ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΝΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΤΥΠΟΥ ΜΗΤΡΑΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΈΛΕΓΧΟ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ Π. Ποταµιάνος, Υποψήφιος ιδάκτωρ, Ε. Μητρονίκας, Λέκτορας, Α.Σαφάκας, Καθηγητής Πανεπιστήµιο Πατρών Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας 26500, Ρίο-Πάτρα e-mail: ppotamianos@gmail.com, e.mitronikas@ee.upatras.gr, a.n.safacas@ee.upatras.gr Περίληψη - Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να παρουσιάσει τον τρόπο λειτουργίας ενός τριφασικού ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος τύπου µήτρας, τα αποτελέσµατα της εξοµοίωσης της λειτουργίας αυτού στο περιβάλλον του Matlab/Simulink και, τέλος, το σχεδιασµό και την κατασκευή ενός τέτοιου µετατροπέα, ονοµαστικής ισχύος. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε ένα πλήθος εφαρµογών, η τριφασική ασύγχρονη µηχανή αποτελεί τµήµα των υλοποιούµενων ηλεκτροκινητηρίων συστηµάτων. Ο λόγος είναι τα πολλά και σηµαντικά πλεονεκτήµατα που διαθέτει η ασύγχρονη µηχανή (Α.Μ.) σε σχέση µε άλλους τύπους µηχανών. Ο έλεγχος της ροπής (ή/και των στροφών) των Α.Μ. απαιτεί τη µετατροπή της τριφασικής εναλλασσόµενης τάσης του δικτύου (δεδοµένης ενεργού τιµής και συχνότητας) σε τριφασική εναλλασσόµενη τάση µεταβλητής ενεργού τιµής και µεταβλητής συχνότητας. Στις συµβατικές εφαρµογές η µετατροπή αυτή επιτυγχάνεται µε τη χρησιµοποίηση ενός αντιστροφέα τάσης, ο οποίος προϋποθέτει την ύπαρξη µίας ανορθωτικής διάταξης (ελεγχόµενης ή µη) και ηλεκτρολυτικών πυκνωτών µεγάλης χωρητικότητας για τη δηµιουργία της ενδιάµεσης στάθµης συνεχούς τάσης. Προφανώς, η µεγάλη απαιτούµενη χωρητικότητα των πυκνωτών αυτών συνεπάγεται και µεγάλο βάρος και όγκο, ενώ, παράλληλα, οι πυκνωτές αυτοί έχουν περιορισµένη διάρκεια ζωής. Από την περιγραφθείσα δοµή του, γίνεται άµεσα αντιληπτό, ότι ο παραπάνω µετατροπέας δεν συµβάλλει στη δηµιουργία συµπαγών ηλεκτροκινητηρίων συστηµάτων µεγάλης πυκνότητας ισχύος και αυξηµένης αξιοπιστίας, κυρίως, λόγω της ύπαρξης των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών. Ο µετατροπέας αυτός, αποτελούµενος από δύο βαθµίδες, την ανόρθωση και την αντιστροφή, µπορεί να αντικατασταθεί από έναν µετατροπέα τύπου µήτρας, ο οποίος πραγµατοποιεί την επιθυµητή µετατροπή ισχύος σε µίοα βαθµίδα και είναι απαλλαγµένος από την ύπαρξη των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών µεγάλου όγκου και βάρους και περιορισµένης διάρκειας ζωής [1]. Οι τριφασικοί µετατροπείς τύπου µήτρας µετατρέπουν την τριφασική εναλλασσόµενη τάση της εισόδου τους σε τριφασική εναλλασσόµενη τάση µεταβλητού πλάτους και µεταβλητής συχνότητας στην έξοδό τους. Παράλληλα, επιτυγχάνουν διόρθωση του συντελεστή ισχύος στην είσοδό τους και επιτρέπουν την αµφίδροµη ροή ενέργειας. Επιπρόσθετα, οι κυµατοµορφές των ρευµάτων πριν και µετά τον µετατροπέα είναι «ηµιτονοειδείς» µε χαµηλό αρµονικό περιεχόµενο. Εποµένως, η χρησιµοποίηση του µετατροπέα τύπου µήτρας παρέχει σηµαντικά πλεονεκτήµατα και ενδείκνυται για συµπαγείς και αξιόπιστες υλοποιήσεις σύγχρονων ηλεκτροκινητηρίων συστηµάτων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να παρουσιάσει τον τρόπο λειτουργίας ενός τριφασικού ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος τύπου µήτρας, καθώς και τα αποτελέσµατα της εξοµοίωσης της λειτουργίας αυτού στο περιβάλλον του Matlab/Simulink. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ο σχεδιασµός και η κατασκευή ενός τέτοιου µετατροπέα, ονοµαστικής ισχύος 7,5kW (υπό τριφασική τάση τροφοδοσίας 80V, 50Hz). Τέλος, η λειτουργία και οι επιδόσεις του τριφασικού ηλεκτρονικού µετατροπέα τύπου µήτρας αξιολογούνται, ενώ συγκρίνεται και µε την κλασσική τοπολογία ανορθωτή-αντιστροφέα τάσης. - 1 -
2. Η ΟΜΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΤΥΠΟΥ ΜΗΤΡΑΣ Οι Συµβατικοί Μετατροπείς τύπου Μήτρας (Conventional Matrix Converters - CMC), που µελετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, µετατρέπουν την τριφασική εναλλασσόµενη τάση σε τριφασική εναλλασσόµενη, χρησιµοποιώντας την τοπολογία του σχήµατος 2.1 [1] [2] []. Σχήµα 2.1: Η τοπολογία του µετατροπέα τύπου µήτρας Οι µετατροπείς αυτοί συνδέουν άµεσα την τριφασική είσοδο µε την τριφασική έξοδο µέσω ενός συνόλου εννέα (9) ελεγχόµενων δικατευθυντήριων διακοπτών. Εποµένως, πρόκειται για ένα µετατροπέα µίας βαθµίδας, απαλλαγµένο από την ύπαρξη των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών µεγάλου όγκου και βάρους και περιορισµένης διάρκειας ζωής που απαιτούνται στην κλασσική τοπολογία. Στη συνέχεια αναλύουµε τα πιο βασικά σηµεία της τεχνολογίας των µετατροπέων τύπου µήτρας. Α. Ο δικατευθυντήριος διακόπτης Για την υλοποίηση του µετατροπέα τύπου µήτρας απαιτείται η ύπαρξη αξιόπιστου δικατευθυντήριου διακόπτη [1] [4] [5] [7]. Ένας διακόπτης χαρακτηρίζεται ως «δικατευθυντήριος» αν η λειτουργία του µπορεί να ελεγχθεί µε ηλεκτρικό-ηλεκτρονικό τρόπο έτσι ώστε: Να είναι ικανός να αποκόπτει τάσεις που εφαρµόζονται στα άκρα του και των δύο πολικοτήτων. Να είναι ικανός να επιτρέπει την αγωγή ηλεκτρικών ρευµάτων µέσω αυτού και προς τις δύο κατευθύνσεις. Επιπλέον, ο διακόπτης πρέπει να έχει µικρούς χρόνους έναυσης και σβέσης (οι απαιτήσεις εξαρτώνται από τις προδιαγραφές της εκάστοτε εφαρµογής), γεγονός που µας οδηγεί αποκλειστικά στη χρήση ηµιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων. υστυχώς, ηµιαγωγικοί διακόπτες σε ολοκληρωµένη µορφή που να ικανοποιούν τις παραπάνω απαιτήσεις δεν ήταν διαθέσιµοι µέχρι πρότινος, ενώ οι λιγοστοί τύποι που έχουν κάνει την εµφάνισή τους στην αγορά, τελευταία, δεν είναι επαρκώς δοκιµασµένοι και, µάλλον, είναι στο στάδιο ανάπτυξής τους ακόµη, µε αποτέλεσµα η χρήση µεµονωµένων (discrete) στοιχείων για την υλοποίηση ενός δικατευθυντήριου διακόπτη να αποτελεί µονόδροµο προς το παρόν. Οι τοπολογίες που έχουν χρησιµοποιηθεί για την κατασκευή ενός δικατευθυντήριου διακόπτη σε υλοποιήσεις µετατροπέα τύπου µήτρας είναι οι ακόλουθες τρεις: 1. ικατευθυντήριος διακόπτης γέφυρας διόδων 2. ικατευθυντήριος διακόπτης κοινού συλλέκτη. ικατευθυντήριος διακόπτης κοινού εκποµπού Στην παρούσα εργασία η τοπολογία κοινού εκποµπού χρησιµοποιείται για την υλοποίηση του δικατευθυντήριου διακόπτη λόγω των πλεονεκτηµάτων που αυτή συγκεντρώνει. Συγκεκριµένα, παρουσιάζει µειωµένες απώλειες, εφαρµόζονται οι τεχνικές «ηµι-φυσικής» µετάβασης, απαιτούνται µόνο 9 αποµονωµένα (αντί 18) τροφοδοτικά και µπορούν να χρησιµοποιηθούν «διπλά» ( dual ) κυκλώµατα οδήγησης. Β. Το φαινόµενο της µετάβασης Η ίδια η τοπολογία του µετατροπέα τύπου µήτρας εισάγει δύο βασικούς περιορισµούς στον έλεγχο των δικατευθυντήριων διακοπτών. Πρώτον, δεν πρέπει σε καµία περίπτωση να προκληθεί κάποιο βραχυκύκλωµα µεταξύ δύο φάσεων της εισόδου, γεγονός που θα προκαλούσε την ροή υπερρευµάτων. - 2 -
εύτερον, δεν πρέπει σε καµία περίπτωση να ανοικτοκυκλωθεί η έξοδος, η οποία στην συνήθη περίπτωση τροφοδοτεί ένα ωµικό-επαγωγικό φορτίο, γεγονός που θα προκαλούσε την εµφάνιση υπερτάσεων. Για τους λόγους αυτούς έχουν παρουσιαστεί και χρησιµοποιηθεί διάφορες µέθοδοι για την διεξαγωγή της µετάβασης [1] [5] [12]. Αυτές κατατάσσονται στις ακόλουθες κατηγορίες: 1. Μετάβαση επικαλυπτόµενου χρόνου 2. Μετάβαση «νεκρού» χρόνου. Μέθοδοι «ηµι-φυσικής» µετάβασης βάσει της φοράς του ηλ. ρεύµατος 4. Μέθοδοι «ηµι-φυσικής» µετάβασης βάσει της τιµής της τάσης εισόδου 5. Μέθοδοι φυσικής µετάβασης Στην παρούσα εργασία χρησιµοποιείται η µέθοδος «ηµι-φυσικής» µετάβασης βάσει της φοράς του ηλ. ρεύµατος. Το σχήµα 2.2.1α) αποτελεί το τµήµα ενός µετατροπέα τύπου µήτρας που λαµβάνει µέρος σε µία µετάβαση και συγκεκριµένα θεωρούµε ότι ο αρχικός διακόπτης (σε κατάσταση αγωγής) είναι ο S 1 και ο τελικός διακόπτης (σε κατάσταση αγωγής) είναι ο S 2. Σχήµα 2.2.1: α)μετάβαση από τον S 1 στον S 2 και β) ο χρονισµός των παλµών Στο σχήµα 2.2.1β) φαίνεται ο χρονισµός των παλµών για τη δεδοµένη φορά του ρεύµατος που φαίνεται στο σχήµα 2.2.1α), προκειµένου η µετάβαση να ολοκληρωθεί µε ασφάλεια.. Η ΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΗΣ ΠΑΛΜΟ ΟΤΗΣΗΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΤΥΠΟΥ ΜΗΤΡΑΣ Η παλµοδότηση του µετατροπέα τύπου µήτρας διαµορφώνεται κατά τρόπο τέτοιο, ώστε: Να προκύψει στην έξοδο του µετατροπέα η επιθυµητή, κατά πλάτος, συχνότητα και αρµονικό περιεχόµενο, τάση (κατά προσέγγιση). Να ρέουν στην είσοδο και την έξοδο ηλεκτρικά ρεύµατα µε την επιθυµητή (κατά προσέγγιση) µορφή κυµατοµορφής. Να µειωθούν, όσο είναι δυνατό, οι ενεργειακές απώλειες στον µετατροπέα. Να επιτευχθούν και άλλοι, δευτερεύοντες στόχοι, όπως για παράδειγµα «διόρθωση» του συντελεστή ισχύος. Για την επίλυση του «προβλήµατος» της διαµόρφωσης της παλµοδότησης του µετατροπέα τύπου µήτρας έχουν παρουσιαστεί και εφαρµοστεί διάφορες µέθοδοι, οι οποίες εντάσσονται στις ακόλουθες κατηγορίες [1] [2] [6] [8] [9] [10] [11]: 1. Μέθοδος διαµόρφωσης της παλµοδότησης Alesina-Venturini 2. Βέλτιστη µέθοδος διαµόρφωσης της παλµοδότησης Alesina-Venturini. Βαθµωτή µέθοδος διαµόρφωσης της παλµοδότησης 4. Μέθοδος διαµόρφωσης της παλµοδότησης µε χρήση διανυσµάτων χώρου 5. Μέθοδοι «υπερδιαµόρφωσης» Η µέθοδος διαµόρφωσης της παλµοδότησης του µετατροπέα τύπου µήτρας, που χρησιµοποιήθηκε τόσο στο µοντέλο της εξοµοίωσης του µετατροπέα, όσο και στην υλοποίησή του, ανήκει στις µεθόδους διαµόρφωσης που αναπαραριστούν τα βασικά ηλεκτρικά µεγέθη (τάση και ηλ. ρεύµα) του µετατροπέα µε την βοήθεια διανυσµάτων χώρου [2] [6] [8]. Ορίζουµε τα ακόλουθα: - -
Φασική τάση εισόδου: Φασική τάση εξόδου: Φασικό ηλ. ρεύµα εισόδου: Φασικό ηλ. ρεύµα εξόδου: 2π 4π φ 2 j j = V i Va + Vbe + Vce (1). 2π 4π φ 2 j j = V ο VΑ + VΒe + VCe (2). 2π 4π φ 2 j j = i i ia + ibe + ice (). 2π 4π φ 2 j j = i ο iα + iβe + ice (4). Λόγω των περιορισµών που υπεισέρχονται στον έλεγχο του µετατροπέα, οι επιτρεπτοί συνδυασµοί των καταστάσεων των διακοπτών µειώνονται από 512 σε µόλις 27. Οι συνδυασµοί αυτοί αντιστοιχούν σε 27 διαφορετικά διανύσµατα χώρου της τάσης εξόδου, τα οποία φαίνονται στο ακόλουθο σχήµα.1. Σχήµα.1: Επιτρεπτά διανύσµατα εξόδου του Μετατροπέα Matrix [Β.0]. Η «λογική» της διαµόρφωσης της παλµοδότησης είναι να δοθούν τέτοιοι παλµοί στα ελεγχόµενα ηµιαγωγικά στοιχεία ισχύος, ώστε να «διαµορφωθούν» κατάλληλα η τάση εξόδου και το ηλ. ρεύµα εισόδου του µετατροπέα. Η «κατάλληλη διαµόρφωση» της τάσης εξόδου και του ηλ. ρεύµατος εισόδου σηµαίνει οι κυµατοµορφές αυτών να προσεγγίζουν τις επιθυµητές-ιδανικές. Προφανώς, οι επιθυµητές κυµατοµορφές είναι τριφασικά συµµετρικές, ηµιτονοειδείς, συγκεκριµένου µέτρου και συχνότητας. Τα διανύσµατα και τα χαρακτηριστικά µεγέθη των επιθυµητών κυµατοµορφών θα διακρίνονται από τα αντίστοιχα πραγµατικά µε την προσθήκη ενός αστερίσκου (*) στο αντίστοιχο σύµβολο. Συµπεραίνουµε, λοιπόν, ότι, η διαµόρφωση της παλµοδότησης έχει σχέση µε τα διανύσµατα χώρου της φασικής τάσης εξόδου V φ ο (και V φ ο * ) και του ηλ. ρεύµατος εισόδου i φ i (και i φ i * ). Τα στατικά διανύσµατα χώρου της τάσης εξόδου του µετατροπέα αντιστοιχούν σε διανύσµατα σταθερής διεύθυνσης και µεταβλητού χρονικά µέτρου, ενώ τα µηδενικά διανύσµατα είναι κάθε χρονική στιγµή µηδέν. Οι διευθύνσεις του διανύσµατος χώρου της φασικής τάσης εξόδου για τους στατικούς συνδυασµούς και οι αντίστοιχες διευθύνσεις του διανύσµατος χώρου του επιθυµητού ηλ. ρεύµατος εισόδου δείχνονται στο σχήµα.2. Σχήµα.2: Τα διανύσµατα χώρου της φασικής τάσης εξόδου V φ ο και του ηλ. ρεύµατος εισόδου i φ i *. - 4 -
Στην χρησιµοποιούµενη µέθοδο, επιλέγονται τέσσερα στατικά διανύσµατα και ένα µηδενικό διάνυσµα σε κάθε διακοπτική περίοδο, τα οποία εφαρµόζονται για διαφορετικά χρονικά διαστήµατα εντός της διακοπτικής περιόδου, τέτοια ώστε η µέση τιµή της τάσης εξόδου να συµπίπτει κατα προσέγγιση µε την επιθυµητή και ταυτόχρονα να διαµορφώνεται κατά τον ίδιο τρόπο και το ρεύµα εισόδου. 4. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ-ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΤΥΠΟΥ ΜΗΤΡΑΣ Το µοντέλο του µετατροπέα τύπου µήτρας δηµιουργήθηκε στο γραφικό περιβάλλον Simulink του Matlab. Με το µοντέλο αυτό, είναι δυνατή η εξοµοίωση της λειτουργίας του µετατροπέα σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Ειδικότερα, στην δηµιουργία του µοντέλου, δόθηκε ιδιαίτερη έµφαση στην ακριβή µοντελοποίηση της µεθόδου διαµόρφωσης της παλµοδότησης του µετατροπέα (η οποία παρουσιάστηκε και αναλύθηκε στην προηγούµενη ενότητα), που είναι η ίδια µε αυτή που επιλέχθηκε να εφαρµοστεί και στην υλοποίηση του µετατροπέα τύπου µήτρας που ακολούθησε. Ακολουθεί το λειτουργικό διάγραµµα του µοντέλου που δηµιουργήθηκε στο Simulink του Matlab (Σχήµα 4.1). Η περαιτέρω ανάλυση της δοµής και των επιµέρους τµηµάτων του µοντέλου αυτού ξεφεύγει από τους σκοπούς του παρόντος άρθρου και για τον λόγο αυτό δεν παρατίθεται [8]. Σχήµα 4.1: Το λειτουργικό διάγραµµα του µοντέλου του µετατροπέα τύπου µήτρας Στη συνεχεία, παρατίθενται ορισµένες κυµατοµορφές (Σχήµατα 4.2 εώς 4.9) που προέκυψαν κατά την εξοµοίωση της λειτουργίας του µετατροπέα τύπου µήτρας χρησιµοποιώντας το µοντέλο που δηµιουργήθηκε. Σχετικά µε την εξοµοίωση, παραθέτουµε τα ακόλουθα στοιχεία: ιακοπτική συχνότητα λειτουργίας f sw =10kHz. Συµµετρική τριφασική τάση εισόδου φασικής ενεργού τιµής V iφ =220V και συχνότητας f i =50Hz. Επιθυµητή συµµετρική τριφασική τάση εξόδου φασικής ενεργού τιµής V oφ =110V και συχνότητας f ο =25Hz. Χαµηλοδιαβατό φίλτρο εισόδου L-C µε L=100µH και C=25µF. Ωµικό-Επαγωγικό φορτίο R-L συνδεδεµένο σε αστέρα µε R=20Ω και L=50mH. Οι κυµατοµορφές των πολικών τάσεων εξόδου δείχνονται στο σχήµα 4.2, των φασικών τάσεων εξόδου στο σχήµα 4., ενώ στο σχήµα 4.4 δείχνεται το φάσµα συχνοτήτων των τάσεων αυτών. Στο σχήµα 4.5 βλέπουµε την κυµατοµορφή και το φάσµα συχνοτήτων του τριφασικού ηλ. ρεύµατος εξόδου. Αντίστοιχα, στο σχήµα 4.6 παρατίθεται η κυµατοµορφή του τριφασικού ηλ. ρεύµατος εισόδου. - 5 -
Στο σχήµα 4.7 δείχνεται πώς κατανέµεται το ηλ. ρεύµα ενός δικατευθυντήριου διακόπτη στα δύο τρανζίστορ ισχύος (IGBT) αυτού. Οµοίως, στο σχήµα 4.8 δείχνεται η τάση στα άκρα ενός δικατευθυντήριου διακόπτη και στα άκρα των δύο τρανζίστορ ισχύος (IGBT) αυτού. Τέλος, στο σχήµα 4.9 δείχνεται το ηλ. ρεύµα µίας φάσης της εξόδου (ενός leg του µετατροπέα) και πως αυτό κατανέµεται στους τρεις δικατευθυντήριους διακόπτες που την αποτελούν. Σχήµα 4.2: Κυµατοµορφές πολικών τάσεων εξόδου (V iφ =220V - f i =50Hz - V oφ =110V - f ο =25Hz - f sw =10kHz) Σχήµα 4.: Κυµατοµορφές φασικών τάσεων εξόδου (V iφ =220V - f i =50Hz - V oφ =110V - f ο =25Hz - f sw =10kHz) Σχήµα 4.4: Αρµονικό περιεχόµενο της τάσης εξόδου - 6 -
Σχήµα 4.5: Κυµατοµορφή και φάσµα συχνοτήτων του ηλ. ρεύµατος εξόδου Σχήµα 4.6: Κυµατοµορφή φάσµα συχνοτήτων του ηλ. ρεύµατος εισόδου Σχήµα 4.7: Το ηλ. ρεύµα σε ένα δικατευθυντήριο διακόπτη - 7 -
Σχήµα 4.8: Η τάση στα άκρα ενός δικατευθυντήριου διακόπτη Σχήµα 4.9: Το ηλ. ρεύµα µίας φάσης της εξόδου (ενός leg του µετατροπέα) 5. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ-ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΤΥΠΟΥ ΜΗΤΡΑΣ Ο µετατροπέας τύπου µήτρας, που σχεδιάσθηκε και κατασκευάσθηκε στο Ε.Η.Μ.Ε. στα πλαίσια της παρούσης εργασίας, αποτελείται από επιµέρους τµήµατα ( modular design ), προκειµένου να υπάρχει ευελιξία στην αντικατάσταση-αναβάθµιση των διαφόρων τµηµάτων του µετατροπέα [8]. Τα επιµέρους τµήµατα του µετατροπέα είναι τα ακόλουθα: 1. Το κύκλωµα ισχύος. 2. Το µικροϋπολογιστικό σύστηµα που ελέγχει τον µετατροπέα.. Οι µετρητικές διατάξεις µέτρησης τριφασικής τάσης και τριφασικού ρεύµατος. 4. Τα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης. Α. Το κύκλωµα ισχύος Το κύκλωµα ισχύος αποτελεί το σηµαντικότερο τµήµα του µετατροπέα από άποψη λειτουργίας, ενώ, επιπλέον, είναι και το δαπανηρότερο τµήµα αυτού. Για τους λόγους αυτούς, ο σχεδιασµός του έγινε µε ιδιαίτερα προσεκτικό τρόπο και µε πρόβλεψη για µελλοντικές βελτιώσεις-προσθήκες, ώστε να - 8 -
είναι δυνατή η εκπόνηση διπλωµατικών εργασιών και έρευνας µε βάση την υπάρχουσα κατασκευή και στο µέλλον. Η τοπολογία τύπου µήτρας χωρίσθηκε σε τρία τµήµατα, κάθε ένα από τα οποία περιλαµβάνει τρεις () δικατευθυντήριους διακόπτες. Στην ηλεκτρονική πλακέτα που υλοποιεί κάθε ένα από αυτά τα τµήµατα, οι τρεις δικατευθυντήριοι διακόπτες έχουν ένα κοινό άκρο (υποθέτουµε ότι αυτό είναι µία φάση της εξόδου), ενώ το άλλο άκρο κάθε διακόπτη συνδέεται σε διαφορετική φάση της εισόδου του µετατροπέα (Σχήµα 5.1 i). Στην διεθνή βιβλιογραφία, κάθε ένα τµήµα από αυτά αποτελεί ένα «πόδι» (στα αγγλικά leg ) της τοπολογίας τύπου µήτρας ( Matrix Topology ). Σχήµα 5.1: i) Η τοπολογία τύπου µήτρας και ii) ο δικατευθυντήριος διακόπτης «κοινού εκποµπού» Η κάθε µία από τις τρείς πλακέτες του κυκλώµατος ισχύος περιλαµβάνει τρείς από τους συνολικά εννέα δικατευθυντήριους διακόπτες. Για την υλοποίηση κάθε δικατευθυντήριου διακόπτη χρησιµοποιήθηκαν δύο «σύνθετα» ελεγχόµενα ηµιαγωγικά στοιχεία, τα οποία συνδέθηκαν εν σειρά µε αντίθετη φορά, αποτελούµενα από ένα τρανζίστορ ισχύος τύπου IGBT και µία αντιπαράλληλη προς αυτό δίοδο ισχύος (Σχήµα 5.1 ii). Τα στοιχεία αυτά και οι ονοµαστικές τιµές των βασικών τους ηλεκτρικών µεγεθών συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα. Πίνακας 4.1 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΙΣΧΥΟΣ Κατασκευαστής Τύπος Ι Ν για (θ=25 ο C) V cut-off IXYS IXDR 0N120 D1 0Ampere 1200Volt Επιπρόσθετα, στις ηλεκτρονικές πλακέτες του κυκλώµατος ισχύος ενσωµατώθηκαν και το σύνολο των ηλεκτρονικών στοιχείων ελέγχου που απαιτούνται για την διασύνδεση των τρανζίστορ ισχύος (IGBT) του δικατευθυντήριου διακόπτη µε την πλακέτα του µικροεπεξεργαστή. Τα σηµαντικότερα από αυτά τα στοιχεία αναφέρονται στο άρθρο αυτό επιγραµµατικά και είναι τα ακόλουθα: Ηλεκτρονικά κυκλώµατα οδήγησης των IGBT. Στους µετατροπείς τύπου µήτρας πρέπει να είναι δυνατή η έναυση κάθε τρανζίστορ ισχύος (IGBT) ανεξαρτήτως του χρονικού διαστήµατος που παρήλθε από την σβέση αυτού. Επίσης, η τάση στα άκρα των τρανζίστορ ισχύος (IGBT) δεν έχει σταθερή πολικότητα και για το λόγο αυτό αποκλείεται η χρήση όλων των κυκλωµάτων οδήγησης στοιχείων IGBT που χρησιµοποιούν την κυκλωµατική λογική Bootstrap. Επιπρόσθετα, ο έλεγχος του κάθε τρανζίστορ ισχύος (IGBT) πρέπει να είναι ανεξάρτητος από τον έλεγχο των υπολοίπων 17 τρανζίστορ ισχύος (IGBT), συµπεριλαµβανοµένου και του έτερου τρανζίστορ ισχύος (IGBT) του ίδιου δικατευθυντήριου διακόπτη (προκειµένου να είναι δυνατή η εφαρµογή µεθόδων «ηµί-φυσικής» µετάβασης). Τελικά, χρησιµοποιήθηκαν τα «διπλά» ( dual ) κυκλώµατα οδήγησης του κατασκευαστή IXYS και συγκεκριµένα ο τύπος IXDI402PI, τα οποία πληρούν τις παραπάνω προϋποθέσεις. Ολοκληρωµένα στοιχεία οπτικής αποµόνωσης. Η αποµόνωση του κυκλώµατος ισχύος από το κύκλωµα ελέγχου ενός µετατροπέα τύποπυ µήτρας, όπως και σε όλους τους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος, είναι βασική προϋπόθεση για την ασφαλή και αξιόπιστη λειτοργία της κατασκευής. Συγκεκριµένα, µε την αποµόνωση αποτρέπεται η βραχυκύκλωση των εκποµπών όλων των τρανζίστορ ισχύος (IGBT) µέσω του GND του µικροϋπολογιστικού συστήµατος και εξασφαλίζεται, σε µεγάλο βαθµό, ότι ένα πιθανό σφάλµα στο - 9 -
κύκλωµα ισχύος του µετατροπέα δεν θα προκαλέσει βλάβες και καταστροφές ηλεκτρονικών στοιχείων του κυκλώµατος ελέγχου πέρα από το σηµείο της αποµόνωσης. Στην συγκεκριµένη εφαρµογή, χρησιµοποιήθηκε η οπτική αποµόνωση των δύο κυκλωµάτων (ελέγχου και ισχύος) µε την χρήση µίας φωτοδιόδου και ενός φωτοευαίσθητου τρανζίστορ (στα αγγλικά optocoupler ) που περιλαµβάνονται στο ολοκληρωµένο στοιχείο 6N17. Στην περίπτωση του µετατροπέα τύπου µήτρας, η οπτική αποµόνωση κρίθηκε ως η καλύτερη επιλογή από άποψη κόστους, χαρακτηριστικών λειτουργίας, όγκου και βάρους. Επιπλέον, ιδιαίτερα επιθυµητή για τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα ελέγχου είναι και η ψηφιακή φύση της λειτουργίας των στοιχείων αυτών. Τέλος, επισηµαίνουµε ότι τα τροφοδοτικά συνεχούς τάσεις αυτών των ολοκληρωµένων ηλεκτρονικών στοιχείων ελέγχου δεν ενσωµατώθηκαν στις ηλεκτρονικές πλακέτες του κυκλώµατος ισχύος για δύο λόγους: 1. Για να µην αυξηθεί πολύ το ήδη µεγάλο µέγεθος των πλακετών αυτών. 2. Για να είναι δυνατή, η µελλοντική αντικατάσταση των γραµµικών τροφοδοτικών που κατασκευάστηκαν στα πλαίσια της παρούσης εργασίας µε παλµοτροφοδοτικά, τα οποία, ως γνωστόν, είναι αποδοτικότερα και καταλαµβάνουν µικρότερο όγκο. Στη συνέχεια παραθέτουµε το σχέδιο της πλακέτας και µία φωτογραφία ενός εκ των τριών τµηµάτων της τοπολογίας µήτρας (Σχήµα 5.2). Σχήµα 5.2: Το σχέδιο της πλακέτας και µία φωτογραφία ενός εκ των τριών τµηµάτων της τοπολογίας µήτρας Β. Το µικροϋπολογιστικό σύστηµα που ελέγχει τον µετατροπέα Ο έλεγχος του µετατροπέα γίνεται µέσω ενός χαµηλού κόστους, αλλά ισχυρού µικροϋπολογιστικού συστήµατος τεχνολογίας DSP. Συγκεκριµένα, χρησιµοποιήθηκε το µικροϋπολογιστικό σύστηµα dspic0f4011 του κατασκευαστή Microchip, το οποίο περιλαµβάνει έναν µικροεπεξεργαστή µε επαρκή υπολογιστική ισχύ και τα απαιτούµενα περιφερειακά (I/O Ports, A/D Converter). Στη συνέχεια παραθέτουµε το σχέδιο και µία φωτογραφία της πλακέτας του µικροϋπολογιστικού συστήµατος (Σχήµα 5.). Σχήµα 5.: Το σχέδιο και µία φωτογραφία της πλακέτας του µικροϋπολογιστικού συστήµατος - 10 -
Γ. Οι µετρητικές διατάξεις τριφασικής τάσης και τριφασικού ρεύµατος Για την λειτουργία του µετατροπέα τύπου µήτρας απαιτείται η µέτρηση των τριών φασικών τάσεων της εισόδου και των τριών ρευµάτων της εξόδου. Οι µετρητικές διατάξεις που χρησιµοποιήθηκαν βασίζονται στο φαινόµενο Hall.. Τα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης Για την λειτουργία του µετατροπέα τύπου µήτρας απαιτούνται τα ακόλουθα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης: 1. Ένα (1) τροφοδοτικό συνεχούς τάσης των 5V για την τροφοδοσία της πλακέτας του µικροεπεξεργαστή και των µετρητικών διατάξεων. 2. Εννέα (9) τροφοδοτικά συνεχούς τάσης των 15V για την τροφοδοσία των οπτικών αποµονωτών και των κυκλωµάτων οδήγησης. Για να µην έχουµε βραχυκύκλωµα µεταξύ εκποµπών τρανζίστορ ισχύος (IGBT) που ανήκουν σε διαφορετικούς δικατευθυντήριους διακόπτες πρέπει η τροφοδοσία του κυκλώµατος οδήγησης και των δύο οπτικών αποµονωτών κάθε δικατευθυντήριου διακόπτη να είναι αποµονωµένη από την τροφοδοσία των υπολοίπων. 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΣΧΟΛΙΑ Ο µετατροπέας τύπου µήτρας συγκεντρώνει πολλά επιθυµητά χαρακτηριστικά, γεγονός που µας οδηγεί στο συµπέρασµα ότι στο µελλόν έχει τις δυνατότητες να αποτελέσει σοβαρή και αξιόπιστη εναλλακτική λύση στον τοµέα των µετατροπέων εναλλασσόµενης τάσης σε εναλλασσόµενη µεταβλητής ενεργού τιµής και συχνότητας. Η έλλειψη των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών µεγάλης χωρητικότητας µειώνει δραστικά τον όγκο και το βάρος του ενώ, παράλληλα, αυξάνει την διάρκεια ζωής του. Επιπρόσθετα, η ρύθµιση της συχνότητας δεν υπόκειται σε περιορισµούς (πέραν αυτών που θέτει η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας), επιτυγχάνεται διόρθωση του συντελεστή ισχύος στην είσοδο και επιτρέπεται η αµφίδροµη ροή ενέργειας. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τις επιδόσεις του µετατροπέα τύπου µήτρας συγκρίσιµες ή και καλύτερες του µετατρόπεα που περιλαµβάνει αντιστροφέα και ελεγχόµενο ανορθωτή (VSI-AFE). Τέλος, υπάρχει η δυνατότητα ικανοποίησης συγκεκριµένων προδιαγραφών για ειδικές εφαρµογές µε τη χρήση κατάλληλης µεθόδου διαµόρφωσης της παλµοδότησης, όπως µείωση των απωλειών ή επίτευξη σχεδόν ηµιτονοειδών κυµατοµορφών για τα ηλ. ρεύµατα εισόδου και εξόδου. Από την άλλη µεριά, η µεγάλη πολυπλοκότητα των µεθόδων διαµόρφωσης της παλµοδότησης, οι δυσκολίες στην µετάβαση του ρεύµατος, η έλλειψη κυκλωµατικών δρόµων ελεύθερης διέλευσης και το περιορισµένο πλάτος της τάσης εξόδου αποτελούν τα βασικά του µειονεκτήµατα. Επιπλέον, ο µετατροπέας τύπου µήτρας έχει να ανταγωνιστεί την «ώριµη» και καλά εδραιωµένη τεχνολογία των µετατροπέων VSI-AFE. 7. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Patrick W. Wheeler, José Rodríguez, Jon C. Clare, Lee Empringham and Alejandro Weinstein: Matrix Converters: A Technology Review, IEEE Transactions On Industrial Electronics, VOL. 49, NO. 2, pp. 276-288, APRIL 2002. [2] Helle L., Larsen K., Jorgensen A., Munk-Nielsen S., Blaabjerg F., Evaluation of Modulation Schemes for Three-Phase to Three-Phase Matrix Converters, IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 51, No. 1, pp. 158-171, February 2004. [] C. L. Neft and C. D. Schauder: Theory and design of a 0-HP matrix converter, IEEE Transactions On Industry Applications, vol. 28, pp. 546 551, May/June 1992. - 11 -
[4] Patrick W. Wheeler, Jon Clare, and Lee Empringham: Enhancement of Matrix Converter Output Waveform Quality Using Minimized Commutation Times, IEEE Transactions On Industrial Electronics, VOL. 51, NO. 1, pp. 240-244, FEBRUARY 2004. [5] Siyoung Kim, Seung-Ki Sul, and Thomas A. Lipo: AC/AC Power Conversion Based on Matrix Converter Topology with Unidirectional Switches, IEEE Transactions On Industry Applications, VOL. 6, NO. 1, pp. 19-145, JANUARY/FEBRUARY 2000. [6] Casadei D., Serra G., Tani A., Zarri L., Matrix converter modulation strategies: A new general approach based on space-vector representation of the switch state, IEEE Transactions On Industrial Electronics, vol. 49, pp. 70 81, Apr. 2002. [7] Wheeler P., Clare J., Empringham L., Enhancement of Matrix Converter Output Waveform Quality Using Minimized Commutation Times, IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 51, No. 1, pp. 240-244, February 2004. [8] Potamianos P.G., "Theoretical Study and Manufacture of a Three-Phase Electronic Power Converter using the Matrix Topology in order to Control Three-Phase Induction Machines", Dissertation No. 971/2005, Univ. of Patras, ECE Dept., 2005. [9] A. Alesina and M. G. B. Venturini, Solid-state power conversion: A Fourier analysis approach to generalized transformer synthesis, IEEE Trans. Circuits Syst., vol. CAS-28, pp. 19 0, Apr. 1981. [10] A. Alesina and M. Venturini, Intrinsic amplitude limits and optimum design of 9-switches direct PWM AC AC converters, in Proc. IEEE PESC 88, vol. Apr., 1988, pp. 1284 1291. [11] A. Alesina and M. G. B. Venturini, Analysis and design of optimum amplitude nine-switch direct AC AC converters, IEEE Transactions On Power Electronics, vol. 4, pp. 101 112, Jan. 1989 [12] Siyoung Kim, Seung-Ki Sul, and Thomas A. Lipo: AC/AC Power Conversion Based on Matrix Converter Topology with Unidirectional Switches, IEEE Transactions On Industry Applications, VOL. 6, NO. 1, pp. 19-145, JANUARY/FEBRUARY 2000. [1] L. Huber and D. Borojevic: Space vector modulated three phase to three phase matrix converter with input power factor correction, IEEE Transactions On Industry Applications, vol. 1, pp. 124 1246, Nov./Dec. 1995. [14] C. L. Neft and C. D. Schauder: Theory and design of a 0-HP matrix converter, IEEE Transactions On Industry Applications, vol. 28, pp. 546 551, May/June 1992. [15] Patrick W. Wheeler, Jon Clare, and Lee Empringham: Enhancement of Matrix Converter Output Waveform Quality Using Minimized Commutation Times, IEEE Transactions On Industrial Electronics, VOL. 51, NO. 1, pp. 240-244, FEBRUARY 2004. - 12 -