AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA			Imię i Nazwisko: Piotr Bielaska
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
Rok akademicki: 2002/2003		Rok studiów: III			Moduł: A
Kierunek: ELEKTROTECHNIKA					Grupa: 2 Laboratoryjna: 8
Temat: Tranzystorowy 3-fazowy falownik napięcia z modulacja impulsową					Nr ćwiczenia: C3
Data wykonania: 7.11.2002			Ocena:

1. Wstęp

Falownik napięcia są urządzeniami do zmiany napięcia stałego na przemienne. Częstotliwość zmienionego napięcia jest dostosowana do odbiornika energii.

Zasada działania falowników opiera się na okresowym dołączaniu i odłączaniu obciążenia do źródła napięcia stałego. Za przełączenie są odpowiedzialne tranzystory (IGBT, BIT, MOSFET) lub tyrystory (tyrystor wyłączany prądem bramki, nie stosuje się tyrystorów SCR).

Napięcie ze źródła napięcia stałego przez układ pośredniczący jest podawane na falownik. Źródłem mogą być diody prostownikowe lub tyrystorowe, prądnice prądu stałego, baterie akumulatorów, ogniwa paliwowe i fotoelektryczne lub generatory hydrodynamiczne MHD.

Jedno z zadań falowników to zmiana częstotliwości generowanego napięcia przemiennego. Realizuje się to przez zmianę częstotliwości przełączania łączników. Na wyjściu powstaje fala prostokątna o dużej zwartości wyższych harmonicznych. Jest to największa wada omawianych urządzeń, dlatego stosuje się sposoby eliminacji tego niepożądanego efektu. Należy do nich modulacja impulsowa.

2. Zasada działania falownika

Jak wynika ze schematu każdy wyłącznik jest zmostkowany diodą w układzie odwrotnie równoległym. Cykliczne przełączanie par łączników S₁-S₄ i S₂-S₃, Pozwala na osiągnięcie przebiegów napięcia i prądu widocznych na przebiegach:

Łączniki przewodzą prąd przez połowę okresu. W pozostałej części prąd płynie przez diody zwrotne.

W falowniku 3-fazowym przebiegi napięcia dla każdej fazy są przesunięte o ¹/₃ okresu. Widać to na przebiegach napięć U_AN U_BN i U_CN:

Napięcie U_AB = U_AN-U_BN.

3. Modulacja szerokości impulsów jako sposób na poprawę kształtu napięcia

W celu maksymalnego obniżenia zawartości wyższych harmonicznych w napięciu wyjściowym z falownika stosuje się modulację szerokości impulsów. Polega ona na wielokrotnym przełączania amplitudy napięcia wyjściowego w każdym półokresie. Sposoby modulacji możemy podzielić ze względu na sposób sterowania falownika:

- metoda sinusoidalnej modulacji szerokości impulsów

- metoda bezpośredniego kształtowania prądu w układach nadążnych

- metoda eliminacji harmonicznych

1. metoda sinusoidalnej modulacji szerokości impulsów

Przebieg piłokształtny w układzie sterującym falownika porównywany jest z przebiegiem sinusoidalnym o częstotliwością napięcia wyjściowego odbiornika. W chwili zrównania obydwu przebiegów sterujących następuje przełączanie napięcia wyjściowego.

Do parametrów określających tą metodę zaliczamy:

- względną amplitudę przebiegu modulującego (głębokość modulacji):

,

U_M - amplituda przebiegu modulującego

U_N - amplituda przebiegu modulowanego

- względną pulsacje przebiegu modulowanego:

ω - pulsacja przebiegu modulowanego

Ω - pulsacja przebiegu modulującego

2. metoda bezpośredniego kształtowania prądu w układach nadążnych

Prąd obciążenia porównywany jest z sinusoidalnym przebiegiem sterującym. W chwili, gdy uchyb prądu przekroczy zadaną wartość następuje przełączenie napięcia. Prąd wyjściowy i(t) oscyluje wokół prądu zadanego i_z(t) w granicach określonych histerezą komparatora (+H,-H), przy czym okres T jest sumą czasu narastania t₁ i czasu opadania. Przedstawia to rysunek:

3. metoda eliminacji harmonicznych

Zaletą tej metody jest to, że kąty fazowe, przy których następują przełączenia są ściśle określone i nie ulegają zmianom. Przebieg napięcia wyjściowego spełnia warunki symetrii drugiego i trzeciego rodzaju:

Wada tej metody to brak regulacji amplitudy pierwszej harmonicznej.

4. Rozwinięcie przebiegu „square wave” w szereg Fouriera i obliczenie pierwszej harmonicznej

Ponieważ funkcja jest nieparzysta współczynnik a_n = 0

Pierwsza harmoniczna

5. Badanie zachowania silnika indukcyjnego połączonego z przetwornicą częstotliwości Danfoss VLT 5011

Przetwornica Danfoss VLT 5011 zasila silnik asynchroniczny o mocy 5kW. Do pierwszej fazy podłączono urządzenie do pomiaru prądu LEM LA 25NP. Między pierwszą a drugą fazę podłączono oscyloskop poprzez separator dzielący napięcie w stosunku 1:100. Zaobserwowane przebiegi wraz z opisami dołączone są do sprawozdania.

Laboratorium Energoelektroniki

Strona 7

U_d

-U_d

π 2π

U

ωt

U_AN

U_A0

U_BN

U_CN

U_AS

U_AB

τ₁

τ₂

τ₄

τ₃

τ₅

τ₅

τ₆

U_d

U_d/2

-U_d/2

t

t

t

t

t

t

U_d

2U_d/3

U_d/3

_T/2

T

L₁

L₂

L₃

C

prostownik

pojemny kondensator

f i U regulowane

silnik klatkowy

(regulacja prędkości)

Odbiornik 3-fazowy

U_d

τ₁

τ₃

τ₅

τ₂

τ₄

τ₆

---