ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΜΥ 499

Transcript

1 ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΜΥ 499 ΟΜΗ ΙΑΚΟΠΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέµατα Επιλογή διακοπτών Επεξεργαστής ισχύος Μονοφασικοί µετατροπείς, κυµατοµορφές Τριφασικοί µετατροπείς Μετατροπείς 12, 24 παλµών Μετατροπέας γέφυρας τριών, πέντε επιπέδων ιαµόρφωση εύρους παλµών Αλυσιδωτός µετατροπέας Γέφυρα µε Thyristor

2 Ηµιαγωγοί και FACTS Γενικά στα Ευέλικτα Συστήµατα Μεταφοράς χρειάζονται εφαρµογές από δεκάδες µέχρι εκατοντάδες MW. Η βάση είναι µετατροπείς AC/DC ή DC/AC ή/και µεγάλης ισχύος διακόπτες. Ονοµαστική τάση τέτοιων ηµιαγωγών κυµαίνεται από 5-10 kv και η ένταση 1-5 ka, εποµένως συνδέονται σε σειρά και παράλληλα για να επιτευχθεί η απαιτούµενη ισχύς. Οι ονοµαστικές τιµές των ηµιαγωγών καθώς και οι χαρακτηριστικές τους έχουν σηµαντικό αντίκτυπο στο κόστος, την απόδοση, το µέγεθος, το βάρος και τις απώλειες των συσκευών ισχύος (που µπορεί να συµπεριλαµβάνει και άλλο εξοπλισµό όπωςφίλτρα, κυκλώµατα οδήγησης, προστασίας, µετασχηµατιστές, µαγνητικά κυκλώµατα, εξοπλισµό ψύξης κ.α.). TRANSISTORS ΙΣΧΥΟΣ ΙΟ ΟΙ ΙΣΧΥΟΣ Επιλογή διακοπτών Τάση και αντίσταση αγωγιµότητας καθορίζουν τις απώλειες αγωγιµότητας Οι χρόνοι µετάβασης καθορίζουν τις απώλειες µετάβασης Οι ονοµαστικές τάσεις και ρεύµατα καθορίζουν την ικανότητα διαχείρισης ισχύος Η ισχύς στο κύκλωµα ελέγχου καθορίζει την ευκολία έλεγχου Οθερµοκρασιακός συντελεστής καθορίζει την ευκολία παραλληλισµού Κόστος

3 Επιλογή στοιχείων ισχύος MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) IGBTs (insulated-gate Bipolar Transistors) διπολικά transistor µε µονωµένη πύλη IGCTs (Integrated-Gate-Controlled Thyristors) GTOs (Gate-Turn-Off thyristors) thyristor µε έλεγχο της σβέσης από την πύλη BJTs (Bipolar-Junction Transistors) διπολικά transistor επαφής SITs (Static Induction Transistors) MCTs (MOS-Controlled Thyristors) κλπ. Επεξεργαστής ισχύος οµές VSC, CSC Aυτή η δοµή σύνδεσης τάσης λέγεται Voltagelink ή Voltage Source Converter (VSC) Η DC τάση έχει µια πολικότητα και η ροή ισχύος αντιστρέφεται µε αντιστροφή της ροής του ρεύµατος οµή σύνδεσης ρεύµατος Current Link η οποία ονοµάζεται και δοµή Current Source Converter (CSC). Το DC ρεύµα έχει µια πολικότητα και η ροή ισχύος αντιστρέφεται µε αντιστροφή της πολικότητας της τάσης. Για οικονοµικούς και λειτουργικούς λόγους, η δοµή σύνδεσηςτάσης(vsc) προτιµάται σαν δοµή επεξεργαστών ισχύος στα ευέλικτα συστήµατα µεταφοράς

4 Μονοφασικός Μετατροπέας πλήρους γέφυρας άλλος συµβολισµός Κυµατοµορφές Μονοφασικού Μετατροπέα πλήρους γέφυρας Η κύρια συνιστώσα Οι άλλες αρµονικές

5 Τεταρτηµόρια λειτουργίας Μονοφασικός Μετατροπέας µισής γέφυρας

6 Κυµατοµορφές Μονοφασικού Μετατροπέα µισής γέφυρας Τριφασικός Μετατροπέας πλήρους γέφυρας

7 Κυµατοµορφές τάσης, ρεύµατος Αρµονικές τάσεις τριφασικού µετατροπέα Η κύρια αρµονική συνιστώσα των τάσεων V A0, V B0, V C0 Το πλάτος της πολικής τάσης Το πλάτος των υπόλοιπων αρµονικών

8 Λειτουργία 12 παλµών Μετατροπέας 12 παλµών µε δευτερεύοντα κυκλώµατα Υ και Σύνδεση σε σειρά δύο µετατροπέων έξι παλµών Μετατροπέας 24 παλµών ύο µετατροπείς 12 παλµών συνδεδεµένοι σε σειρά στην πλευρά AC ύο µετατροπείς 12 παλµών συνδεδεµένοι παράλληλα στην πλευρά AC

9 Μετατροπέας µισής γέφυρας τριών επιπέδων Μετατροπέας πλήρους γέφυρας τριών επιπέδων Πίνακας µετατροπέα 3 επιπέδων

10 Κυµατοµορφές Μετατροπέα πλήρους γέφυρας τριών επιπέδων Μετατροπέας µισής γέφυρας πέντε επιπέδων Πίνακας µετατροπέα 5 επιπέδων

11 ιαµόρφωση εύρους παλµών Μονοφασικού µετατροπέα µισής γέφυρας δύο επιπέδων Για την παραγωγή µιας ηµιτονοειδούς τάσης εξόδου σε µια επιθυµητή συχνότητα συγκρίνεται ένα ηµιτονοειδές σήµα ελέγχου στην επιθυµητή συχνότητα µε µια τριγωνική κυµατοµορφή Επιθυµητή συχνότητα = Συχνότητα διαµόρφωσης ιαµόρφωση εύρους παλµών Μονοφασικού µετατροπέα πλήρους γέφυρας δύο επιπέδων Κύρια συνιστώσα Αρµονικές συχνότητες

12 ιαµόρφωση εύρους παλµών Τριφασικού µετατροπέα πλήρους γέφυρας Αλυσιδωτός µετατροπέας (Chain converter) Αποτελείται από σειρά µετατροπέων πλήρους γέφυρας γύρω από πυκνωτές Η µέγιστη τάση επιτυγχάνεται κλείνοντας τους διακόπτες µε τέτοιο τρόπο ώστε η πυκνωτές να συνδεθούν µε την ίδια φορά

13 Να δούµε τηγέφυραµε Thyristors Η εφαρµογή γίνεται αποκλειστικά µε Thyristors Ένα από (T 1, T 3, T 5 ) και (T 2, T 4, T 6 ) άγει κάθε φορά Η µέσητάσηελέγχεται µε την γωνία έναυσης 3 2 3ωL s Vd = VLL cosα I π π Ηφοράισχύος αντιστρέφεται µε αντίστροφή της πολικότητας της τάσης d Ρυθµίζουµε τηγωνιάέναυσηςα µεγαλώνοντας το α πέραν των 90 0 κάνειτητάσηεξόδουαρνητική µετατρέποντας τον ανορθωτή σε αντιστροφέα

14 Μετατροπείς 6 και 12 παλµών Σύνδεση 6 παλµών µέσω µετασχηµατιστή Υ/Υ Σύνδεση 6 παλµών µέσω µετασχηµατιστή Υ/ Σύνδεση 12 παλµών µέσω δύο µετασχηµατιστών Ονοµαστική ισχύς Μετατροπέων Σε εφαρµογές των FACTS υπάρχει συνήθως η ανάγκη για µετασχηµατιστή µεταξύ του συστήµατος και του µετατροπέα. Πολύπλοκες αποφάσεις χρειάζεται να λαµβάνονται σε σχέση µε τααπαιτούµεναόριααρµονικών, τη χρήση φίλτρων σε αντίθεση µε τηχρήσηµεγαλύτερου αριθµού παλµών, PWM και άλλων τοπολογιών. Η πιο συνηθισµένη επιλογή για µετατροπείς µεγάλης ισχύος είναι η χρήση διακοπτικών συσκευών σε σειρά. Σε αυτή τη περίπτωση έγνοια είναι ο ίσος καταµερισµός τάσης µεταξύ των συσκευών. Σε αυτές τις περιπτώσεις είναι επίσης πρακτικό να προστίθεται στο κύκλωµα ακόµα ένα στοιχείο δίοδος συνήθως, τοοποίοναείναιηοδόςγιασυνέχισητης ροής ισχύος σε περίπτωση που µια διακοπτική συσκευή χαλάσει.