Dziś jest poniedziałek, 21 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej
Siemensa buduje fabrykę dla Przemysłu 4.0 w Polsce
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
22 luty 2011.

Nowoczesne przekształtniki modułowe dużej mocy

Energia elektryczna nazywana jest również energią finalną, ponieważ może ona być dostarczona bezpośrednio do użytkownika, bezpośrednio zmierzona, a nawet "dotknięta". W przeciwieństwie do innych finalnych postaci (nośników) energii takich jak gaz czy węgiel charakteryzuje się ona: różnorodnością zastosowań, łatwością pomiaru, sterowania i regulacji, transformowalnością, efektywnością wykorzystania oraz wysoką wartością termodynamiczną.

przyczyn geograficznych, ekonomicznych, ekologicznych, topologii terenu i innych energia elektryczna musi być często transportowana na znaczne odległości. Transport energii elektrycznej wymaga często wielokrotnej jej transformacji. Urządzenia energoelektroniczne znajdują coraz więcej zastosowań w przesyle, dystrybucji i rozdziale energii elektrycznej. Przy zasilaniu w energię elektryczną przekształtniki znajdują zastosowanie m.in. jako:

  • urządzenia zasilające sieć wydzieloną, np.: zasilanie energią elektryczną platform wiertniczych, statków, samolotów, itp.;
  • zasilanie sieci przemysłowych stanowiących wydzieloną część systemu;
  • układy przyłączające do systemu elektroenergetycznego źródła o zmiennych parametrach elektrycznych (np. elektrownie wiatrowe i inne źródła energii odnawialnej);
  • sprzęgła pomiędzy sieciami (systemami elektroenergetycznymi) o różnej częstotliwości lub przesunięciu fazowym między napięciami;
  • sprzęgła pomiędzy sieciami zmiennoprądowymi a sieciami napięcia stałego, np. kablami podmorskimi;
  • zasilanie napędów elektrycznych;
  • kompensatory mocy biernej.
Do najczęściej stosowanych obecnie w układach energoelektronicznych elementów półprzewodnikowych należą: diody i tyrystory mocy, tyrystory GTO (Gate Turn-Off Thyristor), IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) i tranzystory IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Chociaż napięcia blokowania dla tych elementów sięgają 10 kV i mogą one pracować przy prądach ok. 5 kA, aby uzyskać żądany poziom napięcia pracy układu może okazać się niewystarczające zastosowanie pojedynczego łącznika. Aby uniknąć bezpośredniego połączenia szeregowego większej ilości zaworów, które przy nawet minimalnie niejednoczesnej zmianie stanu pracy mogą powodować nadmierne obciążenia przełączających później elementów, stosuje się układy wielopoziomowe i modułowe.

Chociaż układy dwupoziomowe przyjęły się jako standardowe nawet dla mocy rzędu megawatów, ich wadą w stosunku do układów wielopoziomowych i modu łowych jest możliwość zastosowania przy tej topologii tylko przełączania (taktowania) bipolarnego (przełączania pomiędzy maksymalnym i minimalnym potencjałem), co ma następujące, w wielu zastosowaniach dość istotne, wady jak:

  • duża zawartość harmonicznych przy niskiej częstotliwości przełączeń,
  • duża zmienność napięcia, pociągająca za sobą wysokie straty przełą- czeniowe oraz zwiększone narażenie izolacji na uszkodzenia (np. maszyn wirujących);
  • konieczność stosowania często wielkogabarytowych filtrów, jeżeli wymagane jest sinusoidalne napięcie zasilania, co jest często konieczne np. przy zasilaniu maszyny asynchronicznej napięciem o zmiennej częstotliwości.
Przy zastosowaniu przełączania unipolarnego można zmniejszyć wpływ ww. wad. Jednak, aby móc zrealizować przełączanie unipolarne musi być dostępny oprócz maksymalnego i minimalnego potencjału napięcia również potencjał zerowy. Realizacja potencja łu zerowego następuje w przekształtnikach o co najmniej trzech poziomach napięć.
Najstarszy układ umożliwiający otrzymanie trzech poziomów napięć został zaproponowany przez Holtz'a w 1977. Inne topologie trójpoziomowych układów przekształtnikowych to np. układ NPC (Neutral-Point-Clamped) autor stwa Bakera oraz Akagi'ego i Nabae. Kolejny przykład stanowi przekształtnik IC Imbricated-Cells wywodzący się od Foch'a i Meynard'a, znany również jako układ Floating-Capacitor ze względu na umiejscowienie dodatkowego kondensatora w układzie. Rozszerzenie układów trójpoziomowych do konfiguracji pięciopoziomowych w celu uzyskania oprócz potencjału zerowego dwóch napięć dodatnich i dwóch napięć ujemnych prowadzi do coraz bardziej skomplikowanych struktur, często nierównomiernego rozkładu napięć na kondensatorach oraz konieczności stosowania trudnych w realizacji układów sterujących. Przykłady rozszerzenia przekształtników NPC i IC do wersji pięciopoziomowej przedstawiono odpowiednio na rys. 1 i rys. 2. Dla lepszej przejrzystości na rysunkach narysowano tylko jedną gałąź trójfazowego przekształtnika. Dalsze rozszerzanie choć możliwe, ze względu na trudność w sterowaniu i skomplikowaną budowę nie doczekało się realizacji praktycznej na dużą skalę.


Rys. 1. Przekształtnik pięciopoziomowy typu Diode-Clamped (rozszerzenie 3 poziomowego NPC do pięciu poziomów napięć)
 
Rys. 2. Przekształtnik pięciopoziomowy Imbicated-Cells

Dla większych mocy, gdzie wskazane lub wymagane jest zastosowanie większej ilości poziomów napięć, czy to ze względu na poprawę kształtu krzywej napięcia czy też ze względów technologicznych związanych z osiągnięciem granicznych parametrów przez elementy łącznikowe stosuje się przekształtniki modułowe. Rys. 3. przedstawia przekształtnik pięciopoziomowy wykonany w topologii wielokrotnego mostka Multiple-H-Bridge przedstawionego przez Hammond'a. Jak widać z rysunku rozszerzenie takiego układu nie stanowi komplikacji. Osobną sprawę stanowi optymalne sterowanie takiego przekształtnika. Kolejnym układem modułowym jest zaproponowany przez Marquardt'a i innych przekształtnik typu M2 LC Modular Multilevel Converter. Każda gałąź przekszta łtnika wykonanego w tej strukturze składa z dowolnej ilości modułów przedstawionych na rys. 4. Przy czym obie półgałęzie powinny mieć tyle samo podstawowych komórek. Sterowanie takim przekształtnikiem jest dość skomplikowane, jednak posiada on wiele zalet, m.in.:

  • łatwe zapewnienie redundancji systemu, można zaplanować większą niż minimalnie konieczna dla uzyskania napięcia wyjściowego ilość modułów, aby w razie awarii (zwarcia) jednego z nich nie wymagana była natychmiastowa naprawa;
  • schodkowy kształt napięcia wyjściowego zależny od ilości użytych modułów (nawet kilkudziesięciu) i zapewniający niską zawartość wyższych harmonicznych.


Rys. 3. Przekształtnik pięciopoziomowy zrealizowany z modułów Multiple-H-Bridge

Rys. 4. Podstawowy element przekształtnika modułowego M2 LC

Układy tego typu dopiero zaczynają zdobywać rynek, ale ich zalety jak równomierny rozdział napięcia na poszczególne elementy półprzewodnikowe, brak dużego centralnego kondensatora i łatwa skalowalność układu mogą przyczynić się do ich coraz szerszego zastosowania szczególnie w układach wielkich mocy i do zasilania sieci wydzielonych. Autor niniejszego artykułu na podstawie wyników własnych badań naukowych może w pełni potwierdzić celowość stosowania układów modułowych.

W przypadku zainteresowania ww. tematyką proszę o bezpośredni kontakt.

Dr inż. Tomasz Bakoń
Instytut Energetyki - IB
ul. Augustówka 36, 02-981 Warszawa
tomasz.bakon@ien.com.pl
http://www.ien.com.pl
tel.: 22 3451-446

Źródło: Urzadzenia dla energetyki
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl