11 Mai 2016

Utilizarea regimului discontinuude conducŃie în invertoarele

conectate la reŃea

11 Mai 2016

Invertor = dispozitiv electronic care transformă curentul continuu în curentalternativ

AplicaŃii:

• acŃionări electrice de curent alternativ• surse regenerabile de energie

În domeniul surselor regenerabile există două categorii de aplicaŃii ale invertoarelor:

• invertoare pentru alimentarea directă a consumatorilor (în cazulsistemelor autonome energetic)

• invertoare conectate la reŃea (în cazul sistemelor care introduc energiaîn reŃeaua electrică)

11 Mai 2016

Schema electrică a unui invertor monofazat:

Ua

K1

K2

K3

K4

D1

D2

D3

D4

Uo

Ieşire

Comutatoarele Kx pot fi:

Tranzistor IGBT

Tranzistor MOS (include dioda)

sau

11 Mai 2016

FuncŃionarea invertorului:

4 comutatoare → 16 stări posibile.

Dintre acestea, starile în care:• K1 – închis şi K2–închis (4 stări)• K3 – închis şi K4–închis (4 stări)

nu sînt permise deoarece conduc la scurtcircuitarea sursei de alimentare

Cele 8 stări permise pot fi utilizate pentru comanda funcŃionării invertorului.Există mai multe metode de comandă pentru generarea tensiunilorsinusoidale la ieşire:

• ModulaŃie PWM sinusoidală (varianta bipolară)• ModulaŃie PWM sinusoidală (varianta unipolară)

11 Mai 2016

ModulaŃie PWM sinusoidală (varianta bipolară):

Se utilizează doar două stări:

• Starea 0 (K1=off, K2=on, K3=on, K4=off) → Uo = −Ua• Starea 1 (K1=on, K2=off, K3=off, K4=on) → Uo = +Ua

Se generează un semnal de referinŃă de tensiune sinusoidală (Ur) şi o purtătoare de formă triunghiulară (Up) cu o frecvenŃă mult mai mare.

• Invertorul se aduce în starea 0 dacă Ur < Up• Invertorul se aduce în starea 1 dacă Ur ≥ Up

Acest mecanism de comandă permite controlul tensiunii generate nu şi al curentului (acesta depinde de sarcina invertorului)

11 Mai 2016

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

-Ua

0

+Ua

-1-0.8

0

+0.8 +1

Frecventa purtatoare = 15 x Frecventa semnal de referinta, Indice de modulatie = 0.8

Purtatoare

ReferintaTensiune generata

11 Mai 2016

1 15 30 45 600

0.2

0.4

0.6

0.8

1Spectrul tensiunii generate

Numar componenta armonica

Am

plitu

dine

rel

ativ

a la

Ua

Se observă prezenŃa unei componente cu frecvenŃa şi amplitudineareferinŃei de tensiune (componenta de ordinul 1).

Suplimentar apar componente armonice superioare grupate în jurulmultiplilor întregi ai purtătoarei → aceste componente trebuie eliminate prinfiltrare

11 Mai 2016

Tipuri de filtre:

Uo (invertor)

Uo (filtrat)

L

Filtru L:

Filtru LC:

Filtru LCL:

Uo (invertor)

Uo (filtrat)

L

C

Uo (invertor)

Uo (filtrat)

L1

C

L2

11 Mai 2016

Invertor conectat la reŃea – Introduce în reŃeaua electrică un curentalternativ.

Ua

ReŃea

Q1

Q2

Q3

Q4

L1 C R

L2

D1

D2

D3

D4

11 Mai 2016

Regimul de funcŃionare:

Se referă la modul de evoluŃie a curentului prin inductorul L1

0

Q1 Q4

Q2 Q3

Q1 Q4

D2 D3

0

Q1 Q4

Q2 Q3

D1 D4

Q1 Q4

D2 D3

Q2 Q3

IL1 IL1

Curent de ieşire mare (IL1 are doar valori pozitive)

Curent de ieşire mic (IL1 are valori pozitive şi negative)

11 Mai 2016

ObservaŃii:

• Curentul prin inductorul L1 este diferit de zero (cu excepŃia trecerilor prin zero)

• În fiecare moment există un dispozitiv (diodă sau tranzistor) în conducŃie

Acest regim de funcŃionare se numeşte regim de conducŃie continuuă –CCM (Continuous Conduction Mode)

Este datorat modului complementar de acŃionare a perechilor de tranzistoare (Q1,Q2) şi (Q3,Q4)

Este independent de valoarea medie a curentului generat de invertor (care corespunde valorii medii a curentului prin inductorul L1)

11 Mai 2016

Controlul invertorului conectat la reŃea:

Obiectiv urmărit – reglarea curentului introdus în reŃea.

ReferinŃa de curent este o sinusoidă cu aceeaşi frecvenŃă ca tensiuneareŃelei şi defazată cu un unghi φ.

• dacă φ = 0, se introduce în reŃea numai putere activă

• dacă φ ≠ 0, se introduce şi putere reactivă

În cazul în care se doreşte compensarea consumului nesinusoidal, referinŃade curent poate avea o formă arbitrară (suma componentelor armonice celemai semnificative).

11 Mai 2016

Modelul invertorului cu filtru LCL conectat la reŃea:

H q - Ig (s)

H Ug - Ig (s)

q = comandă

Ig = curent introdus

în reŃea

Ug = tensiunea reŃelei

Ig

q

Ug

2 Ua (q-0.5)

ton

To

Semnal de comandă (Q1 , Q4)

To-ton

To

Semnal de comandă (Q2 , Q3) Mărimea de comandă a

invertorului este:

, q=[0 1]ton

q=To

…

11 Mai 2016

FuncŃia de transfer de la comandă la curentul introdus în reŃeaHq-Ig(s) este:

FuncŃia de transfer de la tensiunea reŃelei la curentul introdus în reŃeaHUg-Ig(s) este:

21

Ug-Ig1 2 21 2

1 2

L Cs +RCs+1(s) L L

Cs +RCs+1L +L

-1H =

(L +L )si

iq-Ig1 2 21 2

1 2

RCs+1(s) L L

Cs +RCs+1L +L

1H =

(L +L )s

11 Mai 2016

ObservaŃii:

• Ambele funcŃii de transfer conŃin acelaşi integrator înseriat cu un sistemde ordinul II

• Constanta de timp a integratorului este foarte mică deoarece valorileinductorilor L1 şi L2 sînt foarte mici (sute de µH – maxim 10 mH)

• Rezultatul este o sensibilitate extrem de mare a valorii curentului generatde invertor atît la variaŃiile comenzii cît şi la tensiunea reŃelei (mai exact la valoarea diferenŃei dintre 2Ua(q-0.5) şi Ug)

• Pentru reglajul corect al curentului este necesar un control fin al comenziiceea ce presupune o rezoluŃie ridicată a generatorului de semnal PWM(dificil de realizat practic în special la frecvenŃe de comutaŃie mari)

11 Mai 2016

Simularea funcŃionării invertorului cu regulator de tip PI :

Parametri invertor:Ua = 24 Vcc L1 = 100 µH C = 15 µFUg = 12 Vef L2 = 220 µH R = 3 Ω

Parametri regulator (acordat prin metoda Ziegler-Nichols):Kr = 0.105 Ti = 138 µsec

De ce regulator PI?• Se doreşte o frecvenŃă de comutaŃie / eşantionare mare (50…100 KHz) –

problema resurselor de calcul• Algoritmul nu depinde de numărul şi frecvenŃa componentelor armonice

din semnalul de referinŃă (ca în cazul algoritmilor de tip proporŃional-rezonant sau cu control componente active/reactive)

11 Mai 2016

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-1

-0.5

0

0.5

1Functionare in regim CCM fara tensiune retea

Timp [sec]

Ten

siun

e re

tea

[V]

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

Timp [sec]

Cur

ent

rete

a [a

]

Referinta

Curent generat

11 Mai 2016

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-20

-10

0

10

20Functionare in regim CCM cu tensiune retea ideala

Timp [sec]

Ten

siun

e re

tea

[V]

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

Timp [sec]

Cur

ent

rete

a [a

]

Referinta

Curent generat

11 Mai 2016

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-20

-10

0

10

20Functionare in regim CCM cu tensiune retea reala

Timp [sec]

Ten

siun

e re

tea

[V]

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

Timp [sec]

Cur

ent

rete

a [a

]

Referinta

Curent generat

11 Mai 2016

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20Functionare in regim CCM cu tensiune retea reala - continut armonic

Nr componenta armonica

Am

plitu

dine

(te

nsiu

ne r

etea

) [V

]

0 5 10 15 20 250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Nr componenta armonica

Am

plitu

dine

(cu

rent

ret

ea)

[A]

11 Mai 2016

Alternativă – comanda invertorului pentru funcŃionare în regim de

conducŃie discontinuuă

Se utilizează trei stări:

• Starea 0 (K1=off, K2=off, K3=off, K4=off) → Uo determinat de sarcină

• Starea + (K1=on, K2=off, K3=off, K4=on) → Uo = +Ua• Starea − (K1=off, K2=on, K3=on, K4=off) → Uo = −Ua

Comanda invertorului - în acest caz:

-, q=[ 1 1]ton

|q|=To

…

• Dacă q > 0, semnalul PWM comută între stările 0 şi +• Dacă q < 0, semnalul PWM comută între stările 0 şi −

11 Mai 2016

0

Q1 Q4

Q1 Q4

D2 D3

0

Q1 Q4

Q1 Q4

D2 D3

IL1 IL1

q > 0, Curent de ieşire mare (IL1 are doar valori pozitive)

q > 0, Curent de ieşire mic (IL1 are şi valori nule)

Regimul de funcŃionare:

Este posibil ca prin inductorul L1 să se anuleze curentul la sfîrşitulperioadei de comutaŃie (în cazul curenŃilor generaŃi de valoare redusă).

11 Mai 2016

Acest regim de funcŃionare se numeşte regim de conducŃie discontinuuă

– DCM (Discontinuous Conduction Mode)

CondiŃia de funcŃionare în regim de conducŃie discontinuuă este:

2

1Io< (1-m )

UaTo4L

unde:Io = curentul generat de invertor (valoarea medie a lui IL1)

Ugm =

Ua

Deoarece se doreşte funcŃionarea numai în acest regim:

21 maxL < (1-m )

UaTo4Io

(relaŃia de dimensionare a inductorului L1)

11 Mai 2016

Curentul generat de invertor este:

2

1

Ua-UgIo= q

To Ua+UgUa

Li

Modelul invertorului cu filtru LCL conectat la reŃea (în regim de

conducŃie discontinuuă):

H Io - Ig (s)

H Ug - Ig (s)

q = comandă

Ig = curent introdus

în reŃea

Ug = tensiunea reŃelei

Ig

q

Ug

Io(q) Io

11 Mai 2016

FuncŃia de transfer de la curentul Io la curentul introdus în reŃeaHIo-Ig(s) este:

FuncŃia de transfer de la tensiunea reŃelei la curentul introdus în reŃeaHUg-Ig(s) este:

Ug-Ig1 2 2

1 2

-Cs(s) L L

Cs +RCs+1L +L

H =

Io-Ig1 2 2

1 2

RCs+1(s) L L

Cs +RCs+1L +L

H =

11 Mai 2016

ObservaŃii:

• Integratorul nu mai este prezent (doar sisteme de ordinul II)• Sensibilitatea valorii curentului generat de invertor atît la variaŃiile

comenzii cît şi la tensiunea reŃelei este mult mai redusă• Sistemul este neliniar din cauza dependenŃei curentului Io de pătratul

comenzii şi de raportul de tensiuniUa-UgUa+Ug

Compensarea neliniarităŃii – se introduce un bloc de calcul între comandagenerată de regulator (q) şi comanda aplicată invertorului (q*):

Ua+Ugq*= q

Ua-Ug

Pentru q>0: Pentru q<0:

-

Ua-Ugq*= q

Ua+Ug

11 Mai 2016

Simularea funcŃionării invertorului cu regulator de tip PI

(în regim de conducŃie discontinuuă):

Parametri invertor:Ua = 24 Vcc L1 = 100 µH C = 15 µFUg = 12 Vef L2 = 220 µH R = 3 Ω

Parametri regulator (acordat prin metoda Ziegler-Nichols):Kr = 0.72 Ti = 138 µsec

11 Mai 2016

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-1

-0.5

0

0.5

1Functionare in regim DCM fara tensiune retea

Timp [sec]

Ten

siun

e re

tea

[V]

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

Timp [sec]

Cur

ent

rete

a [a

]

Referinta

Curent generat

11 Mai 2016

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-20

-10

0

10

20Functionare in regim DCM cu tensiune retea ideala

Timp [sec]

Ten

siun

e re

tea

[V]

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

Timp [sec]

Cur

ent

rete

a [a

]

Referinta

Curent generat

11 Mai 2016

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-20

-10

0

10

20Functionare in regim DCM cu tensiune retea reala

Timp [sec]

Ten

siun

e re

tea

[V]

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

Timp [sec]

Cur

ent

rete

a [a

]

Referinta

Curent generat

11 Mai 2016

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20Functionare in regim DCM cu tensiune retea reala - continut armonic

Nr componenta armonica

Am

plitu

dine

(te

nsiu

ne r

etea

) [V

]

0 5 10 15 20 250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Nr componenta armonica

Am

plitu

dine

(cu

rent

ret

ea)

[A]

11 Mai 2016

Concluzii:

• Regimul discontinuu de conducŃie este specific convertoarelor de curentcontinuu dar poate fi utilizat şi în cazul invertoarelor prin modificareamodului de comandă al tranzistoarelor

• În acest caz, se obŃin performanŃe ridicate la reglarea curentului introdusîn reŃeaua electrică chiar utilizînd regulatoare simple de tip PI