Upload
truongngoc
View
251
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
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
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