Geliştirilmiş üç fazlı PWM redresörü ve kontrol stratejisi üzerine araştırma
0 Önsöz
Yüksek voltajlı DC güç kaynaklarının geniş bir uygulama alanı vardır. Üç fazlı kontrolsüz redresör, yüksek voltajlı DC güç kaynağının önemli bir parçasıdır. Yüksek voltajlı güç sistemi geleneksel üç fazlı kontrolsüz redresörü kullandığında aşağıdaki problemler ortaya çıkacaktır: (1) Üç fazlı kontrolsüz redresörde ve aşağı akım invertöründe yüksek frekanslı anahtarlama cihazlarının kullanılması, elektrik şebekesinde ciddi harmonik kirliliğe neden olmuştur; (2) ) Üç fazlı kontrolsüz redresörün çıkış voltajı ayarlanamaz, bu nedenle yüksek voltajlı güç kaynağının çıkış voltajı geniş bir aralıkta ayarlanamaz; (3) Elektrostatik çökeltici için yüksek voltajlı güç kaynağı gibi yüksek voltajlı güç sisteminin tekrar tekrar yeniden başlatılması gerektiğinde, üç fazlı redresör çözümü Bağlantı kapasitöründe, güç kaynağının sonraki yeniden başlatılması için bir güvenlik tehlikesi oluşturan hala yüksek voltaj vardır.
Yukarıdaki sorunları çözmek için, son yıllarda birçok yeni üç fazlı PWM redresörleri ve bunların iyileştirme yöntemleri önerilmiştir. Literatür, daha yüksek bir güç faktörü elde etmek için altı anahtarlı bir topolojiye sahip üç fazlı bir doğrultucu kullanır, ancak çıkış voltajını düzenleyemez. Literatür, çıkış voltajının daha geniş bir giriş voltajı aralığında düzenlenebileceğini, ancak redresörün çıkış voltajının giriş voltajından daha büyük olması gerektiğini ve azaltma regülasyonunun gerçekleştirilemeyeceğini fark eder. Literatür, redresörün güç faktörünü iyileştirir, ancak redresörün DC tarafındaki çıkış voltajı, giriş voltajından daha düşük olmalıdır ve voltaj daha geniş bir aralıkta ayarlanamaz.
Bu makale, geleneksel üç fazlı altı anahtarlı doğrultucunun araştırmasına dayanan gelişmiş bir üç fazlı PWM doğrultucu önermektedir. Bu yazıda tasarlanan üç fazlı PWM doğrultucu, bir anahtar tüpü ekleyerek kontrol edilebilir bir yumuşak başlangıç gerçekleştirir.Başladıktan sonra, mevcut alan voltaj vektör darbe genişlik modülasyon teknolojisini (SVPWM) tahmin ederek, ağ ölçümü yüksek güç faktörüne ulaşır ve çıkış voltajını daha da genişletir. Kontrol aralığı. Koruma tetiklendikten sonra dekuplaj kapasitörünün voltajını hızlı bir şekilde sıfıra düşürmek için yeni bir koruma devresi türü tasarlanmıştır, böylece bir sonraki başlatıldığında yüksek voltajlı güç kaynağı güvenli hale gelir ve güç sisteminin tekrar tekrar yeniden başlatılmasını destekler (elektrostatik ayırıcılar için yüksek voltajlı DC güç kaynakları gibi).
1.1 Üç fazlı PWM doğrultucu ana devre tasarımı
Geleneksel üç fazlı altı anahtarlı redresörlerin araştırmasına dayanan bu makale, Şekil 1'de gösterildiği gibi gelişmiş bir üç fazlı PWM doğrultucu önermektedir.
Bu yazıda önerilen üç fazlı doğrultucu, Q7, Q8 anahtarlama tüpleri ve RS dirençli geleneksel üç fazlı altı anahtarlı PWM doğrultucusuna dayanmaktadır.Genel olarak, IGBT'ler, yüksek voltaj ve yüksek güç uygulamalarında anahtarlama tüpleri olarak kullanılır.
1.2 Geliştirilmiş üç fazlı PWM doğrultucu çalışma modu
Geliştirilmiş doğrultucu üç çalışma modunda çalışır, yani üç fazlı kontrolsüz düzeltme modu, üç fazlı kontrol edilebilir düzeltme modu ve koruma modu. Şekil 2, anahtar tüpünün tahrik darbe dalga biçimini ve üç fazlı PWM doğrultucunun üç çalışma modu altında karşılık gelen çıkış voltajı Vdc dalga biçimini göstermektedir.
Başlangıç işlemi sırasında, yumuşak başlatma devresini ön aşamaya eklerken, Q1 ~ Q6 ve Q8 anahtarlama tüplerini her zaman kapalı durumda tutun, üç fazlı doğrultucu parazitik diyot üzerinden çalışır ve doğrultucu, sabit anahtarlarla üç fazlı kontrolsüz doğrultma modunda çalışır. Q7 tüpünün anahtarlama frekansı, DC bara voltajında Vdc yavaş bir artış elde etmek için Q7'nin açık olma süresini yavaşça artırarak yavaşça arttırılır. Bu süreksizlik için güç faktörü düzeltmesi yoktur, doğrultucu düşük voltajlı hafif yük durumunda çalıştığı ve süresi kısa olduğu için, elektrik şebekesinde belli bir kirliliğe neden olmaz.
Çıkış voltajı önceden ayarlanmış voltaja ulaştığında, Q7 normalde açık duruma geçer, anahtarlama tüpleri Q1 ~ Q6 çalışmaya başlarken, redresör üç fazlı kontrol edilebilir düzeltme moduna girer ve elektrik şebekesinin kirlenmesini önlemek için güç faktörü düzeltmesi yapmaya başlar. Kapalı döngü kontrol DC bara gerilimi Vdc, önceden ayarlanmış nominal çıkış gerilimine ulaşana kadar yavaşça artmaya devam eder. Doğrultucunun nominal gücü bu modda tasarlanmıştır.
Yük aniden değiştiğinde ve akım io ani bir şekilde arttığında ve ayarlanan koruma değerini aştığında, koruma moduna girmeyi tetikler ve sonraki invertör kilitlenir Bu sırada, anahtarlama tüpleri Q1 ~ Q7 kapatılır ve anahtarlama tüpü Q8, dekuplaj için açılır. Kondansatör, yüksek voltajlı güç kaynağı yeniden başlatıldığında elektrolitik kondansatör Co'da depolanan elektrik enerjisinin serbest bırakılmaması nedeniyle kazara riskleri önlemek için RS direncini hızlı bir şekilde boşaltır.
1.3 Geliştirilmiş üç fazlı PWM doğrultucunun yumuşak başlangıcının analizi
Geleneksel yumuşak başlatma, bir tür donanım yumuşak başlatmasıdır Devrenin parametre tasarımı tamamlandıktan sonra, başlatma zamanı da belirlenir ve başlatma zamanı esnek bir şekilde ayarlanamaz. Geleneksel yumuşak başlatma devresi, her faza seri olarak bir yumuşak başlatma direnci ve paralel olarak bir yumuşak başlatma rölesi bağlanarak gerçekleştirilir ve yumuşak başlatma devresi karmaşık hale gelir.
Bu belgede tasarlanan geliştirilmiş üç fazlı PWM düzenleyici, DC veriyoluna Q7 anahtarını ekleyerek yumuşak başlangıcı gerçekleştirir.Kontrol edilebilir bir yazılım yumuşak başlangıçtır.Geleneksel yumuşak başlangıç ile karşılaştırıldığında, bu makaledeki yumuşak başlangıç kontrolü esnektir. Gerçek uygulama durumuna göre, bir yazılım programı aracılığıyla esnek bir yumuşak başlatma modu gerçekleştirilebilir. Ve geleneksel yumuşak başlangıç devresiyle karşılaştırıldığında, bu makaledeki yumuşak başlangıç topolojisi nispeten basittir.
Anahtar Q7, başlatıldıktan sonra normalde kapalı durumdadır ve bu, belirli bir iletim kaybına neden olacaktır. Yüksek voltajlı ve yüksek güçlü uygulamalarda, IGBT'ler genellikle anahtarlama cihazları olarak kullanılır. Normalde kapalı durumdaki anahtar tüpü kaybı, IGBT'nin iletim voltajı düşüşünden kaynaklanır. Anahtar tüpünün Q7 kaybını göstermek için örnek olarak Infineon FF225R12ME4 modelini alın. Bu tür IGBT'nin iletimi Voltaj düşüşü 2 V'tur. Bu makalenin tasarımı Vdc = 600 V'dir, yani Q7'nin iletim kaybı toplam çıkış gücünün% 0.33'ünü oluşturur.Bu nedenle, bu makale yazılım yumuşak başlatma elde etmek için anahtar tüpü Q7'yi artırır ve yüksek güce neden olmaz. kayıp.
2 İyileştirilmiş doğrultucunun kontrol stratejisi
Üç fazlı kontrolsüz düzeltme modu, yüksek voltajlı güç kaynağının başlatma işlemi için kullanılır ve koruma modu, aşırı akım koruması için kullanılır.Bu iki mod, doğrultucunun geçici işleminde çalışır.Süre kısadır ve kontrol basittir. Üç fazlı kontrol edilebilir düzeltme modu, redresörün sabit durumunda çalışır ve kontrol nispeten karmaşıktır. Bu makale, öngörücü akım tabanlı gerilim uzay vektör darbe genişlik modülasyon teknolojisini (SVPWM) analiz eder ve özetler.Kestirimci akım tabanlı SVPWM sayesinde, mevcut iç döngü basit ve uygun bir şekilde gerçekleştirilebilir ve program tarafından kullanılan kaynaklar buna göre azaltılabilir ve daha yüksek bir anahtarlama frekansı elde edilebilir. Kullanılan tahmini akım dijital denetleyicisi, giriş akımının kapalı döngü kontrolünü gerçekleştirir ve üç fazlı giriş akımı, giriş voltajının fazını izleyebilir, böylece üç fazlı voltaj tipi PWM doğrultucu, yüksek bir güç faktörüne ulaşır. PWM doğrultucunun voltaj döngüsü, kararlı bir çıkış voltajı elde etmek için bir PI regülatörü kullanır.
Tahmin edilen akım SVPWM kontrolü, komut voltajı olarak iki fazlı statik koordinat sisteminde redresörün AC tarafı voltajının iki voltaj bileşenini kullanır ve güç faktörünü elde etmek için farklı anahtar vektör kombinasyon modları seçerek Q1 ~ Q6 anahtarlama tüplerinin açılıp kapanmasını kontrol eder. Voltajı ayarlama ve dengeleme amacı.
İki fazlı statik koordinat sistemindeki üç fazlı doğrultucunun matematiksel modeli:
A, B, C ve N değişkenlerini ve N = A + 2B + 4C'yi tanımlayın. Şekil 3'te gösterildiği gibi: usx > 0, o zaman A = 1, aksi takdirde A = 0; eğer varsa > 0, sonra B = 1, aksi takdirde B = 0; usz ise > 0, sonra C = 1, aksi takdirde C = 0. Değişken N ile 6 sektör arasındaki karşılık gelen ilişki bu şekilde elde edilir.
Şekil 4, ur komut voltajı dördüncü sektörde olduğunda vektör ilişki diyagramını gösterir. T0, sıfır vektörünün hareket etme zamanıdır, T1 temel vektör V1 için zamandır ve T2, temel vektör V2 için zamandır. Şekil 3 ve Şekil 4'ten T0, T1 ve T2 çözülebilir. Diğer sektörlerdeki ur komut voltajının sentezi dördüncü sektördekine benzer ve boyutu hala T0, T1 ve T23 miktarları arasında değişmektedir. Bu amaçla, her sektör ortaktır:
Her sektör komut voltaj sentezini gerçekleştirdiğinde, a ekseni yönündeki temel vektör için T zamanı ve axis ekseni yönündeki temel vektör için T zamanının elde edilebileceği sonucuna varılabilir.
Giriş akımının harmoniklerini azaltmak için, bu makale simetrik formülde yedi segmentli vektör dizisi yöntemini benimser.Salt tüpü bir anahtarlama döngüsünde toplam 6 eylem gerçekleştirir, ancak her eylem yalnızca bir anahtar tüpü içerir, bu nedenle bu sınıflandırma Yöntem, büyük bir anahtarlama kaybı üretmez.
Her sektördeki her bir temel vektörün eylem süresi elde edildikten sonra, vektör anahtarlama noktasının hesaplanması gerekir, bu burada tekrarlanmayacaktır.
Şekil 5, geliştirilmiş bir üç fazlı PWM doğrultucu kontrol akış şemasıdır. Önceden ayarlanmış aşırı akım koruma değeri, üç fazlı kontrolsüz akım modu için önceden ayarlanmış voltaj değeri ve üç fazlı kontrol edilebilir doğrultucu için önceden ayarlanmış voltaj değeridir.
3 Simülasyon analizi
Bu makale bir MATLAB / Simulink kapalı döngü simülasyon modeli oluşturur. Simülasyon parametre ayarı: Üç fazlı şebeke fazı voltajının etkin değeri 220 V, f = 50 Hz, L = 4 mH, Co = 3300 F, eşdeğer yük direnci R1 = 40 , hata eşdeğer yük direnci R2 = 20 , Arızadan sonra Co deşarj direnci RS = 10 , = 450 V, = 600 V.
Şekil 6'da gösterildiği gibi, düz çizgi voltaj dalga biçimidir ve kesikli çizgi, 10 kat büyütülmüş akım dalga biçimidir. 0 ~ 0,42 s doğrultucu, üç fazlı kontrolsüz düzeltme modunda çalışır, anahtar tüpü Q7'nin tahrik darbesinin frekansı sabitlenir ve darbe genişliği, yavaş bir artış elde etmek için ayarlanır.Vdc, t = 0,42 s'den büyük olduğunda, doğrultucu üç fazlı kontrollü doğrultmaya girer Modal durum, SVPWM tarafından kapalı döngü kontrolü, t = 0,8 s'de ulaşılır, doğrultucu sabit durum işletimine girer. T = 1 s'de, yük direnci aniden R1 = 24 to olarak değişir. T = 1.4 s'de, tekrar kararlı duruma girer ve testin güçlü anti-parazit yeteneği vardır. T = 1,6 s'de, yük direnci aniden R1 = 14 olur ve çıkış akımı Io hızla artar, önceden ayarlanmış koruma akımı değerini aşar ve koruma moduna girer. T = 1,8 s'de Co'nun voltajı 0'a düşerek aşağıya neden olur Yüksek voltajlı bir güç kaynağı güvenli bir şekilde başlar.
Şekil 7, t = 1 s, faz voltajı ua, faz akımı ia dalga formları (ia büyütme 10 kat) olduğunda direncin R1 = 24 olarak değiştiğini göstermektedir. Şekil 7'deki akım dalga formu ve gerilim dalga formu aynı fazı korur ve yüksek güç faktörüne sahiptir.
4 Deneysel doğrulama
Deneysel koşullar: üç fazlı gerilim genliği 300 V, f = 50 Hz, L = 4 mH, Co = 3300 F, R1 = 40 , Co deşarj direnci RS = 10 , = 450 V, = 600 V arızadan sonra .
Şekil 8, çıkış geriliminin deneysel dalga biçimini göstermektedir Sistem çalıştırıldıktan sonra, doğrultucu 0 ile 0.6 s arasında üç fazlı kontrolsüz düzeltme modunda çalışır. Çıkış voltajı Vdc t = 0,6 s'den büyük olduğunda, redresör üç fazlı kontrol edilebilir düzeltme moduna girer ve kapalı döngü kontrolü SVPWM aracılığıyla gerçekleştirilir. T = 1,2 s'ye ulaştığında, redresör% 2'den daha düşük bir sabit durum hatasıyla kararlı durum çalışmasına girer. Kontrol edilebilir yazılım yumuşak başlangıç. T = 1.5 s'de, yük direnci aniden R1 = 24 olur. T = 2 s'de, tekrar kararlı duruma girer, geçici yanıt süresi 0.5 saniyeden azdır ve anti-parazit yeteneği güçlüdür. T = 2,2 s'de yük direnci aniden R1 = 14 olur ve Io hızla artar ve önceden ayarlanmış koruma akımı değerini aşar Doğrultucu koruma moduna girer t = 2,45 s'de Co kapasitöründeki voltaj 0'a düşer. Bir sonraki yüksek voltajlı güç kaynağının güvenli bir şekilde başlamasını sağlayın. Şekil 9, t = 1.2 s sabit duruma girdiğinde faz geriliminin ve faz a'nın faz akımının deneysel dalga biçimlerini gösterir. Şekil 10, t = 1.5 sn'de yük direnci aniden değiştiğinde, faz geriliminin ve faz a'nın faz akımının deneysel dalga biçimlerini göstermektedir. Şekil 9 ve Şekil 10'dan güç faktörü düzeltme etkisinin iyi olduğu görülebilir.
5. Sonuç
Bu yazıda tasarlanan geliştirilmiş üç fazlı PWM doğrultucu, yumuşak bir başlangıç gerçekleştirebilir ve güçlü anti-parazit yeteneği, yüksek güç faktörü ve geniş çıkış voltajı ayar aralığı avantajlarına sahiptir. Dekuplaj kapasitörünün voltaj kontrolü sayesinde, yüksek voltajlı güç kaynağı sistemi tekrar tekrar başlatılabilir. Bu makalenin tasarımı, elektrostatik presipitatör güç kaynaklarının üç fazlı doğrultması gibi yüksek voltajlı ve yüksek güçlü DC güç kaynakları için uygundur.
Referanslar
GRASS N, ZINTL A, HOFFMANN E. Elektrostatik presipitatör kontrol sistemleri IEEE Industry Applications Magazine, 2010, 16 (4): 28-33.
Cao Xianqi, Zhao Ming, Liu Haijiang. FPGA Kullanarak Elektrostatik Çöktürücü Güç Kontrol Cihazı Tasarımı Yüksek Gerilim Teknolojisi, 2008 (3): 525-528.
LI Z, LI Y, WANG P, ve diğerleri Dengesiz giriş voltajı altında sabit çerçevede üç fazlı güçlendirme tipi PWM redresörünün kontrolü Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2010, 25 (10): 2521-2530.
HUBER L, KUMAR M, JOVANOVI M M. Üç fazlı altı anahtarlı güçlendirici PFC doğrultucu için beş DSP tabanlı kontrol yönteminin uygulanması ve performans karşılaştırması. 2015 IEEE Uygulamalı Güç Elektroniği Konferansı ve Sergisi (APEC) .IEEE, 2015: 101- 108.
SOEIRO T B, FRIEDLI T, KOLAR J W. Üç fazlı buck-tipi üçüncü harmonik akım enjeksiyonu PFC doğrultucu tasarımı ve uygulaması SR.IEEE Güç Elektroniği İşlemleri, 2013, 28 (4): 1608-1621.
Fang Yu, Qiu Xun, Xing Yan, ve diğerleri Tahmine dayalı akım kontrolüne dayanan üç fazlı yüksek güç faktörlü PWM doğrultucu üzerine araştırma.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2006 (20): 69-73.
Zhi Baowei, Zhang Xiaodong.Üç fazlı voltaj tipi PWM doğrultucunun çift kapalı döngü sistemi için düzeltme yöntemi Motor ve Kontrol Uygulaması, 2009 (10): 42-45.
Cao Xiaodong, Tan Guojun, Wang Conggang, vb. Üç fazlı PWM doğrultucu modeli tahmini sanal voltaj vektör kontrolü Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2014 (18): 2926-2935.
Wang Conggang, He Fengyou, Cao Xiaodong.Üç fazlı voltaj tipi PWM doğrultucu sonlu anahtarlama dizisi modeli tahmini akım kontrolü Journal of Electrotechnical Technology, 2013 (12): 182-190.
yazar bilgileri:
Yang Xiaoguang 1, 2, Gao Linghu 1, 2, Xu Linliang 1, 2, Liu Weimin 1, 2, Jin Shuangshuang 1, 2
(1. Elektrikli Cihazların Güvenilirliği ve Zekileştirilmesi için Eyalet Anahtar Laboratuvarı, Hebei Teknoloji Üniversitesi, Tianjin 300130;
2. Hebei Teknoloji Üniversitesi, Hebei Eyaleti Elektromanyetik Alan ve Elektrikli Alet Güvenilirliği Anahtar Laboratuvarı, Tianjin 300130)
