Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie			Grupa 2 Zespół: 6 Marcin Szybowski
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
Ćwiczenie: Nr 2	Temat: 3-fazowy tranzystorowy falownik napięcia z modulacją impulsową
Data wykonania: 14.11.2002			Data oddania: 5.12.2002	Ocena:

Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z 3-fazowym tranzystorowym falownikiem napięcia z modulacją impulsową, z jego budową, zasadą działania i metodami pracy.

Schemat blokowy dwustopniowego falownika

Rys.1. Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacją amplitudy

Trójfazowe falowniki napięcia

Trójfazowy falownik napięcia powstaje w wyniku równoległego przyłączenia do źródła na­pięcia stałego trzech półmostkowych falowników jednofazowych, sterowanych tak, by na ich wyjściach uzyskać trzy przesunięte o 1/3 okresu przebiegi okresowe napięcia lub prądu. Na rys. 2 pokazano taki falownik.

Rys. 2 Schemat trójfazowego mostkowego falownika napięcia.

Indukcyjności w fazach wyjściowych reprezentują prądowy charakter źródła trójfazowego.

Zadania stawiane falownikowi

• Zmiana częstotliwości napięcia wyjściowego z falownika.

• Regulacja(zmiana) 1 harmonicznej napięcia wyjściowego.

• Minimalizacja wyższych harmonicznych.

Falownik 1-fazowy

Rys.3 Schemat 1-fazowego mostkowego falownika napięcia oraz przebiegi napięcia i prądu wyjściowego dla obciążenia RL.

Po co są diody w schemacie?

Umożliwiają przepływ prądu kiedy wszystkie wyłączniki są wyłączone.

Co daje modulacja?

Jest to sposób na ograniczenie wyższych harmonicznych i regulacje napięcia wyjściowego falownika.

Wyznaczenie amplitudy 1 harmonicznej wyjściowego napięcia fazowego przy sterowaniu fala prostokątną.

Napięcie to można rozłożyć w szereg Fouriera(jako funkcję nieparzystą).

W napięciu wyjściowym występują harmoniczne nieparzyste rzędu

h = 1 + 2n dla n = 0;1;2;3;....

o wartości skutecznej

Podstawowa harmoniczna napięcia wyjściowego takiego falownika ma wartość

Falowniki napięcia z modulacją impulsową

Podobnie jak w falowniku jednofazowym, można zmieniać wartość podstawowej harmonicznej napięcia wyjściowego przez modulację szerokości ciągu impulsów o amplitudzie U_d i czę­stotliwości f_i >> f_s. Impulsy sterujące przełączaniem łączników w gałęziach falownika mogą być wytworzone przez porównanie (komparowanie) trzech przebiegów sinusoidalnych pro­porcjonalnych do zadanych przebiegów napięć fazowych na wyjściu falownika ze wspólnym, dla trzech faz, przebiegiem piłokształtnym.

Przebieg piłokształtny u_i powinien być zsynchronizowany z przebiegami sinusoidalnymi za­dającymi wyjściowe napięcia fazowe falownika. Współczynnik modulacji częstotliwości m_f powinien być liczbą całkowitą nieparzystą podzielną przez 3 (9; 15; 21; 27; ...). Zapewnia to symetrię nieparzystą [ f(-t) = -f(t) ] oraz symetrię półokresową [f(t) = -f(t + T)]. Podzielność współczynnika modulacji częstotliwości przez 3 i synchronizm przebiegów powo­duje, że falownik jest zawsze sterowany symetrycznie. W napięciach wyjściowych tak stero­wanego falownika występują tylko harmoniczne nieparzyste, pełna symetria sterowania we wszystkich fazach powoduje, że w napięciach wyjściowych nie występują subharmoniczne. Przy przejściu przebiegu napięcia zadającego napięcie fazowe przez zero nachylenie przebiegu piłoksztaltnego powinno mieć przeciwny znak niż nachylenie przebiegu zadającego napięcie.

Rys 4. ilustruje sposób wytwarzania ciągów impulsów sterujących łącznikami prze­kształtnika przez poziomowanie trzech przebiegów sinusoidalnych przebiegiem piłokształtnym (4.a), przebiegi napięć wyjściowych trzech faz, w stosunku do ujemnego bieguna źródła napięcia stałego (4.b), oraz przebieg jednego napięcia międzyfazowego(4.c).

Rys.4. Sposób wytwarzania impulsów sterujących łącznikami przekształtnika.

Skuteczna wartość podstawowej harmonicznej napięcia między fazowego na wyjściu falowni­ka jest równa

Z zależności powyższej wynika, że maksymalną wartością napięcia międzyfazowego możliwą do uzyskania z tego falownika jest (dla m_a = 1) U_pmax = 0,61U_d.

W napięciu wyjściowym falownika z synchroniczną modulacją szerokości impulsów napięcia wyjściowego występują nieparzyste harmoniczne. Harmoniczne te, dla 0 ≤ m_a ≤ 1, tworzą skupiska zgrupowane wokół kolejnych harmonicznych przebiegu piłokształtnego (m_f, 2 m_f ,

3 m_f ...) Występują nieparzyste harmoniczne rzędu h = nm_f ± k n = 0;1;2;3;....

Dla parzystych wartości n (m_f jest nieparzyste i podzielne przez 3 z założenia) występują harmoniczne dla nieparzystych wartości k, a dla nieparzystych wartości n występują harmo­niczne tylko dla parzystych wartości k. W tabelce przedstawiono relacje pomiędzy n i k.

Harmoniczne napięcia wyjściowego, których rząd podzielny jest przez 3, tworzą w falowniku trójfazowym układ symetryczny kolejności zerowej i mimo ich obecności w na­pięciach fazowych nie występują w napięciach międzyfazowych.

W przypadku przekształtników pracujących z dużą wartością współczynnika modulacji częstotliwości (m_f > 100) nie jest konieczna synchronizacja przebiegu piłokształtnego z sygna­łami zadającymi napięcia fazowe ani też współczynnik modulacji częstotliwości nie musi być liczbą całkowitą nieparzystą podzielną przez 3. Modulacja asynchroniczna dla m_f > 100 nie powoduje dodatkowego generowania harmonicznych lub subharmonicznych, gdyż niepowta­rzalność przebiegów w kolejnych okresach przebiegu podstawowej harmonicznej napięcia wyjściowego, spowodowana asynchronizmem sterowania, jest mniejsza od 1% okresu pod­stawowej harmonicznej napięcia wyjściowego przy jego maksymalnej częstotliwości,

Współczynnik modulacji amplitudy może mieć wartość większą od jedności. Oznacza to, że amplituda sygnału proporcjonalnego do napięcia referencyjnego jest większa od amplitudy przebiegu piło kształtnego. W tych odcinkach czasu, gdy bezwzględna wartość przebiegu refe­rencyjnego jest większa od amplitudy przebiegu piłokształtnego, impulsowanie łączników danej fazy z częstotliwością przebiegu piłokształtnego nie odbywa się (jeden z łączników po­zostaje zamknięty, a drugi otwarty).

Falowniki z eliminacją harmonicznych niskiego rzędu z napięć międzyfazowych

W napięciach między fazowych symetrycznie sterowanych falowników napięcia nie wystę­pują harmoniczne parzyste, ani harmoniczne będące wielokrotnością liczby 3 częstotliwości podstawowej harmonicznej napięcia wyjściowego. Rząd najniższej wyższej harmonicznej wynika z wartości współczynnika modulacji częstotliwości i w falownikach o wysokiej czę­stotliwości przełączania (m_f >100) harmoniczne te nie powodują odkształcania prądów obciążenia o charakterze RLE. Jeżeli musi być wybrana niska częstotliwość przełączania łączni­ków falownika (np. ze względu na możliwości łączeniowe elementów półprzewodnikowych) to można zastosować, podobnie jak dla falowników jednofazowych, modulację eliminującą z napięć wyjściowych pewne harmoniczne. Aby wyeliminować pewną ilość kolejnych har­monicznych niskiego rzędu, należy napięcie wyjściowe każdej fazy kształtować przez przełą­czenia, których liczba w czasie 1/4 okresu podstawowej harmonicznej jest równa liczbie eli­minowanych harmonicznych, a momenty przełączeń dobiera się tak, aby współczynniki sze­regu Fouriera dla tych harmonicznych miały wartość równą zero.

Rys.5. Przykładowy przebieg napięcia jednej z faz falownika umożliwiający eliminację trzech kolejnych wyższych harmonicznych napięcia.

Na rys.5 pokazano przykładowy przebieg napięcia jednej z faz falownika trójfazowego umożliwiający eliminację trzech kolejnych wyższych harmonicznych napięcia. Napięcie fazy A przedstawiono w odniesieniu do ujemnego (N) bieguna źródła napięcia stałego oraz linią przery­waną zaznaczono jego podstawową harmoniczną.

Po rozłożeniu przedstawionego na rys.2 przebiegu napięcia w odniesieniu do układu współ­rzędnych F zaznaczonego liniami przerywanymi otrzymuje się

W napięciach fazowych mogą wystąpić wszystkie harmoniczne nieparzyste h = 2n + 1. W napię­ciach międzyfazowych symetrycznych falowników bez przewodu zerowego nie mogą wystąpić harmoniczne będące wielokrotnością liczby 3, mimo ich obecności w napięciach fazowych, gdyż trzecia harmoniczna jest składową symetryczną kolejności zerowej. Dlatego przy wyborze mo­mentów przełączeń łączników falownika należy uwzględniać tylko harmoniczne nieparzyste nie będące wielokrotnością liczby 3 (harmoniczna 3 i jej wielokrotności w napięciach fazowych fa­lownika nie ma wpływu na kształt napięcia międzyfazowego).

Dla kolejnych harmonicznych napięć międzyfazowych można na podstawie powyższego wzoru utworzyć układ 3 równań

którego rozwiązaniem są, w każdym półokresie fali napięcia fazowego przedstawionego na rys. 3, wartości kątów opóźnienia przełączeń łączników każdej fazy, w wyniku których napięcia międzyfazowe o zadanej wartości harmonicznej podstawowej nie będą zawierać 5. i 7. harmonicz­nych. Dla eliminacji większej liczby harmonicznych należy zwiększyć ilość przełączeń w trakcie 1/4 okresu harmonicznej podstawowej. Rozwiązanie układu równań metodami analitycznymi jest niemożliwe i dlatego sterowanie takie może być realizowane jedynie z zastosowaniem technik mi­krokomputerowych.

Falowniki napięcia ze śledzeniem zadanych przebiegów prądów obciążenia

Kształtowanie przebiegu prądu każdej fazy ma szczególne znaczenie w trójfazowych falow­nikach napięcia stosowanych jako poprzeczne filtry aktywne lub prostowniki z prawie sinu­soidalnymi prądami źródła. Falowniki stosowane w technice napędowej również mogą być sterowane tak. aby kształtować odpowiednie przebiegi prądów faz silnika (sterowanie we współrzędnych prostokątnych - oddzielnie składowa odpowiedzialna za moment napędowy i oddzielnie składowa odpowiedzialna za strumień magnetyczny).

Prąd faz można kształtować niezależnie z zachowaniom zależności i_A + i_B + i_C = 0. Śledze­nie prądów faz za ich przebiegami zadającymi (wzorcowymi) można realizować za pomocą regulatorów histerezowych.

Na rys.6 pokazano łączniki i histerezowy regulator prądu jednej fazy oraz przebiegi sy­gnału zadającego i przebieg prądu fazy.

W układzie trójfazowym schemat ten jest powtórzony dla każdej fazy. Sygnał wyjściowy histerezowego regulatora prądu danej fazy powoduje przełączanie łączników tej fazy. Układ trójfazowy jest sumą trzech układów jednofazowych, których suma chwilowych wartości prą­dów jest równa zero. Bezpośrednie zastosowanie trzech histerezowych regulatorów prądu może prowadzić do tego, ze błąd realizacji zadanej krzywej prądu zamiast uwierać się w przedziale ± ΔI może zawierać się w przedziale ± 2ΔI. Aby zapobiec takiemu wzrostowi błędu śledzenia prądu, należy wzajemnie uzależnić stan łączników, pomiędzy fazami.

Rys 6 Łączniki półprzewodnikowe i histerezowy regulator prądu jednej fazy 3-fazowego napięcia oraz przebiegi sygnału zadającego i przebieg prądu fazy.

Schemat układu pomiarowego

Opis przebiegów przedstawionych na kartkach.

Dotyczy zarówno przebiegów ze sterowaniem square wave jak i z modulacją .

a) przebieg diagramu fazy na łączniku A.

b) sztuczny punkt zerowy.

c) napięcie międzyprzewodowe.

d) napięcie na fazie odbiornika połączonego w gwiazdę.

e) napięcie na fazie odbiornika przy filtrowaniu C = 1nF

f) napięcie na fazie odbiornika przy filtrowaniu C = 4,4nF

Trzecia kartka to przebiegi uzyskane z przetwornicy częstotliwości typu Danfoss VLT 5011

---