curs 1_2 (ep)

Electronic de Putere Universitatea Politehnica din Bucureti, Facultatea de Inginerie Electric, Prof. Dr. Dan FLORICAU

1

1. Introducere n conversia static

Conversia static a puterii electrice ocup un loc important n procesele industriale, att la nivelul transferului de energie electric, ct i al conversiei electromecanice. Aceasta a fost posibil datorit progresului nregistrat de dispozitivele semiconductoare de putere, de noile materiale i de electronica de comand.

Ca o definiie general, un convertor static este o interfa ntre dou surse de energie (Fig.1.1). Rolul su principal const n controlul transferului de putere ntre aceste dou surse urmrind diferite criterii care depind de natura surselor i de exigenele aplicaiei. n anumite cazuri acest transfer al energiei poate fi reversibil. Pentru a se ine cont de aceast reversibilitate, termenii surs de intrare i surs de ieire sunt nlocuii cu aceia de generator i receptor. Astfel, n cazul unei funcionri reversibile, sursa de ieire poate juca rol de generator i sursa de intrare se va comporta ca un receptor.

Surs de intrare

(generator) ui sau

iiConvertor

Static de Putere sau us

Surs de ieire

(receptor)

is

Figura 1.1 Conectarea a dou surse prin intermediul unui convertor

1.1 ntreruptoare statice de putere Un convertor static de putere este alctuit, n principal, din ntreruptoare statice. Comanda

la deschidere sau nchidere a acestor ntreruptoare, urmrind cicluri prestabilite, stabilete i ntrerupe periodic conexiunea ntre dou surse de energie. Legea de continuitate energetic se bazeaz pe noiunea de celule de comutaie alctuite prin asociere de ntreruptoare.

Un ntreruptor static de putere se poate reprezenta simplificat ca n Fig.1.2. Convenia aleas pentru aceast reprezentare este cea de receptor i se va menine n continuare.

ik uk

Figura 1.2 ntreruptor static de putere simbol general

Pentru ca randamentul convertoarelor s fie ct mai ridicat posibil, pierderile n ntreruptoare trebuie s fie minime. n acest scop, ntreruptoarele trebuie s prezinte n starea de conducie o cdere de tensiune ct mai mic i n starea de blocare un curent invers neglijabil. n cazul ideal, caracteristicile statice n planul ik=f(uk) sunt alctuite din segmente de dreapt care se confund cu axa ik, n starea nchis (uk=0), respectiv cu axa uk atunci cnd este deschis (ik=0).

1.1.1 Caracteristici statice ale ntreruptoarelor de baz

ntreruptoarele statice pot s conduc cureni de un anumit semn i s blocheze tensiuni de o anumit polaritate. n funcie de aceste proprieti, caracteristicile statice prezint unul sau dou segmente pentru fiecare stare. Configuraia minim a unui ntreruptor conine dou segmente, iar cea maxim conine patru segmente.

Dioda este un ntreruptor cu schimbri de stare naturale (spontane) n funcie de starea de


2

polarizare a jonciunii. Aceasta funcioneaz n mod liber i se caracterizeaz ca un element unidirecional n tensiune i n curent cu o caracteristic static ideal n dou segmente (Fig.1.3). Segmentul de tensiune reprezint tensiunea invers care se aplic diodei n starea de blocare, n timp ce segmentul de curent reprezint curentul care circul prin diod n starea de conducie.

Tiristorul SCR (Silicon-Controlled Rectifier) este un ntreruptor comandabil pe poart (gril) doar pentru a intra n conducie. Blocarea lui se face natural (spontan) atunci cnd curentul scade sub valoarea curentului de meninere (IH). Tiristorul este un element bidirecional n tensiune i unidirecional n curent. Pentru ca un tiristor s intre n conducie trebuie ca tensiunea anod-catod (uk) s fie pozitiv i s se aplice semnal de comand pe poart (gril). Segmentul de tensiune pozitiv semnific tensiunea de autoaprindere VB0 (de basculare). La atingerea acestei tensiuni tiristorul amorseaz n lipsa semnalului de comand.

ik uk

A K

a)

ik K G

A uk

ik E uk

C

B

ik

uk

ik

uk

ik

uk

b)

c)

Figura 1.3 ntreruptoare de baz

Tiristorul GTO este un ntreruptor bicomandabil. Acesta poate fi comandat pe poart att la amorsare, ct i la blocare (se aplic un curent negativ pe poart). Tiristorul IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) are la baz ntreruptorul GTO i este preferat n aplicaiile de medie-tensiune datorit eliminrii snubberului i creterii frecvenei de comutaie.

Tranzistorul exist sub diferite versiuni (bipolar, MOS-FET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor etc.) i se caracterizeaz ca un ntreruptor bicomandabil cu o caracteristic static n dou segmente. Acesta trece din starea de conducie n cea de blocare i invers n funcie de semnalul aplicat n baz. Tranzistorul IGBT se utilizeaz pe scar larg n aplicaiile industriale i reprezint o combinaie ntre tranzistorul bipolar i cel de tip MOS-FET. Acesta a preluat de la tranzistorul MOS-FET comanda n tensiune cu rezisten mare de intrare (semnal de comand de putere mic) i vitez ridicat de comutaie. De la tranzistorul bipolar s-a transmis avantajul cderii mici de tensiune n starea de conducie (pierderi mici n conducie).

1.1.2 Caracteristici statice ale ntreruptoarelor derivate

ntreruptoarele statice derivate sunt alctuite din dou sau mai multe dispozitive semiconductoare de putere de baz. Acestea se mpart n dou grupe, n funcie de numrul de segmente de pe caracteristica static ideal:

- ntreruptoare cu trei segmente i - ntreruptoare cu patru segmente.

ntreruptoarele derivate cu trei segmente pot fi bidirecionale n tensiune i unidirecionale n curent [Fig.1.4(a)] sau bidirecionale n curent i unidirecionale n tensiune [Fig.1.4(b), (c)]. Ele se obin prin asocierea serie sau antiparalel a unei diode la un ntreruptor de tip tiristor sau tranzistor. Totui, exist un ntreruptor static de baz care are o caracteristic static ideal n trei segmente: tiristorul [Fig.1.3(b)].


3

ik

uk ik

uk

ik

uk

uk

ik ik

uk

uk

ik

ik

uk ik

uk

a)

b) c)

d)

e)

Figura 1.4 ntreruptoare derivate cu trei i patru segmente

Toate ntreruptoarele derivate cu patru segmente au aceeai caracteristic, fiind bidirecionale n curent i bidirecionale n tensiune [Fig.1.4(d), (e)]. Ele difer doar prin modul lor de comutaie i sunt alctuite, n principal, din dou ntreruptoare n trei segmente conectate n serie sau n paralel. Excepie face doar ntreruptorul din Fig.1.4(e), care este alctuit din cinci ntreruptoare n 2 segmente.

Triacul este, de asemenea, un ntreruptor static cu o caracteristic static ideal n patru segmente. Acesta este comandat la amorsare, n timp ce blocarea lui se face natural sau spontan.

1.2 Surse n cazul sintezei unui convertor, singurele elemente cunoscute sunt sursele de intrare i de

ieire. Termenul de surs poate s defineasc att un generator, ct i un receptor de energie. Sursele pot fi de dou tipuri principale:

- de tensiune i - de curent.

Pentru a determina caracteristicile statice ale ntreruptoarelor care alctuiesc structurile de conversie trebuie s se defineas reversibilitatea surselor. n funcie de sensul de transfer a energiei electrice sursele de tensiune i de curent pot fi:

- reversibile sau nu n tensiune i/sau - reversibile sau nu n curent. 1.2.1 Definiii

Prin definiie, o surs de tensiune este capabil s impun tensiunea, indiferent de curentul absorbit de receptor. Aceasta implic ca impedana serie a sursei s fie zero (sau neglijabil n comparaie cu impedana sarcinii).

O surs de curent impune curentul, indiferent de tensiunea impus de receptor. Ca urmare, impedana serie a sursei trebuie s fie infinit (sau foarte mare n comparaie cu impedana sarcinii).

Aceste definiii sunt valabile n regim static. n regim dinamic este posibil s se impun natura acestor surse prin conectarea unui condensator n paralel i a unei inductane n serie. O surs de curent care are un condensator conectat n paralel se transform ntr-o surs de tensiune [Fig.1.5(a)]. O surs de tensiune care are o inductan conectat n serie se


4

transform ntr-o surs de curent [Fig.1.5(b)].

I u

C i

i

u

a)

U

u i

i

u

L

b)

Figura 1.5 Transformarea surselor

1.2.2 Reguli de conectare a surselor

n funcie de sursele care se conecteaz prin intermediul unui convertor se enun urmtoarele reguli:

- o surs de tensiune nu poate fi scurtcircuitat, dar poate fi lsat n gol [Fig.1.6(a)]; - circuitul unei surse de curent nu poate fi lasat n gol, dar poate fi scurtcircuitat

[Fig.1.6(b)]; - niciodat nu se conecteaz dou surse de aceeai natur. Aceasta nseamn c nu se pot

conecta ntre ele dou surse de curent sau dou surse de tensiune [Fig.1.6(c)].

u

i u

i a) b) c)

Figura 1.6 Configuraii permise pentru conectarea surselor de intrare i ieire

ntreruptoarele nu pot s stabileasc conexiuni directe ntre dou surse de tensiune sau dou surse de curent. Totui dac una dintre ele nu impune direct tensiunea (curentul) la bornele sale, cum ar fi cazul unui circuit RC paralel (circuit RL serie), este posibil s se interconecteze n anumite condiii:

- n cazul a dou surse de tensiune, nchiderea ntreruptorului nu poate avea loc dect la egalitatea celor dou tensiuni;

- n cazul a dou surse de curent, deschiderea ntreruptoarelor nu poate avea loc dect la egalitatea curenilor.

Acest raionament conduce la definirea mecanismului de comutaie pentru ntreruptoarele care trebuie s interconecteze dou surse de aceeai natur.

1.3 Celule de comutaie Celula de comutaie reprezint arhitectura de baz care se regsete n toate conceptele

clasice de conversie static a energiei electrice. 1.3.1 Celule de comutaie elementare

Celulele de comutaie elementare sunt alctuite, n principal, din dou ntreruptoare statice de putere care realizeaz o interconexiune ntre o surs instantanee de tensiune i o surs instantanee de curent (Fig.1.7). Aceste ntreruptoare sunt adaptate s asigure funcionarea corect a celulei. Caracteristicile lor statice sunt determinate de reversibilitatea celor dou surse (de tensiune i de curent) i au acelai numr de segmente. Pentru a respecta regulile de interconectare a surselor cele dou ntreruptoare nu pot fi nchise sau deschise simultan.

Sunt cunoscute trei configuraii elementare de celule de comutaie cu dou niveluri de tensiune (2L): celula 2L-P [Fig.1.7(a)], celula 2L-N [Fig.1.7(b)] i celula 2L-B [Fig.1.7(c)].


5

T

D

i Vdc

+ -

(a) T

D i Vdc + -

(b)

Vdc i

+ -

(c)

S1

S2

Figura 1.7 Celule de comutaie elementare: (a) celula 2L-P, (b) celula 2L-N i (c) celula 2L-B

Fiecare celul are un terminal comun care este conectat la o sursa de curent (i), n timp ce dispozitivele semiconductoare sunt conectate la o surs de tensiune continu (Vdc). Celulele 2L-P i 2L-N sunt unidirecionale n curent.

n cazul celulei 2L-P terminalul comun al celor dou ntreruptoare este conectat la borna pozitiv a sursei de curent sau la o inductan. Terminalul comun al ntreruptoarelor celulei 2L-N este conectat la borna negativ a sursei de curent sau la un inductor. Astfel, celula 2L-P reprezint circuitul n oglind al celulei 2L-N i vice-versa. Prin combinarea celulelor 2L-P i 2L-N se obine celula de comutaie bidirecional n curent 2L-B.

Proprieti ale celulei 2L: tensiunea comutat de fiecare ntreruptor este egal cu tensiunea continu de

alimentare Vdc; tensiunea de ieire vo are dou niveluri de tensiune: 0 i Vdc; frecvena aparent de comutaie este egal cu frecvena de comutaie (fap=fsw); n Fig.1.8 se prezint dou soluii clasice de choppere de tensiune continu de tip Buck cu

filtru de ieire (Lo, Co). Acestea se deosebesc prin tipul celulei de comutaie folosite sau prin poziia relativ a ntreruptorului activ. Prin conectarea emitorului tranzistorului T la borna negativ a sursei continue de alimentare [Fig.1.8(b)] convertorul este mai puin sensibil la perturbaii pe partea de comand.

T

D

io Vdc

+ -

T

D io Vdc

+ -

(b)

+

-

Lo

Co (a)

+

-Lo

Co

Figura 1.8 Convertoare DC-DC unidirecionale de tip Buck: (a) cu celul 2L-P, (b) cu celul 2L-N

Pentru calculul filtrului de ieire (Lo, Co) se folosesc relaii matematice simple. Acestea depind de ondulaiile maxime impuse curentului de ieire (io) i de frecvena maxim de comutaie (fsw):

osw

dco if

VL 4 (1)

unde io reprezint ondulaiile curentului prin inductana Lo. Ondulaiile maxime ale curentului de ieire reprezint un parametru important n

proiectarea convertoarelor statice n vederea obinerii unei eficiene sporite a conversiei statice.

Utilizarea conceptului de conversie multinivel conduce la reducerea ondulaiilor maxime ale curentului de ieire. Tensiunea comutat la ieire este o fraciune din tensiunea de alimentare, iar frecvena aparent de comutaie (fap) poate fi un multiplu al frecvenei de comutaie a dispozitivelor semiconductoare de putere (fsw).


6

1.3.2 Celule de comutaie derivate

Celulele de comutaie derivate au mai multe niveluri de tensiune i se obin prin conectarea n diverse moduri (serie, paralel, cascad etc.) a dou sau mai multe celule de comutaie elementare 2L. n aceast seciune se prezint principiile generale ale unor celule de comutaie cu trei niveluri de tensiune.

Celula 3L-NPC (Neutral Point Clamped) dispune de dou etaje i trei niveluri de tensiune (3L). Exist trei configuraii posibile pentru aceast celul, obinute prin suprapunerea a dou celule de comutaie elementare 2L (Fig.9).

T1

D1

(a)

T1

D1 io

(b) T2

D2

Vdc

+ -

C1

C2

Vdc 2

Vdc 2

io

T2

D2

Vdc

+ -

C1

C2

Vdc 2

Vdc 2

(d)

Vdc

+ -

C1

C2

Vdc 2

Vdc 2

io S1

S2 S3

S4

+

-

Lo

Co

Vdc/2 Vdc

S1 S3

S2 S3

S1 S4

S2 S4

S1 S3

S2 S4

S2 S4

S1 S3

S1 S3

S2 S3

S2 S4

S1 S4

S1 S4

S1 S4

S1 S4

S2 S3

S2 S3 t

vo

vo

vo

vo

io (c)

Figura 1.9 Celula de comutaie 3L-NPC: (a) 3L-P-NPC, (b) 3L-N-NPC, (c) 3L-B-NPC, (d) comanda PWM a celulei 3L-B-NPC

n funcie de tipul i de modul de amplasare a celulelor elementare se definesc trei tipuri de celule 3L-NPC:

3L-P-NPC - etajul superior T1-D1 conine structura 2L-P, iar cel inferior T2-D2 conine celula 2L-N;

3L-L-NPC - etajul superior T1-D1 conine structura 2L-L, iar cel inferior T2-D2 conine celula 2L-P;

3L-B-NPC ambele etaje conin celula 2L-B. Celulele 3L-NPC sunt alimentate de la o surs de tensiune principal Vdc i conine 2 surse

de tensiune secundare Vdc/2. Utiliznd o strategie de comand corespunztoare, sursele de tensiune secundare pot fi echilibrate prin ncrcarea i descrcarea simetric a bateriilor de condensatoare C1 i C2.

Comanda ntreruptoarelor statice se poate realiza att la frecven joas (FJ), ct i la frecven nalt (FI). n Fig.9(d) se prezint un exemplu de realizare a comenzii la frecven nalt pentru celula 3L-B-NPC.

Aceste structuri de celule au urmtoarele proprieti: tensiunea comutat de fiecare ntreruptor este jumtate din tensiunea continu de

alimentare Vdc; tensiunea de ieire vo are trei niveluri: 0, Vdc/2 i Vdc; frecvena aparent de comutaie este de dou ori frecvena de comutaie (fap=2fsw); reducerea componentelor filtrului de ieire. n acest caz, valoarea minim a inductanei

Lo este dat de relaia:

osw

dco if

VL 16 (2)


7

Celula 3LFC (FlyingCapacitor) este obinut prin nserierea a dou celule elementare 2L. ntre celulele de comutaie se conecteaz o surs intermediar de tensiune. n practic aceast surs intermediar este nlocuit cu un condensator care se ncarc la o tensiune egal cu jumtate din tensiunea de alimentare.

vo

(a)

Vdc

+ -

io C T2 T1

D2 D1

(b)

Vdc

+ -

io

C D2 D1

T1vo

T2io io

+ -

io

C S2 S1

S2c S1c vo

Vdc (c)

Co

+

-

Lo

Figura 1.9 Celule de comutaie 3L-FC: (a) 3L-P-FC, (b) 3L-N-FC, (c) 3L-B-FC

Aceste structuri de celule au urmtoarele proprieti: tensiunea comutat de fiecare ntreruptor este jumtate din tensiunea continu de

alimentare Vdc; tensiunea de ieire vo are trei niveluri: 0, Vdc/2 i Vdc; frecvena aparent de comutaie este de dou ori frecvena de comutaie (fap=2fsw); reducerea componentelor filtrului de ieire. Valoarea minim a inductanei Lo este dat

de relaia (2). Celula 3LCI (CoupledInductor) este obinut prin conectarea n paralel a dou celule

elementare (2L-P i 2L-N) i a unui cuplaj magnetic cu dou inductoare. Cuplajul magnetic se conecteaza ntre punctele commune ale celor dou cellule 2L [Fig.1.10(a)].

Vdc

+ -

T1

(a)

io D1

D2

T2

i1 i2 1 2

iCM

Vdc

+ -

Vdc 2

C1

Vdc 2

C2

(b)

T1

D1

D2

T2

i1 i2

io R L vo

v1 v2 1 2

Figura 1.10 Invertorul monofazat 3L-CI n semi-punte: (a) celula de comutaie 3L-CI,

(b) structura de principiu a invertorului cu sarcin RL

Curenii prin cele dou inductoare (i1 i i2) au aceeai polaritate i circul ntotdeauna ntre punctele comune 1 i 2. Astfel, ntre cele dou celule unidirecionale 2L circul un curent de mod comun (iCM), care reprezint valoarea medie a curenilor prin cele dou inductoare:

2

21 iiiCM+= (3)

Curentul de ieire se obine prin scderea curenilor prin cele dou inductoare:

21 iiio = (4) Curenii prin cele dou inductoare se pot defini n funcie de curentul de mod comun i de

curentul de ieire:


8

CMo iii +=21

(5)

CMo iii +=22

(6)

Pentru a pune n eviden aceste relaii se prezint invertorul monofazat n semi-punte asociat acestei celulei 3L-CI [Fig.1.10(b)]. ntreruptoarele T1 i T2 sunt comandate folosind strategia PS PWM (Phase-Shifted Pulse-Width-Modulation). Tensiunea de referin Sr se compar cu dou semnale purttoare de form triunghiular (c1 i c2) defazate cu jumtate din perioada de comutaie Tsw/2 (Fig.1.11). Ca urmare, se obin patru stri de comutaie (Tabelul 1).

Strile P i N corespund conectrii directe a sarcinii spre sursa continu de alimentare. Starea P (Vdc/2) este obinut prin comandarea la nchidere a ntreruptorului T1, n timp ce ntreruptorul T2 este comandat la blocare. Starea N (-Vdc/2) este obinut prin comandarea la blocare a ntreruptorului T1, n timp ce ntreruptorul T2 este comandat la nchidere. Pentru generarea nivelului de tensiune zero exist dou stri redundante: O1 i O2. Corespunztor acestor stri ambele ntreruptoare sunt comandate simultan la nchidere sau la blocare.

Datorit existenei strilor redundante O1 i O2 tensiunea de ieire are trei niveluri (-Vdc/2, 0 i Vdc/2) i frecvena aparent de comutaie este de dou ori frecvena de comutaie (fap=2fsw).

T1

0

Sr

0 Tsw

Vdc/2 0

(b)

c2 c1 O2O1 O1

1

-1

vo

P P

T2

c2 c1

1

0

0 Tsw

Vdc/2 0

(c)

O1

N N O2 O1

-1

T1

T2

Sr

vo

Figura 1.11 Strategia PS PWM pentru invertorul n semi-punte 3L-CI: (a) Sr>0, (b) Sr

curs 1_2 (ep)

Documents