PL215153B1 - Sposób i uklad do redukcji amplitud niepozadanych harmonicznych generowanych w wielostopniowym przelaczniku mocy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do redukcji amplitud niepożądanych harmonicznych generowanych w wielostopniowym przełączniku mocy.

Elektronika energetyczna pracuje na ogół na przełącznikach, które przyczyniają się do powstawania harmonicznych. Ponadto system zasilania zawiera podsystemy, a każdy z nich pracuje na własnej częstotliwości. Kombinacja tych różnych częstotliwości jest źródłem tworzenia się harmonicznych wskutek zjawiska dudnienia.

Dudnienie jest to okresowa zmiana amplitudy oscylacji, wynikająca z nakładania się dwóch sąsiadujących częstotliwości.

Na ogół dąży się do rozdzielenia takich dwóch podsystemów stosując filtry zawierające cewki indukcyjne (L) oraz kondensatory (C).

Ponadto, w przypadku przemienników trójfazowych, stosowanych przykładowo w kolejnictwie w silnikach napędowych, proponowano dodatkowo modulację szerokości impulsu fali PWM w dyskryminatorze poprzez korektę fali ustalającej (publikacja WO 96/33548). Proces ten umożliwia eliminację czasu bezprądowego w falach ustalających systemu, dzięki czemu następuje znaczna redukcja niepożądanych harmonicznych, zwłaszcza harmonicznych 5-go i 7-go rzędu, pojawiających się w prądach silnika, oraz harmonicznych 6-go rzędu, pojawiających się po stronie zasilania i po stronie momentu obrotowego silnika.

Jednak możliwości zmiany konfiguracji systemu są często ograniczone wskutek występowania strat na półprzewodnikach bądź strat wynikających z fizyki systemu.

W bardzo wielu dokumentach, między innymi w dokumentach nr US-A-4638417, DE-A-19651281, DE-A-3912706, GB-A-2232836 oraz US-A-4339697, proponowano stosowanie fali ustalającej, która byłaby zmienna i w niektórych przypadkach posiadała częstotliwość losową, do fal PWM przewidzianych do sterowania przemiennikiem, zasadniczo w celu zakłóceń (szumów).

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki US 5933339 znany jest zespół wielopoziomowych falowników tworzącego napięciowy statyczny przetwornik mocy. Każdy z falowników odpowiada określonej fazie silnika. Każdy z wielopoziomowych falowników ma ustaloną liczbę poziomów wynoszącą sześć. Każdy wielopoziomowy falownik jest zasilany przez sześć źródeł zasilania prądu stałego i dostarcza niepowtarzalne i różne napięcie zmienne przez sześć poziomów. Wielopoziomowy falownik zawiera sześć elementarnych falowników, których wyjścia są połączone szeregowo, przy czym każdy z elementarnych falowników stanowi mostek H mający cztery przełączniki.

Na rysunku przestawiono schemat układu przetwornika dwustopniowego według dotychczasowego stanu techniki. Składa się on typowo z kilku podzespołów: filtr wejściowy i czoper hamujący 2 oraz przemiennik 4. Na tym rysunku ukazane zostało tylko jedno odgałęzienie przemiennika trójpoziomowego.

Typowo, filtr wejściowy składa się z cewki indukcyjnej L oraz jednego lub z kilku kondensatorów C3 i C4.

Czoper hamujący 2 składa się z dwóch przełączników Fr1 i Fr2, korzystnie typu IGBT i połączonych szeregowo. Każdy z tych przełączników jest połączony równolegle z diodą spolaryzowaną zaporowo Dr1 i Dr2, zaś zespół przełącznik - dioda spolaryzowana zaporowo jest połączony szeregowo z opornikiem R1 i R2, co umożliwia rozpraszanie energii niepochłoniętej na obciążeniu M1.

Ponadto, czoper hamujący wyposażony jest w pojemnościowy podzielnik napięcia, składający się z dwóch kondensatorów C3 i C4, w celu zapewnienia odpowiedniego poziomu napięcia.

Według stanu techniki jedna gałąź trójpoziomowego falownika składa się z czterech przełączników, korzystnie typu IGBT, połączonych w pary (T1 i T2; T3 i T4). Na każdym przełączniku podłączono równolegle spolaryzowaną zaporowo diodę D1 do D4. Pojemnościowy podzielnik napięciowy 3, składający się z dwóch kondensatorów C1 i C2, jest również podłączony równolegle do przemiennika 4.

Jak pokazano punkty środkowe X' i X czopera hamującego według stanu techniki zwykle nie są połączone.

Wynalazek ma na celu zapewnienie prostego układu do redukcji - a nawet eliminacji - harmonicznych generowanych przez kombinację różnorodnych częstotliwości przełączania w wielostopniowych przetwornikach mocy.

PL 215 153 B1

Wynalazek ma w szczególności na celu dostarczenie sposobu i układu, które można zastosować w systemie zawierającym co najmniej dwa z następujących podsystemów funkcjonalnych: czoper hamujący z rezystorem, przemiennik/prostownik.

Zgodny z wynalazkiem sposób redukcji amplitudy niepożądanych harmonicznych generowanych w wielostopniowym przełączniku mocy, zawierającym co najmniej jeden filtr wejściowy, czoper hamujący z rezystorem zawierający co najmniej dwa przełączniki oraz wielopoziomowy przemiennik zawierający co najmniej cztery przełączniki połączone szeregowo, przy czym przemiennik jest połączony bezpośrednio z czoperem hamującym poprzez połączenie punktu środkowego przemiennika z punktem środkowym czopera hamującego, charakteryzuje się tym, że steruje się tylko przełącznikami czopera hamującego za pomocą impulsów o częstotliwości zmiennej losowo.

Według wynalazku termin „przetwornik mocy” („konwerter mocy”) oznacza przełącznikowe urządzenie mocy, składające się z kilku podsystemów funkcjonalnych, zawierających filtr wejściowy, czoper hamujący z rezystorem oraz wielopoziomowy przemiennik lub prostownik.

Typowo, czoper hamujący składa się z co najmniej dwóch przełączników, korzystnie typu IGBT, połączonych szeregowo, przy czym każdy z nich jest połączony równolegle z diodą spolaryzowaną zaporowo, zaś zespół przełącznik - dioda spolaryzowana zaporowo jest połączony szeregowo z opornikiem.

Typowo, jedno odgałęzienie przemiennika wielopoziomowego, przykładowo przemiennika trójpoziomowego, składa się z co najmniej czterech przełączników, korzystnie typu IGBT, połączonych w pary. Każdy przełącznik podłączony jest równolegle z diodą w polaryzacji zaporowej.

Korzystnie, częstotliwość losowa ma rozkład Gaussa ze średnią częstotliwością równą częstotliwości stosowanej w równorzędnym urządzeniu o stałej częstotliwości.

Korzystnie, częstotliwość losowa ma rozkład inny niż rozkład Gaussa.

Korzystnie, standardowe odchylenie rozkładu jest zawarte w przedziale od 15% do 35% częstotliwość średniej.

Średnia częstotliwość odpowiada stałej częstotliwości stosowanej zwykle do sterowania omawianymi przełącznikami. Średnia częstotliwość sterująca czopera hamującego zawarta jest w granicach od 600 do 900 Hz, a odchylenie standardowe wynosi od 150 do 250 Hz.

Korzystnie, przełączniki przemiennika steruje się impulsami PWM odpowiednio do kątów przełączania obliczonymi tak, by zredukować lub wyeliminować amplitudę co najmniej jednej harmonicznej nieparzystej kształtu fali napięcia podawanego z przemiennika na obciążenie.

Zgodny z wynalazkiem układ do redukcji amplitud niepożądanych harmonicznych generowanych w wielostopniowym przełączniku mocy, zwłaszcza w postaci dudnienia, zawierający co najmniej jeden filtr wejściowy, czoper hamujący z rezystorem zawierający co najmniej dwa przełączniki oraz wielopoziomowy przemiennik zawierający co najmniej cztery przełączniki połączone szeregowo, charakteryzuje się tym, że przemiennik jest połączony bezpośrednio z czoperem hamującym poprzez połączenie ich punktów środkowych, przy czym zawiera on generator impulsów o częstotliwości zmiennej losowo, sterujący tylko przełącznikami czopera hamującego.

Zatem, układ według opisanego wynalazku zawiera generator fal, mających formę impulsów o częstotliwości zmiennej losowo, które mają sterować przełącznikami przerywacza stykowego.

Oznacza to, że dzięki temu możliwe jest wyeliminowanie oddzielnego pośredniego pojemnościowego podzielnika napięciowego dla czopera hamującego.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 - przedstawia w celu porównawczym układ znany ze stanu techniki, fig. 2 - schemat układu przetwornika, w którym zastosowano układ i sposób redukcji harmonicznych według wynalazku, fig. 3 - kształt fali stosowanej do sterowania przemiennikiem z trzema kątami przełączania a₁, a₂ i a₃, fig. 4 - sygnał sterujący wraz z sygnałem jego fali ustalającej, przyłożony do czopera hamującego z rezystorem według wynalazku.

Zgodnie z wynalazkiem, jak to pokazano na fig. 2, proponuje się połączenie punktów środkowych czopera hamującego i przemiennika, odpowiednio punktów X i X', odpowiednio podłączonymi pomiędzy dwoma kondensatorami. Dzięki temu - w szczególnie korzystny sposób - nie ma już dłużej konieczności stosowania pojemnościowego mostka podzielnika napięcia, właściwego dla każdego z podsystemów czoper hamujący 2/przemiennik 4.

Tryb funkcjonowania trójpoziomowego przemiennika 4 jest całkowicie konwencjonalny i umożliwia dystrybucję stałego wysokiego napięcia - HT z napowietrznej sieci do dwóch przełączników

PL 215 153 B1

IGBT, powodując ich działanie w parach i przepuszczanie prądu najpierw przez górną parę (IGBT1, IGBT2), potem przez środkową parę (IGBT2, IGBT3), a na koniec przez dolną parę (IGBT3, IGBT4).

W ten sposób uzyskuje się aproksymację krzywej sinusoidalnej na trzech poziomach napięcia: HT, HT/2 i 0.

Drugi pojemnościowy podzielnik napięciowy nie jest już zatem potrzebny do ustalania potencjału pośredniego, a tym samym i do poprawnego działania przemiennika, gdyż połączenie między punktami środkowymi X i X' umożliwia poprawną dystrybucję wysokiego napięcia.

W porównaniu z przemiennikiem dwustopniowym, system trójstopniowy umożliwia redukcję poziomu harmonicznych poprzez lepszą aproksymację krzywej sinusoidalnej.

Napięcie podawane z przemiennika na obciążenie jest symetryczne względem osi Oy, a więc rozwinięcie szeregu Fouriera zawiera jedynie harmoniczne podstawowe i nieparzyste (3-go, 5-go, 7-go, 9-go itd. rzędu):

HT (t) = a₁sin (ωί + φ₁) + a₃sin(3at + φ₃) + a₅sin(5at + φ₅) +...

gdzie t oznacza czas; ω - podstawową częstotliwość kątową, zaś φ_2Μ oznacza fazę odpowiadającą częstotliwości (2ί-1)ω, gdzie i = 1,2, 3,...

Można wykazać, że możliwe jest uzyskanie układu n równań liniowych z n niewiadomymi, w których współczynniki a₃, a₅, a₇,... wyrażone są jako funkcje kątów przełączania α₁, α₂, a₃, .... Na fig. 2 pokazano kształt fali, odpowiadający trzem kątom przełączania α₁, α₂, a₃.

Odwracając układ równań, kąty przełączania α₁, α₂, a₃, ... można wyrazić jako funkcję współczynników rozwinięcia w szereg Fouriera a3, a5, a7, ...

Możliwe jest zatem obliczenie kątów przełączania, wymaganych do eliminacji niektórych z góry określonych harmonicznych. Innymi słowy, przemyślny wybór kształtu fali przykładanej do podsystemu przemiennika umożliwia eliminację - od strony silnika - pewnych harmonicznych, a w szczególności tych najbardziej niepożądanych, takich jak harmoniczne 5-go i 7-go rzędu. Harmoniczne 3-go rzędu oraz wielokrotności 3 nie stwarzają problemów od strony silnika, gdyż w takim przypadku mamy do czynienia z układem trójfazowym z izolowanym zerem.

Zazwyczaj dąży się do tego, by nie montować pojemnościowy podzielnika napięciowego 3 (C1, C2) w postaci mostka pojemnościowego i - w miarę możliwości - bezpośrednio łączyć czoper hamujący z przemiennikiem (X = X'). W tym przypadku dudnienie jest nieuniknione i można je stłumić jedynie za pośrednictwem komendy z czopera hamującego, jak to opisano poniżej.

Podczas normalnej pracy przemiennik generuje zatem w punkcie środkowym X, X' harmoniczne, których częstotliwości mają wartość częstotliwości roboczej mnożonej przez wielokrotność 3. Dla przykładu, jeżeli przemiennik pracuje przy 50 Hz, to w punkcie środkowym występują częstotliwości 150, 300, 450 Hz itd.

W przykładzie podanym na fig. 2 czoper hamujący podłączony bezpośrednio do przemiennika pracuje na swojej własnej częstotliwości (na przykład 800 Hz). Częstotliwość ta jest zdolna do łączenia się ze wszystkimi harmonicznymi występującymi w punkcie środkowym tak, że wystąpi dudnienie. Jest oczywiste, że dudnienie to jest proporcjonalnie tym większe, im bliższe są sobie te częstotliwości.

Tak więc jeżeli f1 jest częstotliwością harmonicznej przemiennika, a f2 jest częstotliwością czopera hamującego, to obserwuje się dwa dudnienia o częstotliwości (f1 + f2)/2 i (f1 - f2)/2.

Sposobem na neutralizację tego zjawiska jest zastosowanie częstotliwości losowej sterującej czoperem hamującym. Częstotliwość ta dla przykładu ma rozkład Gaussa ze średnią wartością równą zwykłej częstotliwości roboczej f₀ = 800 Hz i ze standardowym odchyleniem rzędu Δί = 200 Hz. Na fig. 3 przedstawiono przykład sygnału sterującego 6 dla przełączników IGBT czopera hamującego (IGBT Fr1, IGBT Fr2) przy częstotliwości losowej. Fala ustalająca 5 podaje poziom stopnia modulacji przyłożonej do czopera hamującego.

Na fig. 4 pokazano ponadto sygnał sterujący wraz z sygnałem jego fali ustalającej, przyłożony do czopera hamującego z rezystorem według wynalazku.

Jeden korzystny przykład realizacji wynalazku polega na generowaniu sygnału wejściowego, który wynika z próbkowania funkcji sinusoidalnej w skończonym przedziale czasowym (na przykład jedna próbka co 10 ms w przedziale jednej sekundy) i którego częstotliwość zmienia się w czasie w zależności od wartości podawanych z generatora liczb losowych.

PL 215 153 B1

W odniesieniu do jednej częstotliwości straty przełączania w komponentach mocy są takie same. Rozwiązanie zalecane zgodnie z wynalazkiem pozwala jednakże uzyskać szereg ważnych korzyści:

- redukcję dudnienia, która jest proporcjonalnie tym większa, im większe jest odchylenie standardowe;

- redukcję zakłóceń w systemie;

- możliwą eliminację pojemnościowego podzielnika napięciowego między czoperem hamującym a przemiennikiem.

Claims (6)

1. Sposób redukcji amplitudy niepożądanych harmonicznych generowanych w wielostopniowym przełączniku mocy, zawierającym co najmniej jeden filtr wejściowy, czoper hamujący z rezystorem zawierający co najmniej dwa przełączniki oraz wielopoziomowy przemiennik zawierający co najmniej cztery przełączniki połączone szeregowo, przy czym przemiennik jest połączony bezpośrednio z czoperem hamującym poprzez połączenie punktu środkowego przemiennika z punktem środkowym czopera hamującego, znamienny tym, że steruje się tylko przełącznikami czopera hamującego za pomocą impulsów o częstotliwości zmiennej losowo.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że częstotliwość losowa ma rozkład Gaussa ze średnią częstotliwością równą częstotliwości stosowanej w równorzędnym urządzeniu o stałej częstotliwości.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że częstotliwość losowa ma rozkład inny niż rozkład Gaussa.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że standardowe odchylenie rozkładu jest zawarte w przedziale od 15% do 35% częstotliwości średniej.

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że przełączniki przemiennika (4) steruje się impulsami PWM odpowiednio do kątów przełączania (ai, ąg, 03, ....) obliczonymi dla zredukowania lub wyeliminowania amplitudy co najmniej jednej harmonicznej nieparzystej kształtu fali napięcia podawanego z przemiennika (4) na obciążenie (M1).

6. Układ do redukcji amplitud niepożądanych harmonicznych generowanych w wielostopniowym przełączniku mocy, zwłaszcza w postaci dudnienia, zawierający co najmniej jeden filtr wejściowy, czoper hamujący z rezystorem zawierający co najmniej dwa przełączniki oraz wielopoziomowy przemiennik zawierający co najmniej cztery przełączniki połączone szeregowo, znamienny tym, że przemiennik (4) jest połączony bezpośrednio z czoperem hamującym (2) poprzez połączenie ich punktów środkowych (X, X'), przy czym zawiera on generator impulsów o częstotliwości zmiennej losowo, sterujący tylko przełącznikami czopera hamującego (2).