Torzított feszültséggel táplált egyfázisú ISZM egyenirányító Csatlós Elő, Richar Marschalko Kolozsvári Műszaki Egyetem Románia Abstract The istortion of the AC system line voltage is an everyay problem. Besie the basic fnction of electrical energy conversion, there is a eman for the power electronic converters, what presents aaptability, to take over a seconary, line-conitioning fnction too. As a reslt the power electronics becomes able to spport the AC mains. The paper analyses sch a version of a two-way energy flow, single phase, PWM AC to DC converter system. New moeling of the converter, in a fixe coorinate system, associate with carefl simlation allows to highlight the fnctional eficiency of the investigate converter an to propose a evelope control strategy, which solves this eficiency. With the help of the new control scheme ifferent line-frienly operation moes are also stie. 1. Bevezetés Köztott, hogy az energiát szolgáltató jelenlegi villamos hálózatok energetikai szempontból minőségi romlást mtatnak. Az új és nagyszámú elektroniks fogyasztók ereményeképpen a szolgáltatott hálózati feszültség általában gazag felharmoniks tartalommal renelkezik. Ennek következtében a szinszos feszültségi üzemre tervezett fogyasztók hatékonysága kisebb a tervezettnél. Ugyanakkor zavaró hatásk is megnövekeik, mint szinszos üzem mellett. A folyamat láncszerű ismétlőése a hálózat globális minőségi romlását iézi elő, nő a szolgáltatott feszültség felharmoniks tartalma. A teljesítményelektronika fejlőésével olyan berenezések tervezése került napirenre, melyek alkalmazkonak a hálózati torzítottsághoz. További elvárt követelmény a hálózat szempontjából való zavarmentes üzemeltetés, aott esetben lokális kompenzátor üzemre való képesség. Erre a felaatra alkalmas berenezések csalájában jelentős részaránnyal foglalnak helyet a kapcsolóüzemű ISZM egyenirányítók. Ezek elsősorban a villamos hajtások fejlesztésében játszhatnak nagy szerepet. A kétirányú energiacserét biztosító háromfázisú erősáramú berenezések mellett [1], [5], [6] azonban különös jelentőséggel bír a házi fogyasztásra alkalmas egyfázisú típs [3]. Jelenleg egyre nagyobb teret hóítanak a kis teljesítménytartományban üzemelő egy kapcsolóelemmel felépített egyfázisú boost egyenirányítók. Habár nagy teljesítménytényezővel üzemelnek, hátrányk az egyirányú energiaáramlás. Nagyobb teljesítménytartományban viszont már elengehetetlen a kétirányú energiacsere. Ktatásnk témáját a közép és nagy teljesítménytartomány lefeésére kétirányú energiacserére alkalmas berenezés alkotja. A olgozat elemzi az egyfázisú ISZM egyenirányító áramgenerátor jellegű inverteres változatát, bemtatja a számítógépes szimlációra kiolgozott matematikai moellt, valamint a moellezési ereményekkel együtt közli a nemszinszos feszültség melletti üzemre kiolgozott vezérlési és szabályozási eljárásokat. 2. Az egyfázisú egyenirányító felépítése és műköése Az egyfázisú kétirányú energiacserét biztosító ISZM egyenirányító gyors kapcsolási frekvenciával renelkező IGBT-s híágak segítségével alakítható ki. Az 1. ábra a közép és nagy teljesítménytartományban üzemképes kétpont áramszabályozással vezérelt megolást mtatja be. Az egyenirányító műköése egy áramszabályozási hrkon alapszik. A váltóáramú hálózatról felvett áramot hiszterézises áramszabályozóval egy alapjel mentén vezetjük. Az áram előállításához egy feszültség-invertert használnk. Az inverter egyenáramú olalán a műköéshez szükséges egyenfeszültséget egy nagykapacitású konenzátoron tároljk. A fogyasztó irányában ez a kapacitás gyanakkor simító szerepet is vállal. Műszaki Szemle 20 15
A váltóáramú olalon beiktatott kis inktivitású fojtótekercs válaszfalat képez a hálózati és a konverter váltóáramú olali feszültsége között. A kapcsolóelemek ellenütemű vezérlését egy kétpont szabályozó látja el. Az áramszabályozó felaata a szabályozási stratégia megvalósításához megfelelő vezérlőjelek előállítása. Az alapjel amplitúóját egy feszültségszabályozó szolgáltatja, lehetőséget ava a fogyasztónak az egyenfeszültségi szint stabilizálására vagy változtatására. Az alapjel hllámformája és fázisszöge függ a kívánt műköési üzemtől. Így, a hálózati feszültség mérési jelével szinkronizálva az átalakító meő teljesítmény nélküli, inktív vagy kapacitív illetve szinszos vagy nemszinszos üzemekben műköhet. Az átalakító jellemzője, hogy az áramszabályozó megaott hiszetrézise alapján a kialakló kapcsolási frekvencia nem állanó. Értékét a hálózati áram pillanatnyi értékével változtatja. Szélsőértékpontjait az áram szélsőértékeinél éri el. Így az áram követősáv szélessége, azaz a szabályozó hiszterézis értéke közvetlenül befolyásolja a kapcsolási frekvenciát. Ennek megválasztásakor szem előtt tartanó a kapcsolási veszteségek és a felépített áram minősége közötti egyensúly keresése. 3. Moellezési eremények és műköési renellenességek A vizsgált egyenirányító főbb aatai a következők: névleges tápfeszültség U N = 48 V; névleges teljesítmény PN = 250 W; hálózati frekvencia f = 50 Hz; fojtótekercs inktivitása L = 1,76 mh, ellenállása R = 0.33 Ω; kimeneti konenzátor kapacitása C = 1650 µf. B i r i s T 1 T 3 ϕ Váltóáramú Hálózat Alapjel előállító ω H i i i - i L C D 1 D 3 i c C Egyenáramú Fogyasztó + T 4 T 2 I Kétpont szabályozó D 4 D 2 K P, K I + - Feszültség szabályozó 1. ábra Egyfázisú áramszabályozásos ISZM egyenirányító 16 Műszaki Szemle 20
Az 1. ábrán bevezetett jelöléseket alkalmazva, az egyenirányító moellezéséhez a felhasznált matematikai moellt a következő megállapításokból vezettük le: Ha a tápfeszültség pillanatnyi értéke: = Uˆ sin( ω, (1.1) akkor a felvett áram érteke a következő ifferenciál-egyenletből számítható ki: i( L = ( C RB i(. (1.2) t Elhanyagolva az átalakítóban jelentkező veszteségeket, az egyenirányított áram értéke a következő képlet szerint alakl: i r C = i(. (1.3) A fenti feltételek mellett a konenzátor kapocsfeszültsége: C = ir i s (1.4) t is ismert. A feszültségreferencia különbség segítségével a feszültségszabályozó kimeneti értéke: = U (1.5) I = K + K t P I (1.6) lesz. Ez éppen a szükséges hálózati áram amplitúójának felel meg. Ekkor a szinszos áramalapjel: i = I sin( ω (1.7) lesz és a felvett áram-alapjel különbség a következő képlet szerint alakl: i( = i i(. (1.8) A szabályozási kör bezárásához az áramszabályozó a következő állapotfüggvény szerint műköik: h +, i( = 2 C (1.9) h, i( 2 A moell MATLAB-SIMULINK felületen felépített megolását a 2. ábra mtatja. Az állanóslt üzemet a következő szimlációs aatoknál vizsgáltk: kimeneti egyenfeszültségi szint: U = 100 V; terhelő egyenáram I s = 2,4 A; áramszabályozó hiszterézise i = 0,5 A; valamint a feszültségszabályozó aatai K P = 0,9 és K I = 90. Műszaki Szemle 20 17
i( áram Egyenirányított áram, ir( Egyenirányított feszültség, U( Delta ( Feszültség szabályozó Alapjel előállító Kétpont áramszabályozó 2. ábra Az egyenirányító moellje MATLAB-SIMULINK felületen Az elért ereményeket a 3. ábra mtatja. 3. ábra Szimlációs eremények állanóslt üzemmóra Ahogy már régebbről is ismert [1], az eremények két műköési renellenességet mtatnak. Egyrészt a felvett hálózati áram felharmoniksgazag, másrészt a kimenőfeszültség jelentős, 4,6 V-os, 100 Hz-es plzálást mtat a kívánt referenciaszint körül. 18 Műszaki Szemle 20
A műköési elégtelenségek az egyfázisú felépítésből származnak. Az azonos vezérlésű háromfázisú moellnél a hasonló zavarok kismértékben jelennek meg. Az egyfázisú felépítésnél megjelenő számottevő zavarok fő oka, hogy az egyenirányított áramot csak egy fázisáram megfelelő kommtációjából nyerjük és nem három szimmetriks fázisáramból. Így az egyenirányított áram a konenzátoron egy 100 Hz-es összetevőt szül, ami egy háromfázisú moellnél 300 Hz-esre és kisebb amplitúójúra alakl. A plzálás a szabályozó áramkörön végighala, ami egy plzáló alapjel áramamplitúót ereményez, s így a megépített áram felharmoniksokat tartalmaz. A zavaró hatások csökkentésére korlátozott lehetőségeink vannak az egyfázisú felépítés miatt. A tünetek orvoslása végett egy sávszűrőt iktattnk be a szabályozási áramkörbe a feszültség-mérő tán. (4.ábra) ISZM konverter L T D C ϕ ω H Alapjel előállító i i Feszültség szabályozó Sávszűrő 4. ábra Móosított szabályozási lánc Moellünkben egy másorenű szűrőt használtnk 100 Hz-es középfrekvenciával, 20 Hz-es sávszélességgel. Ezzel a megolással, ahogy az 5. ábrán is látható, elértük az áram felharmoniks-tartalmának csökkentését. A kimenőfeszültség minősége változatlan mara, amit viszont a konenzátor kapacitásértékének növelésével javíthatnk. 5. ábra Másorenű szűrő beiktatásával elért eremények Műszaki Szemle 20 19
4. Szinszos fogyasztó üzemmó Az egyenirányító által felvett áram követi a szabályozási hrokban előállított alapjelet. Az alapjel előállításánál lehetőség aóik különböző hálózatbarát üzemmóok kialakítására, [4], [5], [6]. Az alapjel előállítása történhet egy szinszhllám-generátor segítségével. A generátor fázisszögét egy szinkronizáló áramkörből nyerjük (PLL áramkör). A szinkronizáló jelbe beleavatkozva, késéssel vagy siettetéssel (ϕ), inktív, illetve kapacitív üzemmóok valósíthatók meg. Az alapjelet a generátorjel és a feszültségszabályozó által szolgáltatott áram-amplitúójel összeszorzásából kapjk. (6. ábra). ϕ PLL ω H t sin X i I i=i sin (ω H t+ϕ) 6. ábra Szinszos szinkronizáló jel előállítása PLL áramkör segítségével Ez a megolás a hálózati feszültség milyenségétől függetlenül szinszos áramot kényszerít a készülékből. Így torzított táplálás esetén ez a változat szinszos áramfelvétel mellett, mint lokális hálózatjavító műköik, javítva ezzel a hálózat helyi torzítástényezőjét. Az üzemmó vizsgálatára a szimlációs moellünket torzított feszültséggel tápláltk, melynek harmoniks tartalmát az 1. táblázat mtatja. 1. táblázat Harmoniks renszám Amplitúó Részarány az alapharmoniksból [V] [%] 1 67.88 100 3 4.07 6 5 2.03 3 7 1.01 1.5 Az előállított alapjel fázisszögét (ϕ) nllának feltételeztük. A szimlációs bemeneti aatok megegyeznek az állanóslt üzemnél használtakkal, azzal a kiegészítéssel, hogy a terhelőáram aott pillanatban történő előjel váltásával vizsgáltk az ISZM egyenirányító inamikáját is. Az ereményeket a 7. ábra mtatja. Az elért eremények kielégítő állanóslt és inamiks üzemmóot bizonyítanak. A tranziens folyamatok a tervezés szerint elvárt iőben zajlanak le. 20 Műszaki Szemle 20
7. ábra Szimlációs eremények szinszos fogyasztó üzemben 5. Ellenállás jellegű fogyasztó üzemmó Az alapjel előállításával elérhető, hogy a készülékünk ellenállás jelleget mtasson. Ez azt jelenti, hogy a felvett áram hllámformája és fázisa megegyezik a tápláló feszültségével. Ez úgy valósítható meg, hogy ha az alapjelünk formáját a hálózati feszültségből származtatjk. A feszültségmérő jelét elosztva a hálózati feszültség csúcsértékével egy egységnyi amplitúójú, a hálózati feszültség formájával és fázisával megegyező hllámjelet kapnk. Ezt megszorozva az áramamplitúó jellel megkapjk a kívánt alapjelet. (8. ábra) U ˆ X i Csúcsmérő Û i = I Uˆ I 8. ábra Szinkronizálás ellenállás jellegű üzemmó esetében Szimlációs vizsgálatnkhoz a szinszos fogyasztónál használt aatokat alkalmaztk. Az ereményeket a 9. ábra mtatja. Az előállított üzemmó a hálózat szempontjából torzítás és meő energia-felvétel nélkül üzemel. 9. ábra Szimlációs eremények ellenállás jellegű fogyasztó esetében Műszaki Szemle 20 21
Következtetések Az egyfázisú átalakító további ktatását, gyakorlati megvalósítását és fejlesztését ösztönzik az elért eremények. Az áramszabályzó hrok jó inamikát mtat. A kapcsolási frekvencia 26-50 khz értéktartományban változik, ami a fojtótekercs nagyobbra méretezésével, továbbá nagyobb áramszabályozó-hiszterézis érték használatával csökkenthető. Az áramszabályozó strktúrája, valamint az üzemmóok előállítását meghatározó alapjel generálása igitális úton könnyebben érhető el. Ezért a vezérlő és szabályozó áramkör kifejlesztésére atomata nmeriks renszer ajánlott. Hálózatbarát jellemzői, valamint az üzemmóok változtathatóságának relatív egyszerűsége új területet jelent az energiaszolgáltató renszerek fejlesztésére, lehetőséget ava egyfázisú fogyasztók esetén is a hálózatok helyi és globális szinten történő minőségi javítására. Köszönetnyilvánítás A szerzők köszönetüket fejezik ki Dr. Horváth Miklós és Dr. Halász Sánor rak támogatásáért. Iroalom [1] Kolar, J.W.; Ertl, H.: Stats of the Techniqes of Three - Phase PWM Rectifier Systems with Low Effects on the Mains, PCIM 99, Power Conversion an Intelligent Motion Conference, Seminar 27, Nürnberg,, Germany, 1999. [2] Marschalko, R.: Extene Control Strategy for a PWM Line- Frienly AC-to-DC Converter, EPE'93, Eropean Conference on Power Electronics an Applications, Brighton, Great Britain, 1993. [3] Marschalko, R.: Moelling an Implementing of a Single-Phase PWM AC-to-DC Converter, Symposim on System Moelling, Falt Diagnosis an Fzzy Logic Control, Temps S-JEP07759-94- Moify, Bapest an Miskolc, 06-07, May, Hngary,1997. [4] Marschalko, R.; Weinhol, M.: Optimal Control an Appropriate Plse With Molation for a Three - Phase Voltage c - link PWM Converter, 27.IEEE-IAS Annal Meeting, Hoston, Texas, Vol.I, pp.1042-1049, USA, 1992. [5] Weinhol, M.: Appropriate Plse With Molation for a Three - Phase PWM AC -to - DC Converter, EPE Jornal, Vol.1, No.2, October, pp.139-148, 1991. [6] Weinhol, M.: Dreiphasiger Plsstromrichter zr Speisng von Gleichspannngszwischenkreisen ohne Amplitensteerng er netzseitigen Stromrichterspannngen, Dissertation zr Erlangng es Graes eines Doktor - Ingeniers er Fakltät für Elektrotechnik an er Rhr - Universität Bochm, 1993. 22 Műszaki Szemle 20