Primena strujnih pretvarača učestanosti u energetski ... Primena strujnih pretvaraca 2017.pdf · 3 ~ AC MOTOR. 4 Analiza komutacionog kola . 5 Analiza komutacionog kola ... + Mikrokontroler

ETF, 18.12.2017. 1

Primena strujnih pretvarača učestanosti u energetski efikasnim

elektromotornim pogonima

Dr Aleksandar Nikolić, dipl.ing., viši naučni saradnik, IEEE Senior Member

Elektrotehnički institut Nikola Tesla a.d. Beograd,

Univerzitet u Beogradu

[email protected], [email protected]

2

Sadržaj

� Osnovne karakteristike strujnog pretvarača učestanosti

� Analiza komutacionog kola kod strujnog invertora

� Talasni oblici struja i napona

� Regenerativno kočenje

� Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača

� Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

� Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

� Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

� Zaključak

� Literatura

3

Osnovne karakteristike strujnog pretvarača učestanosti

� Punoupravljivi ispravljač na ulazu

� Jednosmerno međukolo sa prigušnicom

� Invertor sa forsiranom komutacijom

� Niska izlazna učestanost invertora

� Rekuperacija energije u napojnu mrežu pri kočenju

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T1'

T2'

T3'

T4'

T5'

T6'

D1

D2

D3

D4

D5

D6

C1 C3

C5

C4

C2

C6

L1

L2

L3

380V, 50Hz

Ld

U WV

M3 ~

AC MOTOR

4

Analiza komutacionog kola

5


� Interval A � Interval B

6


� Interval C � Interval D

7

Talasni oblici struja i napona

8


� Analiza talasnog oblika struje na izlazu invertora

∑∞

=

ω⋅δ⋅

⋅π⋅

⋅=

,...5,3,1

)sin()2

sin(4

k

DC

a tkk

k

Ii

+ω−ω+ω−ω⋅π

= ...)11sin(11

1)7sin(

7

1)5sin(

5

1)sin(

32ttttIi DCa

DCDC III ⋅≈= 1,132

1 π

DCDCRMS III ⋅≈= 78,06

π

9


� Uticaj sprege motora

+⋅−⋅+⋅−⋅⋅= K)11sin(

11

1)7sin(

7

1)5sin(

5

1)sin(

2ttttIi DCR ωωωω

π

10


� Uticaj rada prekidača na talasni oblik napona

time [s]

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Volt

age,

Ua [

V]

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Curr

ent,

ia [

A]

-6

-4

-2

0

2

4

6

Voltage

Current

time [s]

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Volt

age,

Ua

[V]

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Curr

ent,

ia

[A]

-6

-4

-2

0

2

4

6

Voltage

Current

11


� Način smanjenja sadržaja viših harmonika u talasnom obliku struje � modulacija jednosmerne struje tako da prati inverzni profil

momenta

� PWM, SHE

0 60 120

180 240 300 360

ωt [°]

ia

IDC

-IDC

α1α2

α3

α5

α4

90

∑∞

=

ω⋅=,...5,3,1

)sin(k

ka tkAi

)()sin()(4

0

tdtktiI

A a

DC

k ωω⋅π

⋅= ∫

π

[ ])cos()cos()cos()cos()cos(4

54321 α+α−α+α−απ⋅

⋅= kkkkk

k

IA DC

k

12

Rekuperacija energije u napojnu mrežu pri kočenju

13

Regenerativno kočenje

� Princip vraćanja energije u mrežu kod strujnog invertora

14

Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača

15


� Diode

Diode: 4.5 kV, 0.8 kA (do 1.7 kV, 1.2 kA)

16


� Tiristori (SCR)

SCR:4.5kV, 1.5kA (do 8.5kV, 6.6kA)

17


� Tiristori sa kolom za gašenje (GTO)

GTO: 4.5kV, 1.5kA (do 6kV, 6kA)

18


� Tiristori sa komutovanim gejtom (GCT, IGCT, SGCT)

SGCT: 6.5kV, 1.5kA (do 6.5kV, 6kA)

19


� IGBT tranzistori

IGBT: 1.7 Kv, 1.2 kA (do 3.3 kV, 1.2 kA)

20


� Ostale komponente � MOSFET,

� ETO (emitter turn-off thyristor),

� MCT (MOS-controlled thyristor),

� SIT (static induction thyristor),

� IEGT (injection enhanced gate transistor).

21

Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača

22


� Strujni invertor sa autosekvencijalnom komutacijom (ASCI, LCI)

23


� Strujni pretvarači sa višeimpulsnim tiristorskim ispravljačem

24


� Strujni PWM invertor sa GTO tiristorima

25


� Strujni PWM invertor sa SGCT tiristorima

Ispravljač Prigušnica Invertor

26


� Strujni pretvarači sa PWM ispravljačem

27


� Strujni pretvarači sa dvostrukim PWM ispravljačem

28


� Strujni pretvarači za posebno konstruisan motor

29


� Strujni pretvarači bez transformatora na ulazu

ETF, 30.11.2015. 30


� Primena integrisane prigušnice u jednosmernom međukolu

31


� Primena integrisane prigušnice u jednosmernom međukolu

32


� Strujni PWM invertor sa IGBT tranzistorima

Napajanje Ulazni filtar Izlazni filtar Motor

Invertor Ispravljač

33


� Hibridni strujno-naponski invertor

Ispravljač Prigušnica Strujni invertor

Naponski invertor

34

Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima

35


� Nezavisna regulacija struje i klizanja

Strujni

invertor

M 3 ~

ω r

i -

+

ω e

ω s *

i * dc

dc α

napajanje

+ +

PI regulator

36


� Skalarno upravljanje sa konstantnim fluksom

Strujni

invertor

M 3 ~

generator

funkcije

ω r

i -

+

ω e

ω s *

i * dc

dc α

napajanje

+ +

PI regulator

ω r *

- +

37


� Skalarno upravljanje u otvorenoj sprezi (Sever Microvert)

Strujni

invertor

M 3 ~

i -

+

ω e

i *

α

napajanje

ω r *

= ~

U *

= ~

f U

U -

+

38


� Indirektno vektorsko upravljanje

Strujni

invertor

M 3 ~

kalkulator klizanja

resolver diferencijator sq i *

i sd *

ω r

θ rf

Φ

∆ Φ

i -

+

ω e

+

ω s *

i * s

dc α

1/s

napajanje

+ +

θ e

kružni brojač

+

PI regulator

39


� Indirektno vektorsko upravljanje (unapređenje osnovne šeme)

M

3~ E

Ispravljač Strujni invertor L DC

Kolo za paljenje

tiristora bez fazne greške

α I d 6 ω r

3~ 2= 1/s

U c

Kalkulator

klizanja

ω r

ω s *

θ e

ω e I d

i s *

i ref

ω ref

ω r

+ _

+

_

+

+

Regulator

brzine

arccos

Resolver

Mikrokontroler

i sd *

i sq *

i sd * i sq

*

i a,b,c * 3

i s * Regulator

struje

40


� Direktno vektorsko upravljanje (Rockwell PowerFlex 7000 Direct-to-Drive)

41


� Direktna kontrola momenta (osnovna šema iz literature)

Strujni

invertor

M 3 ~

-

+

|Ψrref|

napajanje

PI regulator

fluksa Optimalna tablica

aktiviranja

prekidača

Estimator

fluksa i

momenta

-

+

Te*

ΨrR

Te

Histerezisni

komparator

Pozicija

rotorskog

fluksa

sD

sQ

i2 (Te ↑)

i6 (Te ↓) Ψr’

sD

sQ

i3 (Te ↑) i1 (Te ↓)

Ψr’

a

i 1

i 2

i 3

i 4

i 5

i 6

b

c

π/6

π/2 5π/6

-π/6

-π/2

-5π/6

42


� Direktna kontrola momenta (unapređenje osnovne šeme)

M 3 ~

-

+

Ψr*

380V,

50Hz Strujni

invertor

PI regulator

fluksa rotora

Modifikovana

optimalna tablica

izbora prekidača

Estimator

fluksa i

momenta

-

+

Te_ref

Ψr

Te

Pozicija

fluksa

rotora

PI regulator

momenta

Resolver

+ +

-

+

PI regulator

struje

Φs θe

Te*

računanje isq*

Ψr*

isd*

isq*

is_ref

IDC

α

αs

LDC

UDC IDC

αs

IDC

S1…6

α s 2

i 2 ( α s 1 )

i 1 ( α s )

Ψ r

α s 1

i s_ref 1

i s_ref 2

2

1

5

4

3

6

α

β

i 6 ( α s 6 )

43


� Prediktivno upravljanje

dc

iC

iB

iA

i

SS

SS

SS

i

i

i

⋅

−

−

−

=

25

63

41

[ ] [ ] [ ]( ) [ ]kkkC

Tk

R

siis

pi viiv +−=+1

[ ] [ ] [ ][ ][ ] [ ][ ]2*

2*

11

11

+−+⋅

++−+⋅=

kiki

kikikg

pqsqsqs

pdsdsds

λ

λ

[ ] [ ]

[ ]

−++⋅

+

+⋅

−=+

s

srr

s

s

s

s

sr

sr

L

Tk

L

T

L

T

kT

Tk

ψω

ωω

0

1

0

0

1

11

pi

sps

v

ii

CSR

PMSG

LDC

CSI

Grid

CR

CO

vω

ωm

is

iDC

vDC

MPC vi*

is*

9

sr

DPC Po

*

9

si Qo*

f (iDC,vDC,si)

iDC

io ^ vo

^

io

vo

ii

vi

vi

is

44

Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima

45


� Strujni pretvarači kao napajanje asinhronih motora

Sever Microvert

46


� Strujni pretvarači kao napajanje asinhronih motora

Laboratorijski prototip, ETF Laboratorija

za elektromotorne pogone

47


� Primena strujnih pretvarača u pogonima velikih snaga

Siemens SIMOVERT S LCI

Alstom ALSPA SD7000 LCI (10kV, >10MVA)

48


� Primena strujnih pretvarača u pogonima velikih snaga

Rockwell PowerFlex 7000 PWM SGCT CSC ABB MEGADRIVE-LCI (do 10kV, 72MW)

49


� Savremena industrijska rešenja

50


� Savremena industrijska rešenja (višemotorni pogon trakastog transportera sa frekventnim regulatorom PowerFlex 7000A)

PLC – Upravljačka logika

FR M

PLC – U/I PB

R

R

TG

Referentna

brzina trake

nzad nref Tref

Tref 1

Tref 2

FR M

PLC – U/I

nref Tref

Tref 1

Tref 2 TG

nzad

LIM REG GRB

LIM REG GRB

nmer

nmer

S

T

S

T

51


� Savremena industrijska rešenja (višemotorni pogon trakastog transportera sa frekventnim regulatorom PowerFlex 7000A – rešenje sa jednim regulatorom za dva motora)

M3

Ulazni napon 6kV, 50 Hz

Principijelna blok šema, PowerFlex 7000, 6-to pulsni ispravljač sa izolacionim transformatorom

M4 M1

Postojeći motor

315kW, 38A,

Upravljački signali

Upravljački napon 230, 400V, 50Hz

Nužni stop

Frekventni regulator tip

PowerFlex7000A,

Za dva motora u paraleli

6-to pulsni ispravljač sa integrisanim

Ulazni osigurač sa zaštitom od

kratkog spoja

M2

Razvodna tabla

PLC sa softverom

za regulaciju

deljenja

opterećenja ControlNet

Ulazni osigurač sa zaštitom od

kratkog spoja

ControlNet

Enkoderi

Frekventni regulator tip

PowerFlex7000A,

Za dva motora u paraleli

6-to pulsni ispravljač sa integrisanim

Upravljački signali

Nužni stop

Enkoderi Razvodna tabla Razvodna tabla Razvodna tabla

Postojeći motor

315kW, 38A,

Postojeći motor

315kW, 38A,

Postojeći motor

315kW, 38A,

52


� Savremena industrijska rešenja (višemotorni pogon pumpi – primena sinhronog transfera)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

300

325

350

375

400

425

450

475

500

525

550

575

600

po

we

r [k

W]

time [sec]

PKW

53


� Savremena industrijska rešenja (pogon mlina u termoelektrani –povećanje kapaciteta mlevenja za 10%)

54


� Savremena industrijska rešenja (primena kod vetrogeneratora)

Active Three-phase

rectifier

PMSG

LDC

Three-phase

inverter

Power grid

DC link

inductor

CR

CO

Active harmonic

compensator

Variable-pitch

Propeller Gearless

three-phase

axial flux PM

Generator

A

C B

LDC

Three-phase

Diode rectifier

DC link

inductor

Current sourced three-phase

inverter bridges

Thyristors Fully controllable

switches

Y-Y-Delta

interconnection

transformer

Mains (power grid)

va vb vc

Modules

located in

the

nacelle

Modules located at

the

tower base

ib ic ia

Topologija zasnovana na monofaznom fazno regulisanom tiristorskom mostu

Topologija zasnovana na PWM regulisanim strujnim pretvaračima sa SGCT

55


� Savremena industrijska rešenja primena kod vetrogeneratora, upravljanje PWM CSI pretvaračem

56


� Savremena industrijska rešenja primena kod vetrogeneratora, kombinovano DTC i VF-DPC upravljanje

Active

Three-phase

rectifier

DC link

inductor

PMSG

Modified optimal

switching table

γs

-

+

ΨPM*

PI rotor flux

controller

- +

Te_ref

PI torque

controller

Resolver

+

+ δ

γm

Te*

isq* calculator

ΨPM* isd

*

isq*

LDC

PI speed

controller

γm

-

+ ωg

*

ωg

ΨPM ∧

Te ∧

Three-phase

inverter Power grid

PI current

controller

Flux and torque

estimator

UDC IDC

Machine voltages and

currents reconstruction

iα,β uα,β

Switching table

Grid side voltages and

currents reconstruction

Virtual Flux estimator

iLα,β ΨLα,β

UDC

X

Te ∧

ωg

Pg DC current

calculation

- +

IDC

IDC*

- +

Pg

Power estimator

+

+ -

-

PO*

QO*

P ∧

Q ∧

~ ~

~ Virtual AC Motor

RO LO

γ

∆q ∆p sector

selection

Turbine model

vwind

Wind

turbine

IDC SR 1…6 SI 1…6

CR CO

57


� Savremena industrijska rešenja primena kod vetrogeneratora, prediktivno upravljanje (MPC)

Optimizacija

gr [k+1]

Predikcija

vip[k+1]

isp[k+1] iDC

vi

is

÷

0

vi*

ids*

iqs*

Te*

is*

1.5⋅Pp⋅ψr

vi p

is p

6

sr

CSR

LDC

CSI Mreža iDC

vω

K1op

ωm*

+

-

ωm

PMSG

CR

vi

3 3

ii is

3

Optimizacija

gi [k+1]

Predikcija

vdcp[k+1]

igp[k+1]

vdc*

Qg*

vi p

is p

6

si

vDC

vg

ig

vg

ig

vDC

58

Zaključak

� Karakteristike strujnih pretvarača;

� Mogućnosti unapređenja postojećih pretvarača prelaskom na digitalno upravljanje;

� Poboljšanje performansi pogona unapređenjima upravljačkih algoritama;

� Prednosti i mane strujnih pretvarača;

� Dalji pravci razvoja i industrijske primene;

� Trenutna istraživanja u oblasti vetrogeneratora većih snaga (iznad 3MW).

59

Literatura

� J.M.D.Murphy, F.G.Turnbull, Power Electronic Control of AC Motors, Pergamon Press, Oxford, 1988.

� W.Leonhard, Control of Electrical Drives, Springer-Verlag Berlin, Heildeberg, 1996 (Second Edition).

� B.K.Bose, Power Electronics and AC Drives, Prentice-Hall, New Jersey, 1986.

� D.W.Novotny, R.D. Lorenz, “Introduction to Field Orientation and High Performance AC Drives”, Presented at IEEE Industry Applications Society Annual Meeting in Toronto, Canada, 1985.

� P.Vas, Vector Control of AC Machines, Clarendon Press Oxford, New York, 1990.

� P.Vas, Sensorless Vector and Direct Torque Control, Oxford, U.K., Oxford University Press, 1998.

� I.Boldea, S.A.Nasar, Electric Drives, CRC Press, 1998.

60

Literatura

� B. Wu, M. Narimani, “High-Power Converters and AC Drives”, 2nd edition, Wiley-IEEE Press, ISBN: 978-1-119-15603-1, March 2017.

� V. Yaramasu, B. Wu, “Model Predictive Control of Wind Energy Conversion Systems”, Wiley-IEEE Press, ISBN: 978-1-118-98858-9, January 2017.

� Sever, “Monoverter – Tehnički Opis sa Principom Regulacije”, Subotica, 1986.

� Rockwell Automation, PowerFlex 7000 Medium Voltage AC Drive – Technical Guide for Frame A, Publication No. 7000A-TD200B-EN-P, Canada, November 2004.

� Alstom, ALSPA Drive Range, Publication N° POWC/BPROB/ALSPA/uke/GDB/03.01/FR/1780, France, 2001.

61

Literatura

� A.Nikolic, B.Jeftenic, “Precise Vector Control of CSI Fed Induction Motor Drive”, European Transactions on Electrical Power (ETEP), John Wiley & Sons USA, ISSN 1430-144X, Issue 2, Volume 16, pp. 175-188, March 2006.

� A.Nikolic, B.Jeftenic, “Different Methods for Direct Torque Control of Induction Motor Fed From Current Source Inverter”, WSEAS Transactions on Circuits and Systems, ISSN 1109-2734, Issue 7, Volume 7, pp. 738-748, July 2008.

� A.Nikolic, B.Jeftenic (invited paper), “Current Source Converter Topologies for PMSG Wind Turbine Applications”, in Proceedings of International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2010, Special session on wind energy conversion systems, Ohrid, FYRM, September 2010.

� A.Nikolic, B.Jeftenic, “Direct Torque Control and Virtual-Flux Based Direct Power Control of Current Source Converter in Wind Turbine Application”, in Proceedings of 14th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2011), Birmingham, UK, September 2011.

62

Literatura

� M.Rivera, S. Kouro, J. Rodriguez, B. Wu, V. Yaramasu, J. Espinoza and P. Melin, „Predictive Current Control in a Current Source Inverter Operating with Low Switching Frequency“, in Proceedings of 4th International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, Istanbul, Turkey, 13-17 May 2013, pp. 334-339.

� A.Nikolic, M.Rivera, M.Bebic, S.Milosavljevic, “Predictive Control of a Current Source Rectifier in Wind Energy Conversion System with PMSG”, in Proceedings of 3rd IEEE Southern Power Electronics Conference, SPEC 2017, 4-7 December 2017., Puerto Varas, Chile.

� P. Tenca, T. Lipo, “Reduced cost Current-source Topology improving the Harmonic Spectrum Through On-line Functional Minimization”, IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference PESC2004, Aachen, Germany, pp.2829-2835, July 2004.

� J. Dai, D. Xu, B. Wu, “A Novel Control System for Current Source Converter Based Variable Speed PM Wind Power Generators”, IEEE 38th Annual Power Electronics Specialists Conference PESC2007, Orlando, Florida, USA, June 2007, pp. 1852-1857.

63

Literatura

� Z. Chen, E. Spooner, “Current source thyristor inverter and its active compensation system”, IEE Proceedings Generation Transmission and Distribution. Vol. 150 No. 4 July 2003.

� N. Zargari, S. Rizzo, Y. Xiao, H. Iwamoto, K. Sato, J. Donlon, “A New Current Source Converter Using A Symmetric Gate Commutated Thyristor (SGCT)”, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume: 37 Issue: 3, Page(s): 896 – 903, 2001.

� Seggewiss J. G., Kottwitz R. G., McIntosh D., “The process and economic benefits of synchronizing applications with medium-voltage drives”, IEEE Industry Application Magazine, 58-65, July/August 2003.

� CEE, “Motor Efficiency, Selection and Management – A Guidebook for Industrial Efficiency Programs”, Boston, USA. September 2013.

� Z.Janda, A.Nikolic, “MV variable speed drive for coal mill capacity improvement”, in Proceedings of 16th International Symposium on Power Electronics - Ee 2011, Novi Sad, Serbia, October 2011.

64

Literatura

� A.Nikolić, “Vektorsko upravljanje asinhronim pogonom sa strujnim pretvaračem učestanosti”, Magistarska teza, Elektrotehnički fakultet u Beogradu, Beograd, Maj 1999

� A.Nikolić, “Direktna kontrola momenta asinhronog motora napajanog iz strujnog pretvarača učestanosti”, Doktorska disertacija, Elektrotehnički fakultet u Beogradu, Beograd, April 2009

Documents

Primena strujnih pretvarača učestanosti u energetski ... Primena strujnih pretvaraca 2017.pdf · 3 ~ AC MOTOR. 4 Analiza komutacionog kola . 5 Analiza komutacionog kola ... + Mikrokontroler