Edward Greczko - Uniwersytet Zielonogórski

,POGFSFODKBOBVLPXB,/84
v*OGPSNBUZLBT[UVLBD[ZS[FNJPT’P
D[FSXDB$[PDIB
WIELOPOZIOMOWE FALOWNIKI NAPIĉCIA
Edward Greczko
Instytut Informatyki i Elektroniki, Uniwersytet Zielonogórski
65-246 Zielona Góra, ul. Podgórna 50
e-mail: [email protected]
STRESZCZENIE
W artykule rozpatrzono zasadĊ budowy i algorytmy sterowania wielopoziomowymi
falownikami napiĊcia o strukturze z zastosowaniem diod Clumped. Na podstawie
charakterystyk regulacyjnych i oceny poprawy jakoĞci energii wyjĞciowej falowników
przeprowadzono analizĊ porównawczą podstawowych rozwiązaĔ schematycznych badanych
falowników.
1. WPROWADZENIE
Obecne moĪna zauwaĪyü powstanie nielicznych [1-3] publikacji poĞwiĊconych modernizacji i
rozwoju jednego z podstawowych kierunków budowy falowników z modulacją amplitudowo
-impulsową (MAI), tzw. wielopoziomowych falowników napiĊcia, kształtujących napiĊcia
schodkowe za pomocą kilku Ĩródeł zasilania izolowanych lub sekcjonowanych. NieobecnoĞü
w takich falownikach transformatorów sumujących eliminuje ograniczenia zakresów regulacji
czĊstotliwoĞci napiĊü wyjĞciowych na niskich czĊstotliwoĞciach. Celowym jest ich
stosowanie na duĪe moce wyjĞciowe i wysoki napiĊcia. Stosowanie modulacji amplitudowoimpulsowej (MAI) powoduje znaczącą poprawĊ jakoĞci napiĊü wyjĞciowych.
W związku z czym moĪna wyodrĊbniü trzy podstawowe kierunki rozwiązaĔ obwodów
siłowych wielopoziomowych falowników napiĊcia:
ƒ wielopoziomowe falowniki napiĊcia z zastosowaniem diod Clumped (ang. DCdiod zwierających);
ƒ
wielopoziomowe falowniki napiĊcia z zastosowaniem Capacitor Clumped (ang.
CC – kondensatorów zwierających);
ƒ
wielopoziomowe falowniki napiĊcia o strukturze Isolated Series H-Bridges ( ang.
ISHB – izolowanych połączonych szeregowo H- mostków), lub w skrócie
wielopoziomowe kaskadowe falowniki napiĊcia.
Celem pracy jest rozpatrzenie zasad budowy i algorytmów sterowania wielopoziomowych
falowników napiĊcia o strukturze z zastosowaniem diod Clumped (DC), przeprowadzenie
analizy porównawczej podstawowych rozwiązaĔ schematycznych danych falowników na
187
podstawie kryteriów oceny jakoĞci energii wyjĞciowej oraz okreĞlenie zakresów regulacji
napiĊü wyjĞciowych o zadanej jakoĞci energii wyjĞciowej.
2. DWUPOZIOMOWY FALOWNIK NAPIĉCIA
W charakterze podstawowego przykładu rozpatrzmy konwencjonalny falownik półmostkowy
o sinusoidalnej MSI napiĊcia wyjĞciowego, schemat przedstawiono na rys.1-a. Na rys.1-b
podano sygnały sterujące: trójkątowy modulujący o czĊstotliwoĞci impulsowania i
sinusoidalny modulacyjny oraz napiĊcie uL(t) i prąd iL(t) obciąĪenia. Zacisk wyjĞciowy
falownika moĪe byü za poĞrednictwem włączania tranzystorów górnych lub dolnych gałĊzi
falownika łączony z biegunów dodatnim lub ujemnym Ĩródła zasilania. W wyniku napiĊcie
na obciąĪeniu jest krzywą o kształcie dwubiegunowym z amplitudą wg bieguna zerowego
Ĩródła zasilania równą połowie napiĊcia zasilania Udc/2.
a)
b)
T11
U dc1
+ C1
U dc
T12
T41
+ C2
U dc2
T42
0
iLA
Rys.1. Falownik półmostkowy: a)schemat siłowy; b) przebiegi sygnałów
3. WIELOPOZIOMOWE FALOWNIKI NAPIĉCIA Z DIODAMI DC
Rozpatrzenie wielopoziomowych FN z diodami DC zaczniemy od najprostszego schematu, a
mianowicie jednofazowego trójpoziomowego falownika napiĊcia z diodami DC. W
charakterze dzielnika napiĊcia Ĩródła zasilania wykorzystywane jest dwa kondensatory,
stwarzające zacisk zerowy Ĩródła napiĊcia. Schemat siłowy przedstawiono na rys.2-a, który
został zbudowany za pomocą czterech tranzystorów mocy, zbocznikowanych diodami
zwrotnymi, oraz dwóch diod Clumped D1, D2, połączonych wspólnym zaciskom z zaciskom
zerowym Ĩródła zasilania.
ModulacjĊ sinusoidalną dwupoziomową napiĊcia wyjĞciowego w tym falowniku realizuje siĊ
w wyniku porównania na dwóch komparatorach sinusoidalnego sygnału modulacyjnego o
czĊstotliwoĞci 50Hz z dwoma sygnałami modulującymi (trój kątowymi, przesuniĊtymi
miĊdzy sobą poziomo) o czĊstotliwoĞci impulsowania fimp=1200Hz (patrz rys. 2b).
Zacisk wyjĞciowy falownika moĪe byü za poĞrednictwem włączania lub dwóch tranzystorów
górnych T11,T12, lub dwóch tranzystorów dolnych T41,T42, lub dwóch tranzystorów
188
Ğrodkowych T12,T42 połączony lub z zaciskom dodatnim, lub z zaciskom ujemnym, lub z
zaciskom zerowym Ĩródła zasilania. W wyniku napiĊcie uL(t) na odbiorniku (patrz rys. 2c)
jest krzywą o modulacji jednobiegunowej sinusoidalnej (z amplitudą równą Udc/2), a prąd
odbiornika iL(t) – quasi sinusoidalnym. Z przebiegu napiĊcia na tranzystorze uT11(t) moĪna
wnioskowaü, Īe wartoĞci chwilowe napiĊü na tranzystorze T11 zmieniają siĊ w granicach
polowy napiĊcia Ĩródła zasilania Udc/2.
ɚ)
b)
T11
U dc1
+
C1
+
C2
U dc
T12
T41
U dc2
T42
0
iLA
c)
Rys. 2. Falownik trójpoziomowy: a)schemat siłowy; b) sygnły sterujace; c) przebiegi napiĊcia
tranzystora uT11(t) oraz napiĊcia uL(t) i prądu iL(t) odbiornika
Rozpatrzmy budowĊ i zasadĊ pracy 5-poziomowego FN jednofazowego z diodami DC
(rys. 3). W charakterze Ĩródła zasilania wykorzystywane cztery włączonych szeregowo Ĩródła
zasilania o równej wartoĞci Udc/4, stwarzające wg zaciska zerowego dwa dodatnich i dwa
ujemnych pozioma napiĊü +Udc/4, +Udc/2. GałąĨ siłowa falownika składa siĊ z oĞmiu
tranzystorów Ɍ11-Ɍ14 i Ɍ21-Ɍ24, zbocznikowanych diodami zwrotnymi, oraz z trzech par
diod Clumped (D1-D2, D3- D4, D5-D6).
ModulacjĊ sinusoidalną realizuje siĊ w wyniku porównania na czterech komparatorach
sinusoidalnego sygnału modulacyjnego o czĊstotliwoĞci 50Hz ze czterema sygnałami
modulującymi (trój kątowymi, przesuniĊtymi miĊdzy sobą poziomo) o czĊstotliwoĞci
impulsowania fimp=1200Hz (rys. 3b). KaĪdy z komparatorów sterujĊ dwoma tranzystorami
mocy w przeciw fazie (jednym z górnej gałĊzi, a drugim z dolnej gałĊzi falownika).
W wyniku napiĊcie uL(t) na odbiorniku (rys. 3c) jest krzywą o kształcie 5-poziomowym
(czyli 2-schodkowym w ciągu kaĪdej półfali napiĊcia), jak równieĪ o modulacji amplitudowoimpulsowej (MAI), a prąd odbiornika iL(t) – praktycznie sinusoidalnym.
189
ZwiĊkszając liczbĊ poziomów w FN, tym samym obniĪamy napiĊcia na tranzystorach. Dla
porównania w falowniku 3-poziomowym wartoĞci chwilowe napiĊü na tranzystorach
siłowych znajdują siĊ w granicach Udc/2, a w falowniku 5-poziomowym – w granicach
napiĊcia Udc/4.
Sekcjonowane Ĩródło zasilanie z rys. 3a przedstawiono za pomocą czterech szeregowo
włączonych Ĩródeł o jednakowej wartoĞci napiĊcia zasilania, które moĪna wymieniü na jedno
Ĩródło napiĊcia Udc z dzielnikiem napiĊcia w postaci czterech włączonych szeregowo
kondensatorów z poszczególnym napiĊciem Udc/4. Przy tym osobnym waĪnym zagadnieniem
jest podtrzymanie stabilnym napiĊcia na kondensatorach. NiestabilnoĞü napiĊü wynika z faktu
istnienia niejednakowego czasu ładowania i rozładowania poszczególnych kondensatorów za
okres napiĊcia wyjĞciowego falownika. Jednak to zagadnienie wybiega poza obszar pracy
niniejszego badania wielopoziomowych FN z diodami DC.
ɚ)
b)
Udc3
Udc1
+
+
C3
T11
T12
C1
T13
T14
U dc
T41
+ C2
T42
Udc2
Udc4
+
C4
T43
T44
0
i LA
c)
Rys. 3. Falownik5-poziomowy: a)schemat siłowy; b) sygnły sterujace; c) przebiegi napiĊcia uL(t) i
prądu iL(t) odbiornika
W s - poziomowym FN, w którym parametr s niech przyjmuje wartoĞci s = 3,5,7,... oraz
zakładając sumaryczną wartoĞü włączonych szeregowo Ĩródeł równą Udc, to wartoĞci
poszczególnych poziomów napiĊcia Ĩródła moĪna opisaü wzorem Udc/(s –1). Odpowiednio
wartoĞci chwilowe napiĊü na tranzystorach siłowych w s – poziomowym FN bĊdą znajdowaü
siĊ w granicach Udc/(s –1).
190
Z przedstawionych na rys. 2b i rys. 3c przebiegów sygnałów sterujących w 3-poziomowym i
5-poziomowym FN moĪna zauwaĪyü, Īe, regulując amplitudĊ i czĊstotliwoĞü sygnału
sinusoidalnego, w wyniku osiągamy niezaleĪną regulacjĊ wielkoĞci napiĊcia i czĊstotliwoĞci
wyjĞciowych tych falowników.
4. ZAKRESY REGULACJI NAPIĉû WYJĝCIOWYCH W FALOWNIKACH Z DC
W celu obliczenia wskaĨników energetycznych w obwodach wyjĞciowych 2-ch, 3-ch i 5-o
poziomowych falownikach z diodami DC na podstawie pakietu symulacyjnego Tcad6.2
wykonano szereg symulacji w funkcji głĊbokoĞci modulacji mA przy nastĊpujących
parametrach: wartoĞü napiĊcia zasilania falownika Udɫ=300V, wzglĊdna czĊstotliwoĞü
impulsowania fmod* = 24, RL-obciąĪenie (przy f=50Hz, S=1kVA, cosϕ = 0,996, 0,906,
0,707). Współczynnik głĊbokoĞci modulacji mA okreĞlamy jako stosunek amplitudy sygnału
sinusoidalnego do amplitudy sumarycznej sygnału trójkątowego modulującego.
Zbadano charakterystyki regulacyjne UL1* = f(mA) przy 0.1 ” mA ” 1.7, parametrach
odbiornika cosϕ = 0,996, 0,906, 0,707 – przedstawione na rys. 4a oraz widmo harmoniczne
napiĊcia wyjĞciowego 3-poziomowego falownika przy fimp* = 24 i mA=0.9 - pokazane na
rys. 4b.
a)
b)
Magnitude
120
100
80
60
40
20
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
Total RMS: 113.573326282
Summed-Harmonics RMS: 108.291982293
Rys. 4. UL1* = f(mA) charakterystyki regulacyjne – (a); widmo harmoniczne napiecia wyjsciowego(b);
Parametr UL1* charakterystyki regulacyjne jest definiowany jako stosunek wartoĞci skutecznej
amplitudy podstawowej harmonicznej napiĊcia wyjĞciowego do napiĊcia zasilania falownika
UL1*= UL1/Udc. Dla rozpatrywanych falowników 2-ch, 3-ch i 5-o poziomowych wspólną
cechą jest to, Īe współczynnik UL1* przyjmuje podobne wartoĞci dla poszczególnych
falowników w zaleĪnoĞci od współczynnika głĊbokoĞci modulacji.
W kaĪdym z rozpatrzonych falowników 2-ch, 3-ch i 5-o poziomowych moĪna zauwaĪyü
poprawĊ widm harmonicznych napiĊü wyjĞciowych uL(t) dziĊki tłumieniu harmonicznych
wysokoczĊstotliwoĞciowych bliskich podstawowej harmonicznej oraz przesuniĊciu
znaczących wg wartoĞci harmonik w.cz. w stronĊ wysokich czĊstotliwoĞci do fimp. Poza tym
191
w falowników z diodami DC zarówno amplituda harmonicznej podstawowej, jak i jej wartoĞü
skuteczna zaleĪą od głĊbokoĞci modulacji mA.
W charakterze parametru oceny jakoĞci energii wyjĞciowej badanych falowników, przy
opisaniu którego uwzglĊdniany są amplitudy harmonicznych składowych oraz ich numery
rządowe w widmie harmonicznym, najlepiej nadaje siĊ współczynnik zawartoĞci wyĪszych
harmonicznych prądu wyjĞciowego THD(IL) falownika.
Dla dogodnoĞci przeprowadzenie ocen porównywalnych z innymi rodzajami PWM w FN na
podstawie danych symulacji obliczone zakresy regulacji napiĊü wyjĞciowych z THD(IL) <
14.3% , które zestawione w postaci tab.l.
Tab. 1. Zakresy regulacji napiĊü wyjĞciowych z THD(IL) < 14.3%
2-poziom.FN
3-poziom. FN
5-poziom. FN
0.966
12%
44%
72%
0.906
31%
76%
88%
0/707
52%
100%
100%
cosϕ
Z powyĪszej Tab.1 moĪna zauwaĪyü doĞü znaczące rozszerzenie zakresów regulacji napiĊü
wyjĞciowych o podwyĪszonej jakoĞci energii wyjĞciowej w porównaniu z 2-poziomowymi
FN jak w 3-poziomowych falownikach, oraz jeszcze bardziej znaczące w 5-poziomowych FN
c diodami DC.
5. ZAKOēCZENIE
Przedstawione dane stwarzają moĪliwoĞci przeprowadzenia na wstĊpnym etapie
projektowania oceny i wyboru, w zaleĪnoĞci od wymaganych zakresów sterowania oraz
zadanej jakoĞci energii wyjĞciowej, falownik o odpowiedniej strukturze i liczbie
kształtowanych poziomów napiĊcia wyjĞciowego.
Przedstawione podejĞcie dotyczące okreĞlenia i oceny zakresów regulacji napiĊü wyjĞciowych
o zadanej jakoĞci energii wyjĞciowej moĪna rozszerzyü równieĪ na falowniki o innej
strukturze oraz innej liczbie poziomów napiĊü wyjĞciowych.
LITERATURA
[1] E.N. Greczko, J.J. Kuleszow: Optimalnyj sintez inwertorów o amplitudno- impulsnoj
modulacij, Kijów: Nauk.dumka, 220s., 1987
[2] G. Sinha, T. A. Lipo: A Four Level Inverter Based Drive With a Passive Front End,
Proc.IEEE-PESC'’99 Conf., pp.590-595
[3] Y. Shakweh, E. A. Lewis: Asessment Of Medium Voltage PWM VSI Topolodi3es For
Multi-Megawatt Variable Speed Drive Applications, Proc. PESC’99 Conf., pp.965-970
192