzeni w stosie, N stack Szacunkowy koszt użytkowania dławika, ( ) E65 E71 E8 E1 Działanie z 5% mocy znamionowej przez 2 lat Działanie z 1% mocy znamionowej przez 2 lat Liczba rdzeni w stosie, N stack

14 14 / WNIOSKI 1. Wykonano porównanie strat mocy w trzech topologiach przekształtników przewidzianych do zastosowania w przekształtniku sieciowym PME. 2. Straty w przekształtnikach typu T i 2-poziomowym SiC MOSFET są mniejsze niż w przekształtniku 2- poziomowym Si-IGBT powodując, że całkowity koszt użytkowania tych przekształtników może być niższy. 3. Dla dławików rdzenie ferrytowe są znacznie lepsze niż rdzenie wykonane ze stali elektrotechnicznej czy rdzenie proszkowe.

15 15 / 15 Dziękuję za uwagę