ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - ВАРНА

маг. инж. Ангел Станимиров Маринов

СИЛОВИ ЕЛЕКТРОННИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ В КОМБИНИРАНА СИСТЕМА ЗА ТОПЛО И

ЕЛЕКТРОЕНЕРГИЯ НА БАЗА НА БИОМАСА

А В Т ОР Е Ф Е РА Т

на дисертация за получаване на образователна и научна степен „Доктор”

по научна специалност: 02.20.08

Електронизация (по отрасли и групи научни специалности)

ВАРНА, 2012 г.

2

Дисертационният труд съдържа 147 страници, включително 97, фигури, 30 таблици, и 4 приложения, оформени в четири глави, общи изводи и списък на използваната литература от 129 заглавия, от които 14 на кирилица и 115 латиница.

Защитата на дисертационният труд ще се състои на ……………..г. от …………ч. в …………………………………………………………… на открито заседание на жури сформирано със заповед на Ректор …………./………………….г.

Материалите по защита (дисертацията, рецензиите и становищата) са на разположение на интересуващите се във ФД „Докторанти”, стая 318 НУК.

3

ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯТ ТРУД

АКТУАЛНОСТ НА ПРОБЛЕМА

Актуалност на системите за комбинирано КПТЕЕ Когенерация е определение за вид енергийни системи предлагащи изключително висока

ефективност на преобразуването на енергийния запас от първичния източник на енергия. Терминът когенерация обобщава всички системи имащи два енергийни изхода, получени при усвояването на един тип гориво. Сред най-разпространените системи за когенерация са тези за комбиниранo производство на топлинна и електрическа енергия – КПТЕЕ. Концепцията за КПТЕЕ датира от повече 100 години като основното и приложение е в топлоелектрическите централи (ТЕЦ), където при производство на електроенергия, отпадъчната топлина се отвежда и използва за задоволяване на топлинни енергийни нужди или минава в ниско температурен кръг, където отново се преобразува в електрическа енергия. Когенерационните системи се характеризират с изключително висока ефективност в сравнение с конвенционалните. Тази ефективност може да достигне до 80% - 90% (за топлинното преобразуване), като за сравнение производителността на конвенционалните системи е от порядъка на 30% за обикновени и до 50% за високо технологични.

Развитието на модерните технологии – както на топлинната техника, така и на силовата електроника, прави възможно намаляването на мащаба на когенерационните системи, а от тук и използването им във все по-широк спектър от приложения. Логичното идва и заключението, че технологията може бъде приложена и директно в бита като от нея би могъл да се възползва и обикновеният потребител. Така системите за централно отопление, използвани в домакинствата, могат да бъдат подобрени до такива с КПТЕЕ. Това от потребителска перспектива ще бъде благоприятно, поради намелените разходи за електроенергия, а от глобална КПТЕЕ в бита ще допринеса за развитието на енегоефективно общество, децентрализиране на енергийната система, диверсификация на използваните горива, намаляване на емисиите на CO2.

Бъдеще на КПТЕЕ в България. Основни констатации. 1. Стойността на електрическата енергия за крайни потребители е с постоянна

тенденция за нарастване като регулацията на цените е тромава и неефективна поради монополизирането на електро разпределителната система. Това е стимул за потребителите да търсят алтернативни способи за набавяне на електрическа енергия. Децентрализирането на електропроизводството е един от тези способи. Електрическото производство се измества при потребителя. Системите за КПТЕЕ могат да влязат в тази потребителска ниша.

2. От потребителска гледна точка системите за КПТЕЕ, представляват модификация на вече съществуващите централни отопления за домакинства. Така в случая КПТЕЕ ще замести вече съществуваща на пазара система, което ще улесни нейното монтиране, поддръжка и прием от потребителя.

3. Получаването на енергия в системите за КПТЕЕ в най-честия случай става при изгаряне на първичния източник - горивото. Така горивата използвани в КПТЕЕ могат да бъдат – фосилни, биомаса или природен газ. При оптимален избор на горивото, системата може да има много ниски емисии на CO2 като при използване на подходяща биомаса тези емисии ще бъдат неутрални спрямо околната среда. При използването на отпадна биомаса системите за КПТЕЕ могат да се разглеждат като възобновяеми източници на енергия.

4. КПТЕЕ за бита е все още нова концепция, с тенденции тепърва да навлиза и задоволява нуждите на съвременното общество. Много от компонентите и, все още се нуждаят от разработка, изследване и усъвършенстване. В това число влизат и компонентите свързани с производството на електрическа енергия като и електрическите генератори, силова електроника, интерфейси и т.н. Именно тези компоненти са обект на разглеждане в текущия дисертационен труд.

4

ПРОБЛЕМ

Достигнатото цялостно технологично ниво на инсталациите за КПТЕЕ обуславя разглеждането на спомагателни технологии, сред които са и силовите електронни преобразуватели. Интерес представляват преобразувателите необходими за присъединяване на системите към електрическата мрежа. Критични и значими параметри за тези преобразуватели са ефективността, надеждността и качеството на преобразуваната енергия.

Подобряването на тези параметри посредством създаването на нови схеми и структурни решния, както и на нови специализирани алгоритми за управление и изследване ще подобри значително цялостната функционалност и производителност на системите за КПТЕЕ.

ЦЕЛ И ЗАДАЧИ НА ИЗСЛЕДВАНЕТО

Цел на дисертационния труд Да се синтезират, анализират, изследват и реализират силови електронни

преобразуватели в мрежово свързана система за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия на база на биомаса, с цел постигане на максимална ефективност, надеждност, сигурност и функционалност, отразяваща се на цялостната характеристика на този тип инсталации.

Основни задачи на дисертацията Задача 1. Анализ на тенденциите, особеностите и приложимостта на системите за

КПТЕЕ за България, съобразявайки се с фактите оказващи влияние върху тях – икономически, енергийни, климатични. Създаване на модел на система за КПТЕЕ – с цел оценка на икономическата ефективност на системата и разглежданият СЕП. Формулиране на изисквания към блоковете и предлагане на структурна схема на системата, подходяща за битови приложения.

Задача 2. Синтезиране на усъвършенствани топологии и алгоритми за управление необходими за построяване на електрическата част на системата за КПТЕЕ, при следните изисквания:

- Висок К.П.Д. за широк диапазон на изменение на товара и ниски загуби на празен ход. - Съвместимост на изходното напрежение с мрежовото – възможност за

присъединяване към електрическата мрежа. - Подобрени интерфейсни схеми

На база на синтезираните схеми следва: Задача 3. Разработване на методика за избиране на ключовете в предложените силови

електронни преобразуватели и способ позволяващ точното, бързо и ефективно измерване на загубите в изследваните преобразуватели.

Задача 4. Анализ, опитно изселване и верификация на предложените структури на силови електронни преобразуватели и доказване на свойствата и предимствата им.

За верификацията на предложените и синтезирани схеми ще бъде необходимо решаването на:

Задача 5. Практическа реализация на електрическата част от системата за КПТЕЕ. Базирана на съвременни, комерсиално разпространени компоненти. Експериментално изследване и обобщаване на особеностите на разработените силови електронни преобразуватели.

МЕТОДИ НА ИЗСЛЕДВАНЕ

Използвани са аналитични методи за анализ на електромагнитните процеси, компютърно моделиране и симулиране, математически софтуер – MATLAB, Matcad, ORCAD- PSPICE.

5

МЯСТО НА ИЗСЛЕДВАНЕ

Изследванията в дисертационният са теоретични, виртуални и експериментални и са извършени в:

- Технически Университет – Варна – лаборатория по „Силова електроника” към катедра „Електронна техника и микроелектроника”

- Университет Гент, Белгия – лаборатория по „Електрическа енергия” – EELAB – в рамките на студентска мобилност по програма „ЕРАЗЪМ”.

НАУЧНА НОВОСТ НА ИЗСЛЕДВАНЕТО

Разработен е обобщен функционален модел на инсталация за КПТЕЕ. На база на модела са направени изследвания за работата на инсталация за КПТЕЕ за условията на Република България като при разглежданията и анализа е изходено от използването на биомаса като гориво.

Създадена е нова структура на СЕП с подобрена ефективност използваща комбинация на електронни ключове – IGBT и MOSFET. Предложената структура е аналитично и експериментално изследвана, разработена е методика за подбор на ключовете.

Разработен е специализиран алгоритъм за управление на СЕП за система за КПТЕЕ. Алгоритъма използва „връх на парабола” – способ позволяващ висока надеждност и динамика спрямо конвенционалните алгоритми и подобряване качествения фактор на СЕП.

В допълнение е разработена и специализирана интерфейсна схема – токова защита. Разработките имат научно-приложен и приложен характер, доказани чрез

публикуването им на редица международни и национални списания и научни форуми. Те са в голяма част лично дело на автора на дисертацията и са подпомогнати от колективите, с които той е работил и публикувал резултатите от изследванията. Една от петнадесетте публикации е самостоятелна разработка на автора на дисертацията, а останалите четиринадесет са в съавторство.

ПРАКТИЧЕСКА ЦЕННОСТ НА ИЗСЛЕДВАНЕТО

Разглежданите силови електронни преобразуватели необходими за система за КПТЕЕ базирана на органичен цикъл на Ранкин и биомаса – пилети са напълно реализирани, базирайки се на схемите, структурите и алгоритмите предложени в дисертационния труд. Направени са пълни изпитания излизащи извън рамките описани в дисертационния труд. Преобразувателите са внедрени произвеждана от белгийска компания. Предстои пазарна дифузия.

Разработки свързани с анализа на електронните преобразуватели са представени под формата на доклад на изложението за силова електроника PCIM. На изложението участват и представят разработките си над 400 от водещите производители на електроника и силова електроника.

АПРОБАЦИЯ Основните теоретични и приложни резултати получени по време на разработката на

дисертационния труд са представени в над 20 публикации, като директно свързвани с работата са 15, от които:

- 1 статия в ‘Procedia Earth and Planetary Science’ – Elsivier – журнал с „импакт” фактор, индексиран в електронната база SCOPUS.

- 1 статия в Journal of Energy and Power Engineering, USA - 1 статия в KSI Transactions on KNOWLEDGE SOCIETY - 1 доклад изнесени на конференция European power electronics – Power electronics and

motion control - EPE-PEMC 2010, индексиран в електронната база SCOPUS и IEEE Explore. - 1 доклад, изнесен на конференция Power converters in motion control - PCIM 2009

6

Глава 1. Микросистеми за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия – обобщен анализ, технологично състояние и

предимства и недостатъци

Дисертационният труд разглежда силови електронни преобразуватели (СЕП) в системи за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия (КПТЕЕ) работещи на база на биомаса.

Първата глава е с обзорен характер като е направено обобщено разглеждане на съвременните инсталации за когенерация, анализирано мястото им както в бита, така и в енергийните системи на Европейският Съюз и Република България. Акцентът на обзора пада върху комбинираното производство на топлинна и електрическа енергия за малка мощност. В детайли са разгледани съществуващите технологии, техните предимства и недостатъци, силни и слаби страни. Представени са реални образци от практиката, чиито параметри са използвани за отправна точка в по нататъшните изследвания.

Изхождайки от обзора са изведени основните задачи и цели на дисертационния труд.

Обобщения и изводи: Направеният литературен обзор и сравнителните анализи водят до следните изводи: 1. Анализът на основните енергийни нужди на съвременното домакинство,

икономическо и енергийно състояние в страната, показва необходимостта от децентрализирана система за КПТЕЕ базирана на гориво с ниска цена и емисии на CO2. КПТЕЕ със своите предимства ще допринесе за изпълняването и достигането на енергийните цели на Република България и ЕС. Превръщайки се във фактор формиращ съвременната енергийна система.

2. Направен е детайлният обзор на технологиите за реализиране на КПТЕЕ и видовете системи налични на пазара обобщава: използваните технологии, достигнатото ниво на системите, техните икономически и технически показатели. Показано е мястото на СЕП в технологиите за КПТЕЕ.

3. Направен е SWOT анализ от перспективата на СЕП. Анализа показва и обобщава необходимостта от КПТЕЕ, както и че е достигнато ниво и фаза на развитие на технологията, която изисква и подобряване на параметрите на СЕП в КПТЕЕ.

4. Въпреки детайлното разглеждане на съществуващите микрогенерационни похвати и инсталации, поради иновативността на технологията липсва конкретна информация, като няма данни за такива системи инсталирани в Република България. Не се среща детайлно описание и информация за използваните електронни преобразуватели.

7

Глава 2. Структура, моделиране и анализ на система за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия

2.1. Моделиране, анализ и оценка на системите за КПТЕЕ

Икономическа и функционална приложимост на системите за КПТЕЕ силно зависи и се определя от комплексен набор променливи, които могат да бъдат разделени в три основни категории: климатични, енергийни и структурни.

Тези три категории обхващат широкият спектър от величини указващи влияние върху параметрите на системата. Това налага използването на специализиран модел, който да опише работата на инстанцията за КПТЕЕ. Това ще позволи точното определяне и дефиниция, както на икономическо-функционалните и параметри, така и на изискванията към електрическата част необходима за присъединяване към електрическата мрежа.

2.1.1. Модел на система за КПТЕЕ

Фигура 1. Модел на система за КПТЕЕ

На Фигура 1 е представен разработеният модел, докато на Фигура 2 е изобразена реализацията му в средата Simulink, на софтуерният продукт MATLAB. Моделът може да се използва за симулиране на различни периоди от време като дискретът на симулираното време е един час. Моделът използва като данни:

- средните температури за всеки календарен ден от годината. - цената на електрическата енергия, като се отчита както дневната така и нощната

тарифа. - цената на горивото на системата за КПТЕЕ – използват се 8 вида горива

включително и биомаса. - параметри на изследваното помещение – геометрични размери, топло изолация. - потребление на електрическа енергия за различните видове консуматори. Променливите в изследването са: - ефективността на генератора и преобразувателя - съотношението на генерирана топлинна към електрическа енергия - вътрешна температура

8

- избор между КПТЕЕ и конвенционална отоплителна система Изхождайки от тази база може да се твърди, че моделът ще бъде способен да даде

ясен поглед върху икономическата ефективност на система, избора на гориво, дефинирането на параметрите на преобразувателя и др.

Фигура 2. Модел на система за КПТЕЕ – MATLAB, Simulink

2.2. Резултати при приложението на модела

2.2.1. Резултати при използване на модела характеризиращи икономическата ефективност на системите за КПТЕЕ.

При получаване на резултатите изходните параметри за модела са взети за град Варна като потреблението на електроенергия за симулираното домакинство е получено посредством анкета. Използвани са наличните за потребители горива в района. За вътрешна температура са взети 22оC. Системата се използва 8 часа в денонощието, като се отоплява помещение с площ 100m2, обем 280m3 и еквивалентно температурно съпротивление 0,524K.m2/W. Генерацията на топлинна към електрическа енергия е в отношение 8:2.

При направената симулация е получен годишният разход за енергия (гориво плюс електричество) в лева на системата за КПТЕЕ в зависимост от използваното гориво като той е сравнен с еквивалентния разход, ако горивото се използва само за отопление. Резултатите са обобщени на Фигура 3, Фигура 4 и Фигура 5.

9

Фигура 3. Разлика в енергийните разходи при използването за система за КПТЕЕ и конвенционално

отопление при използване на различни видове горива

Фигура 4. Намаляване на разходите в проценти при използване на система за КПТЕЕ захранвана от пелети спрямо разходите при използване на конвенционална отоплителна система.

Фигура 5. Разлика в разходите в проценти при използва на система за КПТЕЕ спрямо конвенционална отоплителна система работеща на електрическа енергия

Резултатите показват, че системата за КПТЕЕ ще бъде икономически изгодна за потребителя при използване на лигнитни въглища, дърва за огрев, природен газ или пелети. При използването на пропан бутан, дизелово гориво или газьол системата не е икономически изгодна тъй като цената за горивото значително превишава електрическият еквивалент (използване само на електрическа енергия). От горивата определени като ефективни, на база на направеният обзор лесно може да се стигне до заключението, че пелетите биха били най-подходящото гориво. Така е разгледана работата на системата при използване на дървесни пелети. Резултатите са обобщени на Фигура 6, Фигура 7 и Фигура 8. Отчетени са месечните потребления на гориво и електрическа енергия, както и разхода на гориво в зависимост от средните дневни температури. От графиките се вижда, че използването на КПТЕЕ в студените месеци може напълно да премахне разходите за електрическа енергия, докато в топлите месеци, когато няма нужда от системата може да има нормална консумация на електроенергия.

10

Фигура 6. Разходи за енергия при използване на система за КПТЕЕ работеща със пелети

Фигура 7. Разход в лева, на гориво и

електрическа енергия в зависимост то външната дневна температура

Фигура 8. Разход на пелети в килограми в зависимост от дневната външна температура

На база на направеният анализ може да се заключи, че системата за КПТЕЕ има

значителни предимства пред конвенционалните системи за отопление, като притежава потенциала за масово приложения. Предимствата на системата могат да се обобщят като (обобщението е при използване на пелети като гориво):

- Използването на системи за КПТЕЕ за България може да намали разходите за енергия с до 12% спрямо нормалните системи за отопление и с до 30 спрямо електрическото отопление. При запазване на тенденциите за увеличаване на цените на електроенергия тези проценти могат да нараснат.

- Използването на биомаса като гориво, би означавало по-малки емисии на CO2. - Пелетите могат да бъдат произвеждани от отпадни материали от селското стопанство

и дърводобива. Базирайки се на данните от Фигура 7 и Фигура 8, лесно може да се види, че достъпният потенциал на отпадна биомаса от селското стопанство (2681000 сухи тона) е достатъчен за годишното захранването на приблизително 595000 (при 100% преобразуване на биомасата в пелити) системи КПТЕЕ.

- Система, работеща на биомаса може да бъде разглеждана като възобновяем източник на енергия, това означава, че потребителят може да получи субсидия или преференциален

11

кредит за инсталирането и. От друга страна инсталирането на система за КПТЕЕ от този вид би подпомогнало националните интереси в развитието на ВЕИ.

- Базирайки се на данните от Фигура 6 може да се отчете, че през действието си в зимните месеци системата елиминира потреблението от електрическата мрежа, което би означавало разтоварване на разпределителната система в пиковите зимни месеци.

2.2.2. Резултати при използване на модела дефиниращи електрически параметри на системата.

Използвайки модела е направено изследване за най-студеният ден от годината (Варна 2010) – отчетена средна дневна температура - 15оC. Това съответно е и най-тежкият режим на системата, където генерираната топлинна енергия ще бъде с най-голяма стойност. При избраното съотношение на генерирана енергия 8:2 е изчислена средната стойност на електрическата мощност, като резултатът е 2,643kW. Това е и задаваща точка за електронни преобразуватели. Отчитайки че системата е за битова употреба, то генерираната мощност трябва да е съвместима с еднофазната мрежа. По стандарт при напрежение 230V и максимален ток на един кръг от еднофазната мрежа за домакинството – 16А, максимално допустимата мощност на електрическа част от КПТЕЕ би била 3,520kW. Задавайки мощност на електрическата част 3kW се получава балансиран запас от около 15% между максималната мощност при генериране в най-студения ден и максимално допустимата мощност на еднофазната електрическа мрежа.

На база на модела е изследвано влиянието което оказва ефективността на електронният преобразувател присъединяващ системата към разпределителната мрежа върху годишният разход за енергия (гориво плюс електрическа енергия) - Фигура 9. За изчисления като гориво са използвани пелети. От графиката се вижда, че ефектността на системата като цяло значително се влияе от ефективността на преобразувателя като за 20% спад в ефективността на преобразувателя се получава 6% нарастване на общия енергиен разход. Зависимостта, обусловена от ефективността на генератора ще бъде същата.

От направените изследвания може да се заключи: - Средната мощност на електронните преобразуватели може да бъде избрана като

стойност между генерирана електроенергия от системата в най-студеният ден и максимално допустимата мощност на еднофазната мрежа. В случая като оптимално кръгло число може да се избере 3kW.

- Ефективността, както на преобразувателите, така и на генератора оказва голямо влияние на общата икономическа ефективност на системата. Това съответно я слага като един от най-важните параметри, които трябва да бъде усъвършенстван.

Фигура 9. Икономическа ефективност на системата в зависимост от ефективността на електронните

преобразуватели.

12

2.3. Топология и структура на предложената система за комбинирана топло и електро енергия на база на биомаса.

Структурата на предложената система е представена на Фигура 10. Системата се базира на органичен цикъл на Ранкин. Където използваното гориво се изгаря в горивна камера като топлинната енергия се предава на органично съединение с ниска температурна точка на изпарение. Част се насочва към централното отопление, а се преобразува в механична, а от там механичната се преобразува в електрическа посредством електрическа машина-генератор. При така конфигурираната система електрическата генерация ще зависи от топлината, която както беше показано от модела се определя от различни параметри. От тук следва че генераторът ще работи със свободна скорост на въртене дефинирана от топлинното потребление. Това означава че за присъединяването към мрежата генерираното напрежение трябва да бъде съгласувано с нея. В предложената структура това става посредством двойка силови електронни преобразуватели (СЕП1 и СЕП2). Тези преобразуватели и прилежащите им схеми за управление и интерфейс са обект на разглеждане в дисертационния труд.

Фигура 10. Система за КПТЕЕ на база на органичен цикъл на Ранкин

2.4. Основни електрически блокове и техните режими на работа в предложената структура.

Фигура 11. Основни електрически блокове в предложената система за КПТЕЕ

От цялостната структура на предложената система за КПТЕЕ, електронните преобразуватели лесно могат да бъдат разработени и обособени. Това е направено на Фигура 11. В случая за електрическа машина е използван BLDC или още синхронен двигател с

13

постоянни магнити. За реализирането е предпочетен този тип машина поради изключително голямата и ефективност, компактност и надеждност. Така трифазната машина се включва съответно към трифазен преобразувател – СЕП1 които съответно отдава енергията генерирана от машината към СЕП2, който от своя страна я инжектира в електрическата мрежа.

Предложената структура на система за КПТЕЕ (Фигура 10), не е само-стартираща. Това означава, че при началното си установяване тя трябва да бъде „пусната”. Изисква се в началният момент BLDC машината да работи като двигател. В разработените преобразуватели това е предвидено и възможно.

Общения и изводи: 1. Създаден е подробен модел позволяващ оценка на икономическите и функционални

параметри на системата за КПТЕЕ. Модела обхваща комплексен набор от параметри и лесно може да бъде приспособен и за изследване на различни енергийни системи в бита.

2. На база на модела е установена икономическата ефективност на системата за региона на североизточна България. Резултатите показват ефективността на системата при използването на биомаса като гориво.

3. Анализирани са основните блокове на системата за КПТЕЕ и са дефинирани изисквания към тях при икономическа и експлоатационна оценка.

4. Дефинирани са основните електрически параметри на електронните преобразуватели необходими за включване на системата към електрическата мрежа.

5. Предложена е структура на система за КПТЕЕ базирана на органичен цикъл на Ранкин, включваща както топлинната, така и електрическата част. Разработената структура предлага генериране на електрическа енергия при свободна скорост на въртене.

Глава 3. Усъвършенствани електронни преобразуватели в система за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия

3.1. Основна структура на силовата електронна част.

Фигура 12. Структура на силовата електронна част

Базирайки се структурата на електрическата част на системата за КПТЕЕ показана на Фигура 11 и получена на база на изследванията върху системата, може да се отдели силовата част на електронните преобразуватели - Фигура 12. По дефиниция като силова част, може да се обособи всяка електронна структура, чиято основна функция е електрическото преобразуване на един вид енергия в друг. Тя е в сърцето на силовите електронни преобразували като от нейната работа до голяма степен зависи ефективността.

14

Показаната структура е съставена от два силови електронни преобразувателя – преобразувател за управление на BLDC машината и преобразувател за инжектиране на електрическа енергия в разпределителната мрежа.

При обстоен поглед над предложената схема може да се забележи, че тя е изградена от пет идентични силови рамена. При подробен анализ става ясно, че рамената не съвпадат само по структура, но и по параметри.

Задачата решена в тази част от дисертационния труд е свързана с разработването нова структура на силово рамо, предлагащо подобрени параметри, сред които основен е ефективността, обусловена от ниското ниво на загубите.

3.2. Подобрена топология базирана на IGBT/MOSFET комбинация Използваното решение за подобряване ефективността на силовите електронни

преобразували в системата за КПТЕЕ е базирано на комбинирането на електронни ключове в структурата на силовите рамена. При предложената структура се постига комбиниране на предимствата на двата използвани ключа – MOSFET и IGBT

3.2.1. Структура на предложената топология и основен принцип на работа. Предимства и недостатъци.

Фигура 13. Еднофазен мостов инвертор построен посредством силови рамена базирани на комбинация

на IGBT/MOSFET

Предложената комбинация на електронни ключове, разгледана в контекста на мостов инвертор е показана на Фигура 13. В схема на инвертора всяко рамо е реализирано на базата на един MOSFET и един IGBT като съответно в случая MOSFET е свързан към високото ниво на схемата, а IGBT към ниското (MOSFET – high side, IGBT – low side). Така описаната комбинацията е приложима за преобразуватели използващи широчинно импулсна модулация (ШИМ), където единият транзистор провежда през целия полупериод на модулираната изходна величина, докато втория извършва модулацията. Такъв е случаят с инжектирането на електрическа енергия в разпределителната мрежа. Принципът на работа може да се опише по следният начин:

Нека приемем, че транзисторите свързани в ниското ниво на разглежданата схема се използват за провеждане през целия полупериод на модулираната синусоида, съответно S3 за отрицателният, а S4 за положителният. Транзисторите във високото ниво ще се използват за модулиране на синусоидата съответно S1 за положителния полупериод, а S2 за отрицателният. В този контекст се получават две двойки транзистори работещи симетрично и в противотакт, от тук се осмисля разглеждането само на единият полупериод на модулираната синусоида. Такъв е и случаят с Фигура 14.

15

Фигура 14. Еквивалентна схема на мостов инвертор използващ IGBT/MOSFET комбинация за един

полупериод от синусоидална ШИМ.

При описаният начин на работа в схемата могат да се обособят два токови контура пренасящи енергията от източника към товара. На фигурата тези токове са обозначени съответно с I1 и I2. Токът I1 протича от източника към товара когато ключът S1 e затворен, съответно I2 протича когато S1 е отворен и се дължи на натрупана в индуктивната съставна на товара енергия. Съответно I1 ще протича през S1 и S4, докато I2 през S4 и анти-параленият диод на S3– D3.

Проследявайки пътя на тока в схемата могат определени и загубите в отделните компоненти. Тук интересни са загубите от комутация на ключовете тъй като в тях е и основното предимство на комбинираната схема. За предложеният режим на работа комутационните загуби в S4 ще бъдат пренебрежимо малки – S4 e включен през целия полупериод, от тук честота му на превключване ще бъде 50Hz. Основните комутационни загуби за разглежданият полупериод ще бъдат концентрирани в S1 и D3. При включване на S1 потенциала върху катода на D3 става много по-голям от този на анода му и диодът се запушва. Комутационният процес в диода обаче протича с характерен обратен ток, така за времето на комутация целият ток протича през транзистора и диода. Общите загуби от превключване тогава ще бъдат сума от тока протичащ през транзистора плюс токът за обратно възстановяване на диода. Така описаният процес и токът характеризиращ загубите е показан на Фигура 15, а загубите дължащи се на обратното възстановява на диода могат да се опишат с уравнение (1)

Фигура 15. Ток и напрежение през електронни ключове (IGBT и MOSFET) в момент на комутация

16

++≈ onrr

onrrdconrr It

dtdiIQUfIP ).

/.2(..)(

(1)

Където: Prr са загубите от превключване внесени от обратният диод D2 Ion – токът през транзисторът UDC – напрежението върху транзисторът QRR– обратният заряд на диода D2 tRR - времето за възстановяване на диода D2

Фигура 16. Обобщено представяне на намаляването на загубите при използване на IGBT/MOSFET

комбинация.

От тук се вижда че загубите дължащи се на обратното възстановяване на диода ще

имат значителен принос към общата сума, като основните параметри които ги характеризират са заряда QRR и времето за възстановяване tRR . Така качеството дефинирано от неговото бързодействие се оказва значителен фактор при формирането на загубите. В предложената схема използваният обратен диод ще бъде този вграден в IGBT-то S3. Вградените в IGBT диоди обикновено са предвидени така че да следват честотните характеристики на транзистора в контекста това ще означава малки QRR и tRR. Това е и едно от основните предимства на предложената схема пред конвенционалната схема реализирана само с MOSFET, където обратният диод щеше да бъде паразитен – част от структурата на MOSFET. Бидейки такъв то й би имал в пъти по го леми QRR и tRR от тези на вграденият в IGBT диод. Графично това е описано на Фигура 16.

На база на направените разсъждения възниква логичният въпрос защо не се използва друга конвенционална схема базирана изцяло на IGBT. При използването на това решение проблеми възникват при запушването на транзистора. Ако схемата беше изцяло реализирана с IGBT то ключа извършващ модулацията и работещ на висока честота щеше да бъде IGBT, което щеше да означава, че характерната за IGBT токова опашка ще се проявява за високата работна честота, увеличавайки значително загубите от комутация. За предложената комбинация това не в сила тъй като транзисторът работещ на висока честота е MOSFET - Фигура 16.

17

Обобщено представяне на подобряването на комутационните загуби в топологията при използване на комбинация от MOSFET и IGBT е показано на Фигура 16. Представеното разглеждане обхваща инвертора за инжектиране на електрическа енергия в разпределителната мрежа, то обаче е валидно и за преобразувателя управляващ BLDC машина, като разликата в случая е броя на фазите, съответно използваните силови рамена.

3.2.2. Аналитично и статистическо изследване на топологията и избор на транзистори.

Представените по-горе загуби са разгледани и анализирани математически от което са изведени уравненията представени в Таблица 1.

Таблица 1. Сравнение на пълните загуби в MOSFET, IGBT и IGBT/MOSFET схеми

Топология Загуби IGBT

MOSFET

IGBT/MOSFET

Потвърждаването на направените по-горе заключения, трябва да бъде направено в контекста на реално съществуващите полупроводникови ключове. Това е така поради изключително голямото пазарно разнообразие на транзистори с различни параметри, както и голямата количествена разлика между различните видове MOSFET и различните видове IGBT. От тук логичният въпрос е къде и за кои транзистори комбинацията би била успешна.

За да бъде решена тази задача е направен статистически анализ на част съществуващите MOSFET и IGBT. Разгледани са 689 MOSFET и 210 IGBT, като за целите на разглеждането са взети всички транзистори с n полярност и максимален ток през прехода по-голям от 1А. Използваните при анализа параметри са: максимално напрежение в запушено състояние – VDS и VCE; максимален ток през прехода в отпушено състояние – ID и IC; цена; съпротивление или съответно напрежение на прехода при отпушено състояние RDS(on) и VCE(on); комутационни параметри.

Първата стъпка при проверката за комбиниране на ключовете е сравнението им в силовият им диапазон, като е разгледана зависимостта максимален ток и напрежение. Това е направено на Фигура 17. При това разпределение се оформят две основни групи MOSFET – такива с максимално напрежение под 200V и такива с напрежение около 600V. При IGBT съответно има група в 600 волтовият регион и 1200 волтовият. От тук логично е да се направи заключението че комбинацията ще бъде най-ефективна за транзистори с максимални напрежения около 600V. Разглеждайки този специфичен регион може да се забележи, че в него MOSFET са концентрирани за токове до към 40А, докато разпределението на IGBT

18

продължава до 100А. От тук може да се зададе и токовият диапазон, така според съвместимостта на силовите параметри, най-ефективно комбиниране може да стане в диапазона 600 волтовите напрежения за до към 40А ток. Това в съответствие с разработката показва изключително добра съвместимост, както за ивертора за инжектиране на ток в мрежата, така и за управлението на BLDC.

Фигура 17. Разпределение на изследваните транзистори спрямо максимален ток през транзистора и

максимално напрежение върху прехода

Друг важен аспект обуславящ комбинирането на IGBT и MOSFET са загубите от

проводимост. Използването на схемата трябва да е съобразено с това дали общите загуби от проводимост в IGBT схема или MOSFET схема не обуславят по-голяма ефективност от подобренията върху комутационните загуби при комбинираната схема.

Фигура 18. Зависимост на съпротивлението на прехода на изследваните MOSFET от напрежението

Фигура 19. Зависимост на пада на напрежение на прехода на изследваните IGBT от напрежението

Изследването на загубите от проводимост за разглежданите транзистори е направено

на Фигура 18, Фигура 19 и Фигура 20. Разгледан е 600 волтовият диапазон, като при 16А е са пресметнати загубите от проводимост на IGBT и MOSFET. Вижда се че в региона затворен от двете криви - 20А-40А максимален ток през прехода е възможно комбинирането на транзисторите без да се получат съществени разлики в загубите от проводимост.

Направен е и анализ до колко се подобряват комутационните загуби при комбиниране. Взети са честотните характеристики на паразитните диоди в изследваните MOSFET и на техните аналози в лицето на вградените диоди в IGBT, като на база на уравнение 1 са

19

пресметнати загубите (за стойност на тока отново се използва 16А). Забелязва се че при за по голяма част от транзисторите разликата в загубите от комутация достига до 10W.

Фигура 20. Загуби от проводимост при 16А за транзистори с максимално напрежение на прохода в

диапазона 600V

Фигура 21. Загуби от обратно възстановяване на диода за IGBT и MOSFET, отнесено към наличните

транзистори на пазара.

Комбинирането на схемата е изследвано и от икономическа гледна точка, като са разгледани цените изследваните транзистори. Може да се забележи че комбинираната схема ще бъде с по ниска цена от схема реализирана изцяло на базата на MOSFET и малко по-скъпа от такава реализирана на базата на IGBT.

Фигура 22. Средна цена на IGBT, MOSFET и тиристор (SCR) спрямо мощността на ключа

20

От извършените изследвания могат да бъдат направени следните заключения: - Използването комбинирана IGBT/MOSFET схема е възможно, като най-ефективният

диапазон на приложение е при транзистори за 600V при токове до 40А. - Комбинирането на схемата ще запазва ефективността си като при правилен подбор

загубите от проводимост могат да бъдат намалени, спрямо схемите използващи само MOSFET.

- Показано е че за транзисторите на пазара има реално намаляване на загубите от комутация дължащи се на обратните диоди.

- Установено е че в ценово отношение комбинацията ще бъде с по-ниска цена от схема реализирана изцяло с MOSFET.

3.2.3. Експериментално изследване на предложената топология и експериментална верификация на основните и свойства.

Предложеното силово рамо, базирано на IGBT/MOSFET комбинация е практически реализирано, на негова база са построени силовите блокове необходими за системата за КПТЕЕ. Реализацията на инвертора за инжектиране на енергия в мрежата е показана на Фигура 23.

Фигура 23. Практическа реализация на IGBT/MOSFET базирани рамена

Реализираните силови рамена са използвани за тестване на ефективността на комбинацията и сравнение с конвенционалните IGBT и MOSFET топологии. Опростена принципна схема на опитната постановка е показана на Фигура 24 и Фигура 25, като съответно първата е използвана за тестване на IGBT/MOSFET комбинацията, втората за получаване на тока на включването при наличие на паразитен MOSFET диод и тока при изключване където се проявява токовата опашка на IGBT. Разликата в двете схеми е в свързването на товара, което обуславя и пътя на тока в схема. При така реализираната схема и отделянето на загубите – при включване и изключване, с използването на едно силово рамо може да се изследват и сравнят и трите схеми – само IGBT, само MOSFET, комбинация IGBT/MOSFET.

D2

D1

S1

R

L

S2

I1

I2

VinVg

D2

D1S1

R

LS2

I1

I2

Vin

Vg

Фигура 24. Принципна схема на

изследване на IGBT/MOSFET комбинация Фигура 25. Принципна схема за

изследване на IGBT или MOSFET

21

На база на описаният подход са получени Фигура 26 и Фигура 27, като съответно е показан токът на включване и изключване при комбинацията на IGBT и MOSFET и токът на включване и изключване за MOSFET и IGBT. Вижда се че MOSFET транзистора, в сравнение с комбинираната схема ( Фигура 27), има значително по-голям ток на включване, дължащ се на по-лошите качества на антипраленият му диод. При сравнение на фигурите може да се види, че при използване само на IGBT, спрямо IGBT/ MOSFET комбинацията има по-голям ток на изключване поради токовата опашка на IGBT транзисторите. По-големите токове на превключване при топологии реализирани само чрез IGBT или само чрез MOSFET обуславят по-големи загуби. По-малките загуби на IGBT/ MOSFET комбинацията я правят по-ефективна.

Фигура 26. Процес на включване и изключване при IGBT/MOSFET комбинация.

Фигура 27. Процес при включване на силово рамо реализирано с MOSFET и при изключване на такова реализирано с IGBT

Направени са опити с използването на няколко различни двойки транзистори. Обобщение на резултатите е направено в Tаблица 2.

Tаблица 2. Експериментално сравнение на MOSFET рано със комбинация IGBT/MOSFET

Тип на топологията

Електронни ключове

Загуби

Ефек

тивн

ост

Цен

а за

цел

ия

инве

ртор

[€] В ниските транзистори В високите транзистори

Общи [W] Проводимост

[W] Комутация

[W] Проводимост

[W] Комутация

[W]

MOSFET

IRFP32N50KPBF 8.7 10.0 17.5 34.2 70.4 0.964 39.68 IPA50R140CP 11.8 5.0 23.8 21.6 62.1 0.968 25.6

IGBT-MOSFET

IRFP32N50KPBF &

FGA120N30DTU 8.6 10.1 16.5 0.5 35.6 0.981 29.94

IRFP32N50KPBF &

IRG4PC50FDPBF 8.8 9.8 19.7 1.9 40.2 0.979 32.1

IPA50R140CP & FGA120N30DTU 11.7 4.9 16.2 0.5 33.2 0.983 22.9

IPA50R140CP & IRG4PC50FDPBF 11.7 4.9 19.6 1.9 38.1 0.980 25.06

22

Изследванията са направени използвайки два вида МOSFET комбинирани с два IGBT, като е използван ток 10А и напрежение 200V. Работната честота на комутиращият транзистор е 50kHz, като работният коефициент на запълване е 50%. Отчетени са загубите в транзисторите, ефективността на преобразувателя и цената за целият инвертор. Резултатите показват по-голямата енергийна и икономическа ефективност на комбинираната топология спрямо тази реализирана с MOSFET.

Всички практически и опитни изследвания на загубите са направени на база на методологията за измерване на загуби описани в следващата глава от дисертационният труд

3.3. Други приложения на топологията.

От разработването на комбинираната схема базирана на IGBT/MOSFET (Фигура 29), произлизат още няколко схемни решения и приложения. Изследвано е приложението на схемата в електрически задвижвания базирани на мощни постояннотокови двигатели с постоянни магнити (PMDC). Направените изследвания показват полезността на комбинацията за това конкретно приложение, като дават насоки за по-нататъшното използване на схемата.

Разгледан е и алтернативен вариант на предложената концепция при който се комбинират MOSFET с мощни тиристори (SCR) - Фигура 28. При използване с постояннотоков двигател тиристорите се запушват естествено в момента на рекуперация на двигателя. Предложената схема използва предимства свързани с тиристорите, като ниските падове на напрежение, ниска цена, възможност за протичане на голям ток и др.

La Ra ea

S1 S2D1 D2

VDC

D4

I1

I2 S4D3S3

La Ra ea

S1

S3

S2D1 D2

D3 D4

VDC

S4

I1

I2

Фигура 28. Управление на PMDC машина на база на комбинация MOSFET-SCR

Фигура 29. Управление на PMDC машина на база на комбинация IGBT/MOSFET

Обобщения и изводи: 1. Предложена е подобрена структура на силово рамо, базирана на комбинация от

полупроводникови ключове – IGBT/MOSFET, чрез която да се проектират и изграждат електронните преобразуватели. Структурата е анализирана, като е посочен принципа и на действие и основните сфери на приложение. Дадени са основните предимства на структурата – подобрени загуби от комутация.

2. Проведено е обстойно проучване на пазара на полупроводникови ключове, като е направена статистическа извадка за IGBT и MOSFET, включваща разширен диапазон параметри. На база на статистическата извадка аналитично са показани предимствата от комбиниране на IGBT/MOSFET, като са показани възможните диапазони на комбиниране. Предложен е способ за избор на силовите ключове.

3. Създадена е методика за избор и комбиниране на ключовете по предложената топология IGBT/MOSFET.

4. Предложената конфигурация е експериментирана, получените резултатите верифицират заложените усъвършенствани параметри.

23

5. Предложени са различни приложения на предложената комбинация, като е проверена успешната и реализация при управлението на постояннотокови двигатели с постоянни магнити. Предложена е алтернативна комбинация – SCR/MOSFET.

Глава 4. Усъвършенствани способи и методологии за управление, изследване и защита на електронни преобразуватели в системи за

КПТЕЕ

В тази секция от дисертационния труд се предлагат, изследват и анализират подобрени и усъвършенствани алгоритми, способи и методологии за управление, измерване и защита на разглежданите силови електронни преобразуватели. Разработен е способ за измерване на загубите в електронни ключове, характеризиращ се с голямо бързодействие, точност и ниски изисквания към измервателната апаратура. Предложен и разгледан е подобрен иновативен алгоритъм за управление на силовия електронен преобразувател за инжектиране на енергия в мрежата. Синтезирана е специализирана токова защита с усъвършенствани параметри, приложима към всички рамена на силовия електронен преобразувател.

4.1. Оценка на ефективността на реализираната топология и измерване на загуби в силови ключове.

Една основните точки заложена в задачите за изпълнение и засегнати в разглеждането e подобряването на ефективността на силовите електронни преобразуватели в системите за КПТЕЕ. На база на предложенoтo силово рамо – комбинация на IGBT/MOSFET бе аналитично, установено че загубите от комутация могат да бъдат намалени до три пъти, което от своя страна може да повиши ефективността на цялостния преобразувател с до 2-3%. Това би означавало ефективност от порядъка на 96-97%. Вижда се, че за изследване на ефективността на преобразувателя е необходима достатъчно точна методология, така че грешката от измерването да не окаже влияние на оценката на загубите. Високите изисквания към измерването налагат разработката на специализирана подобрена методика за измерване на загубите в транзисторите, която да позволи точното и бързото им отчитане.

4.1.1. Подобрена методология за оценка на загуби в електронни ключове – MOSFET и IGBT

S1 D1

D.U.T.

IDТокова сонда

Цифров осцилоскоп

CH1

CH2

Напреженова сонда

Персоналенкомпютър

MATLABПрограма

Изходни данни

Трансфер на данни

USBFlash CardSerial COM

Пълни загуби

Загуби от превключванеЗагуби от проводимост

Фигура 30. Структурна схема на подобрена методология за измерване на загуби в силови електронни

ключове

24

Блокова схема на разработената методология е показана на Фигура 30. Предложената

методология използва пасивна сонда за измерване на тока в изследваната верига и обикновена напреженова сонда за измерване пада върху образеца. Резултатите от двете сонди – напрежение и ток, се получават от цифров осцилоскоп. Изискването към този осцилоскоп е наличието на два канала и на функция за трансфер на информация. Това прави използването на методологията възможно и с по-обикновени осцилоскопи нямащи функция за умножаване на каналите. Информацията от цифровия осцилоскоп се предава на персонален компютър, след което се обработва чрез специално разработен MATLAB скрипт. Разработената методология предлага изключителна скорост на изследванията, както и опростени изисквания към наличната апаратура. Изходните данни се записват директно в персоналния компютър, което от своя страна елиминира всяка възможност за допускане на грешка при преписване на данните и предоставя гъвкава структура на информацията позволяваща по-нататъшна обработка. Направените изследвания на база на разработената методика показват повишена точност дължаща се на разликата в алгоритмите на умножение в MATLAB и тези в цифровите осцилоскопи, използвани в конвенционалното измерване на загуби.

4.1.2. Специализирана пасивна токова сонда. В описаната методология измерването на тока става посредством пасивна токова

сонда. Използването на този вид измервателен преобразувател има няколко основни предимства, които се оказват особено критични при изследването на загуби в полупроводникови ключове. За целите на методологията и съответно решаване на задачите в дисертацията е построена специализирана пасивна токова сонда. Реализацията и се характеризира със следните предимства:

- Изключително малко закъснение на измерваният ток, обусловено от липсата на активни компоненти участващи в измерването. Отчитайки, че комутационните процеси в електронните ключове протичат за времена от порядъка на няколко десетки нано секунди, то за да намалим до минимум грешката при измерването е необходимо закъснението на тока да бъде пренебрежимо малко.

- Изключително опростена конструкция – построяването на токовата сонда става с лесно достъпни компоненти, така освен с лесната си реализация тя се характеризира и със значително ниска цена.

- Широк честотен диапазон 10kHz – 50MHz

Фигура 31. Принципна схема на разработената токова сонда

Принципната схема на предложената токова сонда е показана на Фигура 31. Сондата е базирана на токов трансформатор изграден от тороидален нанокристален магнитопровод. Изборът на този специфичен материал е свързан с изключително високата му магнитна проницаемост, която от своя страна ще подобри грешката в първичната намотка. Реализираната токова сонда може да се разгледа, като два паралелно свързани обратни преобразувателя формирани от първичната намотка, през която тече измерваният импулсен ток, вторичната намотка на токовият трансформатор, диода на Шотки и резисторите върху които се получава пада пропорционален на изследваният ток. В структурата на сондата, за всяка от двете намотки са включени ценеров диод с ограничителен диод, имащи за задача по-

25

бързото демагнетизиране на магнитопровода. Към токовата сонда е включен съгласуващ резистор 50Ω, тъй като връзката с оцилоскопа е осъществена посредством стандартен коаксиален кабел - RG58.

Разработената токова сонда е построена практически. Реализацията и представена на Фигура 32, като са изработени два прототипа. Изследванията направени със сондата показват нейната функционалност и потвърждават изброените предимства свързани с работата и.

Фигура 32. Практическа реализация в екраниран и неекраниран вариант на предложената токова сонда

Фигура 33. Форма на тока при включване на IGBT измерена с реализираната токова сонда

Фигура 34. Форма на тока при изключване на IGBT измерена с реализираната токова сонда

Фигура 33 и Фигура 34 показва формата на тока измерена със токовата сонда, спрямо напрежението, при включване и съответно при изключване на силов транзистор. От време-диаграмите може да се отчете че тока запазва формата си при изследването, като нивото на шумовете при измерването е значително ниско. Забелязва се че при измерването сондата измества тока по амплитуда, като внася „офсетна” грешка. Опитно е установено че тази грешка е постоянна и не зависи от честота или амплитудата на тока. Това прави премахването и, в предложената методология базирана на MATLAB изключително лесно.

Фигура 35. Амплитудно честотна характеристика на изследваната токова сонда при синусоидално напрежение

26

Фигура 35 показва амплитудно-честотната характеристика на токовата сонда. Характеристиката е получена за синусоидален ток със амплитуда 100mA, което съответства на изходно напрежение на токовата сонда – 7,071. От характеристиката може да се отчете работният честотен диапазон на предложената токова сонда, а именно 1KHz до 20МHz. В последствие тази характеристика е подобрена с включването на дампиращи резистори в средните точки на вторичните намотки.

Опитно е установено че закъснението което токовата сонда внася в тока при измерване е по-малко от 1ns.

4.1.3. Обобщени резултати от прилагането на предложената методика Направените изследвания, използвайки методологията потвърждават и доказват

нейните предимства – под формата на бързодействие, опростена структура и повишена точност. Получени са сравнителни резултати съпоставящи предложената методика с класически метод за измерване на загубите, при които умножението на тока и напрежението става в цифровия осцилоскоп. Открити са значителни разлики между пресмятането на загубите чрез MATLAB и чрез вътрешните алгоритми на цифровия осцилоскоп: Фигура 36 и Таблица 3.

За установяване точността на методологията тя е сравнена с референтна такава – калориметрична измервателна методология. Резултатите от изследванията показват че предложената методология има по-малка грешка в сравнение с директното умножение в осцилоскопа. Това се дължи на недостатък в алгоритмите за изчисление на някой от цифровите осцилоскопи, този недостатък се избягва чрез използването на MATLAB. Сравнителните резултати са дадени в Таблица 3.

Проектираната методологията е използвана успешно за изследване загубите и ефективността на няколко различни СЕП топологии – част от текущия проект. Методологията позволява организирането на няколко измервателни станции поради възможността да се използват по- обикновените осцилоскопи - PDS5022.

Фигура 36. Средни загуби получени при изчисляване с MATLAB и посредством вътрешното

умножение на цифровият осцилоскоп

Таблица 3. Обобщително сравнение на измервателните способи.

Вид на измерването Загуби Абсолютна грешка Относителна грешка W W %

Калориметър 4.5 0 0.00% TPS2014 + MATLAB 4.4099 -0.0901 -2.00% PDS5022 + MATLAB 4.357 -0.143 -3.18%

TPS2014 4.1906 -0.3094 -6.88%

27

Така предложената методология може да се използва за точното отчитане на загубите в предложената IGBT/MOSFET топология, като описаните опитни резултати са получени при нейното използване.

4.2. Схеми за управление и интерфейс на СЕП.

Управлението и интерфейса са неразривна част от силовите електронни преобразуватели. Докато управлението задава режима на работа на силовата част и се грижи за получаването на желаната изходна реакция, то интерфейсът осигурява съгласуването между отделните блокове и безаварийната работа. При изследването на предложените преобразователни схеми са построени и реализирани всички необходими интерфейсни и управляващи блокове. За много от тях, като вътрешно схемините захранвания, входни изходни филтри, управлението на BLDC машината, защитата от отпадане на електрическата мрежа и т.н. са използвани стандартни блокове и решения. За определени блокове обаче се налага подобряване и надграждане на вече съществуващите способи и решения. В тази част от дисертацията се представят две такива решения като първото обхваща разработката на нов алгоритъм за управление на инвертор за инжектиране на електрическа енергия в разпределителната мрежа, а второто инженерно решение за построяване на токова защита с подобрени параметри.

4.3. Управление на преобразувателя за контрол на електрическият генератор.

Управлението на преобразувателя за контрол на електрическия генератор е реализирано, използвайки стандартен специализиран контролер. Тук е интересно да се отбележи модификацията направена върху външното свързване на контролера така че той да позволи едновременното управление на електрическата BLDC машина както в двигателен режим, необходим за стартиране на системата за КПТЕЕ така и е генераторен режим.

4.4. Управление на преобразувателя за инжектиране в мрежата.

4.4.1. Алгоритъм за управление връх-на-парабола. Задачата тук е синтезиране на специализиран алгоритъм за управление на

преобразувателя за инжектиране на електрическа енергия в разпределителната мрежа. Конвенционален и предпочитан способ за решаването и е инжектирането на ток със синусоидална форма. С цел подобряване на качеството на енергията обаче, могат да се търсят и алтернативни методи. Електрическата мрежа, разглеждана от гледна точка на наложените регулации за качеството на електроенергията, толерира инжектирането на несинусоидални форми стига хармоничният им състав да не превишава опредени зададени стойности. Допустимите нива на хармоничния състав се определят от европейския стандарт EN 61000-3-2.

За целите на преобразувателя използван в разглежданата система за КПТЕЕ е синтезиран специализиран алгоритъм за управление. При прилагане на алгоритмът в изходът на преобразувателят за инжектиране на електроенергия се получава ток описващ връх на парабола. От тук идва и името на алго р итмът вр ъх-на-парабола (top-of-parabola). Използвайки широчинно импулсна модулация, може да се избере каква част от върхът на параболата да бъде инжектиран в мрежата. Така в зависимост от количеството на генерираната енергия токът, отдаван от системата към мрежата може да бъде регулиран. Изборът на този алгоритъм за управление и тази специфична форма е мотивиран от няколко предимства при използването и, спрямо конвенционалния способ – инжектиране на синусоидален ток. Те могат да се обобщят като:

- Използването на алгоритъм, при които токът не е пропорционален на напрежението, ще премахне евентуалната появата на определени нестабилности в системата. Тук основното

28

е елиминирането на възможността генератора да се прояви като отрицателен резистор спрямо електрическата мрежа.

- При използването на алгоритмът връх-на-парабола в сравнение с конвенционалната синусоидална форма, се намалява нивото на определени хармоници. Това увеличава качеството на генерираната електрическа енергия и ще позволи по лесното сертифициране на системата и съответното и присъединяване към електрическата мрежа.

4.4.2. Анализ на предложения алгоритъм Направен е математически анализ на предложеният алгоритъм за управление.

Анализът представя подобреният хармоничен състав на връх-на-парабола отнесен към синусоидалният еквивалент на алгоритмът.

При направеното сравнение е използван ток с ефективна стойност 16А – същият използван при изследване на силовите електронни преобразуватели. Тази стойност на тока е и зададена от стандарта EN61000-3-2. Тогава синусоидалният ток може да се опише със:

)).sin()..(sin( dpkS ttIi ϖω −= (2) а, генерираната от алгоритъма парабола със:

−−

−=22

005,01

005,01. ttIi d

pkP (3)

Където: Ipk e максималната стойност на инжектираният ток ω – кръговата честота на мрежовото напрежение td – закъснението на изходния ток спрямо нулата на мрежовото напрежение

Двете форми на тока са сравнени на Фигура 37, като генерирането им е направено за половин период при използването на мрежовата честота – 50Hz, a разглеждането е при четири различни времена на мъртвата зона между пресичането на нулата и генерирането. Може да се види, че параболата не се отличава значително от синусоидата, като разликата е във по-сплесната и форма.

Освен сравнение между двете форми Фигура 37 дава представа и за начина по които алгоритмът регулира тока – вземайки по малка или по висока стойност от върха на параболата – варирайки съответно времето td

Фигура 37. Връх на синусоида към връх на парабола

Хармоничният състав на двете форми може да бъде определен, разлагайки ги в ред на Фурие, което съответно за синусоидата и параболата става според:

∫=2/

0

)..sin().(.2.2 T

SS dttntiT

i ω (4)

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010

5

10

15

20

25

t [s]

is,ip

[A]

29

∫=2/

0

)..sin().(.2.2 T

PP dttntiT

i ω (5)

Където: Т – периода на мрежовото напрежение Така при разлагането на параболата и синусоидата е получена Фигура 38, където

хармоничният състав им състав е сравнен със този зададен във вече споменатият стандарт EN61000-3-2 - Таблица 4.

Таблица 4. Изисквания към хармоничният състав вкарван от устройства включвани в потребителската електрическа мрежа.

n Пореден хармоник

3 5 7 9 11 13 15 n>15

INn [A] 2.3 1.14 0.77 0.4 0.33 0.21 0.15 0.15*15/n От фигурата ясно се вижда, че нивото на хармониците при използване на парабола е

по-ниско в сравнение с това на синусоидата. Внимание трябва да се обърне на втори и трети хармоник, където при синусоидата нивото доближава това на зададено от стандарта, за разлика от параболата, където за същият хармоник нивото е значително по-ниско. Доближаването до зададеното от стандарта ниво е особено критично за ниските нечетни хармоници.

Фигура 38. Хармоничен състав на синусоида и парабола отнесени към лимита зададен в стандарта EN

61000-3-2

Анализа на хармоничния състав се допълва от Фигура 39. и Фигура 40. получени съответно от уравненията:

n

dSd IN

ntIntratioS

),(),( = (6)

)1,0(16.

),(),(

Pn

dPd IIN

ntIntratioP = (7)

Посочените фигури и зависимости изразяват отношението на трети, пети, седми и девети хармоник към зададеният стандарт като анализът е направен спрямо паузата дефинираща количеството инжектиран ток - td.

30

Фигура 39. Детайлен хармоничен анализ на

3,5,7 и 9 хармоник спрямо зададеният стандарт за синусоидална форма

Фигура 40. Детайлен хармоничен анализ на 3,5,7 и 9 хармоник спрямо зададеният стандарт за

парабола.

От Фигура 39 ясно се вижда, че при използване на синусоидална форма на

инжектираният ток нивото на нежелани хармоници достига близо до зададеният от стандарта лимит, което оставя недостатъчно голям запас. Това е особено в сила за третият хармоник. При използването на парабола нивото на хармониците е значително по-ниско, което оставя доста по-голям запас, без да се доближава нивото зададено от стандарта.

4.4.3. Практическа реализация на предложения алгоритъм. Реализацията на предложеният алгоритъм връх-на-парабола, може лесно да се получи

използвайки няколко сравнително прости математически функции. За първоначалното решаване на задачата и тестване на предложеният алгоритъм са използвани аналогови електронни компоненти. Блоковата схема на аналоговото решение е представена на Фигура 41. Параболата на изхода на силовият електронен преобразувател се получава посредством широчинно импулсна модулация. Синхронизацията на изхода на преобразувателя с електрическата мрежа става като формата на параболата, която се модулира се получава на база на мрежовото напрежение. За целта се взема знакът на мрежовото напрежение – положителен или отрицателен правоъгълен импулс, отговарящ на поляритета на входа. При двойното му интегриране се получи резултантната парабола. Нивото на инжектираният ток определящото се от времето td, се получава като от получената парабола се извади задаващото напрежение и напрежението на обратната връзка.

Фигура 41.Блокова схема на аналоговата реализация на предложеният алгоритъм за управление

0 1 10 3−× 2 10 3−× 3 10 3−× 4 10 3−× 5 10 3−×0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

ratioS td 3, ( )

ratioS td 5, ( )

ratioS td 7, ( )

ratioS td 9, ( )

td0 1 10 3−× 2 10 3−× 3 10 3−× 4 10 3−× 5 10 3−×

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

ratioP td 3, ( )

ratioP td 5, ( )

ratioP td 7, ( )

ratioP td 9, ( )

td

31

Предложената схема е тествана и работи, като предстой пълното и функционално анализиране.

Паралелно с построяването на аналоговата схема в средата на MATLAB са предприети стъпки създаващи база по-късното реализиране на алгоритъма с използване на цифрови електронни схеми. Установено е че изключително подходящо реализацията на схемата да стане с FPGA, като цифровият синтез може да се реализирана посредством езика за хардуерно проектиране VHDL. Установени са някои предимства при цифровата реализация, като основното е отпадане на някои от функциите необходими при аналоговата реализация, като получаването на знака изправянето и др..

4.4.4. Изводи и заключения - При използването на предложеният алгоритъм на управление връх-на-парабола се

премахва възможността електрическият генератор в системата да се изрази като отрицателно съпротивление спрямо електрическата мрежа.

- Нивото на вредните хармоници в състава на параболата е по ниско от това на синусоидата отнесено към зададеният стандарт – EN61000-3-2. Това оставя по голям запас на системата реализирана с алгоритъм връх-на-парабола

- Предложеният алгоритъм за управление се базира на сравнително елементарни математически функции изключващи умножение. Това позволява лесното му реализиране, както с използването на аналогови, така и на цифрови електронни схеми.

- Гъвкавостта на алгоритъма го прави универсален, като позволява използването му за различни стандарти на мрежовото напрежение. Без промени по електронната схема алгоритмът може да бъде използван както за 50Hz така и за 60Hz електрически мрежи.

4.5. Електронни защити.

Фигура 42. Принципна схема на предложената токова защита

За осигуряване на безаварийната работа на силовите електронни преобразуватели е и реализирана специализирана токова защита. Разработената и структура предлага комплексен набор от предимства, които до известна степен я правят по-подходяща от повечето съществуващи конвенционални решения.

Токовата защита използва ефекта на десатурация на IGBT, като задействането и сработването и става използвайки вградената UVLO (Under Voltage Lockout) защита на драйверната схема. Основни предимства на предложената схема са:

- Широк спектър на приложение – токовата защита може да се използва за всеки IGBT драйвер, притежаващ UVLO функция. Така драйвери от нисък клас могат лесно да бъдат снабдени с високоефективна токова защита.

- Голямо бързодействие, при ниска цена необходима за реализацията. - Токовата защита не нарушава галваническата изолация на драйвера и не се нуждае

от външно управление като преустановяването и става след подходящ интервал от време. Този интервал е така подбран, че дори при включване на защита и отпадане аварийното

32

състояние да не се загуби формата на инжектираният ток и да не се налага рестартирането на цялата система.

Токовата защита е реализирана, като принципната и схема е представена на Фигура 42. Проведени са експерименти показващи правилното действие на защита и изборните предимства. Опитните резултати са обобщени на време-диаграмите на Фигура 43 и Фигура 44.

Фигура 43. Време-диаграми описващи работата на

предложената токова защита – опит 1 Фигура 44. Време-диаграми описващи работата на

предложената токова защита – опит 2

Обобщения и изводи 1. Предложена е подобрена методология за измерване на загуби в силови ключове,

предлагаща висока точност и бързина на измерването. Към методиката е разработена и специализирана пасивна токова сонда.

2. Предложен е подобрен алгоритъм за управление на преобразувателя за инжектиране на енергия в мрежата. Алгоритмът е базиран на нов способ – връх на парабола.

3. Алгоритмът връх на парабола е анализиран, като са изследвани основните му предимства – подобрен хармоничен състав, по-добра стабилност на работа.

4. Практически е реализирана аналогова схема за управление базирана на предложеният алгоритм, като експериментално са потвърдени описаните предимства.

5. Предложена е реализация, базирана на цифрово управление – FPGA. 6. Разработена е подобрена интерфейсна схема – токова защита като редложената

схема е реализирана и тествана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дисертационната работа са проучени, систематизирани и анализирани съвременните проблеми и тенденции в развитието на системите за КПТЕЕ за битова нужда. Разгледани са електронните преобразуватели във системите, като се засяга подобряването на ефективността им, качеството на генерираната енергия и основните работни параметри.

В съответствие с поставените задачи е разгледана и анализирана приложимостта на системите за КПТЕЕ. Разработен е обобщен модел позволяващ както икономически, така и функционален анализ. На база на модела са изведени основните параметри на електрическата част от системата. Предложена е цялостна структура на система за КПТЕЕ

Разработена е нова силова структура на изграждащите рамена, базирана на IGBT/MOSFET комбинация, приложима в системите за КПТЕЕ. В дисертационната работа са

33

проведени пълни анализи на електромагнитните процеси в предложеното рамо и структурите, в които то участва. Обхванати са установените режими на работа. Оценени са комутационните и пълните загуби в топологията. На база на статистическа извадка на съществуващите IGBT и MOSFET е направен анализ показващ ефективността на топологията при използване на съвременната компонентна база, предложена е методология за избор на ключовете. Комбинацията е реализирана практически като са проведени експерименти за оценка на ефективността и. Разработена е специализирана методология и пасивна токова сонда за целите на измерването на загубите в преобразувателите.

Предложен е управляващ алгоритъм за високо ефективно преобразуване на енергията и инжектирането и в разпределителната мрежа. Алгоритмът се базира на иновативен способ – връх на парабола, като предлага по-добър хармоничен състав и стабилност на работа. Предложеното управление е реализирано, като експериментално са установени основните параметри.

Предложени са нови интерфейсни схеми с подобрена функционалност.

НАУЧНИ И ПРИЛОЖНИ ПРИНОСИ

- Принос 1. Проучено е състоянието и тенденциите за развитие на микрогенерацията с КПТЕЕ. Разгледани са основните структури на КПТЕЕ. Анализирани са различните горива налични в България, обоснована биомасата, като потенциален източник на енергия.

- Принос 2. Създаден е обобщен модел, позволяващ симулирането на работата на система за КПТЕЕ, по параметри зададени от потребителя. На база на модела е изследвана работата на примерна система за условията на североизточна България, като са изведени резултати описващи икономическият ефект от за системата за потребителя. Използването на създаденият модел позволява определянето на средната генерирана електрическа мощност на системата и влиянието на ефективността на силовите електронни преобразуватели върху икономическите параметри.

- Принос 3. Синтезирано, изследвано и експериментирано е усъвършенствано силово рамо, базирано на комбинация от електронни ключове – IGBT/MOSFET като аналитично и опитно е доказана повишената ефективност на предложената схема. IGBT/MOSFET комбинацията е успешно приложена при реализацията на: еднофазен мостов инвертор за инжектиране на електрическа енергия в мрежата; трифазен инвертор за управление на BLDC машина в двигателен и генераторен режим. Предложена и верифицирана е методология за изчисляване и избор на компонентите в IGBT/MOSFET комбинираните силови рамена.

- Принос 4. Разработена е специализирана методология за изследване на загубите в силови електронни ключове. Методологията е използвана за точното установяване на ефективността на силовите електронни преобразуватели базирани на IGBT/MOSFET комбинация. Методологията включва разработена подобрена пасивна токова сонда и специализиран MATLAB базиран софтуер за сбор и обработка на данни измерени чрез цифров осцилоскоп. Методологията за измерване на загуби предлага: висока точност; бързо измерване и обработване на данните; ниска цена, без да се изисква специализирано оборудване.

- Принос 5. Предложен е усъвършенстван алгоритъм за управление на инвертора за инжектиране на енергията в електрическата мрежа. Алгоритмът се базира на управление тип „връх на парабола”, като основното му предимство пред конвенционалните алгоритми за управление е по-ниското ниво на третият хармоник и предотвратяването на работата на генератора като отрицателно съпротивление спрямо електрическата мрежа.

- Принос 6. При реализиране на основните електрически блокове на системата за КПТЕЕ е разработен набор от подобрени интерфейсни устройства, необходими за работа на разглежданите силови електронни преобразуватели. В това число влиза специализирана защита по ток.

34

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМАТА НА ДИСЕРТАЦИЯТА

Статии в международни списания: [1]. А. Marinov, V. Valchev (2009), Power loss reduction in electronic inverters trough IGBT-MOSFET combination, Procedia Earth and Planetary Science, Volume 1, Issue 1, Elsevier, Pages 1539-1543, ISSN 1878-5220 [2]. Angel Marinov, Vencislav Valchev (2009), “Practical and consumer aspects of transistor selection for combined MOSFET/IGBT legs in PWM inverters”, KSI Transactions on KNOWLEDGE SOCIETY, volume 2, June 2009, ISSN 1313-4787, pages 5-8 [3]. V. Valchev, A. Marinov, “Efficiency enhancement of four-quadrant PMDC motor control trough combination of power electronics switches”, Journal of Energy and Power Engineering, ISSN 1934-8975, USA

Статии в национални списания: [4]. В. Вълчев, А. Маринов (2008), ‘Биомаса – потенциали приложения като ВЕИ’, Годишник на ТУ-Варна, Том 1, страници:.97-102, ISSN: 1311-896X

Публикации в международни конференции: [5]. Alex Van den Bossche, Angel St. Marinov, ‘Top of sine injection into the grid’, I-SUP, 22 - 25 April 2008, Bruges, Belgium [6]. Alex Van den Bossche, A. Marinov, V. Valchev. “Transistor desaturation protection using the driver undervoltage lock out”, Seconde Conférence Internationale sur le Génie Electrique, CIGE’08, 25-26 Octobre 2008, CUB, Bechar, Algérie. [7]. Vencislav C. Valchev, Angel St. Marinov, Alex Van Den Bossche (2009), ‘Passive Current Probe in Power Electronics and Motion Control’, PCIM, Nuremberg, Germany, 12-14 May, 2009. [8]. V. Valchev, A. Marinov, , Improved methodology for power loss measurements in power electronic switches using digital oscilloscope and MATLAB, EPE2010, Ohrid, Macedonia, 6-8 September 2010 [9]. A. Marinov, V. Valchev, G. Nikolov, “Modelling and analysis of µCHP system for domestic use” , ICEST 2011, Nis, Serbia, 29 June 2011, pages 808-812,ISBN:978-86-6125-033-0

Публикации в национални конференции: [10]. V. Valchev, A. Marinov (2009), “Overview and comparison of renewable microgeneration with Combined Heat Power systems” – ICEST09, V. Tarnovo, Bulgaria, 2009, cd-rom. [11]. A. Marinov, V. Valchev, D. Kovachev, ‘Small and medium scale energy sources”, Bourgas Free University Conference, 13-15 June, 2008 pp.184-191. [12]. V. Valchev, A. Marinov, D. Kovachev, ‘Combined heat and power system based on biomass fuel’, Electronics 08, Sofia, Bulgaria, 29-30 May, 2008, pages.258-264, ISSN:1313-3985 [13]. D. Kovachev, V. Valchev, A. Marinov, Aspects of digital control for grid injecting inverters, Electronics 08, Sofia, Bulgaria, 29-30 May, 2008, pages 264-269, ISSN: 1313-3985 [14]. P. Yankov, V. Valchev, A. Marinov, “Electrical energy generation based on solar thermal collectors and Peltier elements”, Electronics 2010,Sofia Bulgaria, 28 May 2010, pages 57 – 61, ISSN 1313 – 3985 [15]. A. Marinov, “Power modules with improved microprocessor based current protection utilizing driver UVLO”,Conference ‘Youth in science’, Varna, 11-12 June, 2010

35

РЕЗЮМЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Для присуждения образовательной и научной степени “доктор”

ТЕМА:СИЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМЕ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

РАБОТАЮЩИЕ НА ОСНОВЕ БИОМАССЫ

Аспирант: маг. инж. Ангел Станимиров Маринов Диссертация рассматривает силовых электронных преобразователей в системах

комбинированного производства тепла и электроэнергии, работающие на основе биомассы. В обзорной части диссертационного труда сделано обобщенное рассматривание

современных систем когенерации, анализируются их место в потреблении энергии. Акцент делается на комбинированное производство тепла и электроэнергии с меньшими затратами энергии. Сделан обзор существующих технологий, их преимущества и недостатки, сильные и слабые стороны. На основании исследования изложены основные цели и задачи диссертации.

В диссертации был разработан специализированный обобщенной функциональной модель системы когенерации в Болгарии при работе с биомассой. С помощью модели рассматривается применение когенерационных систем и контекст, в котором будут использованы электронные преобразователи. Рассматриваются преимущества систем когенерации для группы пользователей, к которым они направлены, и польза и значение улучшение их электронных преобразователей. Сделан конкретный анализ для Болгарии и для работе при использования биомассы.

На основании обзора литературы и результаты, достигнутые разработанной модели, сделано конкретное предложение для новой структуры для реализации силовой частью рассматриваемых электронных преобразователей. Структура использует комбинация электронных ключей - IGBT и MOSFET. Предложенная комбинация имеет ряд преимуществ, среди которых наиболее значимым является повышенный электрический КПД. Преимущества схемы проверятся с помощью математического анализа и реальных экспериментов и экспериментальных измерений.

Предложены, изучены и проанализированы улучшенные и усовершенствованные алгоритмы, методики и методологии управления, измерения и защиты силовых электронных преобразователей. Разработанная методика для измерения потерь в электронных ключей характеризуется большей скоростью, точностью и низкими требованиями к измерительной аппаратуры.

Предложен и рассмотрен инновационный улучшен алгоритм управления силовыми электронными преобразователями для введения энергии в сеть. Синтез специализированных токовой защиты с расширенными параметрами применим ко всем плечам силового электронного преобразователя. Все методы и алгоритмы проверены экспериментально.

36

ABSTRACT

PhD Thesis: Power electronic converters in a combined heat and power system based on biomass

Of the requirements for the Degree Doctor of Philosophy

By: Angel Stanimirov Marinov

The PhD thesis main scope is power electronic converters (PEC) for combined heat and power systems (CHP) based of biomass.

The literature review of the PhD thesis is dedicated to studying and investigating into systems for cogenerations and specifically their place in the modern energy system. The review concentrates on micro-cogeneration systems. Existing technologies are analyzed – their advantages and disadvantages are examined. The scope, aims and tasks of the PhD thesis are derived from the review. In the PhD thesis a dedicated model of a micro CHP system is developed, the model is used in order to study and determine the parameters of the system for Bulgaria when biomass is used. Results for the general usefulness of the system and its main electrical parameters are derived from the model. Advantages and disadvantages of the system are discussed. As conclusion the usefulness of the power electronics converters and the importance of their efficiency are proved. Using the results from the simulations with the developed model a specific structure for realization of the PECs is suggested. The structure is based on combination of semiconductor switches – IGBT and MOSFET. The combination allows high electrical efficiency compared to conventional MOSFET and IGBT topologies. The advantages of the suggested circuit are analytically and experimentally verified. Improved methodologies and algorithms for analysis and control of PEC are developed. Interfacing circuits with increased functionalities are suggested. A specific methodology for measuring of power losses in semiconductor electronic switches and a dedicated algorithm for control of the PEC are developed. All of the suggested methodologies and algorithms are experimentally verified.