UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREŞTI FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ
Teme de casă "Modelarea şi comanda convertoarelor statice"
Student: SANDU CRI STI AN
îndrumător: Pro f. Profesor Dr. I ng. Dan FL ORI CAU
EPA1 2014
Tema 1 Sa se implementeze comanda convertorului 3L-NPC-CI pentru cazul trifazat si sa se studieze proprietatile structurii. S-a notat cu N punctul neutru al sarcinii , iar vAN reprezinta valoarea tensiunii de faza. Se va considera inductorul cu cuplaj magnetic 1 mH/0 9 mH/ 1 mH iar sarcina de tip RL . Tensiunea de alimentare este egala cu 100 V. Pentru semnalele de referinta se va considera comanda DPWM pe 6 sectoare. .
Rezultatele se vor compara cu structura clasica 2L.
Figura 1. Convertor 3L-NPC-CI monofazat. Implementarea convertorului 3L-NPC-CI este prezentata in figura urmatoare.
Figura 2. Convertor 3L-NPC-CI trifazat.
Comanda implementata este una de tip DPWM care permite extinderea functionarii invertorului in cea de a doua zona de liniaritate avand posibilitatea de a obtine o valoare maxima a tensiunii la iesirea acestui egala cu din tensiunea continua de alimentare. (Figura 3). Tensiunea obtinuta la iesirea invertorului pentru un grad de modulare egal cu 0.8 este una sinusoidala cu trei trepte 0, -0.8* si 0.8* .
Figura 3. Tensiunea de linie UAB.
Figura 4. Implementarea comenzii DPWM.
Crescand numarul de niveluri ale tensiunii scade THD tensiunii de linie, amplitudinea armonicelor care apar la frecventa undei purtatoare si in jurul acesteia si a multiplilor acesteia este mai mica in cazul invertorului 3L-NPC-CI decat in cazul invertorului 2L, de asemenea realizandu-se dublarea aparenta a frecventri de comutatie avand acelasi tip de comanda DPMW si aceasi frecventa de comutatie de 5 kHz.
Figura 5. Analiza tensiunii de linie invertor 3L-NPC-CI.
Figura 6. Analiza tensiunii de linie invertor 2L. Utilizand acest tip de convertor se poate realiza dublarea aparenta a frecventei de comutatie implementand o comanda discontinua cu injectarea armonicii a treia, deci se poate scadea la jumatate valoarea inductivitatii L pentru aceasi valoarea impusa a ondulatilor curentullui. Principalul dezavantaj al invertorului trifazat 3L-NPC-CI este reprezentat de utilizarea celor trei bobine cuplate magnetic, fapt care ii creste considerabil pretul.
Tema 2 Sa se implementeze comanda convertorului 5L-NPC-CI pentru cazul trifazat si sa se studieze propietatile structurii. S-a notat cu N punctul neutru al sarcinii , iar vAN reprezinta valoarea tensiunii de faz. Se va considera inductorul cu cuplaj magnetic 1 mH/0 9 mH/ 1 mH , condensatorele C1 si C2 au valoarea de 4700 uF, iar sarcina de tip RL (R=10 Ω, L=1 mH) . Tensiunea de alimentare este egala cu 100 V. Pentru semnalele de referinta se va considera comanda DPWM pe 6 sectoare. Rezultatele obtinute se vor compara cu structura 3L-NPC. .
Figura 1. Convertor 5L-NPC-CI monofazat.
Schema implementata in PSIM este prezentata in figura urmatoare:
Figura 2. Implementare PSIM convertor 5L-NPC-CI trifazat. Comanda implementata in PSIM este una de tip PWM care utilizeaza trei unde de referinta sinusoidale pentru fiecare faza a convertorului si patru unde purtatoare pentru comanda celor patru tranzistoare de pe fiecare brat in parte, de asemenea pentru implementarea comezii sunt necesare trei semnale de inhibarea care au valoarea "1" atunci cand tensiunea de referinta este pozitiva si valoarea "0: pe alternanta negativa.
Figura 3. Comanda tranzistoarelor de pe faza A.
Tensiunea de linie de la iesirea invertorului este una de tip alternativ cu noua 0, -25, -50, -75, -100, 25, 50, 75, 100 V.
Figura 4. Tensiunea de linie de la iesirea invertorului. Comanda convertorului utilizeaza trei semnale de inhibare care sunt 1 pe alternanta pozitiva a undei de referinta de pe faza respectiva si 0 pe faza negativa a acesteia. Analiza in frecventa a tensiunii de linie confirma faptul ca aceasta comanda implementata pentru structura 5L-NPC-CI permite dublarea frecventei aparente de comutatie, armonicele avand frecvente egale cu multiplii pari ai frecventei de comutatie si in jurul acestor frecvente.
Figura 5. Analiza FFR a tensiunii de linie de la iesirea invertorului.
Spre deosebire de aceasta structura ,5L-NPC-CI, structura 3L-NPC nu permite dublarea aparenta a frecventei de comutatie, tensiunea de linie avand doar trei niveluri spre deosebire de cele noua din cazul 5L-NPC-CI.
Figura 6. Tensiunea de linie UAB caz 3L-NPC.
Figura 7. Analiza in frecventa a tensiunii de linie UAB caz 3L-NPC.
Tema 3 Redresorul 3L Vienna este un convertor unidirectional continuu-alternativ tip PFC si realizeaza un transfer al puterii intre o sursa de curent si o sursa de tensiune. Sa se implementeze comanda directa pentru structura monofazata si sa se studieze propietatile acesteia. De asemenea se studiaza solicitarile in in tensiune ale dispozitivelor semiconductoare. Se va considera un
inductor (0.2 Ω si 3 mH ) conectat in serie cu o sursa alternativa de alimentare de 200 V. Sarcina este de tip R=50 Ω, iar C=6600 μF. Rezultatele obtinute sevor compara cu structura monofazata PFC.
Figura 1. Convertorul 3L Vienna. Implementarea redresorului 3L- Vienna este prezentata in figura urmatoare.
Figura 2. Convertorul 3L Vienna implementat in PSIM. Comanda invertorului este una de tip direct in care valoarea curentului maxim ce la iesirea invertorului este limitat la 50 A , condensatoarele de filtrare fiind incarcate fiecare la 200 V initial, banda de histerezis avand o latime de 1.6 A.
Figura 3. Comanda directa redresorul 3L Vienna implementat in PSIM. Evolutia tensiunii la bornele sarcinii in functie de regimul impus de parametrii regulatorului PI este prezentata in figura urmatoare.
Figura 4. Tensiunea de la bornele sarcinii.
Tensiunea de la iesirea convertorului este una alternativa avand trei trepte 0, -200 si 200 V.
Figura 5. Tensiunea de iesirea invertorului. Tensiunea comutata de tranzistor cat si de cele patru diode este egala cu jumatate din tensiunea continua de alimentare. (Figura 6 ).
Figura 5. Tensiunea comutata de dispozitivele semiconductoare.
Corectorul factorului de putere monofazat de tip activ este alcatuit dintr-un redresor
necomandat cu diode, cascadat cuun chopper de tip “boost’ care alimenteaza o sarcina de tip rezistiv Implementarea acestuia in mediul de simulare PSIM este prezentata in figura urmatoare:
Figura 6. Corector monofazat al factorului de putere.
Comanda convertorului este urmatoarea:
Figura 7. Comanda corector monofazat al factorului de putere. Se stabileste tensiunea dorita la bornele sarcinii,din aceasta tensiune este scazuta tensiunea masurata de la bornele sarcinii,iar rezultatul(eroarea) este introdusa intr-un regulator de tensiune.Iesirea
din regulatorul de tensiunea va fi curentul de referinta care ar trebui sa treaca prin inductivitatea “L” pentru a obtine tensiunea dorita la iesire.Acest curent este saturat pentru a proteja componentele de comutatie din schema(diode).Curentul de referinta va fi inmultit cu faza tensiunii de la iesirea redresorului pentru a face defazajul dintre curentul prin bobina si tensiunea de la iesirea redresorului sa fie zero.
Din acest curent de referinta este scazut curentul masurat prin inductivitatea “L”,iar eroarea este aplicata unui regulator de curent de tip”PI”.Iesirea regulatorului de curent este tensiunea de referinta de la bornele inductivitatii. Din aceasta tensiune se scade tensiunea masurata de la iesirea redresorului ,diferenta lor este impartita la tensiunea de la bornele sarcinii,rezultatul impartirii fiind egal cu “α-1”,dupa care se adauga valoarea “1” pentru a-l obtine pe “α”.Dupa obtinerea valorii lui “α” tranzistorul este
comandat pe principiul modularii pulsurilor in latime,prin compararea lui “α” cu
o unda de tip
triunghiular .Pe durata cat tranzistorul este in conductie,bobina va inmagazina energie,iar cand tranzistorul va fi blocat energia acumulata vafi cedata sarcinii prindioda din componenta chopperului. Spre deosebire de structura convertorului 3L Vienna dispozitivele semiconductoare comuta intreaga tensiune de alimentare.
Tema 4 Celula 3L este obtinuta prin inserierea a doua celule elementare 2L. Intre celulele elementare se conecteaza o sursa intermediara de tensiune. In practica acesta tensiune intermediara este inlocuita cu un condensator care se incarca la o tensiune egala cu jumatate din tensiunea de alimentare. In figura de mai jos este prezentat invertorul in semipunte 3L-FC. Acesta este un convertor multinivel bidirectional continuu alternativ si realizeaza transferul puterii intre o sursa de tensiune si un generator de curent. Sa se implmenteze comanad PS studiata la curs si sa se studieze propietatile acesteia. De asemenea se studiaza solicitarile in tensiune ale dispozitivelor semiconductoare si ondulatiile curentului prin sarcina. Se va considera o sursa de alimentare de 200 V, condensatoarele C1=C2=4700 uF, iar valoarea condensatorului flotant se va calcula.
Sarcina este de tip RL (R=10 Ω,L=10 mH) . Pentru a se obtine o mai rapida stabilizare a tensiunii la bornele condensatorului C se va calcula un filtru RLC acordat pe o frecventa de comutatie. Circuitul se va conecta in paralel cu sarcina. Rezultatele obtinute se vor compara cu structurile 3L-NPC si 3L-ANPC.
Figura 1. Convertor 3L- FC. Pentru calculul lui C se vor impune ondulatiile maxime ale tensiunii la bornele condensatorului intermediar. S-a notat cu p numarul celulelor de comutatie. Relatii de calcul :
√
Valoarea efectiva a curentului prin sarcina este aproximativ egala cu 5.08 A. Ondulatiile tensiunii la bornele condensatorului se aleg sa fie egale cu alimentare, adica 10 V adica valaorea lui C este:
5% din tensiunea continua de
Schema convertorului implementata in PSIM este urmatoarea.
Figura 2. Implementarea schemei in PSIM.
Comanda convertorului se realizeaza prin compararea unei unde de referinta sinusoidala cu doua unde purtatoare triunghiulare defazate la 180 0. Din compararea referintei cu prima unda rezulta comanda pentru tranzistorul T1, respectiv complementarul acestuia T1c, iar din compararea referintei cu cea de a doua unda purtatoare rezulta comanda pentru celelalte doua tranzistoare.
Figura 3 . Comanda convertorului. Variatia tensiunii la bornele condensatorului se incadreaza in limita impusa demaxim 10 V (Figura 4).
Figura 4 .Variatia tensiunii la bornele condensatorului intermediar . Tensiunea de la iesirea convertorului este una alternativa avand trei niveluri 0, 100 si -100 V.
Figura 5 .Tensiunea de la iesirea convertorului .
Facand analiza in frecventa a tensiunii se observa faptul ca apar armonici la frecvente egale cu multiplii pari ai frecventei de comutatie si in jurul acestor frecvente, ceea ce inseamna ca se realizeaza dublarea frecventei aparente de comutatie.
Figura 6 . Analiza in frecventa a tensiunii de la iesirea convertorului.
Pentru calculul filtrului se considera o frecventa de comutatie egala cu 5 kHz, rezultand
√
Se alege o inductivitate de 5 mH rezultand o capacitate egala cu
.
Din conditia
rezulta
Tensiunea comutata de fiecare dispozitiv in parte este egala cu 100 de V, fapt corelat cu dublarea frecventei aparente de comutatie ducand la reducerea de patru ori a valorii inductivitatii L pentru aceleasi ondulatii ale curentului prin sarcina impuse:
Comanda PS a innvertorului 3L-FC spre deosebire de invertorul 3L-NPC permite dublarea frecventei aparente de comutatie, fapt care duce la o injumatatire a inductivitatii L, tensiunea comutata de fiecare dispozitiv in parte fiind egala cu jumatate din tensiunea continua de alimentare in ambele cazuri.
Figura 6. Convertor 3L-NPC.