ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΣΥΝΘΕΣΗ DC ΚΑΙ ΧΑΜΗΛΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ AC Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 1 Τα Θέματα Διακοπτικός πόλος αμφίδρομης ροής ισχύος Αντιστροφείς διακοπτικού τύπου Αρμονικές που παράγει η PWM Μονοφασικοί αντιστροφείς Τριφασικοί αντιστροφείς SINE-PWM, Space Vector - PWM 2 1

2 Αντιστροφείς διακοπτικού τύπου DC - AC Αμφίδρομη ροή ισχύος Μετατροπείς διακοπτικού τύπου για κίνηση και πέδηση ac κινητήριου συστήματος 3 Αντιστροφείς Μετατροπείς που έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν μια πηγή συνεχούς τάσης ή ρεύματος σε εναλλασσόμενη με μεταβλητή συχνότητα και πλάτος. Εφαρμογές: Συστήματα ελέγχου ηλεκτρικών μηχανών Συστήματα ΑΠΕ Ενεργά φίλτρα για μείωση αρμονικών, ενεργά συστήματα διόρθωσης συντελεστή ισχύος. Συστήματα αδιάλειπτης παροχής ισχύος. 4 2

3 Μετατροπείς για κινητήρες Οι μετατροπείς πρέπει να έχουν τη δυνατότητα αμφίδρομης ροής ισχύος. Χρειαζόμαστε δύο τέτοιους στοιχειώδεις διακοπτικούς πόλους ισχύος για κινητήρες DC ή μονοφασικές εφαρμογές και τρεις για τριφασικές εφαρμογές 5 Μονοφασικός αντιστροφέας Ας δούμε έναν αντιστροφέα που τροφοδοτεί επαγωγικό φορτίο Λειτουργία στα τέσσερα τεταρτημόρια 6 3

4 Διακοπτικός πόλος ισχύος το στοιχειώδες μέρος Εφαρμογή ενός μετατροπέα υποβιβασμού ή ανύψωσης προϋποθέτει ροή ισχύος σε μια κατεύθυνση. Συνδυασμός των δύο μετατροπέων μας δίνει τη δυνατότητα όταν δίνουμε συμπληρωματικό σήμα έναυσης στους διακόπτες, να έχουμε αμφίδρομη ροή ισχύος 7 Συμπληρωματική λειτουργία μετατροπέα ανύψωσης και υποβιβασμού τάσης Το θετικό ρεύμα στο πηνίο αντιπροσωπεύει τον τρόπο λειτουργίας υποβιβασμού τάσης (Λαμβάνουν μέρος μόνο ο διακόπτης και η δίοδος που είναι μέρος του) και το αρνητικό ρεύμα στο πηνίο αντιπροσωπεύει τον τρόπο λειτουργίας ανύψωσης τάσης 8 4

5 Διαφορικό τάσης Η τάση στην είσοδο της πύλης ρεύματος είναι πάντα θετικής πολικότητας Η τάση εξόδου των μετατροπέων για εφαρμογές σε AC ή ηλεκτρικούς κινητήρες πρέπει να μπορεί να αντιστραφεί Αυτό γίνεται με την εισαγωγή κοινής τάσης λειτουργίας και παίρνοντας το διαφορικό εξόδου. 9 Διαμόρφωση εύρους παλμών στο μισό διακοπτικό πόλο αμφίδρομης ροής ισχύος Εδώ η λειτουργία μπορεί να γίνει στα δύο τεταρτημόρια, μπορεί να έχουμε αμφίδρομη ροή ρεύματος αλλά η πολικότητα της τάσης θα πρέπει να παραμείνει η ίδια. 10 5

6 Διαμόρφωση εύρους παλμών Σε ολόκληρο το διακοπτικό πόλο αμφίδρομης ροής ισχύος Λειτουργία στα τέσσερα τεταρτημόρια, έχουμε την ευχέρεια να μπορούμε να αλλάζουμε τόσο την κατεύθυνση του ρεύματος όσο και την πολικότητα της τάσης. 11 Σύνθεση χαμηλής συχνότητας AC Ενόσω η συχνότητα της τάσης που θέλουμε να συνθέσουμε είναι δύο με τρεις τάξεις μικρότερη της συχνότητας μετάβασης, μπορούμε να επεκτείνουμε τη μέθοδο σύνθεσης DC με αμφίδρομη ροή ισχύος για να την πάρουμε. 12 6

7 Σύνθεση ημιτονοειδούς κυματομορφής με PWM Για την παραγωγή μιας ημιτονοειδούς τάσης εξόδου σε μια επιθυμητή συχνότητα συγκρίνεται ένα ημιτονοειδές σήμα ελέγχου στην επιθυμητή Επιθυμητή συχνότητα = Συχνότητα διαμόρφωσης συχνότητα με μια τριγωνική κυματομορφή Η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής και το πλάτος της διατηρούνται σταθερά 13 Μέσες τάσεις στο διακοπτικό κύκλο 14 7

8 Αρμονικές που παράγονται από την PWM Ο λόγος που επιλέξαμε τριγωνικό σήμα για τον έλεγχο της διαμόρφωσης εύρους παλμών αντί του πριονοειδούς που χρησιμοποιήσαμε στους DC-DC μετατροπείς είναι γιατί μειώνει τις αρμονικές στην παραγόμενη τάση Εάν η τάση ελέγχου είναι DC τότε στην έξοδο έχουμε αρμονικές τάσης πολλαπλάσιες της συχνότητας μετάβασης f s Εάν η τάση ελέγχου μεταβάλλεται σε μια χαμηλή συχνότητα f 1 τότε εμφανίζεται επιπρόσθετα πλευρική ζώνη συχνοτήτων με κέντρο τη συχνότητα μετάβασης που εκφράζεται ως ακολούθως 15 Έλεγχος τάσης - υπέρδιαμόρφωση Vˆ ma = Vˆ control tri -συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους, το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης εξόδου μεταβάλλεται γραμμικά με το m a ενόσω μικρότερο από 1 Γραμμική Υπερδιαμόρφωση m f s f = -συντελεστής διαμόρφωσης f συχνότητας 1 Για m f 9 Τα πλάτη των αρμονικών είναι σχεδόν ανεξάρτητα από το m f 16 8

9 Αρμονικές λόγω υπέρδιαμόρφωσης Είναι αρμονικές της θεμελιώδους συχνότητας 17 Αντιστροφέας μισής γέφυρας Οι πυκνωτές παρέχουν το μέσο σημείο 18 9

10 Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας Αποτελείται από δύο στοιχειώδεις διακοπτικούς πόλους ισχύος 19 Αντιστοιχίστε για τον Μονοφασικό αντιστροφέα πλήρους γέφυρας Ποιοι διακόπτες είναι ON κάθε φορά και από ποια στοιχεία άγεται το ρεύμα 20 10

11 Τριφασικός Αντιστροφέας Αποτελείται από τρείς στοιχειώδεις διακοπτικούς πόλους ισχύος, το μέσο σημείο με πυκνωτή είναι εικονικό 21 SINE PWM, SV - PWM ˆ ˆ SINE PWM ˆ Vd V ph) = 2 ( max Έτσι έχουμε περιορισμό: 3V 2 d ( VLL ) max = 3( Vph) max = V d (Space Vector)-SV - PWM Τα ανύσματα χώρου χρησιμοποιούνται στην ανάλυση ηλεκτρικών μηχανών γιαναπαραστήσουνμεένασυμπαγή τρόπο την τριφασική στιγμιαία τάση ή άλλο μέγεθος με ένα άνυσμα

12 (Space Vector)SV - PWM Η διαμόρφωση εύρους παλμών με ανύσματα χώρου μας δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε καλύτερα τη διαθέσιμη τάση DC με αποτέλεσμα να μπορούμε να πάρουμε εναλλασσόμενη τάση κατά 15% ψηλότερααπόαυτήπουθαπαίρναμεαπότην SINE-PWM. Μπορούμε να πάρουμε τάση ( V ˆ LL ) max = V d Σε κάθε στιγμή d c d a = 1 Δd = 1+ Δd Έχουμε 6 τμήματα, ας δούμε το σκιασμένο τμήμα ν LL = ν ν an cn = d V d V a d c d 23 Σχέσεις στους αντιστροφείς SINE- PWM Στον μετατροπέα τεσσάρων τεταρτημόριων: οπόταν ν AB ν Ao = DV d ν AB = ( 2D 1) V d o ν d Bo = ( 1 D) V =ν = DV ( 1 D) V ν = + o D Vd ν = ˆ sin πft + ϑ Εάν θέλουμε να παράξουμε ( ) d d o V o 2 μπορούμε να βρούμε το D Στον τριφασικό αντιστροφέα προγραμματίζουμε τα D A, D B, D C vα παράγουν τριφασικές τάσεις. ˆ ˆ Vcntrl Vd V Ισχύει ότι το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας d ( VAo) 1 = = ma ma 1 στον μισό πόλο αμφίδρομης ροής ισχύος Vˆ 2 2 tri Οπόταν η πολική τάση του τριφασικού αντιστροφέα rms Vd 3 VL L = ma = maVd

13 Εξομοίωση στο PSpice Θα δούμε PWMinv3.sch pwninv3ph_avg.sch 25 3φασικός αντιστροφέας με διαμόρφωση SINE-PWM Τριφασική τάση διαμόρφωσης, 50 Ηz, με τιμή κορυφής 80V peak (οι φασικές τάσεις, V ca, V cb, V cc ) Τριγωνική τάση φέροντος σήματος, 100V peak, 1050 Hz 26 13

14 Οι τρεις τάσεις διαμόρφωσης και το φέρον σήμα 27 Η τάση της πρώτης φάσης (V AN ) ως προς τον αρνητικό πόλο της dc πλευράς 28 14

15 Η τάση της δεύτερης φάσης (V ΒN ) ως προς τον αρνητικό πόλο της dc πλευράς 29 Οι δύο φασικές τάσεις (V AN, V ΒN ) και η πολική τάση το φορτίο V AB 30 15

16 H πολική τάση V AB και η μέση τιμή της 31 Η φασική τάση του φορτίου (ως προς τον ουδέτερο κόμβο του φορτίου) και η μέση τιμή 2 1 v A = van ( vbn + v CN ) 32 16

17 Τα τρία ρεύματα φορτίου και το ρεύμα της dc πλευράς. Το ρεύμα στην dc πλευρά (Ι d ) είναι είτε κάποιο από τα i A, i B, i C, είτε κάποια από τις διαφορές τους i A -i B 33 Παραδείγματα Πώς θα είναι η κυματομορφή εξόδου εάν οm a γίνει τόσο μεγάλος ώστε η κυματομορφή της τάσης ελέγχου τέμνεται με τη τριγωνική κυματομορφή μόνο στο μηδενισμό της. Έχουμε πηγή 200V, συνδεδεμένη με αντιστροφέα πλήρους γέφυρας θέλουμε να συνθέσουμε ημιτονοειδή τάση με rms 120V στη συχνότητα 97 Hz, και διαφορά φάσης με υστέρηση 35 μοιρών, βρείτε τη συνάρτηση αλλαγής της σχετικής διάρκειας αγωγής που πρέπει να προγραμματίσουμε 34 17