Utilizarea regimului discontinuu de conducńie în invertoarele conectate la reńea

Utilizarea regimului discontinuu de conducńie în invertoarele conectate la reńea

Invertor = dispozitiv electronic care transformă curentul continuu în curent alternativ AplicaŃii: acńionări electrice de curent alternativ surse regenerabile de energie În domeniul surselor regenerabile există două categorii de aplicańii ale invertoarelor: invertoare pentru alimentarea directă a consumatorilor (în cazul sistemelor autonome energetic) invertoare conectate la reńea (în cazul sistemelor care introduc energia în reńeaua electrică)

Schema electrică a unui invertor monofazat: Comutatoarele Kx pot fi: Ua D1 D2 K1 K2 Ieşire Uo K3 K4 D3 D4 sau Tranzistor IGBT Tranzistor MOS (include dioda)

FuncŃionarea invertorului: 4 comutatoare 16 stări posibile. Dintre acestea, starile în care: K1 închis şi K2 închis (4 stări) K3 închis şi K4 închis (4 stări) nu sînt permise deoarece conduc la scurtcircuitarea sursei de alimentare Cele 8 stări permise pot fi utilizate pentru comanda funcńionării invertorului. Există mai multe metode de comandă pentru generarea tensiunilor sinusoidale la ieşire: ModulaŃie PWM sinusoidală (varianta bipolară) ModulaŃie PWM sinusoidală (varianta unipolară)

ModulaŃie PWM sinusoidală (varianta bipolară): Se utilizează doar două stări: Starea (K1=off, K2=on, K3=on, K4=off) Uo = Ua Starea 1 (K1=on, K2=off, K3=off, K4=on) Uo = +Ua Se generează un semnal de referinńă de tensiune sinusoidală (Ur) şi o purtătoare de formă triunghiulară (Up) cu o frecvenńă mult mai mare. Invertorul se aduce în starea dacă Ur < Up Invertorul se aduce în starea 1 dacă Ur Up Acest mecanism de comandă permite controlul tensiunii generate nu şi al curentului (acesta depinde de sarcina invertorului)

Frecventa purtatoare = 15 x Frecventa semnal de referinta, Indice de modulatie =.8 +1 +.8 Purtatoare Referinta Tensiune generata -.8-1 +Ua -Ua.1.2.3.4.5.6.7.8.9 1

1 Spectrul tensiunii generate Amplitudine relativa la Ua.8.6.4.2 1 15 3 45 6 Numar componenta armonica Se observă prezenńa unei componente cu frecvenńa şi amplitudinea referinńei de tensiune (componenta de ordinul 1). Suplimentar apar componente armonice superioare grupate în jurul multiplilor întregi ai purtătoarei aceste componente trebuie eliminate prin filtrare

Tipuri de filtre: L Filtru L: Uo (invertor) Uo (filtrat) L Filtru LC: Uo (invertor) C Uo (filtrat) L1 L2 Filtru LCL: Uo (invertor) C Uo (filtrat)

Invertor conectat la reńea Introduce în reńeaua electrică un curent alternativ. Q1 D1 D3 Q3 Ua L1 C R L2 Q2 D2 ReŃea D4 Q4

Regimul de funcńionare: Se referă la modul de evoluńie a curentului prin inductorul L1 Q1 Q4 D2 D3 D1 D4 Q1 Q4 D2 D3 Q2 Q3 I L1 I L1 Q1 Q4 Q2 Q3 Q1 Q4 Q2 Q3 Curent de ieşire mare (I L1 are doar valori pozitive) Curent de ieşire mic (I L1 are valori pozitive şi negative)

ObservaŃii: Curentul prin inductorul L1 este diferit de zero (cu excepńia trecerilor prin zero) În fiecare moment există un dispozitiv (diodă sau tranzistor) în conducńie Acest regim de funcńionare se numeşte regim de conducńie continuuă CCM (Continuous Conduction Mode) Este datorat modului complementar de acńionare a perechilor de tranzistoare (Q1,Q2) şi (Q3,Q4) Este independent de valoarea medie a curentului generat de invertor (care corespunde valorii medii a curentului prin inductorul L1)

Controlul invertorului conectat la reńea: Obiectiv urmărit reglarea curentului introdus în reńea. ReferinŃa de curent este o sinusoidă cu aceeaşi frecvenńă ca tensiunea reńelei şi defazată cu un unghi φ. dacă φ =, se introduce în reńea numai putere activă dacă φ, se introduce şi putere reactivă În cazul în care se doreşte compensarea consumului nesinusoidal, referinńa de curent poate avea o formă arbitrară (suma componentelor armonice cele mai semnificative).

Modelul invertorului cu filtru LCL conectat la reńea: q Ug 2 Ua (q-.5) H q - Ig (s) H Ug - Ig (s) Ig q = comandă Ig = curent introdus în reńea Ug = tensiunea reńelei Mărimea de comandă a invertorului este: Semnal de comandă (Q1, Q4) Semnal de comandă (Q2, Q3) ton q=, q=[ 1] To ton To To-ton To

FuncŃia de transfer de la comandă la curentul introdus în reńea H q-ig (s) este: 1 H q-ig(s) = i (L L L 1 +L 2 )s L +L 1 2 2 1 2 RCs+1 Cs +RCs+1 FuncŃia de transfer de la tensiunea reńelei la curentul introdus în reńea H Ug-Ig (s) este: H Ug-Ig -1 L1Cs +RCs+1 (s) = i (L L 1 +L 2 )s 1L2 Cs 2 +RCs+1 L +L 1 2 2

ObservaŃii: Ambele funcńii de transfer conńin acelaşi integrator înseriat cu un sistem de ordinul II Constanta de timp a integratorului este foarte mică deoarece valorile inductorilor L1 şi L2 sînt foarte mici (sute de µh maxim 1 mh) Rezultatul este o sensibilitate extrem de mare a valorii curentului generat de invertor atît la variańiile comenzii cît şi la tensiunea reńelei (mai exact la valoarea diferenńei dintre 2Ua(q-.5) şi Ug) Pentru reglajul corect al curentului este necesar un control fin al comenzii ceea ce presupune o rezoluńie ridicată a generatorului de semnal PWM (dificil de realizat practic în special la frecvenńe de comutańie mari)

Simularea funcńionării invertorului cu regulator de tip PI : Parametri invertor: Ua = 24 Vcc L1 = 1 µh C = 15 µf Ug = 12 Vef L2 = 22 µh R = 3 Ω Parametri regulator (acordat prin metoda Ziegler-Nichols): Kr =.15 Ti = 138 µsec De ce regulator PI? Se doreşte o frecvenńă de comutańie / eşantionare mare (5 1 KHz) problema resurselor de calcul Algoritmul nu depinde de numărul şi frecvenńa componentelor armonice din semnalul de referinńă (ca în cazul algoritmilor de tip proporńionalrezonant sau cu control componente active/reactive)

1 Functionare in regim CCM fara tensiune retea Tensiune retea [V].5 -.5-1.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec] Curent retea [a].4.2 -.2 Referinta Curent generat -.4.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec]

2 Functionare in regim CCM cu tensiune retea ideala Tensiune retea [V] 1-1 -2.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec] Curent retea [a].4.2 -.2 Referinta Curent generat -.4.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec]

2 Functionare in regim CCM cu tensiune retea reala Tensiune retea [V] 1-1 -2.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec] Curent retea [a].4.2 -.2 Referinta Curent generat -.4.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec]

Amplitudine (tensiune retea) [V] 2 15 1 5 Functionare in regim CCM cu tensiune retea reala - continut armonic 5 1 15 2 25 Nr componenta armonica Amplitudine (curent retea) [A].25.2.15.1.5 5 1 15 2 25 Nr componenta armonica

Alternativă comanda invertorului pentru funcńionare în regim de conducńie discontinuuă Se utilizează trei stări: Starea (K1=off, K2=off, K3=off, K4=off) Uo determinat de sarcină Starea + (K1=on, K2=off, K3=off, K4=on) Uo = +Ua Starea (K1=off, K2=on, K3=on, K4=off) Uo = Ua Comanda invertorului - în acest caz: ton q =, q=[ -1 1] To Dacă q >, semnalul PWM comută între stările şi + Dacă q <, semnalul PWM comută între stările şi

Regimul de funcńionare: Q1 Q4 D2 D3 Q1 Q4 D2 D3 I L1 I L1 Q1 Q4 Q1 Q4 q >, Curent de ieşire mare (I L1 are doar valori pozitive) q >, Curent de ieşire mic (I L1 are şi valori nule) Este posibil ca prin inductorul L1 să se anuleze curentul la sfîrşitul perioadei de comutańie (în cazul curenńilor generańi de valoare redusă).

Acest regim de funcńionare se numeşte regim de conducńie discontinuuă DCM (Discontinuous Conduction Mode) CondiŃia de funcńionare în regim de conducńie discontinuuă este: unde: Io< UaTo (1-m 2 4L ) Io = curentul generat de invertor (valoarea medie a lui I L1 ) Ug m = Ua Deoarece se doreşte funcńionarea numai în acest regim: 1 UaTo 2 L 1< (1-m max ) 4Io (relańia de dimensionare a inductorului L1)

Curentul generat de invertor este: Io= Ua Ua-Ug i L To Ua+Ug 1 q 2 Modelul invertorului cu filtru LCL conectat la reńea (în regim de conducńie discontinuuă): q Ug Io(q) Io H Io - Ig (s) H Ug - Ig (s) Ig q = comandă Ig = curent introdus în reńea Ug = tensiunea reńelei

FuncŃia de transfer de la curentul Io la curentul introdus în reńea H Io-Ig (s) este: H Io-Ig(s) = L L L +L 1 2 2 1 2 RCs+1 Cs +RCs+1 FuncŃia de transfer de la tensiunea reńelei la curentul introdus în reńea H Ug-Ig (s) este: H (s) = Ug-Ig L L L +L 1 2 2 1 2 -Cs Cs +RCs+1

ObservaŃii: Integratorul nu mai este prezent (doar sisteme de ordinul II) Sensibilitatea valorii curentului generat de invertor atît la variańiile comenzii cît şi la tensiunea reńelei este mult mai redusă Sistemul este neliniar din cauza dependenńei curentului Io de pătratul Ua-Ug comenzii şi de raportul de tensiuni Ua+Ug Compensarea neliniarităńii se introduce un bloc de calcul între comanda generată de regulator (q) şi comanda aplicată invertorului (q*): Pentru q>: Pentru q<: q*= Ua+Ug q Ua-Ug q*= Ua-Ug - q Ua+Ug

Simularea funcńionării invertorului cu regulator de tip PI (în regim de conducńie discontinuuă): Parametri invertor: Ua = 24 Vcc L1 = 1 µh C = 15 µf Ug = 12 Vef L2 = 22 µh R = 3 Ω Parametri regulator (acordat prin metoda Ziegler-Nichols): Kr =.72 Ti = 138 µsec

1 Functionare in regim DCM fara tensiune retea Tensiune retea [V].5 -.5-1.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec] Curent retea [a].2.1 -.1 Referinta Curent generat -.2.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec]

2 Functionare in regim DCM cu tensiune retea ideala Tensiune retea [V] 1-1 -2.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec] Curent retea [a].4.2 -.2 Referinta Curent generat -.4.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec]

2 Functionare in regim DCM cu tensiune retea reala Tensiune retea [V] 1-1 -2.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec] Curent retea [a].4.2 -.2 Referinta Curent generat -.4.5.1.15.2.25.3.35.4 Timp [sec]

Amplitudine (tensiune retea) [V] 2 15 1 5 Functionare in regim DCM cu tensiune retea reala - continut armonic 5 1 15 2 25 Nr componenta armonica Amplitudine (curent retea) [A].25.2.15.1.5 5 1 15 2 25 Nr componenta armonica

Concluzii: Regimul discontinuu de conducńie este specific convertoarelor de curent continuu dar poate fi utilizat şi în cazul invertoarelor prin modificarea modului de comandă al tranzistoarelor În acest caz, se obńin performanńe ridicate la reglarea curentului introdus în reńeaua electrică chiar utilizînd regulatoare simple de tip PI