07 Primena strujnih pretvaraca.pdf

ETF, 08.11.2011. 1

Primena strujnih pretvarača učestanosti u elektromotornim

pogonima sa asinhronim motorom

Dr Aleksandar Nikolić, dipl.ing., naučni saradnikElektrotehnički Institut “Nikola Tesla”, Beograd

anikolic@ieent.org, nba@ieee.org

ETF, 08.11.2011. 2

Sadržaj

� Uvod

� Osnovne karakteristike strujnog pretvarača učestanosti

� Regenerativno kočenje

� Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača

� Analiza komutacionog kola kod strujnog invertora

� Talasni oblici struja i napona

� Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

� Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Zaključak

� Literatura

ETF, 08.11.2011. 3

Uvod

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T1'

T2'

T3'

T4'

T5'

T6'

D1

D2

D3

D4

D5

D6

C1 C3

C5

C4

C2

C6

L1

L2

L3

380V, 50Hz

Ld

U WV

M3 ~

AC MOTOR

ETF, 08.11.2011. 4

Osnovne karakteristike strujnog pretvarača učestanosti

� Punoupravljivi ispravljač na ulazu

� Jednosmerno međukolo sa prigušnicom

� Invertor sa forsiranom komutacijom

� Niska izlazna učestanost invertora

� Mogućnost rekuperacije energije u napojnu mrežu pri kočenju

ETF, 08.11.2011. 5

Regenerativno kočenje

� Princip vraćanja energije u mrežu kod strujnog invertora

ETF, 08.11.2011. 6

Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača

ETF, 08.11.2011. 7

Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača

� Diode

ETF, 08.11.2011. 8

Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača

� Tiristori (SCR)

ETF, 08.11.2011. 9

Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača

� Tiristori sa kolom za gašenje (GTO)

ETF, 08.11.2011. 10

Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača

� Tiristori sa komutovanim gejtom (GCT, IGCT, SGCT)

ETF, 08.11.2011. 11

Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača

� IGBT tranzistori

ETF, 08.11.2011. 12

Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača

� Ostale komponente� MOSFET,

� ETO (emitter turn-off thyristor),

� MCT (MOS-controlled thyristor),

� SIT (static induction thyristor),

� IEGT (injection enhanced gate transistor).

ETF, 08.11.2011. 13

Analiza komutacionog kola

ETF, 08.11.2011. 14

Analiza komutacionog kola

� Interval A � Interval B

ETF, 08.11.2011. 15

Analiza komutacionog kola

� Interval C � Interval D

ETF, 08.11.2011. 16

Talasni oblici struja i napona

ETF, 08.11.2011. 17

Talasni oblici struja i napona

� Analiza talasnog oblika struje na izlazu invertora

∑∞

=

ω⋅δ⋅⋅π⋅

⋅=

,...5,3,1

)sin()2

sin(4

k

DCa tk

k

k

Ii

+ω−ω+ω−ω⋅π

= ...)11sin(11

1)7sin(

7

1)5sin(

5

1)sin(

32ttttIi DCa

DCDC III ⋅≈= 1,132

1 π

DCDCRMS III ⋅≈= 78,06

π

ETF, 08.11.2011. 18

Talasni oblici struja i napona

� Uticaj sprege motora

+⋅−⋅+⋅−⋅⋅= K)11sin(

11

1)7sin(

7

1)5sin(

5

1)sin(

2ttttIi DCR ωωωω

π

ETF, 08.11.2011. 19

Talasni oblici struja i napona

� Način smanjenja sadržaja viših harmonika u talasnom obliku struje� modulacija jednosmerne struje tako da prati inverzni profil

momenta

� PWM, SHE

0 60 120

180 240 300 360

ωt [°]

ia

IDC

-IDC

α1α2

α3

α5

α4

90

∑∞

=

ω⋅=,...5,3,1

)sin(k

ka tkAi

)()sin()(4

0

tdtktiI

A aDC

k ωω⋅π

⋅= ∫

π

[ ])cos()cos()cos()cos()cos(4

54321 α+α−α+α−απ⋅

⋅= kkkkk

k

IA DC

k

ETF, 08.11.2011. 20

Talasni oblici struja i napona

� Uticaj rada prekidača na talasni oblik napona

time [s]

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Vol

tag

e, U

a [V

]

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Cur

rent

, i a

[A]

-6

-4

-2

0

2

4

6

VoltageCurrent

time [s]

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Vol

tage

, U a

[V]

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Cur

rent

, i a [A

]

-6

-4

-2

0

2

4

6

VoltageCurrent

ETF, 08.11.2011. 21

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

ETF, 08.11.2011. 22

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Strujni invertor sa autosekvencijalnom komutacijom (ASCI, LCI)

ETF, 08.11.2011. 23

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Strujni pretvarači sa višeimpulsnim tiristorskim ispravljačem

ETF, 08.11.2011. 24

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Strujni PWM invertor sa IGBT tranzistorima

Napajanje Ulazni filtar Izlazni filtar Motor

Invertor Ispravljač

ETF, 08.11.2011. 25

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Strujni PWM invertor sa GTO tiristorima

ETF, 08.11.2011. 26

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Strujni PWM invertor sa SGCT tiristorima

Ispravljač Prigušnica Invertor

ETF, 08.11.2011. 27

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Strujni pretvarači sa PWM ispravljačem

ETF, 08.11.2011. 28

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Strujni pretvarači sa dvostrukim PWM ispravljačem

ETF, 08.11.2011. 29

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Strujni pretvarači za posebno konstruisan motor

ETF, 08.11.2011. 30

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Strujni pretvarači bez transformatora na ulazu

ETF, 08.11.2011. 31

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Primena integrisane prigušnice u jednosmernom međukolu

ETF, 08.11.2011. 32

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Primena integrisane prigušnice u jednosmernom međukolu

ETF, 08.11.2011. 33

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Hibridni strujno-naponski invertor

Ispravljač Prigušnica Strujni invertor

Naponski invertor

ETF, 08.11.2011. 34

Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

ETF, 08.11.2011. 35

Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

� Nezavisna regulacija struje i učestanosti

Strujni invertor

M 3 ~

ω r

i -

+ ω e

ω s *

i * dc

dc α

napajanje

+ +

PI regulator

ETF, 08.11.2011. 36

Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

� Skalarno upravljanje sa konstantnim fluksom

Strujni invertor

M 3 ~

generator funkcije

ω r

i -

+ ω e

ω s *

i * dc

dc α

napajanje

+ +

PI regulator

ω r *

- +

ETF, 08.11.2011. 37

Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

� Skalarno upravljanje u otvorenoj sprezi (Sever Microvert)

Strujni invertor

M 3 ~

i -

+

ω e

i *

α

napajanje

ω r *

= ~

U *

= ~

f U

U -

+

ETF, 08.11.2011. 38

Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

� Indirektno vektorsko upravljanje

Strujni invertor

M 3 ~

kalkulator klizanja

resolver diferencijator sq i *

i sd *

ω r

θ rf Φ

∆ Φ

i -

+

ω e

+

ω s *

i * s

dc α

1/s

napajanje

+ +

θ e

kružni brojač

+

PI regulator

ETF, 08.11.2011. 39

Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

� Indirektno vektorsko upravljanje (unapređenje osnovne šeme)

M 3~

E

Ispravljač Strujni invertor L DC

Kolo za paljenje

tiristora bez fazne greške

α I d 6 ω r

3~ 2= 1/s

U c

Kalkulator klizanja

ω r

ω s *

θ e

ω e I d

i s *

i ref

ω ref

ω r

+ _

+

_

+

+

Regulator brzine

arccos

Resolver

Mikrokontroler

i sd * i sq

*

i sd * i sq

*

i a,b,c * 3

i s * Regulator

struje

ETF, 08.11.2011. 40

Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

� Direktno vektorsko upravljanje(Rockwell PowerFlex 7000 Direct-to-Drive)

ETF, 08.11.2011. 41

Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

� Direktna kontrola momenta (osnovna šema iz literature)

Strujni invertor

M 3 ~

-

+

|Ψrref|

napajanje

PI regulator fluksa

Optimalna tablica aktiviranja prekidača

Estimator fluksa i

momenta

-

+

Te*

ΨrR

Te

Histerezisni komparator

Pozicija rotorskog

fluksa

sD

sQ

i2 (Te ↑)

i6 (Te ↓) Ψr’

sD

sQ

i3 (Te ↑) i1 (Te ↓)

Ψr’

a

i 1

i 2

i 3

i 4

i 5

i 6

b

c

π/6

π/2 5π/6

-π/6

-π/2

-5π/6

ETF, 08.11.2011. 42

Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

� Direktna kontrola momenta (predloženo rešenje)

M 3 ~

-

+

Ψr*

380V, 50Hz

Strujni invertor

PI regulator fluksa rotora

Modifikovana optimalna tablica izbora prekidača

Estimator fluksa i

momenta

-

+

Te_ref

Ψr

Te

Pozicija fluksa rotora

PI regulator momenta

Resolver

+ +

-

+

PI regulator struje

Φs θe

Te*

računanje isq*

Ψr*

isd*

isq*

is_ref

IDC

α

αs

LDC

UDC IDC

αs

IDC

S1…6

αs2

i2 (αs1)

i1 (αs)

Ψr

αs1

is_ref1

is_ref2

2

1

5

4

3

6

α

β

ETF, 08.11.2011. 43

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

ETF, 08.11.2011. 44

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Strujni pretvarači kao napajanje asinhronih motora

Sever Microvert

ETF, 08.11.2011. 45

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Strujni pretvarači kao napajanje asinhronih motora

Laboratorijski prototip,ETF Laboratorija

za elektromotorne pogone

ETF, 08.11.2011. 46

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Primena strujnih pretvarača u pogonima velikih snaga (1MW i više – Rockwell PowerFlex 7000, AlstomCDL8000)

PowerFlex 7000 B i C (dole)

ETF, 08.11.2011. 47

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Primena strujnih pretvarača za pogone na srednjem naponu (3,3kV do 13,8kV) - Alstom

ETF, 08.11.2011. 48

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Savremena industrijska rešenja

ETF, 08.11.2011. 49

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Savremena industrijska rešenja (višemotorni pogon trakastogtransportera sa frekventnim regulatorom PowerFlex 7000A)

PLC – Upravljačka logika

FR M

PLC – U/I PB

R

R

TG

Referentna brzina trake

nzad nref Tref

Tref 1

Tref 2

FR M

PLC – U/I

nref Tref

Tref 1

Tref 2 TG

nzad

LIM REG GRB

LIM REG GRB

nmer

nmer

S

T

S

T

ETF, 08.11.2011. 50

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Savremena industrijska rešenja (višemotorni pogon pumpi –primena sinhronog transfera)

ETF, 08.11.2011. 51

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Savremena industrijska rešenja (primena kod vetrogeneratora)

Active Three-phase

rectifier

PMSG

LDC

Three-phase inverter

Power grid

DC link inductor

CR

CO

Active harmonic

compensator

Variable-pitch Propeller

Gearless three-phase

axial flux PM Generator

A

C B

LDC

Three-phase Diode rectifier

DC link inductor

Current sourced three-phase

inverter bridges

Thyristors Fully controllable

switches

Y-Y-Delta interconnection

transformer

Mains (power grid)

va vb vc

Modules located in the nacelle

Modules located at the tower base

ib ic ia

ETF, 08.11.2011. 52

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Savremena industrijska rešenja(primena kod vetrogeneratora, upravljanje PWM CSI pretvaračem)

ETF, 08.11.2011. 53

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Savremena industrijska rešenja(primena kod vetrogeneratora, kombinovano DTC i VF-DPC upravljanje)

Active Three-phase

rectifier

DC link inductor

PMSG

Modified optimal switching table

γs

-

+

ΨPM*

PI rotor flux controller

- +

Te_ref

PI torque controller

Resolver

+ + δ

γm

Te*

isq* calculator

ΨPM* isd

*

isq*

LDC

PI speed controller

γm

- + ωg

*

ωg

ΨPM ∧

Te ∧

Three-phase inverter

Power grid

PI current controller

Flux and torque estimator

UDC IDC

Machine voltages and currents reconstruction

iα,β uα,β

Switching table

Grid side voltages and currents reconstruction

Virtual Flux estimator

iLα,β ΨLα,β

UDC

X Te ∧

ωg

Pg DC current calculation

- +

IDC IDC

*

- +

Pg

Power estimator

+

+ -

-

PO*

QO*

P ∧

Q ∧

~ ~ ~ Virtual AC Motor

RO LO

γ

∆q ∆p sector

selection

Turbine model

vwind

Wind turbine

IDC SR 1…6 SI 1…6

CR CO

ETF, 08.11.2011. 54

Zaključak

� Karakteristike strujnih pretvarača

� Mogućnosti unapređenja postojećih pretvarača prelaskom na digitalno upravljanje

� Poboljšanje performansi pogona unapređenjima upravljačkih algoritama

� Prednosti i mane strujnih pretvarača

� Dalji pravci razvoja i industrijske primene

ETF, 08.11.2011. 55

Literatura

� J.M.D.Murphy, F.G.Turnbull, Power Electronic Control of AC Motors, Pergamon Press, Oxford, 1988

� W.Leonhard, Control of Electrical Drives, Springer-Verlag Berlin, Heildeberg, 1996 (Second Edition)

� B.K.Bose, Power Electronics and AC Drives, Prentice-Hall, New Jersey, 1986

� D.W.Novotny, R.D. Lorenz, “Introduction to Field Orientation and High Performance AC Drives”, Presented at IEEE Industry Applications Society Annual Meeting in Toronto, Canada, 1985

� P.Vas, Vector Control of AC Machines, Clarendon Press Oxford, New York, 1990

� P.Vas, Sensorless Vector and Direct Torque Control, Oxford, U.K., Oxford University Press, 1998

ETF, 08.11.2011. 56

Literatura

� I.Boldea, S.A.Nasar, Electric Drives, CRC Press, 1998

� B.Wu, High-power Converters and AC Drives, IEEE Press, 2006

� Sever, “Monoverter – Tehnički Opis sa Principom Regulacije”, Subotica, 1986

� Rockwell Automation, PowerFlex 7000 Medium Voltage AC Drive –Technical Guide for Frame A, Publication No. 7000A-TD200B-EN-P, Canada, November 2004

� Alstom, ALSPA Drive Range, Publication N°POWC/BPROB/ALSPA/uke/GDB/03.01/FR/1780, France, 2001

� A.Nikolic, B.Jeftenic, “Precise Vector Control of CSI Fed Induction Motor Drive”, European Transactions on Electrical Power (ETEP), John Wiley & Sons USA, ISSN 1430-144X, Issue 2, Volume 16, pp. 175-188, March 2006

ETF, 08.11.2011. 57

Literatura

� A.Nikolic, B.Jeftenic, “Different Methods for Direct Torque Control of Induction Motor Fed From Current Source Inverter”, WSEAS Transactions on Circuits and Systems, ISSN 1109-2734, Issue 7, Volume 7, pp. 738-748, July 2008

� A.Nikolic, B.Jeftenic (invited paper), “Current Source Converter Topologies for PMSG Wind Turbine Applications”, in Proceedings of International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2010, Special session on wind energy conversion systems, Ohrid, FYRM, September 2010.

� A.Nikolic, B.Jeftenic, “Direct Torque Control and Virtual-Flux Based Direct Power Control of Current Source Converter in Wind TurbineApplication”, in Proceedings of 14th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2011), Birmingham, UK, September 2011.

ETF, 08.11.2011. 58

Literatura

� A.Nikolić, “Vektorsko upravljanje asinhronim pogonom sa strujnimpretvaračem učestanosti”, Magistarska teza, Elektrotehnički fakultet u Beogradu, Beograd, Maj 1999

� A.Nikolić, “Direktna kontrola momenta asinhronog motora napajanog izstrujnog pretvarača učestanosti”, Doktorska disertacija, Elektrotehničkifakultet u Beogradu, Beograd, April 2009