wielopoziomowy falownik w zastosowaniu do silnika ... - Komel

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010 1Omelian Płachtyna, Roman śarnowski,Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, BydgoszczWIELOPOZIOMOWY FALOWNIK W ZASTOSOWANIU DO SILNIKAINDUKCYJNEGO LUB AUTONOMICZNEJ PRĄDNICYINDUKCYJNEJ ALBO SYNCHRONICZNEJMULTILEVEL INVERTER APPLIED TO MOTOR DRIVE OR TO INDUCTIONOR SYNCHRONOUS GENERATORAbstract: In the paper a multilevel inverter for purpose in a supply of induction motor or in generation ofautonomous, self-excited induction generator voltage is presented. The inverter allows elimination of the mostsignificant harmonics 5 th and 7 th and other, up to 10 th . In the case of motor supply in the system are not usedsumming transformers and thanks to the phase shifting of voltages the system is favourable in respect of harmonicsin current drawn by transformer from the utility grid. The system in purpose of autonomous generatoris soft for recipients of electrical energy and for the generator drive. In this case the inverter allows eliminationinfluence of 6 th , 18 th , and 30 th harmonics from voltages and currents, what allows to avoid oscillations of theshaft torque.WstępOd chwili rozpowszechnienia się prądu przemiennegojako nośnika energii elektrycznej,podstawowym źródłem wytwarzającym tę energiębyły generatory synchroniczne (turbogeneratory,hydrogeneratory). Cechą charakterystycznątych układów było utrzymywaniestałej prędkości obrotowej generatora przezukład napędowy [56]. Taka sytuacja jest moŜliwaw przypadku wykorzystania do napędu generatorówturbin cieplnych oraz układów wykorzystującychenergię spadku wody. W przypadkuinnych napędów, spełnienie wymagańdotyczących stałości prędkości obrotowej moŜebyć trudne lub wręcz niemoŜliwe. Ostatnio,w związku z rozwojem energetyki opartej naniekonwencjonalnych źródłach energii, pojawiłasię znaczna liczba małych elektrowniwodnych i wiatrowych pracujących zarównoprzy stałej, jak i zmiennej prędkości obrotowejwału. Stochastyczne parametry odnawialnychźródeł energii stwarzają dodatkowe problemy zzapewnieniem odpowiedniej jakości energiielektrycznej, pozyskiwanej z tych źródeł.W zaleŜności od zastosowanego rodzajugeneratora (synchronicznego lub asynchronicznego)elektrownie z grupy tzw. małej energetykicharakteryzują się nieco odmiennymi cechami.Człon energoelektroniczny występujący pomiędzygeneratorem a obciąŜeniem stanowi interfejssieciowy. Generator z interfejsem pracującyautonomicznie, lub inaczej autonomiczną prądnicę indukcyjną, w dalszej części oznaczonoAPI.W projektowaniu API z układami przekształtnikowymio strukturze falownikowej na ogół niema problemu z zapewnieniem stałej wartościnapięcia wyjściowego i jego częstotliwości, natomiastmoŜna zauwaŜyć pewną tendencję, tojest zmierzanie do wyeliminowania wyŜszychharmonicznych z napięcia wyjściowego. Polegato na poprawie kształtu krzywej napięcia tak,aby wyeliminować najbardziej znaczące harmonicznelub harmoniczne określonego rzędu.W układach falownikowych bez PWM sprowadzasię to do takiego sterowania łącznikami,aby uzyskać krzywą napięcia w postaci krzywejschodkowej o określonej liczbie schodkówi określonych poziomach napięcia poszczególnychschodków. W układach falownikowychz PWM odbywa się to poprzez stosowanieokreślonej modulacji szerokości impulsów [1,3, 8]. W ostatnich latach pojawiły się rozwiązaniałączące te dwa sposoby, tj. podstawowakrzywa napięcia ma kształt schodkowy, natomiastdla poszczególnych stopni stosuje się dodatkowomodulację PWM [6, 7].Znane są równieŜ rozwiązania, w których odpowiednikształt krzywej napięcia wyjściowegoprzekształtnika, stanowiącego interfejs wyjściowyAPI, uzyskuje się zarówno poprzez odpowiedniekształtowanie fali napięcia, jaki stosowanie filtracji [2].

2Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010Z przytoczonych rozwaŜań wynika, Ŝew układach API z przekształtnikami jakość generowanejenergii elektrycznej jest określonagłównie przez zastosowany przekształtnik.W wyniku prowadzonych prac badawczych nadAPI, w której w falowniku kaskadowym do sumowanianapięć uŜyto transformatorów powstałanowa koncepcja falownika wielopoziomowego,jako interfejsu do takich API.Układ falownika sześciopoziomowegoSchemat zaproponowanego [4, 9] układu przedstawionona rys. 1. Posiada on strukturę trójfazowegokaskadowego falownika napięcia,który nie generuje wyŜszych harmonicznych dodziesiątego rzędu włącznie. Układ jest zasilanyczterema napięciami stałymi, z których pierwszema wartość względną równą 1 i zasila, poprzezrównoległą baterię kondensatorów falowniktrójfazowy, a pozostałe trzy napięcia, o wartościwzględnej równej 1/ 3 kaŜde, zasilają,poprzez równoległe trzy baterie kondensatorów,trzy jednofazowe falowniki napięcia. Napięciafalowników jednofazowych są dodawane do napięćfazowych falownika trójfazowego, a wyjściez układu, w postaci napięcia trójfazowego,stanowią wyjścia jednofazowych falownikównapięcia, oznaczone A, B, C. Aby uzyskaćstabilizację napięcia wyjściowego zastosowanocztery przekształtniki impulsowe (chopper).Kąt przesunięcia fazowego między napięciamiodpowiadających sobie faz uzwojenia zasilającegofalownik trójfazowy i kaŜdego z trzechpozostałych względem tego pierwszego wynosi30° elektrycznych.Trójfazowy falownik napięcia kształtuje napięciefazowe, które w przedziale kątów 0 ÷ πprzebiega następująco: w przedziale 0 ÷ π/3 napięciamają wartość 1/3 u d , w przedziale π/3 ÷2π/3 napięcia mają wartość 2/3 u d , w przedziale2π/3 ÷ π napięcia mają wartość 1/3 u d . Dla kątówwiększych od π funkcja przebiega antysymetrycznie.Rys. 1. Wielopoziomowy falownik w zastosowaniudo silnika indukcyjnegoW przedziale kątów 0 ÷ π kaŜdy z jednofazowychfalowników napięcia kształtuje napięcia onastępującym przebiegu: w przedziale 0 ÷ π/6napięcia mają wartość 0, w przedziale π/6 ÷5π/6 napięcia mają wartość 1/ 3 u d , w przedziale5π/6π napięcia mają wartość 0. Dla kątówwiększych od π funkcje przebiegają antysymetrycznietak, jak to przedstawiono na rys.2.a)b)c)U 3fU 1fU wyj2/3U D1/3U D1/ 3U Dβ=−π/6πππ2π2π2πωtωtωtRys. 2. Przebiegi napięć wyjściowychodpowiednio z falownika 3-fazowego – a) i falownikówjednofazowych – b) oraz napięciewyjściowe falownika – c)

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010 3Wynik wybranych badań symulacyjnych dla napęduprzedstawionego na rys.1 pokazano narys. 3. Na rys. 3a przedstawiono falę prądufazowego stojana, a na rys 3b falę prądupobieranego z sieci przez transformator zasilający.a)b)stanowią wyjścia oznaczone A, B, C jednofazowychfalowników napięcia.Zaletą techniczną tej API jest brak stosowaniatransformatorów sumujących napięcia. Dziękirelacjom wartości i fazy dwóch napięć wyjściowychgeneratora, w jego momencie elektromagnetycznymnie powstają momenty od wyŜszychharmonicznych napięć i prądów rzędu 6,18, 30 i dalsze, co eliminuje drgania momentuna wale. Układ jest, więc korzystny zarównoz punktu widzenia napędu generatora jak i odbiorcówgenerowanej przez niego energii elektrycznej.W przypadku prądnicy indukcyjnej układ powinienzostać uzupełniony o baterie kondensatorówwzbudzających przyłączonych równolegledo uzwojenia 3-fazowego i odpowiednio douzwojeń jednofazowych.Rys. 3. Prądy odpowiednio silnika i transformatora.Prąd fazowy silnika –a), prąd fazowyw uzwojeniu pierwotnym transformatora sieciowego–b)API z beztransformatorowym trójfazowymwielopoziomowym falownikiem napięciaUkład trójfazowego generatora (asynchronicznego,synchronicznego) [5] z kaskadowym falownikiemnapięcia (rys. 4) moŜe stanowić źródłonapięcia bez wyŜszych harmonicznych dorzędu dziesiątego włącznie.Charakterystyczną cechą układu jest to, Ŝegenerator posiada dwa uzwojenia trójfazowe,z których jedno jest skojarzone w gwiazdę,a uzwojenia fazowe drugiego uzwojeniatrójfazowego są separowane, o zwojnościachpozostających w stosunku 1 : 1/ 3 i osiachjednoimiennych faz obu uzwojeń przesuniętycho 30°. Generator zasila odpowiednio napięciemo wartości względnej 1 poprzez prostowniki równoległą baterię kondensatorów falowniktrójfazowy, a napięciem o wartości względnej1/ 3 kaŜde, poprzez równoległe trzy bateriekondensatorów, trzy jednofazowe falowniki napięcia.Jednofazowe falowniki napięcia dodająswoje napięcia do wyjściowego napięcia fazowegofalownika trójfazowego, a wyjściez układu, w postaci napięcia trójfazowego,Rys. 4. Schemat API w przypadku prądnicysynchronicznej z falownikiem wielopoziomowymPodsumowanie i wnioski końcowe najbliŜszymi wyŜszymi harmonicznymiw napięciu są 11., 13., 23., 25., 35. i 37., współczynnik THD po odfiltrowaniu tychharmonicznych osiągnąłby korzystną wartośćokoło 3,9%, układ jest przyjazny dla trójfazowego źródłaenergii elektrycznej, poniewaŜ praktycznienie odkształca prądu pobieranego przeztransformator zasilający, zaletą techniczną tego układu API jest brakstosowania transformatorów sumujących napięcia, dzięki relacjom wartości i fazy dwóch napięćwyjściowych generatora, w jego momencieelektromagnetycznym nie powstają momentyod wyŜszych harmonicznych napięć i prądów

4Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010rzędu 6, 18, 30 i dalsze, co eliminuje drganiamomentu na wale, układ jest więc korzystny zarówno z punktuwidzenia napędu generatora, jak i odbiorcówgenerowanej przez niego energii elektrycznej, porównanie zaproponowanego układu z innymiźródłami zasilania energią elektrycznąwykazało, Ŝe układ ten spełniałby wymaganianorm [10], dotyczące jakości energiielektrycznej dla sieci niskiego napięcia, poodfiltrowaniu 11. i 13. harmonicznej napięcia.Literatura[1]. Holmes D., G., Lipo T., A.: Pulse width modulationfor power converters. J. Wiley Inc. Publication,2003.[2]. Nayar C. V. et al.: Power Electronics forRenewable Energy Sources [in:] Power ElectronicsHandbook, Rashid M. H. (Editor-in-Chieff), AcademicPress 2001.[3]. Nowak M., Barlik R.: Poradnik inŜynieraenergoelektronika. WNT, Warszawa 1998.[4]. Plakhtyna O., śarnowski R.: Zgłoszenie patentoweP.380141 Układ trójfazowego kaskadowegofalownika napięcia. UPRP 10.07.2006.[5]. Plakhtyna O., śarnowski R.: Zgłoszenie patentoweP.380142 Generator trójfazowy z kaskadowymfalownikiem napięcia. UPRP 10.07.2006.[6]. Shavełkin A. A.: Minimalizacja siłovych cepiejmnogourovnievych preobrazovatilej czastoty elektroprivodovsredniego napriazenia. Techn. Elektrodinamika,Donieck 2005.[7]. Skvarenina T. L.: The Power Electronics Handbook.Industrial Electronics Series CRC Press.Washington 2000.[8]. Tunia H., Smirnow A., Nowak M., Barlik R.:Układy energoelektroniczne – obliczanie, modelowanie,projektowanie. WNT, Warszawa 1982.[9]. śarnowski R.: Analiza i badania układu autonomicznejprądnicy indukcyjnej z kaskadowym falownikiemnapięcia. Rozprawa doktorska, AkademiaMorska, Gdynia 2010.[10]. PN-EN 50160:2002 Parametry napięciazasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych.AutorzyProf. dr hab. inŜ. Omelian PłachtynaUniwersytet Technologiczno-Przyrodniczyw Bydgoszczy, Instytut ElektrotechnikiZakład Maszyn i Napędów Elektrycznych.ul. prof. Sylwestra Kaliskiego 785-796 Bydgoszcz, Tel. (52)340 85 30E-mail: plakht@utp.edu.pl.Dr inŜ. Roman śarnowski, UUniwersytet Technologiczno-Przyrodniczyw Bydgoszczy, Instytut ElektrotechnikiZakład Maszyn i Napędów Elektrycznychul. prof. Sylwestra Kaliskiego 785-796 Bydgoszcz, Tel. (52)340 85 30E-mail: zarnov@ by.home.pl.