Przekształtnik AC/AC wysokiej częstotliwości 100kHz część 1

Opublikowano przez

Cel i zakres pracy

 W ramach projektu przewidziano wykonanie schematów ideowych oraz rysunków płytek drukowanych poszczególnych modułów funkcyjnych, to jest:

– modułu filtru sieciowego z prostownikiem;

– układu ograniczenia udaru prądowego;

– układu pomiaru prądu i napięcia;

– generatora PWM(rys. płytki drukowanej tylko dla prototypu);

– 4 kompletów sterowników bramkowych.

Ponadto projekt zawiera:

– schemat blokowy urządzenia;

– diagram połączeń przekaźnika LOGO! Siemens;

– rysunek techniczny urządzenia.

Przekształtniki z pośrednią przemianą energii

Na rys. 1 przedstawiono schemat blokowy przekształtnika z pośrednią przemianą energii. W rozpatrywanym przykładzie prąd z sieci AC jest prostowany, a następnie w falowniku przekształcany
na prąd przemienny(AC/DC/AC).[1]

Rys. 1

Zalety przekształtników z pośrednią konwersją energii są następujące:

– szeroki zakres częstotliwości pracy;

– możliwa regulacja wartości skutecznej napięcia;

– możliwe jest stosowanie algorytmów sterowania wektorowego silników asynchronicznych;

– w przypadku zastosowania przekształtnika do sterowania silnikiem uzyskuje się większą sprawność napędu elektrycznego;

Wady przekształtników z pośrednią konwersją energii:

– wysoka cena przekształtnika;

– duży stopień złożoności układu;

– ze względu na sposób tworzenia sinusoidy (np. modulacja szerokości impulsów) przebieg wyjściowy zawiera zakłócenia zawierające sygnał nośny o częstotliwości od kilku do kilkudziesięciu kHz;

– wrażliwość na przepięcia.

Rys. 2 Przebieg napięcia fabrycznego falownika

Dla przykładu, na rys. 2 przedstawiono rzeczywisty przebieg z falownika Yaskawa J1000. Wykonano pomiary prądu i napięcia wyjściowego falownika. Pomiar przeprowadzono obciążając falownik rezystancją 58,7 Ω. Wartość napięcia na wyjściu wynosiła 180 VAC, przy prądzie obciążenia 3 A. Ze względu na wysoki potencjał napięcia wyjściowego falownika względem ziemi, do pomiaru napięcia użyto sondy różnicowej, a do pomiaru prądu przystawki cęgowej AC/DC.

Widoczny przebieg prądu (zielony) i napięcia (niebieski) nie przypomina kształtem sinusoidy, taki przebieg wymaga odfiltrowania wyższych harmonicznych zanim zasili urządzenie końcowe. Widoczny przebieg prostokątny przebiegu posiada częstotliwość 1,18 kHz – jest to tzw. częstotliwość nośna.  

[1] Mgr inż. Michał Knapczyk Dr hab. inż. Krzysztof Pieńkowski. PRZEKSZTAŁTNIKI
ENERGOELEKTRONICZNE AC/DC/AC I AC/AC – UKŁADY TOPOLOGICZNE I STEROWANIE .
Wrocław: Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki
Wrocławskiej , 2005.

Kryteria wyboru topologii

Zgodnie z założeniami przedstawionymi we wprowadzeniu postanowiono zastosować układ z pośrednią konwersją energii. Urządzenie wyposażone zostało w prostownik pełnookresowy oraz falownik z tranzystorami MOSFET SiC, który może pracować jako źródło prądowe lub napięciowe.

Schemat blokowy przekształtnika

Rys. 3 Schemat blokowy urządzenia.

Na rys. 3 przedstawiono schemat blokowy urządzenia. Z sieci 230 V za wyłącznikiem głównym zasilony jest zasilacz 24 VDC i filtr LC silnoprądowy. Odfiltrowany prąd płynie przez układ ograniczenia udaru prądu, a następnie zostaje zmierzony po stronie AC. W strefie działania zabezpieczenia nadprądowego umieszczony został filtr słaboprądowy, który zasila  cztery niezależne sterowniki tranzystorów MOSFET. W tej strefie znajduje się również prostownik w układzie Graetza.

W przyszłości planowane jest zastosowanie układu aktywnej korekcji współczynnika mocy (PFC), zatem całe urządzenie już na etapie projektowym jest dostosowywane do jego montażu. Wymagało to m.in. zastosowania niskoimpedanyjnych kondensatorów, przyjęcia poziomu napięcia szyny DC 350 V, a ponadto wymagało zachowania rezerwy miejsca.

Funkcje zabezpieczeniowe po stronie AC oraz sterowanie łącznikiem głównym i łącznikiem układu ograniczenia prądu rozruchu zrealizowane zostało przy użyciu przekaźnika programowalnego LOGO!.

Układ generatora PWM posiada sprzężenie zwrotne z prądem szyny DC i napięciem wyjściowym falownika. W torze prądowym DC zamontowano układ pomiaru prądu z oparty na czujniku prądu z efektem Halla. Pomiar napięcie ten składa się z dzielnika rezystancyjnego na którym mierzony jest spadek napięcia, a izolowany galwanicznie wzmacniacz zapewnia wysoką dokładność pomiaru przy zachowaniu wysokiego poziomu izolacji. Jest to niezbędne do poprawnej pracy generatora PWM, gdyż  mimo tego, że napięcie na dzielniku pomiarowym nie przekracza 5V, to napięcie względem ziemi może przekraczać kilkaset  woltów.

Moduł generatora PWM zapewnia 4 niezależne przebiegi prostokątne, które  wzmacniane są w układzie sterownika bramkowego. Do modułu generatora PWM trafia sygnał zezwolenia na załączenie, z przekaźnika programowalnego LOGO! firmy Siemens. Układ generatora posiada dodatkową funkcję, polegającą na tym, że w chwili wykrycia zwarcia na wyjściu falownika przerywana  jest generacja sygnału bramkowego.

Mostek H falownika jest układem czterech szybkich kluczy półprzewodnikowych, które załączając i wyłączając się w odpowiedniej sekwencji generują na wyjściu sygnał przemienny. Na płytce obwodu drukowanego falownika znajduje się również układ regulowanego dzielnika napięcia które trafia na wejście komparatora napięcia generatora PWM umożliwiając stabilizację wartości średniej napięcia na wyjściu falownika.

 

Moduł filtru sieciowego wraz z prostownikiem

Moduł filtru sieciowego wraz z prostownikiem (FP) jest elementem odpowiedzialnym za dostarczenie odfiltrowanego prądu stałego do falownika. Falownik wymaga zasilania prądem stałym o napięciu nie większym niż 350 V. Ponadto, układ ten ma za zadanie zapewnić odpowiednią ochronę przed przepięciami i zakłóceniami, zarówno tymi przenikającymi do urządzenia, jak i emitowanymi przez to urządzenie. Dodatkowo na płytce drukowanej (ang.PCB) znajdują się zaciski, do których przyłączony  jest łącznik główny i łącznik obejściowy układu ograniczenia prądu rozruchu.

Obwód drukowany FP nie posiada filtru pojemnościowego w obwodach prądu stałego ze względu na możliwość późniejszej rozbudowy urządzenia o aktywną korekcję współczynnika mocy.

Przedstawiony na rys. 4 układ filtru sieciowego wraz z prostownikiem, składa się z 6 funkcjonalnych sekcji:

– sekcja odpowiedzialną za ochronę przeciwprzepięciową;

– sekcja odpowiedzialna za filtrację zakłóceń część A;

– zaciski połączeniowe dla łącznika głównego i łącznika obejściowego;

– sekcja odpowiedzialna za filtrację zakłóceń część B;

– sekcja prostownika;

– diodowy ogranicznik przepięć.

Rys. 4 Widok na obwód drukowany filtru z prostownikiem.

Skoordynowana ochrona przeciwprzepięciowa jest odpowiednia dla czułych półprzewodników. Ochronę przed zakłóceniami zapewniają dwa filtry typu Π. Bezpieczniki topikowe wymagane są dla ochrony przeciwprzepięciowej, a ich charakterystyka dobrana jest aby była skoordynowana względem zabezpieczenia zrealizowanego na przekaźniku LOGO. W filtrze znajdują się złącza X1-X3, które ułatwiają organizację przewodów.

Ochrona przeciwprzepięciowa

Przepięcie elektryczne jest stanem zakłóceniowym, w którym napięcie rozpatrywanego obiektu przekracza znamionowe napięcie pracy. Instalacje elektryczne, urządzenia i podzespoły
elektroniczne zostały wyprodukowane na konkretną wytrzymałość dielektryczną. Uszkodzenia
aparatury zależą od takich czynników jak czas trwania zakłócenia, jego amplituda, energia, oraz to, czy zastosowano ochronę przeciwprzepięciową. Za źródła przepięć uznaje się:

– wyładowania piorunowe (ang. Lightning Electromagnetic
Pulse);

– procesy łączeniowe obwodów zawierających indukcyjność;

– wyładowania elektrostatyczne (ang. Electrostatic Discharge);

– impulsy wytworzone podczas wybuchu jądrowego (ang. Nuclear
Electromagnetic Pulse);

Na rys. 12 – 14 przedstawiono charakterystyki najczęściej używanych ograniczników przepięć. 

Ograniczniki można podzielić na odcinające(rys. 6.) i ograniczające(rys. 7, 8) [1].

[1] Littlefuse.
PRODUCT CATALOG & DESIGN GUIDE. 2017.
<https://www.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_gdt_catalog.pdf.pdf>.

Rolę filtru przeciwzakłóceniowego pełnią dwa szeregowo połączone filtry dolnoprzepustowe LC typu Π. W układzie filtru zastosowano kondensatory polipropylenowe X2 100nF 275 VAC 560 VDC oraz dławiki sprzężone prądowo nawinięte na rdzeniu toroidalnym z nanopermu. Przenikalność magnetyczną tych rdzeni wyznaczono technicznie:

– nawinięto 20 zwoi przez okno rdzenia;

– zmierzono wartość indukcyjności mostkiem RLC przy fpom 1 kHz;

– na podstawie pomiarów obliczono współczynnik przenikalności magnetycznej rdzenia Al.

Obliczenie przenikalności magnetycznej badanych rdzeni:

Dla dławika L1 przy 10 zwojach i dwóch rdzeniach indukcyjność wyniesie:

Dla dławika L2 przy 11 zwojach i jednym rdzeniu indukcyjność wyniesie:

Wyniki pomiarów indukcyjności wykonanych dławików zebrano w Tabeli 1.

Obliczenia błędów dokonano posługując się następującymi zależnościami[1]:

Na rys. 8 [2] pokazano zależność przenikalności magnetycznej w funkcji nasycenia Bs. Na rys. 9 przedstawiono rdzeń dławika filtru. Widoczny obok fragment taśmy posiada grubość mniejszą od 20 µm, a zmierzona rezystancja pomiędzy skrajnymi punktami rdzenia wynosi mniej niż 1 Ω. Rdzenie tego typu posiadają bardzo dużą przenikalność magnetyczną rzędu nawet 200 000 H/m.

 

Na wyjściu prostownika w układzie tymczasowym bez układu PFC znajduje się bateria kondensatorów DC. W tabeli 2 zebrano parametry kondensatorów baterii DC. Kondensatory charakteryzuje bardzo mała szeregowa indukcyjność wewnętrzna Ls i rezystancja Rs. Dzięki temu kondensatory mogą pracować z dużym prądem impulsowym Imax wynoszącym 84 A dla całej baterii.

Tabela 2 Parametry katalogowe kondensatora DC.[3]

 

Na rys. 10 przedstawiono rozwiązanie szyny DC, do której przyłączony jest prostownik oraz falownik. Szyna wykonana jest z płaskownika mosiężnego o wymiarach 10 mm x 2 mm. Rezystywność mosiądzu jest około 3 razy większa od miedzi. Na podstawie normy DIN 43 671 wyznaczono prąd znamionowy przy przepływie prądu stałego dla szyny miedzianej 12×2 mm (najmniejszy przekrój) Icu=108 A.

Rys. 10 Sposób przyłączenia kondensatorów do szyny DC.

 
 

[1] Roman Ciuryło Andrzej Bielski. Podstawy metod opracowania pomiarów wykład dla początkujących. Toruń: Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, 1998.

[2] Takashi Hatanai, Yutaka Naitoh, Teruo Bitoh/ Akihisa Inoue/ Tsuyoshi Masumoto Akihiro Makino. Applications of Nanocrystalline Soft Magnetic Fe-M-B (M = Zr, Nb) Alloys“NANOPERMr”. JAPAN: TOHOKU UNIVERSITY, 1997.

[3] DACPOL Sp. z o.o. Karta katologowa kondensatorów ICAR. brak daty. <https://www.west-l.ru/uploads/tdpdf/sf_lnf%20series.pdf>.

 

Część 2