CONVERTOARE ELECTRONICE DE PUTERE CU TRANSFER DE ENERGIE BIDIRECŢIONAL

7/31/2019 CONVERTOARE ELECTRONICE DE PUTERE CU TRANSFER DE ENERGIE BIDIRECIONAL

1/55

CAPITOLUL 5. CONVERTOARE ELECTRONICE DE PUTERE DE C.A./C.C.

(REDRESOARE, INVERTOARE I FILTRE ACTIVE). CU TRANSFER DEENERGIE BIDIRECIONAL PENTRU LINII DE DISTRIBUIE DE C.C.

(MODELARE I SIMULARE)

Coninut

5.1. Introducere

5.2. Generaliti despre convertoare statice c.a./c.c. i c.c./c.a.

5.3. Topologii uzuale de convertoare statice de c.a. cu circuit intermediar de c.c.

5.4. Invertorul de tensiune n punte trifazat pentru modulaia n lime a pulsului

5.4.1. Funcionarea invertorului trifazat de tensiune

5.4.2. Comanda invertorului trifazat de tensiune pentru modularea pulsului

5.4.3. Modelarea invertorului de tensiune

5.5. Modelarea i simularea procedurilor de modulaie n lime a pulsului

5.5.1. PWM de tensiune cu und purttoare cu regulatoare bipoziionale simple

5.5.2. PWM cu reacie de curent cu regulatoare bipoziionale cu histerezis

5.5.3. PWM cu und purttoare de curent cu regulatoare bipoziionale simple

5.5.4. PWM de curent cu frecven constant cu regulatoare bipoziionale sincronizate

5.5.5. PWM cu reacie de curent optimizat prin decalarea comutrii fazelor

5.6. Modelarea convertoarelor electronice de putere bidirecionale de c.c./c.a. i

c.a./c.c.

5.6.1. Modelarea convertorului compus dintr-un redresor PWM i invertor PWM

5.6.2. Modelarea convertorului de reea cu pulsuri de curent de 120 cu filtrarea activ a

curentului

5.6.3. Modelarea CSF hibrid cu dou circuite intermediare separate cu filtrarea activ a

curentului motorului

5.6.4. Modelarea CSF hibrid cu circuite intermediare cuplate cu filtrarea activ a curentului

motorului i a reelei de c.a.

5.7. Simularea transferului bidirecional al energiei unei linii de distribuie de c.c.

cuplat la reeaua de c.a. i consumatori de c.a. prin convertoarelor electronice de putere

5.7.1. Simularea liniei de.c.c. alimentat de un redresor PWM pentru o acionare multimotor

de c.a.

5.7.2. Simularea liniei de c.c. alimentat de la un redresor de reea cu pulsuri de curent de

120 cu filtrarea activ a curentului pentru acionri de c.a. cu invertoare PWM

5.7.3. Simularea liniei de c.c. pentru alimentarea convertorului hibrid cu circuite

intermediare de c.c. cuplate cu filtrarea activ a curentului motorului i a reelei

5.7.4. Simularea invertorului hibrid tandem cuplat la o linie de c.c. cu filtrarea activ acurentului liniei de c.a. i a motorului de acionare

5.8. Concluzii la modelarea i simularea convertoarelor de electronic de putere

cuplate la liniile de distribuie de c.c.

5. B. Bibliografie

5. 1


2/55

5.1. Introducere

O reea la tensiune continu, care este alimentat de la diverse tipuri de generatoare deputere mic (pn la 100 kW) i care utilizeaz n primul rnd surse regenerabile, echipamente destocare a energiei i consumatori (receptoare) la joas tensiune, cum sunt cele casnice sauindustriale de putere mic, conine elemente de electronic de putere: convertoare statice dediferite tipuri i cu diferite funcii, filtre active i acumulatoare de energie realizate cu dispozitivesemiconductoare n comutaie.

Dac reeaua de tensiune continu de configuraie special este un sistem cu treiconductoare +360V/0/-360V, care furnizeaz energia electric la o tensiune de 720 V, atuncialimentarea la nivele corespunztoare de tensiune alternativ a consumatorilor monofazai (230V,50Hz) i a echipamentelor industriale ale acionrilor electrice reglabile trifazate (3x400V) impuneutilizarea unor invertoare (convertoare de c.c./c.a.) mono-, respectiv trifazate, care n general suntrealizate cu dispozitive semiconductoare n comutaie forat.

Consumatorii casnici monofazai cu puteri de ordinul 1 kVA pot fi alimentai individual,adic fiecare de la un invertor monofazat n punte realizat cu cte 4 dispozitive comandabile (preulinvertoarelor monofazate permite acest lucru), dar o alt soluie mai convenabil ar fi alimentareaunui grup de consumatori printr-un singur invertor cu patru poli cu o ieire trifazat pe patruconductoare, realizat cu 8 dispozitive comandabile. Ambele variante conin cte o diod n circuitulde curent continuu, pentru anularea influenei unui curent de scurt-circuit pe partea de curent

continuu.Pentru consumatorii industriali care includ acionri cu motoare de c.a. trifazat cu vitez

reglabil soluia optim ar consta n utilizarea invertoarelor incluse n echipamentul de alimentare amainii electrice, direct de la 720 V tensiune continu. Deoarece un acest tip de acionare poatefunciona cu transfer bidirecional de energie, o singur diod nu ar fi suficient pentru a anulainfluena curentului de scurt-circuit, astfel c se impune folosirea modulelor cu IGBT-uri in circuitulde c.c..

Deoarece micro-reeaua de curent continuu se va alimenta i de la generatoare de energieelectric de c.c. (panouri cu celule fotoelectrice i celule cu combustibil) cu nivele diferite detensiune, va fi necesar utilizarea i a unor convertoare cu ieire n curent continuu (convertoarec.c./c.c. de 720/360 V) bidirecionale, pentru a putea integra i elementele de stocare a energiei, ncazul n care acest lucru este posibil.

Pentru interconectarea direct a micro-reelei de 720Vcc cu reeaua de distribuie de 380Vca

este nevoie de un convertor trifazat (convertor c.a./c.c. cu transfer de energie bidirecional)comandat cu und modulat n lime (n regim PWM) cu curent sinusoidal i la factor de puteremaxim, care va ncrca condensatorul filtru de tensiune pe partea de c.c. (Voltage Booster).

Pentru transportul energiei electrice din micro-reeaua de c.c. n reeaua de distribuie demedie tensiune (la frecvena industrial,50Hz) se propune utilizarea unui convertor electronic de

5. 2


3/55

putere (CEP) cu circuit intermediar (c.i.) de c.a. de tensiune compatibil cu reeaua de distribuie(de ordinul kV) i frecven nalt (15kHz), unde gabaritul transformatorului este redus. Astfeldevine posibil transportul n c.c. la tensiune nalt prin transformarea energiei electrice pn laurm n trei trepte (c.a./1c.c./2c.a./3c.c.) i invers, ceea ce permite transferul energiei n ambelesensuri.

5.2. Generaliti despre convertoare statice c.a./c.c. i c.c./c.a.

Pentru un consumator la tensiune alternativ, sursa primar de energie poate fi reeaua dealimentare de c.a. de obicei trifazat sau o surs electrochimic de c.c. In ambele cazuri,pentru alimentarea consumatorului este nevoie de un invertor (convertor de c.c./c.a).. Pentru primulcaz este nevoie de un c.i. de c.c. alimentat de la un redresor, adic de un convertor c.a./c.c.. Daceste vorba de un sistem de acionare electric, acesta se va alimenta de la un convertor static defrecven (CSF) cu c.i. de c.c., care va converti energia de c.a. de la tensiunea i frecvenanominal (constant) a reelei ntr-o form de energie cu parametrii (tensiune, frecven, curent,putere, etc.) controlabili necesari motorului de acionare de c.a.

Mrimile de comand ale CSF sunt generate de ctre o structur de control al acionriielectrice. Astfel se poate considera c CSF are rolul unui amplificator, iar din punctul de vedere alteoriei sistemelor de reglare automat reprezint elementul de execuie pentru maina electric,care la rndul su comand procesul tehnologic acionat. Majoritatea acionrilor moderne folosescCSF cu c.i. de c.c. cu caracter surs de tensiune, avnd spre motor un invertor de tensiune (VSI)cu modulaia n lime a pulsului (PWM).

Majoritatea mainilor uzuale de c.a., care sunt controlate direct n curent, din punct devedere al regimului tranzitoriu prezint performane superioare fa de cele controlate propriu-zis ntensiune, deoarece se elimin fenomenele dinamice legate de stator (efectele rezistenei iinductanei statorice, tensiunii electromotoare induse). Comanda n tensiune a motorului deacionare permite formarea liber a curenilor absorbii, care n special n timpul regimurilor

tranzitorii devin mai puin controlabili i pot lua valori periculoase pentru dispozitivele de comutaiestatic din invertor sau chiar pentru motor. Deci este necesar controlul curentului i limitareaacestuia la valori admisibile. Din cele de mai sus rezult c este de dorit ca invertorul carealimenteaz motorul de acionare s posede capacitatea (direct sau indirect) de controlabilitate acurentului.

Dac n plus trebuie asigurat calitatea energiei absorbite din reea, atunci se va utiliza unredresor a crui schem este identic cu cea a invertorului dinspre motor, care de asemenea valucra cu modulaie n lime a pulsului pentru a realiza curent sinusoidal la intrare i un factor deputere maxim. Cele dou convertoare separate de c.i. de c.c. au structur identic care pot permitetransferul energiei n ambele sensuri, cu proceduri de modulaie a pulsului identice, numai buclelede reglare ale celor dou convertoare sunt diferite. Fiind montate practic n antiparalel, unul va fi

totdeauna n regim de redresor, iar cellalt n regim de invertor. La inversarea sensului de transferal energiei rolurile se vor schimba. Din acest motiv se pot descrie cu model matematic i structurde simulare identice, asemenea filtrelor active, care sunt realizate cu VSI-uri.

5.3. Topologii uzuale de convertoare statice de c.a. cu circuit intermediar

de c.c.n general un CSF cu c.i. de c.c. se compune dintr-un redresor i un invertor. Caracterul

invertorului care alimenteaz motorul este dat de tipul filtrului din c.i.. Invertoarele de tensiune

5. 3


4/55

(VSI), ale cror cele mai uzuale variante sunt prezentate n figura 5.1, sunt alimentate de la un c.i.de c.c. cu caracter surs de tensiune, la care filtrul este un condensator de capacitate mare [13].

Dac n circuitul intermediar este o bobin cu inductivitate mare, acesta i confer caracterde surs de curent, care va alimenta invertorul de curent (CSI). Variantele cele mai reprezentativede invertoare cu caracter surs de curent sunt prezentate n figura 5.2.

Figura 5.1. Convertoare cu circuit intermediar cu caracter surs de tensiune.a) Invertor de tensiune cu comutaie forat realizat cu tiristoare convenionale i condensatoare de

stingere pe faz, pentru puteri mari cu modulaie n amplitudine a tensiunii avnd posibilitate de

modulaie pe lime cu frecven redus cu posibilitate de recuperarea a energiei.

b) Invertor de tensiune PWM realizat cu tranzistoare bipolare pentru puteri mijlocii cu posibilitate de

recuperarea a energiei.

c) Invertor de tensiune PWM realizat cu MOS-FET pentru puteri mijlocii i mici, cu rezisten de

frnare.

d) Invertor de tensiune PWM realizat cu IGBT pentru puteri mijlocii i mici, cu posibilitate de

recuperare a energiei i curent sinusoidal i factor de putere unitar.

Figura 5.2. Convertoare cu circuit intermediar de c.c. cu caracter surs de curent pentru acionri deputere mare.

a) Invertor de curent cu comutaie autonom / auto-secvenial realizat cu tiristoare convenionale

i condensatoare de stingere ntre faze, varianta clasic (din anii 60) .

b) Invertor de curent cu comutaie forat realizat cu tiristoare GTO i condensatoare de filtrare a

curentului la ieirea invertorului.

n acionri electrice cu maini de putere mare invertorul PWM-VSI poate fi utilizat ntandem cu un convertorPAM-CSI[81], [25].

5.4. Invertorul de tensiune n punte trifazat pentru modulaia n lime a

pulsului

5. 4


5/55

Configuraia invertorului este prezentat n figura 5.3. Acesta este construit din trei brae.Fiecare bra corespunde unei singure faze a invertorului n semipunte. n acest caz punctul medianOc considerat punctul nul al circuitului intermediar de c.c. este virtual, deoarece sarcina trifazat(aici statorul motorului de c.a.) este conectat n stea cu punctul neutru izolat Os.

5.4.1. Funcionarea invertorului trifazat de tensiuneFiecare bra de invertor are dou ramuri, una superioar i una inferioar, conectate labara pozitiv respectiv negativ a circuitului intermediar de c.c. Toate 6 ramuri conduc bidirecionaldar sunt controlate doar unidirecional cu ajutorul unui (IGBT) sau dou dispozitivesemiconductoare (montate n antiparalel). Dispozitivele comandabile de sus i de jos din fiecarebra sunt conectate (on) sau deconectate (off) alternativ n ntreaga perioad a fundamentalei.

Tensiunea maxim de ieire se poate obine n funcionare cu und plin n ase tacturi peo perioad, fiecare dispozitiv de comutaie conducnd 1800, conform figurii 5.4.

Strile de comutaie ale braelor invertorului pot fi observate din diagrama tensiunilor u1, u2i u3 msurate la ieirea invertorului cu respectarea punctului median virtual al circuituluiintermediar de c.c. Unda de tensiune este ptratic sau n trepte n funcie de nulul de referinales.

Pulsurile dreptunghiulare au dou niveluri de tensiune Ud/2. Aceste unde de tensiuneformeaz un sistem trifazat simetric i au component de secven zero (homopolar), determinatde diferena de potenial dintre punctul median Oc al circuitului intermediar de c.c. i punctul neutruOsal sarcinii. Aceste tensiuni conin armonici de ordinul trei i multiplu de trei.

Figura 5.3. Invertor trifazat n punte cu IGBT.

Conform figurii 5.4 tensiunile de faz statorice, pot fi exprimate astfel:

03,2,13,2,1 uuus = , (1)

Se observ c semnalele nu au component de secven nul, prin urmare nu conin armonici deordinul trei. De aceea punctele Oc i Os nu trebuie scurtcircuitate. Undele tensiunii de faz sunt

formate din ase pulsuri avnd patru nivele de tensiune dU3

1i

dU

3

2 [9], [49].

Abordarea cea mai potrivit ca simplitate de calcul a acestui sistem trifazat de tensiuneeste cea care utilizeaz fazori spaiali . Fiecrei esimi de perioad a fundamentalei i corespunde

5. 5


6/55

o poziie fix a fazorului spaial de tensiune, rezultnd o form hexagonal pentru traiectoriavrfului vectorului, prezentat n figura 5.5.

Figura 5.4. Variaia tensiunii de ieire a invertoruluii a tensiunii de faz a sarcinii.

Figura 5.5. Diagrama fazorului spaial al tensiunii de ieire a invertorului funcionnd cu und plinptratic n ase tacturi.

Modulul fazorului spaial al tensiunii fixe rezult din:F

u

dUuu3

2max6....2,1

== . (2)

Sistemul trifazat al fundamentalelor corespunztoare undei pline n ase tacturi

nemodulate, conform figurii 5.5 este reprezentat de un cerc cu raz sfFu 6)( care corespunde

valorii maxime a amplitudinii (valorii de vrf) a componentei fundamentale:

5. 6


7/55

( )u UF f s d62

=

, (3)

iar armonica de ordinul trei are amplitudinea dat de relaia:

dsf

F

H U

u

usf 3

23

63

6

=

=

. (4)

Prin urmare amplitudinea fundamentalei este reglabil folosind o procedur de modulaiepe lime a pulsului. n acest caz cele dou dispozitive dintr-o ramur a invertorului sunt comutateoni offalternativ mai mult de o dat ntr-o perioad fundamental.

5.4.2. Comanda invertorului trifazat de tensiune pentru modularea pulsului

Unda modulat pe lime are cinci nivele i este prezentat n figura 5.6. Semnaleletensiunilor de faz modulate pot conine pulsuri de tensiune care depesc nfurtoarea celor 6taci al undei pline. Nivelul de tensiune zero, care n-a existat n unda plin, este caracteristic numaifuncionrii n regim PWM i produce starea cu vectorul nul uo(vezi figura 5.5) [9].

Figura 5.6. Pulsuri de tensiune bipolare cu 5 nivelegenerate de un invertor PWMtrifazat n tensiunile pe faz ale unui receptor cu punctul neutru izolat.

Nivelul de tensiune zero apare n toate cele trei faze n acelai timp i corespunde strii deliber rotire a motorului, care este separat de sursa de c.c. - stare realizat prin activarea tuturordispozitivele inferioare sau celor superioare ale punii invertoare. n acest caz terminalele de ieireale receptorului sunt scurtcircuitate i rezult fazorului spaial nul, corespunztor striloru8sau u7,prezentate n tabelul 5.1.

Tabelul 5.1

Poziiile fazoruluispaial

Strile decomutaie alefazelor1 2 3

Tensiunile de ieire aleinvertorului(mrimi raportate)u1 u2 u3

Amplitudineafazoruluispaial

u

5. 7


8/55

u0= u8 0 0 0 -1 -1 -1 0u1 1 0 0 +1 -1 -1u2 1 1 0 +1 +1 -1u3 0 1 0 -1 +1 -1 4u4 0 1 1 -1 +1 +1 3u5 0 0 1 -1 -1 +1u6 1 0 1 +1 -1 +1u0= u7 1 1 1 +1 +1 +1 0

n total exist dou stri de tensiune nule i ase stri de baz nenule ale fazorului spaialde tensiune, care n total nseamn opt configuraii topologice ale circuitului invertorului realizat prindiferite stri de comutaie ale celor 6 brae.

Tensiunile celor trei faze ale sarcinii nu pot fi considerate independente deoarece oriceschimbare n strile de comutaie ale unui bra al invertorului influeneaz celelalte dou tensiuni defaz. Dependena ntre cele trei tensiuni de faz este determinat matematic de expresiacomponentei homopolare a tensiunii.

Orice fazor spaial impus poate fi realizat prin modulaie considernd valoarea medie a

fazorilor corespunztoare laturilor adiacente i vectorii nuli. Dac vrful fazorului impus este situatpe hexagon, vectorii nuli nu intr n calcul. Prin urmare poziia unghiular i lungimea fazoruluispaial poate fi aleas arbitrar, deci n interiorul hexagonului pot fi considerai ca generaiinstantaneu fazori spaiali n orice direcie i cu orice amplitudine. Adncimea (indicele) demodulaie este raportul tensiunilor de reglare i poate fi definit ca valoarea raportat a amplitudiniifundamentalei:

d

F

B

F

U

u

U

uM

==2

(5)

Indicele de modulaie poate fi modificat teoretic de la zero pn la valoarea nemodulat

dat de expresia:

4,0M (6)

incluznd i regiunea supramodulat. Supramodularea este tranziia de la unda modulat la formadreptunghiular plin corespunztoare celei nemodulate. n regiunile de supramodulie extremcomponena n armonici se deplaseaz spre frecvene joase care cresc n amplitudine.

Aproximnd procedeul de modulaie prin intermediul fazorului spaial, este evident c prinmrirea indicelui de modulaie durata vectorului de stare zero scade. Acesta devine zero, cndfazorul spaial impus atinge laturile hexagonului (indicat cu linie ntrerupt). Cercul nscris durmtoarea valoare a indicelui (adncimii) de modulaie:

15,13

2 =thOML

M (7)

care corespunde limitei teoretice de supramodulaie.n cazul modulaiei sinusoidale cu und purttoare regiunea liniar este n interiorul

cercului cu raz Ud/2, care atinge hexagonul interior. Limita regiunii liniare modulate este dat deMLML=1. Peste aceast valoare apare regiunea neliniar, unde unda modulat nu poate realizatoate pulsurile date de semnalul undei purttoare. Cele dou metode de modulaie mai sus

5. 8


9/55

menionate (cu und purttoare i vectorul spaial) pot duce la aceeai rezultat de modulaie, numaimodul de abordare sau procedura de calcul difer.

Supramodulaia (M>1):n regim de supramodulaie, amplitudinea tensiunii de comandpoate depi pe cea a undei purttoare. Spre deosebire de regiunea liniar, n acest mod defuncionare amplitudinea fundamentalei nu va crete proporional cu indicele de modulaie. Acest

lucru se poate observa n figura 5.7. n care este reprezentat variaia raportului dintre valoareaefectiv a fundamentalei tensiunii de linie Uli a tensiunii circuitului intermediar de c.c. Udn funciede indicele de modulaie M [67]. Pentru valori suficient de mari ale lui M unda PWM degenereaz

ntr-o form de und ptratic. Acest punct i corespunde unei valori a tensiunii de linie Ul=0.78 Ud.n regiunea de supramodulaie n comparaie cu cea linear (M 1), apar componente

armonice suplimentare Totui, aceste armonici nu au o amplitudine la fel de mare ca i cele careapar n regiunea linear, motiv pentru care pierderea de putere datorat acestor armonici nu vor fila fel de mare, n regiunea de supramodulaie, precum ar sugera prezena acestor componentesuplimentare. n funcie de tipul sarcinii i de frecvena de comutaie, pierderile datorate acestorarmonici pot fi chiar mai mici dect cele din regiunea liniar [81].

Figura 5.7. Raportul valoarea efectiv a tensiunii de linie itensiunea din c.i. de c.c. n funcie de indicele de modulaie: Uli Ud= f(M).

Funcionarea cu und plin ptratic a invertorului PWM trifazat:n cazul n care tensiuneaUd poate fi controlat, invertorul trifazat prezentat n figura 5.3 poate funciona cu und ptratic.Totodat, pentru valori suficient de mari ale indicelui de modulaie M, semnalul PWM poatedegenera ntr-o form de und ptratic. n acest caz fiecare dispozitiv va conduce pe o perioadde 180 (adic rat de conducie de 50%). Ca urmare, n orice moment sunt trei dispozitiveamorsate. n acest mod de funcionare invertorul nu poate controla amplitudinea tensiunii de ieire.Din aceast cauz tensiunea continu de la intrarea invertorului trebuie controlat pentru a puterea

asigura controlul amplitudinii tensiunii de ieire.Valoarea efectiv a tensiunii de linie n acest regim de funcionare va fi:

dd

d

l UUU

U 78.06

2

4

2

3==

(8)

Tensiunea de linie nu va depinde de sarcin, i va conine armonici, ale cror amplitudineva scdea invers proporional cu ordinea lor [67].

5.4.3. Modelarea invertorului de tensiune

5. 9


10/55

Modelarea invertorului s-a fcut din punctul de vedere al principiului de funcionare,considernd dispozitivele semiconductoare comutatoare ideale, care pe o faz a invertoruluilucreaz n antifaz fr timp mort [34].

Logica de comand pe cele trei faze, care rezult din comanda PWM, const n paramterulm care se nmulete cu tensiunea de intrare a invertorului, (tensiunea circuitului intermediar de

curent continuu Ud

), rezultnd astfel cele trei tensiuni de ieire ale invertorului, cum estereprezentat n figura 5.8.

m 1 , 2 , 3l o g

1 , 0

( + 1 , - 1 )

u du d

2

C t .

u 1 , 2

m 1 , 2 , 3l o g

u 1 , 2 , 3

u d

a) Simbolul blocului b) Structura de simulareFigura 5.8. Schema de simulare a invertorului trifazat de tensiune.

Logica de comand mlog1,2,3, se nmulete cu tensiunea Ud , dac aceasta este (1, 0),rezultnd la ieire (Ud, 0) i reprezint tensiunea de ieire msurat fa de bara negativ acircuitului intermediar de c.c., iar dac logica de comand este bipolar (+1, -1), acesta se va fi

nmuli cu jumtatea tensiunii circuitului intermediar, rezultnd la ieire tensiune bipolar

2,

2

dd UU

, n cazul n care tensiunea de ieire a invertorului este considerat fa de punctul

median al circuitului intermediar de c.c. Tensiunea pe fazele sarcinii trifazate se pot calcula din celede ieire ale invertorului numai dac se cunoate conexiunea fazelor. n aceste calcule de obiceiintervine i componenta de secven nul (zero sequence component) a tensiunii sau acurentului.

5.5. Modelarea i simularea procedurilor de modulaie n lime a pulsului

Procedurile PWM utilizate pentru comanda invertoarelor de tensiune sunt de o marediversitate, n practic ns se utilizeaz doar cteva dintre ele. Acestea n general se mpart ndou categorii mari [9]: a) PWM de tensiune: modulaia n lime a pulsului de tensiune esterealizat n bucl deschis [10]; b) PWM de curent: modulaia pulsului de tensiune se realizeaz n

bucl nchis cu reacie de curent [11], [12].n cele din urm se vor trata variante de proceduri de modulaie n lime a pulsului, cu

care au fost realizate structurile de simulare ale invertoarelor, respectiv care se pot implementa nechipamente de comand numeric,

5.5.1. PWM de tensiune cu und purttoare cu regulatoare bipoziionale simple

n cazul PWM-ului de tensiune n bucl deschis invertorul i pstreaz caracterul desurs de tensiune, metoda potrivit pentru sarcini cu cuplu variabil.

5. 10


11/55

Varianta devenit deja clasic are originea n bine cunoscuta metod PWM cu undpurttoare, utilizat iniial numai n electronica de semnal. Aceasta a fost extins i n domeniulelectronicii de putere pentru comanda invertoarelor de tensiune. Prezentnd caracter vectorial sepreteaz i n sisteme de reglare cu orientare dup cmp. Caracterul vectorial se datoreaz faptuluic lucreaz cu toate cele trei unde instantanee care definesc fazorul spaial [13].

O dat cu rspndirea aplicaiilor pe baza teoriei fazorului spaial, a fost conceput i oprocedur de modulaie vectorial propriu zis, bazat pe teoria fazorului spaial, definit la mainiletrifazate de curent alternativ. Aceast procedur a fost denumit n literatura internaionalmodulaie cu vector spaial (SVM - Space Vector Modulation) sau simplu PWM vectorial. Ambelemetode necesit la intrare semnale cu caracter trifazat, care pot fi simbolizate cu fazorul spaial altensiunii.

Prin urmare tensiunea de ieire a invertorului (sau a unui chopper pentru motor de c.c.)poate fi realizat prin intermediul modulaiei cu und purttoare sau cu cea vectorial (numai pentrumaini trifazate de c.a.) pe baza teoriei fazorilor spaiali. Ambele proceduri sunt cu perioad deeantionare constant, ceea ce nseamn c aceste metode sunt metode PWM propriu-zise.

Datorit absenei reaciei proprii a convertorului PWM, este recomandat utilizarea uneibucle de curent extern invertorului pentru curentul (valoarea efectiv) statoric n sistemele dereglare scalar, respectiv dou bucle de curent pentru cele dou componente ale fazorului spaial

n sistemele de reglare vectorial. n consecin, eroarea de tensiune care apare datorit tensiuniitiate de invertor fr reacie poate fi compensat prin controlul curentului motorului [9].

Principiul de funcionare a procedurii modulaiei cu und purttoare const dinurmtoarele: unda modulatoare este dat de tensiunea de referin uRef , care este comparat cu ound purttoare uCr, iar diferena dintre cele dou semnale va fi mrimea de intrare a unui regulatorbipoziional simplu on-off, care la ieire genereaz logica de comand mloga invertorului [11], [12].

Matematic logica de comand a invertorului este descris de expresiile:

>


12/55

Figura 5.9. Modulaie n bucl deschis cu und purttoare de tensiune.

Metoda se poate aplica i la receptoarele de curent continuu la comanda chopper-elor. ncurent continuu de obicei se utilizeaz unda purttoare de form dinte de fierstru, dar n curentalternativ se prefer forma de triunghi isoscel [11], [12]. Validarea modelului invertorului detensiune n regim PWM cu und purttoare de tensiune s-a fcut prin simulare. Rezultatele obinuteprin simularea funcionrii invertorului sunt prezentate n figura 5.10.

a) Tensiunea de referin pe faza a i curenii

de faz.

b) Unda purttoare i curenii de sarcin n

fazele n regim stabilizat.

5. 12


13/55

c) Tensiunea i curentul pe faza a a sarcinii.Figura 5.10. Rezultate simulate pentru VSI cu PWM cu referine de tensiune

n sistem trifazat echilibrat i cu sarcin trifazat echilibrat.

Pe diagrame din figura 5.10 se poate observa diferena de faz ntre tensiune i curent,determinat de caracterul inductiv al sarcinii.

5.5.2. PWM cu reacie de curent cu regulatoare bipoziionale cu histerezis

La nceput aceast metod a fost realizat analogic, dar n prezent este de preferatimplementarea pe echipamente cu procesare digital. n mod clasic, aceasta este cea mai simplrealizare a controlului bang-bang de curent, utiliznd pentru fiecare faz un regulator bipoziionalcu histerezis. Curentul de ieire va urma valoarea de referin n interiorul benzii de histerezis.Logica de comand a invertorului poate fi descris n felul urmtor [10]:

=.

2,1

;2

,0

,,,,

,,,,

logi

ii

iii

mRef

cbsacbsa

Ref

cbsacbsa

(10)

n figura 5.11 este prezentat structura de simulare a modelului matematic al invertorultrifazat PWM cu reacie de curent la alimentarea unei maini trifazate de c.a. cu neutrul izolat.

Cu toate c la prima vedere fiecare faz comut independent, ele sunt totui dependenteuna de alta datorit conexiunii n stea; pulsaia curentului nu poate fi controlat astfel nct ea s semenin n interiorul histerezisului, iar aceast pulsaie poate fi chiar dubl. n acelai moment potavea loc simultan dou sau chiar trei comutaii, care pot determina pierderi de comutaiesuplimentare n invertor.

Deoarece comutaia fazelor nu are loc secvenial, cmpul nvrtitor va prezenta salturi fie

prea nainte fie prea napoi, i n consecin motorul se va accelera i decelera tot timpul. Acestlucru conduce la o pulsaie accentuat a vitezei i a cuplului mainii, motiv pentru care calitateaacionrii va avea de suferit.

n figura 5.12 pot fi observate variaiile n timp ale semalelor obinute prin simulareacurentului de referin i a celui de pe faza aa motorului, respectiv tensiunea de ieire pe faza aa invertorului. Fazorul spaial al curentului statoric este prezentat n figura 5.13.

Controlul erorii curentului prescris este posibil numai dac tensiunea circuitului intermediarde c.c. este suficient de nalt pentru a domina tensiunea electromotoare a sarcinii. Faza cu cea

5. 13


14/55

mai nalt tensiunea electromotoare rmne cuplat pe o bar a circuitului intermediar de c.c.; cutoate acestea evoluia curentului de faz nu mai este controlat de strile de comutare a acesteifaze. Atunci cnd conectarea direct dintre neutrul sarcinii i punctul de centru al circuituluiintermediar de c.c. este realizat, cele trei faze sunt decuplate i pot funciona independent. nacest caz regulatorul bipoziional de curent al fiecrei faze este capabil de a face s conduc

curentul lui n interiorul benzii de histerezis, dar curentul de sarcin este afectat de armonicimultiplu de trei [33].

Figura 5.11.Invertor PWM cu controlul curentului n bucl nchis cu regulatoare bipoziionale cuhisterezis

Figura 5.12. Formele de und simulate pe faza a acurentului de referin, a curentului de dinmotor, respectiv a tensiunii de ieire dininvertor

Figura 5.13. Diagrama fazoruluispaial al curentului statoric simulat

5. 14


15/55

5.5.3. PWM cu und purttoare de curent cu regulatoare bipoziionale simple

Principiul procedurii de modulaie se poate urmrii din figura 5.14. [10].

Figura 5.14. Forme de und teoretice pentru PWM cu und purttoare de curent.

n scopul evitrii frecvenelor nalte de comutaie, regulatoarele de curent vor fi constrnses funcioneze la frecven de comutaie constant, datorit undei purttoare, care este adugatreferinei de curent. Amplitudinea undei purttoare determin limea benzii fictive de histerezis ncare va fi generat de curentul de sarcin. Valoarea vrf la vrf a curentului rezult mult mai micdect banda de histerezis. n acest caz banda de eroare a curentului nu mai poate fi meninut

constant, pentru c comutaiile au loc n interiorul benzii semnalului undei purttoare. Momentelede comutare sunt generate de un regulator bipoziional simplu.

Modulatorul invertorului de tensiune VSI cu PWM cu und purttoare de curent aremodelul matematic conform expresiei [10]:

( )

( )

+=

,dac,1

;dac,0log

Cr

Ref

Cr

Ref

iiti

iitim (11)

din care rezult momentele de comutare, generate de un regulator bipoziional simplu pentrufiecare faz, conform figurii 5.15, unde o unda purttoare triunghiular va fi suprapus curentului dereferin.

Frecvena undei purttoare de curent va determina valoare medie a duratei perioadei unuipuls [10]. De fapt durata pusului variaz uor n jurul valorii medii egal cu valoarea reciproc afrecvenei undei purttoare.

Validarea a modelului invertorului de tensiune n regim PWM cu und purttoare de curents-a fcut prin simulare. Aceast procedur a fost modelat n cadrul unei structuri de controlvectorial a motorului sincron cu magnei permaneni (MS-MP), care va fi prezentat n capitolulurmtor. n condiii de sarcin nominal, acest motor absoarbe un curent de 1.6 A. Pentru unda

5. 15


16/55

purttoare s-a ales o frecven de 2 kHz, i o amplitudine de 0.5. n figura 5.16 sunt prezentaterezultatele de simulare reprezentative pentru funcionarea invertorului PWM.

Figura 5.15. Structura invertorului VSI cu PWM de curent cu und purttoare cu regulatoarebipoziionale simple.

a) Curentul de referin i curentul de

sarcin pe una din fazele motorului.

b) Traiectoria fazorului spaial al curentului

statoric.Figura 5.16. Forme de und teoretice i rezultate simulate pentru VSI cu PWM de curent cu

und purttoare alimentnd un MSMP comandat vectorial.

Aceast metod PWM poate fi implementat pe o platform cu control numeric, datoritfrecvenei de eantionare constante.

5.5.4. PWM de curent cu frecven constant cu regulatoare bipoziionale

sincronizate

O metod digital adecvat de limitare a frecvenei de comutare poate fi realizat prinutilizarea unui regulator bipoziional de sincronizare, care permite numai momente de comuta ie la

perioade de eantionare constante date de frecvena fix a tactului, artat n figura 5.17 [11].Deoarece frecvena de comutare este deja limitat de regulatorul sincronizat, banda de

histerezis este redus la zero, i chiar poate fi omis. n consecin, vor fi utilizate regulatoarebipoziionale simple care lucreaz dup urmtoarea regul:

mlog=0 dac ;)( Refiti > mlog=1 dac .)( Refiti < (12)Formele de und ale curenilor pentru aceast metod sunt prezentate n figura 5.18 [11],

[61].

5. 16


17/55

Figura 5.17. Invertor PWM pentru controlul curentului cu sincronizare bazat pe regulatoarebipoziionale sincronizate.

Deoarece intervalul de timp minim ntre dou comutaii succesive este o valoare constant,frecvena limit a invertorului nu poate fi depit, dar eroarea de curent rezult variabil i este

dependent n special de valoarea instantanee a tensiunii electromotoare i de valoarea medie acurentului pe durata unei perioade de eantionare.

Figura 5.18. Forme de und PWM cu regulatoare bipoziionale sincronizate.

Datorit reaciei de curent, invertorul cu funcia de surs de tensiune va opera similar cuinvertorul de tipul surs de curent. Datorit buclei nchise aceast metod PWM regleaz directforma undelor de curent.

Metoda PWM bazat pe reglarea curentului poate fi aplicat pentru toate tipurile de

motoare electrice n acionri de curent alternativ sau continuu, dar i pentru receptoare pasive nsisteme mono- sau polifazate.

5.5.5. PWM cu reacie de curent optimizat prin decalarea comutrii fazelor

S-a putut vedea n subparagraful 5.5.2, metoda PWM convenional cu reacie de curentpoate fi mbuntit prin impunerea unei funcionri la frecven constant.

5. 17


18/55

Tp/3

Tp

a

b

c

a)Secvena de comutaie pe cele 3

faze

b) Fazorul tensiunii statorice

Figura 5.19. Metoda PWM de curent optimizat.

Un dezavantaj al acestei metode de modulaie este controlul curentului care se realizeaz

separat pe fiecare faz n parte, iar comutaiile de cele mai multe ori nu au loc secvenial. Din acestmotiv fazorul tensiunii statoric la rndul lui nu va prezenta nici el o variaie secvenial, ci nmomentul unei comutaii va putea s treac n oricare dintre celelalte 5 poziii posibile. Acestinconvenient poate fi nlturat prin controlul comutaiilor pe cele 3 faze astfel nct acestea s nu fieindependente, ci s urmreasc o regul predefinit. Acest lucru se poate realiza prin decalareamomentului de comutaie pe fiecare faz fa de celelalte cu o treime din perioada de eantionare,prezentat n figura 5.19.

5.6. Modelarea convertoarelor electronice de putere bidirecionale de

c.c./c.a. i c.a./c.c.n acest capitol se va prezenta modelarea convertoarelor electronice de putere (CEP) care

pot fi cuplate la o reea sau linie de distribuie de c.c., fie pentru transferul energiei ctre unconsumator de c.a. (invertor) sau c.c. (variator de tensiune continu VTC, adic Chopper), fiepentru cuplarea cu reeaua de c.a. (redresor), respectiv pentru filtrarea activ a curentului dinsprereeaua de c.a. sau dinspre un motor de acionare.

n cele ce urmeaz vor fi prezentate diferite configuraii de convertoare cu circuitintermediar de c.c., cu filtrarea activ a curentului, att pe partea de consumator de c.a., ct i pepartea dinspre reeaua de c.a., CEP care se preteaz prin extindere pentru micro-reele de c.c.[27], [28]. Se va porni de la CSF cu c.i. de c.c., care prin generalizare i completare vor servi camodele pentru simularea reelei cu mai muli consumatori i interconectai cu reeaua de ditribuie aenergiei electrice la tensiune alternativ, pentru recuperarea energiei de la sisteme de acionare cumotoare de c.a. n regim de funcionare de frn.

5.6.1. Modelarea convertorului compus dintr-un redresor PWM i invertor PWMn acionri de puteri mici i medii, pentru eliminarea armonicilor curenilor de linie i n

vederea compensrii puterii reactive (la factor de putere unitar), soluia este aa numitul convertorback-to-back sau cu double-side PWM. n aceast topologie redresorul convenional cucomutaie natural (cu diode sau cu tiristoare) este nlocuit cu un invertor PWM de tensiunefuncionnd n regim de redresor (VSR - Voltage-Source Rectifier), capabil s asigure transferulbidirecional al energiei. n figura 5.20 se prezint schema unui astfel de convertor pentru oacionare cu motor de inducie cu control vectorial [74].

5. 18


19/55

Procedura de modulaie n lime este aceeai, att la redresor ct si la invertor, diferdoar buclele de control care genereaz mrimile de referin pentru fiecare convertor n parte.Datorit redresorului PWM, circuitul intermediar va avea o tensiune mai ridicat. Aceasta poate ficu 10-20% mai mare dect n cazul redresorului cu diode.

C O N T R O L

V E C T O R I A L

A L M I

C O N T R O L

V E C T O R I A L

A LM S M P

P W M

l o g i c

r

R e t e ad ec . a .

RSTu

VSR

ABCu

dCu

dCi

dIi

si si

su su

. .

l o g i c a

P W M

L a

P

N

Ref

dCu

RSTi

Ref

RSTI

S i n c r o n i z a r e

VSR

ABCRST ii =

R e g u l a t o r

d et e n s i u n e

U D C

dCu

dRi

IM

dIiSM

dIi

V S R

C d O C

V S IM I V S IM S

sabci sabci

sabcu sabcu r

S A R C I N A

C O N T R O L U L

F I L T R U L U I

D E L AR E T E A

l o g i c a

P W M

M I

S A R C I N

M S M P

Figura 5.20. Schema convertorului cu un redresor PWM i mai multe invertoare PWM cucaracter surs de tensiune, pentru controlul vectorial al unui sistem de acionare multi-motor

cu MI i MS-MP-uri.

Un alt avantaj o constituie posibilitatea controlului rapid al fluxului de energie, meninereala valoare constant a tensiunii din circuitul intermediar de c.c., i posibilitatea reducerii mrimiicondensatorului, fr a afecta funcionarea invertorului care alimenteaz motorul. Se recomand

ns un dispozitiv pentru limitarea tensiunii (un chopper de frnare), pentru a evita supratensiunilece pot aprea n cazul unei funcionri defectuoase a regulatorului de tensiune din circuitulintermediar [9].

Diagrama bloc a modelului convertorului cu dublu PWM cu redresor i invertor nantiparalel pentru controlul vectorial al unei acionri sau multi-motor cu maini de inducie (MI)i/sau maini sincrone cu magnet permanent (MS-MP-uri) este prezentat n n figura 5.21 [17],[23], [27], [28].

Modelul matematic al mainii de inducie este realizat n sistem bifazat de coordonate

statorice. Interfaarea acestuia cu invertorul modelat n mrimi trifazate naturale se realizeaz prinintermediul unor blocuri de transformri de faze (PhT) directe i inverse.

Modelul matematic al mainii sincrone cu rotor cu magnet permanent se realizeaz deobicei n sistem de coordonate bifazate rotorice. Interfaarea acestuia cu invertorul modelat nmrimi trifazate naturale se poate realiza cu ajutorul unor blocuri de transformri Park (de faz ide coordonate) directe i inverse, care necesit cunoaterea unghiului poziiei rotorului, mrime destare a MS-MP-ului.

5. 19


20/55

Sistemul de acionare compus din invertorul PWM i MI comandat vectorial este cuplat cuPWM-VSR printr-un element de ordinul nti (FOL - First Order Lag), aparinnd condensatoruluidin circuitul intermediar de c.c. (Cd). Inductivitile dintre reea de c.a. i redresorul PWM deasemenea sunt cuplate prin trei elemente de ordinul 1. Redresorul este cuplat la reea prinintermediul unor bobine (La), modelate la rndul lor cu FOL. Cele dou convertoare se consider cu

dispozitive cu comutaie ideal (on-off), avnd model de curent c.a.-c.c. i model de tensiune c.c-c.a, care sunt cuplate prin semnalul logic PWM [17], [23], [27], [28], [34].Modelele unui convertor electronic de putere, cum sunt VSI i VSR din figura 5.21 se

compun din dou blocuri, unul pe baz de model de curent, iar cellalt pe baz de model detensiune, cu sensuri opuse ale succesiunii calculelor.

S I N E

W A V E

G E N E R A T O R

A C p o w e r g r i d

RSTuS y n c h r o n i s a t i o n

RefABCi

VSRABCu

Ref

dCu

ABCI

D C - l i n kV o l t a g e

C o n t r o l l e r

D C - l i n kV o l t a g e

R e f e r e n c e

dRi

dCi dCu

Ref

abciIM

abci

R e v e r s e

P h TD i r e c t

P h T

IMabcu

I n d u c t i o n

M o t o r

d -q M o d e l

i M

F i e l d - o r i e n t e d

V e c t o r C o n t r o l

sdqi

IM

emIMr

R e v e r s e

P h T

Ref

rRef

sdquRef

sdqi

V S IC o n t r o l

I M - V S IP W Ml o g i c

V S RP W Ml o g i c

V S RC o n t r o l

RSTVSRABC ii =

C u r r e n t

M o d e l

V o l t a g e

M o d e l

P W M - V S R

C d

C u r r e n t

M o d e l

V o l t a g e

M o d e lI M

P W M- V S I

IMdIi

L o a d

Lm

L a

Figura 5.21. Diagrama bloc al modelului convertorului cu redresor i invertor PWM cu caracter

surs de tensiune, n antiparalel pentru controlul bidirecional al transferului de energie ntrereeaua de c.a. i o acionare cu motor de inducie controlat vectorial.

Cele dou blocuri componente sunt cuplate cu logica de comand, care este determinatde comutaiile dispozitivelor semiconductoare.

5.6.2. Modelarea convertorului de reea cu pulsuri de curent de 120 cu filtrarea

activ a curentului

5. 20


21/55

n acionri electrice de puteri de ordinul MW soluia pentru asigurarea transferuluibidirecional de energie este ansamblul redresor-invertor funcionnd cu und de 120. Unasemenea convertor se compune din dou puni cu tiristoare convenionale montate n antiparalel.

Aceast construcie va funciona cu o componenta fundamental a curentului defazat n urmatensiunii cu aproximativ 15-30 grade electrice, datorit faptului c, comanda unghiului de

aprindere a punii negative (funcionnd n regim de invertor) nu poate atinge valoarea maxim de180 pentru a evita bascularea n regim de invertor la limita unghiului de comand [23].

Neglijnd fenomenul de suprapunere anodic (overlapping), convertorul redresor-invertor(RIC) prezentat n figura 5.22, compus dintr-un redresor cu diode i un invertor CSI cu tiristoareGTO, va avea la ieire o tensiune continu mai mare dect varianta descris anterior, i poate ficonsiderat funcionnd cu factor de putere unitar al fundamentalei [74].

C O N T R O L

V E C T O R I A L

A L M I

r r

C O M A N D A

I N V E R T O R

D E L AR E T E ARS Ti

VS F

AB Ci

RS Tu

VS F

AB Cu

dRu dCu

l o g i c a

P W M

L a

C f

fcu

dRi

L d R

IR

AB Ci

dCi dIi

si

su

. .P

N

Re f

R STI

32

l o g i c ad e

c o m u t a t i e

fCi

C d

IM

dIi

O C

S A R C I N A

s abc i

sabc u

V S IM IV S F

R I C

C O N T R O L

V E C T O R I A L

A LM S M P

P W M

l o g i c

si

su

IM

dIi

sabc i

sabc u

V S IM S

M S M P

C O N T R O L U L

F I L T R U L U I

D E L AR E T E A

R e t e ad ec . a.

S i n c r o n i z a r eS i n c r o n i z a r e

M I

l o g i c a

P W M

S A R C I

Figura 5.22. Schema ansamblului redresor-invertor cu und de 120 cu filtrarea activ acurentului, pentru alimentarea circuitului intermediar de c.c. comun

mai multor motoare de acionare.

5. 21


22/55

L a

C f

aL

ABCVSRABC ii =

fCufCi

A C p o w e r

RSTu

VSRABCu

S y n c h r o n i s a t i o n

RSTi

V S FP W Ml o g i c

L I N E R - I

C o m m u t a t i o nl o g i c


IRdu

dRi

C d

SMdIi

dCu

dCi

Ldu

D C - l i n k

t o I M

t o S M

dIi

IMdIi

32

IRABCi

RefRSTI

f r o mS M

f r o mI M

R - I C O N V E R T E

C u r r e n t

M o d e l

V o l t a g e

M o d e l

C u r r e n t

M o d e l

V o l t a g e

M o d e l

P W M - V S F

L I N E - S I D E

F I L T E R

C O N T R O L

L d R

Figura 5.23. Diagrama bloc a modelului ansamblului redresor-invertor cu und de 120 cufiltrarea activ a c.a. din reeaua trifazat pentru cuplarea cu linia de distribuie de c.c.

Din acest motiv este necesar doar filtrarea curentului, cu ajutorul unui filtru activ VSF, frcompensarea puterii reactive. Aceast combinaie se poate recomanda i n cazul puterilor mici imedii, dac se consider necesar scderea pierderilor datorate comutaiei, deoarece numai VSF-ulde putere mic lucreaz n regim PWM cu comutaii de frecven mare.

Modelarea convertorului RIC cu filtru activ este prezentat n figura 5.23 [17], [23], [27],[28].. Condensatorul de filtrare a curentului de linie din reeaua de c.a. (C f), precum i inductivitateala ieirea redresorului (LdR) sunt modelate cu elemente de ordinul 1 (FOL), asemntorinductivitilor la intrarea n filtrul activ dinspre reeaua de c.a.

Modelul filtrului PWM-VSF este similar cu cel al PWM-VSR-lui din figura 5.21. ConvertorulRIC are ns un model negativ n comparaie cu VSI, VSR i VSF, din punctul de vedere alcalculelor, folosind model de curent c.c.-c.a., respectiv model de tensiune c.a.-c.c. Cele dou

blocuri sunt cuplate prin intermediul semnalului logic de comutaie PWM sincronizat cu tensiunilede linie corespunztoare momentelor de comutaie natural a redresorului cu diode (pentrucurentul pozitiv idR din circuitul intermediar) i cu semnalele de comutaie forat a invertorului cutiristoare GTO (pentru curentul negativ).

5.6.3. Modelarea CSF hibrid cu dou circuite intermediare separate cu filtrarea

activ a curentului motorului

n acionri de c.a. de putere mare se recomand utilizarea invertorului cu caracter sursde curent (CSI). Varianta clasic (realizat cu tiristoare convenionale cu comutaie auto-

5. 22


23/55

secvenial cu condensatoare de stingere montate ntre faze) sau cu tiristoare GTO cu revenire pepoart, const n alimentarea de la un redresor comandat cu tiristoare. Un astfel de CSF estecapabil de transfer bidirecional de energie. Funcioneaz cu modulaie n amplitudine (PAM) i arela ieire cureni quasi-dreptunghiulari cu lime n jur de 120 [18].

Convertorul static de frecven tandem prezentat n figura 5.24 este compus din dou

CSF-uri de topologie diferit. Original, a fost realizat dintr-un CSF cu c.i. de c.c. cu caracter sursde curent de putere mai mare, realizat dintr-un CSI, modulat n amplitudine (PAM-CSI) cu unredresor comandat, care alimenta un motor de inducie, a crui curent sinusoidal s-a filtrat prinintermediul unui invertor n regim de surs de tensiune, de putere mai mic, comandat n regimPWM (PWM-VSI). n aceast configuraie, fiecare invertor este alimentat de la cte un redresorseparat, astfel CSF tandem are dou c.i. de c.c. [7], [79], [80], [81], [82].

P W M - V S I

P A M - C S I

A C

is

i s q

i s d

M

0.7 0.705 0.71 0.715 0.72 0.725 0.73 0.735 0.74

-20

0

20

0.7 0.705 0.71 0.715 0.72 0.725 0.73 0.735 0.74-20

0

20

Time[sec]

0.7 0.705 0.71 0.715 0.72 0.725 0.73 0.735 0.74-20

0

20

is

[A]

iCSI

[A]

iVSI

[A]

Figura 5.24. Topologia convertorului de

frecven hibrid cu montaj n tandem a douCSF-uri

Figura 5.25. Formele de und ale

curenilor de ieire spre motor din CSFhibrid

De fapt, CSF tandem este un convertor hibrid care se compune din dou CSF propriu zise,funcionnd n paralel ntre sarcin (maina de acionare de c.a.) i reeaua de c.a. Comanda celordou invertoare trebuie sincronizat pentru a evita preluarea curentului de sarcin de ctre VSI pepost de filtrul activ [17], [18], [23], [25], [35], [36], [37].

5. 23


24/55

Este de dorit ca forma curenilor mainii de c.a. s fie sinusoidal. La un motor alimentatde la convertor hibrid cei trei cureni statorici de faz corespund componentelor fundamentale alecurenilor dreptunghiulari de la ieirea invertorului de curent. Astfel curenii de faz ale invertoruluide tensiune iVSI-a,b,c pot fi exprimai ca diferena dintre curenii statorici is-a,b,c i curenii de formdreptunghiular ai invertorului de curent iCSI_a,b,c,, dup cum rezult i din figura 5.18, respectiv figura

5.19:cbaCSIcbascbaVSI iii ,,,,,, = , (13)

Datorit circuitului intermediar de c.c. cu caracter de surs de tensiune, motorul arabsoarbi liber curentul su statoric prin VSI. O mare parte din acest curent ns va fi injectat dectre CSI. Pentru a asigura amplitudinea corespunztoare a curentului injectat trebuie s existe osincronizare n timp i n amplitudine a CSI-ului cu curentul motorului.

Corespunztor ecuaiei (13) VSI va furniza numai curenii corespunztori coninutului de

armonici al CSI-ului. n figura 5.24 sincronizarea n timp se face prin momentele de comutare CSI aCSI-ului fa de curentul statoric, fiind astfel determinat inerent i frecvena de comutare fs), carecorespunde frecvenei fundamentalei tensiunii de alimentare a motorului.

Convertorul PAM-CSI lucreaz teoretic cu pulsuri dreptunghiulare de curent de 120

.Pentru a evita supratensiunii n VSI datorate comutaiei forate a curentului din CSI, trebuie asiguratfenomenul de suprapunere anodic pentru tiristoarele GTO, care comut forat. Fenomenasemntor apare i n redresorul GTO din convertorul RIC dinspre reea. Formele de und acurenilor din CSI cu i fr suprapunere anodic sunt prezentate n figura 5.27.

Figura 5.26. Formele de und a curentuluidin CSI cu i fr suprapunere anodic

Figura 5.27. Diagrama fazorial acurentului CSI-ului cusuprapunere anodic

Schema CSF cu circuitele de comand i reglare este prezentat n figura 5.29 [23], [28].Lund n considerare efectul de suprapunere anodic, fazorul spaial al curentului de ieire

din CSI este prezentat n figura 5.28. Suprapunerea anodic reduce amplitudinea fundamentaleicurentului, dar asigur o funcionare fr supratensiuni [17].

Fazorul spaial de referin se calculeaz n blocul analizor de fazor VA (Vector Analyzer) ,avnd ca intrri componentele d,q, ale sistemului trifazat de cureni statorici obinui n blocul detransformare de faza PhT ale curenilor msurai (n figur simbolizai de vectorul is=is ejs). Vectorulde referin se va roti continuu, iar fazorul spaial al CSI-ului va avea o micare intermitent pas cu

pas de 60. Faza unghiular a curenilor CSI-ului va fi sincronizat n timp cu poziia unghiular scorespunztoare fazorului spaial al curenilor statorici. Sincronizarea n amplitudine a curenilorCSI fa de fazorul spaial al curenilor din fazele statorice ale motorului se realizeaz prin curentul

5. 24


25/55

circuitului intermediar iDC. Dac sincronizarea nu se face corect VSI poate fi ncrcat excesiv dectre curenii absorbii necontrolat de ctre motor.

Asemntor cu funcionarea RIC, curenii motorului alimentat de la PAM-CSI pot fi filtrai cuajutorul unui filtru activ de curent folosind PWM-VSI, fr a putea realiza factor de putere maxim,din cauza redresorului comandat, care are componentele fundamentale ale curenilor defazate fa

de tensiune cu un unghi aproximativ egal cu unghiul de comand variabil.

I M

I M

V E C T O R

C O N T R O L

P W M

L o g i c

r

A C p o w e r g r i dRSTi RSTu

dCu

DRdi

DR

ABCi

dCi

si

su

P

N

C d

VSI

di

O C

L O A D

sabci

CSIdi

sabcu

( )PhCRdu

P W M- V S I

D R

V E C T O R

A N A L Y S E R

PhCR

du

L d IC S - D C l i n k

CSI

d

PhCR

dLdI uuu =

C S I

D R I V E RCSI

abci

sj

ss eIi=

Ref

dI

sI

M o t o r - P h a s e


VSIabci

V S - D C l i n k

s

32

C o m m u t a t i o n

L o g i c

I M - C S I

L I N E S I D E

R E C T I F I E R

D R I V E R

C o m m u t a t i

L o g i c

G r i d - P h a s

S y n c h r o n i s a i

P h C R

PhCRdu

D C - l i n k

C o n t r o l l e r

CSI

du

PhCR

ABCiI N D U C T I O N M O T O R

D R I V E

Figura 5.28. Schema CSF hibrid cu dou circuite intermediare,cu filtrarea activ a curentuluimotorului.

Este important de menionat c, din punctul de vedere al controlului motorului, invertorulprincipal nu mai este CSI-ul de putere mai mare. Acionarea va fi controlat de ctre invertorul

complementar cu caracter surs de tensiune, utilizat doar pentru filtrarea curentului. n ciudafaptului c CSI transfer marea parte a energiei, comanda acestuia const doar din sincronizareaacestuia n faz i n amplitudine cu curenii sarcinii (aici motorul de c.a.). Structura de controlvectorial a motorului va genera variabilele de comand pentru VSI, care pe lng funcia de filtrarea curentului statorului, va deveni elementul de execuie al acionrii. CSI-ul va rmne elementul deexecuie doar din punctul de vedere al energiei transferate, controlul su fiind subordonat ntotalitate curenilor din motor, de fapt comandai de ctre VSI [17], [18], [25], [35], [36], [37].

5.6.4. Modelarea CSF hibrid cu circuite intermediare de c.c. cuplate, cu filtrarea

activ a curentului motorului i a reelei de c.a.

Convertorul hibrid din figura 5.30 propus asigur o funcionare prietenoas (ecologic) dinpunctul de vedere al calitii energiei transferate reelei (line-friendly), realizat prin cuplarea celor

dou invertoare la acelai circuit intermediar de c.c. Comparativ cu CSF tandem hibrid, descrisanterior, invertorul tandem hibrid prin cuplarea celor dou invertoare la acelai circuit intermediarde c.c. ofer posibilitatea alimentrii liniei de c.c. de putere mare de la un RIC prevzut cu filtruactiv a curenilor absorbii de la reea prin intermediul unui PWM-VSI, care asigur i un factor deputere unitar [17], [23], [27], [28].

Dup redresorul de reea se realizeaz circuitul (linia) de c.c cu caracter surs de tensiune(cu tensiune constant, filtrat de condensatorul Cd) pentru alimentarea PWM-VSI-ului. Din aceastava deriva circuitul intermediar de c.c. cu caracter surs de curent (filtrat cu o inductivitate LdI de

5. 25


26/55

valoare mare) cu curent controlat prin intermediul unui convertor c.c./c.c. aa numitul chopper(DC-to-DC converter, care n literatura tehnic de limba romn este denumit Variator deTensiune Continu - VTC) cu pulsuri bipolare de tensiune i curent unidirecional pentrualimentarea PAM-CSI-ului. Ambele invertoare alimenteaz acelai motor de inducie i lucreaz nparalel.

Motorul de inducie de putere mare (care ar putea fi i un motor sincron cu schema propriede reglare) este alimentat n paralel de dou invertoare, att de CSI (convertorul pentru transferuluide energie mare) n regim de PAM, ct i de la VSI (pe post de filtru activ) n regim de PWM,asemntor redresorului dinspre reea (RIC - convertorul pentru transferul energiei), care estemontat n paralel cu un filtru activ VSF (realizat de un VSI) n regim PWM. Astfel circuitulintermediar are dou pri separate, una cu caracter surs de tensiune urmat de alta cu caractersurs de curent, dintre care prima poate fi chiar o linie de distribuie de c.c.

Modelul liniei de c.c. care alimenteaz un invertor tandem cu filtrarea activ a curentului,att la intrare (dinspre reea), ct i la ieirea spre motorul de acionare este prezentat n figura5.31 [23], [28], [74].

Modelul conine blocuri concentrate ale structurilor de simulare RIC, VSI i VSF,prezentate anterior, filtre pasive de tensiune (Cf, Cd) i de curent (La, LdR, LdI). Modelul convertoruluiPAM-CSI dinspre motor este foarte asemntor cu cel al modelului RIC-ului din figura 5.23,diferena constnd doar n procedura de comand.

C O N T R O L

V E C T O R I A L

A L M I

r

C O M A N D A

I N V E R T O R

D E L AR E T E A

RS Ti

VS F

AB Ci

RS Tu

VS F

AB Cu

dRu dCu

P W M

L o g i c

L a

C f

fcudRi

L d R

IR

AB Ci


dCi dIi

si

su

P

N

Ref

RS TI

32

fCi

C d

VS I

di

O C

S A R C I N A

sabci

CS Idi

sabcu

CS I

du

V S IM I

V S F

R I C

A N A L Z O R

D EF A Z O R

DCdu

L d I

DC

di

C O N T R O L U L

C O N V E R T O R U L U I

C . C ./ C . C .

C i r c u i ti n t e r m e i

c uc a r a c t e

s u r s ad ec u r e n

CSI

d

DC

dLdI uuu =

C O M

C S ICSI

abci

sj

ss eIi

=

Ref

dI

sI

S i n c r o n i z a

d ef a z a

VS I

abci

V A R I A T O RD E

T E N S I U N EC O N T I N U A

RSTi s

32

C S IM I

C O N T R O L U L

F I L T R U L U I

D E L AR E T E A

l o g i c a

P W M

l o g i c aP W M

M I

A C T I O N A R EC U M O T O R D EI N D U C T I E

R e t e ad ec . a.


c uf a z ar e t e l e i

l o g i c ad e

c o m u t a t i e

C i r c u i ti n t e r m e d i a r

c uc a r a c t e r

s u r s ad et e n s i u n e

Figura 5.29. Diagrama de simulare a CSF hibrid cu dou invertoare n tandem cu circuiteintermediare de c.c. cuplate i cu filtrarea activ a curentului reelei, respectiv a motorului.

Prezena a dou blocuri n modelul unui CEP, unul de curent i cellalt de tensiune, cusensuri opuse ale succesiunii calculelor (sau considernd intrrile i ieirile curenilor i tensiunilor),cuplate cu logica de comand, care este determinat de comutaiile dispozitivelorsemiconductoare, este un aspect general caracteristic n modelarea convertoarelor electronicii deputere [23], [27], [28], [34].

Cele dou blocuri componente, prezentate n structurilor anterioare (n figura 5.21 VSI iVSR, care sunt identice cu VSF din figura 5.23, respectiv RIC din figura 5.22 i 5.23, structuralidentic cu CSI din figura 5.29 i figura 5.30) n figura 5.31 sunt sintetizate ntr-un singur bloc.

5. 26


27/55

R E C T I F I E R -

I N V E R T E R

C O N V E R T E R


RSTu

RIABCi

VSF

ABCi

R - I

C O N V E R T E R

D R I V E R

L aL I N E - S I

A C F I L T

L I N E - S I D E

P W M- V S I

C f L I N E -

C U R R E N T

F I L T E R

P W M

l o g i c

L d R- CdV S I- D C - L I N K

F I L T E R

dRiRIdu

RSTi

dIi VSIdi

DCdi

D C

C H O P P E R

( U d / Id 0 )

D C

C H O P P E R

D R I V E R

L d I

C S ID C L I N KF I L T E R

M O T O R -

S I D E

P A M -C S I

I N D U C T I O N

M O T O R

M O T O R

S I D E

P W M- V S I

I M

V E C T O R

C O N T R O L

P A M -C S I

D R I V E R

V E C T O R

A N A L Y S E R


RefsI

sCSIabci

CSIabcu

P W M

l o g i c

Refr

Refr

CSIdi

VSIdu

sabci

sabcu

sabci

VSIabci

VSIabcu

M E C H A N I C A L

L O A D

Lm

em

r

VSFABCu

fCifCu

DCdu

dCu

CSIdi

CSIdu

A C T I V E

F I L T E R

C O N T R O L

dCVSId uu =

CSIabcsabc

VSIabc uuu ==



5. 27


28/55

Figura 5.30. Diagrama bloc de simulare a convertorului hibrid cu dou invertoare n tandem,cu filtrarea curentului reelei de c.a. i a motorului pentru acionri de putere mare.

5.7. Simularea transferului bidirecional al energiei unei liniii de distribuie de c.c.

cuplat la reeaua de c.a. i consumatori de c.a. prin convertoarelor electronice de putere

Modelarea s-a realizat n mediul de simulare Matlab-Simulink.Datele nominale ale mainilor electrice simulate:

Motor de inducie MI-1 (identificat n [8]): de fabricaie ELECTROMOTOR, Timioara,5.5kW, 50Hz,cos=0.735, 720rpm (4 perechi de poli), mrimi de faz 220Vef., 14 Aef

Motor de inducie MI-2 (identificat n [38]):de fabricaie Siemens, Germania, 2.2kW, 50Hz, cos=0.82,1420rpm(2 perechi de poli), mrimi de faz 230Vef, 4.7 Aef;

Motor sincron cu rotor din cu magnet permanent SM-MP [15]: de fabricaie StberAntriebstechnik GmbH, Germania, 0.5 kW, 150 Hz, 3000 rpm (3 perechi de poli), mrimi de faz220 Vef, 1.6 Aef.

Main sincron cu excitaie bobinat n stator (indusul fiind rotorul trifazat cu inele)GS: de fabricaie UME, Bucureti (identificat n [74]),800W, 50Hz, 1500 rpm (2 perechi de poli),cos=0.8(capacitiv), mrimi de faz: 380Vef, 1.52Aef,excitaia 110 Vcc , 0.6 Acc.

Cuplurile rezistente ale mainilor de lucru (sarcinile mecanice ale motoarelor de acionare)au fost considerate dependente de vitez (cu cupluri de frecare vscoas i electrostatic). S-asimulat pornirea i reversarea acionrilor de diferite puteri i perturbate n diferite momente.

5.7.1. Simularea liniei de c.c. alimentat de un redresor PWM pentru unei acionri

multimotor de c.a.

n diagramele din figura 5.32 5.35 sunt prezentate rezultatele simulrii schemei din figura5.20 folosind modelul din figura 5.21. n aceste simulri consumatorii din linia de c.c. sunt mainilede c.a. alimentate prin invertoare PWM ale unui sistem de acionare multimotor format dintr-unmotor de inducie (MI-1) i 5 motoare sincrone cu magnet permanent (MS-MP) de putere mairedus. Perturbaiile (treapt de vitez la pornire i la inversarea sensului de rotaie, respectivtreapta de sarcin) au loc n momente de timp diferite. Regimul stabilizat al motorului de inducieeste la 50 Hz, iar cel al MS-MP este la 150 Hz, pentru ambele sensuri de rotaie [19], [30], [32].

5. 28


29/55

Figura 5.31. Pornirea i inversarea sensului de rotaie a motorului de inducie cu controlvectorial:

viteza unghiular electric a rotorului, me cuplul electromagnetic, mL cuplul desarcin

Figura 5.32. Pornirea i inversarea sensului de rotaie a motorului sincron cu MP cu controlvectorial: n turaia motorului, me cuplul electromagnetic, mL cuplul de sarcin

n diagramele din figurile 32 i 33 se vede efectul inversrii motorului de inducie nmomentul t=1s asupra celor 5 motoare sincrone, i vice versa efectul perturbaiilor motoarelor

5. 29


30/55

sincrone asupra motorului de inducie n momentele t=0.5s (inversarea sensului de rotatie) i t=.5s (dispariia cuplului de sarcin).

Din diagramele figurii 34 se poate observa c tensiunea din linia de distribuie de c.c. estemai sensibil la perturbaiile cauzate de inversarea sensului de rotaie a motorului de inducie (dinmomentul 1 s), dect cele cauzate de inversarea concomitent a celor 5 motoare sincrone MS-MP

(n momentul 0.5 s). Acest lucru se explic prin faptul c energia provenit de la acionrile cu MS-MP n regim de frnare este consumat de motorul de inducie, fr a mai perturba mrimiledinspre reeaua de c.a. i la intrare n linia de c.c.

n figura 35 se poate vedea funcionarea bidirecional a redresorului PWM dinsprereeaua de c.a. la inversarea transferului de energie, cnd acionare cu motorul de induciefrneaz prin recuperarea de energie. La alimentarea liniei de c.c. (nainte de frnare) curentulabsorbit de la reea este n faz cu tensiunea reelei (cos=1). La frnarea prin recuperare deenergie a motorului de inducie, cnd se inverseaz transferul de energie de la linia de c.c. sprereeaua de c.a., curentul injectat spre reeaua de c.a. va fi n antifaz cu tensiunea reelei (cos=1). Cnd la inversarea sensului de rotaie a motorul ajunge atinge viteza zero i ncepe s s seroteasc n sens invers, curentul revine n faz cu tensiunea i incepe s creasc spre valoareacurentului de pornire dup cum motorul se accelereaz la vitez negativ.

Figura 5.33. Regimurile tranzitorii din linia de c.c.: idR curent de ieire din redresor, idI curentde intrare n invertoare, idC curentul prin condensator, udC tensiunea pe condensator.

5. 30


31/55

Figura 5.34. Regimul tranzitoriu din reeaua de c.a. la frnarea prin recuperare de energiea motorului de inducie: cos factorul de putere (1) pentru ambele sensuri detransfer al energiei iR curentul absorbit din reea de redresor n faza Ri uR tensiunea n faza Ra reelei de c.a.

5.7.2. Simularea liniei de c.c. alimentat de la un redresor de reea cu pulsuri de

curent de 120 cu filtrarea activ a curentului pentru acionri de c.a. cu invertoare PWM

Figura 5.35. Regimurile tranzitorii ale curenilor din linia de c.c. i din filtrul activ decurent: idRcurent de c.c. la ieire din redresor, idIcurent de c.c. la intrare n invertoare,idCcurentul prin condensator la intrare n linia de c.c., ifCcurentul prin condensatorul

din filtrul activ dinspre reeaua de c.a.

5. 31


32/55

Figura 5.36. Regimurile tranzitorii ale tensiunilor din linia de c.c. i din filtrul activ de curent: ufCtensiunea pe condensatorul filtrului activ dinspre reeaua de c.a., udCtensiunea pe

condensatorul la intrare n linia de c.c., uAVSFtensiunea de ieire a filtrului activ PWM pe fazaAdinspre reeaua de c.a.

n figurile 5.36 5.38 sunt prezentate rezultatele de simulare pentru schema din figura 5.22folosind modelul din figura 5.23 Simulrile s-au realizat n aceeai condiii ca i n cazul anterior dela punctul 5.7.1, cu aceiai consumatori, cu acelai tip de perturbaii conform diagramelor din figura

32 a) i b) [19], [30], [32].

5. 32


33/55

Figura 5.37. Regimurile tranzitorii ale redresorului bidirecional de reea (RIC)funcionnd cu und plin filtrat activ: uR tensiunea de linie i iR curentul de linie

din n faza Ra reelei de c.a., iAR-Icurentul de intrare a ansamblului RIC, iAVSF

curentul filtrului activ de curent n faza A.

Din diagrama figurlor 5.36 i 5.37 se poate observa c tensiunea din linia de distribuie dec.c. este mai sensibil la perturbaiile cauzate de inversarea sensului de rotaie a motorului deinducie (din momentul 1 s), dect cele cauzate de reversarea concomitent a celor 5 motoaresincrone MS-MP (n momentul 0.5 s), la fel ca n cazul precedent.

n figura 5.38 se poate urmrii efectul filtrrii active a curentului absorbit din reea, careeste sinusoidal, cu toate c redresorul de reea funcioneaz cu und plin cvasi-dreptunghiular.

5.7.3. Simularea liniei de c.c. pentru alimentarea convertorului hibrid cu circuite

intermediare cuplate, cu filtrarea activ a curentului motorului i a reelei

Linia de distribuie de c.c. din figura 5.39 [30] este asemntoare celei descrise anterior lapunctul 7.2 (prezentat n figura 5.22), cu diferena c acum dintre consumatori face parte i oacionare cu motor de inducie (cu datele nominale MI-1) de 5.5 kW (n figur este notat cu IM),care este alimentat de la un invertor hibrid, care conine dou invertoare funcionnd n tandem.Cel de putere este cu caracter surs de curent (CSI), cellalt este un invertor de tensiune (VSI)PWM pentru filtrarea activ a curentului.

Compunerea structurii de simulare s-a fcut pe baza diagramei din figura 5.23, care s-acompletat cu ali consumatori, cum sunt sisteme de acionare cu motor de inducie (cu datelenominale MI-2) de 2.2 kW (n figura 39 sunt notate cu IM 1 i 2, etc.) i motoare sincrone cumagnet permanent (cu date nominale MS-MP) de 0.5 kW (n figura 5.39 sunt notate PMSM 1 i 2,etc.), fiecare fiind alimentat de la un invertor de tensiune PWM propriu, cum se vede i n figura5.39 [19], [30], [32].

5. 33


34/55

n figurile 5.40 5.47 sunt prezentate rezultatele simulrii liniei de distribuie de c.c. dinfigura 5.39, care este cuplat la reeaua de c.a. printr-un redresor cu filtrarea activ a curentului,alimentnd diferite acionri cu motoare de inducie. nti a fost pornit acionarea cu motorul deinducie IM de 5.5 kW alimentat de la invertorul hibrid (CSI n tandem cu VSI-PWM), apoi nmomentul t=0.5s au fost pornite deodat cele dou motoare de inducie IM 1 i 2 fiecare de 2.2

kW. Cu ceva mai trziu n momentul t

=

1.5

s s-a comandat inversarea sensului de rotaie amotorului IM de putere mai mare, apoi la t =2s simultan inversarea sensului de rotaie a celor doumotoare IM 1 i 2, de putere mai mic.

n diagramele din figurile 5.40 i 5.41 se poate observa efectul acestor condiii de modelarei sunt prezentate rezultatele de simulare pentru schema din figura 5.23 folosind modelul din figura5.24 alimentat de la un invertor de tensiune PWM propriu, cum se vede i n figura 5.39 [30].

I M

I M

V E C T O R

C O N T R O L

P W M

l o g i c

L I N E

I N V E R T E R

D R I V E R

S I N E

W A V E

G E N E R A T O R


RefRS Ti

RS Ti

VS FAB Ci

RS Tu

VSFABCu

dRu dCu

P W M

l o g i c


L a

C f

fcu

dRi

L d R

IRABCi


dCi dIi

si

su

P

N

RS TI

32

C o m m u t a t i o n

l o g i c

fCi

C d VS IdiO C

L O A D

sabci

CSIdi

sabcu

CSIduI M V S IV S F

R I C

V A

DCdu

L d I

DCdi

D C t o D c

C O N V E R T E R

C O N T R O L

C S - D C l i

CSId

DCdLdI uuu =

C S I

D R I VCSIabci

sjs eIi

=

32

RefdI

sI

P h a s

S y n c h r o n i s i

VSIabci

D C t o D c

C O N V E R T E R

V S - D C l i n k

I M

1

I M

V E C T O R

C O N T R O LP W M

l o g i cIMsi 1

IMsu 1

IMdIi 1

I M

V E C T O R

C O N T R O LP W M

l o g i cIMdIi 2

I M

2

P M S M

V E C T O R

C O N T R O LP W M

l o g i c

SMdIi 1

P M S M

2

P M S M

1

P M S M

V E C T O R

C O N T R O LP W M

l o g i cSMdIi 2

L O A DL O A D

L O A DL O A D

IMsu 2

IMsi 2

SMsu 1

SMsu 2

SMsi 1

SMsi 2

IMr1

r

IMr2

SMr1

SMr2

Figura 5.38. Schema liniei de distribuie de c.c. cu mai muli consumatori de c.a. la care estecuplata o acionare cu un motor de inducie alimentat de la un invertor hibrid cu filtrarea activ

a curentului mainii

n figurile 5.48 5.57 [30] sunt prezentate rezultatele simulrii liniei de distribuie de c.c. dinfigura 5.39, care este cuplat la reeaua de c.a. printr-un redresor cu filtrarea activ a curentului,

5. 34


35/55

alimentnd diferite acionri de c.a., i anume 5 cu motoare sincrone cu magnet permanent PMSMcomandate cu invertoare de tensiune PWM-VSI i motorul de inducie de 5.5 kW comandate deinvertorul hibrid (CSI n tandem cu VSI-PWM). nti au fost pornite acionrile cu motor sincron cuMP (vezi figura 5.48), apoi n momentul t =0.5s motorul de inducie IM (vezi figura 5.49). Mai trziu

la momentul t=1s inversarea sensului de rotaie a s-a comandat inversarea sensului de rotaie

simultan a celor cinci motoare sincrone cu MP i apoi la t

=

1.5

s inversarea sensului de rotaie amotorului de inducie IM.

n figura 5.56 factorul de putere la valoarea 1 indic energia recuperat n reea.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-400

-200

0

200

400

w(rad/s)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-150

-100

-50

0

50

100

150

time(s)

me,

mL

(Nm)

time(s)

mL

me

Figura 5.39. Pornirea i reversarea de vitez a motorului de inducie de 5.5 kWcu controlului vectorial alimentat de la invertorul hibrid tandem: vitezaunghiular electric a rotorului, me cuplul electromagnetic, mL cuplul de

sarcin.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-400

-200

0

200

400

w(rad/s)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-40

-20

0

20

40

me.

mL

(Nm)

time(s)

time(s)

mL

me

Figura 5.40. Pornirea i inversarea sensului de rotaie a motorului de inducie de 2.2 kWcu control vectorial alimentat de la invertor de tensiune PWM: viteza unghiular

electric a rotorului,me cuplul electromagnetic, mL cuplul de sarcin.

5. 35


36/55

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-500

0

500

usa

[V]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-50

0

50

isa[A]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-50

0

50

iaCSI [A]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-50

0

50

time(s)

iaVSI [A]

Figura 5.41. Regimurile tranzitorii n motorul de inducie IM alimentat de invertorul hibrid

tandem funcionnd cu und plin filtrat activ pentru ntreaga durat a simulrii: usa tensiunea i

isa curentul din faza saa statorului motorului, iaCSI curentul din invertorul de curent CSI,iaVSI curentul din invertorul de tensiune VSI n faza a.

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7

-200

0

200

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7

-50

0

50

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7

-50

0

50

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7

-50

0

50

iaVSI [A]

iaCSI [A]

isa

[A]

usa

[V]

Figura 5.42. Regimurile tranzitorii n motorul de inducie IM alimentat de invertorul hibridtandem funcionnd cu und plin filtrat activ la inversarea sensului de rotaie a motorului:

usa tensiunea iisa curentul din faza saa statorului motorului, iaCSI curentul din invertorul de curent CSI,

iaVSI curentul din invertorul de tensiune VSI n faza a.

5. 36


37/55

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-500

0

500

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-50

0

50

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-50

0

50

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

-20

0

20

time (s)

iAVSF

(A)

iARI (A)

iR(A)

uR

(V)

Figura 5.43. Regimurile tranzitorii ale redresorului bidirecional de reea (RIC) funcionnd cuund plin filtrat activ cu VSF pe partea de c.a. pentru ntreaga durat a simulrii: uR

tensiunea iiR curentul din n faza Ra reelei de c.a., iAR-I curentul de intrare a ansamblului RIC,

iAVSF curentul filtrului activ VSF n faza A.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.5

1

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7

-200

0200

uR

[V]

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7-40

-20

0

20

40

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7-40

-20

0

20

40

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7-40

-20

0

20

40

time(s)

cos

iR[A]

iaRI [A]

iaVSF

[A]

Figura 5.44. Regimurile tranzitorii ale redresorului bidirecional de reea (RIC) funcionnd cuund plin filtrat activ cu VSF pe partea de c.a. la inversarea sensului de rotaie a vitezei

motorului IM:

cos factorul de putere, uR tensiunea i iR curentul din faza Ra reelei de c.a.,iAR-I curentul de intrare a ansamblului RIC, iAVSF curentul filtrului activ VSF n faza A.

5. 37


38/55

idR(

A)

idI

[A]

idC

[A]

ifC[A

]

0 0.5 1 1. 5 2 2. 5 30

20

40

60

0 0.5 1 1. 5 2 2. 5 3

-50

0

50

0 0.5 1 1. 5 2 2. 5 3-100

0

10 0

0 0.5 1 1. 5 2 2. 5 3-50

0

50

Figura 5.45. Regimurile tranzitorii ale curenilor din linia de c.c. i din filtrul activ de curent: idRcurent de ieire din redresor, idI curent de intrare n invertoare, idC curentul prin

condensator la intrare n linia de c.c., ifC curentul din condensatorul filtrului activ VSFdinspre reeaua de c.a.

1 1.005 1.01 1.015 1.02 1.025 1.03 1.035 1.04 1.045 1.05

-500

0

500

time(s)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

200

400

600

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

500

1000

uaVSF

(A)

udC

(V)

ufC

Figura 5.46. Regimurile tranzitorii ale tensiunilor din linia de c.c. i din filtrul activ de curent:ufC tensiunea pe condensatorul filtrului activ VSF dinspre reeaua de c.a.,

udC tensiunea pe condensatorul la intrare n linia de c.c.,

5. 38


39/55

uAVSF tensiunea de ieire a filtrului activ VSF pe faza Adinspre reeaua de c.a.

time(s)

mL

me

0 0.5 1 1.5 2 2.5-4000

-2000

0

2000

4000

n(rev

/min)

0 0.5 1 1.5 2 2.5-6

-4

-2

0

2

4

me

mL

m

e,mL

(Nm)

time(s)

Figura 5.47. Pornirea i inversarea sensului de rotaie a motorului sincron cu magnetpermanent PMSM cu control vectorial alimentat de la invertor de tensiune PWM-VSI: n

turaia rotorului,me cuplul electromagnetic i mL cuplul de sarcin

time(s)

mL

me

0 0.5 1 1.5 2 2.5-400

-200

0

200

400

0 0.5 1 1.5 2 2.5-200

-100

0

100

200

w(rad/s

)

m

e,mL

(Nm)

time(s)

me

mL

Figura 5.48. Pornirea i inversarea sensului de rotaie a motorului de inducie de 5.5kW cu controlului vectorial alimentat de la invertorul hibrid tandem: viteza unghiular

electric a rotorului,me cuplul electromagnetic, mL cuplul de sarcin.

5. 39


40/55

0 0.5 1 1.5 2 2.5-500

0

500

usa

[V]

isa[

A]

iaCSI [A]

iaVSI [A]

0 0.5 1 1.5 2 2.5-50

0

50

0 0.5 1 1.5 2 2.5-50

0

50

0 0.5 1 1.5 2 2.5-50

0

50

time(s)

Figura 5.49. Regimurile tranzitorii n motorul de inducie IM alimentat de invertorul hibridtandem funcionnd cu und plin filtrat activ pentru ntreaga durat a simulrii: usa

tensiunea iisa curentul din faza saa statorului motorului, iaCSI curentul din invertorul de curent CSI,


1.5 1.55 1.6 1.65 1.7

-200

0

200

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7-50

0

50

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7-50

0

50

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7-50

0

50

time(s)

iaVSI (A)iaCSI (A)

isa

(A)

usa

(V)

Figura 5.50. Regimurile tranzitorii n motorul de inducie IM alimentat de invertorul hibridtandem funcionnd cu und plin filtrat activ la inversarea sensului de rotaie a motorului:

usa tensiunea i isa curentul din faza saa statorului motorului, iaCSI curentul dininvertorul de curent CSI,


5. 40


41/55

0 0.5 1 1.5 2 2.5-500

0

500

0 0.5 1 1.5 2 2.5-50

0

50

0 0.5 1 1.5 2 2.5-50

0

50

0 0.5 1 1.5 2 2.5-50

0

50

uR

(V)

iR(V)

iaRI (A)

iaVSF

(A)

time (s)

Figura 5.51. Regimurile tranzitorii ale redresorului bidirecional de reea (RIC) funcionnd cuund plin filtrat activ cu VSF pe partea de c.a. pentru ntreaga durat a simulrii: uR

tensiunea i iR curentul din n faza Ra reelei de c.a., iAR-I curentul de intrare aansamblului RIC,


0.45 0.5 0.55 0.6 0.65

-2000

200

0.45 0.5 0.55 0.6 0.65-40

-200

2040

0.45 0.5 0.55 0.6 0.65-40

-20

020

40

0.45 0.5 0.55 0.6 0.65-20

0

20

time(s)

iaVS

F(

A)

iaRI (A)

iR(A)

uR

(V)

Figura 5.52. Regimurile tranzitorii ale redresorului bidirecional de reea (RIC) funcionnd cuund plin filtrat activ cu VSF pe partea de c.a. la pornirea motorului IM: uR tensiunea i iR

curentul din faza Ra reelei de c.a., iAR-I curentul de intrare a ansamblului RIC,iAVSF curentul filtrului activ VSF n faza A.

5. 41


42/55

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8

-200

0

200

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8-50

0

50

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8-50

0

50

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8

-20

0

20

iaVSF

(A)

iaRI (A)

iR(A)

uR

(V)

time (s)

Figura 5.53. Regimurile tranzitorii ale redresorului bidirecional de reea (RIC) funcionnd cuund plin filtrat activ cu VSF pe partea de c.a. la inversarea sensului de rotaie a motorului

IM: uR tensiunea iiR curentul din faza Ra reelei de c.a., iAR-I curentul de intrare a ansamblului RIC,


0 0.5 1 1.5 2 2.5

020

406080

0 0.5 1 1.5 2 2.5

-20

0

20

0 0.5 1 1.5 2 2.5-50

0

50

0 0.5 1 1.5 2 2.5

-40-20

02040

time (s)

ifC

(A)

idC

(A)

idI

(A)

idR

(A)

Figura 5.54. Regimurile tranzitorii ale curenilor din linia de c.c. i din filtrul activ de curent lapornirea motoarelor sincrone cu magnet permanent PMSM: idR curent de ieire din

redresor,idI curent de intrare n invertoare, idCcurentul prin condensator la intrare n linia de c.c.,

ifC curentul din condensatorul filtrului activ dinspre reeaua de c.a.

5. 42


43/55

uaVSF

(A)

udC(

V)

ufC(

V)

0 0.5 1 1.5 2 2.50

500

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.50

500

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8

-500

0

500

0 0.5 1 1.5 2 2.5

-1

0

1

cos

Figura 5.55. Regimurile tranzitorii ale tensiunilor din filtrul activ i condensatorul la intraren linia de c.c. la pornirea motoarelor sincrone cu magnet permanent PMSM: ufCtensiunea pe condensatorul filtrului activ dinspre reeaua de c.a., udC tensiunea pe

condensatorul la intrare n linia de c.c., uAVSF tensiunea de ieire a filtrului activ PWM-VSF pe faza Adinspre reeaua de c.a.,

cos factorul de putere la intrarea n redresorul de la reea

udDC

(V)

1.495 1.5 1.505 1.51 1.515 1.52

-500

0

500

1.495 1.5 1.505 1.51 1.515 1.52-50

0

50

time(s)

id

DC

(A)

Figura 5.6. Regimurile tranzitorii din circuitul intermediar de c.c. surs de curent ntre CSI ivariatorul de tensiune continu la inversarea sensului de rotaie a motorului IM alimentat de

la invertorul hibrid tandem: udDC tensiunea i idCSI curentul de intrare in invertorul CSI.

5. 43


44/55

n ambele regimuri de funcionare simulate energia recuperat de la frnarea motorului deinducie IM de 5.5 kW este utilizat de celelalte acionri consumatoare care funcioneaz n regimde motor.

5.7.4. Simularea invertorului hibrid tandem cuplat la o linie de c.c. cu filtrarea

activ a curentului liniei de c.a. i a motorului de acionare

n figurile 5.57 5.59 sunt prezentate rezultatele de simulare ale unui motoar de induciede 5.5 kW n regim de pornire i inversarea sensului de rotaie a, alimentat de la un convertortandem hibrid cu circuite intermediare de c.c. cuplate, avnd schema prezentat n figura 5.30.Circuitul intermediar de c.c. la ieirea din redresorul de reea RIC poate fi considerat

Date post:	05-Apr-2018
Category:	Documents
Upload:	mariana
View:	337 times
Download:	6 times

CONVERTOARE ELECTRONICE DE PUTERE CU TRANSFER DE ENERGIE BIDIRECŢIONAL

Documents