Modulatia PWM

8/12/2019 Modulatia PWM

1/30

Convertoare multinivel cu parametrienergetici ridicati

Raport de Cercetare

Grant: Convertoare multinivel cu parametri energetici ridicati

1. Introducere

1.1. Prezentarea temei de cercetare

Dupa anii 1970, dezvoltarea electronicii de putere a luat amploare. Progresele tehnologiceconsiderabile din domeniul dispozitivelor semiconductoare de putere au condus la cresterea

performantelor convertoarelor statice de putere. stazi, cea mai mare parte a convertoarelor cucomutatie complet comandata sunt alcatuite din diode rapide asociate cu tranzistoare de tipul !"#$sau %&'()$. ceste dispozitive semiconductoare sunt utilizate intr*o gama larga de puteri, mergandde la cativa +ati pana la mai multe sute de ilo+ati. socierea lor serie sau paralela a permis atingereaunor tensiuni de functionare de mai multi ilovolti si comutarea unor curenti de mai multe sute deamperi. De asemenea, frecventele mari de comutatie ale acestora au permis minimizarea filtrelor

pasive si a volumului convertoarelor. Punerea in practica a acestor dispozitive semiconductoare incadrul convertoarelor continuu*continuu -choppere de tensiune continua si continuu*alternativ-redresoare, invertoare este bine cunoscuta, atat din punct de vedere al sintezei structurilor, cat si acomenzii lor.

Din punctul de vedere al evolutiei, domeniul conversiei alternativ*alternativ directe, care face

obiectul principal al temei propuse, ramane totusi in urma in comparatie cu celelalte tipuri deconversie. !n industrie se regasesc foarte putine aplicatii care utilizeaza aceste dispozitivesemiconductoare in cadrul convertoarelor alternativ*alternativ directe -choppere alternative,convertoare matriciale . !n acest domeniu, tiristorul si triacul sunt dispozitivele semiconductoare celemai utilizate -variatoare de tensiune alternativa, cicloconvertoare datorita costurilor mici, a robustetiilor si a simplitatii in utilizare. $otusi, noile norme, referitoare la preturbatiile electromagnetice -C)%a retelei de /oasa si medie tensiune, motiveaza cercetatorii sa gaseasca solutii noi care sa utilizezefrecvente de comutatie mai mari. !n acest sens in cadrul proiectului se propun, se analizeaza si setesteaza noi scheme multinivel si comenzi P % -Pulse idth %odulation in domeniul conversieialternativ*alternativ directe -choppere alternative care utilizeaza diode rapide asociate cu tranzistoarede tipul !"#$ si sau !"C$.

Convertoarele P % alternativ*alternativ directe au un domeniu de aplicabilitate foarte mare.cestea functioneaza la frecvente mari de comutatie, utilizeaza filtre pasive de talie redusa, absorb de

la retea curenti 2uasi*sinusoidali si furnizeaza sarcinilor tensiuni 2uasi*sinusoidale. stfel,convertoarele multinivel robuste dezvoltate in cadrul proiectului sunt in concordanta cu normele C)%,un aspect foarte important pentru echipamentele industriale. cestea sunt solutii originale, atat pe plannational, cat si pe plan international, fiind construite pornind de la celule de comutatie standard carefunctioneaza in 3 cadrane.

Pentru cazul general, aceste structuri noi pot fi utilizate pentru controlul puterii in cea maimare parte a sarcinilor alimentate in alternativ la frecventa retelei. 4n e5emplu de aplicatie unde se

poate utiliza chopperul alternativ ca variator de putere este domeniul iluminatului public. Colectivul decercetatori a elaborat un model e5perimental pentru chopperul alternativ cu 3 niveluri de tensiune.

ceste convertoare permit modificarea intensitatii luminoase minimizand puterea consumata in functiede obscuritatea mediului ambiant si pot sa prote/eze lampile impotriva variatiilor de tensiune ale


2/30

retelei6 de asemenea, consumul de energie poate fi redus cu 30 si creste, in acelasi timp, durata deviata a lampilor.

Pe baza structurilor propuse in cadrul proiectului se pot dezvolta diferite aplicatii in domeniulenergetic8 stabilizatoare -compensatoare directe la care sarcina poate fi prote/ata contra fluctuatiilorde retea -scaderi ale tensiunii sau supratensiuni , stabilizatoare indirecte cu transformatoare serie-tensiunea in/ectata in serie cu reteaua este reglata astfel incat sa se compenseze fluctuatiile retelei sifiltre active de tensiune monofazata trifazata.

!n domeniul temei se mai propun 3 solutii noi de convertoare multinivel. Prima se refera lacascadarea a 3 sau mai multe choppere elementare alimentate de la surse alternative cu aceeasi fazaseparate galvanic. doua solutie consta in cascadarea a choppere alternative -elementare saumultinivel cu condensatoare intermediare alimentate de la surse alternative separate galvanic sidefazate intre ele cu 3 si : . Cicloconvertorul astfel obtinut are la baza celule de comutatiestandard si prezinta avanta/ul ca nu utilizeaza intreruptoare in : segmente cum este cazulconvertoarelor matriciale, fiind din acest motiv un convertor mai robust cu o comanda mai simpla.!ncercarile efectuate pe un model ideal -fara a lua in calcul fenomenul de comutatie confirma

previziunile teoretice8 legea de comanda propusa conduce la obtinerea unei tensiuni sinusoidale deamplitudine si frecventa reglabile in limite largi.

1.2. Stadiul actual in domeniul temei

;umeroase sarcini functioneaza la frecventa retelei si necesita interfete pentru reglarea puterii.!n cadrul echipamentelor e5istente, cea mai mare parte a interfetelor sunt realizate cu tiristoare sautriace, dispozitive semiconductoare robuste, economice si usor de utilizat. Controlul puterii serealizeaza prin modificarea unghiului de intarziere la amorsare. rmonicile curentului absorbit deaceste convertoare au amplitudini mari si frecvente /oase. 4tilizarea unor filtre pasive nu esterecomandata, datorita situarii armonicilor in imediata vecinatate a armonicii fundamentale lafrecventa retelei. De asemenea, marimea, greutatea si costul elementelor pasive ar fi mari. !nconsecinta, variatoarele cu tiristoare sunt plasate in afara noilor norme care limiteaza perturbatiileadmise in retea. %ai mult, puterea reactiva absorbita de aceste convertoare se modifica odata cuunghiul de amorsare. $impul de raspuns este relativ mare, de ordinul perioadelor retelei. $ensiunea deiesire prezinta, de asemenea, armonici de amplitudine mare si frecvente /oase, ceea ce limiteazautilizarea acestor convertoare pentru sarcini putin sensibile.

!n ultimii ani, industria a inceput sa ceara echipamente de putere mare care au atins nivelulmegavatilor. stazi, este dificil sa se conecteze un singur dispozitiv semiconductor direct la reteaua demedie tensiune. Pentru acest motiv au fost dezvoltate mai multe familii de convertoare multinivel, inspecial in domeniul conversiilor de tipul continuu*continuu, alternativ*continuu si continuu*alternativ.Daca ne referim numai la conversia continuu*alternativ, e5ista mari categorii de structuri multinivel8

invertoare multinivel cu punct neutru flotant, invertoare multinivel cu condensatoare intermediare siinvertoare multinivel cascadate cu surse de tensiune continua separate .

Convertoarele alternativ*alternativ cu comutatie complet comandata au facut obiectul anumeroase studii teoretice . !ntreruptoarele in : segmente care le alcatuiesc pot fi sintetizate

pornind de la dispozitive semiconductoare de putere cunoscute, de tipul dioda si tranzistor. $otusi, punerea lor in practica este de mai mult timp intarziata datorita problemelor de comutatie. !n cazul particular al celulelor de comutatie bidirectionale in tensiune si in curent cu intreruptoare bicomandabile, acest aspect este delicat. ?ucrari relativ recente au stabilit pentru aceste convertoare principii de comanda care sa creeze conditii de comutatie naturala in cadrul celulei de comutatie . Robustetea convertoarelor depinde de e5actitatea comenzii, iar riscul aparitiei desupratensiuni si supracurenti nu este in totalitate eliminat. ceasta e5plica, in parte, slaba dezvoltare aaplicatiilor industriale cu convertoare alternativ * alternativ directe cu comanda prin modulareaimpulsurilor in durata -P % , in ciuda numeroaselor lor avanta/e.


3/30

?a ora actuala, cele mai robuste structuri de conversie a puterii care utilizeaza principiul decomanda P %, sunt bazate pe celule de comutatie in 3 cadrane, unidirectionale in tensiune si

bidirectionale in curent. Punerea lor in practica, in cadrul convertoarelor continuu*continuu si aconvertoarelor continuu*alternativ, este bine cunoscuta. Posibilitatile de asociere ale acestor celulesunt numeroase si permit obtinerea unui numar mare de familii de convertoare multinivel, noi pentrudomeniul conversiei alternativ*alternativ directe, atat pe plan national, cat si pe plan international.

Pe plan mondial, in ultimii ani au fost dezvoltate si publicate noi structuri de chopperealternative, care utilizeaza celule de comutatie in 3 cadrane, atat in structura monocelulara -3 niveluride tensiune , cat si in structura multicelulara -multinivel de tensiune cu condensatoare intermediare. Problemele care se pun pentru chopperele alternative multinivel cu condensatoareintermediare sunt, in principal, legate de echilibrarea dinamica a tensiunilor la bornelecondensatoarelor intermediare. sistam astazi la o dezvoltare a dispozitivelor de conversie a energieide mare putere, unde tensiunea de alimentare este din ce in ce mai mare. Cresterea acestei tensiuniantreneaza indirect o crestere a taliei condensatoarelor intermediare, care trebuie sa suporte fractiuniale acestei tensiuni din ce in ce mai importante. stfel, pentru tensiuni mai mari de @ A, pretul sivolumul convertorului tind sa devina prohibitive. Cercetarile propuse prin tema proiectului au condus

la dezvoltarea unor convertoare multinivel noi de putere mare, care au un volum redus si conservaavanta/ele -proprietatile convertoarelor multinivel cu condensatoare intermediare.

1.3. Celule elementare de comutatie

Convertoarele statice de putere sunt alcatuite din intreruptoare statice. Comanda ladeschidere inchidere a acestor intreruptoare urmareste cicluri prestabilite si permite modificarea

periodica a cone5iunii directe dintre sursa de alimentare si sarcina -iesirea convertorului . ?egea decontinuitate energetica se bazeaza pe notiunea de celule de comutatie alcatuite prin asociere deintreruptoare.

!n functie de sursele care trebuie conectate prin intermediul unui convertor se pot enunta 3reguli8

sursa de tensiune nu poate fi scurtcircuitata, dar poate fi lasata sa functioneze in gol6 circuitul unei surse de curent nu trebuie lasat deschis , dar poate fi scurtcircuitat6

Ca urmare, intreruptoarele nu pot sa stabileasca cone5iuni directe intre 3 surse de tensiune sau3 surse de curent. $otusi daca una dintre ele nu impune direct tensiunea -curentul la bornele sale, cumar fi cazul unui circuit RC paralel -circuit R? serie , este posibil sa se interconecteze in anumiteconditii8

in cazul a 3 surse de tensiune, inchiderea intreruptorului nu poate avea loc decat la egalitatea

celor doua tensiuni, adica la trecerea prin zero a tensiunii la bornele acestui intreruptor6comutatia la inchidere este deci spontana -intrucat depinde de circuitul e5terior , iar ladeschidere poate fi comandata la orice moment.

in cazul a 3 surse de curent, deschiderea intreruptoarelor nu poate avea loc decat la egalitateacurentilor. Comutatia la deschidere este deci spontana si inchiderea poate fi comandata lafiecare moment.

cest rationament conduce la definirea mecanismului de comutatie pentru intreruptoarele caretrebuie sa interconecteze 3 surse de aceeasi natura.

1.3.1. Caracterizarea intreruptoarelor statice ideale


4/30

Convertoarele statice sunt echipamente comple5e alcatuite in principal din dispozitivesemiconductoare care functioneaza in regim de comutatie -intreruptoare si permit, prin secventeconvenabile de functionare, un transfer de energie intre o sursa de tensiune curent si un receptor.

Pentru ca randamentul convertoarelor sa fie cat mai ridicat posibil, pierderile in intreruptoaretrebuie sa fie minime. !n acest scop, intreruptoarele trebuie sa prezinte in starea de conductie o caderede tensiune cat mai mica si in starea de blocare un curent invers negli/abil.

Caracteristica statica este o proprietate intrinseca a intreruptorului si se reduce la un anumitnumar de segmente de dreapta in planul i Bf -u 8

3 segmente * daca intreruptorul este unidirectional in tensiune si in curent. 'e deosebesc 3tipuri de caracteristici statice in 3 segmente8 tensiunea u si curentul i sunt tot timpul deacelasi semn, respectiv de semne contrare6 intreruptoarele asociate acestor caracteristici suntnumite $ si D -fig. 1.1 .

Fig. 1.1. Caracteristici statice ideale pentru intreruptoare in 2 segmente.

segmente * daca una dintre marimi, tensiune sau curent, este bidirectionala si cealaltaunidirectionala. Ca urmare, e5ista 3 caracteristici statice in segmente -fig.1.3 .

Fig. 1.2. Caracteristici statice ideale pentru intreruptoare in 3 segmente .

!ntreruptoarele care poseda caracteristici statice in segmmente pot fi sintetizate prinintreruptoare de tip $ si D, cu caracteristici statice in 3 segmente, fiind conectate in serie sau in

paralel.

: segmente * daca tensiunea si curentul sunt bidirectionale -fig.1. .

Fig. 1.3. Caracteristica statica ideala pentru intreruptoare in 4 segmente .


5/30

!ntreruptoarele care poseda caracteristici statice in : segmente pot fi sintetizate prin conectareain paralel sau in opozitie a 3 intreruptoare cu caracteristici statice in segmente.

1.3.2. Caracterizarea celulelor elementare de comutatie

!ntreruptoarele electronice sunt utilizate rar singure, cel mai frecvent fiind asociate cu alteintreruptoare in cadrul unei celule de comutatie, element de baza intr*un convertor. !n fig.1.: sunt prezentate cateva celule elementare de comutatie8 a intr*un cadran, b in 3 cadrane si c in : cadrane.)le realizeaza intercone5iuni intre o sursa de tensiune si o sursa de curent.

Fig. 1.4. Exemple de celule de comutatie: a) intr-un cadran, b) in 2 cadrane si c) in 4 cadrane.

Cele mai raspandite structuri robuste de conversie a energiei cu comanda P % utilizeazacelule de comutatie in 3 cadrane. Punerea lor in practica in cadrul convertoarelor continuu*continuu-choppere continue si a celor continuu*alternativ -invertoare este bine cunoscuta. !n ultimii anichopperele alternative cu celule de comutatie standard -in 3 cadrane au constituit obiectul anumeroase studii teoretice si practice. ceste convertoare pot fi clasificate dupa modul de transmiterea firului neutru in8 structuri diferentiale si nediferentiale .

2. Choppere de tensiune continua multinivel

Convertoarele multinivel completeaza gama structurilor clasice -cu 3 niveluri , fiind destinateaplicatiilor de mare si foarte mare putere -tensiuni inalte . Dezvoltarea acestor topologii noi a facut

posibil obtinerea unei repartizari mai bune a tensiunilor la blocarea dispozitivelor semiconductoare sio imbunatatire a factorului total de distorsiuni armonice.

2.1. Chopper de tensiune continua cu 2 celule sincrone

Prin conectarea in serie a mai multor intreruptoare comandate sincron se pot obtineintreruptoare de inalta tensiune. !n cazul ideal, cand dispozitivele semiconductoare sunt perfectidentice, tensiunea ma5ima la bornele fiecarei componente de putere depinde numai de numarulcelulelor inseriate. De e5emplu, pentru un chopper cu 3 celule sincrone, cazul cel mai simplu deconectare in serie a intreruptoarelor, tensiunea ma5ima la bornele fiecarui intreruptor este E 3. '*a

notat cu E tensiunea continua aplicata la intrarea convertorului.

!n practica, intreruptoarele reale nu sunt identice, iar tensiunea care trebuie suportata deacestea nu se poate determina cu precizie -fig.3.1 . Dispozitivele semiconductoare aflate in conducties*au reprezentat prin intreruptoare in starea inchis . cela care prezinta cea mai mare rezistenta instarea deschis va suporta o tensiune mai mare decat E 3.

)chilibrarea statica sau dinamica a tensiunilor la bornele intreruptoarelor este dificil de obtinutsi necesita tehnici speciale8

static, se poate realiza prin conectarea unor rezistente de valoare importanta la bornele fiecaruiintreruptor6


6/30

dinamic, prin a/ustarea comenzii -defazare , printr*o selectie a intreruptoarelor in functie detimpii de comutatie si sau utilizand condensatoare snubber -sau circuite de protectie lasupratensiuni .

Fig. 2.1. Chopper de tensiune continua cu 2 celule sincrone.

!n cazul chopper*ului cu 3 celule sincrone tensiunea la bornele sarcinii contine 3 niveluri8 E si

0 -fig.3.3 . Ca urmare, ondulatiile tensiunii sunt egale cu E , iar frecventa acestora este egala cufrecventa de comutatie -f p . '*au notat cu8 $ p * perioada de comutatie -1 f p , iar cu raportul ciclic deconductie.

Fig. 2.2. Tensiunea la bornele sarcinii.

!n cele mai multe cazuri, sincronizarea comutatiilor nu poate fi facuta numai prin simplasincronizare a semnalelor de comanda. Dispozitivele semiconductoare trebuie sa fie selectate pe

perechi cu timpi de intrare in conductie blocare identici. ltfel, trebuie utilizate circuite de comandaspeciale care sa compenseze diferentele dintre acesti timpi.

Daca se considera ca intreruptoarele comuta la aceleasi momente de timp, solicitarea d u dtgenerata la fiecare comutatie reprezinta suma solicitarilor generate de toate intreruptoarele carecomuta. cestea pot introduce zgomote importante care influenteaza buna functionare a circuitelor desemnal mic din apropiere si in special circuitele de comanda pentru intreruptoarele de putere.

2.2. Chopper continuu multinivel cu 2 celule im ricate

!n cazul imbricarii a 3 celule elementare de comutatie intr*un cadran -fig.3. , tensiunile la bornele intreruptoarelor blocate sunt egale cu E 3, daca se utilizeaza o sursa intermediara de tensiunede amplitudine egala cu /umatate din tensiunea de alimentare - E 3 . Perechea 1*# 1 formeaza o celulaelementara de comutatie, iar 3*# 3 formeaza a doua celula. Prin intreruptoare in starea inchis au fostreprezentate dispozitivele semiconductoare aflate in conductie. !n cadrul fiecarei perechi - 1*# 1 si- 3*# 3 , intreruptoarele trebuie sa fie tot timpul complementare. Daca acestea se afla in conductiesimultan, sursa intermediara de tensiune - E 3 si cea de alimentare - E se scurtcircuiteaza. !n cazulcand sunt deschise simultan, circuitul de sarcina este deconectat de la sursa de alimentare. cesteaspecte impun, in particular, schimbari de stare sincrone si opuse.

!n cazul general, semnalele de comanda ale tranzistoarelor - 1, 3 definesc implicit stareaintreruptoarelor complementare -# 1, # 3 . ?a orice moment tensiunile la bornele intreruptoarelor


7/30

blocate sunt egale cu E 3. ;otand cu f 1 si f 3 functiile de comutatie in 3 niveluri -0, 1 pentruintreruptoarele - 1, 3 , se pot determina tensiunile la bornele dispozitivelor -# 1, # 3 si ale sarcinii,dupa cum urmeaza8

-3.1

-3.3

-3.

Fig. 2.3. Chopper continuu cu 2 celule imbricate: analiza tensiunilor la blocarea intreruptoarelor.

!ntroducerea unui defaza/ de 1 0 el. intre semnalele de comanda conduce la decupareatensiunii in niveluri -0, E 3, E . $ensiunea obtinuta la iesire poate sa ia valorile -0, E 3 atunci candraportul ciclic este cuprins intre 0 si E, sau - E 3, E atunci cand raportul ciclic este cuprins intre E si1. !n fig. 3.: se prezinta tensiunea la bornele sarcinii pentru cazul cand intreruptoarele 1 si 3 suntcomandate cu un defaza/ egal cu 1 0 el. cu acelasi raport ciclic 1B 3B1 :, urmat apoi de 1B 3B :.

'e observa ca ondulatiile tensiunii u s au o frecventa de doua ori mai mare decat frecventa de comutatiesi ondulatiile tensiunii sunt egale cu /umatate din tensiunea de alimentare.


8/30

Fig. 2.4. emnalele de comanda si tensiunea la bornele sarcinii.

$oate proprietatile interesante si originale ale acestei structuri sunt legate de utilizarea uneisurse intermediare de tensiune . ceasta este situata intre doua celule de comutatie. !n practica, sursaintermediara de tensiune va fi inlocuita cu un condensator -fig.3.= . mplitudinea tensiunii la bornelecondensatorului reprezinta o fractiune importanta din E . Pe durata unei perioade de comutatie,curentul de sarcina circula prin condensator si produce ondulatii ale tensiunii la bornele acestuia-! C . cestea depind de frecventa de comutatie - " p , de valoarea ma5ima a curentului de sarcina- # smax , de capacitatea condensatorului - C si de numarul de celule - p . !mpunand ondulatiile ! C se

poate determina valoarea condensatorului 8

-3.:

!odelarea structurii cu 2 celule im ricate

(unctiile de comutatie sunt tot mai des utilizate pentru modelarea convertoarelor statice de putere. Definitia acestora nu este unica. Pentru fiecare structura de convertor e5ista diferite functii decomutatie care conduc la acelasi rezultat. !n aceasta lucrare se vor utiliza functiile de comutatie in 3niveluri.

Fig. 2.". $ariator de tensiune continua cu 2 celule imbricate.

$inand cont de aspectele prezentate mai sus, se pot scrie urmatoarele relatii8

R 18 -3.=


9/30

R 38 -3.@

R 8 -3.7

R : 8 -3.

Pe baza relatiilor R 1 R : se poate defini graful de cauzalitate al structurii de forta -fig.3.@ .

Fig. 2.#. %ra"ul de cauzalitate al structurii de putere.

!n fig.3.7 se prezinta cateva rezultate ale simularilor, utilizand pachetul de programe %atlab*'imulin . 'emnalele de comanda au fost elaborate in vederea obtinerii unui raport ciclic variabil intre-0F0,9 si un defaza/ fi5 de $ p 3. stfel, tensiunea intermediara uC se mentine la o valoare egala cu

/umatate din E . Aaloarea capacitatii C se calculeaza in functie de ondulatiile ! C conform relatiei-3.: . Din forma de unda a curentului i s se observa ca ondulatiile curentului trec printr*un minim localegal cu zero pentru un raport ciclic de =0 . Daca se compara acest e5emplu cu structura clasica in

punte, se remarca totusi ca, in acest caz, puterea obtinuta la un B=0 nu este zero.

&riginalitatea topologiilor multinivel cu condensatoare intermediare -celule de comutatie

imbricate consta in faptul ca se pot conecta in serie dispozitive semiconductoare cu timpi decomutatie usor diferiti. stfel, prin imbricarea celulelor, se pot utiliza dispozitive semiconductoare de /oasa tensiune in aplicatiile de inalta tensiune. ceasta a fost posibil datorita conectarii intre celulelede comutatie a unor surse de tensiune au5iliare sub forma unor condensatoare intermediare. Prinmultiplicarea aparenta a frecventei de comutatie, formele de unda au fost ameliorate, spectrele dearmonici optimizate, iar filtrele si componentele pasive reduse.

%odelele de simulare elaborate contribuie la intelegerea fenomenului de echilibrare naturala atensiunilor la bornele condensatoarelor intermediare si la dimensionarea lor.

2.3. Chopper continuu multinivel in cascada

!n cazul cascadarii a 3 structuri elementare -fig.3. cu 3 niveluri de tensiune alimentate de la3 surse de tensiune continua separate -) 1B) 3B) , tensiunile la bornele intreruptoarelor blocate suntegale cu ). !ntroducerea unui defaza/ de 1 0 el. intre semnalele de comanda conduce la decupareatensiunii in niveluri -0, ), 3) , asemanator cu cazul structurilor multinivel cu condensatoareintermediare.


10/30

Fig. 2.$. &ezultate ale simularilor pentru chopperul cu 2 celule '" p( *+z, & s( , s( m+).

$ensiunea obtinuta la iesire poate sa ia valorile -0, ) atunci cand raportul ciclic este cuprinsintre 0 si E, sau -), 3) atunci cand raportul ciclic este cuprins intre E si 1.

Fig. 2.%. chema de principiu a chopperului continuu in cascada cu 3 ni/eluri.

Conectarea in cascada beneficiaza de aceleasi avanta/e cu cele ale structurii cu condensatoareintermediare8 multiplicarea frecventei aparente de comutatie, reducerea tensiunii comutate etc..Convertorul este robust si prezinta dezavanta/ul ca sursele de tensiune continua sunt separate galvanic.Comanda P % -fig.3.9 este, de asemenea, identica cu structura cu condensatoare intermediare.

cest concept poate fi e5tins si pentru cascadarea chopperelor continue multinivel cucondensatoare intermediare -fig.3.10 . Comanda P % are la baza acelasi principiu de decalare aundelor purtatoare pe orizontala.


11/30

Fig. 2.&. Comanda 01 a chopperului in cascada cu 3 ni/eluri.

Fig. 2.1'. chema de principiu a chopperului in cascada cu 3 ni/eluri.

3. Choppere de tensiune alternativa multinivel

Cele mai raspandite structuri robuste de conversie a energiei cu comanda P % utilizeazacelule de comutatie in doua cadrane. Punerea lor in practica in cadrul convertoarelor continuu*continuu -choppere continue si a celor continuu*alternativ -invertoare este bine cunoscuta. !n ultimiiani chopperele alternative cu celule de comutatie standard -in 3 cadrane au constituit obiectul anumeroase studii teoretice si practice. ceste convertoare pot fi clasificate dupa modul de transmiterea firului neutru in8 structuri diferentiale si nediferentiale.

3.1. Structuri di(erentiale cu 2 niveluri de tensiune

cestea sunt alcatuite, in principal, din doua celule elementare de comutatie CC 1 si CC 3, cucate 3 intreruptoare in segmente. 'ursa alternativa de alimentare se conecteaza intre celulele decomutatie, de unde si denumirea de structura diferentiala. !n fig. .1 se prezinta structura de principiu achopperului alternativ diferential realizat e5perimental.


12/30

Fig. 3.1. Chopper alternati/ di"erential cu 2 ni/eluri de tensiune.

Comanda P % a convertorului depinde de polaritatea tensiunii de alimentare -fig. .3 . Pealternantele pozitive ale tensiunii de alimentare u a celula CC 1 este activa si tranzistoarele $ 11 si $ 13 suntcomandate complementar pe principiul P % cu un raport de conductie constant -rel. .1 , in timp cecelula CC 3 se afla intr*o stare particulara de comanda -$ 31 si $ 33 sunt in conductie . Pe alternantelenegative ale u a rolul celulelor de comutatie se inverseaza.

Condensatoarele C a si C b sunt condensatoare de decupla/ si asigura o cale de circulare acurentului de sarcina atunci cand toate tranzistoarele sunt blocate. stfel de situatii apar la fiecaretrecere a tensiunii de alimentare prin zero pe durata intervalului de garda t d. Riscul aparitiei unorsupratensiuni de comutatie este, in acest fel, in totalitate eliminat.

- .1

Fig. 3.2. Comanda tranzistoarelor in "unctie de semnul tensiunii u a.

'tudiul acestor structuri conduce la definirea a : secvente posibile de functionare8


13/30

o secventa, denumita faza activa, pe durata careia sursele -sursa alternativa de alimentare u a sisursa alternativa de curent i s Gsarcina sunt legate direct si are loc un schimb de energie intreacestea.

* daca i sH0, atunci tranzistorul $ 11 si dioda D 31 se afla in conductie Gfig. . .a6

* daca i sI0, atunci dioda D 11 si tranzistorul $ 31 se afla in conductie6

o secventa, denumita faza de regim liber, pe durata careia sursele nu schimba energie.

* daca i sH0, atunci dioda D 13 si tranzistorul $ 33 se afla in conductie6

* daca i sI0, atunci tranzistorul $ 13 si dioda D 33 se afla in conductie G fig. . .b6

alte 3 secvente, denumite faze de schimb indirect, pe durata carora sursele schimba energie prin intermediul condensatoarelor -fig. . .c,d .

ceste etape de functionare sunt caracteristice unui chopper de tensiune alternativa. Daca seconsidera sensul conversiei de energie dinspre sursa alternativa de alimentare spre sursa alternativa decurent -sarcina , chopperul prezentat este de tip coborator -#uc . Din punctul de vedere aldimensionarii dispozitivelor semiconductoare, facem mentiunea ca acestea trebuie sa suporte otensiune inversa ma5ima egala cu cel putin valoarea ma5ima a tensiunii alternative de alimentare.Reglarea tensiunii la bornele sarcinii se poate face cu o precizie foarte buna prin modificarearaportului de conductie -rel. .3 . Comanda la nivel de baza -P % se poate obtine prin comparareaunei unde putatoare triunghiulare cu o tensiune continua de referinta. (recventa undei purtatoare-f pB1 $ p impune frecventa de comutatie, iar tensiunea continua de referinta impune valoarea efectivaa tensiunii dorite la bornele sarcinii.

$ensiunea de iesire -in valoare medie la nivelul unei perioade de comutatie se defineste astfel8

- .3


14/30

Fig. 3.3. Exemple de sec/ente de "unctionare.

nalizand functionarea convertorului se observa ca oricare ar fi secventa de comanda se evitaorice risc de aparitie a supratensiunilor de comutatie, asemanator cu chopperul unidirectional -variatorde tensiune continua comandat pe principiul P % sau cu invertorul de tensiune clasic cu 3 niveluri.

?imitele aplicarii acestei comenzi in functie de semnul tensiunii de alimentare sunt8

precizia cu care se detecteaza semnul tensiunii de alimentare6 intarzierea dintre detectarea semnului tensiunii si schimbarea efectiva a starii tranzistoarelor.

'tructura din fig. .1 a fost completata cu 3 filtre ?C -fig. .: , unul pe partea de alimentare-? iC i si unul pe partea de iesire -? oCo , in vederea obtinerii unei absorbtii sinusoidale de la retea si aunei tensiuni sinusoidale la bornele sarcinii. !n fig. .= s*au prezentat rezultatele simularii P'!% pentrusecventa de comanda. Rezultatele obtinute au confirmat buna functionare a convertorului , fara sase produca supratensiuni sau supracurenti in momentele comutarii tranzistoarelor.

3.2. Structuri nedi(erentiale cu 2 niveluri de tensiune

nalizand structura prezentata in fig. .1 -fig. .: se observa ca tranzistoarele $ 11 si $ 31 suntconectate in serie cu sarcina si sursa de alimentare. Ca urmare, locul inserierii tranzistoarelor $ 31 si $ 11 -impreuna cu diodele conectate in antiparalel poate fi schimbat fara ca functionarea convertorului sase modifice si, in schimb, sa se asigure continuitatea firului neutru. stfel se obtin noi structuri dechoppere alternative la care sursa de alimentare este conectata nediferential -fig. .@ . )fectuandaceste schimbari, cele 3 condensatoare de decupla/ se regasesc conectate in paralel si se noteazacapacitatea echivalenta cu C a. Celulele de comutatie sunt, de data aceasta, conectate in opozitie.Robustetea acestui convertor este comparabila cu cea a structurii diferentiale, riscul aparitiei desupratensiuni la bornele dispozitivelor semiconductoare este redus prin prezenta condensatorului dedecupla/ C a.


15/30

Fig. 3.4. tructura con/ertorului simulat.

Fig. 3.". ec/enta de comanda a con/ertorului.

Comanda se bazeaza pe semnul tensiunii de alimentare si este identica cu cazul structurilordiferentiale Daca ne referim numai la o celula de comutatie, se observa ca este comandata pe

principiul modularii impulsurilor in durata -P % numai o /umatate de ciclu. & astfel de comandaeste cu functionare discontinua si se poate prescurta DP % -modularea discontinua a impulsurilor indurata . Pe aceste intervale, tranzistoarele celulelor active sunt comandate complementar cu asigurareaunui interval de garda -t d suficient pentru a se evita conductia simultana a celor 3 tranzistoare.

Fig. 3.#. $ariatoare de tensiune alternati/a nedi"erentiale cu doua ni/eluri de tensiune:a) structura directa, b) structura in/ersa.

'tructura inversa -fig. [email protected] reprezinta o alta posibilitate de conectare a celor 3 celule, inaceleasi conditii de alimentare si comanda. Chopperul nediferential direct se deosebeste de varianta

inversa prin tensiunea la care se incarca condensatorul de decupla/ C a. Punerea in evidenta a stucturiiinverse are importanta pentru dezvoltarea altor variante de convertoare multinivel < >.


16/30

3.3. Choppere alternative multinivel

!n anul 1990, cercetatorii din cadrul ?))! );'))!J$ !;P $oulouse au elaborat o teorie noua privind imbricarea mai multor celule de comutatie si au dezvoltat structuri particulare de conversie aenergiei comandate pe principiul modularii impulsurilor in durata. ceste convertoare sunt denumitemulticelulare -cu condensatoare intermediare sau cu celule de comutatie imbricate si sunt constituitedin intreruptoare si condensatoare care /oaca rol de surse de tensiune intermediare. $ensiunea de iesireeste constituita dintr*o subdiviziune de tensiuni intermediare, fapt care conduce la reducereaamplitudinii armonicilor datorate procesului de comutatie. ceasta tensiune este denumita multinivel.

Printre numeroasele avanta/e ale acestui principiu amintim8

cresterea frecventei aparente a tensiunii de iesire fata de frecventa de comutatie a fiecareicelule si

reducerea solicitarii in tensiune a dispozitivelor semiconductoare.

!n prezent, structurile multicelulare sunt utilizate in aplicatiile cu choppere de tensiunecontinua si invertoare. 'tudii recente au aratat ca principiul imbricarii celulelor de comutatie poatefi utilizat si in cadrul variatoarelor de tensiune alternativa comandate pe principiul P % -chopperealternative .

3.3.1. Choppere alternative di(erentiale multinivel

'tructura unui chopper alternativ diferential multinivel este obtinuta prin inlocuirea fiecareicelule de comutatie printr*un brat multicelular care contine p celule de comutatie imbricate.Condensatoarele intermediare asigura repartizarea egala a tensiunii pe fiecare celula in parte. !n cazulunei functionari echilibrate, tensiunea suportata de fiecare intreruptor este tensiunea totala divizata

prin p.

'e considera, ca e5emplu, structura prezentata in fig. .7, unde fiecare brat este compus din celule. Pentru o functionare echilibrata, tensiunea u c3 este egala cu 3u a si tensiunea u c1 este egala

cu u a . stfel, fiecare dispozitiv semiconductor suporta o tensiune egala cu u a .

(unctionarea chopperului alternativ multicelular se aseamana cu cea a unui chopper detensiune continua multinivel. Comanda depinde de polaritatea tensiunii de alimentare8

daca u aH0, celulele CC 1, CC si CC = sunt active si se comanda pe principiul modulariiimpulsurilor in durata -fig. . astfel incat, tensiunile la bornele condensatoarelor intermediareC1 si C 3 sa fie egale cu u a si 3ua . Celulele CC 3, CC : si CC @ sunt comandate sa conduca-on . Datorita acestui fapt, tensiunile la bornele condensatoarelor intermediare C si C : suntzero.

daca u aI0, comanda celulelor se inverseaza. Celulele CC 1, CC si CC = sunt pasive, iar CC 3,CC : si CC @ sunt active. $ensiunile la bornele condensatoarelor intermediare C si C : sunt egalecu u a si 3 ua , in timp ce tensiunile condensatoarelor C 1 si C 3 sunt egale cu zero.


17/30

Fig. 3.$. Chopper alternati/ di"erential cu 4 ni/eluri de tensiune si "iltru de echilibrare.

!n fig. . s*au reprezentat secventele de comanda pentru u aH0 la nivelul unei perioade decomutatie $ p pentru celulele active -CC 1, CC si CC = in functie de valoarea raportului de conductie .$ensiunea de referinta u ref este presupusa constanta pe o perioada de comutatie si reprezinta valoareaefectiva a tensiunii dorite la iesire. Comanda celulelor de comutatie se obtine prin compararea undeide referinta cu unde purtatoare de forma triunghiulara defazate cu $ p -u p1, u p3, u p .

Fig. 3.%. ec/enta de comanda in "unctie de raportul de conductie .

(unctiile de comutatie f 11, f 1 si f =1 definesc secventa de comada pentru tranzistoarele $ 11, $ 1 si$ =1 si se obtin in urma procesului de comparare8

daca u ref Hu p1, atunci f 11B16 daca u ref u p1, atunci f 11B06 daca u ref Hu p3, atunci f 1B16 daca u ref u p3, atunci f 1B06 daca u ref Hu p , atunci f =1B16

daca u ref u p , atunci f =1B0.


18/30

Pentru alternantele negative comanda se defineste asemanator. $ensiunile condensatoarelor seanuleaza in acelasi timp cu tensiunea de alimetare u a, ceea ce permite realizarea comenzii utilizand unsingur detector de semn al tensiunii u a.

4n brat multicelular compus din p celule permite obtinerea a p niveluri de tensiune. !ncazul studiat, pB 8 convertorul poate sa furnizeze : niveluri de tensiune la iesire. Pentru o functionareechilibrata si u aH0, cele : niveluri de tensiune sunt8 u a, 3u a , ua si zero. $ensiunea la bornele sarciniise poate defini in functie de secventa de comanda si tensiunile condensatoarelor intermediare8

- .@

Cele : niveluri de tensiune depind de valoarea raportului de conductie8

daca 0 I1 , atunci se obtin nivelurile 0 si u a 6 daca 1 I3 , atunci se obtin nivelurile u a si 3 ua 6 daca 3 I1, atunci se obtin nivelurile 3 u a si ua.

(recventa aparenta de comutatie se multiplica cu numarul celulelor de pe un brat. !n cazulstudiat pB 8 frecventa aparenta de comutatie s*a multiplicat cu -a se vedea comutatiile din fig. . lanivelul unei perioade $ p .

Comanda particulara descrisa conduce la echilibrarea naturala a tensiunilor la bornelecondensatoarelor intermediare in cazul alimentarii in continuu. Daca tensiunea continua prezintavariatii, reechilibrarea naturala nu se realizeaza imediat. Pentru a accelera acest proces se poate utilizaun filtru pasiv, denumit filtru de echilibra/, acordat pe frecventa de comutatie.

!n alternativ, echilibrarea tensiunilor necesita o dinamica mai mare pentru a urmari variatiiletensiunii de alimentare. Din acest motiv, echilibrarea naturala este in general prea lenta. (iltrul deechilibrare, R f ? f C f , reprezentat in fig. .7 are rolul de a accelera viteza de echilibrare, astfel incat sa seobtina la orice moment de timp o repartitie 2uasi*echilibrata a tensiunilor intermediare.Condensatoarele intermediare sunt dimensionate astfel incat sa limiteze ondulatiile tensiunii la bornelelor la frecventa de comutatie f p. cestea trebuie sa fie de capacitate suficient de mica ca sa nu creascasolicitarile in tensiune ale dispozitivelor semiconductoare.

'*a utilizat programul P'!% pentru simularea structurii din fig. .7. Parametrii schemei au fosturmatorii8

$ensiunea de alimentare8 4 aB1,= A 6

(iltru de intrare8 ? iB1mJ6 C iB30K(6

(recventa de comutatie8 10 Jz6

Condensatoare intermediare8 C 1BC3BC BC: B1=K(6

Condensatoare de decupla/8 C aBC bB1K(6

(iltru de echilibrare8 R f B16 ?f B1 :KJ6 C f B3K(6

'arcina8 R sB306 ?sB1mJ6

$imp mort8 1,=Ks


19/30

!n fig. .9 se observa echilibrarea tensiunilor la bornele condensatoarelor intermediare pentrudiverse rapoarte de conductie. !n fig. .10 si fig. .11 s*au reprezentat diferite forme de unda, cum ar fi8tensiunea la bornele sarcinii, tensiunile la bornele lui $ 11 si $ 31, curentul de sarcina, curentul absorbitde la sursa de alimenatre etc. nalizand evolutia curentului de intrare i i se observa unele oscilatii dupafiecare trecere prin zero a tensiunii de alimentare. cest fenomen este in principal datorat e5citariifiltrului de intrare prin variatii importante ale curentului care traverseaza condensatoareleintermediare. Chiar daca dinamica de echilibrare este buna, evolutia tensiunii la bornelecondensatoarelor intermediare are tendinta de a fi usor in intarziere fata de tensiunea de alimentare u a.

tunci cand u a se apropie de zero, variatia du a dt este mai importanta si tensiunile intermediare au ointarziere de echilibrare mai mare. Chiar dupa trecerea prin zero, ca urmare a modificarii comenzii, se

produc variatii brutale de panta ale tensiunilor condensatoarelor intermediare. stfel, rezulta variatii brutale ale curentului, care conduc la e5citarea filtrului de intrare.

a B0. b B0.@

Fig. 3.&. Tensiunile la bornele condensatoarelor intermediare.

a B0. b B0.@

Fig. 3.1'. Tensiunea la bornele sarcinii, la bornele lui T si T 2 .

'imularile efectuate au demonstrat eficacitatea filtrului de echilibrare8 tensiunilecondensatoarelor intermediare sunt repartizate corespunzator pe aproape intreaga perioada a retelei.$otusi, imediat dupa trecerea prin zero a tensiunii u a apare fenomenul de schimbarea a comenzii, iartensiunile condensatoarelor intermediare prezinta o usoara intarziere legata de dinamica filtrului.

ceste dezechilibre sunt temporare numai in imediata vecinatate de zero si sunt fara efect asuprasolicitarilor intreruptoarelor. $ensiunea ma5ima suportata de fiecare dispozitiv semiconductor estelimitata la o treime din tensiunea ma5ima de alimentare, adica la apro5imativ 700A pentru studiul

prezentat.

Curentul de echilibrare este relativ important. mplitudinea lui poate fi diminuata prinmodificarea factorului de calitate al filtrului, dar aceasta are ca efect reducerea dinamicii deechilibrare. Ca urmare, proiectantul trebuie sa faca un compromis.


20/30

a B0. b B0.@

Fig. 3.11. Curentul de sarcina, curentul prin condensatorul de decupla si alte "orme de unda.

3.3.2. Choppere alternative nedi(erentiale multinivel

'tructura unui chopper nediferential multicelular se obtine prin imbricarea mai multorstructuri directe si sau inverse elementare, intre care se conecteaza condensatoare intermediare.Convertoarele rezultate au proprietati asemanatoare cu structura diferentiala multinivel. Principiul decomanda a intreruptoarelor este identic, dar numarul condensatoarelor intermediare este redus la

/umatate.

!n fig. .13 s*a prezentat un chopper cu niveluri de tensiune care se obtine prin imbricarea adoua choppere elementare -cu 3 niveluri de tensiune in structura inversa. Condensatoarele C a si C b sunt condensatoare de decupla/ care asigura continuitatea curentului inductiv al sarcinii pe duratelecand toate tranzistoarele sunt blocate. Pe aceste durate - timpi morti curentul circula princondensatorul intermediar C 1 intr*un singur sens, in functie de sensul curentului inductiv de sarcina,atat pentru structura multinivel directa cat si pentru cea inversa. Pentru sarcini puternic inductive siintervale de garda - timpi morti mari acest fapt poate sa conduca la aparitia unor oscilatii ale tensiuniila bornele condensatorului flotant. Pentru evitarea acestui inconvenient, o alta structura poate fiutilizata < > astfel incat sa se imbrice alternativ o structura elementara directa si una inversa, sau invers-fig. .1 .

& alta posibilitate de conectare a celulelor de comutatie consta in separarea celulelor active si pasive printr*un singur condensator de decupla/ C a. -fig. .1: . !n acest caz, numarul condensatoarelorintermediare creste de 3 ori fata de structurile nediferentiale prezentate anterior.

Fig. 3.12. Chopper alternati/ nedi"erential cu 3 ni/eluri.


21/30

Fig. 3.13. 5lta /arianta de chopper alternati/ nedi"erential cu 3 ni/eluri.

Fig. 3.14. 5lta /arianta de chopper alternati/ nedi"erential cu 3 ni/eluri.

3.3.3. !odel e)perimental

!n fig. .1= s*a prezentat modelul e5perimental realizat pentru structura chopperuluialternativ diferential cu 3 niveluri de tensiune la o putere de 3 A . Comanda P % este realizata cuun microprocesor din familia %icrochip P!C1 (1 30, utilizandu*se cartela demonstrativa P!C D)%:P?4'. ceasta este programata sa furnizeze 3 semnale P % complementare -P % 1, P % 3 cu ofrecventa de 10 Jz. !ntervalul de garda t d este programabil si a fost fi5at la 1.= s.

Protectia in curent -fig. .1@ utilizeaza un traductor cu efect Jall de tipul ?)% ? 3= ;P.cesta furnizeaza la iesire un curent cu un raport fi5at, in functie de valoarea ma5ima a curentului

absorbit de convertor de la retea. Curentul furnizat la iesirea traductorului este transformat intr*otensiune prin intermediul unei rezistente. 'emnalul rezultat urmareste la o alta scara forma de unda acurentului i a si se aplica unui eta/ redresor bialternanta format dintr*un amplificator operational.

$ensiunea continua cu 3 pulsuri se aplica unui comparator -?% 9 care genereaza impulsuride scurta durata atunci cand curentul i a depaseste un anumit prag impus de utilizator. !esirea acestuimodul de protectie este conectata la interfata pentru comanda P % a tranzistoarelor !"#$ 'L%=0"# 101D -fig. .17 .

%odulul de surse - =A, 13A contine si un detector de polaritate a tensiunii alternative dealimentare. cest detector urmareste forma tensiunii de intrare in convertor obtinandu*se un semnaldigital cu o frecventa egala cu cea de la intrare - #6+ Pe alternantele pozitive semnalul #6+ este 0A,iar pe alternantele negative este =A -fig. .1 . Pentru asigurarea unei separari galvanice a fost utilizatun optocuplor JP3@01.


22/30

Fig. 3.1". odel experimental 7 chopper alternati/ di"erential cu 2 ni/eluri de tensiune.

'emnalele P % sunt prelucrate prin intermediul unei interfete in vederea separarii

comenzilor celulelor de comutatie in functie de polaritatea tensiunii de alimentare. #6+ si seaplica impreuna cu semnalele P % complementare unor porti ' 4 pentru a obtine comenzile celor 3celule de comutatie. !nterfata de comanda mai contine semnale de intrare 8 '$ R$ pentru validareacomenzilor P %, '$&P pentru inhibarea lor si semnalul ( 4?$ care provine de la protectia incurent. Comenzile '$ R$ '$&P utilizeaza un bistabil -4 de tipul 'et*Reset cu a/utorul caruia se

pot porni sau bloca impulsurile P %. Punerea in functiune a comenzilor se poate face atat automatdupa disparitia defectului cat si manual la interventia utilizatorului.

Fig. 3.1#. 0rotectie in curent.


23/30

Fig. 3.1$. #nter"ata pentru comanda 01 a tranzistoarelor #%8T.

nalizand functionarea convertorului se observa ca oricare ar fi secventa de comanda se evitaorice risc de aparitie a supratensiunilor de comutatie, asemanator cu chopperul unidirectional -variatorde tensiune continua comandat pe principiul P % sau cu invertorul de tensiune clasic. !n fig. .1 se

prezinta cateva rezultate e5perimentale pentru chopperul elementar diferentiar.


24/30

Fig. 3.1%. a 'emnale de comanda6 b tensiunea de alimentare si tensiunile pe condensatoarele dedecuplare6 c curentul absorbit inainte dupa filtru si tensiunea de iesire inainte dupa filtru6d detectarea trecerii tensiunii prin zero.

4. *oi structuri ro uste de choppere alternative multinivel

!n aceasta sectiune membrii echipei de cercetare dezvolta si prezinta o noua familie dechoppere de tensiune alternativa. &riginalitatea acesteia consta in cascadarea a 3 sau mai multechoppere alternative cu 3 sau mai multe niveluri de tensiune diferentiale, nediferentiale sau combinatede la surse de tensiune alternativa decuplate galvanic cu aceeasi faza sau cu faze difererite. & altafamilie de choppere alternative poate rezulta prin alimentarea a 3 sau mai multe choppere alternativecu 3 sau mai multe niveluri de tensiune diferentiale, nediferentiale sau combinate de la aceeasi sursaalternativa, iar separarea galvanica sa se faca pe partea de iesire.

Printre numeroasele avanta/e ale acestor structuri amintim8 cresterea frecventei aparente atensiunii de iesire fata de frecventa de comutatie a fiecarei celule si reducerea solicitarii in tensiune adispozitivelor semiconductoare fata de structurile clasice. (aptul ca se alimenteaza de la surse separategalvanic constituie un dezavanta/.

4.1. *oi choppere alternative cu 3 niveluri de tensiune

!n fig.:.1 se prezinta 3 din structurile propuse de choppere alternative cu niveluri detensiune. Pornind de la aceasta solutie se pot cascada p choppere. !n fig. :.1.a sursele de alimentareua1Bua3BuaB 00sin- t sunt separate galvanic, in timp ce in fig.:.1.b separarea galvanica se face pe

partea de iesire. Comanda lor se bazeaza pe principiul P % si consta in introducerea unui defaza/ de1 0 el. intre semnalele celor 3 structuri elementare. cest defaza/ se reduce pe masura ce crestenumarul structurilor cascadate. $ensiunea obtinuta la iesire poate sa ia valorile -0, u a atunci candraportul ciclic de conductie este cuprins intre 0 si E, sau -u a, 3u a atunci cand raportul ciclic estecuprins intre E si 1.

!n fig.:.3 s*au prezentat cateva rezultate ale simularilor structurii din fig.:.1.a utilizand programul P'!% si doua filtre ?C, unul la intrare si altul la iesirea convertorului. Raportul deconductie s*a considerat 0.:=.


25/30

Fig.4.1. tructuri propuse cu 3 ni/eluri de tensiune.

Fig.4.2. &ezultate ale simularilor utilizand programul 0 # .

4.2. *oi cicloconvertoare pe aza de choppere alternative

Prin termenul de cicloconvertor se intelege ansamblul de convertoare alternativ*alternativ faraeta/ intermediar continuu, permitand un schimb de energie intre surse polifazate, avand frecventediferite. ceste convertoare fac parte din familia convertoarelor alternativ*alternativ directe. Principalautilizare a lor este reglarea vitezei masinilor electrice de curent alternativ de mare putere -mai multi%A , cicloconvertoarele cu tiristoare fiind primele convertoare statice care au permis o modificaredirecta a frecventei.

Progresele realizate in conceperea si realizarea dispozitivelor semiconductoare comandate la blocare si la amorsare au permis dezvoltarea unor convertoare matriciale, fiind alcatuite dinintreruptoare cu : segmente. Pe plan teoretic au fost efectuate numeroase studii pentru controlulschimburilor de energie utilizand astfel de convertoare. Punerea lor in practica a fost mult timpintarziata datorita problemelor de comutatie a intreruptoarelor, pe de*o parte, iar pe de alta parte

concurenta cu solutiile robuste de tipul redresor G invertor. Prin asocierea chopperelor alternative cutransformatoare propunem, in cadrul lucrarii, noi solutii de cicloconvertoare.

Cicloconvertoarele e5istente in literatura de specialitate utilizeaza transformatoare cu prizemediane si dispozitive semiconductoare cu control de faza -de e5.8 tiristorul . ceste convertoare suntutilizate pentru controlul schimbului de energie in retele. 4tilizarea chopperelor alternative in acestdomeniu prezinta avanta/ul ca permit o reglare continua a fazei. 'tructurile prezentate in sectiunileanterioare pot fi utilizate ca stabilizatoare indirecte de tensiune, in/ectand tensiuni in faza sau inopozitie de faza cu tensiunile retelei. 4tilizand diferite cone5iuni se poate sa in/ectam tensiunidefazate. De e5emplu, in fig.:. .a propunem o structura noua de cicloconvertor care utilizeaza transformatoare monofazate cu raportul de transformare m si choppere alternative diferentiale

monofazate alimentate de la surse alternative -u 10B 4 asin- r t , u30 si u 0 defazate cu 3 si :comandate cu rapoartele ciclice 1, 3 si . !n fig.:. .b se prezinta un e5emplu de constructie a


26/30

fazorului tensiunii de iesire ca o combinatie a tensiunilor de iesire a celor choppere alternative

cascadate. Aaloarea ma5ima a modulului fazorului tensiunii de iesire este egala cu m 4 a 3. & altasolutie de cicloconvertor este posibila daca separarea galvanica se realizeaza pe partea de iesire-fig.:.: .

!n general, e5ista o multime de combinatii de rapoarte ciclice 1, 3 si care sa permitadefinirea fazorului tensiunii de iesire in regiunea definita in fig.:. .b. Pulsatia tensiunii la bornelesarcinii s se defineste astfel8

-:.1

Fig.4.3. tructura simpli"icata a ciclocon/ertorului propus si reprezentarea tensiunii u s in planul

complex.

unde r B 3f r este pulsatia retelei, iar i B 3f i este pulsatia rapoartelor ciclice de comanda.

'e definesc tensiunile de comanda u 1, u 3 si u -rel.:.3 pe baza carora se calculeaza rapoartelede conductie 1, 3 si pentru cele choppere alternative elementare. Prin rotatie la fiecare 130 el.cate un chopper este pus intr*o stare particulara de comutatie astfel incat tensiunea sa fie egala cu zero-fig.:.= . 'tructura propusa are in alcatuire 13 intreruptoare statice in segmente, dintre care doar comuta.

-:.3


27/30

Fig.4.4. Ciclocon/ertor propus cu separare gal/anica pe partea de iesire.

$ensiunile furnizate de cele choppere sunt notate cu u s1, u s3 si u s . tunci cand u 1 este mai negativadecat u 3 si u G se defineste sectorul 1, tensiunea furnizata de primul chopper u s1B0, iar tensiunea la bornele sarcinii este suma tensiunilor furnizate de celelalte 3 choppere u sBus3Mus . 'imilar se definestecomanda si pentru celelalte 3 sectoare.

-:.

unde m este raportul de transformare al transformatoarelor, iar este factorul de umplere -raport deconductie .

$ensiunea la bornele sarcinii se calculeaza astfel8

-:.:

'e propune urmatoarea comanda8 sectorul 1, u s1Iu s3 si u s1Iu s 8

-:.=

sectorul 3, u s3Iu s1 si u s3Iu s 8

-:.@

sectorul , u s Iu s3 si u s Iu s18


28/30

-:.7

!n reprezentarea tensiunii la bornele sarcinii din fig.:.= s*a tinut cont de schimbarea frecventeitensiunilor de comanda la 0,3s. Pe primul interval -0*0,3s s*a impus f iB:0Jz, rezultand f sB10Jz. Peal doilea interval -0,3*0,:s s*a impus f iB30Jz, rezultand f sB 0Jz. u fost reprezentate, de asemenea,

tensiunea la bornele sarcinii, sumele a 3 cate 3 tensiuni -u s3Mus , u s1Mus si u s1Mus3 in functie de tipulsectorului si rapoartele de conductie. Rezultatele obtinute valideaza structura convertorului propus.

". Concluzii

$ema propusa, de utilizare a celulelor de comutatie pentru 3 cadrane in dezvoltarea unorfamilii noi de convertoare, reprezinta un pas important spre dezvoltarea unor structuri de chopperealternative multinivel, robuste, diferite de cele de tip matricial. stazi, in domeniul conversieialternativ*alternativ directe se utilizeaza cu precadere convertoarele cu tiristoare care, desi aucapabilitate mare in tensiune, functioneaza la o frecventa mica de comutatie si absorb putere reactivade la reteaua alternativa de alimentare chiar pentru sarcini rezistive. $recerea la utilizareatranzistoarelor de putere in acest domeniu constituie o etapa importanta si necesara in sporirearentabilizarii sistemelor de conversie a energiei in cadrul economiei nationale si internationale.

!n cadrul proiectului au fost propuse 3 solutii noi de convertoare si s*a realizat e5perimentalchopperul alternativ diferential cu 3 niveluri de tensiune. Prima structura se obtine din cascadarea a 3sau mai multe choppere elementare alimentate de la surse alternative cu aceeasi faza separate galvanic.Comanda P % dezvoltata de membrii echipei se bazeaza pe decalarea undelor purtatoare -de formatriunghiulara pe orizontala. stfel, frecventa de comutatie pe partea de iesire este multiplicata cu

numarul convertoarelor cascadate si tensiunea comutata se reduce cu acelasi raport. doua solutieconsta in cascadarea a choppere alternative -elementare sau multinivel cu condensatoareintermediare alimentate de la surse alternative separate galvanic si defazate intre ele cu 3 si : .Cicloconvertorul astfel obtinut are la baza celule de comutatie standard si prezinta avanta/ul ca nuutilizeaza intreruptoare in : segmente cum este cazul convertoarelor matriciale, fiind din acest motivun convertor mai robust cu o comanda mai simpla. !ncercarile efectuate pe un model ideal -fara a luain calcul fenomenul de comutatie confirma previziunile teoretice8 legea de comanda propusa conducela obtinerea unei tensiuni sinusoidale de amplitudine si frecventa reglabile in limite largi. Comparandaceasta structura cu o conversie alternativ*alternativ de tip indirect -redresor P % G invertor P %se constata ca structura propusa are in alcatuire un numar mai mare de intreruptoare de putere.Convertorul P % alternativ*alternativ direct, realizat e5perimental, are un domeniu de aplicabilitatemare. cesta functioneaza la frecvente mari de comutatie, utilizeaza filtre pasive de talie redusa,

absoarbe de la retea un curent 2uasi*sinusoidal si furnizeaza sarcinii o tensiune 2uasi*sinusoidala.stfel de convertoare, cum sunt cele dezvoltate in cadrul proiectului, sunt robuste si in concordanta cu

normele C)%, un aspect important pentru echipamentele industriale.


29/30

Fig.4." &ezultate atlab- imulin* pentru ciclocon/ertorul propus.

#. +e(erinte


30/30

1. N.RodrO2uez, Nih*'heng ?ai, (ang heng Peng8 Q ultile/el #n/erters: 5 ur/e9 o" Topologies,Controls, and 5plications Q, !))) $ransactions on !ndustrial )lectronics, Aol.:9, pg.73:*7 ,

ugust 3003.3. D.(loricau8 Q $ariator de tensiune alternati/a multicelular Q, Cerere de brevet de inventie nr.

00 =1 37.0 .3001, &'!% #ucuresti, 3001.. D.(loricau, N.C.Japiot 8 6o/el Topologies o" 01 multi-cells 5C Choppers Q, 11th ;ational

Conference on )lectrical Drives, "alati, &ctombrie 3003, pg.7 *7 .:. D.(loricau, N.C.Japiot 8 ultile/el i""erential 01 5C Choppers "or +igh $oltage

5pplications Q, $)), #ucuresti, ;oiembrie 3003.=. ).?efeuvre, $. %eSnard, P.Aiarouge 8 &obust t;o-le/el and multile/el 01 5C Choppers Q,

)P) "raz, Proc.CD, 3001.@. ).?efeuvre8 Con/ertisseurs alternati"-alternati" directs < base de cellules de commutation

deux =uadrants Q, Doctorate thesis, );'))!J$ $oulouse, 3001.7. #.J.L+on, #.D.%in, N.J.Lim 8 6o/el commutation techni=ue o" 5C-5C con/erters Q, !))

Proc.*)lectr. Po+er ppl. Aol.1:=, ;o.:, NulS 199 .. #.D.%in, #.J.L+on 8 6o/el 01 line conditioner ;ith "ast output /oltage control Q, !))

Proc.*)lectr. Po+er ppl. Aol.1:=, ;o.3, %arch 199 .

9. #.J.L+on, #.D.%in, N.J.Lim 8 6o/el topologies o" 5C choppers Q, !)) Proc.*)lectr. Po+erppl. Aol.1: , ;o.:, NulS [email protected]. %.Aenturini, . lesina8 The generalized trans"ormer: a ne; bi-directional sinuso>dal

;a/e"orm "re=uenc9 con/erter ;ith continuousl9 ad ustable input po;er "actor Q, Proceedings!))) Po+er )lectronics 'pecialists Conference, 19 0, pg.3:3*3=3.

11. ;.#uranS8 a"e Control o" ?our-@uadrant ;itches Q, Conference Record !))) ! ' nnualmeeting, Aol.1, 19 9, pg.1190*119:.

13. ?. hang, C. atthanasarn, .'hepherd8 5nal9sis and comparison o" control techni=ues "or 5C-5C matrix con/erters Q, !)) Proc.*)lectr. Po+er ppl., Aol. 1:=, ;o.:, pg. =*91, NulS199 .

1 . N.*J.Toum, #.*J. L+on8 ;itching Techni=ue "or Current-Controlled 5C-to-5Ccon/erters Q, !))) $ransaction on !ndustrial )lectronics, Aol.:@, ;o.3, pg. 09* 17, pril

1999.1:. N. RodrO2uez, ?.%oUn, N.Pontt, N.?.JernUndez, ?.'ilva, P.?ezana8 +igh-$oltage ultile/el

Con/erter 1ith &egeneration Capabilit9 Q, !))) $ransactions on !ndustrial )lectronics,Aol.:9, pg. 9* :=, ugust 3003.

1=. #.P.%c"rath, D.".Jolmes8 ulticarrier 01 trategies "or ultile/el #n/erters Q, !)))$ransactions on !ndustrial )lectronics, Aol.:9, pg. = * @7, ugust 3003.

1@. "."ateau, $. . %eSnard, J.(och8 tac*ed ulticell Con/erter ' C): structure andcontrol Q, )P)V3001 "raz, Proc.CD, 3001.

17. L.*J.Chu, C.Polloc 8 01 -controlled series compensation ;ith lo; harmonic distortion Q,!)) Proc.*"ener. $ransm. Distrib., Aol.1::, ;o.@, ;ovember 1997.

1 . #.*D. %in, #.*J.L+on8 A6o/el 01 line conditioner ;ith "ast output /oltage control Q, !))Proc.*)lectr. Po+er ppl., Aol. 1:=, ;o.3, pg. =*91, %arch 199 .

19. D.(loricau, #.Dagues, %.(adel, tructuri &obuste de Con/ertoare 01 irecte 5lternati/- 5lternati/ , Conferinta !nternationala )nergie*%ediu * C!)%, #ucuresti, 300 .

30. D.(loricau, C.$oma, %.Dumitrescu, &obust 5C Choppers ;ith #%8T odules , $)) 300:,#ucuresti, 300:.

31. D.(loricau, #.Dagues, %.(adel, N.C.Japiot, %.Dumitrescu8 01 5C Choppers "or +igh$oltage 5pplications , 7 th !nternational Conference of pplied and $heoretical )lectricitS!C $) 300:, pg.300*300=.

Date post:	03-Jun-2018
Category:	Documents
Upload:	cristofer-cris
View:	282 times
Download:	1 times

Modulatia PWM

Documents