Wysokosprawne przekształtniki dwukierunkowe nowej generacji
do napędów średniego napięcia
Umowa Nr INNOTECH-K1/HI1/3/159089/NCBR/12
Okres realizacji projektu: od 01.09.2012 r. do 30.06.2014 r.
Wyniki
Okres realizacji projektu: od 01.09.2012 r. do 30.06.2014 r.
Projekt obejmuje przeprowadzenie badań przemysłowych dotyczących wysokosprawnych przekształtników
średniego napięcia zbudowanych z modułów zawierających blok przetwarzania z transformatorem wysokiej
częstotliwości. Celem badań jest zdobycie wiedzy dotyczącej dwukierunkowego przetwarzania energii
elektrycznej z wysoką sprawnością za pomocą falowników i transformatorów o dużej częstotliwości
oraz łączenia modułów falownikowych i sterowania nimi w wielopoziomowych przekształtnikach średniego
napięcia. Wyniki prac badawczych zostaną wykorzystane do zbudowania laboratoryjnego modelu przekształtnika
o mocy 160 kW, który posłuży do oceny właściwości układów silnoprądowych oraz weryfikacji metod i algorytmów sterowania.
Wyniki
Opracowany przekształtnik (Rys. 1., Rys. 2.) wykorzystuje 9 dwukierunkowych izolowanych modułów AC-DC-izolacja-DC-AC
(po trzy łączone w kaskadę na fazę) dla zasilania silników trójfazowych sinusoidalnym napięciem o regulowanej
wartości skutecznej w zakresie 1 - 3,3kV i regulowanej częstotliwości od 0 - 300 Hz. Moduły izolowane AC-DC-izolacja-DC-AC
są połączone w konfiguracji trójfazowej zarówno po stronie pierwotnej jak i wtórnej.
Rys. 1. Konstrukcja opracowanego przekszktałtnika 3,3kV mocy 600kW o budowie modułowej z izolacją realizowaną na wysokiej częstotliwości.
Rys. 2. Schemat ogólny opracowanego przekszktałtnika SN o budowie modułowej z izolacją realizowaną na wysokiej częstotliwości.
Rys. 3. Struktura pojedynczego modułu AC-DC/DC-AC z tranzystorami IGBT 1,7kV pracującymi z częstotliwością 6 kHz, napiecie obwodu pośredniczącego: 1kV, Cdc - kondensatory obwodów pośredniczących,
Cs - kondensatory gasikowe.
Każdy moduł izolowany (Rys. 3) zawiera:
- cyfrowo sterowany prostownik typu "active front-end" w konfiguracji mostka jednofazowego typu H zbudowanego z tranzystorów IGBT 1,7kV wraz z diodami zwrotnymi,
- cyfrowo sterowaną izolowaną pełnomostkową przetwornicę DC-DC w konfiguracji dwóch mostków H (1,7kV IGBT+ diody zwrotne) połączonych transformatorem wysokiej częstotliwości 1kV/1kV,
- oraz cyfrowo sterowany falownik w konfiguracji mostka H(1,7kV IGBT+ diody zwrotne).
Napięcie obwodów pośredniczących przekształtnika DC/DC wynosi 1kV. Zastosowane transformatory wysokiej częstotliwości,
o mocy znamionowej 100 kW charakteryzują się małym gabarytem i dużą gęstością mocy. Zastosowanie niskostratnych rdzeni
ferrytowych oraz uzwojeń nawiniętych przewodem Litz-a zapewnia wysoką sprawność transformatorów a wykorzystane rdzenie - odporność
na szok termiczny.
Rys. 4. Konstrukcja podstawowego modułu AC-DC/DC-AC ułatwiająca łatwą wymianę, utrzymanie i przeglądy: (1) - karta sterująca z procesorem sygnałowym ADSP-21363, (2) - dwupoziomowy prostownik PWM 1700V IGBT po stronie sieci, (3) - transformator izolacyjny wysokiej częstotliwości 1kV/1kV, (4) - dwupoziomowy falownik PWM 1700V IGBT po stronie odbioru.
Rys. 5. Widok jednej fazy przekształtnika 3,3kV złożonej z trzech modułów AC-DC/DC-AC w konfiguracj kaskadowej.
Rys. 6. Przebieg generowanego napięcia PWM o wartości szczytowej 4,7kV - przed filtrem wyjściowym.
Rys. 7. Przebiegi napięcia (2kV/dz) i prądu fazowego (50A/dz) za filtrem wyjściowym.
Rys. 8. Charakterystyka sprawności opracowanego wysokosprawnego przekształtnika do napędów 3,3kV.
Tabela 1. Wartości skuteczne prądu fazowego i współczynnika THD prądu dla różnych wartości mocy napędu
Właściwości opracowanego przekształtnika 3,3kV:
- Topologia wielopoziomowa wykorzystująca kaskadowe połączenie 2-poziomowych niskonapięciowych prostowników PWM zapewniająca pobór z sieci prądu o znikomej zawartości wyższych harmonicznych.
- Wysoka sprawność przekształtnika - powyżej 95%.
- Galwaniczna izolacja zrealizowana z wykorzystaniem transformatorów wysokiej częstotliwości zawierających rdzenie ferrytowe (soft ferrities) zapewniające małe wymiary oraz niskie straty.
- Umożliwia pracę w wysokich temperaturach otoczenia dzięki zastosowaniu zaawansowanego technologicznie system chłodzenia.
- Sinusoidalny kształt pradów zasilających (zawarość harmonicznych mniejsza niż 4%).
- Zminimalizowane starty w przetwornicach izolowanych DC-DC dzięki zastosowaniu zaawansowanych algorytmów sterowania: przełaczania tranzystorów przy zerowym napięciu (ZVS) oraz przełączania przy zerowym prądzie (ZVS).
- Budowa modułowa zapewnia sprawne utrzymanie, przeglądy i serwisową wymianę komponentów urządzenia.
- Wysoka odporność pracujących modułów AC-DC/DC-AC na zewnętrzne zaburzenia i zakłócenia natury kompatybilności elektromagnetycznej dzięki zastosowaniu kabli światłowodowych do transmisji sygnałów sterujących.
Przewiń
do góry
