Z. Fedyczak - Impulsowe Uklady Sterowania.pdf
(
4718 KB
)
Pobierz
402394350 UNPDF
Zbigniew Fedyczak
Instytut Inżynierii Elektrycznej
Uniwersytet Zielonogórski
ul. Podgórna 50
65-246 Zielona Góra
e-mail:
Z.Fedyczak@iee.uz.zgora.pl
Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Henryk Supronowicz, Politechnika Warszawska
dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka, prof. AGH, Akademia Górniczo-Hutnicza
Skład i łamanie: Autor
Projekt okładki: Julita Kłosińska
ISBN 83-89321-51-3
© Copyright by Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra 2003
Rozdział 1
Wprowadzenie
1.1. Bezpośrednie transformowanie napięć przemiennych
Bezpośrednie transformowanie napięć przemiennych jest formą zmiany para-
metrów wielkości fizycznych charakteryzujących energię elektryczną prądu
przemiennego (AC). Polega ono na zmianie napięcia, a przez to prądu oraz mo-
cy obciążenia, bez zmiany częstotliwości jego harmonicznej podstawowej, któ-
ra jest taka sama jak częstotliwość napięcia zasilania, podobnie jak w przypad-
ku transformowania napięć przemiennych za pomocą transformatora konwen-
cjonalnego.
Ogólną klasyfikację jednofazowych i trójfazowych układów prądu prze-
miennego (AC) do bezpośredniego transformowania napięć przemiennych po-
kazano na rys.1.1, gdzie zamieszczono uproszczone schematy układów trójfa-
zowych, które można traktować jako przykład skojarzonych układów jednofa-
zowych. W przedstawionej klasyfikacji wyróżnikiem jest sposób transformo-
wania napięć przemiennych.
Omawiane układy można podzielić na trzy grupy. Na układy, w których jest
stosowane tylko sprzężenie elektromagnetyczne (transformatory konwencjonal-
ne). Drugą grupę stanowią układy, w których stosowane jest tylko sprzężenie
elektryczne. Do trzeciej grupy zaliczono układy hybrydowe (ze sprzężeniem
elektrycznym i elektromagnetycznym). Do drugiej i trzeciej grupy zaliczono
układy z łącznikami nie w pełni sterowalnymi (układy tyrystorowe o sterowaniu
fazowym albo integracyjnym z tyrystorami typu SCR) oraz układy z łącznikami
w pełni sterowalnymi (układy impulsowe o sterowaniu typu PWM z tranzysto-
rami typu MOSFET, IGBT lub tyrystorami typu GTO).
Jak wspomniano o tym wcześniej, omawiane układy umożliwiają zmianę
wartości napięcia bez zmiany częstotliwości jego harmonicznej podstawowej.
Koncepcja ich topologii, która jest omawiana i rozwinięta dalej (podrozdział 1.2
oraz rozdział 1), bazuje na topologiach bezpośredniego przekształtnika matry-
cowego AC/AC oraz topologiach przekształtników DC/DC. W celu wyraźnego
2 1. Wprowadzenie
odróżnienia mniejszego zakresu funkcjonalnego przekształtników stosowanych
w omawianych układach od zakresu funkcjonalnego bezpośrednich przekształt-
ników matrycowych AC/AC, w monografii wprowadzono nazwę
sterownik
.
Dlatego przekształtniki (rys. 1.1) stosowane w układach tyrystorowych są na-
zywane sterownikami tyrystorowymi (ST) prądu przemiennego, natomiast
przekształtniki stosowane w układach impulsowych są nazywane sterownikami
matrycowymi (SM) oraz sterownikami matrycowo-reaktancyjnymi (SMR) prą-
du przemiennego. W literaturze dotyczącej omawianych układów, nazwa ste-
rownik (zang.
controller
) jest powszechnie stosowana wodniesieniu
do układów tyrystorowych [2], [27], [43], [62], [90], [113], [145].
W odniesieniu do układów impulsowych, oprócz nazwy sterownik [12], [19],
[23] – [28], [30], [73], [74], [84], [103], [118] – [122], [124] – [128] [147],
[162] są stosowane nazwy: czoper (z ang.
chopper
) [1], [3], [21], [22], [65],
[70], [87], [91], [92], [156], [159], kondycjoner (z ang.
conditioner
) [6], [18],
[29], [31], [34], [35], [37], [44], [82], [123], [131], [157], przekształtnik (z ang.
converter
) [46], [63], [69], [79] – [81], [83], [86], [102], [105], [107], [116],
[161], transformator prądu przemiennego (z ang.
AC/AC transformer
) [36],
[37], [39] – [41], [60], [72], [78], [155] oraz regulator [56], [118].
UKŁADY DO BEZPOŚREDNIEGO
TRANSFORMOWANIA NAPIĘĆ PRZEMIENNYCH
ZE SPRZĘŻENIEM
ELEKTROMAGNETYCZNYM:
ZE SPRZĘŻENIEM
EL
E
KTRYCZNYM:
Źró
d
ło
Transformator
Obc.
Źró
dł
o
ST,
S
M
, SMR
Obc.
ZE SPRZĘŻENIEM
HYBRYDO
W
YM:
Ź
ród
ł
o
ST, SM, SMR
z
i
zo
l
acją galwaniczną
Obc.
Rys. 1.1. Podział ogólny układów do bezpośredniego transformowania napięć
przemiennych; ST – sterownik tyrystorowy, SM – sterownik matrycowy, SMR –
sterownik matrycowo-reaktancyjny
1.1. Bezpośrednie transformowanie napięć przemiennych 3
Monografia dotyczy impulsowych układów transformujących napięcia
przemienne ze sprzężeniem elektrycznym oraz hybrydowym. Obejmuje ona
jedno- i trójfazowe układy, z SM oraz SMR o sterowaniu typu PWM, w których
są stosowane łączniki w pełni sterowalne (z tranzystorami typu MOSFET,
IGBT lub tyrystorami typu GTO) o częstotliwości przełączania
f
S
>>
f
(gdzie:
f
– częstotliwość napięcia zasilania). Topologie SM zawierają tylko łączniki
w pełni sterowalne, natomiast topologie SMR zawierają łączniki oraz dodatko-
we elementy pasywne
LC
, podobnie jak przekształtniki DC/DC. Układy z SMR
stanowią nową grupę omawianych układów impulsowych. W monografii naj-
więcej uwagi poświęcono zwłaszcza tym układom.
Rozwój prac nad układami z SM oraz SMR wynika z ich korzystnych wła-
ściwości w porównaniu z właściwościami układów ze sterownikami tyrystoro-
wymi. W ujęciu ogólnym, najistotniejsze z nich to: korzystne przesunięcie war-
tości pulsacji wyższych harmonicznych prądu wejściowego do wartości
(
ω
S
±
ω
), gdzie:
ω
S
– pulsacja przełączania,
ω
– pulsacja napięcia zasilającego;
możliwość zmniejszania i zwiększania wartości napięcia wyjściowego odpo-
wiednio poniżej lub powyżej wartości napięcia zasilającego (praca typu buck-
boost). Układy z SM oraz SMR są traktowane jako alternatywne do układów
z transformatorami konwencjonalnymi. Dotyczy to zwłaszcza zastosowań wy-
magających szybkiej (odbywającej się znacznie krócej od okresu transformo-
wanego napięcia) zmiany transmitancji napięciowej (prądowej) w tych ukła-
dach. Należy jednak podkreślić, że pod względem funkcjonalnym układy
z transformatorami idealnymi są traktowane jako wzorcowe układy do trans-
formowania napięć przemiennych, co przedstawiono w pracy zespołowej
z udziałem autora [27]. Prace nad omawianymi układami impulsowymi znajdu-
ją się w obszarze badań dotyczących nowych metod efektywnego transformo-
wania napięć przemiennych.
1.2. Ogólny przegląd literatury
W zastosowaniach przemysłowych układów ze sprzężeniem elektrycznym
lub hybrydowym dominują układy z ST. Są one stosowane w układach
o szerokim zakresie mocy, od setek VA do setek MVA, a ich funkcje układowe
i właściwości są dobrze poznane i przedstawione w pracach [2], [6], [11], [43],
[57], [90], [101], [113], [130], [134] – [136], [143] – [145] oraz pracach wła-
snych autora [14] – [16] i zespołowej z udziałem autora [27]. Układy z ST są
stosowane w urządzeniach wykonawczych w elektrotermii, urządzeniach tech-
niki świetlnej oraz w układach “miękkiego startu” (z ang.
soft starters
) układów
napędowych oraz układach typu FACTS. Ich główne wady to: powodowanie
przesunięcia fazowego harmonicznej podstawowej prądu wejściowego oraz
znaczne odkształcenia przebiegów czasowych tego prądu (generowanie wyż-
szych harmonicznych niskoczęstotliwościowych) w układach o sterowaniu fa-
4 1. Wprowadzenie
zowym oraz generowanie interharmonicznych w układach o sterowaniu integra-
cyjnym. Ponadto, w zastosowaniach jako układy typu FACTS (np. kompensator
równoległy typu FCTCR lub szeregowy typu TCSC) wadą jest niedostateczna
dynamika ze względu na ograniczenie wynikające z właściwości łączników nie
w pełni sterowalnych (tyrystorów SCR) [11], [58], [62], [77], [101], [108].
Już w latach 70-tych XX w. podjęto prace nad impulsowymi układami
transformującymi napięcia przemienne z łącznikami w pełni sterowalnymi oraz
o sterowaniu typu PWM (Emanuel-Eigeles, Appelbaum, 1970 [12], Mozdzer,
Bose, 1976 [103]). Pierwsze prace dotyczyły układów jednofazowych
ze sterownikiem matrycowym (SM) prądu przemiennego (AC). Topologia tych
sterowników bazuje na topologii przekształtnika singularnego [153], podobnej
do topologii przekształtnika prądu stałego na prąd stały (DC/DC) typu buck,
który zawiera jeszcze filtr dolnoprzepustowy
LC
. Topologie trójfazowe tych
układów bazują na topologii przekształtnika matrycowego (zang.
matrix
converter
) o zredukowanej ilości łączników oraz uproszczonej funkcji prze-
kształcania. Umożliwiają one tylko zmianę (zmniejszanie) wartości napięcia
wyjściowego bez zmiany częstotliwości harmonicznej podstawowej tego napię-
cia. Dlatego są nazywane sterownikami matrycowymi (SM). Klasyczny prze-
kształtnik matrycowy umożliwia zarówno zmianę wartości (zmniejszanie) na-
pięcia wyjściowego, jak i zmianę częstotliwości i fazy tego napięcia [55], [155].
W grupie SM występują SM jednobiegunowe oraz SM dwubiegunowe
(rys. 2.3). Takie rozróżnienie sterowników wynika stąd, że bierze się pod uwagę
biegunowość harmonicznej podstawowej napięcia obciążenia w przedziale cza-
su odpowiadającym połowie okresu tego napięcia. Korzystną właściwością SM
dwubiegunowych jest możliwość zmiany biegunowości (przesunięcie fazowe
0 lub π) harmonicznej podstawowej napięcia obciążenia. Topologie, realizacje
układowe oraz funkcje układowe SM są przedstawione w wielu innych niż wy-
mienione wcześniej pracach. Układy jednofazowe z SM jednobiegunowymi są
omawiane w pracach [1], [6], [46] – [49], [53], [56], [75], [91], [117], [127],
[139], [140], [143] oraz pracy własnej autora [19] i pracach zespołowych
z udziałem autora [24], [27], [28], [30], [32]. Układy trójfazowe z tymi sterow-
nikami są ponadto przedstawione w pracach [3], [134], [136], [141], [162] oraz
pracy własnej autora [16] i pracach zespołowych z udziałem autora [23], [25],
[26], [80], [81], [118] – [126], [128], [132], [133], [147]. Dodatkowo należy
jeszcze uwzględnić prace, które dotyczą tylko SM dwubiegunowych o sterowa-
niu PWM [50], [52], [54], [61], [74], [107], łącznie z pracą zespołową z udzia-
łem autora [51]. Ponadto, w pracach [65], [66], [159] przedstawiono SM
jednobiegunowe o sterowaniu typu APWM. Ostatnie wymienione prace, doty-
czące SM o sterowaniu APWM, obejmują rozwiązanie umożliwiające poprawę
wejściowego współczynnika mocy za pomocą podanej techniki sterowania.
W ujęciu ogólnym, właściwości układów zSM oraz filtrami dolno-
przepustowymi
LC
(wejściowym oraz wyjściowym) są w znacznej części za-
Plik z chomika:
szarak7
Inne pliki z tego folderu:
Zasilacze_i_stabilizatory_liniowe.pdf
(563 KB)
Z. Fedyczak & R. Strzelecki - Energoelektroniczne Uklady Sterowania.pdf
(4304 KB)
Z. Fedyczak - Impulsowe Uklady Sterowania.pdf
(4718 KB)
Zlozone_uklady_przeksztaltnikowe.pdf
(144 KB)
Wyklad_III_Procesory_DSP_jezyk_C.pdf
(368 KB)
Inne foldery tego chomika:
Audio Video
Radioelektronik
Schematy RTV
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin