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
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
8
Talasni oblici struja i napona
� 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
Talasni oblici struja i napona
� Uticaj sprege motora
+⋅−⋅+⋅−⋅⋅= K)11sin(
11
1)7sin(
7
1)5sin(
5
1)sin(
2ttttIi DCR ωωωω
π
10
Talasni oblici struja i napona
� 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
Talasni oblici struja i napona
� 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
15
Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača
� Diode
Diode: 4.5 kV, 0.8 kA (do 1.7 kV, 1.2 kA)
16
Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača
� Tiristori (SCR)
SCR:4.5kV, 1.5kA (do 8.5kV, 6.6kA)
17
Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača
� Tiristori sa kolom za gašenje (GTO)
GTO: 4.5kV, 1.5kA (do 6kV, 6kA)
18
Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača
� Tiristori sa komutovanim gejtom (GCT, IGCT, SGCT)
SGCT: 6.5kV, 1.5kA (do 6.5kV, 6kA)
19
Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača
� IGBT tranzistori
IGBT: 1.7 Kv, 1.2 kA (do 3.3 kV, 1.2 kA)
20
Poluprovodnici koji se primenjuju kod strujnih pretvarača
� Ostale komponente � MOSFET,
� ETO (emitter turn-off thyristor),
� MCT (MOS-controlled thyristor),
� SIT (static induction thyristor),
� IEGT (injection enhanced gate transistor).
22
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Strujni invertor sa autosekvencijalnom komutacijom (ASCI, LCI)
23
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Strujni pretvarači sa višeimpulsnim tiristorskim ispravljačem
24
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Strujni PWM invertor sa GTO tiristorima
25
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Strujni PWM invertor sa SGCT tiristorima
Ispravljač Prigušnica Invertor
27
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Strujni pretvarači sa dvostrukim PWM ispravljačem
28
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Strujni pretvarači za posebno konstruisan motor
29
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Strujni pretvarači bez transformatora na ulazu
ETF, 30.11.2015. 30
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Primena integrisane prigušnice u jednosmernom međukolu
31
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Primena integrisane prigušnice u jednosmernom međukolu
32
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Strujni PWM invertor sa IGBT tranzistorima
Napajanje Ulazni filtar Izlazni filtar Motor
Invertor Ispravljač
33
Različite topologije i modifikacije strujnog pretvarača
� Hibridni strujno-naponski invertor
Ispravljač Prigušnica Strujni invertor
Naponski invertor
35
Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima
� Nezavisna regulacija struje i klizanja
Strujni
invertor
M 3 ~
ω r
i -
+
ω e
ω s *
i * dc
dc α
napajanje
+ +
PI regulator
36
Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima
� 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
Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima
� Skalarno upravljanje u otvorenoj sprezi (Sever Microvert)
Strujni
invertor
M 3 ~
i -
+
ω e
i *
α
napajanje
ω r *
= ~
U *
= ~
f U
U -
+
38
Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima
� 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
Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima
� 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
Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima
� Direktno vektorsko upravljanje (Rockwell PowerFlex 7000 Direct-to-Drive)
41
Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima
� 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
Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima
� 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
Upravljačke strategije u pogonima sa strujnim pretvaračima
� 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
45
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� Strujni pretvarači kao napajanje asinhronih motora
Sever Microvert
46
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� Strujni pretvarači kao napajanje asinhronih motora
Laboratorijski prototip, ETF Laboratorija
za elektromotorne pogone
47
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� Primena strujnih pretvarača u pogonima velikih snaga
Siemens SIMOVERT S LCI
Alstom ALSPA SD7000 LCI (10kV, >10MVA)
48
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� Primena strujnih pretvarača u pogonima velikih snaga
Rockwell PowerFlex 7000 PWM SGCT CSC ABB MEGADRIVE-LCI (do 10kV, 72MW)
50
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� 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
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� 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
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� 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
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� Savremena industrijska rešenja (pogon mlina u termoelektrani –povećanje kapaciteta mlevenja za 10%)
54
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� 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
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� Savremena industrijska rešenja primena kod vetrogeneratora, upravljanje PWM CSI pretvaračem
56
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� 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
Primena strujnih pretvarača u elektromotornim pogonima
� 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