Metody sterowania podnoszące sprawność trójfazowych falowników napięcia o komutacji miękkiej (Control methods for enhancing the efficiency of three-phase voltage-source soft-switched inverters)

Karyś, Sławomir (2012) Metody sterowania podnoszące sprawność trójfazowych falowników napięcia o komutacji miękkiej (Control methods for enhancing the efficiency of three-phase voltage-source soft-switched inverters). Monografie, Studia, Rozprawy (M24). Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce.

Preview

Tekst M24_Karyś_Metody.pdf Download (7MB) | Preview

Streszczenie

Niniejsza rozprawa poświęcona jest wybranym metodom sterowania trójfazowych biegunowych falowników napięcia o komutacji miękkiej, które znacząco ograniczają straty energii w procesie przełączania. Do badań wybrano te rodzaje falowników biegunowych, które mogą znaleźć zastosowanie w napędach pojazdów elektrycznych. Z tego względu falownik wraz z układem sterowania musi spełniać szereg wymagań. Podstawowe z nich to: - sterowanie szerokością impulsu, które umożliwia zastosowanie zaawansowanych wektorowych metod modulacji, - bardzo wysoka sprawność, która zapewnia ekonomiczne zarządzanie źródłem energii pojazdu. Na podstawie analizy różnych typów falowników, spełniających przedstawione kryteria, skoncentrowano się na następujących falownikach biegunowych: - falownik z pomocniczym fazowym obwodem rezonansowym ARCPI, przełączany w warunkach zerowego napięcia (ZVS), - falownik z transformatorami pomocniczymi, przełączany w warunkach zerowego napięcia (ZVS), - falownik przełączany w warunkach zerowego prądu (ZCS). Oprócz zagadnień teoretycznych, w pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych dla każdego z analizowanych falowników biegunowych. Do najważniejszych osiągnięć uzyskanych w pracy należy - zdaniem autora - zaliczyć: - Przeprowadzenie analizy wpływu metod sterowania na ograniczenie strat w wybranych falownikach biegunowych. Zarówno przesłanki teoretyczne, jak i badania eksperymentalne wykazały, że w przypadku falownika typu ARCPI oraz falownika z transformatorami pomocniczymi, zastosowanie zaawansowanej metody sterowania, o zmiennych czasach sygnałów sterujących, przynosi wymierne korzyści w postaci istotnego ograniczenia strat. Wprowadzenie komutacji twardej w zakresie prądów obciążenia o małej wartości chwilowej w falowniku biegunowym o komutacji typu ZCS zapewnia niższy poziom strat niż w przypadku stosowania komutacji miękkiej. Dopiero dla prądów obciążenia o wartości chwilowej większej od wyznaczonej wartości granicznej, dzięki komutacji miękkiej uzyskuje się niższe straty niż w przypadku komutacji twardej. - Opracowanie metody doboru wartości elementów obwodu rezonansowego dla falownika ARCPI oraz falownika z transformatorami pomocniczymi, która zapewnia minimum energii oscylującej w tym obwodzie. Metoda ta pozwala uzyskać niski poziom strat w obwodzie pomocniczym i jest łatwa do zastosowania praktycznego. - Określenie zakresu zmian wartości prądu fazowego falownika biegunowego typu ZCS, w którym możliwa jest komutacji miękka. Analiza teoretyczna i badania eksperymentalne wykazały, że wartości elementów obwodu rezonansowego, zaprojektowane na podstawie założonej wartości maksymalnej prądu obciążenia, zapewniają jedynie załączenie tranzystora głównego w warunkach zerowego prądu. W procesie wyłączenia, komutacja typu ZCS jest możliwa dla prądu obciążenia o wartości maksymalnej niższej o 10% w odniesieniu do wartości założonej. - Opracowanie oryginalnej metody identyfikacji indukcyjności rozproszenia transformatora, przydatnej zwłaszcza w konstrukcji obwodu rezonansowego falownika biegunowego z transformatorami pomocniczymi. - Wykonanie trzech eksperymentalnych układów analizowanych trójfazowych falowników biegunowych małej mocy wraz z zaawansowanymi układami sterowania. Umożliwiły one weryfikację eksperymentalną przesłanek teoretycznych i pozwoliły na zgromadzenie cennej wiedzy praktycznej z zakresu konstrukcji systemów wieloprocesorowych. - Opracowanie wielu programów do analizy symulacyjnej badanych falowników, a w szczególności programu wspomagającego wyznaczenie wartości granicznej prądu obciążenia, od którego zależy wybór rodzaju komutacji dla falownika typu ZCS. (The monograph is concerned with the selected control methods for three-phase voltage-source soft-switched inverters which significantly decrease switching losses. The research work focuses on pole inverters that are used in the electric vehicle drive systems. Those types of inverters and control systems have to satisfy a number of requirements. The latter include the following: - pulse width modulation which makes it possible to employ advanced vector control methods, - very high efficiency that contributes to economical power management. The analysis of different inverter types that satisfy the criteria stated above led to selecting the following pole inverters: - auxiliary resonant commutated pole inverter ARCPI, operating under zero voltage switching (ZVS), - transformer-assisted resonant commutated pole inverter, operating under zero voltage switching (ZVS), - zero current switching (ZCS) pole inverter. Besides theoretical considerations, experimental results for each of the analyzed inverters were presented. The major outcome of the work, in the author’s opinion, includes the following: - Analysis of the effect of control methods on power loss decrease in the selected pole inverters. Both theoretical prerequisites and experimental results proved that for ARCPI and transformer-assisted inverter, applying advanced control method with variable-time control yields measurable benefits in significant loss reduction. Using hard switching in the region in which an instantaneous value of the load current in the ZCS inverter is small results in lower loss when compared with soft switching. It is only when the instantaneous value of the load current is higher than the determined border value, soft switching produces smaller loss than hard switching. - Developing the selection method for ARCPI and transformer-assisted inverter resonant circuit elements, which ensures the minimum energy oscillating in the circuit. The method, which is easily implemented in practice, makes it possible to obtain low level of losses in the auxiliary circuit. - Determining the range of phase current changes in the ZCS pole inverter, within which soft switching is allowed. - Developing a method for transformer leakage inductance identification. - Producing three experimental, low-power soft-switching pole inverters equipped with advanced control units. - Developing several simulation programs, in particular a program to determine the ZCS pole inverter border current value.)

Biblioteka Cyfrowa

Podgląd