Convertoare de Curent Continuu Si de Curent Alternativ Cu Caracter Sursa de Tensiune Cu Modulatia Pulsului

8/10/2019 Convertoare de Curent Continuu Si de Curent Alternativ Cu Caracter Sursa de Tensiune Cu Modulatia Pulsului

1/14

3. Convertoare de c.c. i c.a. cu caracter sursde tensiune cu modulaia pulsului

3. CONVERTOARE DE CURENT CONTINUU I DE CURENTALTERNATIV CU CARACTER SURSDE TENSIUNE CUMODULAIA PULSULUI

3.1. ntroducere

n acest capitol se vor prezenta modele simple de simulare bazate peprincipiul de funcionare ale unor convertoare de c.c., respectiv de c.a. cu caractersurs de tensiune, comandate n regim de modulaie pe lime a pulsului (PWM -Pulse Width Modulation) cu reacie de curent n buclnchisrespectiv de tensiunen buclnchiscu undpurttoare (cr - carrier-wave) . La convertoarele de c.a. sestudiazvarianta trifazata acestora. Pentru verificarea i validarea modelelor se vorefectua simulri pe calculator, pe post de sarcin pentru convertoarele PWMfolosindu-se o sarcin

pasiv

constnd dintr-un circuit R-L serie.

3.2. Consideraii teoretice

n acionrile electrice controlul fr pierderi a mainilor electrice serealizeazcu ajutorul convertoarelor electronice de putere, mai precis cu convertoarestatice de frecven. ntr-un sistem de acionare convertorul are rol de element deexecuie. Aceste convertoare lucreaz n regim PWM, mai nou nu numai pe parteadinspre motor, ci i pepartea dinspre reea, pentru a asigura eliminarea armonicilor,i a filtra puterea reactivspre reeaua de alimentare.

Modulaia n lime se aplicatt la convertoare de c.c., ct i la cele de c.a..Indiferent de forma curentului, procedurile PWM sunt asemntoare, deci imodelarea lor de poate realiza prin procedee asemntoare.

3.3. Structuri de modelare

n continuare se vor prezenta cele dou tipuri de modulatoare PWMutilizate: cel de tensiune i cel de curent. La intrare a modulatorului este mrimea dereferin impus, iar la ieire genereaz logica de comand a convertorului.Modulatoarele PWm monofazate se utilizeaz la VTC iar variantele trifazate aleacestora la invertoare VSI.

3.3.1. Modelarea modulatorului

a) Modulator PWM de tensiune cu undpurttoare

Principiu de funcionare: tensiunea de referinuRefeste comparatcu o undpurttoare, de tip dinte de fierstru uCriar diferena dintre cele douva fi mrimeade intrare a unui regulator bipoziional simplu on-off, care va scoate la ieire logicade comandmlog:Logica de comanda invertorului este:

3-1


2/14

Modelarea i simularea acionrilor electrice

>


3/14


Aceast metod de PWM n bucl deschis necesit reacia de curent asarcinii, deoarece valoarea instantanee a acestuia va fi comparatcu cel de referin.Logica de comanda regulatorului bipoziional cu histerezeste generatastfel nct

pulsaia curentului s se menin n interiorul bandei de histerez i, n jurul

curentului de referin.Logica de modulaie este urmtoarea:

=

,2

dac,1

;2

dac,0log

iii

iii

m

Ref

Ref

(3.3.)

Schema de modelare a modulatorului este prezentatn figura 3.3.

i

iRef

+

P1

P2

i

i iFigura 3.3.Simbolul blocului i schema de modelare a modulatorului PWM de

curent monofazat.

La modulatorul trifazat logica de modulaie PWM este bipolar:

=

,2

dac,1

;2

dac,1log

iii

iii

m

Ref

Ref

(3.4.)

Structura modulatorului este prezentat n figura 3.4 :

ia,b,cRef

ma,b,clog

i

iRef

+

P1

P2

ia,b,c iFigura 3.4.Simbolul blocului i schema de modelare a modulatorului PWM de

curent trifazat.

3.3.2. Modelarea variatorului de tensiune continu(VTC)

3-3


4/14


La modelarea convertoarelor dispozitivele semiconductoare din componenalor s-au considerat cu comutaie ideal. Datorit acestei simplificri modelul desimulare al acestora se simplificla rndul lui. Tensiunea de ieire a convertorului se

obine prin nmulirea logicii PWMde la ieirea modulatorului cu tensiunea continuUd a circuitului intermediar de curent continuu. Figura 3.5. prezint schemastructurii VTC-ului:

mlog

u

ud

mlog

1,0

(+1, -1)

udud

2

Ct.

u

Figura 3.5.Simbolul blocului i schema de modelare a variatorului de tensiuneconstant.

VTC-ul are tensiune continuatt la intrare, ct i la ieire. Dacun circuitde c.c. este conectat i deconectat pe o duratde timp stabilit, atunci tensiunea ceapare pe sarcinva fi chopat.

3.3.3. Modelarea invertorului trifazat de tensiune

Invertorul este modelat doar din punctul de vedere al principiului defuncionare, nu s-a realizat o modelare a dispozitivelor semiconductoare. Logica decomand pe cele trei faze, care rezult din comanda PWM se nmulete cutensiunea circuitului intermediar de curent continuu, rezultnd astfel tensiunea deieire a invertorului. Structura invertorului este prezentatn figura 3.6.

m1,2,3log

1,0(+1, -1)

udud

2

Ct.

u1,2,3

m1,2,3log

u1,2,3

ud

Figura 3.5.Simbolul blocului i schema de modelare al invertorului trifazat de

tensiune.

3-4


5/14


n funcie de logica de comand, dacaceasta este (1, 0) atunci acesta va fi nmulitcu tensiunea Ud, rezultnd la ieire (Ud, 0). Daclogica de comandeste bipolar(+1,-1), acesta va fi nmulit cu jumtatea tensiunii circuitului intermediar rezultnd la

ieire tensiune bipolar

2,2dd

UU

, cazul invertorului n punte cu punct median.

Daccele doublocuri, modulatorul i invertorul de tensiune l considermun ansamblu aceste dou formeaz mpreun invertorul de tensiune comandat nregim PWM. Figurile 3.6 i 3.7. prezint modelul invertorului VSI cu PWM detensiune respectiv cu PWM de curent.

ua,b,cRef

ua,b,cu1,2,3

ud

ia,b,cRef

ua,b,c

u1,2,3

ud

Figura 3.6. Simbolul invertorului VSIcu PWM de tensiune cu calulul tensiuniide sarcin.

Figura 3.7. Simbolul invertorului VSIcu PWM de curent cu calulul tensiuniide sarcin.

n figurile de mai sus cele doublocuri de invertor PWM se completeazcublocul de calcul al tensiunii sarcinii trifazate n conexiune stea cu nul izolat.

3.3.4. Operaii cu componenta homopolar

Dac sarcina unui trifazat a invertorului este n conexiune stea cu nulizolat, din tensiunile de ieire ale invertorului trebuie sczut componentahomopolar. Acest lucru este realizat cu ajutorul blocului ZSE (Zero SequenceExtraction), prezentat n figura 3.8. Blocul de calcul al componentei homopolareZSC (Zero Sequence Computation) a fost prezentat n capitolul 1, figura 1.4.

3-5


6/14


+

_+

+

Figura 3.8. Simbolul i structura de modelare a blocului de extragere a componenteihomopolare

Aceste dou operaii de calcul al componentei homopolare respectiv deextragere a acestuia din mrimile de fazse folosesc mpreunfoarte frecvent, faptpentru care ele formeazun modul unitar, i astfel s-a realizat din ele un singur bloc,notat ZSM (Zero Sequence Management), prezentat n figura 3.9. Este important demenionat cacest mod de calcul al tensiunii de intrare a sarcinii din tensiunea deieire a invertorului este valabil doar pentru conexiune stea cu nul izolat.

Figura 3.9. Calculul tensiunii unei sarcini trifazate prin extragerea componenteihomopolare din tensiunile de ieire a unui invertor trifazat.

3.4. Structuri de simulare ale convertoarelor

3.4.1. Structura de simulare a variatorului de tensiune continu avnd casarcincircuit R-L serie.

a) VTC cu PWM de tensiune

n structura de simulare prezentat VTC-ul este comandat n regim PWM detensiune cu und purttoare. Ca i sarcin s-a ales un circuit R-L serie pasiv.Tensiune de referin impus se consider constant. Structura de simulare este

prezentatn figura 3.10.

3-6


7/14


uRef

uCr

Circuit

R-L

Ud

iCt.

VTC

uLu

Figura 3.10. Schema bloc VTC-ului comandat cu PWM de tensiune cu undpurttoare funcionnd cu pulsuri uniploare avnd ca sarcincircuit R-L serie.

Frecvena undei purttoare fiind constant, i perioada tensiunii chopate vafi constant, precum i tensiunea Ud, de unde rezultcvaloarea medie a tensiunii

poate fi variat din factorul de umplere. Frecvena undei purettoare poate fideterminatdin pulsaia curentului, care nu trebuie sdepeascanumite limite. Cuct frecvena de chopare este mai mare, cu att pulsaia curentului va fi mai mic.

Condiiile n care s-a realizat simularea au fost:Tensiune de referinuRef= 5V valoare medie, frecvena undei purttoarefCr= 3 Hz,iar pentru sarcinR= 0.5 ,L = 0.75 H .

b) VTC cu PWM de curent

Schema bloc de simulare a convertorului este prezentatn figura 3.11.

iRef

Circuit

R-L iCt.

VTC

uL

Ud

u

Figura 3.11.Schema bloc a VTC-ului comandat cu PWM cu reacie de curentfuncionnd cu pulsuri uniploare avnd ca sarcincircuit R-L serie.

Rezultatele simulrii pe calculator sunt prezentate n figura 5. Condiiile ncare s-a realizat simularea au fost: Curent de referin iRef = 5A valoare medie,limea benzii de histerez 1=i A, Tensiunea de ieire a invertorului: Ud = 0,+10 V.

3-7


8/14


3.4.2. Structura de simulare a invertorului de tensiune VSI comandat n regimPWM avnd ca sarcincircuit R-L serie.

a) PWM de tensiune cu undpurttoare

La invertoare trifazate de curent alternativ cu PWM de tensiune, vom aveatrei tensiuni de referinsinusoidale pentru cele trei faze, care vor fi comparate cu osingur und purttoare de forma unui triunghi isoscel. Tensiunile de ieire a

invertorului vor fi bipolare, cu valoarea2

dU .

Schema bloc a sistemului invertor cu PWM de tensiune sarcinR-L pasiv esteprezentatn figura 3.12.

ua,b,cRef

Circuit

R-L

ia,b,c

ud

ua,b,c

u1,2,3

Figura 3.12.Modelul de simulare a invertorului VSI cu PWM de tensiune cu

sarcinR-L pasiv.

Condiiile n care s-au realizat simulrile: tensiunea de referinimpu; uaRef

= 5 V de frecven 0,66 Hz, frecvena undei purttoare; fCr = 13,86 Hz (estemultiplu de 21 a frecvenei fundamentalei, specific modulaiei sincrone sinusoidale

trifazate ), tensiunea la ieirea invertorului: V102 = dU

. Sarcina are caparametri:R= 0.25 ,L= 0,1034 H.

b) PWM cu reacie de curent

La invertoare trifazate metoda PWM cu reacie de curent este aceeai ca icea utilizat n curent continuu. Diferen const n faptul c referina este

sinusoidal, iar tensiunea de ieire este bipolar, i anume2

dU

.

3-8


9/14


Schema bloc este prezentatn figura 3.13.

is a,b,cRef

Circuit

R-L

ia,b,c

ud

ua,b,c

u1,2,3

Figura 3.13.Modelul de simulare a invertorului VSI cu PWM de curent cu sarcinR-L pasiv.

Condiiile n care s-au realizat simulrile:Curentul de referinimpus; ia

Ref= 10 A, limea histerzei i= 0,6 A, tensiunea la

ieirea invertorului: V102

= dU

.

3.5. Rezultatele simulrii

a) VTC cu PWM de tensiune

n figura 3.14. sunt prezentate rezultatele de simulare pentru structura dinfigura 3.10., n care variatorul de tensiune continueste comandat n regim PWM detensiune cu und purttoare, ceea ce asiguro comutaie la frecven constant. n

primele dou cazuri unda purttoare are forma de dinte de fierstru,tensiunea deieire din convertor fiind unipolar, i anume 0, 10 V respectiv 0, 20 V. ncontinuare s-a realizat o simulare la care unda purttoare avea form de triunghiisoscel, tensiunea de ieire fiind bipolar, i anume 10V. S-a analizat dinamicaevoluiei curentului sarcinii i a tensiunii pe bobin, s-a vizualizat tensiunea de ieiredin VTC, unda purttoare i tensiunea medie.

3-9


10/14


a) tensiunea uLi curentul i b) tensiunea de ieire a VTC-lui u, undapurttoare uCr, i tensiunea medie umed

c) tensiunea uLi curentul i d) tensiunea de ieire a VTC-lui u, undapurttoare uCr, i tensiunea medie umed

e) tensiunea uLi curentul i f) tensiunea de ieire a VTC-lui u, undapurttoare uCr, i tensiunea medie umed

Figura 3.14.Rezultate simulate pentru VTC cu PWM de tensiune cu und

purttoare: de tip dinte de fierstru a), b), c), d) de amplitudine 10 V, respectivtriunghi isoscel n figurile e), f) de amplitudine 10 V. Tensiunea de ieire a VTC

este Ud = 0, 10V la a), b), Ud = 0, 20V la c), d), respectiv Ud = 10V

3-10


11/14


b) VTC cu PWM cu reacie de curentn cazul precedent, la comand n tensiune, curentul din circuit s-a format

liber, i a fost determinat de sarcin. n cazul de facurentul fiind mrimea impus,tensiunea va fi aceea care se va forma liber, determinat de sarcina aplicat

convertorului. Totui, pentru a putea avea termeni de comparaie cu variantaanterioar, s-a impus aceeai valoare a curentului de sarcin ca i cea care a fostvaloarea de regim stabilizat la PWM de tensiune. n aceeai ordine de idei, pentru aobine o frecven de comutaie apropiat de cea din cazul anterior, s-a ajustatlimea benzii de histerez a curentului. Dup cum se poate observa, n regimstabilizat, se obine o frecven de comutaie constant, care este ns doar un caz

particular la aceastmetodde PWM, i este datorat faptului csarcina este pasiv,i aproximativ constantn regim stabilizat.

Figura 3.15. Rezultate simulate pentru VTC cu PWM cu reacie de curent:

tensiunea de ieire a VTC-lui uchopi tensiunea uL

c) Invertor trifazat cu PWM de tensiune

n curent alternativ, unda purttoare utilizatare formde triunghi isoscel. Pentru arealiza modulaia sincrontrifazat, frecvena undei purttoare s-a ales de 21 ori maimare dect frecvena tensiunii de referin. Acest lucru nseamn c interseciileundei purttoare cu referinele de tensiune (adicmomentele de comutaie) au loc naceleai puncte ale sinusoidelor.

n figura 3.16. sunt prezentate rezultatele de simulare pentru regimechilibrat, adiccele trei tensiuni de referinau amplitudini egale. n figura 3.16.a

se poate observa faptul, cpe sarcincurentul are un regim tranzitoriu, dupcare seajunge n regim stabilizat. Totui, pe una din cele trei faze acest regim tranzitoriu nuapare, acest lucru fiind datorat unui caz particular determinat de faptul c pe fazarespectiv comutaia curentului are loc n momentul n care tensiunea trece prinzero. Cnd acest lucru nu se ntmpl, avem regim tranzitoriu la curentul de sarcin

pe toate cele 3 faze, caz prezentat n figura 3.16.b. n figurmai sunt prezentate iunda purttoare mpreun cu curenii, respectiv tensiunea pe faza a a sarciniimpreuncu curentul pe aceeai faz, n regim stabilizat. Pe figuri se poate observadiferena de faz ntre tensiune i curent, determinat de caracterul inductiv alsarcinii.

3-11


12/14


a) tensiunea de referinpe faza ai curenii de fazcu regim

tranzitoriu n curent pe doufaze.

b) tensiunea de referinpe faza aicurenii de fazcu regim tranzitoriu n

curent pe toate cele 3 faze.

c) unda purttoare i curenii desarcinpe cele 3 faze n regim

stabilizat.

d) tensiunea i curentul pe faza aasarcinii

Figura 3.16.Rezultate simulate pentru VSI cu PWM cu de tensiune n regim defuncionare echilibrat.

S-a studiat prin simulare cazul n care tensiunile de referinformeazunsistem dezechilibrat, amplitudinile fiind de 7 V pe faza a, 4V pe faza b, respectiv 3V pe faza c. Acest lucru determinun dezechilibru i pe partea de sarcin, curentulabsorbit fiind diferit. Rezultatele de simulare sunt prezentate n figura 3.17.

3-12


13/14


a) tensiunea de referinpe faza ai curenii de faz.

b) unda purttoare i curenii de sarcinpe cele 3 faze.

c) tensiunea i curentul pe faza aa sarcinii.Figura 3.17.Rezultate simulate pentru VSI cu PWM de tensiune n regim de

funcionare dezechilibrat.

d) Invertor trifazat cu PWM cu reacie de curent

Rezultatele de simulare pentru la funcionare n regim echilibrat suntprezentate n figura 3.18.

a) curenii de sarcinpe cele 3faze.

b) curentul de referini cel de sarcinpefaza a, bana de histerez, respectiv

tensiunea de ieire pe faza aa invertorului.

Figura 3.18.Rezultate simulate pentru VSI cu PWM cu reacie de curent n regimde funcionare echilibrat.

3-13


14/14


La funcionare n regim dezechilibrat cu amplitudinea curenilor de referinpe cele 3 faze fiind de 10, 6 respectiv 13 A, rezultatele simulate sunt prezentate nfigura 3.19.

a) curenii de sarcinpe cele 3faze.

b) curentul de referini cel de sarcinpefaza a, bana de histerez, respectiv

tensiunea de ieire pe faza aa invertorului.

Figura 3.19.Rezultate simulate pentru VSI cu PWM cu reacie de curent n regimde funcionare dezechilibrat.

3.6. Concluzii

n acest capitol s-au prezentat felul n care se pot modela

convertoarele electronice. Acestea reprezint elementul d execuie dinpunctul de vedere al mainii de acionare, pe care ele le alimenteaz.Convertoarele de curent continuu (VTC) se utilizeaz la mainile de curentcontinuu, iar mainile de curent alternativ sunt alimentate de la invertoare.Partea decomandnu poate fi separatde invertor, invertoarele industriale selivreazmpreuncu aceasta, ba chiar mai mult, conin i o parte de controlal acionrii. n aceastordine de idei s-au prezentat n acest capitol modelelede convertor care includ i partea de comand, utiliznd procedee demodulaie n lime a pulsului. Pentru validarea modelelor s-a trecut lasimularea pe calculator a funcionrii lor. ncercarea prin aplicarea unorsemnale la intrarea convertorului i vizualizarea mrimilor de ieire(ncercarea invertorului n gol) nu poate furniza informaii cuprinztoareasupra comportrii acestuia. Din acest motiv s-a aplicat o sarcin la ieireainvertorului, constnd dintr-un circuit R-L serie pasiv, monofazat pentruVTC i trifazat pentru invertorul VSI. La ambele convertoare, att la cel dec.c. ct i la cel de c.a. s-a aplicat pe rnd comandPWM de tensiune cu undpurttoare, respectiv PWM cu reacie de curent.

3-14

Documents

Convertoare de Curent Continuu Si de Curent Alternativ Cu Caracter Sursa de Tensiune Cu Modulatia Pulsului