36
UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI FACULTATEA DE AUTOMATICĂ ŞI CALCULATOARE DEPARTAMENTUL DE AUTOMATICĂ ŞI INGINERIA SISTEMELOR LUCRARE DE DISERTAŢIE Proiectarea unui invertor cu referinta nesinusoidala Coordonator stiinţific: Absolvent: Conf.Dr.Ing. Cătălin Petrescu Stan Mircea-Vlad Bucureşti, 2014

LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI

FACULTATEA DE AUTOMATICĂ ŞI CALCULATOARE

DEPARTAMENTUL DE AUTOMATICĂ ŞI INGINERIA SISTEMELOR

LUCRARE DE DISERTAŢIE

Proiectarea unui invertor cu referinta nesinusoidala

Coordonator stiinţific: Absolvent:

Conf.Dr.Ing. Cătălin Petrescu Stan Mircea-Vlad

Bucureşti, 2014

Page 2: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

1

CUPRINS

1. INTRODUCERE 4

2. INVERTOARE 6

2.1. Notiuni generale 6

2.2. Tipuri de invertoare 8

2.3. Metode de comanda 11

2.4. Consumatori 18

3. CONTROLUL CURENTULUI DE IESIRE A UNUI INVERTOR 24

3.1.Regulatorul PR 27

3.1.1. Date generale 27

3.1.2. Raspunsul in frecventa 31

4. SOLUTIA DEZVOLTATA 34

5. Bibliografie

Page 3: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

2

LISTA FIGURI

Figura 2.1 Caracteristica curentului prin tranzistori IGBT si MOSFET 7

Figura 2.2 Invertor trifazat 8

Figura 2.3 Invertor monofazat 8

Figura 2.4 Invertor de curent monofazat in punte 9

Figura 2.5 Tensiunea de iesire 10

Figura 2.6 Spectrul de frecvente al unei unde dreptunghiulare 11

Figura 2.7 Forma de unda sinusoidala modificata 12

Figura 2.8 Invertor monofazat in punte 15

Figura 2.9 Modulare in durata, sinusoidala, cu tensiune de iesire bipolara 16

Figura 2.10 Modulare in durata, sinusoidala, cu tensiune de iesire unipolara 17

Figura 2.11 Sarcina liniara. Sarcina neliniara 19

Figura 2.12 Tensiunea si curentul intr-un resou 20

Figura 2.13 Tensiunea si curentul intr-un calculator 20

Figura 2.14 Tensiunea si curentul prin ambii consumatori in paralel 21

Figura 2.15 Semnale achizitionate perturbate 21

Figura 2.16 Filtrarea semnalelor achizitionate 22

Figura 2.17 Spectrul de frecvente a curentului prin resou 22

Figura 2.18 Spectrul de frecvente a curentului prin calculator 23

Figura 3.1 Sistem de reglare a curentului 24

Figura 3.2 Transformarea abc-dq0 26

Figura 3.3 Regulator PI sistem trifazat 26

Figura 3.4 Raspunsul regulatorului PI la referinta sinusoidala 27

Figura 3.5 HPR(s) 29

Figura 3.6 Diagrama Bode regulator PR ideal 31

Figura 3.7 Diagrama Bode regulator PR neideal 32

Figura 4.1 Model invertor 34

Figura 4.2 Tensiunea de iesire si referinta PWM a invertorului 35

Page 4: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

3

1.Introducere

Oriunde ne-am uita se pot vedea dovezile unui proces de tehnologizare si

automatizare continuu, atat la nivel industrial cat si la nivel de individ, proces ce

implica usurarea prelucrarii informatiei prin utilizarea dispozitivelor electronice.

Aproape in orice domeniu, prezenta unui calculator, a unui telefon mobil sau a unei

conexiuni la internet reprezinta un lucru necesar. Toate aceste elemente tehnologice

functioneaza utilizand energie electrica. Fie ca vorbim despre alimentare in curent

alternativ, fie despre curent continuu, sursa principala a energiei electrice o

reprezinta reteaua nationala de distributie a acesteia.

In contextul diminuarii efectelor poluante ale generarii electricitatii prin

intermediul combustibililor fosili si a costurilor ridicate de utilizare ale sistemelor

conventionale, s-a pus accentul pe dezvoltarea solutiilor bazate pe resurse

regenerabile. Cum energia solara, a apei si a vantului sunt infinite, nepoluante, aceste

sisteme sunt cele mai des intalnite

Pentru consumatorii din zonele rurale, unde reteaua electrica nationala este

greu accesibila,dar nu numai, s-au dezvoltat sisteme distribuite de generare a energie,

incluzand surse regenerabila cat si neregenerabile, cu puteri relativ mici, de pana la

1000 kW. Numarul furnizorilor de energie care sunt in mod natural surse de curent

continuu este in continua crestere, spre exemplu fermele solare sau pilele de

combustie. La fel este si numarul surselor de energie a caror frecventa de functionare

nu este constanta sau este mult mai mare decat cea din retea. Exista anumite tipuri de

generatoare ce pot fi conectate direct la retea, cum ar fi cele asincrone folosite in

turbinele eoliene, dar tendinta generala este de a converti energia prin intermediul

electronicii de putere in curent continuu dupa care sa se apeleze la un invertor pentru

a livra puterea la parametrii retelei de distributie, lucru care asigura o eficientizare a

transferului de putere.

Invertoarele sunt dispozitive electronice care realizeaza conversia energiei de

curent continuu in energie de curent alternativ. Acestea au multiple aplicatii, pot fi

gasite in autovehicule, aparatura de climatizare, in controlul vitezei motoarelor

electrice, dispozitive UPS si multe altele. Utilizarea acestui dispozitiv permite

Page 5: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

4

stocarea energiei electrice sub forma de curent continuu in baterii si intrebuintarea ei

sub forma alternativa atunci cand este necesar.

Atunci cand se vorbeste despre integrarea solutiilor regenerabile, exista doua

situatii posibile de utilizare a invertoarelor. Energia generata poate fi convertita in

curent alternativ, sincronizata cu reteaua de distributie si apoi injectata in aceasta, sau

poate fi convertita si utilizata local , energia electrica generata de invertor avand deja

tensiunea de iesire, frecventa si valoarea efectiva la valorile indicate de catre

consumator.

Page 6: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

5

2.Invertorul

2.1 Notiuni generale

Invertorul reprezinta un dispozitiv electronic sau circuit care converteste

curentul continuu DC in curent alternativ AC. Acest dispozitiv a fost initial proiectat

pentru a face exact lucrul opus - de a converti curentul alternativ in curent continuu si

poarta denumirea de redresor. Dar cum aceste convertoare ar putea practic functiona

invers, au fost numite invertoare. Parametrii tensiunii de iesire si ai curentului de

iesire sunt de regula impuse de catre consumatori.

Curentul continuu este frecvent utilizat, dar prin stocarea acestuia in baterii,

tensiunea de iesire este relativ mica. Exista multe dispozitive pentru care puterea DC

generata de acestea nu este suficienta. Dispozitivele electronice functioneaza de

regula la o tensiune alternativa de 220 V si la o frecventa de 50 Hz in Europa ,

respectiv 110 V si 60 Hz in Statele Unite ale Americii. Curentul alternativ isi schimba

constant polaritatea, acesta circuland intr-o directie, dupa care isi schimba sensul si

directia de circulatie. Tot acest proces se realizeaza rapid, de 50 de ori pe secunda.

Curentul alternativ permite utilizarea unor tensiuni ridicate, ce pot fi manipulate prin

intermediul transformatoarelor mai usor decat curentul continuu. Transportul

acesteia se realizeaza mai usor, cu costuri reduse, deoarece si curentii vehiculati sunt

mai mici, prin urmare sectiunea cablurilor este mai mica.

Un invertor de putere poate fi in intregime electronic sau poate reprezenta o

combinatie de elemente mecanice cu electronica digitala. Pentru circuitul de forta se

pot utiliza tiristoare sau tranzistori. Tiristoarele sunt dispozitive de comutatie

controlate in curent pe cand tranzistorii sunt dispozitive de comutatie controlate in

tensiune. Aceste caracteristici fac ca tranzistorii sa fie mai potrivite atunci cand se

utilizeaza tehnici de control prin modulatie deoarece necesita circuite simple de

actionare, pot functiona la frecvente mari si ofera un control facil, pe cand tiristoarele

sunt folosite frecvent pentru puteri foarte mari unde regimul de functionare impune

frecvente mai mici iar costul tranzistorilor in acest caz este mai ridicat.

Page 7: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

6

In cazul tranzistorilor exista doua tipuri utilizate frecvent in practica :

tranzistori MOSFET si tranzistori IGBT. Tranzistorii IGBT tind sa se foloseasca pentru

aplicatii ce necesita tensiuni relativ mari, mai mari de 200V. Acestia au o capacitate de

a comuta rapid mai redusa decat tranzistorii MOSFET si se folosesc de regula pana la

frecvente de pana la 29kHz. Pot face fata curentilor mari, putand fi utilizati pentru

puteri mai mari de 5 kW si au abilitatea de a functiona la temperaturi de peste 100

grade Celsius. Unul dintre dezavantajele principale ale acestui tip de tranzistor il

reprezinta intarzierea disparitiei curentului in momentul opririi. In esenta, atunci

cand un tranzistor decupleaza, curentul nu dispare imediat, lucru ce cauzeaza

pierderi la fiecare actionare.

Fig. 2.1 Caracteristica curentului prin tranzistori IGBT si MOSFET

Tranzistorii MOSFET au capacitatea de a functiona la frecvente mai mari decat

IGBT, ce depasesc 200kHz. Tensiunile si curentii ce pot fi preluati sunt mai mici, fiind

gasiti in aplicatii cu tensiuni de sub 250V si puteri mai mici de 500W. Acest tip de

tranzistori nu prezinta intarzieri in disparitia curentului, prin urmare sunt mai

eficienti.

Rolul acestor elemente semiconductoare este ca, prin controlul starilor ON-

OFF, in conductie sau blocat, sa se poata impune la bornele sarcinii una sau mai

multe tensiuni alternative. Curentul sau curentii absorbiti de sarcina depind de

tensiunile ce sunt aplicate. Comanda elementelor de comutatie se realizeaza in functie

de caracteristicile acestora si de structura invertorului .

Page 8: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

7

2.2 Tipuri de invertoare

In functie de necesarul puterii furnizate sau de natura consumatorului, exista

invertoare monofazate si invertoare trifazate. Pentru aplicatii industriale,

consumatoare de energie, este necesar utilizarea invertoarelor trifazate. In general

acestea sunt folosite la actionarea dispozitivelor ce necesita variatia frecventei, cum ar

fi motoarele electrice sau pentru conectarea la retelele de distributie.

Fig. 2.2 Invertor trifazat

Acest tip de invertor este asemanator conectarii a trei invertoare monofazate la

fiecare borna a consumatorului. Invertoarele monofazate sunt frecvent intalnite in

aplicatii de mici dimensiuni, majoritatea consumatorilor casnici utilizand o singura

faza pentru alimentare.

Fig. 2.3 Invertor monofazat

Invertoarele pot varia in schema si alimentare in functie de marimea dorita la

iesire. Astfel se disting doua familii de invertoare: invertoare de tensiune si invertoare

de curent. Un invertor alimentat in tensiune genereaza la iesire tot o tensiune,

alternativa cu parametrii prestabiliti: amplitudine, frecventa si faza. In cazul ideal

Page 9: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

8

tensiunea de la intrarea invertorului are o valoare constanta U, ce nu depinde de

curentul I pe care il absoarbe invertorul. Este cel mai des intalnit tip de invertor si are

o impedanta mica. De regula, pentru stabilizarea tensiunii de alimentare, se foloseste

un filtru C, un condensator cu capacitate ridicata, ce asigura un voltaj constant.

Caracterul de “sursa de tensiune ” se obtine prin conectarea in paralel la bornele sale

de iesire a unui condensator de valoare importanta sau a unui filtru L-C.

Pentru invertoarele de curent se utilizeaza alimentarea in curent, si se plaseaza

in serie cu aceasta o bobina care asigura practic curentul absorbit de invertor.

Asemanator invertoarelor de tensiune, se pastreaza regula alternantei surselor. Fiind

alimentat in curent, invertorul trebuie sa alimenteze la randul sau o sarcina de curent

alternativ, de tip sursa de curent.

Fig. 2.4 Invertor de curent monofazat in punte

Comutatoarele, in acest caz, schimba periodic directia de parcurgere a

curentului, prin urmare voltajul de la iesire este in functie de caderea de tensiune pe

consumator cauzata de trecerea curentului de iesire. Se poate observa disparitia

diodelor antiparalel deoarece comutatoarele comuta direct curentul de sarcina.

Exista mai multe topologii de invertor, insa cele mai raspandire sunt cele in

punte, sau punte-H, si cele in brat de punte. Invertoarele in punte-H sunt intalnite

mai des avand o eficienta mai mare. La o diagonala a puntii este conectata sursa de

tensiune de curent continuu, iar la ce cealalta este conectat consumatorul. Exista pe

fiecare brat al puntii un element de comutatie, tranzistor IGBT, MOSFET sau tiristor,

care permite schimbarea directiei tensiunii.

Page 10: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

9

Pentru comanda acestor comutatoare, cea mai simpla solutie este inchiderea

pentru un interval de timp egal cu T/2 a comutatoarelor 1 si 4, dupa care deschiderea

lor si inchiderea simultana a celorlalte doua. Forma de tensiune astfel rezultata este

alternativa, de tip dreptunghiular, cu amplitudinea egala cu tensiunea de alimentare

si frecventa 1/T, dupa cum se poate observa in figura de mai jos.

Fig. 2.5 Tensiunea de iesire

Acest tip de comanda este cel mai simplu, este fiabil si ieftin, insa forma de

unda rezultata prezinta un factor de distorsiuni armonice (THD) mare, de

aproximativ 40%, lucru inacceptabil pentru numeroase aplicatii. Pentru eliminarea

armonicelor de la frecvente inalte, se pot utiliza filtre LC trece-jos ce asigura

micsorarea valorii THD, insa aceasta solutie este costisitoare. O alternativa o

reprezinta elaborarea unei legi de comanda cu modulatie in durata (PWM – pulse

width modulation). Duratele de conductie ale comutatoarelor vor fi variabile, ele

fiind rezultatul compararii unei unde sinusoidale de referinta cu un semnal

triunghiular. Rezultatul este un tren de impulsuri de latime variabila, ce urmareste ca

si valoare medie sinusoida semnalului de referinta. Tehnicile de comanda PWM vor fi

tratate separat, in detaliu.

Trasee ale curentului prin invertorul in punte H:

- daca io>0, S1 si S4 in conductie, S2

si S3 blocate,sarcina preia energie de la

Vdc

- daca io>0, S1 si S4 blocate, S2 si S3

in conductie, sarcina cedeaza energie

catre sursa

- daca io<0, S1 si S4 blocate, S2 si S3

in conductie, sarcina preia energie de la

Vdc

Page 11: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

10

- daca io<0,S1 si S4 in conductie, S2 si S3 blocate, sarcina cedeaza energie

Invertoarele in brat de punte au doar doua elemente de comutatie ce sunt

actionate alternativ. Tensiunea de iesire nu mai are amplitudinea celei de intrare ci

este injumatatita. Prin urmare la fiecare alternare prin sarcina va trece un voltaj egal

cu Udc/2 cu polaritatea schimbata. In cazul invertoarelor de curent, aceasta topologie

nu este utilizata.

Trasee ale curentului prin invertorul in brat de punte:

daca io >0 , S1 in conductie,

sarcina preia energia Vdc/2 de la sursa

daca io>0, S1 blocat, sarcina

cedeaza energie capacitatii C2

daca io<0, S2 in conductie, sarcina

preia energia Vdc/2 de la sursa

daca io<0, S2 blocat, sarcina

cedeaza energie capacitatii C1

In consecinta, pentru aceeasi putere furnizata la iesire, curentul are valoare

dubla. Acest fapt face ca invertoarele in punte H sa fie potrivite pentru aplicatii de

puteri mari, tranzistorii fiind mai putin solicitati in curent, iar topologia in brat de

punte pentru puteri mici si medii.

2.3 Metode de comanda

Conversia energiei din curent continuu in curent alternativ se realizeaza dupa

cum a fost prezentat mai sus, utilizand in general tranzistori, care prin comutare

schimba sensul tensiunii prin sarcina. Metoda cea mai simpla de comanda este cea

pentru obtinerea unei unde alternative dreptunghiulare. In acest caz, tensiunea la

iesire trebuie sa alterneze intre un maxim si minim, fara a avea pasi intermediari,

precum 0V. Pentru a livra aceeasi putere ca un semnal sinusoidal, amplitudinea undei

dreptunghiulare trebuie sa fie egala cu valoarea efectiva RMS a celei sinusoidale. In

acest fel, tensiunea medie la iesire , prin urmare si puterea livrata, vor fi aceleasi in

ambele cazuri.

Page 12: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

11

Fig. 2.6 Spectrul de frecvente al unei unde dreptunghiulare

Invertoarele ce utilizeaza o astfel de comanda sunt rar folosite in practica

deoarece exista putine dispozitive care pot fi alimentate astfel. Foarte multe aparate

electronice se folosesc de forma de unda a tensiunii de alimentare pentru circuitele de

masura a timpului, unde este necesara o unda apropiata de cea sinoidala.

Dupa cum se poate observa in figura de mai sus, spectrul frecventelor unei

astfel de unde este bogat, avand componente armonice relativ mari comparativ cu

armonica fundamentala. Acest lucru se traduce prin pierderi de energie si scaderea

dramatica a eficientei dispozitivelor ce sunt alimentate astfel.

Urmatorul pas in controlul invertoarelor a fost incercarea de apropiere de

forma sinusoidala prin introducerea a trei nivele de tensiune la iesire: maxim, minim

si zero. Tensiunea rezultata astfel poarta numele de unda sinusoidala modificata.

Aceasta este o aproximare mai buna a sinusoidelor pure decat unda dreptunghiulara,

si poate fi utilizata la alimentarea majoritatii dispozitivelor electrice si electronice.

Acest tip de invertor este astfel des intalnit in practica, insa prezinta acelasi

dezavantaj: pierderi de putere datorita valorilor armonicelor la frecvente joase.

Page 13: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

12

Fig. 2.7 Forma de unda sinusoidala modificata

Cele mai bune surse de tensiune sunt cele a caror iesire sunt unde sinusoide

pure. Toate dispozitivele electrice si electronice sunt proiectate sa functioneze optim

cu astfel de surse. Tensiunile sinusoidale pure se obtin cel mai usor in cazul puterilor

mari prin mecanisme electrice rotative precum turbinele pe gaz, generatoare diesel

sau alte generatoare care implica cuplul motor pentru producerea curentului

alternativ. Toate aceste surse produc o unda sinusoida pura, fara armonici

semnificative sau zgomot, datorita principiului analogic de functionare. Pentru

aplicatii mici, aceste mecanisme nu sunt recomandate datorita dimensiunilor mari,

costurilor ridicate si necesitatii mentenantei periodice. Drept urmare, o unda

sinusoidala obtinuta prin control digital ar fi solutia potrivita.

Datorita modului discret de functionare a comutatoarelor din componenta

invertoarelor, formele de unda ale tensiunii de la iesire se abat de la forma

sinusoidala. Acestea contin pe langa armonica fundamentala cu frecventa f1 de 50 Hz

si alte armonici superioare, parazite, cu frecvente multiplii de f1 : fn = n*f1. Atenuarea

lor se poate realiza cu ajutorul filtrelor, insa datorita dimensiunilor si costurilor

ridicate, aplicarea lor nu este agreata in toate cazurile. Inlaturarea acestor probleme se

realizeaza prin elaborarea unor tehnici de comanda mai complexe, precum

construirea formelor de unda a semnalelor electrice din trepte sau pulsuri modulate

in durata.

Cea mai raspandita modalitate de control pentru obtinerea unei unde cat mai

apropiata de sinusoida pura o reprezinta modularea in durata sau PWM ( pulse-

width modulation). Modularea in durata este o tehnica folosita pentru controlul

Page 14: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

13

circuitelor analogice cu ajutorul comenzilor digitale ale unui procesor. Aceasta

metoda este intalnita nu doar in cazul invertoarelor ci si in alte domenii precum

telecomunicatii, masurari, etc. Modularea PWM reprezinta procesul de modificare a

duratei pulsurilor dintr-un tren de pulsuri in functie de un semnal de control. Cu cat

tensiunea de control este mai mare, durata pulsurilor rezultate devine mai mare. Prin

utilizarea unei sinusoide de aceeasi frecventa cu cea a tensiunii de iesire, se poate crea

un semnal a carui valoare medie sa varieze sinusoidal.

In practica, aceasta tehnica de control este realizata de catre microcontrollere,

procesoare de semnal DSP, etc. Invertoarele controlate prin intermediul modulatiei in

durata lucreaza de regula cu frecvente de comutatie constante si permit modificarea

reglarea valorii efective a tensiunii de iesire in limite relativ mari, cu pastrarea

tensiunii de alimentare constanta. Aceasta modificare a valorii tensiunii de iesire se

realizeaza prin controlul PWM a comutatiei tranzistorilor , aducand-o in acelasi timp

la o forma cat mai apropiata de cea sinusoidala. Tensiunea astfel rezultata are un

continut de armonici mai mic, situate la frecvente inalte, lucru ce usureaza filtrarea .

Cea mai raspandita metoda de modulare in durata o reprezinta cea

sinusoidala. Aceasta presupune ca trenul de pulsuri pentru controlul tranzistorilor sa

fie generat prin compararea unei unde triunghiulare Vtr(t) cu amplitudinea ̂ si

frecventa fs, cu o unda sinusoidala, de referinta, cu amplitudinea ̂ si frecventa f1.

Aceasta frecventa trebuie sa fie egala cu frecventa tensiunii dorite la iesirea

invertorului, iar amplitudinea trebuie sa fie egala cu valoarea efectiva a acesteia.

Exista doua metode de modulare in durata. Acestea pot fi:

singulare, atunci cand comutatoarele invertorului primesc un singur puls de

control pe o perioada. Tensiunea de iesire va avea forma rectangulara.

Multiple, atunci cand comutatoarele invertorului primesc mai multe pulsuri

de comanda intr-o perioada a semnalului de referinta. Duratele pulsurilor pot

fi constante, tensiunea de iesire fiind constanta, sau pot varia, in cazul

tensiunii alternative.

Parametrii ce pot fi controlati in cazul controlului prin PWM sunt :

Raportul dintre amplitudinea purtatoarei si amplitudinea referintei, ma , de

regula cu valori intre 0 si 1

Frecventa undei purtatoare, respectiv raportul dintre frecventa acestei unde si

cea a semnalului de referinta, notat cu mf

Page 15: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

14

Frecventa semnalului de iesire

Alegerea acestor valori trebuie facuta avand in vedere urmatoarele:

Pentru valori mici ale mf ( mf < 21 ), semnalul de referinta si purtatoarea

trebuie sa fie sincronizate, adica mf sa aibe valoare intreaga, impara. In caz

contrar, se face simtita prezenta subarmonicelor in tensiunea de iesire.

La valori mai mari decat 21 ale mf, subarmonicele sunt neglijabile, insa este

pastrata recomandarea ca mf sa fie un numar intreg, impar.

De regula, raportul ma a amplitudinilor are valori cuprinse intre 0 si 1. Pentru

valori supraunitare, purtatoarea prezinta zone in care nu se mai intersecteaza

cu semnalul de referinta, ducand la un comportament neliniar.

Pentru exemplificare voi prezenta cazul unui invertor in punte cu tensiunea

comutata bipolar.

Fig. 2.8 Invertor monofazat in punte

Pentru controlul acestuia se comuta simultan tranzistorii opusi, de pe diagonala:

Pentru Vref > Vtr se pun in conductie si

iar Vo = Vd

Pentru Vref < Vtr se pun in conductie si

iar Vo = - Vd

Curentul de sarcina va circula fie prin tranzistor, fie prin diode, in functie de

sensul acestuia. Comanda aplicata celor 4 comutatoare se poate vedea in figura de

mai jos, impreuna cu forma tensiunii de iesire.

Page 16: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

15

Fig. 2.9 Modulare in durata sinusoidala cu tensiune de iesire bipolara

Dupa cum se poate observa, pentru raportul mf a fost aleasa o valoare intreaga

si impara, iar pentru amplitudinea semnalului purtator este mai mare decat

amplitudinea referintei. Prin metoda de control prezentata mai sus, tensiunea de

iesire este bipolara, valorile ei alternand intre + Vd si – Vd . Pentru introducerea si

nivelului 0 in iesirea tensiunii, se foloseste comanda PWM unipolara.

Tehnica PWM cu tensiune comutata de iesire unipolara presupune folosirea a

doua unde triunghiulare . Astfel, nu mai sunt comutati toti tranzistorii de putere, ci se

urmeaza urmatorul comportament.

Pentru alternanta pozitiva a undei de referinta se foloseste o unda

triunghiulara Vtr+ iar comanda rezultata este astfel:

Q1+ in conductie permanenta

Daca Vref > Vtr+ , Q2- in conductie iar Vo = Vd

Daca Vref < Vtr+ , Q2+ in conductie iar Vo = 0

Page 17: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

16

Asemanator se procedeaza si pentru alternanta negativa, comanda facandu-se

astfel:

Q1- in conductie permanenta

Daca Vref > Vtr- , Q2- in conductie iar Vo = 0

Daca Vref < Vtr- , Q2+ in conductie iar Vo = - Vd

Avantajul celei de-a doua metode, comutarea PWM cu tensiune de iesire

unipolara il reprezinta numarul mai mic de comutari ale tranzistorilor, prin urmare se

reduc si pierderile de energie rezultate astfel.

Fig. 2.10 Modulare in durata sinusoidala cu tensiune de iesire unipolara

Pentru a crea replica semnalul de referinta cat mai fidel la iesire, au fost

dezvoltate tehnici PWM multi-nivel, ce se folosesc de mai multe semnale

triunghiulare pentru elaborarea comenzii. Cu cat numarul acestora creste, cu atat mai

bine este aproximata tensiunea de iesire. Se intalnesc in practica modulari PWM de

Page 18: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

17

nivel 5, cu 4 semnale triunghiulare si o referinta, de nivel 7, nivel 9 si asa mai departe,

in functie de cerintele consumatorului.

PWM reprezinta o modalitate de reducere a factorului de distorsiune armonica

THD a curentului prin sarcina. Factorul de distorsiune armonica este definit ca fiind

valoarea raportului dintre suma patratelor armonicelor secundare si puterea

armonicii fundamentale si reprezinta o marime ce caracterizeaza calitatea tensiunii de

iesire.

[ ] (2.1)

unde V1 reprezinta amplitudinea armonicii principale, iar V2÷Vn amplitudinile

armonicelor secundare.

2.4 Consumatori

Prin intermediul invertoarelor cu comanda PWM se urmareste obtinerea unei

tensiuni la iesire cu forma cat mai apropiata de cea sinusoidala pentru a elimina

armonicele superioare. Insa aceste perturbatii pot fi introduse in retea si de catre

consumatori.

Exista doua tipuri de consumatori in functie de forma de unda a curentului ce

trece prin acestia:

consumatori liniari

consumatori neliniari

Consumatorii liniari sunt aceia care atunci cand la alimentare este aplicata o

tensiune sinusoidala, curentul rezultat are tot forma sinusoida. Un astfel de

consumator are caracter rezistiv si nu introduce armonici suplimentare.

Page 19: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

18

Fig. 2.11 Sarcina liniara. Sarcina neliniara

Sarcinile neliniare sunt acelea care nu au rezistenta constanta, aceasta

schimbandu-se la fiecare perioada a curentului. Forma acesteia nu mai este

sinusoidala, ci una neregulata, asemanatoare pulsurilor. Consumatorii neliniari

produc, pe langa armonica fundamentala, si armonici superioare in curent. Efectul

lor se rasfrange si asupra tensiunii, care nu isi mai pastreaza aspectul sinusoidal si

proportional cu curent. Curentii nesinusoidali, tinand cont de impedanta sursei de

alimentare, pot crea perturbatii in tensiune ce afecteaza atat sursa cat si consumatorii

conectati.

De regula, consumatorii monofazati neliniari sunt acele dispozitive cu surse in

comutatie, cum ar fi calculatoarele si aparatura electronica. Prin urmare, la nivel

macroenergetic, cladirile de birouri constituie cei mai insemnati astfel de

consumatori. Pentru cazul sarcinilor trifazate, acestea se regasesc de regula in uzine,

fabrici si alti consumatori industriali.

Efectele armonicelor in distributia energiei:

pot aparea curenti mari pe firul de neutru intr-un sistem trifazat. Cum

protectiile se utilizeaza de regula doar pe cele trei faze, exista riscul de

supraincalzire a acestuia.

Supraincalzirea transformatoarelor din dispozitivele electronice, reducandu-le

durata de viata.

Perturbatii in tensiune peste limitele admise

Functionarea necorespunzatoare a protectiilor

Factor de distorsiuni armonice mare, ce se traduce prin taxarea suplimentara

de catre distribuitor a energiei consumate

Page 20: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

19

Functionarea defectuoasa a dispozitivelor electronice,perturbarea liniilor

telefonice si de internet

Pentru studiul formelor de unda a tensiunii si curentului prin consumatori, am

achizitionat aceste semnale la alimentarea unui calorifer, a unui calculator si a celor

doua in paralel. Caloriferul are caracter rezistiv, prin urmare este liniar, iar

calculatorul are caracter neliniar. Achizitia s-a facut la frecventa de 1MHz, timp de 0.5

secunde. Formele de unda se pot observa in figura de mai jos:

Fig. 2.12. Tensiunea si curentul printr-un calorifer

Fig. 2.13. Tensiunea si curentul printr-un calculator

Page 21: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

20

Fig. 2.14. Tensiunea si curentul prin ambii consumatori

Semnalul achizitionat este puternic afectat de zgomot.

Fig. 2.15. Semnale achizitionate perturbate

Pentru a elimina aceste perturbatii, am ales filtrarea semnalelor prin doua

metode: filtrare Butterworth si metoda mediei alunecatoare. Pentru prima metoda,

am creat un filtru trece jos de ordin 3, cu frecventa de taiere egala cu 0.4 din cea de

esantionare, utilizand metoda butter din Matlab. Pentru a doua metoda, am utilizat

metoda filter dand ca argument vectorul caracteristic filtrului.

Dupa cum se poate observa in figura de mai jos, cele mai bune rezultate au fost

obtinute prin aplicarea metodei mediei alunecatoare, distorsiunile fiind puternic

atenuate. Pentru analiza spectrului de frecvente , voi continua cu semnalele filtrare

prin a doua metoda.

Page 22: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

21

Fig. 2.16. Filtrarea semnalelor achizitionate

Dupa filtrarea semnalelor, s-a trecut la descompunerea acestora prin

transformata Fourier si analiza spectrului de frecvente.

Fig. 2.17. Spectrul de frecventa a curentului prin calorifer

Page 23: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

22

In imaginea de mai sus se poate observa spectrul de frecvente a curentului la

trecerea printr-un calorifer. Fiind o aproximare fidela a unei sinusoide, amplitudinea

armonicelor secundare este neglijabila

Fig. 2.18 Spectrul de frecvente a curentului printr-un calculator

In figura 15 se poate observa forma de unda a curentului absorbit de catre un

consumator neliniar, calculatorul. Aceasta nu are forma sinusoidala, prin urmare

spectrul de frecvente este bogat in armonici superioare. Amplitudinile acestora,

raportate la armonica fundamentala, au valori mari, lucru ce se traduce prin

perturbatii introduse in retea, un factor de distorsiuni armonice mare, eficienta

scazuta.

Page 24: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

23

3. Controlul curentului de iesire a unui invertor

Utilizarea invertoarelor pentru interconectarea sistemelor distribuite de

generare a energiei electrica la reteaua nationala de electricitate dar si pentru

alimentarea diversilor consumatori presupune prezenta sistemelor de control si

reglare a energiei active si reactive, a formelor de tensiune generate si a celor curent.

Controlul curentului prin sarcina poate avea un efect semnificativ in calitatea

energiei furnizate catre consumator, prin urmate este important ca forma de unda a

acestuia sa fie cat mai apropiata de cea sinusoida in cazul in care invertorul este

conectat la retea sau de forma de unda necesara sarcinii. Astfel, se pot elimina intr-o

mare masura efectele negative ale armonicelor superioare . Provocarea acestui tip de

control o reprezinta minimizarea erorii stationare pana la valoare nula, astfel incat

iesirea invertorului sa fie in faza si de amplitudine egala cu referinta. Structura de

reglara utilizata in general este clasica, cu o singura bucla inchisa:

Fig. 3.1 Sistemul de reglare a curentului

In schema de mai sus, cu GC a fost notata functia de transfer a regulatorului, i*

este curentul de referinta, i este valoarea curenta a curentului, e=i*- i reprezinta

eroarea, Ts este perioada de esantionare iar GP este functia de transfer a circuitului de

filtrare. Intarzierile cauzate de procesarea comenzii pot fi modelate prin introducerea

termenului e-sTs daca variabilele sunt modificate la fiecare perioada de esantionare.

Page 25: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

24

Dependenta de tensiunea prin sarcina poate fi eliminata prin adunarea si scaderea

acesteia la iesirea functiei de transfer a controller-ului.

Pentru controlul sistemelor trifazate metoda de reglare cea mai des intalnita in

momentul de fata o reprezinta implementarea controlului de tip PI, proportional-

integrator. Aceasta tehnica este una dintre cele mai studiate si abordata intr-o gama

larga de aplicatii, in care o constanta sau o referinta usor variabila trebuie urmarita.

Pentru sistemele care necesita controlul unor semnale alternative precum curentii de

iesire ai unui invertor, aplicarea directa a regulatorului PI nu duce la obtinea unor

performante satisfacatoare. Functia de transfer pentru regulatorul PI este urmatoarea,

unde Kp este factorul proportional iar KI este factorul de integrare:

( )

(3.1)

Prin controlul unui sistem trifazat variabil , implementarea controlului PI duce

la obtinerea unei erori stationare semnificative, deoarece acest tip de control poate

asigura urmarirea perfecta a referintei doar la intrari de tip treapta, adica la frecventa

curentului de 0 Hz, unde amplificarea in bucla deschisa este infinita. In bucla inchisa

acest lucru se traduce printr-o amplificare unitara. Pentru a obtine aceste conditii

pentru semnalele alternative, s-au dezvoltat tehnici de transformare a acestora in

semnale continue, in cazul de fata in curenti de tip continuu. Aceste tehnici propun

transformarea sistemelor trifazate alternative in sisteme bifazate invariabile prin

utilizarea unor matrici de rotatie, cunoscute sub numele de matrice Clark si matrice

Park. Aceste matrici vor fi doar enumerate, analiza lor nefacand rostul acestei lucrari.

Acest caz nu se doreste a fi tratat in detaliu, rezultatul acestor transformate fiind

reprezentat in figura de mai jos.

Dupa cum se poate observa, din cei trei vectori ai curentilor a,b,c se obtin doi

curenti, denumiti curent direct Id si curent in cuadratura Iq, ce au valori invariabile.

Forma invariabila a sistemului mai poarta numele de cadru cu referinta sincronizata

sau SRF ( syncronized reference frame). Bazandu-se pe aceasta transformare,

regulatoarele PI pot fi folosite pentru controlul curentilor alternativi si se pot obtine

valori nule ale erorii stationare, insa trebuie proiectat un regulator pentru fiecare

dintre curentii Id si Iq.

Page 26: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

25

Fig. 3.2 Transformarea abc-dqo.

Daca se doreste compensarea armonicelor de ordin superior, trebuie ca pentru

fiecare in parte sa se acordeze individual, un factor proportional KPh si un factor de

integrare KIh , unde h reprezinta ordinul armonicii.

( )

(3.2)

Fig. 3.3 Regulator PI sistem trifazat

In figura de mai sus se poate observa schema principiala de reglare a curentilor

dintr-un sistem trifazat. Initial se realizeaza conversia din marimi variabile in marimi

continue, dupa care se aplica algoritmul de reglare PI pentru fiecare marime in parte.

Pe marimile obtinute se aplica transformata inversa din cadru ortogonal in cadru

trifazic. In cazul in care algoritmul PI se aplica pe asupra curentilor alternativi direct,

Page 27: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

26

fara aplicarea metodei descrise mai sus, raspunsul se poate vedea ca sufera erori

stationare semnificative, fiind prezent si un defazaj fata de referinta:

Fig. 3.4 Raspunsul regulatorului PI la referinta sinusoidala

In figura de mai sus, cu verde este reprezentata referinta, compusa dintr-o

armonica fundamentala de 50 Hz si o armonica secundara, de frecventa 150Hz iar cu

rosu este figurat raspunsul sistemului. Se sesizeaza o desincronizare a acestora si o

eroare stationara diferita de cea nula. O alternativa la acest algoritm de reglare o

reprezinta controlul de tip proportional-rezonant, PR.

3.1 Regulatorul PR

3.1.1 Date generale

Regulatoarele rezonante sunt echivalente cu cele conventionale PI

implementate in doua cadre cu referinta sincronizata in acelasi timp: pentru secventa

pozitiva a referintei si pentru secventa negativa a referintei. De aici rezulta

capacitatea de a urmari referinte sinusoidale de frecvente ce pot varia, atat pe

secventa pozitiva a undei cat si pe cea negativa, cu eroare stationara nula. Se obtine

practic acelasi raspuns ca si cel al regulatorului PI dupa efectuarea transformarii

curentilor in marimi constante.

Comparand cele doua metode de control, metoda PR prezinta cateva avantaje

importante deloc de neglijat. In primul rand, transformarile aplicate sistemelor de

Page 28: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

27

curenti alternativi pentru a putea fi controlati folosind regulatoare PI nu pot fi

aplicate pentru sistemele monofazate. Daca nu se efectueaza transformarile,

sistemelele au referinta sinusoidala prin urmare performanta in urmarire este scazuta.

Prin aplicarea algoritmilor PR aceste transformari nu mai sunt necesare, acestia

putand asigura eroare stationara nula pentru referinte periodice si refectarea

perturbatiilor. Un alt avantaj il constituie reducerea complexitatii si a efortului de

calcul pentru elaborarea comenzii, fiind eliminate operatiile necesare transformarii

din cadrul stationar in cadrul cu referinta sincronizata. Aplicarea matricelor Clark si

Park asupra marimilor alternative nu mai este necesara. Pe langa cele mentionate,

regulatorul PR asigura o sensibilitate redusa la zgomote si o eroare de sincronizare

mai mica, poate fi aplicat direct atat sistemelor trifazate cat si celor monofazate iar

datorita faptului ca pot controla atat in secventa pozitiva cat si in cea negativa a

referintei, numarul regulatoarelor ce necesita a fi implementate se reduce atunci cand

este dorit si controlul armonicelor superioare. Prin urmare, acest tip de regulator

poate fi implementat intr-o varietate de aplicatii precum invertoare, turbine eoliene,

controlul motoarelor,etc. si poate inlocui cu succes regulatorul PI pentru marimi de

reglare variabile.

Algoritmul de reglare PR deriva din regulatorul PI. In cele ce urmeaza vom

particulariza functia de transfer a celui din urma pana vom ajunge la legea

proportional rezonanta. Functia de transfer echivalenta in cadrul stationar a unui

regulator PI implementat pentru secventa pozitiva a SRF poate fi obtinuta printr-o

shiftare in frecventa egala cu –hω1 pentru toate frecventele atunci cand ωo=hω1 , unde

ω1 reprezinta frecventa fundamentala a curentului alternativ iar h numarul armonicii.

Acest lucru se realizeaza prin substituirea lui s cu s-jhω1 in functia de transfer a

regulatorului:

( )

( )

(3.3)

Pentru a obtine functia de transfer in cadru cu referinta stationara a

regulatorului PI implementat in secventa negativa a SRF, se inlocuieste s cu s+jhω1 :

( )

( )

(3.4)

Daca cele doua functii de transfer se aduna, rezulta functia de transfer a

regulatorului proportional-rezonant, PR:

( )

( ) ( )

(3.5)

Page 29: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

28

unde

, iar

vom nota

( ). Aceasta lege de comanda

asigura amplificare infinita in bucla deschisa la frecventa de rezonanta hω1 , asadar in

bucla inchisa amplificarea este unitara iar eroarea stationara este zero. Aceasta ultima

trasatura implica faptul ca semnalul de iesire nu va fi defazat fata de referinta, ci vor

fi sincronizate. Termenul rezonant, ( ), este cel care asigura amplificarea infinita.

Se poate observa ca pentru s=jhω1 , numitorul este egal cu zero, toata fractia tinzand la

infinit. De preferat este ca R1h sa fie transformata Laplace a functiei cosinus in loc de

sinus deoarece ofera o stabilitate mai buna.

Functia de transfer a regulatorului PR poate fi implementata prin

descompunerea componentei rezonante in doua integratoare, ca in figura de mai jos.

Fig. 3.5 HPR(s)

Intrarea hω1 poate fi modificata in timp real in functie de valoarea curenta a

frecventei in sistem, astfel legea de reglare se poate adapta la variatia acesteia.

Controlul mai multor frecvente simultan se poate realiza prin amplasarea in

paralel a mai multor regulatoare PR. Acest lucru este des intalnit in practica atunci

cand se doreste reglarea atat a armonicii fundamentale cat si a armonicelor

superioare. Expresia generala a regulatorului obtinut astfel este:

( ) ∑ ( )

(3.6)

cu nh ordinul maxim al armonicii ce se doreste a fi controlata. Din functia de transfer

PR se constata ca termenul proportional nu influenteaza termenii dependenti de

frecventa, prin urmare are acelasi efect asupra intregului spectru. In cazul reglarii

mai multor frecvente, acesti termeni pot fi grupati intr-un singur parametru KPt ,

rezultand urmatoarea forma a regulatorului:

( ) ∑

∑ ( )

∑ ( ) (3.7)

Page 30: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

29

Pentru compensarea intarzierilor sistemului, zero-ul din origine al

regulatorului PR poate fi mutat, prin introducerea unui avans de faza in

vecinatatea frecventei de rezonanta:

( )

( ) (

)

(3.8)

Daca se doreste compensarea unui numar intreg de esantioane ns, se alege

de forma hω1nsTs. Valoarea considerata a fi optima pentru compensare este de doua

esantioane, ns=2. De remarcat este faptul ca intarzierile devin mai importante cu cat

frecventa rezonanta devine mai mare in raport cu frecventa de esantionare.

Alegerea parametrilor de control Kp si KI se face de regula prin analiza

raspunsului in frecventa a sistemului, respectiv prin analiza diagramei Bode. In

literatura de specialitate sunt descrise urmatoarele indicatii privind acordarea acestui

tip de regulator:

factorul de amplificare Kp stabileste frecventa de taiere fc, unde

amplificarea va avea valoarea de 0dB, in cazul in care KI este 0

dupa introducerea termenului rezonant R1h in paralel cu Kp, raspunsul

general in frecventa va fi semnificativ modificat doar in vecinatatea

frecventelor de rezonanta, hf1.

factorul integrator KIh defineste banda de rezonanta din jurul

frecventelor armonicelor. Cu cat valoarea lui se mareste, cu atat

regulatorul devine mai putin selectiv, prin urmare mai sensibil la

zgomot , dar mai tolerant la modificari ale frecventei. De asemenea,

timpul tranzitoriu pentru frecventele armonicelor se imbunatateste.

pentru a asigura stabilitatea, frecventele armonicelor ce necesita reglare

trebuie sa fie mai mici decat frecventa de taiere fc

influenta termenului KI asupra stabilitatii este mica, marginea de faza si

cea de amplitudine fiind relativ aceleasi chiar daca acesta se modifica

sau este eliminat

KPt trebuie ales astfel incat sa ofere un timp tranzitoriu bun, sa permita

reglarea armonicelor cu frecvente cat mai mari si sa asigure o margine

de faza cat mai mare. De valoarea lui depinde cel mai mult stabilitatea

sistemului.

Page 31: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

30

Urmarind indicatiile de mai sus, cea mai des intalnita metoda de acordare a

regulatorului PR consta in alegerea factorului proportional KP ca pentru un regulator

proportional P folosind criteriul marginii de faza, iar apoi introducerea in legea de

reglare a termenilor rezonanti R1(s) cu frecvente mai mici decat frecventa de taiere. De

regula, in urma acestui proces se obtin rezultate satisfacatoare. Compensarea

intarzierilor in legea de reglare face ca regulile enumerate mai sus sa nu mai fie

suficiente. Datorita avansului in frecventa , regulatorul poate fi acordat pentru

frecvente mai mari decat frecventa de taiere fara a periclita stabilitatea sistemului.

3.1.2 Raspunsul in frecventa

Raspunsul in frecventa a regulatorului proportional-rezonant ideal se poate

observa in figura de mai jos:

Fig. 3.6 Diagrama Bode regulator PR ideal

Se poate observa cum in dreptul frecventei de 50Hz ( 314.2 rad/s) amplificarea

are valoare ridicata iar banda de frecvente din jurul fundamentalei este foarte

restransa.

Page 32: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

31

Regulatorul PR ideal, asa cum a fost prezentat mai sus, prezinta si cateva

limitari. In primul rand, amplificarea infinita a acestuia in bucla deschisa il face dificil

de implementat in realitate. O asemenea amplitudine nu poate fi obtinuta nici prin

utilizarea circuitelor analogice, nici folosind metode digitale precum microcontrollere

sau procesoare de semnal.

In al doilea rand, amplificarea regulatorului de tip PR este mult redusa la

frecvente diferite de cea de rezonanta si nu este adecvat eliminarii influentelor

armonice ce se gasesc in reteaua electrica. Pentru a remedia aceste neajunsuri, se

modifica forma ideala a regulatorului prin introducerea unui filtru trece-jos cu

amplitudine ridicata si se obtine urmatoarea forma:

( )

(3.9)

unde reprezinta frecventa de taiere a filtrului.

Daca se introduce factorul de filtrare ( regulator PR neideal), raspunsul are

caracteristicile evidentiate in figura de mai jos.

Fig. 3.7 Diagrama Bode regulator PR neideal

Page 33: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

32

Se observa ca pentru aceleasi valori ale parametrilor KP si KI amplificarea in

dreptul frecventei fundamentale este accentuata, insa comparativ cu regulatorul ideal

este mai mica. De asemenea, regulatorul este mai putin selectiv, banda de frecvente

din jurul fundamentalei devenind mai lata. In ambele cazuri, eroare de urmarire in

jurul frecventei de rezonanta este eliminata.

Page 34: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

33

4. Solutia dezvoltata

Pentru a putea evalua performantele algoritmului de reglare PR si a evidentia

beneficiile aduse de utilizarea acestuia, am ales simularea unui invertor conectat la o

sarcina neliniara a carui curent de iesire sa fie controlat cu ajutorul acestui regulator.

Este cunoscut efectul alimentarii unui consumator neliniar de la o sursa de tensiune

asupra formei de unda a curentului si consecintele pe care armonicele superioare

produse astfel le are asupra calitatii energiei si duratei de functionare a

echipamentelor electrice si electronice.

Pentru simulare am realizat modelul unui invertor de tensiune in punte H,

monofazat, pulsul alternativ realizandu-se cu ajutorul a patru tranzistori de tip IGBT.

Alimentarea este facuta in curent continuu, valoarea tensiunii poate varia insa pentru

cazul de fata am ales valoarea de 220 V. La iesirea invertorului este generata tot o

tensiune de 220V, insa alternativa. In mod curent, forma de unda a acesteia se apropie

foarte mult de cea a unei sinusoide pure. Curentul de iesire este dependent de

sarcina ce se conecteaza la bornele invertorului. Daca aceasta este liniara, curentul va

avea si el o forma asemanatoare tensiunii, sinusoidala. Daca este neliniara, forma

curentului va fi periodica, insa de forma nesinusoidala. Am ales sa abordez ambele

cazuri si rezultatele vor fi comparate. Simularea a fost realizata utilizand programul

Matlab si pachetul Simulink.

Fig. 4.1 Model invertor

Page 35: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

34

Generatorul de semnal PWM este dispozitivul care comanda cele patru

dispozitive de comutatie. In cazul simularii acesta este reprezentat printr-un bloc

PWM disponibil in suita Simulink. Pentru unda purtatoare am ales o frecventa de

1080Hz, in timp ce semnalul de modulat a fost obtinut cu ajutorul blocului sinus, si

reprezinta o unda sinusoidala de frecventa 50Hz, asemanatoare retelei nationate de

distributie a energiei electrice. Aceasta poate varia, insa pentru a evidentia modul de

functionare a invertorului, in prima faza aceasta a fost setata constanta. Sarcina are

caracter liniar si este reprezentata de un rezistor cu valoarea de 10 ohmi, pentru a

putea urmari relatia dintre semnalul de referinta si iesirea invertorului.

Fig. 4.2 Tensiunea si referinta invertorului

In imaginea de mai sus se poate observa cu rosu tensiunea de iesire a

invertorului in cazul in care la intrarea in blocul PWM se gaseste o sinusoida,

reprezentata cu mov pe grafic. Desi este sub forma unor impulsuri dreptunghiulare,

tensiunea are valoarea medie a referintei iar prin filtrarea acesteia se obtine o unda

asemanatoare sinusoidei pure.

Page 36: LUCRARE DE DISERTAŢIE - ACSE Departmentacse.pub.ro/wp-content/uploads/2014/06/Disertatie_StanMircea.pdf · 2.2 Tipuri de invertoare ... pentru stabilizarea tensiunii de alimentare,

35

Bibliografie

[1] Vasilion N. Katsikis, Septembrie 2012, MATLAB – A Fundamental Tool for Scientific

Computing and Engineering Applications –Volume 3,

[2] Mohan N., Underland T., Robbins W., 2003, Converters, Application and Design, J

John Wiley & Sons, Inc.

[3] Hongying Wu, Dong Lin, Dehua Zhang, Kaiwei Yao, Jinfa Zhang, 1999, A

Current-Mode Control Technique with Instantaneous Inductor-Current Feedback for UPS

Inverters, IEEE

[4] D.Zammit, C. Spiteri Staines, M.Apap, 2014, Comparison between PI and PR Current

Controllers in Grid Connected PV Inverters, International Jurnal of Electric, Electronics,

Communication, Energi Science and Engineering, Vol.8

[5] Hanju Cha, Trung-Kien Vu, Jae-Eon Kim, 2009, Design and Control of Proportional-

Resonant Controller Based Photovoltaic Power Conditioning System, IEEE

[6] Gacsádi Alexandru, 2009, Electronica de Putere, Universitatea din Oradea

[7] M.H. Shwehdi, F.S. Al-Ismail, 2012, Investigating University Personnal Computers

(PC) Produced Harmonics Effect on line Currents, International Conference on

Renewable Energies and Power Quality, Santiago de Compostela, Spain

[8] R. Teodorescu, F.Blaabjerg, M.Liserre , P.C. Loh, 2006, Proportional-resonant

controllers and filters for grid-connected voltage-source converters, IEE Proc-Electr. Power

Applications, Vol. 153, No.5