Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς με IGBT PWM:

Σεμινάριο ΤΕΕ Ανανεώσιμες μςπηγές Ενέργειας Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς με IGBT PWM: Αντιστροφείς και Μέθοδοι Ελέγχου Εισηγητής: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Πάτρα, 9-11/02/2009

ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ (1/8) Αντιστροφείς = Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς μίας πηγής συνεχούς τάσης ή ρεύματος σε εναλλασσόμενη μονοφασική ή τριφασική (Inνerters ή DC-AC Converters) Το πρόβλημα της δημιουργίας μιας πηγής εναλλασσόμενης τάσης με μεταβλητή συχνότητα και πλάτος προέκυψε πριν από πολλές δεκαετίες. Λύση στο πρόβλημα αυτό αποτελεί η μετατροπή μιας πηγής συνεχούς τάσεως ή ρεύματος σε εναλλασσόμενη, μονοφασική ή τριφασική, με τη βοήθεια ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, των λεγόμενων αντιστροφέων (inνerters). Με τους μετατροπείς αυτούς παρέχεται η δυνατότητα μεταβολής τόσο του πλάτους όσο και της συχνότητας της κυματομορφής εξόδου, είτε αυτή είναι τάση είτε είναι ρεύμα. Πάτρα 11/02/2009 2

ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ (2/8) Ανάλογα με το είδος της πηγής εισόδου οι αντιστροφείς μπορούν να διαιρεθούν σε δύο κυρίως κατηγορίες: Στους αντιστροφείς οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς τάσης (Αντιστροφείς ρφς Τάσης Voltage Source Inverters ή Voltage fed Inverters - VSI). Έχουν τις περισσότερες εφαρμογές στην πράξη. Στους αντιστροφείς οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς ρεύματος (Αντιστροφείς Ρεύματος - Current Source Inverters ή Current fed Inverters - CSI). Κυρίως για έλεγχο μηχανών Ε.Ρ. μεγάλης ισχύος. Εστίαση της διάλεξης στους αντιστροφείς τάσης, επειδή χρησιμοποιούνται, κατά κύριο λόγο, σε συστήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Πάτρα 11/02/2009 3

ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ (3/8) Κάθε μία από τις δύο παραπάνω κατηγορίες μπορεί, επίσης, να υποδιαιρεθεί στις εξής δύο κατηγορίες: Στους μονοφασικούς αντιστροφείς σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας - Half-Bridge Inverter (με δύο ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία) σε συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας - Full-Bridge Inverter (με τέσσερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία). Στους τριφασικούς αντιστροφείς (με έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία). Πάτρα 11/02/2009 4

ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ (4/8) Οι αντιστροφείς έχουν εφαρμογές σε πολλές περιοχές, μερικές από τις οποίες είναι: Συστήματα ελέγχου των στροφών (ή της ροπής) ηλεκτρικών κινητήρων εναλλασσομένου ρεύματος (Adjustable Speed AC Drives - ASD). Συστήματα αδιάλειπτης παροχής ισχύος (Uninterruptable Power Supplies - UPS). Συστήματα επαγωγικής θέρμανσης (Induction Heating). Συστήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) μετατροπή και έλεγχος της τάσης εξόδου αιολικών γεννητριών. μετατροπή και έλεγχος της τάσης εξόδου φωτοβολταϊκών γεννητριών. Συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας ενεργά φίλτρα για μείωση των αρμονικών και βελτίωση της ποιότητας της ηλεκτρικής ενέργειας Συστήματα διόρθωσης του Συντελεστή Ισχύος (Power Factor Correction PFC) Συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από κυψέλες υδρογόνου (Fuel Cells). Πάτρα 11/02/2009 5

ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ (5/8) Η συνεχής τάση που τροφοδοτεί έναν αντιστροφέα μπορεί να προέρχεται από ένα συσσωρευτή ή από μία πηγή ενέργειας (π.χ. Φ/Β γεννήτρια, Κυψέλη Υδρογόνου). ) Στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές παρέχεται από ένα ανορθωτικό σύστημα, που αποτελείται είτε από διόδους είτε από θυρίστορ. Η ανορθωμένη τάση σταθεροποιείται με τη βοήθεια ηλεκτρολυτικών πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας, οι οποίοι συνδέονται στους ακροδέκτες εισόδου του αντιστροφέα. Ως ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν στοιχεία των οποίων ελέγχεται μόνο η έναυση (π.χ. θυρίστορ) ή στοιχεία των οποίων ελέγχεται τόσο η έναυση όσο και η σβέση (π.χ. διάφορα τρανσίστορ όπως BJT, MD, MOSFET, IGBT, GTO θυρίστορ ή MCT). Πάτρα 11/02/2009 6

ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ (6/8) Η συχνότητα στην έξοδο του αντιστροφέα: καθορίζεται από το ρυθμό έναυσης και σβέσης των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Παρέχεται η δυνατότητα ρύθμισης της συχνότητας αυτής μέσω του κυκλώματος παλμοδότησης του αντιστροφέα. Όμως η διακοπτική λειτουργία του αντιστροφέα έχει, συνήθως, ως αποτέλεσμα μη ημιτονοειδείς κυματομορφές τάσης και ρεύματος στην έξοδό του αντιστροφέα. Ως ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν: στοιχεία των οποίων ελέγχεται μόνο η έναυση (π.χ. θυρίστορ). Απαιτείται κύκλωμα εξαναγκασμένης σβέσης. στοιχεία των οποίων ελέγχεται τόσο η έναυση όσο και η σβέση (π.χ. διάφορα τρανσίστορ όπως BJT, MD, MOSFET, IGBT, GTO θυρίστορ ή MCT). Πάτρα 11/02/2009 7

ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ (7/8) Το φιλτράρισμα των ανώτερων αντιστροφέα δεν είναι εύκολο αρμονικών στην έξοδο του Ειδικότερα όταν η συχνότητα των ανωτέρων αρμονικών μεταβάλλεται και βρίσκεται κοντά στη συχνότητα της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται το βάρος, ο όγκος και το κόστος του φίλτρου εξόδου, άρα και του αντιστροφέα. Για κινητήρες εναλλασσομένου ρεύματος: Οι χαμηλόσυχνες ανώτερες αρμονικές μπορεί να προκαλέσουν μηχανικές ταλαντώσεις (ανεπιθύμητο για οποιαδήποτε εφαρμογή). Ανώτερες αρμονικές σε υψηλότερη συχνότητα λιγότερος θόρυβος. Η δημιουργία κυματομορφών με το μικρότερο δυνατό αρμονικό περιεχόμενο και ανώτερες αρμονικές που να εντοπίζονται σε όσο το δυνατό υψηλότερες συχνότητες, αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους στόχους των κατασκευαστών βιομηχανικών αντιστροφέων. Πάτρα 11/02/2009 8

ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ (8/8) Το πλάτος της βασικής αρμονικής της τάσης (ρεύματος) εξόδου μπορεί να ρυθμιστεί: Με κατάλληλο έλεγχο των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα (σεπερίπτωσηπουητάσηήτο ρεύμα εισόδου παραμένουν σταθερά). Με έλεγχο της τιμής της συνεχούς τάσης (ρεύματος) εισόδου. Για κινητήρες εναλλασσομένου ρεύματος (γενικά για επαγωγικό φορτίο): Μεταβολή της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου αναλογικά σε σχέση με τη συχνότητα της βασικής αρμονικής, ώστε να διατηρούνται οι κατάλληλες μαγνητικές συνθήκες στο φορτίο. Πάτρα 11/02/2009 9

ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΟΥΣ ΠΑΛΜΟΥΣ Μονοφασικοί αντιστροφείς: Ημιγέφυρας (Half-Bridge Inverter) Πλήρους Γέφυρας (Full-Bridge Inverter) Τριφασικός αντιστροφέας Έλεγχος μονοφασικού αντιστροφέα τάσης πλήρους γέφυρας με την τεχνική της απαλοιφής της τάσης (Voltage Cancellation Technique) Πάτρα 11/02/2009 10

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΗΜΙΓΕΦΥΡΑΣ HALF-BRIDGE INVERTER Ανάβοντας και σβήνοντας εναλλάξ τους ελεγχόμενους ημιαγωγικούς διακόπτες T1 και T2 παράγεται μια τετραγωνική εναλλασσόμενη κυματομορφή τάσης πάνω στους ακροδέκτες του φορτίου. Η μέγιστη τιμή τάσης που εφαρμόζεται πάνω στο φορτίο είναι Vd/2 και η ελάχιστη -Vd/2. Κάθε ημιαγωγικό στοιχείο επιτρέπει τη ροή ρεύματος, όταν αυτό άγει, κατά τη μία φορά, ενώ η αντιπαράλληλη δίοδος επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει κατά την αντίθετη κατεύθυνση. Η παρουσία των αντιπαράλληλων διόδων είναι απαραίτητη όταν το φορτίο είναι επαγωγικής Vd_ φύσης, διότι δίνουν ένα δρόμο επιστροφής του 2 - T2 ρεύματος, άρα και της ενέργειας, απότοφορτίο στησυνεχήτάσητροφοδοσίας, στην είσοδο του αντιστροφέα. Vd_ 2 O + - + T1 A D1 D2 Πάτρα 11/02/2009 11

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΗΜΙΓΕΦΥΡΑΣ HALF-BRIDGE INVERTER Μειονεκτήματα Απαιτούνται δύο πυκνωτές μέσης λήψης. Το δυναμικό της μεσαίας λήψης δεν σταθεροποιείται. Το πλάτος της τάσης εξόδου έχει τη μισή τιμή της τάσης εισόδου. Δεν είναι εφικτό να δημιουργηθούν διαστήματα μηδενικής τάσης στην κυματομορφή της τάσης εξόδου, για μη ωμικά φορτία. Πάτρα 11/02/2009 12

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΓΕΦΥΡΑΣ / FULL-BRIDGE INVERTER Αποτελείται από δύο ημιγέφυρες. Έτσι αποφεύγεται η μεσαία λήψη στη συνεχή τροφοδοσία, αλλά χρειάζονται περισσότερα ημιαγωγικά στοιχεία. Οι ελεγχόμενοι ημιαγωγικοί διακόπτες αναβοσβήνουν σε διαγώνια ζευγάρια. Δηλαδή, όταν T1 και T4 είναι σε αγωγή, T3και T2 είναι σε αποκοπή και το αντίθετο. Συνεπώς, πάνω στο φορτίο εμφανίζεται μία τετραγωνική τάση +Vd ως Vd. Οι αντιπαράλληλες δίοδοι έχουν ενεργό ρόλο μόνο όταν το φορτίο είναι επαγωγικής φύσης. Vd + - T1 T2 A D1 D2 T3 B T4 D3 D4 Πάτρα 11/02/2009 13

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΓΕΦΥΡΑΣ / FULL-BRIDGE INVERTER Φορτίο ωμικής φύσης Το ρεύμα έχει παρόμοια μορφή με την τάση και οι αντιπαράλληλες δίοδοι δεν έχουν ενεργό ρόλο στη λειτουργία του κυκλώματος. Φορτίο επαγωγικής φύση Έστω ότι άγουν τα ημιαγωγικά στοιχεία T1 και T4. Όταν τα στοιχεία αυτά σβήσουν και έρθουν σε αγωγή τα Τ3 και T2, η πολικότητα της τάσης πάνω στο φορτίο θ αλλάξει. Το ρεύμα όμως θα συνεχίσει να ρέει με την ίδια φορά, λόγω της καθυστέρησης που εισάγει το επαγωγικό φορτίο Για το διάστημα μέχρι το μηδενισμό του ρεύματος αυτό θα ρέει μέσω των διόδων D3 και D2, επιστρέφοντας ενέργεια στην πηγή τροφοδοσίας. Πάτρα 11/02/2009 14

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΙ ΜΕ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΟΥΣ ΠΑΛΜΟΥΣ SQUARE WAVE INVERTERS Κυματομορφές τάσης και ρεύματος ενός μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας, με ωμικό-επαγωγικό φορτίο. Ως "ο" ο θεωρείται ένα νοητό σημείο στην πηγή με δυναμικό Vd/2. Παρατήρηση: η Με τον έλεγχο με τετραγωνικούς παλμούς δεν είναι δυνατό να μεταβληθεί η βασική αρμονική της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, αλλά μόνο η συχνότητα. Πάτρα 11/02/2009 15

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΙ ΜΕ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΟΥΣ ΠΑΛΜΟΥΣ Αρμονικό περιεχόμενο Βασική αρμονική στη συχνότητα της τετραγωνικής κυματομορφής. μ Ανώτερες αρμονικές σε συχνότητες που είναι περιττά ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας της βασικής αρμονικής. Πλάτος Βασικής Αρμονικής VˆV AB 1 4 V ˆV d Πλάτος Ανώτερων Αρμονικών V AB h 4 Vd h h = 3, 5, 7, 9, 11,.. Πάτρα 11/02/2009 16

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ V d Vd_ 2 + - 0 Da+ Db+ Dc+ Ta+ Tb+ Tc+ A B C Vd_ 2 + - Da- Db- Dc- Ta- Tb- Tc- Σχηματίζεται προσθέτοντας άλλον έναν κλάδο στη μονοφασική γέφυρα. Η λειτουργία του είναι ανάλογη με αυτή του μονοφασικού αντιστροφέα. Πάτρα 11/02/2009 17

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΈΛΕΓΧΟΣ ΜΕ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΟΥΣ ΠΑΛΜΟΥΣ Κάθε ημιαγωγικό στοιχείο βρίσκεται είτε σε αγωγή είτε σε αποκοπή για 180. Κάθε ακροδέκτης εξόδου (Α, Β, και C) συνδέεται εναλλάξ για κάθε ημιπερίοδο στο θετικό ή στον αρνητικό πόλο της πηγής τροφοδοσίας συνεχούς τάσης. Η τριφασική έξοδος επιτυγχάνεται προκαλώντας μια καθυστέρηση φάσεως 120 μεταξύ των παλμών έναυσης του κάθε κλάδου της γέφυρας. Όσον αφορά το αρμονικό περιεχόμενο, η μόνη διαφορά με το αρμονικό περιεχόμενο του μονοφασικού αντιστροφέα είναι ότι στην πολική τάση εξόδου η τρίτη αρμονική, καθώς τα περιττά πολλαπλάσια λά αυτής, είναι μηδέν. 4 Vd 3 2 ˆV Πλάτος αρμονικών:,,,, h = 6 i 1, i=1, 2, 3, LL h h Πάτρα 11/02/2009 18

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ Κυματομορφές τάσης ενός τριφασικού αντιστροφέα ελεγχόμενου από τετραγωνικούς παλμούς. Ως "ο" θεωρείται ένα νοητό σημείο στην πηγή με δυναμικό Vd/2. Παρατήρηση: Με τον έλεγχο με τετραγωνικούς παλμούς δεν είναι δυνατό να μεταβληθεί η βασική αρμονική της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, αλλά μόνο ησυχνότητα. ΛΥΣΗ Μεταβολή τάσης εισόδου με τη χρήση ενός δεύτερου μετατροπέα. Πάτρα 11/02/2009 19

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΓΕΦΥΡΑΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΑΣΗΣ ΕΞΟΔΟΥ ΜΕ ΑΠΑΛΟΙΦΗ Εφικτή μόνο στο μονοφασικό αντιστροφέα πλήρους γέφυρας. γφ Οι ημιαγωγικοί διακόπτες στα δύο σκέλη του αντιστροφέα ελέγχονται ξεχωριστά και εισάγεται μία επικάλυψη μεταξύ αυτών (π-β), η οποία μπορεί να ελέγχεται. Η διάρκεια αγωγής κάθε ημιαγωγικού διακόπτη είναι 180. Κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος της επικάλυψης η τάση εξόδου γίνεται μηδενική, επειδή άγουν είτε οι δύο πάνω είτε οι δύο κάτω διακόπτες. Πλάτος αρμονικών: 4 h ˆVAB Vd sin h h 2 h =1, 3, 5 Πάτρα 11/02/2009 20

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΓΕΦΥΡΑΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΑΣΗΣ ΕΞΟΔΟΥ ΜΕ ΑΠΑΛΟΙΦΗ h=1 h=3 h=5 h=7 1,0 0,8 0,6 0,4 02 0,2 (VAB,p) h/(4vd/π ) 180 β 150 120 90 60 30 0 0,0 Οι αρμονικές ως συνάρτηση ητης γωνίας β Πάτρα 11/02/2009 21

ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ PWM Μονοφασικοί αντιστροφείς: Γενικά περί SPWM SPWM με διπολική τάση εξόδου SPWM με μονοπολική τάση εξόδου Τριφασικός αντιστροφέας ελεγχόμενος με SPWM Παρατηρήσεις και Συμπεράσματα Σύγχρονη και Ασύγχρονη SPWM Πάτρα 11/02/2009 22

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ Η ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ Sinusoidal Pulse Width Modulation - SPWM O έλεγχος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, μπορεί να επιτευχθεί με τη μεταβολή του εύρους των παλμών,, μεταβάλλοντας δηλαδή τα χρονικά διαστήματα κατάταοποίαταημιαγωγικάστοιχείαισχύοςτουαντιστροφέα άγουν ή όχι. Η τεχνική αυτή, με την οποία επιτυγχάνεται ο έλεγχος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, μέσω της αυξομείωσης του εύρους των παλμών της τάσης εξόδου, ονομάζεται Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (Pulse Width Mοdulatiοn -PWM). Πάτρα 11/02/2009 23

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ Η ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ Sinusoidal Pulse Width Modulation - SPWM Βασική αρχή Μεταβολή του εύρους των παλμών με ημιτονοειδή τρόπο Sinusoidal Pulse Width Mοdulatiοn - SPWM PWM. Δημιουργία: κυματομορφής μ αναφοράς: μια ημιτονοειδής κυματομορφή μ κυματομορφής φορέα: μια τριγωνική κυματομορφή Οι δύο παραπάνω κυματομορφές συγκρίνονται μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης είναι μια λογική στάθμη 0, όταν το τρίγωνο είναι μεγαλύτερο του ημιτόνου και μια λογική στάθμη 1, όταν συμβαίνει το αντίθετο. Πάτρα 11/02/2009 24

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ Sinusoidal Pulse Width Modulation - SPWM Ορισμοί 1. Α sin = Το πλάτος της κυματομορφής αναφοράς. 2. Α tri = Το πλάτος της κυματομορφής φορέα. 3. F sin = Η συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς. 4. F tri = Η συχνότητα της κυματομορφής φορέα. 5. M A = Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους. 6. M F = Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας. ΙΣΧΥΕΙ: M A Asin =, M F= Atri Αυξομειώνοντας το συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους Μ A (από 0 έως 1) μεταβάλλεται το εύρος των παλμών της κυματομορφής που προκύπτει από τη σύγκριση. F F tri sin Πάτρα 11/02/2009 25

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ SPWM με διπολική τάση εξόδου Πάτρα 11/02/2009 26

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ SPWM με διπολική τάση εξόδου Η διακοπτική συχνότητα της κυματομορφής SPWM είναι ίση με F tri. Κάνοντας ανάλυση Fοurier στην κυματομορφή που προκύπτει από την σύγκριση τριγώνου-ημιτόνου, ργ, διαπιστώνουμε ότιη βασική της αρμονική έχει συχνότητα F sin (τη συχνότητα κυματομορφής αναφοράς) και πλάτος ανάλογοο του Μ Α (του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους. Όσο Μ Α <1ισχύει: VˆV M V AB A d 1 Αν Μ Α > 1 τότε περνάμε σε υπερδιαμόρφωση, έως ότου οι παλμοί γίνουν τετραγωνικοί, οπότε ισχύει: ˆ 4 V V V d AB d 1 Πάτρα 11/02/2009 27

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ SPWM με διπολική τάση εξόδου Πάτρα 11/02/2009 28

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ SPWM με διπολική τάση εξόδου O ανώτερες αρμονικές μπορούν να ομαδοποιηθούν σε ζώνες συχνοτήτων, γύρω από τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας του τριγώνου. Η πρώτη ομάδα περιέχει μια κεντρική αρμονική σε συχνότητα F tri καθώς επίσης και ένα σύνολο αρμονικών δεξιά και αριστερά ρ της συχνότητας αυτής που δίνονται από τη σχέση: F = Ftri 2 n F Στη δεύτερη ομάδα, δεν περιέχεται η κεντρική αρμονική σε συχνότητα 2 F tri, αλλά ένα σύνολο αρμονικών που δίνονται από την σχέση: sin = 2 (2 (n -1)) F Ftri Fsin Πάτρα 11/02/2009 29

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ SPWM με διπολική τάση εξόδου Ως γενικό συμπέρασμα μπορούμε να πούμε, πως ανώτερες αρμονικές εμφανίζονται σε συχνότητες που ακολουθούν τη σχέση: F n=1 =n Ftri k F όπου 1,2,3 και sin k=1,3,5...εάν n=άρτιος ή k=2,4,6...εάν n=περιττός Πάτρα 11/02/2009 30

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ SPWM με μονοπολική τάση εξόδου Πλεονεκτήματα Διπλασιασμός της συχνότητας στην οποία εμφανίζονται οι ανώτερες αρμονικές, σε σχέση με την φέρουσα συχνότητα. Τα άλματα τάσης σε κάθε μετάβαση μειώνονται σε V d (αντί 2 V d που είναι στην μονοπολική SPWM). Πάτρα 11/02/2009 31

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Έλεγχος με SPWM Βασική αρχή Δημιουργία τριών ημίτονων αναφοράς (ένα για κάθε φάση), με διαφορά φάσης 120ο μεταξύτους, τα οποία συγκρίνουμε με την ίδια τριγωνική ργ κυματομορφή. μ Όπως προκύπτει από την ανάλυση Fοurier, ηενεργός τιμή της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης, συναρτήσει της συνεχούς τάσης τροφδοσίας είναι : V,, = 0.61 V M ollrms dc A Πάτρα 11/02/2009 32

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Έλεγχος με SPWM tsec Πάτρα 11/02/2009 33

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Έλεγχος με SPWM t sec Πάτρα 11/02/2009 34

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Έλεγχος με SPWM t sec Πάτρα 11/02/2009 35

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Έλεγχος με SPWM Πάτρα 11/02/2009 36

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Έλεγχος με SPWM Πάτρα 11/02/2009 37

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Έλεγχος με SPWM Πάτρα 11/02/2009 38

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Έλεγχος με SPWM Πάτρα 11/02/2009 39

ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Έλεγχος με SPWM Εκκίνηση ηασύγχρονου Τριφασικού ρφ Κινητήρα ηήρ Πάτρα 11/02/2009 40

ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ - Έλεγχος με SPWM Παρατηρήσεις και συμπεράσματα Ένα βασικό πρόβλημα που εμφανίζουν οι αντιστροφείς τάσης, είναι η ατελής εκμετάλλευση της τάσης εισόδου, φαινόμενο που παρουσιάζεται τόσο στους μονοφασικούς όσο και στους τριφασικούς μετατροπείς. Πάτρα 11/02/2009 41

ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ - Έλεγχος με SPWM Παρατηρήσεις και συμπεράσματα Είδη Ημιτονοειδούς Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (SPWM) Υπάρχουν δύο είδη ημιτονοειδούς PWM, η ασύγχρονη και η σύγχρονη PWM. Στην ασύγχρονη PWM, επιλέγεται αρχικά μια συχνότητα φορέα (συχνότητα τριγώνου) και παραμένει σταθερή, καθώς η συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς (συχνότητα ημιτόνου) μεταβάλλεται. Στη σύγχρονη PWM επιλέγεται αρχικά ένας λόγος διαμόρφωσης συχνότητας (ΜF), ο οποίος διατηρείται σταθερός καθώς η συχνότητα αναφοράς μεταβάλλεται. Αυτό ουσιαστικά σημαίνει πως η συχνότητα του φορέα πρέπει να μεταβάλλεται μαζί με τη συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς. Η μέθοδος της σύγχρονης SPWM είναι χρήσιμη, διότι αποκλείει την εμφάνιση υποαρμονικών (αρμονικές σε συχνότητες κάτω από τη συχνότητα της βασικής). Ωστόσο η χρησιμοποίησή η της έχει νόημα,, μόνο όταν η συχνότητα του φορέα είναι μικρή (κάτω του 1ΚHz). Αντίθετα όταν η F tri είναι αρκετά υψηλή (ή για την ακρίβεια όταν F tri >> F sin ) τότε δεν προκύπτει πρόβλημα υποαρμονικών αφού το πλάτος των υψηλών αρμονικών που πλησιάζουν τη βασική είναι τόσο μικρό που πρακτικά θεωρείται μηδενικό. Πάτρα 11/02/2009 42

ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ SPWM ΓΕΝΙΚΑ ΜΕΘΟΔΟΣ HIPWM ΜΕΘΟΔΟΣ Ανορθωμένων Ημιτόνων ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΩΝ Patel και Hoft ΜΕΘΟΔΟΣ Space Vector Πάτρα 11/02/2009 43

ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ SPWM ΓΕΝΙΚΑ Υπάρχουν νέες μέθοδοι διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (PWM), οι οποίες έχουν ως βάση την κλασσική SPWM και προσδίδουν βελτιωμένα χαρακτηριστικά, κυρίως όσον αφορά το αρμονικό περιεχόμενο που παρουσιάζουν. Πιο συγκεκριμένα, αυτές οι μέθοδοι έχουν ως στόχο: Την αύξηση του πλάτους της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης Τη μείωση του πλάτους των ανώτερων αρμονικών. Το μόνο που αλλάζει, σε σχέση πάντα με την κλασσική μέθοδο, είναι η κυματομορφή αναφοράς, ενώ η υπόλοιπη λογική παραμένει ίδια. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν τεχνικές με ημίτονα αναφοράς εμπλουτισμένα σε ανώτερες αρμονικές 3ν-τάξης, με τις οποίες είναι δυνατή η δημιουργία τάσεων εξόδου ενεργού τιμής όσο και της τάσης εισόδου. Οι σκόπιμα δημιουργηθείσες επιπλέον αρμονικές 3ν τάξης στη έξοδο, αλληλοαναιρούνται και δεν επηρεάζουν καθόλου τη λειτουργία των αντιστροφέων ούτε το αρμονικό περιεχόμενο εχόμε του ρεύματος. Πάτρα 11/02/2009 44

ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ SPWM Μέθοδος HIPWM Τεχνική Έγχυσης Αρμονικών (Harmonic Injection PWM Technique - HIPWM). Αυτή η μέθοδος προκύπτει από την κλασσική SPWM, εισάγοντας στην κυματομορφή αναφοράς αρμονικές, των οποίων οι συχνότητες είναι τριπλά πολλαπλάσια της βασικής αρμονικής. Το αποτέλεσμα είναι μια ημιτονοειδής κυματομορφή με σχεδόν επίπεδη κορυφή, η οποία όταν εφαρμοστεί, επιτρέπει υπερδιαμόρφωση (σε σχέση με την κλασσική μέθοδο) και βελτιώνει το αρμονικό περιεχόμενο της πολικής τάσης. Πάτρα 11/02/2009 45

ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ SPWM Μέθοδος Ανορθωμένων Ημιτόνων Στην κυματομορφή αναφοράς για ένα τριφασικό αντιστροφέα μπορούν να προστεθούν 3ν-πλάσιες αρμονικές στη κλασσική τριφασική ημιτονοειδή κυματομορφή. Οι πολικές τάσεις του αντιστροφέα γίνονται ημιτονοειδείς PWM κυματομορφές, το πλάτος της βασικής αρμονικής αυξάνεται κατά 15% σε σχέση με την κλασσική μέθοδο και ο αριθμός των μεταβάσεων του αντιστροφέα (έναυση - σβέση) ) μειώνεται κατά 2/3 σε σχέση με την SPWM. Άρα η πηγή τροφοδοσίας χρησιμοποιείται αποτελεσματικότερα και μειώνονται δραστικά οι διακοπτικές απώλειες, γεγονός που συνεπάγεται τη μείωση της θερμότητας των ημιαγωγικών στοιχείων. Πάτρα 11/02/2009 46

ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ SPWM ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΤΡΙΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ Φάσμα της μεθόδου SPWM Φάσμα της μεθόδου HIPWM 150 140 130 120 110 100 0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 Συχνότητα Και οι τρεις μέθοδοι έχουν εξίσου καλό αρμονικό περιεχόμενο. Συγκρίνοντας, όμως, τα μέγιστα πλάτη της κάθε ομάδας αρμονικών για τις τρεις μεθόδους, παρατηρούμε την ανωτερότητα της HIPWM. Η μέθοδος αυτή μας δίνει και μεγαλύτερο πλάτος της βασικής αρμονικής, αλλά και μικρότερο πλάτος για τις αρμονικές των δύο ανώτερων ομάδων. 150 140 130 120 110 100 0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 Συχνότητα Φάσμα της δεύτ ερης βελτ ιωμένης μεθόδου 140 130 120 110 100 0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 Συχνότητα Πάτρα 11/02/2009 47

ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ SPWM Μέθοδος των Patel και Hoft Με την τεχνική αυτή μπορούν να απαλειφθούν από το φάσμα συχνοτήτων της τάσης εξόδου επιλεγμένες αρμονικές, προϋπολογίζοντας τις χρονικές στιγμές των μεταβάσεων. Η εφαρμογή της μεθόδου αυτής απαιτεί τη χρήση μικροεπεξεργαστή. Μέθοδος Space Vector Για την εφαρμογή της τεχνικής αυτής ορίζονται οι οκτώ επιτρεπόμενες καταστάσεις των διακοπτών του αντιστροφέα. Η βάση της τεχνικής αυτής είναι ότι κάθε τριφασικό σύστημα μεταβλητών με μηδενικό άθροισμα, παριστάνεται στο μιγαδικό επίπεδο με ένα άνυσμα, το οποίο περιστρέφεται Με την τεχνική Space Vector προσεγγίζεται το επιθυμητό άνυσμα αναφοράς, που αντιπροσωπεύει τη βασική συνιστώσα των τάσεων εξόδου του αντιστροφέα, χρησιμοποιώντας τις οκτώ καταστάσεις, που προαναφέρθηκαν. Και η εφαρμογή της μεθόδου αυτής απαιτεί τη χρήση μικροεπεξεργαστή. Πάτρα 11/02/2009 48

ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΑΣΗΣ Πάτρα 11/02/2009 49

ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Μονοφασικός και τριφασικός αντιστροφέας ελεγχόμενος από τετραγωνικούς παλμούς Πάτρα 11/02/2009 50

ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Χρησιμοποιώντας έναν τριφασικό αντιστροφέα τάσης, ελεγχόμενο με τη μέθοδο SPWM παρουσιάζεται το παλμογράφημα της φασικής τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα, σε συχνότητα 50 Hz. Πάτρα 11/02/2009 51

ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Παρουσιάζεται η ημιτονοειδής μεταβολή καθώς και η διακύμανση του ρεύματος σε συχνότητα 36Hz και με ενεργό τιμή γύρω στα 4Amp. Η χαμηλή διακύμανση του ρεύματος, παρ ότι η τάση έχει μορφή τετραγωνικών παλμών, οφείλεται στη σχετικά υψηλή συχνότητα της κυματομορφής του φορέα (τριγωνική κυματομορφή). Πάτρα 11/02/2009 52

ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Παλμογραφήματα τα οποία έχουν ληφθεί με τις ίδιες συνθήκες Παρουσιάζουν ανά δύο τα φασικά ρεύματα. Διακρίνεται η διαφορά φάσης 120 που υπάρχει αάεσα ανάμεσα στις κυματομορφές των ρευμάτων. Πάτρα 11/02/2009 53

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΑΣΗΣ Μετατροπέας έξι παλμών Ημιτονική PWM Στοιχεία ισχύος Θυρίστορ στην ανορθωτική διάταξη, Συνήθως IGBT ή MοSFET στο κύκλωμα του αντιστροφέα Δίοδοι στην ανορθωτική διάταξη.συνήθως IGBT ή MοSFET στο κύκλωμα του αντιστροφέα Μέγιστη ισχύς Δεκάδες kw Εκατοντάδες kw Δυνατότητα ναί ναί δυναμικής πέδησης Αρμονικές στο φορτίο Αρμονικές στο δίκτυο Ακουστικός θόρυβος στη μηχανή Υψηλές. Είναι πιθανό να δημιουργήσουν κυματώσεις στη ροπή σε χαμηλές συχνότητες Υψηλές, κυρίως οι αρμονικές μικρής τάξεως Υπαρκτός Χαμηλές. Μειώνονται όσο η διακοπτική συχνότητα αυξάνει Υψηλές Σχετικά υψηλός σε χαμηλές διακοπτικές συχνότητες Απόδοση Υψηλή Υψηλή, αλλά χαμηλότερη από το μετατροπέα έξι παλμών λόγω μεγαλύτερων διακοπτικών απωλειών Σύγκριση αντιστροφέων τάσης με διαφορετική μέθοδο παλμοδότησης ης Πάτρα 11/02/2009 54

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ Πάτρα 11/02/2009 55