Kurs praktycznego wykorzystania programu ATP - EMTP (część 13.)
Układy energoelektroniczne
Prostownik sterowany 1-fazowy jednopołówkowy w EMTP
J. Wiater
W trzynastej części kursu zostaną zaprezentowane proste układy energoelektroniczne: prostowniki 1-fazowe i 3-fazowe oraz falownik 1-fazowy. Mogą one stanowić punkt wyjściowy do samodzielnego modelowania w EMTP bardziej skomplikowanych układów energoelektronicznych.
Zobacz także
SR Tech Miernik promieniowania 5G
Czym jest sieć 5G? Jakie korzyści i zagrożenia niesie ze sobą ta nowa, budzącą wiele kontrowersji technologia? Czy sieci tego typu mają negatywny wpływ na nasze zdrowie? Czym jest promieniowanie 5G i czy...
Czym jest sieć 5G? Jakie korzyści i zagrożenia niesie ze sobą ta nowa, budzącą wiele kontrowersji technologia? Czy sieci tego typu mają negatywny wpływ na nasze zdrowie? Czym jest promieniowanie 5G i czy istnieje sprawdzony miernik promieniowania 5G? Na te pytania postaramy się tu odpowiedzieć.
Sterownik polowy CZIP®-PRO Relpol otrzymał Puchar Prezesa Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej
Co roku podczas Międzynarodowych Energetycznych Targów Bielskich ENERGETAB odbywa się konkurs targowy organizowany przez pomysłodawców wydarzenia ZIAD Bielsko-Biała SA. W tym roku Puchar Prezesa Polskiego...
Co roku podczas Międzynarodowych Energetycznych Targów Bielskich ENERGETAB odbywa się konkurs targowy organizowany przez pomysłodawców wydarzenia ZIAD Bielsko-Biała SA. W tym roku Puchar Prezesa Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej otrzymał produkty firmy Relpol – CZIP®-PRO Sterownik polowy nowej generacji.
dr. inż. Jarosław Wiater Kurs praktycznego wykorzystania programu ATP – EMTP (część 20.)
W dwudziestej części kursu zostaną zaprezentowane wielostopniowe układy ograniczające przepięcia przeznaczone do wykorzystania w pakiecie EMTP. Dzięki nim będzie możliwe przeprowadzenie obliczeń między...
W dwudziestej części kursu zostaną zaprezentowane wielostopniowe układy ograniczające przepięcia przeznaczone do wykorzystania w pakiecie EMTP. Dzięki nim będzie możliwe przeprowadzenie obliczeń między innymi skuteczności ochrony zapewnianej urządzeniom i układom przesyłu sygnałów narażonych na bezpośrednie i pośrednie skutki wyładowań atmosferycznych.
Energoelektronika jest działem elektrotechniki zajmującym się zastosowaniem układów przekształtnikowych. Swoim zakresem obejmuje tematykę powiązaną z aplikacją, konstrukcją, obliczaniem, modelowaniem oraz symulacją elementów i układów energoelektronicznych. Układy energoelektroniczne znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki – w napędzie elektrycznym, elektroenergetyce (np. przy niekonwencjonalnych źródłach energii), elektrotermii, spawalnictwie, elektronice (zasilacze impulsowe), zasilaniu awaryjnym i gwarantowanym, urządzeniach AGD, a nawet we wzmacniaczach audio największej mocy [1]. Dział ten ciągle się rozwija, tworzone są nowe aplikacje wykorzystujące rozmaite techniki sterowania. Dokładna analiza działania tych układów wymaga prowadzenia obliczeń i symulacji komputerowych. W trzynastej części kursu zaprezentowane zostanie kilka podstawowych układów energoelektronicznych. Mogą one stanowić punkt wyjściowy do samodzielnego modelowania bardziej skomplikowanych układów.
Prostowniki 1-fazowe
Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda. Tak zbudowany układ zapewnia prostowanie jednopołówkowe, które cechuje się bardzo dużymi tętnieniami napięcia wyjściowego. Energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu, przez drugą połowę okresu źródło pozostaje nieobciążone. Stosowanie takiego układu wprowadza dużą niesymetrię w sieci zasilającej. Ten prostownik jest bardzo rzadko stosowany w praktyce.
W układach 1-fazowych najczęściej stosuje się prostowniki dwupołówkowe. Umożliwiają one pełne wykorzystanie energii dostarczanej przez źródło. Najbardziej rozpowszechniony jest tzw. mostek Graetza. Jest on zbudowany z czterech diod prostowniczych. Cechuje się mniejszymi tętnieniami napięcia wyjściowego niż to jest w przypadku układu jednopołówkowego. Na rysunku 1. przedstawiono schemat układu prostownika 1-fazowego zbudowanego w układzie Graetza. Stworzenie tego układu nie powinno być problemem na tym etapie kursu. Poprawne przeprowadzenie obliczeń wymaga zdefiniowania następujących parametrów:
D1, D2, D3, D4 – elementy Diode Type 11 z grupy SWITCHES, Vig=1, Ihold=0,
Tdeion=0, CLOSED=0 (bardzo ważny parametr – wartość zero niezbędna jest do prowadzenia obliczeń w dziedzinie czasu),
U1 – element AC Type 14 z grupy SOURCES, Amplitude=326, f=50, Pha=-90,
A1=0, TStart=0, TStop=1000.
Inne niezbędne parametry do przeprowadzenia obliczeń: R=1000, delta=1E-5, Tmax=0.1.
Na rysunku 2. przedstawiono przebieg napięcia na obciążeniu, zaś na rysunku 3. przebieg prądu płynącego przez diody D1 i D4 modelowanego prostownika. (Uwaga! Niewłaściwe zdefiniowanie parametrów diod D1-4 uniemożliwi przeprowadzenie obliczeń!)
Wszystkie prostowniki mogą być używane jako prostowniki sterowane. Wymaga to zamiany diod prostowniczych na tyrystory. Oczywiście muszą być one załączane za pomocą odpowiednich układów analogowych bądź cyfrowych. Prostowniki sterowane stosowane są wszędzie tam, gdzie wymagana jest płynna regulacja napięcia wyjściowego. Pośrednio uzyskuje się w ten sposób możliwość sterowania prądem płynącym przez obciążenie, mocą urządzeń, prędkością silników itp. [2].
Rysunek 4. przedstawia schemat najprostszego 1-fazowego, jednopołówkowego prostownika sterowanego zamodelowanego w EMTP. Układ sterujący pracą tyrystora T został zrealizowany przy wykorzystaniu elementów TACS. Źródłem sygnału zegarowego (taktującego) jest element Pulse-23 z grupy TACS Source. Generuje on ciąg impulsów prostokątnych z częstotliwością 50 Hz. Impulsy podawane są na element Pulse Delay z grupy TACS Devices, który opóźnia impulsy o zadany czas – odpowiednik kąta przesunięcia impulsu wyzwalającego tyrystor. Dalej sygnał podawany jest na bramkę tyrystora T – element Valve (Type 11) z grupy Switches. W zależności od kąta wysterowania uzyskujemy różne przebiegi napięcia na wyjściu (rys. 5.). Samodzielne stworzenie schematu układu nie powinno również w tym przypadku sprawić użytkownikowi problemów. Poprawne przeprowadzenie obliczeń wymaga zdefiniowania następujących parametrów:
Ut1 – element Pulse-23 z grupy TACS Source: Ampl=100, T=0.02 (okres generowanych impulsów), Width=0.001 (czas trwania impulsu – jego szerokość), T_start=0, T_stop=1000,
54 – element Pulse-23 z grupy TACS Source: Type=98, T_on=0, delay=0.005 (opóźnienie), T_off=0,
T – element Valve (Type 11) z grupy Switches: Vig=1, Ihold=0, Tdeion=0, CLOSED=0, GIFU=0.
Pozostałe parametry, które nie zostały wymienione, powinny być identyczne jak w przypadku prostownika 1-fazowego prezentowanego wcześniej.
Prostowniki 3-fazowe
W układach 3-fazowych w przypadku, gdy moc pobierana przez odbiornik przekracza dopuszczalne obciążenie przewodu neutralnego, stosuje się prostowniki sześciopulsowe. Implementację do poziomu EMTP omawianego prostownika przedstawia rysunek 6. Rezystancje R1 - R6 w tym układzie pełnią funkcję pomocniczą. Program EMTP podczas generowania pliku wsadowego wykorzystywanego bezpośrednio w procesie obliczeniowym zamienia zadany przez użytkownika układ na szereg gałęzi połączonych wzajemnie ze sobą. Niedopuszczalne jest z punktu widzenia EMTP prowadzenie obliczeń przy rezystancji gałęzi równej zero, dlatego też w szereg z diodami D1 - D6 włączono rezystancje odpowiednio R1 - R6 o bardzo małej wartości 0,001 Ω. Nie zmieniają one w sposób istotny wyników obliczeń. Ta sama sytuacja występuje w przypadku stosowania elementów: TACS Switch, Valve (Type 11), Triac (Type 12). Wartości elementów niezbędnych do przeprowadzenia obliczeń można przyjąć identyczne jak w układach opisywanych wcześniej (parametry źródła U1 – patrz poprzednie części kursu). Na rysunku 7. zamieszczono przebiegi napięć wejściowych oraz napięcie na obciążeniu. Względna wartość napięcia na obciążeniu odpowiada wartości szczytowej napięcia międzyfazowego i wynosi w omawianym przypadku 565 V.
Prostownik 3-fazowy sterowany, trójpulsowy został przedstawiony na rysunku 8. Implementacja wersji sześciopulsowej ze względu na czytelność schematu i jasność prowadzonych rozważań nie jest celowa w tym miejscu. Omawiany prostownik 3-fazowy trójpulsowy różni się od 1-fazowego zastosowaniem trzech tyrystorów T1 - T3. Tak jak to miało miejsce w przykładzie zamieszczonym wcześniej, niezbędne jest zastosowanie dodatkowych rezystorów R1 - R3 połączonych w szereg z tyrystorami. W układzie zamieszczonym na rysunku 8. zastosowano nietypowe sterowanie bramek tyrystorów. EMTP standardowo dopuszcza podanie na bramkę sygnału TACS. W szczególnym przypadku, gdy użytkownik planuje synchroniczne sterowanie innymi elementami, nie zawsze sygnał TACS może być wykorzystany. Wówczas należy go zamienić na przebieg napięciowy. Do tego celu wykorzystano źródła TACS Source oznaczone na schemacie jako Ut1 - Ut3. Równolegle konieczne jest stosowanie rezystorów R4 - R6 odsprzęgających źródło o dużej wartości rzędu MΩ. Zastosowane w układzie linie opóźniające D1 - D3 mają zadane różne wartości opóźnienia, w ten sposób realizowane jest przesunięcie fazowe pomiędzy poszczególnymi impulsami wyzwalającymi tyrystory T1 - T3. Na rysunku 9. i rysunku 10. przedstawiono przebiegi napięć wejściowych i wyjściowych oraz kształt impulsów wyzwalających dla kąta opóźnienia wysterowania równego α=0° (punkt naturalnej komutacji), zaś na rysunku 11. – wyniki obliczeń dla kąta opóźnienia wysterowania równego α=24°. Poprawne przeprowadzenie obliczeń wymaga zdefiniowania następujących parametrów:
Ut – element Pulse-23 z grupy TACS Source: Ampl=100, T=0.02 (okres generowanych impulsów), Width=0.001 (czas trwania impulsu – jego szerokość),
T_start=0, T_stop=1000,
D1 – element Pulse-23 z grupy TACS Source: delay=0.0016 (kąt opóźnienia =0°) lub delay=0.003 (kąt opóźnienia =24°),
D2 – element Pulse-23 z grupy TACS Source: delay=0.0083 (kąt opóźnienia =0°) lub delay=0.0097 (kąt opóźnienia =24°),
D3 – element Pulse-23 z grupy TACS Source: delay=0.015 (kąt opóźnienia =0°) lub delay=0.017 (kąt opóźnienia =24°),
Ut1 - Ut3 – element TACS Source z grupy Sources: TStart=0, TStop=1000,
Type of source=Voltage, R=10 Ω, R1=R2=R3=0,001 Ω, R4=R5=R6=100 MΩ, delta=1E-5, Tmax=0,1.
Parametry tyrystorów T1 - T3 należy przyjąć zgodnie z wytycznymi podanymi wyżej. Parametry źródeł napięciowych należy przyjąć zgodnie z wytycznymi z poprzednich części kursu – dla sieci Un=0,4 kV.
Obliczenia wartości parametru Delay dla zadanego kąta opóźnienia wysterowania przeprowadzono na podstawie zależności:
gdzie:
f – częstotliwość napięcia zasilającego,
αk – kąt naturalnej komutacji wybranego tyrystora,
α – zadany kąt opóźnienia wysterowania.
Falownik 1-fazowy
Falowniki to urządzenia mające za zadanie zamianę prądów i napięć stałych (DC) na przemienne (AC) o regulowanym napięciu i częstotliwości wyjściowej. Stosowane są do zasilania m.in. różnego rodzaju napędów elektrycznych. Stanowią też główny element składowy awaryjnych źródeł energii (UPS-ów), kompensatorów mocy biernej, filtrów aktywnych oraz systemów przesyłu energii elektrycznej. Wyróżniamy dwa główne rodzaje falowników:
- napięciowe (źródłem energii wejściowej jest naładowany kondensator, napięcie wyjściowe jest ciągiem impulsów prostokątnych o regulowanej szerokości, a prąd wyjściowy dla obciążenia typu RL ma kształt quasi-sinusoidalny),
- prądowe (źródłem energii wejściowej jest dławik z płynącym prądem, prąd wyjściowy jest ciągiem impulsów prostokątnych o regulowanej szerokości, a napięcie wyjściowe dla obciążenia RL jest quasi-sinusoidalne).
Falowniki napięciowe są najczęściej stosowane w praktyce, dlatego w artykule właśnie ten rodzaj falownika zostanie zamodelowany w EMTP.
We współczesnych falownikach napięciowych najczęściej stosowanym sposobem kształtowania przebiegów wyjściowych jest metoda modulacji szerokości impulsów. Istnieje kilka różnych jej odmian. W celu prawidłowego sterowania modelowym falownikiem wybrano następującą metodę, w której do węzła sumacyjnego są podawane dwa sygnały o regulowanej częstotliwości: sinusoidalny i trójkątny. W momentach zrównywania się tych dwóch sygnałów następuje przełączanie klucza „S”. Na rysunku 12. zaprezentowano model falownika 1-fazowego zaimplementowany do poziomu EMTP.
Ze względu na prostotę układu, sygnał trójkątny zastąpiono sygnałem piłokształtnym – nie zmienia to idei działania układu. Źródło sygnału piłokształtnego w EMTP (element Ramp-24 z grupy TACS Sources) generuje przebiegi tylko dodatnie lub tylko ujemne. Aby móc wykorzystać ten sygnał jako składową nośną modulowaną przebiegiem sinusoidalnym musi być on w zakresie np. od 1 do -1. Wobec powyższego do węzła odejmującego podawane są dwa sygnały TACS: trójkątny (Ut2) i składowa stała (Ut1). W wyniku tego powstaje sygnał piłokształtny o wartości międzyszczytowej równej 2 (w zakresie od 1 do -1). Na wejście elementu porównującego „x>y” podawane są dwa sygnały TACS: na wejście „x” sygnał sinusoidalny będący sygnałem modulującym przebieg piłokształtny podany na wejście „y”. W momencie, gdy oba przebiegi zrównają się, następuje zmiana stanu sygnału na wyjściu – gdy sygnał „x” zmieni swoją relację względem „y”. Poziom sygnału TACS na wyjściu elementu „x>y” determinuję pracę elementów kluczujących napięcie wejściowe (rys. 13.).
Wykorzystując prostą metodę sterowania zamodelowano w EMTP falownik, w którym do kształtowania przebiegów wyjściowych użyto metody modulacji szerokości impulsów. Dwa użyte elementy TACS Switch (sterowane naprzemiennie) odwzorowują w uproszczony sposób elementy wykonawcze falownika. Klucze S1 i S2 pracują naprzemiennie, sygnał sterujący kluczem S2 jest negacją sygnału sterującego kluczem S1. W rzeczywistych układach w miejscu kluczy stosowane są tranzystory typu MOSFET lub IGBT. W rezultacie pracy pary komplementarnych przełączników działających naprzemiennie w takt sygnału sterującego, na obciążeniu RL pojawia się napięcie w postaci ciągu impulsów o zmiennej szerokości. Częstotliwość podstawowej harmonicznej napięcia i prądu na wyjściu odpowiada sinusoidalnemu sygnałowi sterującemu. Częstotliwość kluczowania odpowiada za jakość odwzorowania przebiegu prądu wyjściowego w porównaniu do zadanego sygnału sinusoidalnego. Na rysunku 14., rysunku 15. i rysunku 16. zamieszczono przebiegi sygnału modulującego szerokość impulsów sterujących na tle prądu na obciążeniu RL dla częstotliwości piłokształtnego sygnału nośnego odpowiednio 100 kHz, 1 kHz i 200 Hz. Wyraźnie zauważalna jest jakość odwzorowania przebiegu prądu, zmniejszająca się wraz z częstotliwością sygnału piłokształtnego.
Ze względu na ograniczenia metody obliczeniowej stosowanej w EMTP, konieczne jest stosowanie rezystorów R1 i R2 odsprzęgających źródło w chwilach, gdy przełączniki S1 lub S2 są otwarte. Poprawne przeprowadzenie obliczeń wymaga zdefiniowania następujących parametrów:
Ut1 – element Ramp-24 z grupy TACS Source: Ampl=2, T=1E-5 (częstotliwość sygnału nośnego f=100 kHz), T=0.001 (jw. f=1 kHz), T=0.005 (jw. f=200 Hz), T_start=0, T_stop=1000,
Ut2 – element DC-11 z grupy TACS Source: Ampl=1, T_start=0, T_stop=1000,
Ut3 – element AC-14 z grupy TACS Source: Ampl=1, Freq=50, Fi=-90, T_start=0, T_stop=1000,
U+ – element DC Type-11 z grupy Sources: Ampl=326, TStart=0, TStop=1000,
U– – element DC Type-11 z grupy Sources: Ampl=-326, TStart=0, TStop=1000,
S1, S2 – element TACS Source z grupy Switches: CLOSED=0, GIFU=0,
Robc – element RLC z grupy Branch Linear: R=100, L=100, C=0,
Inne parametry:
R1=R2=100 MΩ, delta=1E-5, Tmax=0.1.
Podsumowanie
Zaprezentowane układy energoelektroniczne w najprostszych możliwych konfiguracjach połączeń mogą stanowić punkt wyjścia dla samodzielnego modelowania znacznie bardziej zaawansowanych urządzeń. W przypadku innego typu przekształtników niż prezentowane wcześniej, koncepcja układów sterujących może wymagać pewnych modyfikacji dostosowanych do bieżących potrzeb. Ewentualne wykorzystanie elementów MOD w połączeniu z przekształtnikami stwarza nowe możliwości projektowania, modelowania i testowania układów, co zapewne będzie skutkowało skróceniem czasu od powstania koncepcji układu do jego praktycznej realizacji oraz wdrożenia. Struktura elementów MOD może być łatwo transponowana do poziomu układów DSP. Po raz kolejny pakiet EMTP może stać się nieocenionym narzędziem w rękach doświadczonego konstruktora.
Literatura
- http://pl.wikipedia.org/wiki/Energoelektronika
- http://pl.wikipedia.org/wiki/Prostownik#Prostowniki_sterowane
- ElectroMagnetic Transients Program (EMTP) Rule Book, http://www.eeug.org