Marcin PARCHOMIK BADANIA MODEL PRZEKSZTAŁTNIKA PRZEZNACZONEGO DO ZASILANIA POTRZEB WŁASNYCH POJAZDÓW TRAKCYJNYCH STRESZCZENIE W artykule omówiono budowę przekształtnika trakcyjnego DC/AC/DC z transformatorem pośredniczącym na napięcie 600 V+-30%. Zaprezentowano stanowisko laboratoryjne przekształtnika, mikroprocesorowy układ sterowania oraz budowę transformatora. Zamieszczono wyniki z badań przekształtnika. Słowa kluczowe: DC/AC/DC, przekształtnik, układy trakcyjne, transformator, materiały magnetyczne. 1. WSTĘP W ostatnich latach uwidocznił się wzrost wymagań stawianych konstruktorom urządzeń energoelektronicznych. Wynika to nie tylko z powodu podnoszenia komfortu obsługi i bezpieczeństwa pracy urządzeń, ale również z rosnącego zapotrzebowania na wyższe moce przekształtników energii. Warto zwrócić uwagę, że wraz ze wzrostem liczby instalowanych urządzeń elektrycznych w pojazdach transportu publicznego rośnie moc układów energoelektronicznych, z czym związane jest ograniczenie dostępnej przestrzeni użytkowej. mgr inż. Marcin PARCHOMIK e-mail: m.parchomiuk@iel.waw.pl Instytut Elektrotechniki Zakład Przekształtników Mocy PRACE INSTYTT ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 4, 009
14 M. Parchomiuk Dlatego też inżynierowie zmuszeni są do konstruowania urządzeń o wysokiej sprawności, stosując nowe techniki sterowania, wykorzystując zaawansowane technologicznie układy półprzewodnikowe i materiały magnetyczne, czy też podnosząc częstotliwość pracy urządzeń. Wybór odpowiednich zabiegów pozwala nie tylko na zwiększenie sprawności urządzeń, ale również na zmniejszenie ich gabarytów. W artykule zaprezentowany został przykład rozwiązania konstrukcyjnego przekształtnika DC/AC/DC z transformatorem separującym, gdzie zastosowano mikroprocesorowy układ sterowania, nowoczesne materiały magnetyczne oraz przetwarzanie energii przy podwyższonej częstotliwości.. BDOWA I OPIS DZIAŁANIA PRZEKSZTAŁTNIKA Schemat blokowy przekształtnika przedstawiono na rysunku 1. Jest to jednocześnie schemat, który w ostatnim czasie stał się podstawową strukturą przetwornic trakcyjnych dużej mocy []. Zadaniem takiego przekształtnika jest przekształcenie napięcia trakcyjnego 600 V DC ±30% do separowanego galwanicznie napięcia 4 V DC, przeznaczonego do zasilania urządzeń pomocniczych. Struktury układów przekształtnikowych szeroko opisuje przytoczona literatura [4, 5, 6]. W celu uzyskania napięcia stałego, jakie występuje sieci trakcyjnej komunikacji miejskiej, model laboratoryjny zasilono napięciem trójfazowym 3 x 400 V, które kolejno prostowane jest przez prostownik trójfazowy P1, filtrowane przez filtr F1 i dostarczone do jednofazowego falownika napięcia I1 w postaci napięcia stałego. Falownik I1 generuje prostokątną falę napięciową o dużej częstotliwości, która dalej podawana jest na transformator Tr1. Transformator zapewnia izolację galwaniczną między napięciem wejściowym a wyjściowym przekształtnika, zapewniając jednocześnie separację urządzeń odbiorczych od wysokiego napięcia. Na wyjściu transformatora umieszczono prostownik P i filtr dolnoprzepustowy F. Stanowisko badawcze przedstawione jest na rysunku. Rys. 1. Schemat blokowy przekształtnika: P1 prostownik; F1 filtr LC; I1 falownik; Tr1 transformator; P prostownik; F1 filtr LC; R obciążenie
Badania modelu przekształtnika przeznaczonego do zasilania potrzeb własnych 15 Przekształtnik został zbudowany w układzie pełnego mostka z transformatorem separującym, pracującym z częstotliwością 16 khz. żyto specjalnie zaprojektowany dla danego przekształtnika transformator separujący oraz mikroprocesorowy układ sterowania, które będą opisane w dalszej części artykułu. TABELA 1 Parametry badanego przekształtnika Parametry przekształtnika Wartości Napięcie wejściowe 600 V DC ±30% Napięcie wyjściowe 4 V DC ±1% Moc wyjściowa 10 kw (400 A) Częstotliwość pracy Rodzaj falownika Rodzaj transformatora 16 khz Pełny mostek Dwuuzwojeniowy na rdzeniu Rys.. Stanowisko badawcze przekształtnika 3. TRANSFORMATOR SEPARJĄCY W pojazdach trakcyjnych stosowanie transformatorów separujących jest konieczne ze względu na obowiązujące normy i wymagania dotyczące bezpieczeństwa. Dodatkowo szybki rozwój energoelektroniki prowadzi również do budowania urządzeń o coraz większym stopniu złożoności oraz mniejszych
16 M. Parchomiuk gabarytach. zyskiwanie mniejszych wymiarów urządzeń, a w szczególności wielkości transformatorów oraz elementów indukcyjnych możliwe jest poprzez wykorzystanie wysokich częstotliwości przetwarzania energii elektrycznej, zastosowanie nowoczesnych materiałów magnetycznych, takich jak materiały amorficzne lub nanokrystaliczne (tab. [1]) i użycie nowoczesnych układów mikroprocesorowych. W urządzeniach o niskim napięciu wyjściowym oraz dużym prądzie najbardziej kłopotliwym elementem do zaprojektowania i wykonania jest transformator. Z powodu dużej mocy przenoszonej przy niewielkich gabarytach wymaga on w takim wypadku szczególnej analizy konstrukcji, zjawisk wymiany i rozkładu ciepła. Dodatkowo istnieje wiele czynników niekorzystnie wpływających na pracę transformatorów w przetwornicach impulsowych. Jednym z nich jest efekt naskórkowości, czyli wzrostu rezystancji uzwojenia dla prądów o wyższej częstotliwości, co prowadzi do zwiększenia strat. Kolejnym czynnikiem są straty histerezowe, wynikające z przemagnesowywania rdzenia, oraz starty wiroprądowe. Dlatego też, w celu ograniczenia strat, do budowy rdzeni transformatorów stosuje się nowoczesne materiały magnetyczne o wysokiej przenikalności, dużej indukcji nasycenia i wąskiej pętli histerezy magnetycznej [3]. TABELA Parametry elektryczne stopu nanokrystalicznego Vitroperm 500F w porównaniu z materiałem amorficznym Metglas 605SA1 Parametry Vitroperm 500F Metglas 605SA1 Taśma ok. 5 μm ok.5 μm Indukcja nasycenia 1, T 1,56 T Przenikalność 10000 150000 Rezystywność 115 μωcm 115 μωcm Magnetostrykcja 10-8 10-6 7 10-6 Straty w rdzeniu 80 [W/kg] dla 100 khz, B = 1, T Temperatura Curie 600 C 415 C Temperatura 10 150 C ok.10 C 0 [W/kg] dla 10 khz, B = 0,3 T Rys. 3. Schemat ideowy transformatora dwuuzwojeniowego z rdzeniem magnetycznym
Badania modelu przekształtnika przeznaczonego do zasilania potrzeb własnych 17 Na schemacie ideowym (rys. 3) przedstawiony został transformator konstrukcji rdzeniowej, gdzie rezystancje uzwojeń oznaczono odpowiednio R1 i R dla uzwojenia pierwotnego o liczbie zwojów N1 i wtórnego o liczbie zwojów N. Prąd i1 płynący w uzwojeniu pierwotnym w stanie jałowym dzieli się na dwie składowe: i µ prąd magnesujący, który wytwarza strumień główny φ 1 oraz i Fe prąd strat, związany ze zjawiskiem strat w stali. Z kolei prąd strat i Fe składa się z prądu odpowiadającego stratom histerezowym i h oraz prądu odpowiadającego stratom wiroprądowym i w [7]. Poniżej zestawiono najczęściej stosowaną postać równań transformatora z rdzeniem dla układów zasilanych napięciem sinusoidalnym: = s + (1) 1 ( R1 + jωl 1) I1 μ1 s + μ = ( R + jωl ) I () gdzie: L s1, L s indukcyjności rozproszenia. Natomiast moduły napięć magnesujących wynoszą: μ 1 = 4, 44 fn1bms (3) μ = 4, 44 fnbms (4) gdzie: B m indukcja maksymalna, S przekrój poprzeczny rdzenia. Przyjmując oznaczenia, gdzie R FE odwzorowuje zjawisko strat w stali, a Xµ reaktancję magnesowania, to dla powyższych równań można przedstawić następujący schemat zastępczy (rys. 4). Rys. 4. Schemat zastępczy transformatora z rdzeniem magnetycznym Równanie napięciowe obwodu wtórnego transformatora (wzór ) można przekształcić stosując następujące wielkości: ' R = Rn (5) ' X = X n (6) ' = n (7)
18 M. Parchomiuk ' = I n (8) I Wykorzystując powyższe wielkości, równanie napięciowe obwodu wtórnego można sprowadzić do obwodu pierwotnego, otrzymując: 1 = R' I' + jx ' I ' μ + (9) Wykorzystując równanie 9, obwód wtórny można połączyć na schemacie galwanicznie z obwodem pierwotnym (rys. 5), zastępując w ten sposób transformator idealny. W takim układzie łatwiej jest przeliczyć parametry pracy transformatora. Rys. 5. Schemat zastępczy transformatora z rdzeniem magnetycznym po sprowadzeniu wielkości obwodu wtórnego do obwodu pierwotnego Oczywiście dla większości przetwornic impulsowych transformator zasilany jest napięciem o kształcie prostokątnym, dlatego wyliczenia napięć magnesujących ulegają zmianie. Korzystając ze współczynnika kształtu k k ([7] wzór 4.9, 4.10) możemy napisać: F k k = (10) F gdzie F wartość skuteczna sygnału sinusoidalnego, F wartość średnia sygnału sinusoidalnego. I m I m π π k k = = * = = 1,11 (11) I I m m π Jeżeli dla sygnału sinusoidalnego wartość skuteczna napięcia wynosi: μ 1 = 4,44 fnbms (1) to dla sygnału o kształcie prostokątnym: μ 1 = = 4 fnbms (13) k k
Badania modelu przekształtnika przeznaczonego do zasilania potrzeb własnych 19 Wykorzystując powyższe zależności, zaprojektowany został transformator separujący na bazie materiału nanokrystaliczengo (rys. 6), który zamontowano w badanym przekształtniku. zwojenia transformatora nawinięto licą. Poniżej, w tabeli 3, zestawiono parametry pracy transformatora. Dodatkowo w celu porównania parametrów pracy transformatora, wykonano transformator separujący na bazie ferrytu (rys. 7). Porównanie katalogowe charakterystyk magnesowania materiałów obrazuje rysunek 8, gdzie widoczna jest zdecydowana różnica w wartości indukcji magnetycznej. TABELA 3 Parametry badanego przekształtnika Parametry transformatora Napięcie wejściowe 600 V DC ±30% Napięcie wyjściowe Moc wyjściowa Częstotliwość pracy Materiał Rodzaj transformatora 9 V DC 10 kva 16 khz Wartości Nanokryształ lub ferryt Dwuuzwojeniowy na rdzeniu Rys. 6. Przykład konstrukcji transformatora separującego z wykorzystaniem materiału nanokrystalicznego Rys. 7. Przykład konstrukcji transformatora separującego z wykorzystaniem materiału ferrytowego Rys. 8. Porównanie charakterystyki magnesowania dla Ferrytu i Vitropermu 500F
130 M. Parchomiuk 4. MIKROPROCESOROWY KŁAD STEROWANIA Do sterowania regulatorem prądu został zaprojektowany, wykonany i uruchomiony w układzie przekształtnika mikroprocesorowy układ sterowania SCIF0 (rys. 9, rys. 10). Odpowiada on za obsługę przetwarzania A/C, procesy regulacyjne, kontrolę programową awarii, sterowanie falownikiem, obsługę komunikacji z układami zewnętrznymi po interfejsie RS485 oraz obsługę analogową komunikacji (możliwość podłączenia sterownika programowalnego PLC). Częstotliwość pracy przekształtnika została ustalona na 16 khz, zgodnie z założeniami projektu układu przekształtnikowego. kład sterowania wyposażono w programowy, jak i sprzętowy układ zabezpieczeń na wypadek wystąpienia awarii. Monitorowane są następujące rodzaje awarii: awaria tranzystorów, przekroczenie prądu transformatora i prądu obciążenia. kład posiada możliwość zapamiętania rodzaju awarii, wyświetlenia ich na lampkach i przesłania tej informacji do układów zewnętrznych z wykorzystaniem interfejsu RS485. Zgłoszenie awarii powoduje równocześnie sprzętowe i programowe blokowanie sygnałów sterujących falownikiem. Rys. 9. Schemat blokowy mikroprocesorowego układu sterowania o nazwie SCIF0 kład SCiF0 został również wyposażony w cyfrowy system korekcji sterowania, zabezpieczający przed pojawieniem się składowej stałej oraz kontrolujący poprawną pracę transformatora separującego. Polega on na śledzeniu prądu transformatora i odpowiednim oddziaływaniu na szerokość impulsów sterujących falownikiem. Sterownik SCIF0 wyposażony został w dwa cyfrowe interfejsy szeregowe RS485, jak również interfejs cyfrowy, umożliwiający komunikację z zewnętrznymi układami nadzorującymi, np. PLC (Programmable Logic Controllers). Takie rozwiązanie pozwala na dogodną współpracę z układami nadrzędnymi.
Badania modelu przekształtnika przeznaczonego do zasilania potrzeb własnych 131 Rys. 10. Mikroprocesorowy układ sterowania o nazwie SCIF0 5. BADANIA LABORATORYJNE PRZEKSZTAŁTNIKA Poniżej porównano wyniki badań przekształtnika trakcyjnego dla transformatora zbudowanego z dwóch różnych materiałów magnetycznych. Zestawione oscylogramy z lewej odnoszą się do badań przekształtnika, gdzie transformator nawinięto na rdzeniu ferrytowym, natomiast z prawej na rdzeniu nanokrystalicznym. Na pierwszym oscylogramie (rys. 11) przedstawiony jest prąd strony pierwotnej transformatora oraz impulsy sterujące przekształtnikiem. Widoczny jest indukcyjny charakter prądu oraz przełączenia komutacyjne. W trakcie przełączeń występują przeregulowania prądowe, które związane są z gromadzeniem energii biernej w układzie elektromagnetycznym rdzenia transformatora, w każdym półokresie napięcia. Ma to szczególne znaczenie w obwodach z materiałami magnetycznymi o małym współczynniku prostokątności. Na rysunku 1 zaprezentowane zostało napięcie i prąd strony pierwotnej transformatora. W pobliżu przełączeń komutacyjnych uwidocznione są oscylacje prądu i napięcia uzwojenia pierwotnego transformatora. Na kolejnym oscylogramie (rys. 13) zaprezentowane jest napięcie strony wtórnej transformatora, gdzie widoczna jest komutacja oraz zniekształcenia napięcia, spowodowane indukcyjnością oraz pojemnością przewodów łączących uzwojenie wtórne transformatora z prostownikiem. Rysunek 14 prezentuje napięcie na diodzie prostownika. Oscylogram pokazuje przepięcia napięciowe spowodowane komutacją, wynikające z charakteru połączeń transformatora i prostownika. Natomiast na rysunku 15 przedstawiono porównanie procesów regulacyjnych dwóch wersji przekształtnika, gdzie widoczne są prąd i napięcie wyjściowe urządzenia.
13 M. Parchomiuk a) Ferryt Nanokryształ b) Rys. 11. Prąd transformatora (przebieg - C4) 40 A/dz., sygnał PWM dla górnego i dolnego tranzystora falownika (przebiegi - C i C3), (z lewej transformator z rdzeniem ferrytowym, z prawej nanokrystalicznym): a) wysterowanie falownika 90%, b) wysterowanie falownika 70% Ferryt Nanokryształ Rys. 1. Napięcie strony pierwotnej transformatora (przebieg - C1) 500 V/dz, prąd strony pierwotnej transformatora (przebieg - C4) 40 A/dz, (z lewej transformator z rdzeniem ferrytowym, z prawej nanokrystalicznym)
Badania modelu przekształtnika przeznaczonego do zasilania potrzeb własnych 133 Ferryt Nanokryształ Rys. 13. Napięcie strony wtórnej transformatora (przebieg - C1) 0 V/dz, (z lewej transformator z rdzeniem ferrytowym, z prawej nanokrystalicznym) Ferryt Nanokryształ Rys. 14. Napięcie na diodzie prostownika (przebieg - C1) 0 V/dz., (z lewej transformator z rdzeniem ferrytowym, z prawej z nanokrystalicznym) Ferryt Nanokryształ Rys. 15. Napięcie na diodzie prostownika (przebieg - C1) 0 V/dz., prąd obciążenia (przebieg - C4) 00 A/dz, (z lewej transformator z rdzeniem ferrytowym, z prawej nanokrystalicznym)
134 M. Parchomiuk Przedstawione wyniki badań dwóch wersji przetwornicy impulsowej z rdzeniem ferrytowym oraz z rdzeniem nanokrystalicznym, pokazują różny charakter pracy tego urządzenia. Przekształtnik z transformatorem ferrytowym odznacza się zdecydowanie mniejszymi oscylacjami prądu i napięcia w pobliżu komutacji falownika w porównaniu z transformatorem nanokrystalicznym (rys. 11, 1, 13). Spowodowane jest to różnymi właściwościami elementów magnetycznych. Materiał ferrytowy charakteryzuje się o wiele większym współczynnikiem prostokątności pętli histerezy, niż materiał nanokrystaliczny. Współczynnik prostokątności bezpośrednio wpływa na gromadzenie energii biernej w układzie elektromagnetycznym rdzenia transformatora, powodując powstawanie oscylacji. Z jednej strony, zastosowanie materiału o prostokątnym kształcie histerezy wpływa korzystniej na pracę przekształtnika, powodując mniejsze oscylacje prądów i napięć w układzie przekształtnikowym. Z drugiej strony, należy pamiętać, że pole powierzchni pętli histerezy jest proporcjonalne do strat energii w rdzeniu. Dodatkowo materiały o dużym współczynniku prostokątności pętli histerezy przy pracy z przetwornicami impulsowymi są bardziej podatne na nasycenie rdzenia, niż te o pochylonej charakterystyce pętli histerezy. Często konstruktorzy urządzeń energoelektronicznych w celu pochylenia pętli histerezy w transformatorach czy dławikach stosują szczeliny powietrzne. Na rysunku 11 widoczny jest prąd uzwojenia pierwotnego transformatora, gdzie porównać możemy prąd magnesujący, wykorzystywany do wytworzenia siły elektromotorycznej. Zdecydowanie większy prąd magnesujący występuje w przypadku zastosowania transformatora z rdzeniem ferrytowym. życie takiej samej przekładni zwojowej w dwóch porównywanych transformatorach skutkuje różną wartością indukcyjności uzwojenia pierwotnego. Transformator z rdzeniem ferrytowym będzie posiadał większy prąd magnesujący i mniejszą indukcyjność uzwojenia pierwotnego, niż z rdzeniem nanokrystalicznym. 6. PODSMOWANIE Omówiony w artykule przykład rozwiązania konstrukcyjnego przekształtnika DC/AC/DC z transformatorem separującym pozwala przetestować nie tylko rozwiązania układowe, ale również występujące w nich zjawiska. Zastosowanie wysokiej częstotliwości pracy przekształtnika (16 khz) pozwala zmniejszyć wymiary elementów magnetycznych, a co za tym idzie wymiary całego urządzenia. Przykładowo gabaryty transformatora z rdzeniem nanokrystalicznym pracującego z częstotliwością 1 khz będą około dziesięciokrotnie większe. Warto zwrócić uwagę również na rodzaj materiału, z którego wykonany jest transformator. Korzyści z zastosowania nowoczesnych magnetyków o struk-
Badania modelu przekształtnika przeznaczonego do zasilania potrzeb własnych 135 turze nanokrystalicznej oraz wykorzystania właściwości tych materiałów w porównaniu z popularnymi materiałami ferrytowymi mają istotny wpływ nie tylko na wymiary elementów magnetycznych, ale występujące w nim straty mocy. Analizowane dwa rozwiązania z różnymi transformatorami pokazują, że uzyskanie tej samej mocy transformatorów związane jest z kilkukrotnie większą objętością transformatora z rdzeniem ferrytowym w stosunku do transformatora z rdzeniem nanokrystalicznym. Porównując sprawności badanych dwóch wersji przekształtnika z transformatorem na rdzeniu nanokrystalicznym (sprawność η = 86%) i rdzeniu ferrytowym (sprawność η = 7%), uzyskano kilkunastoprocentową przewagę tego pierwszego. Bardzo ważnym aspektem jest kompensacja składowej stałej, o której warto wspomnieć, natomiast ze względu na obszerność zagadnienia nie poruszono w tym artykule. Teoretycznie prąd magnesujący oraz strumień transformatora nie powinien zawierać składowej stałej, która może pojawić się w wyniku braku symetrii sterowania tranzystorów. Częstym powodem wystąpienia składowej stałej jest różnica w czasach przełączania tranzystorów lub różne spadki napięć na tranzystorach. Doprowadza to do występowania losowych zwarć w urządzeniu i jego wyłączeń. Rys. 14. Przetwornica statyczna PSI-160x, 3 kv, x 160 kw, przeznaczona do zasilania potrzeb własnych lokomotyw elektrycznych. Wykonana w Zakładzie Przekształtników Mocy IEL W ostatnich latach pojawiło się zwiększone zapotrzebowanie na urządzenia tego rodzaju w związku z modernizacją taboru trakcyjnego, polegającą między innymi na zastąpieniu przetwornic maszynowych układami energoelektronicznymi. Zapotrzebowanie widoczne jest zarówno w transporcie kolejowym, jak i transporcie komunikacji miejskiej. kłady tego rodzaju są już obecnie oferowane przez Instytut Elektrotechniki. W latach 006/007 w Zakładzie Przekształtników Mocy został wykonany, zbadany w laboratorium oraz wprowadzony do ruchu na lokomotywie elektrycznej, prototyp przetwornicy staty-
136 M. Parchomiuk cznej 3 kv o mocy 80 kw. W latach 008/09 Zakład Przekształtników Mocy IEL zbudował i uruchomił nowoczesną przetwornicę trakcyjną PSI-160x zasilaną napięciem 3 kv i mocy x160 kw dla nowej lokomotywy elektrycznej. LITERATRA 1. Parchomiuk M.: Nowoczesne materiały magnetyczne używane przez energoelektronika, Nowa Elektrotechnika, 10/008, str. 15 18.. Parchomiuk M.: Analiza obwodów wejściowych przetwornicy głównej lokomotywy elektrycznej, zasilanej z ;napięcia 3kV, Prace Instytutu Elektrotechniki, 36/008. 3. Parchomiuk M., Grochowski G.: Narzędzia diagnostyczne dla energoelektronika, Wiadomości Elektrotechniczne, 07-006. 4. Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika, WNT, Warszawa, 1998. 5. Nowak M., Kaźmierkowski M. P., Wójciak A.: kłady przekształtnikowe w elektronice przemysłowej, WKiŁ, Warszawa, 1980. 6. Tunia H., Barlik R.: Teoria Przekształtników, OWPW, Warszawa, 003. 7. Bolkowski S.: Teoria obwodów elektrycznych, WNT, Warszawa, 000. Rękopis dostarczono dnia 15.09.009 r. Opiniował: dr inż. Jacek Perz DC/AC/DC CONVERTER MODEL RESEARCH DESIGNED AS POWER SPPLY FOR TRACTION VEHICLES M. PARCHOMIK ABSTRACT This paper describes analysis of traction DC/AC/DC converter with isolating transformer supplied with 600 V DC. It presents laboratory model, designed microprocessor based control system and transformer issue. Includes also experimental results of researched converter. Mgr inż. Marcin PARCHOMIK studia ukończył w 005 r. na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej na kierunku Automatyka i Inżynieria Komputerowa o specjalności Energoelektronika. Od 005 r. pracuje na stanowisku asystenta w Instytucie Elektrotechniki w Zakładzie Przekształtników Mocy. Pracując w Laboratorium Energoelektroniczynych kładów Napędowych zajmuje się programowaniem mikroprocesorowych układów sterowania, projektowaniem i uruchamianiem elektrycznych układów napędowych oraz przekształtników energii dla przemysłu.