ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ [Nr-247] [Elektrotechnika z. 30] [2007].pdf

SPIS TREŚCI

T. BINKOWSKI: Nadmodulacja w falowniku napięcia sterowanym ukła-

dem z modulatorami szerokości i fazy impulsu .................................. 5

T. BINKOWSKI: The fuzzy logic system in voltage inverter control with

a distortion reduction .......................................................................... 15

K. BUCZEK, D. SOBCZYŃSKI: Analiza możliwości stosowania ukła-

dów napędowych wysokoobrotowych ................................................ 25

M. GRAD: Wybrane wyniki badań laboratoryjnych trójkomórkowego

regulatora napięcia przemiennego dla różnych parametrów elemen-

tów obwodu balansującego ................................................................. 31

J. LEWICKI, Z. KOSTRUBAŁA: Analityczny obraz przebiegów elek-

tromagnetycznych w 3-fazowym autotransformatorze o połączeniu

trójkątowym, zasilającym mostkowy układ prostownikowy .............. 39

M. ŁATKA, M. GRAD: Zastosowanie środowiska LabVIEW do analizy

i wizualizacji zjawisk zachodzących w układach energoelektronicz-

nych .................................................................................................... 49

J. RZĄSA: Przekształtnik matrycowy jako generator mocy biernej w sieci

elektroenergetycznej ........................................................................... 59

S. WYDERKA: Ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych

obiektów budowlanych ....................................................................... 71

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ

Nr 247

Elektrotechnika z. 30

2007

Tomasz BINKOWSKI

Politechnika Rzeszowska

NADMODULACJA W FALOWNIKU NAPIĘCIA

STEROWANYM UKŁADEM Z MODULATORAMI

SZEROKOŚCI I FAZY IMPULSU

W artykule przedstawiono wyniki części badań trójfazowego falownika napięcia

sterowanego układem wykorzystującym modulator fazy i szerokości impulsu. Ba-

dania odnoszą się do symulacji modelu układu sterowania i przekształtnika. Idea

sterowania w układzie z rozważanymi modulatorami została zmodyfikowana w ta-

ki sposób, by umożliwić pracę przekształtnika w trybie nadmodulacji. Zachowanie

się falownika podczas sterowania z nadmodulacją oraz krótka charakterystyka

wpływu trybu nadmodulacji na kształtowane przebiegi zostały zawarte w niniej-

szym opracowaniu.

1. WPROWADZENIE

Przedmiotem rozważań opisanych w artykule jest układ sterowania falow-

nikiem napięcia. Falownik napięcia jest przekształtnikiem energoelektronicz-

nym, którego zadaniem jest przekształcenie energii źródła napięcia stałego na

energię związaną z przepływem prądów zmiennych. W badaniach skupiono się

wyłącznie na układzie trójfazowego, trójprzewodowego obciążenia o charakte-

rze rezystancyjno-indukcyjnym, co implikowało zastosowanie trójgałęziowego

falownika napięcia. Falownik ten, złożony z sześciu łączników półprzewodni-

kowych mocy w postaci tranzystorów IGBT, jest sterowany za pomocą układu

wykorzystującego modulatory fazy impulsu i szerokości impulsu. Modulatory te

generują impuls w obrębie taktu sterowania, którego faza lub szerokość zmienia

się w relacji do zmian przebiegu modulującego. W dalszej kolejności impuls ten

jest przekształcany logicznie do postaci szeregu impulsów załączających odpo-

wiednie tranzystory falownika. Efekt zastosowania rozważanych modulatorów

opisano szczegółowo w publikacji [2]. W zależności od stosowanego modulato-

ra, w przebiegach wyjściowych pojawiają się składowe odkształcenia pochodzą-

ce nie tylko od częstotliwości taktowania, ale również od przyjętego układu

modulacji. Należy nadmienić, że układ sterowania falownikiem napięcia opra-

cowano w stacjonarnym układzie współrzędnych α-β-0. Trójgałęziowy falownik

i trójprzewodowe obciążenie powodują, że w tym układzie współrzędnych nie

T. Binkowski

występuje składowa zerowa. W związku z powyższym rozważanie składowych

ogranicza się do płaszczyzny. Zastosowanie sterowania w układzie współrzęd-

nych α-β wykorzystującego modulatory szerokości i fazy impulsu powoduje, że

moduł wektora przestrzennego napięć wyjściowych jest ograniczony do wartości

cos 6

π modułu wektora aktywnego. Wektor aktywny jest rozumiany jako wektor

przestrzenny powstały w wyniku takiego połączenia łączników falownika, że

możliwy jest przepływ energii między zasilaniem a obciążeniem. W procesie

sterowania jest wykorzystywany także jeden z dwóch wektorów zerowych, bę-

dących wektorem przestrzennym dotyczącym sytuacji, gdy wszystkie zaciski

wyjściowe falownika są podłączone do jednego z dwóch biegunów napięcia

zasilającego. Ograniczenie wzmocnienia napięciowego falownika wynika przede

wszystkim z narzuconego widma napięcia wyjściowego, w którym oczekuje się

składowej podstawowej i składowych występujących w okolicy częstotliwości

taktowania i jej wielokrotności. Wiąże się to z przepływem prądów wyjściowych

o kształcie zbliżonym do sinusoidy, przy założeniu charakteru rezystancyjno-

indukcyjnego obciążenia. Obciążenie takie stanowi wtedy filtr składowych czę-

stotliwościowych pochodzących od taktu sterowania. W przypadku sterowania

falownikiem za pomocą układu z modulatorem fazy impulsu, w widmie przebie-

gów wyjściowych pojawiają się niepożądane, dodatkowe składowe odkształce-

nia, stanowiące 5-tą i 7-mą harmoniczne oraz ich wielokrotności. Udział tych

składowych w widmie maleje wraz ze wzrostem zadanego współczynnika

wzmocnienia napięciowego. Rozważając trajektorie wektora przestrzennego

prądów wyjściowych falownika, przy obciążeniu rezystancyjno-indukcyjnym,

dla układu sterowania z modulatorem szerokości impulsu, widzimy, że zmiany

współczynnika wzmocnienia napięciowego nie powodują zmian kształtu trajek-

torii. Ma ona kształt koła. W przypadku układu z modulatorem fazy impulsu

wzrost wzmocnienia napięciowego powoduje zmianę kształtu trajektorii wektora

przestrzennego. Zmiana ta przebiega od kształtu heksagonalnego do kołowego.

Kształt koła jest uzyskiwany przy zadanym maksymalnym wzmocnieniu napię-

ciowym [2].

Aby umożliwić pracę falownika przy wzmocnieniu napięciowym większym

od maksymalnego wzmocnienia, można zmodyfikować sterowanie tak, aby do

widma napięcia wyjściowego wprowadzić składowe dodatkowe. Rezultat takie-

go działania jest przewidywalny. Składowa podstawowa może wzrosnąć kosz-

tem wzrostu lub pojawienia się innych, dodatkowych składowych. Sposób

zwiększania amplitudy składowej podstawowej opisano szczegółowo w niniej-

szym opracowaniu. Praca falownika w takiej sytuacji jest nazywana nadmodu-

lacją.

Nadmodulacja w falowniku napięcia ...

2. STEROWANIE FALOWNIKA NAPIĘCIA

W ZAKRESIE NADMODULACJI

W pracy rozważono trójgałęziowy falownik napięcia sterowany układem

wykorzystującym modulator szerokości impulsu lub modulator fazy impulsu.

Schemat blokowy przedstawiający przyjętą ideę sterowania pokazano na rys. 1.

Blok „Theta” realizuje funkcję liniową o częstotliwości sześciokrotnie większej

od częstotliwości zadanych przebiegów wyjściowych f . Zadana częstotliwość

może przyjmować wartości zarówno dodatnie, jak i ujemne. W zależności od

zadanego znaku uzyskuje się różne kierunki wirowania wektora przestrzennego

napięć wyjściowych falownika. W konsekwencji działania tego bloku powstaje

sygnał związany ze zmianą kąta położenia wektora przestrzennego w obrębie

jednego z sześciu sektorów. Funkcja opisująca kąt położenia wektora prze-

strzennego jest opisana wzorem (1).

Theta

=θ=

1 arctan tan 6* * *



π − +

f t



 π

(









carrier

1 arctan tan * *



π −

f t





(



2 2



Blok „carrier” z rys. 1. realizuje z kolei funkcję podaną wzorem (2). Funk-

cja ta stanowi sygnał nośny modulatora szerokości lub fazy impulsu. Przebieg

funkcji nośnej jest przebiegiem piłokształtnym, o zadanej zewnętrznie częstotli-

wości fs .

Rys. 1. Schemat blokowy przedstawiający układ sterowania falownikiem z modulatorem PPM

lub PWM



 +





T. Binkowski

Na omawianym schemacie blokowym można także wyróżnić blok „phase”,

współpracujący z komparatorem, który w zależności od przyjętego typu modu-

lacji powoduje zmianę szerokości ( PWM ) lub fazy ( PPM ) impulsu wyjściowego.

Zmiany te są bezpośrednio związane z zadanym współczynnikiem wzmocnienia

napięciowego m . Sygnał wyjściowy modulatora, w dalszej kolejności, jest wy-

korzystywany do załączania łączników falownika w taki sposób, by wygenero-

wać właściwe wektory aktywne i wektor zerowy. Za realizację tych zadań jest

odpowiedzialny blok o nazwie „decoder”. Szczegółowy opis działania układu

sterowania przedstawiono w literaturze [1]. Przedziały czasowe oddziaływania

wektorów aktywnych i wektora zerowego są szeroko znane dla modulacji PWM

[3]. W przypadku wykorzystywania do sterowania falownikiem napięcia modu-

latora fazy impulsu, jego szerokość określa zadany współczynnik wzmocnienia

napięciowego (3), a fazę opisuje funkcja (4).

(3)

P =− =

sinθ

var

(4)

tan 3

Na rysunku 2a przedstawiono przykład syntezy wektora przestrzennego na-

pięć wyjściowych falownika przy zadanym wektorze V ref , który powstaje jako

uśredniona za okres taktowania suma geometryczna wektorów aktywnych 1. i 6.

oraz wektora zerowego. Wektor zerowy (o module równym zeru) jest załączany

na czas t o, po to, aby suma przedziałów czasowych związanych z oddziaływa-

niem wektorów w okresie taktowania była równa temu okresowi. Z założeń

wynika [2], że zadany moduł wektora przestrzennego nie może być większy od

promienia koła wpisanego w heksagon powstały z połączenia wierzchołków

następujących po sobie wektorów aktywnych.

Aby wprowadzić falownik w tryb nadmodulacji, należy tak zmodyfikować

sterowanie, by moduł wektora przestrzennego pierwszych harmonicznych na-

pięć wyjściowych falownika przekroczył maksymalną wartość promienia trajek-

torii kołowej. Aby do tego doszło, zadana trajektoria wektora przestrzennego

powinna mieć kształt odbiegający od koła w kierunku kształtu heksagonalnego.

Modyfikacja algorytmu sterowania, prowadząca do uzyskania możliwości pracy

falownika w zakresie nadmodulacji, polega na odpowiedniej modyfikacji funkcji

opisujących fazę i szerokość impulsu wyjściowego modulatora. Modyfikacja ta

ma miejsce poprzez wprowadzenie odpowiednich funkcji parametrycznych opi-

sanych zależnościami (6) i (7). Zależność (6) modyfikuje sposób wyznaczania

fazy impulsu wyjściowego modulatora, poprzez obliczenie jej z zależności (5).

Zależność (7) modyfikuje sposób wyznaczania szerokości impulsu wyjścio-

wego.

cos

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: