SVEUILITE U ZAGREBUFAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAUNARSTVA

ZAVRNI RAD br.3160

ANALIZA RADA TROFAZNIHISPRAVLJAA S

POBOLJANJEM FAKTORASNAGEBruno Dan

Zagreb, lipanj 2013

Sadraj

1. Uvod.............................................................................................................................................. 12. Pregled postojeih rjeenja trofaznih ispravljaa s poboljanjem faktora snage......................... 5

2.1 Direktni trofazni sustav........................................................................................................... 53. Modulacija irine impulsa........................................................................................................... 11

3.1. Neisprekidana modulacija irine impulsa............................................................................ 113.1.1. Sinusna modulacija irine impulsa................................................................................ 113.1.2. Neisprekidana modulacija irine impulsa s dodatnom nul komponentom umodulacijskom signalu ........................................................................................................... 14

3.2 Isprekidana modulacija irine impulsa ................................................................................. 153.3. Vektorska modulacija irine impulsa ................................................................................... 16

4. Princip rada trofaznog ispravljaa s modulacijom irine impulsa............................................... 184.1. Princip rada ispravljaa kao naponskog izvora.................................................................... 184.2 Linijski naponi i naponi izmeu faza i neutralne toke......................................................... 23

5. Metoda injektirane struje........................................................................................................... 255.1 Simulacijski model ................................................................................................................ 29

6. Zakljuak ..................................................................................................................................... 32LITERATURA .................................................................................................................................... 33

11. Uvod

Nelinearna troila naruavaju kvalitetu elektrine energije elektroenergetskog sustavana koji se prikljuuju. Tipini predstavnici nelinearnih troila su diodni ispravljakisklopovi. Izlazni kondenzator C (slika 1-1a) puni se kada izlazni napon diodnog mostapostane vei od napona na kondezatoru, a to se dogaa u vrlo kratkom vremenskomintervalu dok je napon mree na koju je ispravlja prikljuen u blizini svoje vrnevrijednosti. Tako je struja kojom se kondenzator nabija velike amplitude i kratkogtrajanja. Strujni impulski punjenja odnosno pranjenja kondenzatora uzrokuju pad naponamree na koju je diodni ispravlja prikljuen. Nepovoljni uinci na mreu odnosno drugatroila koja su prikljuena na mreu, posebno e biti izraeni u sluaju da je mnogoovakvih nelinearnih troila istovremeno prikljueno na mreu. Diodni ispravljai umosnom spoju koriste se za napajanje raunala, tampaa, TV aparata, video ureaja,medicinske instrumentacije, elektronike rasvjete, nekih kuanskih aparata, a u industrijiza napajanje frekvencijskih pretvaraa.

Slika 1-1 a) Trofazni diodni ispravlja prikljuen na mreub) Struja kojom diodni most optereuje mreu

Vii harmonici mrene struje poveavaju jalovu snagu i gubitke koji se javljaju uprijenosnim vodovima elektroenergetskog sustava. Uz to i vii harmonici uzrokujuelektromagnetsko meudjelovanje i ponekad opasnu rezonanciju. Takoer nepovoljnodjeluju na mjernu i upravljaku opremu te sustave zatite kao i na druga elektrina troila.Rezultat je smanjenje pouzdanosti i korisnosti elektrinih troila prikljuenih naelektroenergetski sustav. Nelinearna troila i nesinusna struja uzrokuju nesinusni padnapona na mrenim induktivitetima, tako daje napon kojim se napajaju troila izoblien.

2Gore nabrojeni nepoeljni uinci mogli bi se smanjiti ili ak ukloniti smanjenjeminduktiviteta mree, to vodi do poveanja struje kratkog spoja (rjeenje koje je vrloskupo). Meutim, odlueno je da se problem rijei na samom izvoru ogranienjemgeneriranja strujnih harmonika od strane nelinearnih troila. Ogranienja koja se odnosena generiranje strujnih i naponskih viih harmonika sadrana su u normi IEC 61000-3-2/IEC 61000-3-4 za europsko podruje te u normi IEEE 519-1992 za ameriko trite.

Poznate su mnoge metode za ogranienje i uklanjanje viih strujnih harmonika uelektroenergetskoj mrei. Najee metode smanjenja ve postojeih strujnih harmonikasu: pasivni filtri, aktivni filtri, kombinacija pasivnih i aktivnih filtara te kombinacijajednofaznih i trofaznih diodnih ispravljaa. Drugi pristup problematici smanjenja viihstrujnih harmonika u elektroenergetskom sustavu je prikljuenje lineariziranihsklopovaenergetske elektronike kao to su silazni i uzlazni upravljivi ispravljai.

Klasino rjeenje smanjenja viih harmonika su pasivni LC filtri (serijskakombinacija kondezatora i prigunice) koje se paralelno spajaju troilu. Pojedini filtar jeprojektiran za uklanjanje tono odreenog harmonika tako da broj filtarskih grana koje seprikljuuju ovisi o broju harmonika koje elimo eliminirati. Prednosti pasivnih filtara sujednostavnost i niska cijena. Nedostaci su veliina, gubici, opasnost od rezonancije teprojektiranje za tono odreenu primjenu. U sluaju diodnog ispravljaa jednostavnijerjeenje smanjenja strujnih harmonika je dodavanje prigunice na ulaz ili izlaz mosta(smanjenje strujnih harmonika i do 5%).

Kombinacijom jednofaznih i trofaznih diodnih ispravljaa moe se smanjiti faktorukupnog harmonikog izobljienja jer su esto peti i sedmi harmonik ulazne strujejednofaznog diodnog mosta u protufazi s petim i sedmim harmonikom ulazne strujetrofaznog diodnog mosta.

Alternativno rjeenje pasivnim filtrima se aktivni filtri. Aktivni filtri se s obzirom natopologiju mogu podijeliti na paralelne, serijske te na kombinaciju ova dva tipa. Sobzirom na broj faza dijele se na jednofazne i trofazne ( sa i bez nul vodia). Kaoenergetski dio kruga aktivnog filtra koristi se pretvara s utisnutim naponom ili pretvaras utisnutom strujom. Komercijalno je dostupan samo paralelni aktivni filtar (slika 1-2).Paralelni aktivni filtar upravlja se tako da se ponaa kao strujni izvor. Potrebno je mjeritistruju troila (ial, ibl, icl), napon mree (ua, ub, uc) i napon na izlaznom kondenzatoru Udc tena osnovu izmjerenih veliina izraunati referentne vrijednosti struje aktivnog filtra naosnovu kojih se generiraju upravljaki signali za sklopke pretvaraa. Izraunate referentne

3vrijednosti struje predstavljaju jalovu komponentu i komponentu viih harmonika strujetroila. Aktivni filtar utiskuje na mjestu spajanja nepoeljne komponente struje troila.Rezultat je oduzimanje struje aktivnog filtra od ukupne struje troila tako da na stranimree ostaje u idealnom sluaju samo komponenta osnovnog harmonika struje troila kojaje u fazi s mrenim naponom.

Slika 1-2 Paralelni trofazni aktivni filtarDobra svojstva aktivnog filtra su kompenzacija jalove komponente struje troila (jedininifaktor snage), simetriranje troila (sa strane mree) te bolja kompenzacija harmonika uusporedbi s pasivnim filtrima. Nedostaci su sloenost upravljanja, sklopni gubici ielektromagnetske smetnje koje se javljaju kao posljedica visoke sklopne frekvencije. Dabi se eliminirali visoki harmonici (viekratnici sklopne frekvencije) koji su prisutni kako umrenoj struji tako i u mrenom naponu potreban j emalo nisko propusni filtar izmeumree i aktivnog filtra.

Gore opisane metode poboljanja harmonijskog spektra struje mree bavile su semogunou uklanjanja ve postojeih viih strujnih harmonika u mrei. Drugi pristupproblematici je prikljuenje lineariziranih sklopova koji ne naruavaju kvalitetu elektrinemree energije elektroenergetskog sustaa na koji se prikljuuju. Tipini predstavnik

4lineariziranih sklopova energetske elektronike je upravljivi trofazni ispravlja. Dvije suosnovne topologije upravljivog trofaznog ispravljaa: uzlazni s naponskim izlazom isilazni sa strujnim izlazom. Glavne karakteristike upravljivog trofaznog ispravljaa sudvosmjeran tok energije, priblino sinusna ulazna struja uz jedinini faktor snage, teupravljivost i stabilizacija izlaznog napona (struje) ispravljaa. Slino aktivnim filtrimaupravljivi ispravljai imaju sloenu strukturu upravljanja te niu djelotvornost u odnosuna diodni ispravlja zbog dodatnih sklopnih gubitaka.

Upravljivi ispravlja postaje prihvatljivo rjeenje u industriji zahvaljujui poboljanjukarakteristika poluvodikih sklopki (bre komponente uz vea optereanja) kao i velikomnapretku procesora za obradu signala uz progresivan pad cijena.

U ovom je radu detaljno analiziran trofazni upravljivi ispravlja s poboljanjemfaktora snage (slika 1-3) koji predstavlja uinkovito rjeenje smanjenja viih strujnihharmonika. U usporedbi s diodnim ispravljaem upravljivi ispravlja s poboljanjemfaktora snage predstavlja skuplje rjeenje zbog sloenosti upravljanja i est dvokvadratnihpunoupravljivih sklopki koje upravljaju velikom snagom uz visoku sklopnu frekvenciju.Trofazni upravljivi ispravlja uzima iz mree priblino sinusnu struju.

Slika 1-3 Trofazni upravljivi ispravlja prikljuen na mreuU ovom radu provedena je detaljna analiza trofaznog PWM ispravljaa s injektiranomstrujom. Trofazni ispravljai s injektiranom strujom rankirani su meu najatraktivnijimpretvaraima izmjenine energije u istosmjernu, zahtjevani u srednjim i visokimpogonskim sustavima. Popularnost su stekli zbog njihove strukturne i upravljakejednostavnosti, visoke performanse u smislu poboljanja faktora snage, strujnihharmonika, energetske efikasnosti i regulacije izlaznog napona.

52. Pregled postojeih rjeenja trofaznih ispravljaa spoboljanjem faktora snage

Slika 2-1 Klasifikacija trofaznih ispravljaa s poboljanjem faktora snage

2.1 Direktni trofazni sustavAko se na izlaz trofaznog diodnog mosta prikljui DC/DC uzlazni

pretvara (Slika 2-2), mogue je upravljati izlaznim istosmjernim naponom (iznadvrne vrijednosti mrenog linijskog napona), no ovim se rjeenjem harmonijskispektar ulazne struje pretvaraa ne poboljava u odnosu na isto pasivno rjeenje THD 30%. Ovo sklopovsko rjeenje omoguuje samo smjer energije od mree prematroilu. Relativno visoka kvaliteta ulazne struje je jedino mogua uz veliki omjerulaznog i izlaznog napona te uz kratko vrijeme oporavka prigunica. Zbog velikesnage koji prua ovaj sustav preferira se neisprekidani nain rada.

6a) b)

Slika 2-2 a) Uzlazni DC/DC pretvara kao izlazni stupanj diodnog mostab) Mreni napon i struka kojom ispravlja optereuje mreu

Znaajno poboljanje harmonijskog spektra ulazne struje (uklanjanje niihharmonika) moe se dobiti razdvajanjem kruga na istosmjernoj strani (Slika 2-3) idodavanjem auto-transformatora u zig-zag spoju. Izlazna struja se modulira tri putaveom frekvencijom u odnosu na mrenu frekvenciju. Komponente struje formirane na tajnain preko transformatora se vraaju na ulaz diodnog mosta. Mogu je samo smjerenergije od mree prema troilu. Ovo je rjeenje prvi predloio prof. Mohan sa sveuilitaMinnesota.

a) b)

Slika 2-3 a) Minnesota ispravlja (utiskivanje treeg harmonika preko auto-transformatora u zig-zag spoju s injektiranom strujom)

b) Mreni napon i struja kojom ispravlja optereuje mreu , injektiranastruja

7Ako se prigunica u sklopu uzlaznog DC/DC pretvaraa premjesti s istosmjerne naizmjeninu stranu (strana mree) dobije se sklop s isprekidanom ulaznom strujom(Slika 2-4). Energetski tranzistor na izlazu iz diodnog mosta upravlja se frekvencijomznatno iznad frekvencije mree (oko 6 puta vea frekvencija). Pomou tranzistora izlazdiodnog mosta periodiki se kratko spaja. Stoga u svakoj fazi, na kraju intervala u kojemje tranzistor ukljuen, vrijednost struje je proporcionalna trenutnoj vrijednosti naponaodgovarajue faze. Ovim nainom upravljanja osnovni harmonik ulazne struje je u fazi smrenim naponom. Nakon to se tranzistor iskljui, slijedi razmagnetiziranje ulazneprigunice preko izlaznog kondenzatora. Isprekidana ulazna struja sadri nie harmonike :amplitude pojedinih harmonika ovise o omjeru izlaznog napona i amplitude linijskognapona mree na koju je diodni most prikljuen. Visoka kvaliteta mrene struje povezanaje s velikim navedenim naponskim omjerom i / ili velikim naponskim naprezanjemsklopki. Daljnji nedostatak ovog sklopovskog rjeenja je visoko strujno naprezanje ventilate sloenost filtriranja elektromagnetskih smetnji.

a) b)

Slika 2-4 a) Uzlazni ispravlja u diskontinuiranom (neisprekidanom) nainu radab) Mreni napon i struja kojom ispravlja optereuje mreu

Ukoliko elimo jo vee poboljanje harmonijskog spektra ulazne struje dodajemojo jedan sklopni mehanizam i tri kondenzatora spojenih u neutralnu toku (Slika 2-5).Time smo si osigurali visoku sklopnu frekvenciju u reimu rada izlaznog napona.

8a) b)

Slika 2-5 a) Uzlazni ispravlja u diskontiuniranom reimu rada s dvije sklopkeb) Mreni napon i struja kojom ispravlja optereuje mreu

etverokvadratne sklopke omoguuju utjecanje na stanje vodljivosti ispravljaa, atime i upravljanje naponom na izmjeninom ulaznom dijelu preko modulacije irineimpulsa (Slika 2-6). Ispravlja sa sklopkama spojenima u trokut je aktivni ispravlja spoboljanjem faktora snage.

a) b)

Slika 2-6 a) -ispravlja u kontinuiranom reimu radab) Mreni napon i strujakojom ispravlja optereuje mreu

Slika 2-7 Nadomjesna shema -ispravljaa

9Da bi se eliminirali nii harmonici u mrenoj struji potrebno je u svaku granutrofaznog diodnog mosta umetnuti po jedan punoupravljivi ventil. Na Tehnikomsveuilitu Be (odakle i naziv sklopa) razvijen je sklop prikazan na slici 2-8.Sinusoidalan valni oblik ulaznih struja postignut je odgovarajuim sklapanjem tranzistora(modulacija irine impulsa). Kada je tranzistor ukljuen, pripadna faza je spojena naizlaznu zajedniku toku, to uzrokuje porast pripadne fazne struje. Iskljuenje tranzistoravodi u voenje pripadne diode grane diodnog mosta (gornja ili donja dioda grane ovisno osmjeru struje) i stoga u smanjenje struje pripadne faze. Rezultat je mogunost upravljanjasinusoidalnom ulaznom strujom (za fazne kutove od 30 kapacitivno do 90 induktivno).Zajednika toka na istosmjernoj strani sklopa omoguuje trorazinsko upravljanje. Uodnosu na dvorazinsko upravljanje, razina harmonika u ulaznoj struji je znatno smanjenate su sklopni gubici upola smanjeni. Ovo sklopovsko rjeenje omoguuje samo jedansmjer energije, od mree prema troilu.

a) b)

Slika 2-8 a) Vienna ispravlja (trorazinsko upravljanje sklopkama)b) Razlika izmeu mrenog napona Ua i napona na ulaznoj grani ispravljaa U'aDvosmjerni tok energije i sinusoidalnu ulaznu struju, uz jedinini faktor snage

mogue je ostvariti pomou sklopa na sloci 2-9. Dvorazinsko upravljanje karakteriziravee naponsko naperzanje skolpoki i nepovoljniji harmonijski spektar ulazne struje uodnosu na prethodno sklopovsko rjeenje. Smanjenje sklopnih gubitaka moe se postiidiskontinuiranom modulacijom irine upravljakih impulsa.

10

Slika 2-9 Upravljivi ispravlja kao naponski izvor (etverokvadratni nain rada)Ako dva jednofazna ispravljaa uzlaznog tipa s korekcijom faktora snage spojimo

na istosmjernoj strani na zajedniki kondenzator, a na mreu preko dva jednofaznatransformatora u Scott-ovom spoju (slika 2-10), rezultat je sinusoidalna ulazna struja ufazi s mrenim naponom (analogno transformaciji iz trofaznog u dvofazni sustav).

a) b)

Slika 2-10 a) Ispravlja s transformatorom u Scott-ovom spoju na ulazu i s dvijeupravljive sklopke

b) Mreni napon i struja kojom ispravlja optereuje mreu

11

3. Modulacija irine impulsaDva su glavna naina ostvarenja upravljakih sklopnih signala modulacijom irine

impulsa: generiranje upravljakih signala na osnovu usporedbe modulacijskog signala isignala nosioca (trokutni signal) te izravna digitalna metoda generiranja upravljakihsignala. Za oznaavanje modulacije irine impulsa dalje u tekstu se koristi kratica PWM eng. pulse width modulation.

Openito, PWM se s obzirom na nain sklapanja moe podijeliti na neisprekidani iisprekidani PWM.

3.1. Neisprekidana modulacija irine impulsaKod neisprekidane modulacije irine impulsa modulacijski signal pojedine faze i

signal nosilac se unutar svake sklopne periode presijecaju, stoga se sklapanje dogaaunutar svake sklopne periode. Frekvencija signala nosioca odreuje sklopnu frekvenciju.

3.1.1. Sinusna modulacija irine impulsaNajjednostavnija meu neisprekidanim metodama je sinusna modulacija irine

impulsa, SPWM. Kod SPWM-a sklopni upravljaki impulsi su odreeni presjecitimasinusnog modulacijskog signala frekvencije osnovnog harmonika izlaznog naponapretvaraa i trokutnog signala (Slika 3-1).

Slika 3-1 Odnos modulacijskog signala Umod,a faze a i signala nosioca Unos

12

Ulazi u PWM modulator su modulacijski signal Umod,a (modulacijski signali zafaze b i c prethode, odnosno kasne u odnosu na fazu a za 120) i signal nosilac Unos . Ilaziiz modulatora su upravljaki sklopni signali. Za granu pretvaraa (Slika 8-2) vrijedi:

Umod,a > Unos , sklopka TA+ je ukljuena, uA0= 0,5 UdcUmod,a < Unos , sklopka TA- je ukljuena, uA0= -0,5 Udc

a) b)

Slika 3-2 a) PWM pretvara optereen R-L-E tipom troilab) Osnovni valni oblici PWM pretvaraa

Sklopke iste grane nisu nikada istovremeno iskljuene pa izlazni napon pretvaraauA0 moe poprimiti samo vrijednosti 0,5 Udc i -0,5 Udc (Slika 3-2).

Ako je frekvencijski indeks modulacije mf (omjer sklopne frekvencije ifrekvencije osnovnog harmonika) dovoljno velik (u pravilu je taj uvjet ispunjen) umod sevrlo malo mijenja unutar sklopne periode pa je pretpostavka o konstantnostimodulacijskog signala unutar sklopne periode opravdana. Trenutana vrijednostizlazaznog napona pretvaraa unutar sklopne periode je u tom sluaju odreena naslijedei nain:

, umod < Unos (3.1)

Trenutana srednja vrijednost izlaznog napona (koja se dobije usrednjavanjem nasklopnoj periodi) odgovara osnovnom harmoniku izlaznog napona pretvaraa uA0. Izgornjeg razmatranja je jasno da se za modulacijski signal umod odabire sinusni valni oblik

13

da bi na izlazu pretvaraa dobili sinusni napon sa to manjim sadrajem viih nepoeljnihharmonika. Stoga se za modulacijski signal bira sljedei valni oblik:

umod = Umod*sin(1t), umod Unos (3.2)Gdje je 1 eljena frekvencija (ili frekvencija osnovnog harmonika) izlaznog naponapretvaraa uA0. Na osnovu gore iznesenog naina upravljanja osnovni harmonik izlaznognapona pretvaraa je odreen na sljedei nain:

, (3.3)

Amplitudni indeks modulacije je definiran na sljedei nain:

(3.4)

Frekvencijski indeks modulacije je definiran na sljedei nain:

(3.5)Gornji izraz pokazuje da se amplituda osnovne komponente izlaznog napona

pretvaraa mijenja linearno s ma (za ma 1). Linearno podruje rada pretvaraa za SPWMje 0ma1.

Vii harmonici koji se javljaju u izlaznom naponu pretvaraa se grupiraju okosklopne frekvencije i njenih viekratnika. Ovo pravilo za raspored harmonika vrijedi zalinearno podruje rada pretvaraa. Za frekvencijski indeks modulacije mf 9 (to jeuvijek zadovoljeno osim aza vrlo velike snage), amplitude pojedinih harmonika su gotovoneovisne o mf iako mf odreuje frekvencije na kojima se harmonici javljaju.

Za daljnje poveanje amplitude osnovne harmonike komponente izlaznog naponapretvaraa, ma je potrebno poveati iznad 1.0 i pretvara ulazi u nelinearno podruje rada(nepovoljniji harmonijski spektar u odnosu na linearno podruje rada). U nelinearnompodruju rada odabir frekvencijskog modulacijskog indeksa mf utjee ne samo nafrekvenciju harmonika koji se javljaju u izlaznom naponu, ve i na amplitude pojedinigharmonika (u linearnom podruju taj utjecaj je zanemariv). Izbjegava se nelinearnopodruje rada pretvaraa u sustavima neprekinutog napajanja dok se u elektromotornimpogonima (napajanje asinkronih motora) koristi kao normalno podruje rada. Za dovoljnoveliku vrijednost ma (modulacijski signal presijeca signal nosilac samo u jednoj toki i to

14

pri prolasku modulacijskog signala kroz nulu), izlazni napon pretvaraa uA0 postajepravokutni.

Za ove uvjete izazni napon pretvaraa se ne moe mijenjati promjenom amplitudnogmodulacijskog indeksa, ve jedino promjenom ulaznog napona pretvaraa Udc .harmonijski spektar je takoer izrazito nepovoljan (svi neparni harmonici). Pogodnost jeto to pojedina sklopka mijenja sklopno stanje samo dva puta po periodi (znaajnosmanjenje gubitaka, posebno bitno u primjeni na veim snagama).

3.1.2. Neisprekidana modulacija irine impulsa s dodatnom nulkomponentom u modulacijskom signalu

Uz uvjeet da neutralna toka izmjenine strane pretvaraa N i srednja tokaistosmjerne strane pretvaraa O (slika 3-3) nisu meusobno spojene (to je u praviluispunjeno), fazne struje ovise samo o razlici napona izmeu faza. Stoga je moguemodulacijskom signalu dodati odgovarajuu nultu komponentu (eng. zero sequencesignal, ZSS) frekvencije tri puta vee od frekvencije eljenog osnovnog harmonika kojane uzrokuje izoblienje faznih napona pretvaraa UAN, UBN, UCN. (Dalje u tekstu za nultukomponentu koristit emo kraticu ZSS). U svakom sluaju dodavanje ZSS-a mijenja sevalovitost struje, te neki parametri modulatora kao to je proirenje linearnog podrujarada pretvaraa, smanjenje srednje sklopne frekvencije i udjela strujnih harmonika. ZSSse javlja izmeu toaka N i O (slika 3-2) te se moe vidjeti na naponima UA0, UB i UC0.Naelna blok shema raunanja ZSS-a u0 prikazana je na slici 3-3.

Slika 3-3 Raunanje ZSS-a i generiranje upravljakih signala

15

3.2 Isprekidana modulacija irine impulsaIsprekidani tip modulacije irine impulsa (eng. discontinuos PWM, DPWM) spada

u sinusnu modulaciju irine impulsa s dodatnom nul komponentom. Ideja se temelji napretpostavci da samo dvije faze (grane mosta) sklapaju unutar sklopne periode (jedna fazaje 60 neupravljiva: u podruju neupravljivosti ne sklapa). Izravno digitalno ostvarenjeisprekidanog tipa modulacije rezultira u samo jednom nultom stanju po sklopnoj periodi.Ovaj nain upravljanja daje 33%-tno smanjenje efektivne sklopne frekvencije, a time ipripadnih sklopnih gubitaka. Naelna blok shema raunanja ZSS-a uo prikazana je na slici3-3.

Za modulacije DPWM0, DPWM1 i DPWM2 potrebno je definirati fazni kut modulacije koji je odreen presjecitem dvaju susjednih faznih modulacijskih signala, = 0 zat=/6 (slika 3-4). Modulacijski signali za test maksimalne amplitude se pomiu za kut .Faznom kutu modulacije = 0 odgovara modulacija DPWM0, kutu = /6 odgovaramodulacija DPWM1, dok kutu = /3 odgovara modulacija DPWM2.

Slika 3-4 Generiranje ZSS-a za DPWM0/1/2

16

3.3. Vektorska modulacija irine impulsaTrofazni pretvara (est sklopki) ima osam moguih sklopnih stanja; est aktivnih

i dva nulta sklopna stanja. Svako sklopno stanje predstavlja odgovarajui vektor ukompleksnoj ravnini (slika 3-5).

Slika 3-5 Vektorski prikaz moguih sklopnih stanja pretvaraa (SA+, SB+, SC+)Aktivni vektori dijele ravninu na est sektora; referentni vektor U* (vektor

eljenog izlaznog napona pretvaraa) dobije se pravilnim odabirom dva susjedna vektora(pravilnim odabirom vremena trajanja pojedinog vektora). Referenti vektor mogue jedobiti pomou dva susjedna vektora, a nulti vektori smanjuju amplitudni indeksmodulacije.

Slika 3-6 Izravna digitalna metoda generiranja upravljakih signalaMaksimalno doputena duljina referentnog vektora U*, za bilo koji kut vektora jeU*max= Udc/3.

17

Slika 3-7 Sklopna stanja pretvaraaZa vee vrijednosti izlaznog napona do maksimalno mogueg odreenog

maksimalnim amplitudnim indeksom modulacije M = 1, pretvara radi u nelinearnompodruju upravljake karakteristike. Modulacija utemeljena na vektorskom prikazuizlaznog napona pretvaraa postala je jako popularna zbog svoje jednostavnosti i dobrihsvojstava. Nisu potrebni zasebni modulatori za svaku fazu. Frekvencija uzrokovanjareferentnog vektora U* je 2fs = 1/Ts.

18

4. Princip rada trofaznog ispravljaa s modulacijom irineimpulsa

Sposobnost isklapanja pomou upravljake elektrode omoguuje potpunoupravljanje pretvaraem, iz razloga to se poluvodiki ventili mogu po volji uklopiti iisklopiti. Ova osobina pretvaraa donosi nekoliko prednosti:

Struja ili napon se mogu modulirati, PWM, stvarajui mnogostruko manjeharmonikih oteenja

Omoguena je kontrola i reguliranje faktora snage

Mogunost ispravljaa kao naponskog ili strujnog izvora

Dva su pristupa implementacije trofaznih ispravljaa s modulacijom irine impulsa; kaoispravljai sa strujnim izvorom, gdje se snaga prenosi pomou premjetanja napona dc-linka; kao ispravljai s naponskim izvorom, gdje se snaga prenosi pomou premjetanjastruje dc-lnka. Osnove ovih dviju topologija prikazuje slika 4-1.

Slika 4-1 a) Ispravlja kao strujni izvorb) Ispravlja kao naponski izvor

4.1. Princip rada ispravljaa kao naponskog izvoraIspravlja kao naponski izvor se ee koristi, a zbog dualnosti dviju topologija

prikazanih na slici 4-1, u detalje e se prouiti samo ovaj tip ispravljaa. Osnovni principrada ispravljaa kao naponskog izvora zasniva se na odravanju napona istosmjernogmeukruga kod eljene referentne vrijednosti, koritenjem regulacijske petlje s povratnom

19

vezom kako je prikazano na slici 4-2. Kako bi se ispunila ova zadaa, napon dc linka semjeri i usporeuje s referentnim naponom Uref. Signal pogreke dobiven ovomusporedbom upotrebljava se za uklapanje i isklapanje est ventila ispravljaa. Snaga sepredaje ili uzima od izmjeninog izvora ovisno o potrebama napona dc linka. Napon UDse mjeri na kondenzatoru CD.

Slika 4-2 Princip rada ispravljaa kao naponskog izvoraU ispravljakom nainu rada struja ID je pozitivna i prazni se kondenzator CD.

Signal pogreke preko regulacijskog bloka (engl. Control Block) potrauje potrebnu snaguiz ac napajanja tj. mree. Regulacijski blok generira odgovarajue PWM signale za estventila ispravljaa. U ispravljakom nainu rada vie struje tee s izmjenine strane naistosmjernu stranu, nabijajui kondenzator na potrebnu vrijednost napona. Obratno, uizmjenjivakom nainu rada struja ID je negativna i dolazi do prenabijanja kondenzatoraCD. Signal pogreke preko regulacijskog bloka upravlja ventilima na nain da se praznikondenzator i da se snaga vraa u izmjeninu mreu. Odgovarajuim PWM upravljanjemmoe se upravljati aktivnom i jalovom snagom, omoguavajui time korekciju faktorasnage. Pored toga, moe se ouvati gotovo sinusoidalni valni oblik struje, smanjujuiharmonika oneienja mrenog napajanja.

Pulsno-irinska modulacija temelji se na uklapanju i isklapanju ventila pratei definiraniupravljaki signal sinusoidalnog valnog oblika. Na primjer, modulacija jedne faze moebiti kao to je prikazano na slici 4-3. PWM uzorak je periodian valni oblik ija jeosnovna harmonika komponenta (osnovni lan) napon jednake frekvencije kao iupravljaki signal. Amplituda osnovnog lana Umod na slici 4-3., proporcionalna je samplitudom upravljakog signala.

20

Slika 4-3 PWM uzorak i njegov osnovni lan Umod

Kako bi ispravlja ispravno funkcionirao, frekvencija osnovnog lana PWMuzorka (Umod) mora biti ista kao i frekvencija mree. Mijenjanjem amplitude ovogosnovnog lana i faznim pomicanjem u odnosu na mreu, ispravljaem se moe upravljatitako da radi u etiri kvadranta: ispravlja s vodeim faktorom snage, ispravlja szaostalim faktorom snage, izmjenjiva s vodeim faktorom snage i izmjenjiva szaostalim faktorom snage. Promjenom uzorka modulacije mijenja se amplituda inaosnovnog lana Umod. Pomicanjem PWM uzorka mijenja se fazni pomak, slika 4-4.

Slika 4-4 Promjena Umod preko PWM uzorkaMeusobna interakcija osnovnog lana Umod i U (napon izvora), tj. rad ispravljaa

u etiri kvadranta moe se prikazati preko fazorskog dijagrama kojeg prikazuje slika 4-5.Struja Is na slici 4-5 predstavljaefektivnu vrijednost struje izvora is. Ta struja prolazipoluvodikim ventilima kako je prikazano na slici 4-6. Za vrijeme pozitivne poluperiode,tranzistor TN, koji je spojen na negativnu stranu dc-linka uklopi, te struja is poinje teikroz tranzistor TN (iTn). Struja se vraa u izvor i nazad na ventile, zatvarajui petlju s

21

drugom fazom, prolazei kroz diodu koja je takoer spojena na negativnoj strani dc linka.Struja takoer moe odlaziti prema dc troilu (inverzija) i vratiti se nazad preko drugogtranzistora spojenog na pozitivnu stranu istosmjernog meukruga. Kada tranzistor TNisklopi, put struji se prekida, te tada struja poinje tei preko diode DP, spojene napozitivnoj strani istosmjernog meukruga. Ova struja, oznaena s iDp na slici 4-6., odlazidirektno na istosmjerni meukrug, pomaui u stvaranju struje iDC. Struja iDC punikondenzator CD i dozvoljava ispravljau prijenos snage. Induktiviteti LS su veoma vani ucijelom ovom procesu, iz razloga to stvaraju inducirani napon koji omoguuje voenjediode DP.

Slika 4-5 a) PWM ispravlja kao naponski izvor; b) Ispravljaki nain rada prijedininom faktoru snage; c) Izmjenivaki nain rada pri jedininom faktoru snage;d) kapacitivni nain rada pri faktoru snage nula; e) Induktivni nain rada pri faktoru

snage nula

22

Slino se dogaa i tijekom negativne poluperiode, ali s tranzistorom TP i diodomDN (Slika 4-6). Kod izmjenjivakog naina rada, smjerovi struje su razliiti iz razloga tosada struje koje teku kroz tranzistore dolaze s kondenzatora CD. Kod ispravljakog nainarada, sklop radi slino kao uzlazni istosmjerni pretvara, a kod izmjenjivakog nainarada radi kao silazni istosmjerni pretvara.

Kako bi se u potpunosti kontrolirao rad ispravljaa, potrebno je da su diode zapornopolarizirane za sve trenutane vrijednosti izmjeninog napona izvora. U protivnom, diodebi provele, te bi se PWM ispravlja ponaao kao diodni mosni ispravlja. Diode e biti uzapiranju ako je napon dc linka uvijek vei od vrne vrijednosti napona kojeg bi inaegenerirao mosni diodni ispravlja, kako je to prikazano na slici 4-7.

Slika 4-6 Valni oblici struje izvora, poluvodikih ventila i dc-linkaDiode e provesti samo u sluaju kada tranzistor uklopi. Na slici 4-7. UD predstavljaistosmjerni napon kondenzatora, koji se dri viim od vrijednosti ispravljenog napona(vBRIDGE) koji bi se dobio uobiajenim diodnim mosnim ispravljaem. Kako bi postigli oviuvijete, ispravlja mora imati regulacijski krug slian onome prikazanom na slici 4-2.

23

Slika 4-7 Napon dc-linka potreban za ispravno funkcioniranje PWM ispravljaa

4.2 Linijski naponi i naponi izmeu faza i neutralne toke

PWM valni oblici prikazani u prethodnim slikama su naponi mjereni izmeusrednje toke napona istosmjernog meukruga i odgovarajue faze. Linijske PWM naponemogue je dobiti pomou jednadbe:

UPWMAB = UPWMA - UPWMBNapon UPWMAB je napon izmeu faze A i faze B. UPWMA i UPWMB su naponi mjereniizmeu srednje toke napona istosmjernog meukruga i faze A odnosno B. Napon izmeupojedine faze i neutralne toke mogue je dobiti pomou jednadbe:

UPWMAN = 1/3(UPWMAB UPWMCA)

Gdje je UPWMAN napon izmeu faze A i neutralne toke, a UPWMjk je linijski napon izmeufaze j i faze k. Slika 4-8 prikazuje PWM uzorak za linijski i napon izmeu faze i neutralnetoke.

24

Slika 4-8. PWM modulirani naponi: a) PWM modulacija faze, b) PWM moduliranilinijski napon, c) PWM modulirani napon izmeu faze i neutralne toke

25

5. Metoda injektirane struje

Spomenuti trofazni ispravljai imaju relativno veliko harmoniko izoblienjeulazne struje. Rjeavanje problema velikog harmonikog izoblienja prikazano je na slici5.1. Razlika izmeu obinog trofaznog diodnog mosta i mosta prikazanog na slici 5.1 je utome to su dodana dva podsustava, modulacijski sustav i sustav za utiskivanje struje.Kada se ta dva sustava poblie analizira, oni su spojeni na trofaznom ispravljau sa 5izvoda, pruajui vezu izmeu ulaza i izlaza ispravljaa. Svrha ovih dva podsustava jeoblikovanje ulazne struje i reduciranje harmonikog izoblinja. Pretpostavimo da jeispravlja napajan sa simetrinim neizoblienim trofaznim naponom

Slika 5-1 Trofazni ispravlja s utiskivanjem struje

(5.1)

za p={1,2,3}. Cilj ovakvog spoja je dobivanje istog sinusoidalnog ulaza struje u fazi saulaznim naponom,

(5.2)

26

Valni oblik prikazan u izrazu (5.2) je cilj koji elimo posti spojem za utiskivanje struje,no valni oblici koji e biti priblino sinusoidalni navedenom izrazu, mogu se prihvatiti saharmonikim izoblienjem par postotnog iznosa.

Kako bi smanjili harmoniko izoblienje ulazne struje, glavni predmetprouavanja su jazovi ulazne struje, koji se pojavljuju u intervalima kada je faza napona,tj. valni oblik napona izmeu maksimalnog i minimalnog iznosa, uzrokujui tako da objediode koje su spojene na tu fazu budu reverzirane. Uz uvjete diodnih funkcija, navedeniintervali su opisani izrazom (5.3) za p={1,2,3}.

(5.3)

Ulazne struje od trofaznog ispravljaa sa slike 5.1, prikazani su izrazima (5.4), (5.5), (5.6).

(5.4)

(5.5)

(5.6)

Sve tri struje trebaju imati isti valni oblik, pomaknut za 120.

(5.7)

Kako bi fazni pomak ulaznih struja bio zadovoljen i ouvan, utisnute struje ix1, ix2, i ix3isto tako trebaju imati razliku od 120 u fazama.

(5.8)

Osnovna frekvencija struja iA i iB koje ulaze u modulacijski sustav, jednaka je treinilinijske frekvencije na izlazu iz ispravljaa. Struje ix1, ix2, i ix3 koje izlaze iz sustava zautiskivanje struje su jednake treini struje koja dolazi iz sustava za modulaciju iY.

(5.9)

27

Svrha sustava za utiskivanje struje je da dijeli struju iz modulacijskog sustava u trijednaka dijela i da je vraa u napojne grane ispravljaa.

Prema Kirchoffovom zakonu za struje, struja koja izlazi iz modulacijskog sustavajednaka je razlici struja koje ulaze u njega sa izlaza ispravljaa.

(5.10)

Uz pretpostavku da modulacijski sustav ne uzima istosmjernu komponentu izlazatrofaznog ispravljaa IOUT, te uz pretpostavku da izlazna struje ne sadri valovitost odstruje napajanja, izlazna struja je jednaka istosmjernoj komponenti koja se nalazi na izlazutrofaznog diodnog mosta.

(5.11)

Struje koje prima modulacijski sustav sa izlaza trofaznog diodnog mosta dane suizrazima:

(5.12)

(5.13)

Prema Kirchoffovom zakonu za struje, struja kojom modulacijski sustav napaja sustav zautiskivanje struje iznosi:

(5.14)

28

Slika 5-2 Tok struje treeg harmonikaTok harmonike struje pri treini linijske izlazne frekvencije prikazan je slikom

5-2. Harmonike struje pri treini linijske izlazne frekvencije prikljuene su namodulacijski sustav preko struja iIA i iIB koje teku kroz troini sustav sastavljen od strujaiIA, iIB, i iY. Nakon to se struja iY procesira u sustav za utiskivanje struje, tok treegharmonika struje nalazi se u etveroinom simetrinom sustavu sastavljen od struja iS1,iS2, iS3 i iY. Konano, tok je zatvoren na ulazu trofaznog diodnog ispravljaa, koji jenelinearan ureaj. Slika 5-2 prikazuje kruni tok treeg harmonika struje, te njegov utjecajna ukupno harmoniko izoblienje ulazne struje.

29

5.1 Simulacijski modelSimulacijski model sustava trofaznog upravljivog ispravljaa s utiskivanjem struje

modeliran je u programskom okruenju PLECS (Slika 5-3).

Slika 5-3 Trofazni upravljivi ispravlja s poboljanjem fakotra snage i metodomutiskivanja struje

Simulacijski model modulacijskog sustava prikazan je slikom 5-4.

Slika 5-4Modulacijski sustav

30

Simulacijski model sustava za utiskivanje struje prikazan je slikom 5-5.

Slika 5-5 Sustav za utiskivanje struje

Trofazni ispravlja s modulacijom irine impulsa

Frekvencija uzrokovanja fu 5 kHzOmski otpor ulazne prigunice L 0.3

Induktivitet ulazne prigunice L 1 mHKapacitet izlaznog kondenzatora C1 100 F

Sklopna frekvencija fs 5 kHzFazni napon mree U 325 V

Frekvencija napona mree f 50 HzModulacijski sustav

Otpori sustava R1, R2, R3 50

Kapaciteti sustava C2, C3 1000 F

Induktivitet sustava L5 100 mH

Sustav za utiskivanje strujeKapaciteti sustava Cg, Cg1, Cg2 500 FInduktiviteti sustava L6, L7, L8 150 mH

Tabela 5-1 Parametri ispitivanog sustava

31

Slika 5-6 Valni oblici izlazne struje Id, izlaznog napona Ud, ulaznih struja Iul

32

6. ZakljuakDoputena razina harmonika ulazne struje potroaa koji se prikljuuju na

elektroenergetski sustav odreena je IEC 555 normom u Europi. Stoga su sve veizahtjevi na odabir sklopova energetske elektronike koji ne naruavaju kvalitetu elektrineenergije elektroenergetskog sustava na koji se prikljuuju. U skladu s tim zahtjevima,analizirani upravljivi trofazni ispravlja s poboljanjem faktora snage i metodomutiskivanja struje sve vie dobiva svoje mjesto u primjeni.

U ovom radu provedena je analiza cijelog aktivnog sustava s poboljanjem faktorasnage i sustava s metodom utiskivanja struje. Analizom rada i karakteristika, trofazniupravljivi ispravlja nalazi najbolju primjenu u konim sustavima.

Rezultati usporedbe trofaznog upravljivog ispravljaa i trofaznog upravljivogispravljaa s metodom utiskivanja struje jasno pokazuju poboljanje harmonijskog spektraulazne struje upravljivog ispravljaa s metodom utiskivanja struje nego bez spomenutemetode. Faktor ukupnog harmonikog izoblienja ulazne struje ispravljaa za sluaj kadaje most od upravljivog ispravljaa spojen preko ulaznih prigunica iznosi 10%, dok uzmetodu utiskivanja struje faktor harmonikog izoblienja iznosi manje od 5%. Daljnjasmanjenja faktora ukupnog harmonikog izoblienja ulazne struje upravljivog ispravljaamogua su primjenom manje osjetljivih algoritama regulacije upravljivog ispravljaa naizoblienje napona mree na koju se prikljuuju.

Valni oblik ulazne struje prati valni oblik napona mree na koju je ispravlja prikljuenrezultirajui priblino jedininim ukupnim faktorom snage.

33

LITERATURAKNJIGE[K1] Daniel W. Hart, Power electronics, Valparaiso UniversityValparaiso, Indiana.[K2] Mariusz Malinowski, Sensorless Control Strategies for Three Phase PWMRectifiers, Ph.D.Thesis, Faculty of electrical engineering, Warsaw, 2001.[K3] Predrag Pejovi, Three-Phase Diode RectifiersWith Low Harmonics - Current Injection Methods, University of Belgrade.[K4] Miljana Odavi, Upravljivi trofazni ispravlja s jedininim faktorom snage,Magistarski rad, Zagreb, 2004.

LANCI

[C1] Kolar J.W., Friedli T., The Essence of Three Phase PFC Rectifier Systems Part I,IEEE Transactions on Power Electronics, 2012.[C2] Hadi Y. Kanaan, Kamal Al-Haddad, Three Phase Current Injection Rectifiers,IEEE Transactions on Power Electronics, 2012.[C3] Bhim Singh, Brij N. Singh, Ambrish Chandra, Kamal Al-Haddad, Ashish Pandey,Dwarka P. Kothari, A Review of Three-Phase Improved Power Quality AC-DCConverters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004.[C4] Predrag Pejovi, Predrag Boovi, and Doron Shmilovitz, Low-Harmonic, Three-Phase Rectifier that Applies Current Injection and a Passive Resistance Emulator,IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005.