Trójfazowy prostownik aktywny o symetrycznym napięciu wyjściowym

Transkrypt

1 Krzysztof WEJRZANOWSKI, Włodzmerz KOCZARA Poltechnka Warszawska, Instytut Sterowana Elektronk Przemysłowej, Trójfazowy prostownk aktywny o symetrycznym napęcu wyjścowym Streszczene: W artykule przedstawono trójfazowy prostownk aktywny, którego koncepcja oparta jest o pracę tylko trzech kluczy przetaczających. Prostownk jest zaslany z generatora synchroncznego z magnesam trwałym o zmennej prędkośc wrowana z dostępnym przewodem neutralnym. Wytwarzane są dwa stale napęca symetryczne, a poberany prąd ma przebeg zblżony do napęca generatora. Opracowany układ regulacj zapewna, że asymetra obcążena ne powoduje zmany wartośc napęć wyjścowych, natomast wpływa na ampltudę prądu generatora w poszczególnych półokresach. Układ regulacj prądu zapewnający przebeg prądu zblżony do przebegu napęca ndukowanego ne jest wyposażony w układ pomarowy napęca zaslającego. Abstract: (Three phase rectfer wth symmetrcal dc output). The paper presents three phase actve rectfer. ts dea bases on work only three actve swtches. Rectfer s suppled from varable speed permanent magnet synchronous generator wth accessble neutral wre. Ths rectfer generates two dc symmetrcal yoltages. Developed controller assures that the current of the generator s followng waveform of the generator emf. Asymmetrcal load doesn't cause any change of the output dc voltages, but It nfluences on ampltudę of the generator current n ndvdual halfperods. The current controller acts wthout ac voltage sensor. Słowa kluczowe: Prostownk aktywny, napęce symetryczne, kształtowane prądu, estymacja napęca. Keywords: actve rectfer, symmetrcal voltage, current formng, voltage estmaton. Wstęp W ostatnch latach obserwuje sę systematyczny rozwój zespołów prądotwórczych pracujących ze zmenną prędkoścą wrowana generatora. Prędkość wrowana maszyny jest dostosowywana do aktualnego obcążena układu. Układy te składają sę najczęścej z generatora synchroncznego napędzanego slnkem spalnowym oraz z przekształtnków energoelektroncznych AC-DC oraz DC- AC. Przekształtnk te zapewnają stałość częstotlwośc ampltudy wyjścowego napęca snusodalnego nezależne od prędkośc wrowana generatora. Zespół prądotwórczy pownen umożlwać zaslane jedno, dwu trójfazowych odbornków o różnym charakterze wartośc poberanego prądu. Urządzene mus zatem wytwarzać trójfazowe czteroprzewodowe napęce snusodalne. Najczęścej do tego celu używa sę falownka napęca z układem stablzującym napęca symetryczne w obwodze pośrednczącym. Układ tak wymaga zaslana z prostownka wytwarzającego dwa symetryczne stablzowane napęca. Pojawa sę zatem problem odboru energ z generatora wrującego ze zmenną prędkoścą, tak aby nezależne od wartośc częstotlwośc ampltudy napęca generatora oraz asymetr obcążena, można było uzyskać dwa stałe napęca symetryczne. Powszechne stosowane układy składają sę z prostownka nesterowanego oraz przekształtnka podwyższającego napęce. Układy take mają dość prostą budowę umożlwają przy zastosowanu dwóch przekształtnków podwyższających napęce uzyskane dwóch stałych stablzowanych napęć symetrycznych. Ne pozwalają jednak na kształtowane prądów poberanych z generatora. Prądy poberane z generatora są przesunęte w faze w stosunku do napęć wytwarzanych przez generator oraz charakteryzują sę dużą zawartoścą wyższych harmoncznych. Układy take powodują powstawane dużych strat mocy. Zatem stotne znaczene dla jakośc pracy układu ma równeż kształt prądu poberanego z generatora. Powstała węc potrzeba opracowana prostownka aktywnego wytwarzającego symetryczne stablzowane napęca stałe oraz umożlwającego kształtowane prądów poberanych z wrującego ze zmenną prędkoścą generatora synchroncznego. W artykule rozważono pracę prostownka z obcążenem symetrycznym asymetrycznym przy różnych prędkoścach wrowana generatora. Prostownk aktywny z trzema łącznkam zwerającym Przedstawony na rysunku 1 prostownk aktywny jest zaslany z generatora synchroncznego pracującego ze zmenną prędkoścą wrowana. Generator posada dostępny przewód neutralny. Wówczas poszczególne fazy przekształtnka sprzęgnęte są tylko obwodem DC. Rys.1. Schemat trójfazowego łącznkam zwerającym prostownka aktywnego z trzema Wartośc napęć w trzech fazach generatora: (1) (2) (3) e - t) 4=1?b=lL E mk Sn (^ «, t~ k \ n ] L-l?. mk sm(k co t + L ^n) Ampltuda oraz wartość pulsacj napęć generatora a g zależą od aktualnej wartośc prędkośc kątowej generatora o) m. Wartość ampltudy napęć generatora E max jest proporcjonalna do loczynu wartośc strumena wartośc prędkośc kątowej generatora. W układze zastosowano generator z magnesam trwałym, węc ampltuda napęca neobcążonego generatora zmena sę proporcjonalne do zmany prędkośc kątowej generatora. Wartość pulsacj napęć generatora co g jest równeż proporcjonalna do PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 3/

2 1 prędkośc kątowej generatora. Jej wartość jest loczynem lczby par begunów p prędkośc kątowej generatora co m. (4) eo =p- ca, Aby układ pracował prawdłowo koneczne jest spełnene warunków: (5) (6) (10) (11) (12) (13) : " dt : - L zc -Je- + /?. c. c = e c C ~^f = ~^ Prostownk aktywny podwyższa wartość napęca wyprostowanego w stosunku do ampltudy napęca wejścowego. Możlwe jest to poprzez odpowedne gromadzene energ w ndukcyjnoścach wejścowych a następne użyce tej energ do ładowana kondensatorów wyjścowych C Ca. Indukcyjnośc zastosowanego generatora synchroncznego mają newelką wartość. Koneczne jest zatem zwększene ndukcyjnośc zastępczej obwodu każdej z faz poprzez zastosowane dodatkowych dławków. (14) Przyrost energ w ndukcyjnoścach wejścowych dla poszczególnych faz układu podczas załączena tranzystorów: (15) '""{ \ AW V = f (* a - 0 -/?«,-'«M (7) L, = L., (16) AW,;2 ='jh (8) (9) = Lp + L dc (17) AW, dt Gromadzene energ w ndukcyjnoścach odbywa sę w obwodach pokazanych na rysunku 2. Przedstawono przepływ prądu tylko dla fazy a", gdyż w pozostałych fazach przepływ prądu będze analogczny. a) Gdy zostane wyłączony np. tranzystor Tj energa zgromadzona w ndukcyjnoścach wejścowej L za oraz ze źródła napęca e a przekazywana jest do pojemnośc wyjścowych oraz do odbornka. Na rysunku 3 przedstawono schematy lustrujące przepływ prądu w faze a" układu. W pozostałych przepływ prądu będze analogczny. GEN "Cg" Rg l Ld Lgs Rg3 Las - - b) Rys. 2. Schematy zastępcze lustrujące przepływ prądu w faze a" w czase gromadzene energ w ndukcyjnośc wejścowej: a) dla dodatnch wartośc napęca wejścowego e a b) dla ujemnych wartośc napęca wejścowego e a Załączene np. tranzystora 7? powoduje narastane wartośc prądu a, a przez to gromadzene energ w ndukcyjnoścach L za. W stane załączena tranzystorów prądy napęca w trzech fazach układu opsane są następującym równanam: b) Sg L-ga» t* ec " L gc Rga ~C3~^ flgb Ftgc _! Lda rr ^rt - Ldb Ldc ; r r $Dl3> ^ Vr o! 1 l_ / 3 b l b; n,. L-. ko,v 7ru <\, lq j ] JD^s j ^D^ *Dn *D2, łn,,' r_ 1 1 j-;-^-].-. ±Dl2 jd22 ko32\ 1 j J, '-.1 ^D33l JD35 tfnl- ^034' jd36 L ^_ J 4 C «1C r ^4 4 ^f Tp y T ;lv /d2 dc2 Rys. 3. Schematy zastępcze lustrujące przepływ prądu w faze a" w czase przekazywana energ do pojemnośc wyjścowych: a) dla dodatnch wartośc napęca wejścowego e b) dla ujemnych wartośc napęca wejścowego e a Jeżel napęce generatora jest dodatne doładowywany jest kondensator C, poprzez prostownk Pr1. Natomast gdy napęce generatora jest ujemne doładowywany jest kondensator 62, za pośrednctwem prostownka Pr2. Na 240 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 3/2004

3 rysunku 4 przedstawono schematy zastępcze układów doładowywana kondensatorów C Ćz. a) napęć wyjścowych V ac V dc 2 nezależne od wartośc ampltudy częstotlwośc napęć wejścowych oraz asymetr obcążena. Za wartość napęca Vac odpowadają dodatne wartośc prądu generatora. Natomast na napęce Vdc2 wpływają ujemne wartośc prądów generatora. la Vdc1 Vdc2 b) Rys.5. Schemat algorytmu sterowana dla fazy a prostownka Rys.4. Schemat zastępczy układów przekazywana energ dla trzech faz prostownka aktywnego: a) dla dodatnch wartośc chwlowych napęć generatora b) dla ujemnych wartośc chwlowych napęć generatora Sygnały wyjścowe S U dd oraz S U dc2 regulatorów napęć wyjścowych, uzyskane przy asymetr obcążena, przedstawono na rysunku 6. W układze doładowywana kondensatorów wyjścowych prądy napęca opsane są następującym równanam: a) dodatne wartośc chwlowe napęć generatora (18) (19) (20) (21) (22) L -^f + ^- ; - =e «- y *< dl, dt - + R :h - h+ =e b -V dll L -^f łr «'<*-'«-' C,, Tme (ms) Rys.6. Przebeg sygnałów z regulatorów napęca przy asymetr obcążena. (28) (29) Jeśl: e am > O => S, ldc = S udcl Jeśl: e ae <0 => S lldc = S udc2 b) ujemne wartośc chwlowe napęć generatora Dla obcążena symetrycznego: (23) (24) L m^ + R, a - a -=e -V dc2 dt L, h ~ + R - b -=e b -V flc2 (30) Jeśl: R { = R 2 => S A, = 5 A2 080 Su (25) (26) L., ~^ + R-, [,_ = e, -K,,, (27) dl I d2 I dc W analze układu straty w elementach półprzewodnkowych uproszczono uwzględnono tylko straty rezystancyjne. Formowane prądu w prostownku aktywnym Opracowany algorytm (rys.5) umożlwa pobór prądu wejścowego odpowadający kształtow napęca generatora. Formowana prądu poberanego przez prostownk aktywny opera sę na zastosowanu metody modulacj szerokośc mpulsów MSI. Układ sterowana umożlwa stablzację Tme (ms) Rys.7. Przebeg sygnału modulującego podawanego na komparator K przy asymetr obcążena Sygnał S u a c jest mnożony przez moduł estymowanej sły elektromotorycznej generatora. Sygnał otrzymany w wynku mnożena ma kształt odpowadający sle elektro- PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 3/

4 motorycznej, a jego ampltuda zależy od wartośc sygnału Sudc- Przebeg ten jest sygnałem zadanym prądu podawanym na regulator prądu. Przy asymetr obcążena na wyjścu regulatora prądu Rl u otrzymano przebeg S u przedstawony na rysunku 7. Sygnał ten podawany jest na komparator porównujący go z przebegem płokształtnym. W wynku uzyskujemy sygnał PWM sterujący łącznkem półprzewodnkowym T r. Estymacja napęca generatora Efektywne kształtowane prądu generatora przez prostownk aktywny możlwe jest tylko w oparcu o wartośc chwlowe napęce zaslającego. Dotychczas napęca te merzone były za pomocą dodatkowych układów pomarowych. Obecne wykorzystując układy mkroprocesorowe można estymować słę elektromotoryczną generatora. Sła elektromotoryczna generatora jest wyznaczana na podstawe merzonych prądów fazowych, wyjścowych napęć wyprostowanych oraz sygnału sterującego tranzystorem. Nezbędna jest równeż znajomość wartośc ndukcyjnośc generatora oraz ndukcyjnośc dodatkowej. Na rysunku 8 przedstawono schemat zastępczy fazy a" prostownka wdzany od strony wejśca AC. Układ mkroprocesorowy wykorzystywany do sterowana prostownkem umożlwa pomar prądu co okres T=62,5/as, stąd: (34) dt Wartość oblczonego spadku napęca na ndukcyjnośc zastępczej ze względu na dyskretny pomar prądu ma wartość uśrednana w każdym okrese T". 750 V 7 00 \ dla \ T 600,-""'"' T UAN ULZ(T) Rys.8. Schemat zastępczy obwodu wejścowego AC fazy a" prostownka (31) Spadek napęca na rezystancj R g ma newelk wpływ na dokładność estymacj sły elektromotorycznej generatora, dlatego można go pomnąć. (32) N Rys.10. Przebeg prądu generatora oraz oblczonej wartośc spadku napęca na ndukcyjnośc zastępczej w faze a" przy obcążenu asymetrycznym Średna wartość napęca mędzy węzłam A-N w każdym okrese T"oblczana jest na podstawe zmerzonej wartośc wyjścowego napęca wyprostowanego oraz wypełnena d" sygnału sterującego tranzystorem. Przy oblczanu napęca UAN(T) ne zostały uwzględnone spadk napęca na elementach półprzewodnkowych. Straty te są jednak na tyle małe, że ne wpływają w sposób stotny na estymację kształtu sły elektromotorycznej generatora. Dodatkowo aby poprawne oblczyć napęce UAN przy obcążenu asymetrycznym koneczna jest nformacja o znaku prądu generatora. 2MO l] ] k j p ; Rys.9. Spadek napęca na ndukcyjnośc zastępczej Spadek napęca ULŻ na ndukcyjnośc zastępczej wyznaczamy z zależnośc (33) Rys.11. Przebeg napęca UAN, napęć wyjścowych oraz oblczonej wartośc średnej UAN(T) Jeżel /a>0to: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 3/2004

5 Natomast jeżel / a <0to: (36) U AN (T).=(l~d)-V DC2 (t-t) Na rysunku 11 przedstawono przebeg napęca U AŃ, wyjścowych napęć wyprostowanych oraz oblczonego średnego napęca UAN(T). Rysunek 12 przedstawa znaną słę elektromotoryczną generatora oraz oblczoną w układze estymacj napęca ' Tme (ms) Rys. 15. Przebeg napęć wyjścowych oraz prądów generatora przy odcążenu asymetrycznym R,= 78?, R 2 =32Q (f=75hz, Emax=34V) Tme (rns) Rys. 12. Sła elektromotoryczna generatora: e a - znana, e ses, - estymowana Badana symulacyjne Badana symulacyjne prostownka przeprowadzono w programe PSIM, przy czym założono mkroprocesorową realzację układu sterowana o częstotlwośc wykonywana pętl programu 16kHz. Przy symulacjach jako stałe przyjęto zadane wartośc napęć wyjścowych Vdd = Va c z = 60V. Badana symulacyjne przeprowadzono dla różnych wartośc ampltudy pulsacj napęć generatora oraz dla obcążena symetrycznego asymetrycznego. Napęca neobcążonego generatora zawera 13% trzecej harmoncznej. Badana laboratoryjne Algorytm sterowana został zamplementowany w procesorze sygnałowym ADSP Częstotlwość kluczowana" tranzystorów wynos 16kHz. Prostownk aktywny został zaslony z trójfazowego generatora synchroncznego z magnesam trwałym o dostępnym przewodze neutralnym. Jako maszynę napędzającą generator wykorzystano slnk prądu stałego z przekształtnkem tyrystorowym umożlwającym zadawane prędkośc obrotowej. Napęce neobcążonego generatora zawera około 73% trzecej harmoncznej. Napęce generatora obcążonego prostownkem aktywnym (rys ) posada dodatkowe składowe. Składowe te mają częstotlwość 16kHz powstają na skutek skokowej zmany napęca na układach zwerających wynkającej z dwustanowej pracy tranzystorów. VDCI Va la Tme (ms) Chl 20.0 V 71S A! C.h-4 J -SkO 7 V 3 Oct :32:11 Rys.16. Oscylogramy napęć wyjścowych oraz napęca prądu (10A/dv) w faze a" generatora przy symetr obcążena Rys. 13. Przebeg napęca prądu generatora w faze a" przy symetr obcążena 3 v x -x- w /» / So 00 %,, Ćhl CI O V 2u.GV VDC V1-ł.o0ms A OM -T-660mV g -(3.80 % Tme ms Rys. 17. Oscylogramy napęć wyjścowych oraz napęca prądu _. _ Rys. 14. Przebeg napęć wyjścowych oraz prądów generatora przy (10A/dv) w faze a" generatora przy asymetr obcążena R-=18Q, n-3 odcążenu symetrycznym R,=R2=18Q (f=90hz, E max =43V) " '" PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 3/

6 Na rysunku 17 przedstawono oscylogramy przebegów uzyskane przy asymetrycznym obcążenu prostownka. Asymetra obcążena powoduje asymetrę prądu generatora, ale ne wpływa na wartość zadanego napęca wyjścowego. Przebeg prądów w trzech fazach generatora dla dwóch prędkośc wrowana generatora przedstawono na rysunkach Przy czym na rysunku 19 pokazano przebeg prądów generatora przy asymetr obcążena. generatora. Asymetra obcążena ne wpływa na średne wartośc napęć wyjścowych, ale powoduje asymetrę prądu poberanego z generatora. Estymacja sły elektromotorycznej generatora na podstawe merzonego prądu generatora oraz wyjścowych napęć wyprostowanych, pozwolła na wyelmnowane czujnków napęca generatora. Tek stop j 1 ' Chl Freq S9.96 Hz SOCt :17:42 Rys. 18. Oscylogramy prądów generatora (2,5A/dv) przy symetrycznym obcążenu R 1 =R 2 =18& (f=90hz, E max =43V, V DC =V DC2 =60V) Rys. 19. Oscylogramy prądów generatora (2,5A/dv) przy obcążenu asymetrycznym R r =J8Ą R 2 =32Q (f=75hz, E max =34V, V ac1 =V DG; =60V) Przy asymetr obcążena prądy generatora równeż są asymetryczne w wynku tego w przewodze neutralnym płyne prąd wyrównawczy (rys.20). Wnosk Zastosowane prostownka aktywnego z trzema aktywnym łącznkam zwerającym umożlwa odbór energ z wrującego ze zmenną prędkoścą generatora synchroncznego. Prostownk wytwarza dwa symetryczne stablzowane napęca stałe Vac Vacz, umożlwając jednocześne kształtowane prądu poberanego z 4 A Lg :22:18 Rys.20. Oscylogram prądu (2A/dv) wyrównawczego w przewodze neutralnym LITERATURA [1] Bałoskórsk, P.; Koczara, W., "Unty power factor three phase rectfers", PESC'93, June [2] Johann W. Kolar, Franz C. Zach, "Analyss of a New Three-Phase Forced Commutated Hgh Power Factor Boost- Type AC/DC Converter", PEMC'94 [3] Hansen, S.; Malnowsk, M.; Blaabjerg, F.: Kazmerkowsk, M.P., "Sensorless control strateges for PWM rectfer", APEC 2000 [4] Leonarsk J.; Analza trójfazowego falownka napęca z przewodem neutralnym o wyjścowym napęcu snusodalnym", Rozprawa doktorska, Poltechnka Warszawska, Warszawa [5] Dzuba R.; Analza wytwarzana regulacj napęca stałego w układze przekształtnkowym zaslanym z generatora pracującego ze zmenną prędkoścą", Rozprawa doktorska, Poltechnka Warszawska, Warszawa [6] Paweł Szczupak; Marco Lnkę; Ralph Kennel, "Parameter Independent Phase Trackng Method for Sensorless Control of PWM Rectfers", PEMC'03 [7] Tolbert, L.M.; Peterson, W.A.; Thess, T.J.; Scudere, M.B.; "Gen-sets", Industry Applcatons Magazne, IEEE, March-Aprl 2003 [8] Kamńsk, B.; Koczara, W.; Zastosowane symulatora PSIM procesora DSP do badań algorytmów sterowana przekształtnków energoelektroncznych", Przegląd Elektrotechnczny, Marzec 2003 Autorzy: mgr nż. Krzysztof Wejrzanowsk, e-mal: wejrzank@sep.pw. edu.pl, prof. dr hab. Inż. Włodzmerz Koczara, e-mal: koczara sep.pw.edu.p/, Poltechnka Warszawska, Instytut Sterowana Elektronk Przemysłowej, Zakład Napędu Elektrycznego, ul. Koszykowa 75, Warszawa 244 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 3/2004