Zbigniew Fedyczak, Ryszard Strzelecki
ENERGOELEKTRONICZNE UKAADY
STEROWANIA MOC PRDU
PRZEMIENNEGO
Zbigniew Fedyczak, Ryszard Strzelecki
ENERGOELEKTRONICZNE UKAADY STEROWANIA
MOC PRDU PRZEMIENNEGO
Recenzenci
prof dr hab. inż. Henryk Tunia
prof dr hab. inż. Leszek Frąckowiak
Redaktor
Projekt okładki
W monografii przedstawiono energoelektroniczne układy sterowania mocą prądu przemiennego, w
których sterowanie mocą dostarczaną ze zródła do odbiornika energii elektrycznej, odbywa się za pomocą
tzw. sterowników mocy prądu przemiennego. Sterowanie to jest realizowane bez zmiany częstotliwości
harmonicznej podstawowej napięcia odbiornika. Główna część pracy dotyczy układów z impulsowymi
sterownikami mocy prądu przemiennego. Tyrystorowe sterowniki mocy prądu przemiennego, stosowane
w praktyce przemysłowej, przedstawiono w zakresie ich niekorzystnego oddziaływania na zródło
zasilania (przemysłową sieć zasilającą). Szczegółowo opisano właściwości modeli idealnych oraz modeli
fizycznych impulsowych jednobiegunowych sterowników mocy prądu przemiennego z algorytmem
sterowania typu PWM z czasem martwym . Przedstawiono rownież wybrane układy z impulsowymi
dwubiegunowymi sterownikami mocy prądu przemiennego. Opisano przykłady zastosowań układów
sterowania mocą prądu przemiennego ze sterownikami tyrystorowymi i impulsowymi.
Praca jest przeznaczona dla kręgu czytelników interesujących się elektrotechniką w tym głównie dla
projektantów energoelektronicznych układów sterowania mocą prądu przemiennego stosowanych w
prostych urządzeniach napędowo-rozruchowych z silnikami indukcyjnymi klatkowymi, urządzeniach
elektrotermicznych, urządzeniach techniki świetlnej, regulatorach (stabilizatorach) napięcia przemiennego
oraz kompensatorach mocy przesunięcia. Może być także pomocna dla słuchaczy wyższych i średnich
szkół technicznych o kierunku elektrotechnika, szczególnie w specjalności energoelektronika.
Wydanie publikacji dofinansowane
przez Ministerstwo Edukacji Narodowej
� Copyright by
-3-
SPIS TREŚCI
WYKAZ OZNACZEC .................................................................................. 5
WSTP ........................................................................................................... 9
1. IMPULSOWO-MODULACYJNE STEROWANIE MOC PRDU
PRZEMIENNEGO ........................................................................................ 12
1.1 Charakterystyka ogólna ............................................................................. 12
1.2. Właściwości układu wzorcowego ............................................................. 15
1.3. Parametry i kryteria oceny jakości sterowania ......................................... 18
2. UKAADY Z TYRYSTOROWYMI STEROWNIKAMI MOCY
PRDU PRZEMIENNEGO ......................................................................... 22
2.1. Charakterystyka ogólna ............................................................................ 22
2.2. Oddziaływanie SMPP na zródło zasilania w układzie
czteroprzewodowym ................................................................................ 26
2.2.1. Wprowadzenie ...................................................................................... 26
2.2.2. Sterowanie fazowe ................................................................................ 26
2.2.3. Sterowanie integracyjne ........................................................................ 27
2.3. Oddziaływanie SMPP na zródło zasilania w układzie
trójprzewodowym ..................................................................................... 31
2.3.1. Wprowadzenie ....................................................................................... 31
2.3.2. Sterowanie fazowe ................................................................................. 32
2.3.3. Sterowanie integracyjne ......................................................................... 41
2.4. Filtracja (kompensacja) wyższych harmonicznych prądu zródła .............. 49
2.4.1. Filtracja za pomocą rezonansowego filtru pasywnego LC ..................... 49
2.4.2. Kompensacja harmonicznych za pomocą filtru aktywnego ................... 52
2.5. Jakość sterowania mocą prądu przemiennego ........................................... 55
3. UKAADY Z IMPULSOWYMI JEDNOBIEGUNOWYMI
STEROWNIKAMI MOCY PRDU PRZEMIENNEGO ......................... 58
3.1. Wprowadzenie .......................................................................................... 58
3.2. Właściwości modeli idealnych ................................................................. 60
3.2.1. Napięcia odbiornika ............................................................................... 60
3.2.2. Prądy odbiornika .................................................................................... 65
3.2.3. Prądy zródła ............................................................................................ 69
3.2.4. Moc czynna w stanie ustalonym ............................................................ 73
3.2.5. Zestawienia podstawowych właściwości energetycznych ..................... 77
3.3. Jakość sterowania mocą prądu przemiennego ........................................... 81
4. ROZWIZANIA UKAADÓW Z IMPULSOWYMI
-4-
JEDNOBIEGUNOWYMI STEROWNIKAMI MOCY
PRDU PRZEMIENNEGO ......................................................................... 84
4.1. Wprowadzenie .......................................................................................... 84
4.2. Układy trójfazowe ze sterowaniem typu PWM
z czasem martwym ............................................................................... 85
4.2.1. Porównanie topologii ............................................................................ 85
4.2.2. Analiza działania wybranych układów ................................................. 90
4.2.3. Układy obciążenia aktywnego ............................................................... 117
4.2.4. Filtracja wyższych harmonicznych prądu zródła .................................. 119
4.2.5. Jakość sterowania mocą prądu przemiennego
w układach eksperymentalnych ............................................................ 124
4.3. Układ trójfazowy ze sterowaniem typu PWM
bez czasu martwego ............................................................................. 127
4.4. Układ trójfazowy z dodatkowym zródłem mocy przesunięcia ................. 132
4.5. Układy jednofazowe podwyższające napięcie wyjściowe ........................ 138
5. WYBRANE UKAADY IMPULSOWYCH DWUBIEGUNOWYCH
STEROWNIKÓW MOCY PRDU PRZEMIENNEGO .......................... 144
5.1. Wprowadzenie .......................................................................................... 144
5.2. Układ trójfazowy z transformatorem dodawczym ................................... 145
5.3. Układ trójfazowy z transformatorem wysokoczęstotliwościowym ......... 148
6. PRZYKAADY ZASTOSOWAC UKAADÓW
STEROWANIA MOC PRDU PRZEMIENNEGO .............................. 157
6.1. Wprowadzenie ......................................................................................... 157
6.2. Urządzenia elektrotermiczne ................................................................... 157
6.3. Układy napędowe .................................................................................... 160
6.4. Kompensatory mocy przesunięcia ........................................................... 165
6.5. Ogólne wytyczne wyboru układu sterowania mocą
prądu przemiennego ................................................................................ 168
WYKAZ LITERATURY ............................................................................. 171
-5-
WYKAZ OZNACZEC
Symbole
B - bezpiecznik
B1 - amplituda harmonicznej podstawowej
C - pojemność
CF, CT - pojemność: obwodu filtracyjnego, obwodu
obejściowo-tłumiącego
E - siła elektromotoryczna
ESW - energia tracona przy przełączaniu
f, fi - częstotliwość; częstotliwość napięcia zródła
zasilającego, impulsowania
hD - współczynnik deformacji prądu
G - transmitancja
H - macierz stanu łączników
i, iL, iS , iA , iTD - wartość chwilowa prądu: przemiennego,
odbiornika, zródła, falownika, uzwojenia
transformatora dodawczego
iSh , iLh , iTDh - harmoniczne prądu: zródła, odbiornika, uzwojenia
transformatora dodawczego
I - wartość skuteczna prądu przemiennego
I1, IW, IN , IA - wartość skuteczna prądu: składowej o
częstotliwości harmonicznej podstawowej,
wzorcowego, w przewodzie neutralnym, falownika
napięcia
I(AV) - wartość średnia prądu
Imax, ILmax - wartość maksymalna prądu: odbiornika przy pełnym
wysterowaniu
Ią , I� - składowe ortogonalne prądu
ku, ki - współczynnik kształtu: napięcia, prądu
K - wzmocnienie
L - indukcyjność
LF, LS, LL - indukcyjność: obwodu filtracyjnego, zródła napięcia
zasilającego, odbiornika
L1 , L2 , L3 - oznaczenia przewodów fazowych trójfazowej
sieci zasilania
m - liczba faz
n - liczba naturalna, numer harmonicznej
N- zbiór liczb naturalnych
N, NL, NS, Nwł, Nwył - zacisk neutralny: zródła napięcia zasilającego,
odbiornika, układu obejściowo-tłumiącego; liczba
włączanych, wyłączanych okresów napięcia
-6-
zasilającego
P - moc czynna
PSW - moc czynna tracona przy przełączaniu
PL, PS, PW - moc czynna: na zaciskach odbiornika, zródła,
wzorcowa
Q - moc bierna
R - rezystancja
su, si - współczynnik szczytu napięcia, prądu
S - moc pozorna
S1, S2, S3, ... - łącznik, funkcja stanu łącznika
SL, SS, S1 - moc pozorna: na zaciskach odbiornika, na zaciaskach
zródła napięcia zasilającego, pierwszej
harmonicznej
t - czas
ton, toff - czas włączania, wyłączania łącznika
półprzewodnikowego wyłączalnego
twł. , t1 , tD - czas: włączenia łącznika, włączenia łącznika,
opóznienia
T - okres sinusoidalnego napięcia zasilającego
Ti , TI- okres impulsowania, stała całkowania
u - wartość chwilowa napięcia przemiennego
uL, uS, uTY, uG - wartość chwilowa napięcia przemiennego: odbiornika,
zródła napięcia zasilającego, na łączniku
tyrystorowym; wartość chwilowa napięcia sterującego
bramkę tyrystora
U - wartość skuteczna napięcia przemiennego,
U1, UW, , UA - wartość skuteczna napięcia: składowej o
częstotliwości podstawowej,wzorcowa, falownika
napięcia
U(AV) - wartość średnia napięcia
Umax , USET , UCT - wartość napięcia: maksymalna, nastawiona,
kondensatora tłumiącego przepięcia
UAą, UA� - składowe ortogonalne napięcia wyjściowego
falownika napięcia
w1 , w2 - liczba zwojów: po stronie pierwotnej, wtórnej
W, W� - energia; energia przepięć
Whu, Whi - współczynnik zawartości harmonicznych: napięcia,
prądu
X - reaktancja
Y - admitancja
Z - impedancja
ł - współczynnik transformacji
" - przedział czasu, ekwiwalentna reaktancja zastępcza
-7-
� - współczynnik wypełnienia impulsu
� - współczynnik sprawności energetycznej
Ń - przekładnia zwojowa transformatora
�Z , �g - kąt: załączania, wyłączania łącznika tyrystorowego
- kąt przewodzenia łącznika tyrystorowego
P - współczynnik mocy
� - stała czasowa
�, �I, �L1 - kąt fazowy; przesunięcie fazowe pomiędzy
napięciem a: prądem odbiornika, harmoniczną
podstawową prądu odbiornika
�, �i - pulsacja, pulsacja impulsowania
Wskazniki
A - anoda, faza urządzenia trójfazowego
B - faza urządzenia trójfazowego
C - kolektor, faza urządzenia trójfazowego
D - dioda
E - emiter
F - filtr
G - bramka
h - harmoniczna
i - impulsowy
kr - krytyczny
K - katoda
L - odbiornik, przewód fazowy linii zasilającej
Limit - graniczny
M - silnik
max - maksymalny
p - przewodzenie
r - rezonansowy
(R), (RL) - rezystancyjny, rezystancyjno-indukcyjny
sw - przełączanie (switching)
S - zródło napięcia zasilającego
t - całkowity (total)
T - tranzystor
TR - transformator
TY - tyrystor
U - zacisk fazowy, faza urządzenia trójfazowego
V - zacisk fazowy, faza urządzenia trójfazowego
W - zacisk fazowy, faza urządzenia trójfazowego
Skróty
-8-
APWM - (Asymmetrical Pulse Width Modulation)
asymetryczna modulacja szerokości impulsu
HS - (Histeresis switch) łącznik histerezowy
MOSFET - (Metal Oxide Semiconductor Field Efect Tranzistor)
tranzystor polowy
IGBT - (Isolated Gate Bipolar Transistor) tranzystor z
izolowaną bramką
IPM - (Intelligent Power Modul) inteligentny moduł
tranzystorów mocy
NN - sieć niskiego napięcia
NWW - najmniejsza wspólna wielokrotność
(R), (RL) - odbiornik rezystancyjny, rezystancyjno-indukcyjny
PI - regulator proporcjonalno- całkujący
PWM - (Pulse Width Modulation) modulacja szerokości
impulsów
SCR - (Silicon Controlled Rectifier) prostownik sterowany
krzemowy, tyrystor
SMPP - sterownik mocy prądu przemiennego
SVC - (Static VAR Compensator) statyczny kompensator
mocy przesunięcia
TD - transformator dodawczy
THD - (Total Harmonic Distortion) współczynnik
zawartości harmonicznych
UOT - Układ obejściowo-tłumiący
UWB - układ wyzwalania bramkowego
VSI - (Voltage source inverter) falownik napięcia
-9-
WSTP
Energoelektroniczne układy sterowania mocą prądu przemiennego ze sterownikami
mocy prądu przemiennego (SMPP) lub sterownikami prądu przemiennego [1; 16; 66]
są stosowane od wczesnych lat 60 [44; 70]. Zarówno w okresie początkowym jak i
obecnie w zastosowaniach przemysłowych, zwłaszcza układów średniej i dużej mocy,
dominują układy tyrystorowych SMPP o komutacji sieciowej. Są one stosowane
głównie: w układach napędowych do rozruchu i regulacji prędkości obrotowej maszyn
indukcyjnych, w elektrotermii jako urządzenia wykonawcze w układach automatycznej
regulacji temperatury, w urządzeniach techniki świetlnej do sterowania natężeniem
oświetlenia, w regulatorach (stabilizatorach) napięcia przemiennego oraz w układach
kompensatorów z niezależnymi zródłami mocy biernej [1; 6; 7; 16; 40; 44; 46; 60; 61;
72]. Ich działanie polega na okresowym dołączaniu żródła napięcia przemiennego do
odbiornika, przez co uzyskuje się możliwość zmiany mocy dostarczanej ze zródła
(przemysłowej sieci zasilającej) do odbiornika energii elektrycznej bez zmiany
częstotliwości harmonicznej podstawowej napięcia odbiornika. Właściwości tych
układów są już dobrze poznane [44; 66]. W układach tych jest stosowane zarówno
sterowanie fazowe jak i integracyjne lub integracyjno-fazowe. Sterowanie fazowe
prowadzi jednak zarówno do znacznych odkształceń prądu zródła, jak i do generacji
mocy biernej obciążającej zródło zasilania (również w układach z odbiornikiem
rezystancyjnym). Sterowanie integracyjne jest z kolei przyczyną występowania w
prądzie zródła podharmonicznych, które trudno wyeliminować. Główny problem
wynikający ze stosowania tyrystorowych SMPP jest związany z niekorzystnym
oddziaływaniem tych przekształtników na zródło zasilania [3; 5; 16; 23; 30; 44; 60; 65;
69]. W praktycznych zastosowaniach to niekorzystne oddziaływanie jest często
dodatkowo zwiększane przez błędy aplikacyjne (np.: nieracjonalne stosowanie
sterowania fazowego zamiast integracyjnego, nieumiejętne nastawianie funkcji
dodatkowych lub nieoptymalne rozwiązania układów ochrony przepięciowej i
przetężeniowej). Tym zagadnieniom jest poświęcony oddzielny rozdział pracy
(rozdział 2), w którym zostały one uwypuklone i poparte wynikami badań
eksperymentalnych.
Obecnie są rozwijane dwie metody polepszenia jakości sterowania mocą prądu
przemiennego za pomocą tyrystorowych SMPP. Pierwsza polega na eliminowaniu
niekorzystnych skutków stosowania tych sterowników mocy, przez zastosowanie
filtrów, w tym również filtrów aktywnych [29; 59]. Druga metoda polega na
linearyzacji samego SMPP przez budowę układów z łącznikami wyłączalnymi i
przełączanymi z częstotliwością wielokrotnie większą od częstotliwości napięcia
zródła zasilającego [2; 8; 11; 12; 15; 17; 27; 37; 48 - 57; 64 - 67; 73; 75], nazywanych
dalej impulsowymi SMPP. Opis rozwiązań oraz analiza właściwości układów
sterowania mocą prądu przemiennego z tymi sterownikami mocy wypełnia główną
część monografii. Istotną zaletą drugiej metody rozpatrywanej szczegółowo w
niniejszej pracy jest wyeliminowanie przyczyn pogarszających jakość sterowania mocą
prądu przemiennego.
-10-
Pierwsze prace badawcze dotyczące impulsowych SMPP były publikowane za
granicą w latach 70 [8; 39]. W kraju, prace teoretyczne w tym zakresie były
publikowane nieco pózniej, bo w latach 80 [7; 64 - 67]. Ich wspólnym niedostatkiem
jest jednak złożona postać opisu analitycznego podstawowych właściwości
energetycznych [8; 64]. Stąd uzyskane wyniki są trudne do wykorzystania w praktyce
inżynierskiej. Wynika to z uwzględniania szczegółów analizy, które mogą być
pominięte przy wyższych częstotliwościach komutacji łączników. Chodzi o pominięcie
wpływu wyższych harmonicznych prądu odbiornika oraz nieuwzględnianie
przypadków niesynchronicznego włączania łączników. W monografii zostały
przedstawione wyniki takiej analizy upraszczającej opis analityczny właściwości
impulsowych SMPP (rozdział 3).
Obecnie obserwuje się ponowny wzrost zainteresowania impulsowymi SMPP [6;
11; 12; 14; 15; 22; 43; 48 - 57; 73, 75]. Wiąże się to z nasilającym się trendem
lepszego jakościowo przetwarzania energii elektrycznej oraz stymulującym ten trend,
dynamicznym rozwojem przyrządów półprzewodnikowych mocy, a zwłaszcza
wzrostem zdolności obciążeniowej i częstotliwości przełączania przyrządów
wyłączalnych (IGBT, MCT). Autorzy pracy mają nadzieję, że niniejsza monografia
obejmująca w głównej części układy sterowania mocą prądu przemiennego z
impulsowymi SMPP, przyczyni się do jeszcze większego zinteresowania układami z
tymi sterownikami. Ponadto, że przedstawione wyniki badań właściwości
energetycznych tych układów (w tym badania eksperymentalne), będą przydatne w
dalszym doskonaleniu rozwiązań imulsowych SMPP.
Monografia zawiera sześć rozdziałów. W rozdziale 1 przedstawiono
charakterystykę ogólną układów sterowania mocą prądu przemiennego z
tyrystorowymi i impulsowymi SMPP. Częściowo obejmuje on również układy
regulatorów i stabilizatorów napięcia przemiennego. Układy sterowania mocą prądu
przemiennego zostały podzielone na trzy grupy, zależnie od kształtu napięcia
wyjściowego. Są to tyrystorowe SMPP, impulsowe jednobiegunowe oraz
dwubiegunowe SMPP. W rozdziale tym przedstawiono podstawowe właściwości
trójfazowego układu sterowania mocą prądu przemiennego z transformatorem
idealnym, który traktuje się jako wzorcowy sterownik mocy prądu przemiennego.
Zestawiono również definicje podstawowych parametrów stosowanych do oceny
jakości sterowania mocą prądu przemiennego.
Na podstawie analizy stanu obecnego, oraz wyników własnych badań
symulacyjnych i eksperymentalnych sterownika mocy w wykonaniu przemysłowym, w
rozdziale 2 pokazano niekorzystne właściwości energetyczne tyrystorowych SMPP.
Uwzględniono przy tym zarówno sterowanie fazowe jak i sterowanie integracyjne,
niektóre funkcje dodatkowe, a także typowe błędy aplikacyjne powodujące przepięcia i
przetężenia prądowe. Przedstawiono również wyniki badań symulacyjnych
właściwości energetycznych układów z tyrystorowymi SMPP oraz filtrem pasywnym i
aktywnym do filtracji (kompensacji) wyższych harmonicznych prądu zródła.
W rozdziale 3 przeprowadzono analizę właściwości energetycznych modeli
idealnych impulsowych jednobiegunowych SMPP. W wyniku tego uzyskano opis
-11-
zależności, przystępny dla praktyki inżynierskiej. Ponadto wykazano analogię
pomiędzy właściwościami układu sterowania mocą prądu przemiennego z idealnym
impulsowym jednobiegunowym SMPP dla harmonicznej podstawowej, a
właściwościami układu wzorcowego z transformatorem idealnym o regulowanej
przekładni.
W rozdziale 4 przedstawiono propozycje szczegółowych rozwiązań
konstrukcyjnych trzech wybranych układów impulsowych jednobiegunowych SMPP z
algorytmem sterowania z czasem martwym oraz przeprowadzono analizę ich
działania. Zamieszczono również wyniki badań układu z (3+3) łącznikami typu
tranzystor-dioda oraz filtrem wejściowym LC do filtracji wyższych harmonicznych
prądu zródła. Ponadto przedstawiono analizę działania układu z (2+2) łącznikami typu
dwa tranzystory-dwie diody z algorytmem sterowania bez czasu martwego .
Przedstawiono również wyniki badań eksperymentalnych modeli laboratoryjnych
układów sterowania mocą prądu przemiennego z impulsowymi jednobiegunowymi
SMPP z algorytmem sterowania z czasem martwym .
Ogólna charakterystyka impulsowych dwubiegunowych SMPP z transformatorem
dodawczym, które są stosowane zwłaszcza w układach regulacji (stabilizacji) napięcia
przemiennego została przedstawiona w rozdziale 5. Zostały w nim wyeksponowane
dwa rozwiązania tych układów, różniące się istotnie zakresem częstotliwości
przenoszonych przez transformator dodawczy. W pierwszym energia elektryczna jest
przenoszona przez ten transformator przez harmoniczną o częstotliwości harmonicznej
podstawowej napięcia zasilającego. W drugim przez wyższe harmoniczne.
Wybrane przykłady rozwiązań technicznych, w których są stosowane
energoelektroniczne układy sterowania mocą prądu przemiennego przedstawiono w
rozdziale 6. W rozdziale tym wyeksponowano nowe propozycje zastosowań układów z
impulsowymi SMPP.
Autorzy składają podziękowania: prof. dr. inż. Henrykowi Tuni z Politechniki
Warszawskiej, prof dr hab inż. Leszkowi Frąckowiakowi z Politechniki Poznańskiej
oraz wszystkim kolegom z Zakładu Sterowania i Zastosowań Układów
Energoelektronicznych Instytutu Elektrotechniki Przemysłowej Politechniki
Zielonogórskiej za cenne uwagi i pomoc przy opracowaniu niniejszej monografii.
-12-
1. IMPULSOWO-MODULACYJNE STEROWANIE
MOC PRDU PRZEMIENNEGO
1.1. Charakterystyka ogólna.
Na rys.1.1 pokazano schemat blokowy trójfazowego układu sterowania mocą prądu
przemiennego dostarczaną ze zródła do odbiornika energii elektrycznej.
A
E1 Z1
E2 Z 2
SMPP
ODBIORNIK
ODBIORNIK
N
E3 Z 3
A
X(t)
P, U, I = f[X(t)]
-
+
Rys.1.1. Schemat blokowy trójfazowego układu sterowania mocą prądu przemiennego
SMPP - sterownik mocy prądu przemiennego
Sterownik mocy prądu przemiennego (SMPP) spełnia rolę zaworu sterującego
wartością mocy chwilowej odbiornika p = u(t)i(t) (p = dW/dt - szybkość zmiany
energii elektrycznej dostarczanej do odbiornika) bez zmiany częstotliwości
harmonicznej podstawowej prądu odbiornika. Jest stosowane również rozwiązanie
układu sterowania mocą prądu przemiennego, w którym odbiornik jest umieszczany
pomiędzy zródłem napięcia zasilającego a SMPP. Tak włączony odbiornik jest na
rys.1.1 zaznaczony linią przerywaną. W tym przypadku SMPP spełnia rolę generatora
mocy przesunięcia, umożliwiając sterowanie mocy czynnej dostarczanej do odbiornika
(p.4.4).
Układ pokazany na rys.1.1 obejmuje szeroki obszar zastosowań, których wspólną
cechą jest stosowanie dwustanowych łączników półprzewodnikowych o komutacji
naturalnej (tyrystory SCR) lub łączników wyłączalnych oraz impulsowo-modulacyjnej
metody sterowania mocą prądu przemiennego. Takie SMPP umożliwiają zmianę
wartości skutecznych napięcia i prądu wyjściowego a tym samym mocy czynnej
występującej na zaciskach odbiornika, bez zmiany częstotliwości harmonicznej
podstawowej. Na rys.1.2 pokazano ogólny schemat podziału SMPP, który przyjęto w
niniejszej monografii.
-13-
SMPP
TYRYSTOROWE IM PU LSO W E
JEDNOBIEGUNOWE DWUBIEGUNOWE
Rys.1.2. Rodzaje sterowników mocy prądu przemiennego
Typowe przebiegi czasowe napięcia fazowego odbiornika (bez filtru wyjściowego)
występujące w układach sterowania mocą prądu przemiennego z tyrystorowymi SMPP
pokazano na rys.1.3, natomiast w układach z impulsowymi SMPP na rys.1.4 i rys.1.5.
a)
b)
uL
iL
u u
uL
i i
t
t
iL
Ti
�
z
Rys.1.3. Napięcie i prąd odbiornika w układzie z tyrystorowym SMPP,
a) przy sterowaniu fazowym, b) przy sterowaniu integracyjnym
a) c)
uL
uL
u
u
iL
iL
i
i
t
t
twł
twł
Ti
Ti
b) d)
uL
uL
u u Ti
iL
i i
t
t
iL
twł
Ti twł
Rys.1.4. Napięcie i prąd odbiornika w układzie z impulsowym SMPP z dwukrotnym włączaniem w
okresie napięcia zasilającego, a) ze sterowaniem włączania, b) ze sterowaniem wyłączania, c) ze
sterowaniem włączania i wyłączania (rodzaj 1), d) ze sterowaniem włączania i wyłączania (rodzaj 2)
-14-
W tyrystorowych SMPP są stosowane łączniki o komutacji naturalnej. W efekcie,
zródło napięcia zasilającego jest dołączone do odbiornika w czasie od włączenia
łącznika do osiągnięcia wartości zerowej prądu odbiornika. Te sterowniki są opisane
szczegółowo w rozdziale 2.
a) d)
uL
uL
u u
i i iL
iL
t
t
T/n
T/n
b) e)
uL
uL
u u
i i
iL
iL
t t
T/n
T/n
c) f)
uL
uL
u u
i i
iL iL
t t
T/n
T/n
Rys.1.5. Napięcie i prąd odbiornika w układzie z impulsowym SMPP z włączaniem wielokrotnym,
a), b), c) jednobiegunowym, d), e) f) dwubiegunowym
W impulsowych SMPP są stosowane łączniki wyłączalne. yródło napięcia
zasilającego jest dołączone do odbiornika w czasie włączenia łącznika, który nie zależy
od prądu odbiornika. Jest to istotna różnica w porównaniu z tyrystorowymi SMPP.
Zależnie od krotności włączania n = T/Ti , gdzie: T - okres napięcia zasilającego, Ti -
okres impulsowania, jest stosowane włączanie dwukrotne (rys.1.4, n = 2) oraz
włączanie wielokrotne (rys.1.5, n > 2). Przyjmuje się, że impulsowe SMPP z
włączaniem wielokrotnym nazywa się jednobiegunowymi, jeśli w okresie
impulsowania napięcie odbiornika nie zmienia swojej biegunowości (rys.1.5 a, b, c).
Gdy występuje zmiana biegunowości to impulsowe SMPP nazywa się
dwubiegunowymi (rys.1.5 d, e, f). Układy sterowania mocą prądu przemiennego z
-15-
impulsowymi jednobiegunowymi SMPP są szczegółowo opisane w rozdziałach 3 i 4,
natomiast niektóre układy z impulsowymi dwubiegunowymi SMPP stosowane
zwłaszcza w regulatorach i stabilizatorach napięcia przemiennego są opisane w
rozdziale 5.
Jest oczywiste, że zmierza się do tego aby sterowanie mocą prądu przemiennego
było efektywne i możliwie najlepsze jakościowo. Kryteria oceny jakości sterowania są
ustalane w aspekcie wielkości i wskazników o charakterze fizycznym, technicznym
oraz ekonomicznym. Obejmują szeroki zakres zagadnień i ciągle jeszcze są
dyskutowane [31]. W monografii brane są pod uwagę wskazniki oceny jakości
sterowania mocą prądu przemiennego w zawężonym zakresie (o charakterze
technicznym), dotyczącym zwłaszcza oceny efektywności przekształcania oraz
niekorzystnego oddziaływania na zródło zasilania, a przez to na inne odbiorniki
przyłączone do tego samego zródła zasilania. Jest to bowiem jeden z głównych
problemów w zakresie lepszego jakościowo sterowania za pomocą SMPP. Bierze się
przy tym pod uwagę przede wszystkim wewnętrzne straty mocy w SMPP, stopień
wykorzystania zródła zasilania (w tym również połączeń tego zródła [30]) oraz
wewnętrzne straty mocy w zródle zasilania. Jest przy tym powszechnie akceptowane
zmierzanie do minimalizacji wewnętrznych strat mocy SMPP oraz eliminowanie
przyczyn powodujących generowanie przez SMPP mocy przesunięcia fazowego oraz
mocy odkształcenia [61].
W kraju brak jest obecnie pełnych uregulowań formalno-prawnych w obszarze
wymagań dotyczących jakości sterowania mocą prądu przemiennego. Biorąc jednak
pod uwagę nasilające się tendencje światowe, do takich uregulowań dojdzie
najprawdopodobniej już w najbliższym czasie [42]. W zakresie objętym monografią
najistotniejsze są funkcjonujące już wymagania dotyczące poziomów zawartości
harmonicznych w prądzie zródła zasilającego układów przekształtnikowych, w tym
również układów ze SMPP. Według Normy Europejskiej EN 50160 z kwietnia
1994 r., cytowanej w pracy [3], sumaryczna zawartość wyższych harmonicznych (do
40 harmonicznej) powinna być mniejsza niż 5% dla sieci NN.
W niniejszym rozdziale przedstawiono właściwości wzorcowego układu sterowania
mocą prądu przemiennego z transformatorem idealnym o regulowanej przekładni
zwojowej. Właściwości te będą stanowiły obszar odniesienia przy ocenie jakości
sterowania mocą prądu przemiennego zwłaszcza za pomocą tyrystorowych i
impulsowych jednobiegunowych SMPP opisanych w następnych rozdziałach.
1.2. Właściwości układu wzorcowego.
Wzorcowym układem sterowania mocą prądu przemiennego pod względem jakości
sterowania jest układ z transformatorem idealnym. Schemat ideowy trójfazowego
układu z transformatorem idealnym pokazano na rys.1.6. Transformator taki ma
następujące parametry [41; 60; 61]:
-16-
M
R1 = R2 = 0; L1 ="; L2 ="; M ="; K = = 1 (1.1)
L1L2
TRANSFORMATOR
IDEALNY
E =U sin( � t )
1 m
I ZL1
L1
IS1 US1
~
UL1
E =U sin( �t - 2 Ą/3)
2
m
Z
I
L2
L2
US2
IS2
N ~ NL
UL2
E =U sin( �t - 4 Ą/3)
3
m
IL3 Z L3
US3
I
S3
~
UL3
ł
Ń
w /w =1/ =
2
1
Rys.1.6. Trójfazowy układ sterowania mocą prądu przemiennego z transformatorem idealnym
Oznacza to, że jest on bezstratny, ma nieskończenie dużą przenikalność magnetyczną i
pełne sprzężenie magnetyczne (nie występują indukcyjności rozproszenia).
Uwzględniając, że współczynnik transformacji jest opisywany zależnością:
1 w2
ł = = d" 1 (1.2)
Ń w1
to fazowe napięcia wyjściowe transformatora idealnego mają następującą postać:
uL1 ł 0 0 E1
()
uL2 = 0 ł 0 � E2 = łUmax sin �t - m2Ą / 3 (1.3)
uL3 0 0 ł E3
gdzie: m = 0, 1, 2.
Fazowe prądy wyjściowe dla odbiornika symetrycznego, ZL1 = ZL2 = ZL3 = ZL, są
natomiast opisywane następującą zależnością:
iL1 uL1
1 Umax
iL2 = � uL2 = ł sin(�t - m2Ą / 3 - �L) (1.4)
ZL ZL
iL3 uL3
-17-
2
gdzie: ZL = R2 + (�LL) - moduł impedancji fazowej odbiornika,
L
�LL
�L = arctg - przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem i prądem odbiornika.
R
L
Natomiast prądy fazowe zródła napięcia zasilającego wyrażają się wzorami:
iS1 ł 0 0 iL1
Umax
2
iS2 = 0 ł 0 � iL2 = ł sin(�t - m2Ą / 3 - �L) (1.5)
ZL
iS3 0 0 ł iL3
Z zależności (1.3) - (1.5) wynika, że dla transformatora idealnego amplitudy napięć
i prądów fazowych odbiornika są liniową funkcją współczynnika transformacji,
natomiast amplitudy fazowych prądów zródła napięcia zasilającego są kwadratową
funkcją współczynnika transformacji. Jest oczywiste, że wartości skuteczne tych
napięć i prądów, które można określić za pomocą następujących zależności:
Umax
UL1 = UL2 = UL3 = UL = ł = łU (1.6)
2
Umax
IL1 = IL2 = IL3 = IL = ł = łI (1.7)
2 ZL
Umax 2
2
IS1 = IS2 = IS3 = IS = ł = ł I = łIL (1.8)
2 ZL
gdzie: U, I - wartości skuteczne napięcia i prądu zródła napięcia zasilającego przy
ł = 1, zależą od wartości współczynnika transformacji podobnie jak ich amplitudy.
Ze wzorów (1.4) - (1.8) wynika również, że wartość skuteczna fazowego prądu
zródła napięcia zasilającego jest liniową funkcją współczynnika transformacji oraz
wartości skutecznej fazowego prądu odbiornika. Zależności innych wielkości oraz
wskazników od współczynnika transformacji pokazano na rys.1.7, a w postaci
analitycznej w tabl.1.1.
Ponieważ sterowanie mocą prądu przemiennego za pomocą transformatora
idealnego o regulowanej przekładni jest bezstratne oraz ma następujące właściwości w
stanie ustalonym:
" nie powoduje odkształceń prądu zródła napięcia zasilającego;
" nie powoduje zmiany kąta przesunięcia fazowego pomiędzy prądem a napięciem
zródła;
-18-
" przy liniowej zmianie współczynnika transformacji umożliwia liniową zmianę
wartości napięcia i prądu odbiornika;
to przyjęcie takiego układu jako wzorcowego jest w pełni uzasadnione. Oznacza to, że
inne odbiorniki przyłączone do tego zródła napięcia zasilającego nie odczuwają
procesu przekształcania prądu przemiennego za pomocą takiego wzorcowego
sterownika mocy prądu przemiennego.
1.3. Parametry i kryteria oceny jakości sterowania.
1) Efektywność energetyczna:
- współczynnik sprawności energetycznej:
PL
�= (1.9)
PS
W warunkach dużych odkształceń prądu zródła wprowadzanych przez SMPP, jako
wskaznik pomocniczy stosuje się również współczynnik sprawności energetycznej dla
harmonicznej podstawowej [28] (dla tego współczynnika w liczniku i mianowniku
zależności (1.9) występuje moc czynna dla harmonicznej podstawowej).
- współczynnik mocy:
T
1
+" uidt
P T
0
P = = (1.10)
T T
S
1
+" u2dt+"i2dt
T
0 0
Współczynnik mocy jest zwykle określany na wyjściu i wejściu SMPP w celu
oceny niekorzystnego wpływu sterownika na wartość współczynnika mocy przy
zmianie wielkości sterującej. Podstawowym problemem przy stosowaniu SMPP jest
utrzymanie wartości współczynnika mocy na zaciskach zródła napięcia zasilającego
takiej samej jak na zaciskach odbiornika.
- współczynnik przesunięcia:
P1
cos�1 = cos(�U - �L1) = (1.11)
S1
gdzie: �1 = �U - �L1 - kąt przesunięcia fazowego pomiędzy harmoniczną
podstawową napięcia i prądu, �U - kąt przesunięcia fazowego napięcia zasilającego
względem fazy odniesienia, �L1 - kąt przesunięcia fazowego harmonicznej
podstawowej prądu odbiornika względem fazy odniesienia.
-19-
a) b)
U L ; I L I S Smax ; P L / SSmax
/ ULmax / ILmax / I / PLmax ; S S
1
1
0,8
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
ł
ł
0
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
c)
d)
P L Lmax ; P S Smax
/ S / S ; cos
�1 ; hDS
PS
1
1
cos � = 1
L
cos � = 1
0,8 L
0,8
hDS
= 0,5
0,6
0,6
= 0
0,4 cos � = 0,5
0,4
L
0,2
0,2
cos = 0
�L
ł
ł
0
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Rys.1.7. Charakterystyki trójfazowego układu sterowania mocą prądu przemiennego z transformatorem
idealnym w funkcji współczynnika transformacji, a) napięcie i prąd odbiornika, b) prąd i moc pozorna
zródła oraz moc czynna odbiornika, c) moc czynna zródła i odbiornika, d) współczynnik przesunięcia,
współczynnik mocy oraz współczynnik deformacji prądu zródła
Tablica 1.1. Podstawowe właściwości energetyczne trójfazowego układu sterowania mocą prądu
przemiennego z transformatorem idealnym
WIELKOŚĆ/ ZACISKI ZACISKI
WSKAyNIK yRÓDAA ODBIORNIKA
U2 U2
PS = ł2 max cos�L = ł2UI cos�L PL = ł2 max cos�L = ł2UI cos�L
Moc czynna fazowa
2 ZL 2 ZL
U2 U2
2 max 2
SS = ł2 max = ł2UI
SL = ł = ł UI
Moc pozorna fazowa
2 ZL
2 ZL
Współczynnik
przesunięcia cos�1 = cos�S1 = cos�L1
cos�1 = cos�S1 = cos�L1
Współczynnik mocy PS = cos�L PL = cos�L
Współczynnik
deformacji prądu hDS = 1 hDL = 1
-20-
W obwodach z przebiegami sinusoidalnymi jest on równy współczynnikowi mocy.
Natomiast w obwodach z przebiegami odkształconymi współczynnik przesunięcia w
zasadniczy sposób wpływa na wartość współczynnika mocy [60]. Jego wartość określa
wpływ przesunięcia fazowego �1 na udział mocy czynnej P1 w mocy pozornej S1 dla
harmonicznej podstawowej.
- współczynnik deformacji prądu:
P S1 I1
hD = = = (1.12)
cos�1 S I
Współczynnik ten jest drugim czynnikiem współczynnika mocy [60]. Jego wartość
określa wpływ harmonicznych na wartość współczynnika mocy. Podobnie jak
współczynnik mocy jest określany na wyjściu i wejściu SMPP.
- inne współczynniki:
P1 P1 SS
�P = (1.13) �S = (1.14) �S = (1.15)
P S SL
gdzie: �P, �S - odpowiednio współczynnik udziału mocy czynnej harmonicznej
podstawowej w mocy czynnej, w mocy pozornej, �S - współczynnik wielokrotności
mocy pozornej zródła w odniesieniu do mocy pozornej odbiornika.
Współczynniki te wspomagają ocenę szczegółową jakości przekształcania.
2) Odkształcenia napięcia i prądu:
- współczynnik zawartości harmonicznych:
2 2
U2 - U1 I2 - I1
1- h2
D
Whu = (1.16) Whi = = (1.17)
U1 I1 h2
D
Jest to podstawowy wskaznik oceny odkształceń wprowadzanych przez SMPP.
Istotne są zwłaszcza odkształcenia prądu zródła, które powodują dodatkowe straty
mocy na rezystancji wewnętrznej zródła napięcia zasilającego oraz mogą powodować
odkształcenia napięcia na zaciskach zródła pogarszając warunki zasilania innych
odbiorników przyłączonych do tego zródła.
W celu ilościowej oceny zawartości harmonicznych o częstotliwości większej
(wyższe harmoniczne) i mniejszej (podharmoniczne) od harmonicznej podstawowej
napięcia zasilającego (występujących jednocześnie np. w układach przekształcania z
tyrystorowymi SMPP i sterowaniem integracyjnym [9; 44]), należy stosować ogólne
zależności (1.16) i (1.17). W tym przypadku wartości skuteczne U oraz I należy
obliczać w przedziale (0, T) będącym najmniejszą wspólną wielokrotnością okresów
wszystkich harmonicznych występujących w widmie przebiegu napięcia oraz prądu.
Jeśli niemożliwe jest wydzielenie takiego przedziału stosuje się następujące zależności:
-21-
T T
U = lim 1 / T+"u2dt oraz I = lim 1 / T+"i2dt . Jeśli widma napięć i prądów zawierają
T" T"
0 0
tylko harmoniczną podstawową i wyższe harmoniczne o częstotliwości będącej
wielokrotnością częstotliwości podstawowej, to przy wyznaczaniu współczynnika Wh
można skorzystać ze wzorów:
" "
U2 I2
" "
n n
n=2 n=2
Whu = (1.18) Whi = (1.19)
U1 I1
gdzie: Un, In - wartości skuteczne n-tych harmonicznych napięcia oraz prądu
wynikających z właściwości szeregu Fouriera [41].
- inne współczynniki:
U I
ku = (1.20) ki = (1.21)
U(AV) I(AV)
gdzie: ku, ki - odpowiednio współczynnik kształtu napięcia oraz prądu,
Umax Imax
su = (1.22) si = (1.23)
U I
gdzie: su, si - odpowiednio współczynnik szczytu napięcia oraz prądu.
3) Charakterystyka statyczna przekształcania:
- błąd względny odwzorowania liniowej charakterystyki statycznej;
U - UW I - IW P - PW
�U = (1.24) �I = (1.25) �P = (1.26)
UW max IW max PW max
gdzie: �U, �I, �P - błąd względny odwzorowania charakterystyki statycznej:
napięcia, prądu oraz mocy, UW, IW, PW - wzorcowa wartość skuteczna napięcia, prądu
oraz mocy czynnej.
-22-
2. UKAADY Z TYRYSTOROWYMI STEROWNIKAMI
MOCY PRDU PRZEMIENNEGO
2.1. Charakterystyka ogólna.
Obszar zastosowań układów z tyrystorowymi SMPP obejmuje: układy napędowe,
w których sterowniki są stosowane do rozruchu ( miękie włączanie / wyłączanie ) i
rzadziej do regulacji prędkości maszyn indukcyjnych przez zmianę napięcia zasilania,
urządzenia wykonawcze w układach automatycznej regulacji temperatury w
elektrotermii, urządzenia techniki świetlnej do regulacji natężenia oświetlenia,
regulatory (stabilizatory) napięcia przemiennego oraz układy kompensatorów z
niezależnymi zródłami mocy biernej [1; 6; 7; 10; 13; 15; 16; 18; 19; 23; 27 - 29; 33;
36; 44; 45; 60; 68 - 70; 72]. Sterowniki te umożliwiają okresowe dołączanie zródła
przemiennego napięcia zasialjącego do odbiornika. Umożliwiają one sterowanie mocy
dostarczanej do odbiornika (co jest ich funkcją podstawową), przy jednoczesnej
zmianie wartości skutecznej napięć i prądów odbiornika [1; 16; 68]. W tych SMPP
stosuje się tyrystory z komutacją naturalną (sieciową). Stąd też największa
częstotliwość włączania łączników tyrystorowych jest dwukrotnie większa od
częstotliwości napięcia zasilania. W szczególnych przypadkach w układach
trójprzewodowych, przy dwukrotnym włączaniu w półokresie napięcia zasilającego,
największa częstotliwość włączania łączników tyrystorowych jest czterokrotnie
większa od częstotliwości napięcia zasilania.
Na rys.2.1 pokazano klasyfikację sposobów sterowania stosowanych do realizacji
funkcji podstawowej w tyrystorowych SMPP [1; 13-16; 44; 45; 68 - 70].
STEROWANIE
FAZOWE INTEGRACYJNE FAZOWO-INTEGRACYJNE
SYMETRYCZNE NIESYMETRYCZNE WACZ.-WYACZ T = CONST T = VAR T = CONST T = VAR
ii ii
PÓAOKRESOWE PEANOOKRESOWE
Rys.2.1. Sposoby sterowania stosowane w tyrystorowych SMPP
Sterowanie fazowe jest stosowane w tyrystorowych SMPP w urządzeniach
elektrotermicznych, napędowych układach rozruchowych, urządzeniach techniki
świetlnej oraz regulatorach napięcia przemiennego. Sterowanie integracyjne oraz
fazowo-integracyjne jest stosowane głównie w urządzeniach elektrotermicznych, w
których stała czasowa obiektu regulacji temperatury jest znacznie większa od okresu
impulsowania. W praktyce najczęściej występuje sterowanie fazowe symetryczne oraz
-23-
sterowanie integracyjne ze zmienną częstotliwością impulsowania (Ti = var) [1; 10; 13;
15; 16; 44; 45; 68; 76 - 80].
Na rys.2.2 pokazano zależności wybranych właściwości SMPP ze sterowaniem
integracyjnym ze zmianą częstotliwości impulsowania od wartości wielkości sterującej
(napięciowego lub prądowego sygnału sterującego). Dla uproszczenia rzeczywiste
funkcje nieciągłe zastąpiono ich aproksymacjami w postaci funkcji ciągłych. Przy
takim sterowaniu można osiągnąć znacznie większą rozdzielczość mocy dostarczanej
do odbiornika, niż przy sterowaniu integracyjnym o stałym okresie impulsowania.
Najmniejsze ziarno mocy jest bowiem proporcjonalne do ilorazu twł / Ti , przy czym
dla wartości wielkości sterującej bardzo małej i bliskiej maksymalnej Ti dąży do ", a
wartość ziarna mocy dąży do 0. Natomiast przy sterowaniu integracyjnym ze stałym
okresem impulsowania ziarno mocy ma wartość stałą.
; f
N ; N ; �
wł
wył
i
� = 1
N
wył
f
i
�
N
wł
X(t)
0
1/2 X X
max max
Rys.2.2. Zależności wybranych właściwości SMPP ze sterowaniem integracyjnym
ze zmianą częstotliwości impulsowania od wielkości sterującej
X(t) - wielkość sterująca (napięciowy lub prądowy sygnał sterujący), Nwł, Nwył - liczba włączanych,
wyłączanych okresów napięcia zasilającego, fi - częstotliwość impulsowania, � - współczynnik
wypełnienia impulsu
Przy sterowaniu integracyjnym ze zmienną częstotliwością impulsowania
(Ti = var), dla wielkości sterującej o wartości mniejszej od połowy wartości
maksymalnej łącznik tyrystorowy jest włączany w przedziałach czasu o długości
Nwł � T, przy czym Nwł = const i wyłączany w przedziałach czasu o długości Nwył � T,
przy czym liczba wyłączanych okresów prądu odbiornika Nwył zależy od wartości
wielkości sterującej. Dla wielkości sterującej o wartości większej od połowy wartości
maksymalnej tej wielkości jest odwrotnie, Nwył = const natomiast liczba włączanych
okresów prądu odbiornika Nwł zależy od wartości wielkości sterującej. Przy takim
sterowaniu zależności częstotliwości impulsowania fi oraz współczynnika wypełnienia
impulsu � od wielkości sterującej są określane następującymi wzorami:
-24-
1 N
w ł
fi = f (X) = (2.1) �= (2.2)
N + N
N + N T w ł wył
()
w ł wył
Z zależności (2.1) i (2.2) wynika, że maksymalna częstotliwość impulsowania przy
sterowaniu pełnookresowym jest równa fi max = 1/Ti max = 1/2T.
Sterowanie fazowo-integracyjne jest często wynikiem ograniczania prądu
odbiornika podczas sterowania integracyjnego. Ograniczanie prądu odbiornika jest
przy tym zamierzone (funkcja dodatkowa) lub jest wynikiem działania układu ochrony
przetężeniowej w czasie występowania stanów nieustalonych w układzie sterowania
mocą prądu przemiennego.
W praktyce są stosowane czteroprzewodowe i trójprzewodowe trójfazowe układy
sterowania mocą prądu przemiennego z tyrystorowymi SMPP, których schematy
pokazano na rys.2.3.
a)
SMPP
b)
SMPP
E
1 Z Z
S1 L1
E Z
1 S1 Z
L1
E Z Z
2 S2 L2
E
2 Z Z
S2 L2
E
3 Z
Z L3
S3
E
3
Z
Z
S3 L3
TR
P, U, I = f[X(t)]
TR
P, U, I = f[X(t)]
UWB
UWB
X(t)
X(t)
SMPP
c) P, U, I = f[X(t)]
d)
E1 ZS1
E Z
1 Z L1
Z
S1 L1 Z
L1
E2 S2
Z Z
E Z Z L2
2
L2 Z
S2
L2
E ZL3
ZS3
3 ZL3 L3 E 3
Z Z
S3
TR
SMPP
TR P, U, I = f[X(t)]
Synchronizacja
UWB
UWB
X(t)
X(t)
P, U, I = f[X(t)]
e) SMPP
f)
E ZL1
1 Z S1
S1 ZL1 L1 E 1 Z
Z
E Z ZL2
E Z Z 2 S2
2
S2 L2 Z
L2
E
E 3 ZL3
3 Z
Z S3
Z Z
S3 L3
L3
TR
SMPP
TR
P, U, I = f[X(t)]
Synchronizacja
UWB
UWB
X(t) X(t)
Rys.2.3. Schematy trójfazowych układów sterowania mocą prądu przemiennego z tyrystorowymi SMPP,
a) czteroprzewodowy, b) sześcioprzewodowy (otwarty trójkąt), c) trójprzewodowy,
d) trójprzewodowy z SMPP połączonym w trójkąt, e) trójprzewodowy z SMPP dwufazowym,
f) trójprzewodowy oszczędnościowy
-25-
Układ z odbiornikiem czteroprzewodowym (rys.2.3a) jest stosowany, gdy
odbiornik nie może być zasilany napięciem wyższym od napięcia fazowego sieci
zasilającej (230 V) lub konieczne jest niezależne sterowanie mocy w każdej fazie. W
obydwu przypadkach układ sterowania mocą prądu przemiennego można traktować
jako układ skojarzony trzech układów jednofazowych zasilanych napięciem fazowym.
Jego korzystną cechą jest występowanie niskiego (w porównaniu z innymi układami)
napięcia wstecznego na łącznikach tyrystorowych równego wartości maksymalnej
fazowego napięcia zasilającego [1; 44; 68]. W praktyce klasa napięciowa tyrystorów
08 (800 V) jest zupełnie wystarczająca. Jako układ skojarzony trzech układów
jednofazowych można traktować również układ z odbiornikiem sześcioprzewodowym
(rys.2.3b), przy czym zasilanych napięciem międzyfazowym. Praktycznie wymaga to
stosowania klasy napięciowej tyrystorów 12 (1200 V).
Najczęściej stosowanym układem trójfazowym jest układ trójprzewodowy
(rys.2.3c). Ma on najmniejszą liczbę połączeń odbiornika oraz mniejsze odkształcenia
prądów fazowych zródła napięcia zasilającego. Niekorzystną jego cechą jest
ograniczenie zakresu zmiany kąta załączania oraz konieczność wyzwalania tyrystorów
podwójnymi impulsami bramkowymi w przypadku sterowania fazowego [1; 16; 17;
44; 68]; jest to przedstawione szerzej w dalszej części niniejszego rozdziału. Wady tej
nie mają układy trójprzewodowe pokazane na rys.2.3d oraz rys.2.3f, w których jednak
konieczne jest doprowadzenie do układu wyzwalania bramkowego napięcia zródła
zasilania (do synchronizacji wyzwalania tyrystorów). W praktyce w tych układach
stosuje się tyrystory o klasie napięciowej 12 (1200 V).
Układy trójfazowe czteroprzewodowe i trójprzewodowe, w tym również z
dwufazowym tyrystorowym SMPP pokazanym na rys.2.3e są często stosowane
zwłaszcza w układach regulacji temperatury. W zastosowaniu tym bardzo często jest
wykorzystywane omówione wcześniej sterowanie integracyjne ze zmienną
częstotliwością impulsowania [10; 13; 44; 45]. Sterowanie to jest w literaturze
krajowej słabo eksponowane mimo stosunkowo dużej liczby urządzeń (głównie
elektrotermicznych), w których jest ono stosowane i związanego z tym problemu jakim
jest występowanie podharmonicznych w prądzie zródła.
Najprostszą realizacją trójfazowego SMPP jest układ trójprzewodowy
oszczędnościowy pokazany na rys.2.3f. Jego wadą przy sterowaniu fazowym jest
jednak występowanie harmonicznych parzystych w prądzie zródła [44; 68]. Mimo
korzystnych właściwości przy sterowaniu integracyjnym jest stosowany rzadko ze
względu na małą uniwersalność. Zwykle przemysłowe SMPP są najczęściej tak
budowane aby możliwe było wykorzystanie sterownika w różnych konfiguracjach
układowych. Poprawia to cechy użytkowe, lecz na co należy zwrócić uwagę, prowadzi
również w praktyce do dodatkowych błędów aplikacyjnych pogarszających jakość
sterowania mocą prądu przemiennego. Chodzi np. o stosowanie nieoptymalnych
rozwiązań układów ochrony przepięciowej [74], nieracjonalne stosowanie sterowania
fazowego zamiast integracyjnego w urządzeniach elektrotermicznych lub nieumiejętne
nastawy funkcji dodatkowych. Odnośnie układów ochrony przepięciowej polega to na
zastosowaniu podzespołów tych układów o parametrach dających oscylacyjne
-26-
tłumienie przepięć w przypadku układu z odbiornikiem rezystancyjno-indukcyjnym
(rys.2.5, rys.2.13). Zwiększa się przy tym klasę napięciową tyrystorów w SMPP.
Nieracjonalne stosowanie sterowania fazowego zamiast integracyjnego występuje
wówczas, kiedy wymagania dotyczące jakości regulacji temperatury mogą być
spełnione przy stosowaniu sterowania integracyjnego. Nieumiejętne nastawianie
funkcji dodatkowych polega na przykład na nieoptymalnym nastawieniu opóznienia
wyzwalania w pierwszym włączanym półokresie napięcia zasilającego przy sterowaniu
integracyjnym w układzie z odbiornikiem rezystancyjno-indukcyjnym. Kąt załączania
powinien mieć wówczas wartość �Z = arc cos�L. Włączanie łączników tyrystorowych z
mniejszą wartością kąta załączania w pierwszym włączanym półokresie napięcia
zasilającego powoduje występowanie przetężenia przy włączaniu.
2.2. Oddziaływanie SMPP na zródło zasilania w układzie czteroprzewodowym.
2.2.1. Wprowadzenie.
W czteroprzewodowym układzie sterowania mocą prądu przemiennego pokazanym
na rys.2.4 prąd fazowy przepływa przez jeden tyrystor przewód neutralny i zródło
zasilania. W efekcie przebiegi czasowe napięcia i prądu odbiornika w poszczególnych
fazach są identyczne jak w układzie jednofazowym. Ponadto moc dostarczana do
odbiornika może być sterowana oddzielnie w każdej fazie. Właściwości tego układu
R
C
1
1
�
E =U sin t
max UU ZL1
1
Z
S1
IU
R2 C2
UV ZL2
� Ą
E =Umaxsin( t+2/3 )
2 ZS2
N
R3 3 IV
C
� Ą
E =Umax sin( t+4/3 ) UW ZL3
3 ZS3
I
N I
W
Rys.2.4. Schemat ideowy czteroprzewodowego układu sterowania mocą
prądu przemiennego z tyrystorowym SMPP
są bardzo dobrze poznane i szeroko opisane w literaturze dotyczącej tyrystorowych
SMPP [1; 4; 16; 23; 33; 36; 44; 68], stąd poniżej przedstawiono wybrane wyniki badań
ilustrujące niekorzystne oddziaływanie na zródło zasilania w tym układzie.
2.2.2. Sterowanie fazowe.
W układzie czteroprzewodowym z tyrystorowym SMPP sterowanym fazowo w
prądzie zródła są generowane wszystkie harmoniczne nieparzyste, przy czym
zawartość wyższych harmonicznych jest zależna od wartości wielkości sterującej. Jest
również generowana moc przesunięcia powodowana zmianą przesunięcia kąta
-27-
harmonicznej podstawowej prądu zródła względem napięcia zasilającego oraz
występują znaczne odkształcenia prądu w przewodzie neutralnym (wartość chwilowa
tego prądu jest sumą prądów fazowych układu) o pulsacji trzykrotnie większej od
pulsacji napięcia zasilającego. Są to niekorzystne zjawiska występujące w
opisywanych układach. Generowanie wyższych harmonicznych w prądzie zródła,
generowanie mocy przesunięcia oraz odkształcenia prądu w przewodzie neutralnym
oddziaływują niekorzystnie na zródło napięcia zasilającego, a przez to na inne
odbiorniki przyłączone do tego samego zródła. Ponadto, w praktyce często występują
przepięcia komutacyjne powodowane przez nieoptymalny dobór parametrów
podzespołów układów ochrony przepięciowej, co omówiono wcześniej. Te przepięcia
w szczególności w układach z odbiornikiem rezystancyjno-indukcyjnym, prowadzą
również do odkształceń prądów zródła, chociaż ich znaczenie ilościowe jest niewielkie.
W celu pokazania wyszczególnionych zjawisk, w tym pomijanego zwykle zjawiska
niewielkich odkształceń powodowanych przepięciami komutacyjnymi, poniżej
pokazano wyniki badań symulacyjnych wykonanych w układzie czteroprzewodowym
jak na rys.2.4. Wyniki te uzyskano za pomocą programu PSpice wersja 6.1, przy czym
stosowano model łącznika tyrystorowego jak w pracy [38]. Otrzymane w ten sposób
przykładowe przebiegi czasowe napięć i prądów w układzie czteroprzewodowym jak
na rys.2.4 o mocy ok. 25 kVA pokazano na rys.2.5, natomiast widma harmonicznych
prądów zródła pokazano na rys.2.6.
Przedstawione przebiegi czasowe napięć i prądów (rys.2.5) i widma prądu zródła
(rys.2.6) potwierdzają, że najbardziej niekorzystne oddziaływanie na zródło zasilania
występuje w układzie z odbiornikiem rezystancyjnym. Dla takiego odbiornika
współczynnik zawartości harmonicznych prądu fazowego zródła Whi (THD) już dla
kąta załączania �Z = T/10 znacznie przekracza dopuszczalną wartość 5%.
2.2.3. Sterowanie integracyjne.
Podstawowym problemem jaki występuje w układach sterowania mocą prądu
przemiennego ze sterowaniem integracyjnym jest generowanie podharmonicznych w
prądzie zródła napięcia zasilającego [14 - 16; 44; 45; 61; 64]. Ponadto przy realizacji
tego sterowania występują przetężenia prądów fazowych oraz prądu w przewodzie
neutralnym w układzie z odbiornikiem rezystancyjno-indukcyjnym. Najczęściej
wynika to z braku możliwości nastawiania opóznienia wyzwalania w pierwszym
włączanym półokresie prądu lub nieumiejętnego nastawiania tego opóznienia, co
omówiono wcześniej. Może to prowadzić do niekorzystnej pracy układu ze składową
stałą prądu w przewodzie neutralnym. W przypadku dużej liczby jednofazowych
SMPP stosowanych w układzie czteroprzewodowym, jest konieczne stosowanie
specjalnych układów eliminujących pracę synchroniczną tych sterowników. Podobne
zjawiska występują wówczas, gdy w układzie czteroprzewodowym są stosowane
jednofazowe przekazniki półprzewodnikowe. Znaczenie ilościowe przetężeń
-28-
b)
a)
E1 E2 E3
uL
uL E1 E2 E3
iL uU uV uW iL uU uV uW
iU iV iW
t t
iU iV iW
�z �z �z
�z �z �z
iN
iN
t t
�
g
E1
uTY uTY
E1
t t
uU-uV
uUV
uUV
uU-uV
t
t
E1
E1
-E2
-E2
E -E2
1
E -E2
1
uG �z= T/4 uG �z= T/4
t
TY1 TY1 t
TY2 TY2
uG uG
T/3 T/3
TY3 TY4 t TY3 TY4 t
TY4 TY4
uG T/2 T/3 uG T/2 T/3
t t
TY5 TY6 TY5 TY5 TY6 TY5
T 3/2T 5/2T 3/2T 5/2T
2T T 2T
Rys.2.5. Przebiegi czasowe napięć i prądów oraz impulsów bramkowych w układzie
czteroprzewodowym przy sterowaniu fazowym z kątem załączania �Z = T/4 (Ą/2),
a) cos�L = 1, b) cos�L = 0,34
prądowych występujących przy włączaniu rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości
impulsowania.
W celu opisu wyszczególnionych wyżej zjawisk przytoczono przykładowe wyniki
badań symulacyjnych uzyskanych w układzie jak na rys.2.4 o mocy ok. 25 kVA.
Otrzymane przebiegi czasowe napięć i prądów pokazano na rys.2.7 (cos�L = 1) oraz na
rys.2.8 (cos�L = 0,34). Natomiast widma prądów fazowych zródła napięcia
zasilającego dla różnych wartości współczynnika wypełnienia impulsu przedstawiono
-29-
a) b)
60 A
50 A
40 A
40 A PRD yRÓDAA
PRD yRÓDAA
iSh iSh
cos � = 0,34
L
10 A cos � = 1 50 ę
L
iSh
iSh
= T/10
�z
iSh
f
�z
= T/10
f
iSh
�z f
= T/4
�z
= T/4
f
�z= 2T/5 �z
= 2T/5
f f
0 Hz 1 kHz 2 kHz 3 kHz 4 kHz 5 kHz
0 Hz 1 kHz 2 kHz 3 kHz 4 kHz 5 kHz
Rys.2.6. Widma prądów zródła w układzie czteroprzewodowym z odbiornikiem 25 kVA
przy sterowaniu fazowym dla różnych wartości kąta załączania
a) cos�L = 1, b) cos�L = 0,34
a)
u
� = 0,2
u
U
W
i
i
V
u U
u
V
i
i
W
t
t = T T
wł
i
i
N
t
b)
� = 0,5
u
i
t
T
i
i
N
t
c)
� = 0,8
u
i
t
Ti
i
N
t
15T
5T 20T
10T
Rys.2.7. Przebiegi czasowe napięć i prądów w układzie czteroprzewodowym z odbiornikiem
o cos�L = 1 przy sterowaniu integracyjnym (Ti = var),
a) � = 0,2, b) � = 0,5, c) � = 0,8
-30-
u
u
U � = 0,2
W i
i V
u
uV U
i
i
W
t
i
N
t
5T 20T
10T 15T
Rys.2.8. Przebiegi czasowe napięć i prądów w układzie czteroprzewodowym
z odbiornikiem o cos�L = 0,34 przy sterowaniu integracyjnym (Ti = var) dla � = 0,2
na rys.2.9. Wyniki te uzyskano przy sterowaniu integracyjnym ze zmianą
częstotliwości impulsowania (Ti = var).
b)
50 A
a)
50 A
40 A
iSh
40 A
PRD yRÓDAA
PRD yRÓDAA
iSh
iSh
15 A 15 A
iSh
cos � = 0,34
cos � = 1
L L
iSh
iSh
� = 0,8
� = 0,8 f
f
f
f � = 0,5
� = 0,5
f f
� = 0,2
� = 0,2
200 Hz
200 Hz
50 Hz 400 Hz 600 Hz 800 Hz 50 Hz 400 Hz 600 Hz 800 Hz
Rys.2.9. Widma prądów fazowych zródła napięcia zasilającego w układzie czteroprzewodowym
z odbiornikiem o mocy 25 kVA przy sterowaniu integracyjnym (Ti = var)
dla różnych wartości współczynnika wypełnienia impulsu,
a) cos�L = 1, b) cos�L = 0,34
Przedstawione wyniki badań symulacyjnych potwierdzają, że w
czteroprzewodowym układzie sterowania mocą prądu przemiennego ze sterowaniem
integracyjnym i odbiornikiem rezystancyjno-indukcyjnym prąd w przewodzie
neutralnym może mieć znaczną wartość składowej stałej (rys. 2.8). Jest to niekorzysne
zjawisko zarówno ze względu na jakość sterowania mocą prądu przemiennego
jak i odziaływanie na zródło napięcia zasilającego. Wartość współczynnika zawartości
harmonicznych (w tym podharmonicznych) generowanych w prądzie zródła nie zależy
praktycznie od cos�L odbiornika.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Prześladowania Polaków w Gerlitz Gazeta Powiatowa str 101998 01 str 10 Egzotyczne mezonydane skrzyni tiptronik str 9 i 10więcej podobnych podstron