UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN TIMIOARA FACULTATEA DE ELECTROTEHNIC I ELECTROENERGETICPROIECT DE DIPLOMINTERFAAREA LA REEA A INVERTOARELOR DE TENSIUNE CU PWMMircea BABA Coordonator tiinific: Prof. Dr. Ing. Nicolae MUNTEANTIMIOARA 2008

UNIVERSITATEA POLITEHNICA din TIMIOARA Facultatea de Electrotehnic i ElectroenergeticCATEDRA MAUEAvizat, ef de catedrPLAN TEMATICPentru proiectul de diplom Proiectul de diplom dat studentului BABA MIRCEA 1. Temaproiectului: Interfaarea la reea a invertoarelor de tensiune cu PWM. 2. Termenulde predare a proiectului: iunie 2008; 3. Elementele iniiale pentru proiect: Se vor analiza tipurile de redresoare pentru convertizoarele de frecven; Se va simula redresorul reversibil cu PWM i factor de putere unitar; Se va pune n funciune ise vor evidenia formele de und specifice unui convertizor de frecven bidirecional.

4. Coninutul notei explicative de calcul (enumerarea problemelor care vor fi rezolvate): Topologii constructive, simulare, determinri experimentale . 5. Enumerarea materialului grafic (cu indicarea precis a desenelor obligatorii) Desene explicative nelegerii textului i scheme electrice i electronice specifice. Rezultatele simulrilor i formele de und obinute n urma testrii. 6. Consultaii pentru proiect (cu inare a prilor de proiect pentru care solicit consultarea) De cte ori este necesar, cel puin o dat pe sptmn. 7. Data eliberrii temei: octombrie 2007 Tema primit pentru ire Coordonator tiinific,

CuprinsCAPITOLUL 1 ...................................................................................................................... 4 1. INTRODUCERE ................................................................................................................... 4 CAPITOLUL 2 ...................................................................................................................... 6 2. INVERTOARE DE TENSIUNE CU PWM .......................................................................... 6 CAPITOLUL 3 .................................................................................................................... 143. COMANDA INVERTOARELOR TRIFAZATE................................................................ 14 3.1. Metoda subondulrii (Sine PWM) n invertoare trifazate cudou nivele de tensiune pe ramur .................................................................................................................................14 3.2. Modularea n lime de puls scalar, n bucl nchis ................................................. 18 3.3. Modularea n lime de puls vectorial (Space - Vector PWM).................................. 19 3.4. Modularea n lime de puls la invertoare multinivel. Eliminarea componentei omopolare ................................................................................... Eroare! Marcaj n document nedefinit. CAPITOLUL 4 .................................................................................................................... 23 4. INTERFAAREA LA REEA A INVERTOARELOR DE TENSIUNE CU PWM ......... 23 4.1. Regimul deformant ........................................................................................................... 23 4.2. Filtrarea regimului deformant ........................................................................................... 29 4.3. Circuite de redresare din componena convertoarelor de frecven .................................. 32 4.3.1. Redresoare cu diode ....................................................................................................... 32 4.3.2. Redresoare cu PWM ...................................................................................................... 36 CAPITOLUL 5 .................................................................................................................... 43 5. PARTEA PRACTIC ......................................................................................................... 43 5.1. Descrierea standuluiexperimental .................................................................................... 43 5.2. Descrierea lucrrii practice ............................................................................................... 63 BIBLIOGRAFIE ...................................................................................................................... 75

INTRODUCERECAPITOLUL 11. INTRODUCEREConvertorul static de frecven (CSF) este un ansamblu format dintr-un redresor i uninvertor de tensiune cu modulare prin lime de puls (PWM). Cele dou convertoare suntconectate prin intermediul circuitului (intermediar) de tensiune continu n care se gsete un filtru capacitiv sau inductiv-capacitiv (Fig. 1.1).L ReeaRedresorCInvertorSarcinFig. 1.1. Structura unui convertor static de frecven.

Redresorul se alimenteaz de la reeaua industrial, monofazat sau trifazat, direct sauprin intermediul unui transformator. Transformatorul poate avea rol de separaregalvanic, de adaptare a nivelului de tensiune sau de alimentare a diverselor configuraii speciale de redresoare, caz n care are cel puin dou circuite (nfurri) secunLa configuraiile nerecuperative tensiunea continu din circuitul intermediar nu este reglat prin intermediul redresorului, motiv pentru care el este n majoritatea cazurilor necomandat. La nivele energetice ridicate se utilizeaz redresoare semicomandate, care au rolul de a limita curenii de ncrcare ai filtrului capacitiv la conectarea convertorului static de frecven la reea, dup care ele funcioneaz fr reglaj.ul convertorului static de frecven recuperativ, redresorul este i el cu PWM, cu dispozitive de comutaie complet comandabile. Invertorul de tensiune reface prin PWMsistemul trifazat, la frecven i tensiune variabile utiliznd, la rndul lui, dispozitive de putere complet comandabile. El este responsabil de reglarea parametrilor energiei electrice furnizate sarcinii. Invertorul poate avea diverse configuraii funcie, n principal, de nivelul tensiunii din circuitul intermediar (joas sau medie tensiune). Controlul convertorului static de frecven se realizeaz exclusiv cu circuite digitale, n care dispozitive de tip microcontroler, ASIC sau DSP se gsesc n modcurent.4

INTRODUCEREInterfaa cu utilizatorul se realizeaz prin panouri de comand cu afiaj digital (uneori grafic) i tastatur pentru programare. Sunt de asemenea disponibile un numr de intrri/ieiri digitale i analogice, de regul cu funciuni programabile. Pentru intercalarea n sisteme de automatizare sau monitorizare complexe, sistemul de conducere al convertorului static de frecven are faciliti de comunicaie industriale standard.5

2. INVERTOARE DE TENSIUNE CU PWMCAPITOLUL 2

2. INVERTOARE DE TENSIUNE CU PWMInvertoarele de tensiune sunt convertoare statice reversibile care realizeaz conversia energiei din curent continuu n curent alternativ i invers, prin alternarea dup o anumit logic a strilor de conducie a dispozitivelor electronice de putere din alctuirea lor. Odat cu amploarea pe care dezvoltarea electronicii de putere a dat-outilizrii acionri electrice reversibile (AER), calitatea formelor de und sintetizatede ctre acest tip de convertoare s-a mbuntit semnificativ n sensul reducerii zgomotuui, al coninutului de armonici din curentul i tensiunea aplicate sarcinii, prin dezvoltarea de noi configuraii i strategii de comand a elementelor de comutaie. Transformarea energiei din curent continuu n curent alternativ cu ajutorul invertoarelor are ca scop alimentarea unor sarcini care necesit n funcionare tensiuni alternative cu amplitudine i frecven variabile. Domeniul de aplicabilitate vizeaz n special aconrile electrice de curent alternativ cu maini electrice cu cmp magnetic nvrtitor. Cea mai simpl configuraie de invertor (structura monofazat), identic din punct de vedere al circuitelor de for cu cea a convertorului curent continuu - curent continuu npunte complet de 4 cadrane este prezentat n Fig. 2.2 [2.1].+ Vd/2 0idT1 D1 T3 D3A Bv0 = vAB = VAN-vBN T4 N D4 (C)Vd/2 _T2D2Fig. 2.2. Invertorul monofazat n punte complet.6

2. INVERTOARE DE TENSIUNE CU PWM Circuitele de protecie pentru dispozitivele de comutaie nu s-au reprezentat, urmrind evidenierea prii de for a invertorului. Spre debire de convertorul de curent continuu, unde referina de tensiune este o mrime constant, comanda invertorului urmrete obinerea unei tensiuni de ieire cu o variaie n timpus (de regul sinusoidal). Pentru alimentarea unei sarcini trifazate se poate folosi punctul median al tensiunii de alimentare (n configuraiile low-cost), sau se mai adaug o ramur cu dou elemente de comutaie avnd n paralel diodele de fug corespunz(Fig. 2.3)+idT1 D1 T3 D3 T5 D5VdT2 D2 N T4 D4 T6 D6A B C_Fig. 2.3. Invertorul trifazat.Comanda invertorului trifazat, aa cum se va vedea n cele ce urmeaz, are ca scop obinerea unui sistem trifazat de tensiuni sinusoidale la ieire, odat cu meninerea curentului prin sarcin la valori stabilite. Aceste configuraii de convertoare se pot utiliza la o tensiune a circuitului de curent continuu limitat astfel nct s fie respectate nivelele de tensiune directe i inverse prescrise de productor pentru dispozitivele de comutaie. Invertoarele alimentate din reeaua de medie tensiune, pentru nivele energetice ridicate, au o configuraie mai special fa de cele clasice [2.2]. n Fig. 2.3 i Fig. 2.4 sunt prezentate structurile pe trei nivele, respectiv celular. Ele genereaz tensiuni n trepte, care se suprapun peste strategia de PWM pe care o implementeaz.7

2. INVERTOARE DE TENSIUNE CU PWM+idT1 T2 T3 T4 D1 D2 D3 D4 D03 D04 T5 T6 T7 T8 D5 D6 D7 D8 D05 D06 T9 T10 T11 T12 D9 D10 D11 D12Vd 0D01 D02_ A B CFig. 2.3 Invertorul trifazat pe trei nivele.Fig. 2.4 Invertorul trifazat cu structur celular.Invertorul cu structur celular are o configuraie aparte. El se compune dintr-un numrde invertoare monofazate, conectate n serie (pe fiecare faz) i alimentate fiecare nparte dintr-un redresor legat la un circuit secundar dedicat al unui transformator trifazat. Tensiunea de faz de la ieire rezult din suma algebric a tensiunilor pecare le genereaz fiecare celul.8

2. INVERTOARE DE TENSIUNE CU PWM Principalele avantaje ale structurilor multinivel sunt: Variaie dv/dt mic a tensiunii de la ieire, cu efecte pozitive asupra reducerii solicitrilor suplimentare ale nfurrilor mainii; Coninut redus de armonici, atteire ct i n curentul absorbit de la reea; Tensiune de mod comun redus, sau chiar nulentru PWM adecvat); Opereaz la frecvene de comutaie relativ reduse (n raport cu structurile clasice). Principalele dezavantaje ale structurilor multinivel sunt datorate complexitii circuitelor de for i comand: Numr mai mare de dispozitive de comutaircuite de alimentare mai complexe; Randament energetic mai redus.

Generaliznd configuraiile particulare de la simplu la complex (Fig. 2.5), se poateobine o schem universal (Fig. 2.5.-c.) a circuitului de for pentru o ramur a unui inertor.Fig. 2.5. Configuraiile unei ramuri pentru un invertor a) cu 2 nivele; b) cu 3 nivele; c) cu n nivele.Dac n este numrul de nivele de tensiune, n trepte egale sau inegale [2.2] optenabile cu ajutorul unei ramuri (fa de borna cea mai negativ, N, a tensiunilor de alimentare), atunci ntre dou faze se pot obine un numr de k nivele de tensiune:k2n 1,(2.1)9

2. INVERTOARE DE TENSIUNE CU PWM iar pentru un invertor trifazat numrul p al nivelelor de tensiune rezult din:p2k 1(2.2)O configuraie hibrid de invertor pentru medie tensiune, denumit n industrie step-up,ste prezentat n Fig. 2.6. Invertorul propriu-zis este alimentat de la joas tensiune(0,4kV, sau 0,7kV), ieirea acestuia fiind filtrat cu un circuit LC (trece jos) i apoi aplicat unui transformator ridictor de tensiune. Structura are avantajul simplitii i a unui cost relativ redus pentru puteri sub 1MW, dar ncarc cu energie reactivuplimentar invertorul (din cauza filtrului) i nu permite un control riguros al motorului electric (din cauza transformatorului).Fig. 2.6. Structura step-up.

Dispozitivele electronice de comutaie de putere, utilizate cu precdere la construcia invertoarelor de tensiune, sunt tranzistoarele de tip IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor). Ele sunt integrate de la una la ase uniti ntr-o capsul (modul), funcde puterile pe care le disip n funcionare, Fig. 2.7.Fig. 2.7. Module de putere cu tranzistoare IGBT. 10

2. INVERTOARE DE TENSIUNE CU PWM Structura echivalent i simbolul tranzistorului IGBT sunt prezentate n Fig. 2.8.Fig. 2.8. Structura echivalent i simbolul tranzistorului IGBT.Comanda tranzistoarelor IGBT se realizeaz cu circuite integrate specializate, saucu structuri hibride. Acestea furnizeaz nivelele de tensiune de comand G-E necesare deschiderii/blocrii tranzistorului, asigur protecia acestuia la supracureni, supratensiuni i supratemperatur i permit interfaarea cu circuitele de comand ierarhic superioare. Caracteristicile tipice IC(VCE), avnd ca parametru tensiunea de comand VGE sunt de forma celor prezentate n Fig. 2.9, iar regimul dinamic este ilustrat n Fig. 2.10.Fig. 2.9. Caracteristicile statice ale tranzistorului IGBT. 11

2. INVERTOARE DE TENSIUNE CU PWMFig. 2.10. Caracteristicile dinamice tipice ale tranzistoarelor IGBT.

Productorii de componente furnizeaz i sisteme integrate, numite Module inteligente de putere (IPM Intelligent Power Module), n care se regsesc att componentele de forele de comand (Fig. 2.11). Pentru joas tensiune (400Vc.a.) sunt utilizate tranzistoare IGBT de 1200V. Curenii pe element sunt de ordinul sutelor de amperi, la un grad de integrare de ase dispozitive/capsul, putnd depi 1000 A pentru un dispozitiv/capsul. La cureni mai mari se practic dispunerea n paralel fie a mai multor elemente,fie a mai multor invertoare.Fig. 2.11. Structura intern a unui IPM. 12

2. INVERTOARE DE TENSIUNE CU PWM La tensiuni ridicate (medie tensiune) sunt utilizate, pe de o parte structuri multinivel, iar pe de alt parte dispozitive capabile s preia n stare blocat aceste poteniale: IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), HV-IGBT (High Voltage IGBT), cu tensiuni de 3,3-6,5kV i ETO (Emitter Turn-off Thyristor). Cu aceste dispozitive se poate atinge o putere de 5MW cu o structur cu trei nivele. Celelalte elemente de comutaie de putere, cu istorie mai ndelungat sau mai recent: dioda, tiristoarele normale (SCR) sau cu stingere pe poart (GTO) i tranzistoarele de tip MOS sunt utilizate fie n aplicaii speciale, fie n componena convertizoarelor de frecven la blocurile de redresare sau n sursele n comutaie ce alimenteazdiversele subansambluri de comand[2.1]. O privire de ansamblu asupra dispozitivelor electronice de putere este oferit de Fig. 2.12, n care sunt prezentate capabilitile (curent/tensiune) ale acestora.Fig. 2.12. Capabilitile diverselor elemente de comutaie. 13

3. COMANDA INVERTOARELOR TRIFAZATECAPITOLUL 3

3. COMANDA INVERTOARELOR TRIFAZATEComanda invertoarelor are la baz tehnica modulrii prin lime de puls (PWM). Dup felul care are loc, PWM poate fi [3.1, 2.1]: - scalar; - vectorial; - n bucl deschis; - nucl nchis. PWM scalar comand o singur ramur a invertorului. PWM vectorial priveterul ca un ansamblu, cu un numr de stri posibile, care fiecare n parte intervine asupra sistemului trifazat de tensiuni generat la ieire. PWM poate fi generat fr a secontrola vreo mrime la ieire (tensiune, curent, flux, cuplu etc.); dac prin traductoare specifice sau estimatoare sunt aduse mrimi de reacie, PWM este generat pe baza unei comenzi date de un regulator la care aceste mrimi sunt prescrise. Se vor prezenta n continuare, la nivel de principiu, principalele strategii de generare aPWM pentru diverse structuri ale circuitelor de for ale invertoarelor.

3.1. Metoda subondulrii (Sine PWM) n invertoare trifazate cu dou nivele de tensiunee ramurObinerea impulsurilor de comand ctre dispozitivele de comutaie prin metoda subondulrii se realizeaz prin comparaia a trei semnale modulatoare sinusoidale, defazate ntreele cu 120 , de frecven i amplitudine variabile (vmod1, vmod2, vmod3), cu un semnal de referin (vref), de amplitudine i frecven constant [3.3]. Distribuirea acestor imulsuri spre comenzile celor ase dispozitive de comutaie este sintetizat n Tabelul. 3.1 n concordan cu formele de und din Fig. 3.1. Metoda a fost practic prima utilizat ninvertoarele de tensiune, fiind implementat cu ajutorul circuitelor realizate cucomponente discrete sau cu circuite integrate analogice. Astzi implementarea sa se realizeaz exclusiv cu sisteme de tip digital, n care se utilizeaz principiul metodei. 14

3. COMANDA INVERTOARELOR TRIFAZATE Tabelul 3.1. Distribuirea impulsurilor de comandStare vmoda>vref vmodavref vmodbvref vmodc