07 primena strujnih pretvaraca

ETF, 20.12.2010. 1

Primena strujnih pretvarača učestanosti

u elektromotornim

pogonima sa asinhronim motorom

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

[email protected], [email protected]

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

ETF, 20.12.2010. 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, 20.12.2010. 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

L1L2L3

380V, 50Hz

Ld

U WV

M3 ~

AC MOTOR

ETF, 20.12.2010. 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, 20.12.2010. 5

Regenerativno kočenje

Princip vraćanja energije u mrežu kod strujnog invertora

ETF, 20.12.2010. 6


ETF, 20.12.2010. 7


Diode

ETF, 20.12.2010. 8


Tiristori

(SCR)

ETF, 20.12.2010. 9


Tiristori

sa kolom za gašenje (GTO)

ETF, 20.12.2010. 10


Tiristori

sa komutovanim

gejtom

(GCT, IGCT, SGCT)

ETF, 20.12.2010. 11


IGBT tranzistori

ETF, 20.12.2010. 12


Ostale komponente

MOSFET,

ETO

(emitter turn-off thyristor),

MCT (MOS-controlled

thyristor),

SIT (static

induction

thyristor),

IEGT (injection

enhanced

gate transistor).

ETF, 20.12.2010. 13


kola

ETF, 20.12.2010. 14


kola

Interval A

Interval B

ETF, 20.12.2010. 15


kola

Interval C

Interval D

ETF, 20.12.2010. 16


ETF, 20.12.2010. 17


Analiza talasnog oblika struje na izlazu invertora

,...5,3,1

)sin()2

sin(4

k

DCa tkk

kI

i

...)11sin(

111)7sin(

71)5sin(

51)sin(32 ttttIi DCa

DCDC III 1,1321

DCDCRMS III 78,06

ETF, 20.12.2010. 18


Uticaj sprege motora

)11sin(

111)7sin(

71)5sin(

51)sin(2 ttttIi DCR

ETF, 20.12.2010. 19


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

t

ia

IDC

-IDC

123

5

4

90

,...5,3,1

)sin(k

ka tkAi

)()sin()(4

0

tdtktiI

A aDC

k

)cos()cos()cos()cos()cos(4

54321

kkkkk

kI

A DCk

ETF, 20.12.2010. 20


Uticaj rada prekidača na talasni oblik napona

time [s]

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Vol

tage

, Ua [

V]

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Cur

rent

, ia [

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

, Ua [

V]

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Cur

rent

, ia [

A]

-6

-4

-2

0

2

4

6

VoltageCurrent

ETF, 20.12.2010. 21



ETF, 20.12.2010. 22



Strujni invertor

sa autosekvencijalnom

komutacijom

(ASCI, LCI)

ETF, 20.12.2010. 23



Strujni pretvarači

sa višeimpulsnim

tiristorskim

ispravljačem

ETF, 20.12.2010. 24



Strujni PWM invertor

sa IGBT tranzistorima

Napajanje Ulazni filtar Izlazni filtar Motor

Invertor Ispravljač

ETF, 20.12.2010. 25




sa GTO tiristorima

ETF, 20.12.2010. 26




sa SGCT tiristorima

Ispravljač Prigušnica Invertor

ETF, 20.12.2010. 27



Strujni pretvarači

sa PWM ispravljačem

ETF, 20.12.2010. 28



Strujni pretvarači

sa dvostrukim PWM ispravljačem

ETF, 20.12.2010. 29



Strujni pretvarači

za posebno konstruisan motor

ETF, 20.12.2010. 30



Strujni pretvarači

bez transformatora na ulazu

ETF, 20.12.2010. 31



Primena integrisane prigušnice

u jednosmernom međukolu

ETF, 20.12.2010. 32



Primena integrisane prigušnice

u jednosmernom međukolu

ETF, 20.12.2010. 33



Hibridni strujno-naponski invertor

Ispravljač Prigušnica Strujni invertor

Naponski invertor

ETF, 20.12.2010. 34


ETF, 20.12.2010. 35


Nezavisna

regulacija

struje

i učestanosti

Strujni invertor

M 3~

r

i -

+ e

s*

i *dc

dc

napajanje

+ +

PI regulator

ETF, 20.12.2010. 36


Skalarno

upravljanje sa konstantnim fluksom

Strujni invertor

M 3~

generator funkcije

r

i -

+ e

s*

i *dc

dc

napajanje

+ +

PI regulator

r *

- +

ETF, 20.12.2010. 37


Skalarno

upravljanje u otvorenoj sprezi (Sever Microvert)

Strujni invertor

M 3~

i - +

e

i *

napajanje

r*

= ~

U*

= ~

f U

U-

+

ETF, 20.12.2010. 38


Indirektno vektorsko upravljanje

Strujni invertor

M 3~

kalkulatorklizanja

resolver diferencijatorsq i *

i sd *

r

rf

i -

+

e

+

s*

i *s

dc

1/s

napajanje

+ +

e

kružni brojač

+

PI regulator

ETF, 20.12.2010. 39


Indirektno vektorsko upravljanje (unapređenje osnovne šeme)

M 3~

E

Ispravljač Strujni invertorL DC

Kolo za paljenje

tiristora bez fazne greške

I d 6 r

3~ 2= 1/s

U c

Kalkulator klizanja

r

s*

e

e I d

i s*i ref

ref

r

+ _

+ _

+

+

Regulator brzine

arccos

Resolver

Mikrokontroler

i sd*i sq

*

i sd* i sq

*

i a,b,c* 3

i s* Regulator struje

ETF, 20.12.2010. 40


Direktno vektorsko upravljanje

(Rockwell PowerFlex

7000 Direct-to-Drive)

ETF, 20.12.2010. 41


Direktna kontrola momenta (osnovna šema iz literature)

Strujni invertor

M 3~

-

+

|rref|

napajanje

PI regulator fluksa

Optimalna tablica aktiviranja prekidača

Estimator fluksa i

momenta

- +

Te*

rR

Te

Histerezisni komparator

Pozicija rotorskog

fluksa

sD

sQ

i2 (Te )

i6 (Te )r’

sD

sQ

i3 (Te ) i1 (Te )

r’

a

i 1

i 2

i 3

i 4

i 5

i 6

b

c

/6

/2 5/6

-/6

-/2

-5/6

ETF, 20.12.2010. 42


Direktna kontrola momenta (predloženo rešenje)

M 3~

-

+

r*

380V, 50Hz

Strujni invertor

PI regulator fluksa rotora

Modifikovana optimalna tablica izbora prekidača

Estimator fluksa i

momenta

- +

Te_ref

r

Te

Pozicija fluksa rotora

PI regulator momenta

Resolver

+ +

-

+

PI regulator struje

s e

Te*

računanje isq*

r*

isd*

isq*

is_ref

IDC

s

LDC

UDC IDC

s

IDC

S1…6

s2

i2 (s1) i1 (s)

r s1

is_ref1

is_ref2

2

1

5

4

3

6

ETF, 20.12.2010. 43


ETF, 20.12.2010. 44


Strujni

pretvarači

kao napajanje asinhronih motora

Sever Microvert

ETF, 20.12.2010. 45


Strujni

pretvarači

kao napajanje asinhronih motora

Laboratorijski prototip,ETF Laboratorija

za elektromotorne pogone

ETF, 20.12.2010. 46


Primena strujnih pretvarača u pogonima velikih snaga (1MW i više –

Rockwell

PowerFlex

7000, Alstom

CDL8000)PowerFlex

7000 B i C (dole)

ETF, 20.12.2010. 47


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

Alstom

ETF, 20.12.2010. 48


Savremena industrijska rešenja

ETF, 20.12.2010. 49


Savremena industrijska rešenja (višemotorni

pogon

trakastog

transportera

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

LIMREGGRB

LIMREGGRB

nmer

nmer

S

T

S

T

ETF, 20.12.2010. 50


Savremena industrijska rešenja (višemotorni

pogon

pumpi –

primena sinhronog transfera)

ETF, 20.12.2010. 51


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, 20.12.2010. 52


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

ETF, 20.12.2010. 53

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, 20.12.2010. 54

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, 20.12.2010. 55

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 Atomation, 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, 20.12.2010. 56

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.Nikolić, “Vektorsko

upravljanje

asinhronim

pogonom

sa

strujnim

pretvaračem

učestanosti”, Magistarska

teza, Elektrotehnički

fakultet

u Beogradu, Beograd, Maj

1999

A.Nikolić, “Direktna kontrola momenta

asinhronog

motora

napajanog iz

strujnog

pretvarača učestanosti”, Doktorska disertacija, Elektrotehnički

fakultet

u Beogradu, Beograd, April

2009

07 primena strujnih pretvaraca

Documents