UKŁADY ELEKTROMAGNETYCZNE PROSTOWNIKÓW WIELOPULSOWYCH, Interesujące

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Prof.dr inż. Henryk Tunia
Politechnika Świętokrzyska
UKŁADY ELEKTROMAGNETYCZNE
PROSTOWNIKÓW WIELOPULSOWYCH
STRESZCZENIE:
Przekształtniki AC/DC są nieliniowymi odbiornikami energii
elektrycznej. Generują one w sieci zasilającej wyższe harmoniczne prądów, które
powodują dodatkowe straty mocy czynnej oraz odkształcenie przebiegu
czasowego napięcia w sieci prądu przemiennego. W celu zmniejszenia
współczynnika odkształcenia prądu i napięcia do wartości dopuszczanej przez
normy międzynarodowe, stosowane są układy wielopulsowe. W referacie są
omówione układy AC/DC 12- i 18- pulsowe, o małym współczynniku
odkształcenia z zastosowaniem różnych topologii autotransformatorów
i trójfazowych dławików sprzężonych do pracy równoległej trójfazowych układów
mostkowych, w tym układy tzw. „clean power converter” W referacie
przedstawiono analizę trójfazowych dławików sprzężonych przy wykorzystaniu
metody wektorów przestrzennych. Zamieszczono wybrane wyniki badań
eksperymentalnych prostownika diodowego, o pracy równoległej dwóch układów
trójfazowych mostkowych, z zastosowaniem trójfazowego dławika sprzężonego.
Ponadto przedstawiono i omówiono układy o pracy równoległej dwóch
prostowników trójfazowych mostkowych z zastosowaniem modulacji
niskoczęstotliwościowej w obwodzie prądu stałego.
1. Wprowadzenie
Przekształtniki napięcia przemiennego na napięcie stałe (AC/DC), stosowane na przykład
w napędach z silnikami prądu przemiennego, są nieliniowymi odbiornikami energii
elektrycznej. Generują one w sieci zasilającej wyższe harmoniczne prądu, składowe
niepożądane. Są one źródłem dodatkowych strat mocy w linii zasilającej, odkształcają
napięcia zasilające oraz emitują sygnały elektromagnetyczne zakłócające pracę systemów
informatycznych i sterujących. Normy międzynarodowe (np. IEEE) stanowią bardzo ostre
wymagania dotyczące zawartości wyższych harmonicznych w prądach pobieranych ze źródła
zasilania, jak również dopuszczalnego odkształcenia napięcia. Współczynnik odkształcenia
prądu jest definiowany następująco:
∞
=
I
2
h
I
2
−
I
2
1
THD
=
h
2
⋅
100
%
=
⋅
100
%
(1)
I
I
I
1
1
1
przy czym: h - rząd harmonicznej; I
h
- skuteczna wartość harmonicznej prądu; I
l
- skuteczna
wartość harmonicznej podstawowej prądu; I - skuteczna wartość prądu pobieranego ze źródła
zasilania.
Analogiczna jest definicja współczynnika odkształcenia napięcia :
∑
∞
U
2
h
X
∞
∑
( )
%
THD
=
h
=
2
⋅
100
%
=
Z
h
⋅
I
2
⋅
100
(2)
U
U
U
h
1
1
h
=
2
przy czym: X
z
- reaktancja źródła zasilania (określana na podstawie próby zwarcia). Iloraz
X
z
/ U
1
jest odwrotnością prądu zwarcia.
Dodatkowym wskaźnikiem oceny jakości mocy pobieranej przez przekształtnik jest
tzw. ”procentowa stała harmoniczna” H
C
, definiowana następująco:


I


2
=
∞
=
H


h


h




⋅
100
%
(3)
C
I
h
2
1
Dopuszczalny współczynnik odkształcenia napięcia w przypadku odbiorników
zasilanych z sieci NN wynosi 3% dla obiektów specjalnych(np.: szpitale, lotniska) oraz 5 %
dla obiektów ogólnych (np.: zakłady przemysłowe). Wynika stąd, że dopuszczalny
współczynnik odkształcenia prądu nie powinien przekraczać kilku %(2% ÷10%). Należy
również podkreślić, że ponadto stawiane są wymagania odnośnie do dopuszczalnej wartości
amplitud poszczególnych harmonicznych prądu.
Współczynnik H
C
zależy od charakterystycznej dla przekształtnika liczby q (liczba tętnień
napięcia wyprostowanego liczona w okresie napięcia zasilania), oraz od filtrów -wejściowych
i wyjściowych. I tak na przykład H
C
= 160 - 450 dla 6-pulsowego prostownika diodowego
z filtrem pojemnościowym oraz H
C
= 22 ÷50 dla prostownika 18-pulsowego
z filtrem indukcyjnym,[3].
Wielopulsowy przekształtnik generuje harmoniczne rzędu
h
=
kq
±
1
(4)
przy czym: k należy do szeregu liczb naturalnych.
Jeżeli przekształtnik pracuje z idealnym filtrem indukcyjnym (bezpulsacyjny przebieg
czasowy prądu wyprostowanego) a ponadto jest zasilany z idealnego źródła napięcia,
wówczas spełniona jest następująca zależność :
I
h
1
=
(5)
I
h
1
2
Z zależności (4) i (5) wynika oczywisty wniosek, że w celu spełnienia wymagań
stawianych przez normy należy stosować układy przekształtnikowe w dużej liczbie q (układy
wielopulsowe). W praktyce, dla potrzeb techniki napędu elektrycznego, stosuje się układy 6-
cio, 12-sto i 18-sto pulsowe. Gdy spełnione jest równanie (5) wówczas otrzymuje się
następujące przybliżone współczynniki THD
I
; 31% dla q= 6; 15% dla q=12 i 9,6 % dla q=18
Odpowiednie zwiększenie reaktancji źródła zasilania (zastosowanie dławików) umożliwia
znaczne zmniejszenie współczynnika THD
I
.
W klasycznych rozwiązaniach zwielokrotnienie liczby q uzyskuje się przez połączenie
szeregowe lub równoległe np. układów trójfazowych mostkowych z zastosowaniem
odpowiedniego przesunięcia fazowego w transformatorach zasilających przekształtniki.
Wymagane przesunięcie fazowe jest równe:
φ
=
2
π
(6)
q
⋅
k
przy czym: k oznacza liczbę układów podstawowych łączonych do pracy szeregowej lub
równoległej .
Zaletą takiego łączenia jest uzyskanie kąta przewodzenia łączników
półprzewodnikowych i uzwojeń wtórnych transformatora równego 2II / 3, co w efekcie daje
optymalne wykorzystanie łączników i uzwojeń. Połączenie szeregowe nie stwarza
problemów. Nie jest ono na ogół jednakże stosowane w technice napędu elektrycznego z
uwagi na wzrost łącznego spadku napięcia na łącznikach. Połączenie równoległe wymaga
stosowania dławików kojarzących .Aby uniknąć nasycania się obwodu magnetycznego takich
dławików jest konieczne zapewnienie idealnej symetrii i równości napięć na wejściach
przekształtników łączonych do pracy równoległej. Spełnienie tych warunków nie zawsze jest
możliwe. Łączenie szeregowe lub równoległe przekształtników ma na celu nie tylko
zwiększenie mocy wyjściowej lecz również eliminację harmonicznych niższego rzędu.
Rysunek 1 ilustruje wpływ przesunięcia fazowego napięcia wyjściowego względem
napięcia wejściowego w transformatorze na przesunięcia fazowe 5 harmonicznej prądu na
wyjściu i na wejściu transformatora. Przesunięcie fazowe φ° w transformatorze nie zależy od
częstotliwości napięcia (idealny transformator). Warto natomiast zauważyć, że znak
przesunięcia fazowego zależy od kolejności trójfazowych napięć zasilających. Jeśli jest
dodatni dla kolejności zgodnej, wówczas jest ujemny dla kolejności przeciwnej i odwrotnie.
Piąta harmoniczna prądu ma kolejność przeciwną. Jak wynika z rys. 1 przesunięcie fazowe
piątej harmonicznej na wejściu transformatora jest równe 6φ°. Takie same przesunięcie
otrzymuje się dla 7 harmonicznej, która ma kolejność zgodną. Łącząc więc dwa układy
sześciopulsowe np. do pracy równoległej; przy czym dla jednego φ = 0°, dla drugiego
φ = 30°, uzyskuje się eliminację harmonicznych dla nieparzystej liczby k występującej
w równaniu (4). To przesunięcie fazowe jest oczywiście zgodne z przesunięciem fazowym
wynikającym z równania (6). Przy połączeniu trzech układów 6-pulsowych kąt φ = 20°.
3
Rys.1.Wpływ przesunięcia fazowego napięcia wyjściowego w transformatorze na
przesunięcie fazowe piątej harmonicznej
Rozróżnia się dwa typy źródeł zasilania [3]:
1. symetryczne trójfazowe o jednakowych fazowych impedancjach, pozbawione
wyższych harmonicznych
2. trójfazowe o jednakowych fazowych impedancjach z 1% niesymetrią (kolejność
przeciwna) i 2,5 % zawartością 5- tej harmonicznej. Piąta harmoniczna w napięciu jest
spowodowana przez 6-cio pulsowe przekształtniki dużej mocy.
4
Składowa kolejności przeciwnej nie ma wpływu na wartość średnią napięcia
wyprostowanego. Powoduje ona jednakże różnicę w średnich wartościach poszczególnych
impulsów w napięciu wyprostowanym w wyniku czego pojawia się 2-ga harmoniczna
napięcia, co z kolei oznacza pojawienie się 3-ciej harmonicznej w prądzie pobieranym ze
źródła zasilania. Z kolei 5-ta harmoniczna dodaje się lub odejmuje się od napięcia
wyprostowanego, w przedziale przewodzenia łączników (2II / 3). Jej wpływ zależy od jej
fazy. Przy połączeniu równoległym dwóch układów 6-pulsowych, 2,5 % 5-ta harmoniczna
daje różnicę w napięciach wyprostowanych ± 0,857 %, a w przypadku obecności również 2,5
% 7-mej harmonicznej, ± 1,71 %. Ta różnica napięć jest przyczyną znacznej różnicy prądów
na wyjściu prostowników, która powoduje nasycenie obwodu magnetycznego dławika
kojarzącego. W tym przypadku stosowane są inne topologie układów przekształtnikowych
eliminujące dławiki kojarzące. I tak na przykład układy 18-pulsowe realizuje się jako mostki
9-cio fazowe o dwóch grupach komutacyjnych 9-cio pulsowych.
2. Układy z autotransformatorami
Klasyczne układy z transformatorami są kosztowne. Moc gabarytowa transformatora(moc
równoważna transformatora dwuuzwojeniowego), rozumiana jako średnia arytmetyczna
mocy skutecznych uzwojenia pierwotnego i wtórnego przekracza moc prądu stałego.
Autotransformatory mają mniejszą moc gabarytową. Umożliwiają łatwe uzyskanie
wymaganych odpowiednich przesunięć fazowych. Poniżej przedstawione będą wybrane
rozwiązania zaczerpnięte z [3].
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • emaginacja.xlx.pl

    •