Model przekształtnika trójpoziomowego NPC umożliwiającego zwrot energii do sieci zasilającej

MICHALAK Jarosław 1 ZYGMANOWSKI Marcin 2 BISKUP Tomasz 3 KOŁODZIEJ Henryk 4 Model przekształtnika trójpoziomowego NPC umożliwiającego zwrot energii do sieci zasilającej WSTĘP Przekształtniki wielopoziomowe coraz częściej znajdują zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu [7]. Najpowszechniej używa się ich w układach zasilania napędów elektrycznych dużej mocy oraz nowoczesnych układach stosowanych w energetyce np. systemy FACTS - Flexible AC Transmission Systems [2]. Zainteresowanie przekształtnikami wielopoziomowymi bierze się stąd, że umożliwiają one pracę z napięciami przewyższającymi napięcia blokowania pojedynczych tranzystorów z których są budowane [8], [10]. W artykule przedstawiono przekształtnik trójpoziomowy z diodami poziomującymi NPC - ang. Neutral Point Clamped [6] w układzie podwójnym AC-DC-AC, umożliwiającym współpracę zarówno z siecią zasilającą i silnikiem elektrycznym. Przekształtnik ten pozwala na pracę napędu elektrycznego w czterech ćwiartkach układu współrzędnych moment-prędkość, przy równoczesnym zachowaniu współczynnika mocy zbliżonego do jedności. Przekształtnik pobiera prądy sieciowe o przebiegach quasi-sinusoidalnych. Przekształtnik trójpoziomowy NPC znany jest od ponad 25 lat [4] i od tego czasu jest on jednym z najczęściej stosowanych przekształtników wielopoziomowych. Przy opracowaniu projektu przekształtników energoelektronicznych bardzo często wykonywane są modele symulacyjne, które pozwalają odwzorować szereg zjawisk występujących podczas pracy przekształtnika. Do symulacji przekształtników inżynierowie na całym świecie stosują różnego rodzaju pakiety symulacyjne, spośród których jedynie kilka jest bezpłatnych (najczęściej na licencji typu open-source). W niniejszym artykule przedstawia się model symulacyjny przekształtnika NPC opracowany przy użyciu bezpłatnego oprogramowania GeckoCIRCUITS. 1 PROGRAM GECKOCIRCUITS WŁAŚCIWOŚCI Program GeckoCIRCUITS jest jednym z kilku programów oferowanych przez szwajcarską firmę Gecko-Simulations. Pozwala on na symulację układów elektrycznych energoelektronicznych oraz napędów elektrycznych. Należy do programów wykorzystujących graficzne języki w tworzeniu modeli symulacyjnych (podobnie jak np. Matlab-Simulink, Simplorer lub Saber). Do podstawowych zalet programu należą: możliwość jego bezpłatnego używania (jest to oprogramowanie typu open-source), producent oferuje też płatną wersję obejmującą m.in. wsparcie techniczne, współpracę z innymi pakietami, brak potrzeby jego instalacji. Program pobiera się ze strony producenta i rozpakowuje w odpowiednim miejscu na dysku komputera, wymaga on małej ilości miejsca na dysku w porównaniu z innymi programami symulacyjnymi, możliwość integracji w modelu zagadnień związanych z elektrotechniką, w tym energoelektroniką, sterowaniem oraz dodatkowo zagadnień mechanicznych i cieplnych, duża szybkość wykonywania symulacji modeli obwodowych, możliwość wykorzystania modeli opracowanych w oprogramowaniu GeckoCIRCUITS w programie Matlab-Simulink, 1, 2 Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział Elektryczny, Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki; 44-100 Gliwice; ul. B. Krzywoustego 2. Tel/Fax: +48 32 237-13-04, jaroslaw.michalak@polsl.pl, marcin.zygmanowski@polsl.pl, 3, 4 Enel-PC, spółka z o.o.; 44-101 Gliwice; ul. Gen. J. Sowińskiego 3. Tel: +48 32 237-62-80, Fax: +48 32 237-62-29, t.biskup@enel-pc.pl, h.kolodziej@enel-pc.pl 7390

dostępność modeli bibliotecznych elementów obwodów mocy oraz układów sterowania przydatnych do modelowania układów energoelektronicznych (np. przyrządów półprzewodnikowych, układów transformacji współrzędnych, układów do wizualizacji wektorów przestrzennych), rozbudowany interfejs wyświetlania wyników symulacji w postaci wykresów lub tablicy danych, z ułatwioną możliwością obróbki danych, np. obliczanie dla wybranych sygnałów rozkładu widmowego Fouriera, wartości średnich, skutecznych, współczynnika THD itd. Do wad oprogramowania zaliczyć można: konieczność zainstalowania oprogramowania Java, ograniczona dokumentacja programu w wersji darmowej. Widok wybranego menu bibliotecznego służącego do wyboru elementów energoelektronicznych i elementów układu sterowania przedstawiono na rysunku 1a. Elementy dostępne w bibliotekach programu pozwalają na zamodelowanie większości układów elektrycznych w edytorze schematu - rysunek 2. Łączenie elementów w oknie schematu można przeprowadzić z wykorzystaniem przewodów elektrycznych lub sygnałowych przy użyciu myszy komputerowej lub za pomocą etykiet wybranych zacisków schematu. W edytorze schematu stosowana jest odrębna kolorystyka dla elementów warstwy obwodu elektrycznego (niebieskie), obwodu sygnałowego i sterowania (zielone) oraz cieplnego (brązowe). Do łączenia poszczególnych warstw stosowane są np. układy pomiarowe (łączące warstwę obwodu elektrycznego z warstwą sygnałową) lub elementy sterowania bramek przyrządów półprzewodnikowych (łączące obwód sterowania z obwodem elektrycznym). Program GeckoCIRCUITS wyposażony jest dodatkowo w pakiet GeckoSCRIPT pozwalający na proste sterowanie procesem symulacji oraz wstępne ustawianie parametrów symulacji za pomocą skryptów pisanych w języku Java (rysunek 1b). Prezentowany na rysunku 1b skrypt pozwala ustawić parametry silnika, napięcia obwodu pośredniczącego oraz uruchomić symulację modelu. Rys. 1. Wybrane interfejsy programu GeckoCIRCUITS a) lista biblioteczna elementów elektrycznych i sterowania, b) przykładowy skrypt przygotowany w GeckoSCRIPT Firma Gecko-Simulations oprócz GeckoCIRCUITS proponuje dodatkowo inne odpłatne programy, np. oprogramowanie do modelowania i analizy obwodów magnetycznych GeckoMAGNETICS, badania zagadnień elektromagnetycznych GeckoEMC czy obwodów cieplnych GeckoHEAT. Wszystkie te programy mogą wspomagać projektowanie układów energoelektronicznych, przy czym 7391

autorzy skupili się w artykule na wykorzystaniu programu GeckoCIRCUITS, który może być interesującym i łatwo dostępnym narzędziem w pracy naukowej i inżynierskiej. 2 MODEL OBWODOWY PRZEKSZTAŁTNIKA NPC Na rysunku 2 przedstawiono schemat obwodów mocy przekształtnika NPC w konfiguracji układu podwójnego AC-DC-AC zasilający silnik klatkowy i współpracujący z siecią zasilającą. W celu uzyskania większej przejrzystości modelu część połączeń wykonano za pomocą przewodów elektrycznych, a inną część za pomocą etykiet. Na schemacie zaznaczona została: trójfazowa sieć zasilająca, dławiki sieciowe niezbędne do poprawnej pracy przekształtnika AC/DC, sieciowy trójpoziomowy przekształtnik NPC pracujący jako sterowany prostownik aktywny, obwód pośredniczący złożony z dwóch kondensatorów, silnikowy przekształtnik NPC pracujący jako falownik i silnik indukcyjny klatkowy. Każda gałąź przekształtnika NPC składa się z: czterech tranzystorów IGBT i przeciwrównolegle przyłączonych do nich diod oraz dwóch diod poziomujących przyłączonych do punktu środkowego obwodu dc (węzeł O). Połączenie to (rysunek 2) oraz połączenia fazowe (L1, L2, L3 i U, V, W) zrealizowane są za pomocy etykiet. W każdej fazie przekształtnika NPC możliwe jest wytworzenie trzech poziomów napięcia (np. mierzonego względem węzła O), są to: ½ u dc w przypadku załączenia zaworów górnych (przykładowo G1 i G2), 0 w przypadku załączenia zaworów środkowych (przykładowo G2 i G3), -½ u dc w przypadku załączenia zaworów dolnych (przykładowo G3 i G4). gdzie u dc jest napięciem obwodu pośredniczącego (łącznie na obu kondensatorach). W analizowanym modelu przyjęto następujące założenia: zasilanie przekształtnika NPC odbywa się z sieci trójfazowej 3x1000 V, przekształtnik NPC zasila silnik indukcyjny klatkowy o mocy 250 kw, częstotliwość przełączeń tranzystorów IGBT wynosi 2,05 khz, przyrządom półprzewodnikowym przypisano parametry niezbędne do wyznaczania ich straty mocy (rozdział 4), w przekształtniku sieciowym zastosowano sterowanie VOC - ang. Voltage Oriented Control [3], a w przekształtniku silnikowym sterowanie DTC-SVM - ang. Direct Torque Control with Space Vector Modulation [1], przekształtnik zapewnia pracę napędu we wszystkich czterech ćwiartkach układu współrzędnych moment-prędkość. Dla przyjętych założeń dobrano wartość indukcyjności dławików sieciowych zgodnie z (1). Dla przekształtnika NPC jako U dcn przyjmuje się połowę napięcia obwodu pośredniczącego. UdcN LS (1) 2 PN 8 fi I% 3 U N gdzie: U dcn napięcie znamionowe pojedynczego kondensatora w przekształtniku NPC, f I częstotliwość przełączania tranzystorów, I % względne tętnienia prądu sieci, P N moc znamionowa przekształtnika, U N napięcie znamionowe przekształtnika (wartość skuteczna napięcia międzyfazowego). Dla niniejszego modelu przekształtnika przyjęto względne tętnienia prądu sieci I % =25% oraz napięcie znamionowe kondensatora U dcn =850V. Dla takich parametrów indukcyjność dławików sieciowych jest równa L S =1mH. 7392

Rys. 2. Model obwodu mocy przekształtnika NPC w konfiguracji układu podwójnego AC-DC-AC wykonany w programie GeckoCIRCUITS 3 MODELOWANIE UKŁADU STEROWANIA Jednym z podstawowych celi modelowania przekształtnika jest opracowanie i parametryzacja jego algorytmu sterowania. W przypadku analizowanego przekształtnika NPC struktura układu sterowania wynika ze stosowanych algorytmów VOC i DTC-SVM. Dodatkowo w układzie sterowania zastosowano modulator ze stabilizacją napięcia kondensatorów obwodu pośredniczącego [5]. Przykładową strukturę układu sterowania dla przekształtnika NPC współpracującego z siecią zasilającą pokazano na rysunku 3. Układ sterowania wymaga synchronizacji z napięciem sieci. Nadrzędny regulator odpowiada za wartość napięcia całego obwodu pośredniczącego. Podrzędne regulatory kształtują prądy w osiach d i q, które decydują o mocy czynnej i biernej w przekształtniku sieciowym. Przy założeniu pracy z jednostkowym współczynnikiem mocy prąd zadany i sqz =0. Napięcia wyjściowe przekształtnika realizowane są za pomocą modulatora sterującego tranzystorami. Zastosowano modulator z algorytmem stabilizacji napięć obwodów pośredniczących u dc1, u dc2. Algorytm ten bazuje na odpowiednim kształtowaniu składowej zerowej kolejności faz napięcia wyjściowego, co pozwala na wyrównywanie napięć obwodu pośredniczącego. Rys. 3. Schemat układu sterowania przekształtnika NPC z zastosowaniem algorytmu VOC 7393

a) b) Rys. 4. Realizacja regulatora PI za pomocą schematu graficznego (a) i za pomocą bloku Java-function (b) W programie GeckoCIRCUITS algorytm sterowania można zrealizować za pomocą schematu graficznego wykorzystującego gotowe elementy biblioteczne lub za pomocą bloku Java-function pozwalającego zapisać algorytm w języku Java. Drugi sposób jest o tyle wygodny, że sam program GeckoCIRCUITS wymaga zainstalowania oprogramowania Java. Porównanie obu realizacji regulatora PI pokazano na rysunku 4. Wykorzystanie schematu graficznego (rysunek 4a) jest prostsze, jednak staje się problemem w przypadku konieczności dokonania zmian parametrów wewnątrz regulatora np. elementy INT lub LIM. W przypadku bloku Java-function zmiany parametrów wykonuje się poprzez zmianę odpowiedniego fragmentu kodu. To drugie rozwiązanie jest prostsze, przejrzyste i daje dużo więcej możliwości modyfikacji struktury regulatora np. poprzez wprowadzanie nieliniowych współczynników, kasowanie części całkującej, realizację dyskretną regulatora itd. Dodatkowo opracowany kod regulatora może być wykorzystany przy późniejszym tworzeniu mikroprocesorowego układu sterowania. W przypadku bloku Java-function należy posługiwać się określoną składnią, gdzie xin[n] oznacza n-te wejście bloku a yout[m] oznacza m-te wyjście bloku, możliwe jest wykorzystanie aktualnego czasu symulacji time oraz kroku symulacji dt. Realizację algorytmu sterowania VOC (rysunek 3) w programie GeckoCIRCUITS przedstawiono na rysunku 5. Blok abc_to_dq zapewnia sygnały niezbędne do transformacji odwrotnej oraz sygnały sprzężeń zwrotnych prądu w układzie wirującym. Bloki PI_Udc i PI_Ixy1 są regulatorami PI odpowiednio napięcia obwodu pośredniczącego i prądów w układzie wirującym. Stałe CONST umożliwiają parametryzację układu regulacji. Blok d,q_to_r,th transformuje składowe dq na amplitudę i kąt wektora zadanego wykorzystywanego w układzie modulatora mod. Modulator generuje sygnały sterujące tranzystorami w taki sposób, aby odpowiednio kształtowane były prądy fazowe przekształtnika a napięcia kondensatorów obwodu pośredniczącego były wyrównywane. Realizacja tego zadania wymaga informacji o napięciach obu kondensatorów oraz wartości prądów fazowych przekształtnika. Układ sterowania z uwzględnieniem jego dyskretnej realizacji przedstawia rysunek 5. Modulator mod wykorzystuje sygnał fi informujący o częstotliwości impulsowania, a w jego wnętrzu generowany jest trójkątny sygnał nośny, niezbędny przy realizacji modulacji szerokości impulsów MSI. W punktach 0 i maksimum przebiegu trójkątnego generowany jest impuls synchronizacyjny syn21, który aktywuje blok abc_to_dq. Po zakończonych obliczeniach w bloku generowany jest sygnał syn22, który przesyłany jest do kolejnych bloków obliczeniowych, aż 7394

wyznaczone zostaną nowe wartości zadane dla modulatora. Modulator wyznacza zadane wypełnienia, które zostaną przesłane do układu porównawczego przy kolejnym wystąpieniu wartości zero lub maksimum w przebiegu trójkątnym. Przyjęte działanie układu sterowania pozwala na pełne odwzorowanie realizacji dyskretnej w systemie mikroprocesorowym. Rys. 5. Modelowanie układu sterowania przekształtnika NPC bazujące na algorytmie VOC 4 MODEL CIEPLNY Program GeckoCIRCUITS, oprócz możliwości opracowania algorytmu sterowania przekształtnika, umożliwia również opracowanie modelu cieplnego przekształtnika, który może być wykorzystany przy projektowania jego układu chłodzenia. W celu dokładnego określenia temperatur złącz T j stosowanych w przekształtniku przyrządów półprzewodnikowych, w programie istnieje możliwość zdefiniowania charakterystyk przewodzenia i strat energii przełączania. Charakterystyki te mogą być edytowane przez użytkownika programu, przy czym istnieje możliwość definiowania charakterystyk przewodzenia i przełączania dla różnych temperatur złącza T j przyrządu, a dla strat energii przełączania dodatkowo można definiować różne charakterystyki dla różnych napięć występujących w stanie blokowania przyrządu. Przykładowe charakterystyki stosowanego w przekształtniku NPC tranzystora przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Charakterystyki tranzystora IGBT CM800DZ-34: a) charakterystyki przewodzenia i T = f(u T ) dla temperatury złącza T j = 25ºC i 125ºC, b) charakterystyki energii przełączania E on, E off dla temperatur złącza T j = 25ºC i 125ºC i napięcia w stanie blokowania U CE = 850 V Na podstawie podanych charakterystyk przewodzenia i przełączania można wyznaczyć straty mocy dla każdego tranzystora i diody. Dostępne są one w modelu cieplnym za pośrednictwem elementu o nazwie component loss. Te elementy w modelu cieplnym stanowią źródła ciepła. Innymi elementami modelu cieplnego mogą być rezystory i kondensatory cieplne odwzorowujące odpowiednio rezystancję i pojemność cieplną. Oprócz tego stosuje się punkty referencyjne służące najczęściej do 7395

odniesienia temperatury do temperatury 0ºC i źródła temperatury (defined temperature) służące do określenia temperatury otoczenia. Przykładowy model cieplny górnej gałęzi fazy A silnikowego przekształtnika NPC przedstawiono na rysunku 7a. Prezentowany na rysunku 7a model cieplny wybranego fragmentu przekształtnika wykonano za pomocą sieci RC o konfiguracji Cauera [9], gdzie zamodelowano cieplnie wszystkie pięć przyrządów półprzewodnikowych wraz z warstwą termoprzewodzącej pasty i radiatorem. W modelu cieplnym założono, że oba tranzystory T11 i T12 z ich diodami przeciwrównoległymi znajdują się w jednej obudowie (CM800DZ-34H), a osobno na radiatorze zamontowana jest dioda poziomująca D1 typu SKKE-330F. Warstwa termoprzewodzącej pasty modelowana jest za pomocą rezystancji cieplnej. Aby przedstawić przebiegi straty mocy (rysunek 7b) w programie GeckoCIRCUITS stosuje się element heatflow measurment, zaś do zaprezentowania temperatury przyrządu półprzewodnikowego lub temperatury dowolnego punku modelu cieplnego stosowany jest element temperature measurement. Na podstawie przebiegów strat mocy można zauważyć, że chwilowo osiągają one znaczne wartości rzędu kilkuset kilowatów. Są to krótkotrwałe impulsy związane z przełączaniem przyrządów. Temperatury złącz tranzystora lub diod przewyższają temperaturę otoczenia (35ºC) o około 10 stopni. Tak mały wzrost temperatury wynika z tego, że silnikowy przekształtnik w symulacji pracuje z prądami fazowymi o amplitudzie 250 A przy znamionowym prądzie tranzystorów IGBT równym 800 A. Zmierzone wartości średnie strat mocy wynoszą: w tranzystorze T11 straty wynoszą 179,4 W, z czego 106 W to straty przełączania, w diodzie D11 straty wynoszą 6,6 W, w diodzie poziomującej straty wynoszą 57,8 W i są to głównie straty przewodzenia. Interesującym wynikiem analizy cieplnej jest to, że w tranzystorze pomimo ponad trzykrotnie większych strat mocy względem strat diody poziomującej, temperatury złącz obu przyrządów są zbliżone. Wiąże się to z tym, że dioda poziomująca ma gorsze parametry odprowadzania ciepła niż tranzystor IGBT. Rys. 7. Model cieplny wykonany w programie GeckoCIRCUITS, a) schemat modelu cieplnego górnej gałęzi fazy A silnikowego przekształtnika NPC ilustrujący straty mocy w dwóch tranzystorach IGBT, dwóch przeciwrównoległych diodach i jednej diodzie poziomującej, b) przebiegi strat mocy i temperatur złącz tranzystora T11, diody przeciwrównoległej D11 oraz diody poziomującej D1 7396

5 WYBRANE WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH PRZEKSZTAŁTNIKA NPC W niniejszym rozdziale przedstawione zostały wybrane wyniki badań symulacyjnych przekształtnika NPC o konfiguracji AC-DC-AC. Na rysunku 8 przedstawiono proces rozruchu silnika i skokowej zmiany momentu obciążenia silnika, a na rysunku 9 przedstawiono nawrót silnika przy aktywnym obciążeniu na wale maszyny. Na obu rysunkach po lewej stronie przedstawiono przebiegi dla silnika, a po prawej stronie przebiegi dla sieci zasilającej. W początkowej fazie rozruchu przez uzwojenia silnika płynie prąd stały, co jest związane ze wzbudzaniem strumienia w maszynie. Następnie następuje rozruch silnika z momentem wynikającym z szybkości zmian prędkości zadanej. W chwili t=400ms skokowo zmienia się moment obciążenia. Z punktu widzenia sieci zasilającej wzrost prądu silnika wynika ze wzrostu mocy mechanicznej, niemniej w całym cyklu pracy silnika prądy sieci są quasi-sinusoidalne, a cały napęd zachowuje się poprawnie. Przy nawrocie silnika (rysunek 9), przez występowanie aktywnego momentu na wale, następuje zmiana kierunku przepływu energii (z pracy napędowej do pracy hamulcowej). W obu przypadkach przekształtnik wejściowy zapewnia jednostkowy współczynnik mocy. Mniejsza wartość szczytowa prądu sieci przy zwrocie energii wynika z występowania strat w przekształtnikach i napędzie. Rys. 8. Przebiegi elektryczne i mechaniczne przy rozruchu silnika i skokowej zmianie momentu obciążenia, a) prądy silnika, prędkość obrotowa, moment elektromagnetyczny, b) napięcia fazowe sieci zasilającej i prądy fazowe sieciowego przekształtnika NPC Rys. 9. Przebiegi elektryczne i mechaniczne przy nawrocie silnika przy aktywnym momencie na wale maszyny a) prądy silnika, prędkość obrotowa, moment elektromagnetyczny, b) napięcia fazowe sieci zasilającej i prądy fazowe sieciowego przekształtnika NPC 7397

Rysunek 10 przedstawia przebiegi napięcia i prądu sieci oraz pokazany w skali logarytmicznej rozkład harmonicznych prądu w zakresie do 5000 Hz. Zaobserwować można, że prądy sieci mają kształt quasi-sinusoidalny z tętnieniami wynikającymi z przełączeń tranzystorów. Współczynnik mocy dla pierwszej harmonicznej jest bliski jedności. Pokazana po prawej stronie analiza Fouriera jest narzędziem bezpośrednio dostępnym w programie GeckoCIRCUITS. W celu uwypuklenia prążków w widmie harmonicznych prądu zastosowano skalę logarytmiczną. Amplituda prądu podstawowej harmonicznej wynosi 115,5 A. W widmie występują prążki związane z częstotliwością przełączeń tranzystorów, natomiast rozmycie widma dla niskich częstotliwości jest spowodowane występowaniem procesów regulacyjnych w układzie sterowania i relatywnie niską częstotliwością przełączeń tranzystorów w stosunku do częstotliwości podstawowej harmonicznej napięcia. Rys. 10. Praca napędowa układu: a) przebiegi napięcia i prądu sieci, b) widmo harmonicznych prądu WNIOSKI Przedstawione w artykule wyniki badań symulacyjnych potwierdzają poprawną pracę przekształtnika NPC o konfiguracji układu podwójnego AC-DC-AC. Przekształtnik pracuje poprawnie we wszystkich stanach zapewniając prawidłowe sterowanie silnikiem, wysoką jakość energii i jej zwrot do sieci w przypadku hamownia napędu. Zastosowanie metody stabilizacji napięć obwodu pośredniczącego DC zapewnia lepsze wyrównywanie napięcia obu kondensatorów. Przeprowadzone badania symulacyjne w programie GeckoCIRCUITS pokazują jego dużą użyteczność w przypadku projektowania przekształtników energoelektronicznych. Umożliwia on modelowanie obwodów mocy przekształtników wraz z typowymi odbiornikami, przy czym nie występują tu praktycznie żadne ograniczenia co do stopnia złożoności modelowanego układu. Pozwala na projektowanie układów sterowania z wykorzystaniem schematów blokowych albo za pomocą opracowania kodu programu dla sterownika, przy czym ta druga metoda charakteryzuje się znacznie wyższą elastycznością. Najciekawszą cechą programu jest możliwość łączenia modeli obwodów elektrycznych razem z modelami cieplnymi i równoczesne analizowanie zagadnień elektrycznych, sterowania i cieplnych w przekształtnikach. Równocześnie należy zaznaczyć, że mimo dużego stopnia komplikacji układu, wyniki obliczeń uzyskiwane są stosunkowo szybko. Uwzględniając fakt, że oprogramowanie to jest bezpłatne i zajmuje niewiele miejsca na dysku komputera wydaje się ono bardzo dobrą propozycją. Artykuł prezentuje wyniki pracy finansowanej przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, numer projektu: POIG.01.04.00-24-099/13, tytuł: dwukierunkowy przekształtnik częstotliwości średniego napięcia zintegrowany z silnikiem dużej mocy. 7398

Streszczenie W artykule przedstawiono model symulacyjny trójpoziomowego przekształtnika NPC w konfiguracji podwójnej AC-DC-AC współpracującego z siecią zasilająca 3 x 1000 V i silnikiem asynchronicznym klatkowym o mocy 250 kw. Model symulacyjny zrealizowano w darmowym oprogramowaniu GeckoCIRCUITS, który pozwolił połączyć w modelu warstwę obwodów elektrycznych, z warstwami sterowania, mechaniczną i cieplną. Tak złożony model całkowicie spełnia wymagania związane z projektowaniem przekształtników energoelektronicznych. Przy sterowaniu przekształtnika NPC uwzględniono konieczność wyrównywania napięć obwodu pośredniczącego, które zostało zrealizowane za pomocą zmodyfikowanego algorytmu w modulatorze przekształtnika sieciowego. Sterowanie przekształtnikiem oparto na blokach funkcyjnych zapisanych w języku Java. Ważną zaletą programu GeckoCIRCUITS jest duża szybkość wykonywania symulacji i duża elastyczność związana z wyświetlaniem wyników. Model of three level NPC converter allowing the grid energy recuperation Abstract The simulation model of three-level NPC converter in the back-to-back configuration is presented in this paper. The converter is connected between 3x1000 power line and an asynchronous squirrel cage machine with the rated power of 250 kw. The simulation model has been developed in GeckoCIRCUIT, which is an opensource package intended to simulations of power electronic converters. This software allows in the single model coupling electrical circuit with control, thermal and mechanical layers. As a control algorithm Voltage- Oriented Control and Direct Torque Control with Space-Vector Modulation technique have been chosen for controlling of line and machine side converters. DC-link voltage balancing algorithm is also realized by lineside converter. Control layer in the simulation model has been realized by using Java-function blocks. Finally the simulation model developed in GeckoCIRCUITS allows simulating NPC converter very fast with great flexibility of visualizing simulation results. BIBLIOGRAFIA 1. Buja G. S., Kaźmierkowski M. P.: Direct torque control of PWM inverter-fed ac motors-a survey. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 51, no. 4, pp. 744 757, Aug. 2004. 2. Kouro S., Malinowski M., Gopakumar K., Pou J., Franquelo L. G., Wu B., Rodriguez J., Perez M. A., Leon J. I.: Recent advances and industrial applications of multilevel converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 8, pp. 2553 2580, Aug. 2010. 3. Malinowski M., Kaźmierkowski M. P., Trzynadlowski A. M.: A comparative study of control techniques for pwm rectifiers in ac adjustable speed drives, IEEE Transactions on Power Electronics. vol. 18, no. 6, pp. 1390 1396, Nov. 2003. 4. Nabae A., Takahashi I., Akagi H.: A new neutral-point-clamped PWM inverter. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 17, pp. 518 523, Sep.-Oct. 1981. 5. Pou J., Zaragoza J., Cellabos S., Saeedifard M., Boroyevich D.: A carrier-based PWM strategy with zero-sequence voltage injection for a three-level neutral-point-clamped converter. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 2, pp. 642 651, Feb. 2012. 6. Rodriguez J., Bernet S., Steimer P. K., Lizama I. E.: A survey on neutral-point-clamped inverters. IEEE Trans. Ind. Electron. vol. 57, no. 7, pp. 2219 2230, Jul. 2010. 7. Rodríguez J., Franquelo L. G., Kouro S., Leon J. I., Portillo R. C., Prats M. A. M., Perez M. A.: Multilevel converters: an enabling technology for high-power applications. Proc. IEEE, vol. 97, no. 11, pp. 1786 1817, Nov. 2009. 8. Rodríguez J., Lai J. S., Peng F. Z.: Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, no. 4, pp. 724 738, Aug 2002. 9. Schnell R., Bayer M., Geissmann S.: Thermal design and temperature ratings of IGBT modules. ABB application note. 2013. 10. Zygmanowski M.: Analiza porównawcza właściwości wybranych wielopoziomowych przekształtników energoelektronicznych przeznaczonych do układów kondycjonowania energii elektrycznej. Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice 2009. 7399