Przekształtnik sieciowy AC/DC na dsPIC30f6010A

Witam serdecznie szanownych Kolegów!
Za namową mojego serdecznego kolegi chciałbym przedstawić projekt, który był wykonany w ramach pracy magisterskiej. Tematem pracy był „Projekt i wykonanie układu sterowania przekształtnikiem AC/DC (prostownik sieciowy) wraz z częścią pomiarową”. Układ przeznaczony jest do zasilania przekształtnika silnikowego, którym może być falownik zasilający silnik indukcyjny bądź przetwornica DC/DC do silnika prądu stałego. Do najważniejszych cech przekształtnika AC/DC należą:
- pobór prądu o kształcie zbliżonym do sinusoidalnego i jednostkowym współczynniku mocy,
- dwukierunkowy przepływ energii,
- regulacja napięcia w obwodzie pośredniczącym.
Jednostkowy współczynnik mocy świadczy o tym, że pobierana jest z sieci zasilającej tylko i wyłącznie moc czynna, czyli prądy są w fazie z odpowiednimi napięciami. Taka sytuacja jest najkorzystniejsza z punktu widzenia sieci zasilającej, ponieważ moc bierna powoduje zwiększenie wartości prądu, a tym samym strat przesyłowych oraz konieczność przewymiarowywania urządzeń elektroenergetycznych.
Część mikroprocesorowa została wykonana w o oparciu o mikrokontroler sygnałowy dsPIC30f6010A. W mikrokontrolerze została zaimplementowana metoda prądowego sterowania przekształtnikiem. Z racji tego, że w algorytmie przeliczane wartości są wartościami zmiennoprzecinkowymi, a mikrokontroler jest stałoprzecinkowy, czas jego wykonywania znacznie przewyższa możliwy dopuszczalny. W związku z czym zastosowano jedną z metod reprezentacji liczb zmiennoprzecinkowych na mikrokontrolerze stałoprzecinkowym, jaką jest skalowanie wartości zmiennych, ten zabieg pozwolił na realizację algorytmu w zaskakująco krótkim czasie około 20us wraz z wystawieniem wybranych sygnałów na przetworniki C/A. Schemat ideowy części sterującej pokazano poniżej:


Do najważniejszych elementów części sterującej można zaliczyć:
- mikrokontroler dsPIC30f6010A,
- czujniki pomiaru prądu ACS712,
- czujnik pomiaru napięcia HCPL7800,
- układ synchronizacji z siecią,
- przetworniki cyfrowo-analogowe MPC4922,
- wyświetlacz LCD wraz z przyciskami.

Część silnoprądowa składała się z następujących elementów:
- Dwupoziomowy inteligentny moduł mocy (IPM) PM25RSB120 o topologii mostkowej czyli 6 tranzystorów i 6 diod,
- Dławiki sieciowe o indukcyjności 20mH,
- Dwa kondensatory filtrujące połączone szeregowo o łącznej pojemności 1100uF,
- Dwa kondensatory zabezpieczające przed przepięciami połączone szeregowo łącznej pojemności 1000uF,
- Rezystory ograniczające prąd ładowania w fazie włączania urządzenia,
- Rezystory rozładowujące kondensatory po wyłączeniu urządzenia.
- Zespół styczników i łączników z bezpiecznikiem,
- Blok zasilający część procesorową i pomiarową.

Wyniki badań laboratoryjnych:



Przebieg niebieski przedstawia napięcie w obwodzie pośredniczącym Udc, czyli napięcie wyjściowe przekształtnika, przebieg brązowy jest to napięcie fazowe sieci zasilającej, przebieg czerwony jest to prąd fazowy sieci, a zielony jest to moc czynna. Badany przekształtnik został obciążony falownikiem silnikowym, co umożliwiło zarejestrowanie stanów dynamicznych, takich jak oddawanie energii do sieci zasilającej podczas nawrotu silnika.



Kolejny zrzut przedstawia skokową zmianę obciążenia. Przebieg napięcia przedstawia napięcie w obwodzie pośredniczącym Udc, przebieg zielony napięcie fazowe sieci zasilającej. Przebieg brązowy skuteczną wartość prądu zadanego, a przebieg czerwony prąd rzeczywisty.

Witam.
Projekt bardzo fajny mam tylko takie pytanie:
kolega mówi, że układ pobiera tylko moc czynną z sieci a na pierwszym rysunku przebiegów w części pracy falownikowej widzimy przebieg prądu w przeciw fazie względem napięcia czyli mamy do czynienia z mocą bierną.
Czy możesz to jakoś wyjaśnić?

Przekształtnik AC/DC ma dwa zasadnicze stany pracy: pracę prostownikową kiedy energia jest pobierana z sieci zasilającej i aby była pobierana moc czynna musi być w fazie z odpowiednim napięciem zasilającym. Drugi stan pracy to praca falownikowa(np przy nawrotach silnika) kiedy energia jest oddawana do sieci zasilającej i aby była oddawana była jedynie moc czynna prąd musi być w przeciwfazie z napięciem odpowiedniej fazy sieci.
Moc czynną można opisać zależnością P= U*I*cos(fi), kiedy napięcie jest w fazie (cos 0 = 1) lub przeciwfazie(cos 180 = -1). W takiej sytuacji moc pozorna S równa się mocy czynnej P, moc bierna Q równa się 0, pomijając moc deformacji D.

A mógłbyś wyjaśnić nieco pobór prądu zbliżonego do sinusoidalnego i współczynnik mocy 1? Chodzi mi o to, jak to jest realizowane? Bo przebiegi które ja kojarzę w takim mostku dla różnych wartości alfa zdecydowanie dalekie były od "ideału"...
Załatwia to wspomniany "inteligentny" moduł mocy, czy ze swojej strony też coś robisz?

witam.
Czy można by zobaczyć schemat,
i podszkolić sie troche, kiedyś działałem
troche w tym kierunku i miałem duży problem z EMI,
no tylko że moje urządzenie było "domowe". Poza tym
rzecz dość ciekawa i mająca praktyczne zastosowanie.
pozdrawiam.

Moduł IPM to nic innego jak połączenie 6 tranzystorów IGBT w jednej obudowie. Zaletą jest to, że mają on już wbudowane driver'y tranzystorów wraz z zabezpieczeniami nadprądowym, podnapięciowym i temperaturowym oraz odprowadzanie ciepła jest mniej problematyczne, ponieważ wystarczy jeden wspólny radiator. Uproszczony schemat części silnoprądowej przedstawia rysunek poniżej.

Poza modułem IPM niezbędne są dławiki sieciowe o odpowiedniej indukcyjności oraz kondensator filtrujący.
Najprościej rzecz ujmując zasada sterowania polega na tym żeby przełączać tak tranzystory, aby utrzymać zadane napięcie (w moim przypadku było to 650V) w obwodzie pośredniczącym Ud (obwód pośredniczący to kondensator) oraz prądy w fazie z odpowiednimi napięciami, czyli pobierać tylko i wyłącznie moc czynną (ang PFC). Włączanie i wyłączanie tranzystorów można uzyskać na kilka sposobów w zależności od wybranej metody sterowania. W prezentowanym przekształtniku została zaimplementowana prądowego sterowania według schematu poniżej

Do realizacji przedstawionego algorytmu wymagane są takie informacje jak: aktualny kąt napięcia w sieci zasilającej, wartości chwilowe prądów w trzech fazach oraz wartość napięcia w obwodzie pośredniczącym. Nadrzędna pętla regulacji odpowiada za regulacje napięcia w obwodzie pośredniczącym UDC. Na podstawie uchybu regulacji napięcia zadanego UDC* i mierzonego UDC na kondensatorze podawanego na regulator PI zostaje obliczona wartość prądu zadanego. Następnie prąd zadany zostaje wymnożony przez wzorcowe przebiegi sinusoidalne o amplitudzie równej jeden, będących w fazie z odpowiednimi napięciami sieci zasilającej. W wyniku tego mnożenia otrzymujemy trzy fazowe prądy zadane iL1*, iL2*, iL3*. Prądy te są porównywane z mierzonymi w komparatorach realizujących nieliniowy układ regulacji prądu typu delta. Wyjścia komparatorów sterują modulatorem PWM, który generuje sygnały sterujące tranzystorami. Modulator PWM pracuje w nadmodulacji co oznacza, że klucz może być tylko załączony lub wyłączony, nie ma stanów pośrednich. Wykorzystanie sprzętowego modulatora PWM pozwala na generowanie impulsów sterujących z czasami martwymi. Zaletą przedstawionego algorytmu sterowania przekształtnikiem AC/DC jest możliwość dwukierunkowego przepływu energii. W zależności od znaku uchybu w nadrzędnej pętli regulacji energia może być pobierana gdy uchyb ten jest ujemny lub oddawana gdy jest dodatni. Cała pętla regulacji powtarzana jest co określony czas Tp po którym następuje zmiana stanów kluczy przekształtnika.
Zakłócenia elektromagnetyczne to istotny problem przy budowaniu przekształtników z racji występowania dużych pochodnych napięcia.

Tak, to jest jasne tylko w tedy taki układ musi być obciążony falownikiem zasilającym silnik aby następował zwrot energii bo chyba nie zwracamy energii zgromadzonej w kondensatorze? Robiłeś może badania harmonicznych po stronie zasilania? Czy oby na pewno układ taki nic nie generuje do sieci pomimo dobrego współczynnika cos?

newmax napisał:

tylko w tedy taki układ musi być obciążony falownikiem zasilającym silnik aby następował zwrot energii

I był obciążony falownikiem zasilającym silnik indukcyjny:
https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=11458821#11458821
Przy hamowaniu silnika energia wracała do źródła zsikania. Kolega robił analizę THD napięcia i prądu więc pewnie ją wrzuci albo przynajmniej omówi.

Stąd ta niejasność i moja dociekliwość bo wcześniej nie mówiłeś o tym, że układ był obciążony, a swoje domysły snułem tylko na podstawie wykresu i nie było też powiedziane, że jedyne stany pracy tranzystorów w układzie prostownika to otwarty lub zamknięty - dopiero później to dopisałeś. Fajny projekt a falownik kolegi wręcz genialny!

Co to za słowo "Z tond"? Czy nie powinno być "Stąd"?
Proszę poprawić.
Popak

Dzięki za opis i schematy. Nadal jednak nie kumam jednej rzeczy. Za mostkiem jest kondensator naładowany do jakiejś wartości napięcia (utrzymywana jakaś stała wartość). Jeśli załączasz parę kluczy, to wg mojego rozumienia prąd do urządzenia popłynie gdy wartość napięcia sieci przekracza wartość napięcia na kondensatorze, co przeważnie przypada gdzieś "na górce" sinusoidy, stąd standardowo prąd jest odkształcony i wygląda jak hmm..pauzowana sinusoida -^-v- zamiast /'\./'\., czyli nie ma prądu, pik do góry, nie ma prądu, pik na dół itd.
W zależności od kąta wysterowania regulować można napięcie na kondensatorze.
Jak natomiast zmuszasz układ do pobierania prądu sinusoidalnego, kiedy z tego co kojarzę, sinusoidalny on być nie chce?
Wyznaczasz wspomniane prądy zadane dla każdej z faz, komparator np. "mówi", że pobierasz 0A, bo jesteś przed opisywanym przeze mnie pikiem prądu, a wg prądu zadanego powinno to być już 1,2A, więc załącz.. ale prąd nie płynie i tak, bo napięcie sieci jest niższe niż kondensatora?
Czy może jest to tak, że masz wspomniany pik i go ścinasz modulowanym sygnałem załączenia kluczy i dzięki temu on się rozjeżdża na półokres?
Masz może jakiś przebieg wyzwalania poszczególnych kluczy?

Niestety nie mam żadnego zrzutu z sygnałami sterującymi tranzystorami. W sytuacji kiedy energia jest pobierana z sieci zasilającej w obwodzie regulacyjnym udział biorą tylko dolne tranzystory, chcąc wymusić zadany prąd w fazie pierwszej zwieram tranzystor T2, droga prądu jest zaznaczona na zielono.

Spadek napięcia na indukcyjności (indukcyjność musi mieć odpowiednią wartość) wyraża się zależnością Ul=L(di/dt) gdy prąd osiągnie zadaną wartość następuje wyłączenie klucza i energia zgromadzona w indukcyjności zostaje przekazana do kondensatora doładowując go co przedstawia poniższy rysunek

Za oddawanie energii do sieci odpowiadają górne tranzystory.

Dodano po 1 [godziny] 21 [minuty]:

Kolega Newmax pytał o zawartość harmonicznych wiec sytuacja wygląda tak:
Prąd pobierany z sieci:

Prąd oddawany do sieci:

Zestawienie w formie tabelki i porównanie z normą PN-EN- 6100-3-2:

A możesz napisać czym te harmoniczne były mierzone? Dokładnie jaki analizator?
Wygląda to na prawdę dobrze nawet bardzo dobrze!

Pomiar prądu wykonywany był za pomocą aktywnej zewnętrznej sondy prądowej w postaci przystawki do oscyloskopu, którą zakładałem bezpośrednio na przewód fazowy. W tej chwili nie pamiętam dokładnie symbolu sondy ale to górna półka tektronix'a. Wyniki pomiaru analizowałem w programie Anagraf, jest to darmowy program autorstwa jednego z pracowników uczelni.

Aaa, i tu jest "haczyk"! Nie pomyślałem o puszczaniu prądu innym torem niż na kondensator, czyli przez 2 dolne klucze. Bardzo dziękuję za Twoje wyjaśnienie
Patrząc na przedstawione wyniki w odniesieniu do normy - rewelacja! Gratuluję! To teraz tylko aplikować wraz z kolegą od przekształtnika DC/AC do działu rozwoju ABB czy podobnych

A możesz pokazać zrzuty ekranu z większą dokładnością? Np. Sinus 100 Hz rozciągnięty na całe okno pomiarowe. Interesuje mnie częstotliwość kluczowania tranzystorów oraz wykonywania pomiarów. Jaki jest stosunek częstotliwości MSI do pomiarów? Jak dobierałeś parametry regulatora PI?

Pozdrawiam

EDIT: czyżby częstotliwość MSI to było 2.5 kHz?

Kolego chodziło mi o miernik harmonicznych

Co do pytań Kolegi flyradek to niestety nie mam takowych zrzutów. Maksymalna częstotliwość przełączeń tranzystorów może(może bo nie zawsze następuje przełączenie) wynosić 20kHz, tranzystory nie były sterowane przez MSI tylko załącz/wyłącz co 50us. Nastawy regulatora dobrałem tak, że obliczyłem stałą czasową obwodu RL, żeby mieć jakiś punkt wyjścia. Następnie dokładnej regulacji dokonywałem online za pomocą przycisków które odpowiadały za zwiększanie lub zmniejszanie kp i Ti. Ocenę doboru nastaw dokonywałem zmieniając skokowo napięcie Udc np z 560V na 700V. Przy źle dobranych nastawach można zaobserwować przeregulowanie a nawet oscylacje. Jeśli chodzi o pomiary to miałem do dyspozycji zewnętrzna sodę prądową i napięciową oraz czujniki pomiarowe w przekształtniku wystawiałem na przetworniki C/A.
Jeśli chodzi o pytanie od newmax to nie miałem do dyspozycji miernika harmonicznych, ale w podanym programie można zrobić analizę harmoniczną zarejestrowanych przebiegów(z sondy prądowej) i na tym właśnie bazowałem porównując prąd przekształtnika z normą.

Czy jest możliwe przedstawienie schematu części silnoprądowej?

Szkoda że nie masz tych dokładnych przebiegów prądu obciążenia (gdzie dokładnie widać kluczowanie tranzystorów - amplituda jakby "piły", zapomniałem oficjalnego określenia . Rozumiem że wyniki obliczeń obserwowanych wielkości jak i sam sygnał sterujący pracą przekształtnika były wykonywane z tą samą stałą czasową 50us? Z mojego doświadczenia (również praca mgr) to dobrze jest gdy pomiary są na podstawie których określany jest uchyb wykonywane są ze stałą wielokrotnością ewentualnej częstotliwości kluczowania tranzystorów.

Żeby nie było, uważam że wykonałeś kawał dobrej roboty, co niestety rzadko się zdarza ostatnio (przynajmniej u mnie tak było). Trochę mnie zmartwiło to co powiedziałeś o doborze regulatora, co jest takiego złego w przeregulowaniu? Przecież przy regulatorze PI i założeniu że mamy obiekt inercyjny pierwszego rzędu to bez przeregulowania odpowiedź regulatora jest stosunkowo wolna. U wstępny model analogowy i zabawa w simulinku za dużo nie dała. Jako tako pasowała części kp natomiast TI to było polu:)

Co do samej jakości regulacji, to uważam że najlepszym z prostych (innych nie znam:) ) sposobem na sprawdzenie czy dane nastawy są ok jest: obserwowanie uchybu regulacji za zadany okres (np okresowo zmienne obciążenie) i szukanie minimum - można by napisać program który co jakiś okres czasu zmienia nastawy w zadanym okresie i oblicza uchyb za okres i automatycznie nam dobierze parametry:)
http://home.agh.edu.pl/~pautom/pliki/wyklady/przykladowe/09.pdf

Pozdrawiam

flyradek napisał:

Szkoda że nie masz tych dokładnych przebiegów prądu obciążenia (gdzie dokładnie widać kluczowanie tranzystorów - amplituda jakby "piły", zapomniałem oficjalnego określenia . Rozumiem że wyniki obliczeń obserwowanych wielkości jak i sam sygnał sterujący pracą przekształtnika były wykonywane z tą samą stałą czasową 50us? Z mojego doświadczenia (również praca mgr) to dobrze jest gdy pomiary są na podstawie których określany jest uchyb wykonywane są ze stałą wielokrotnością ewentualnej częstotliwości kluczowania tranzystorów.

Wtrącę się trochę do dyskusji. W tej metodzie z regulatorem prądu typu delta nie ma stałej ustalonej częstotliwości kluczowania jest tylko jej górna granica równa 1/TP. Przełączenia mogą ale nie muszą występować co każde TP. Także ta "piła" będzie trochę inna niż przy PWMie. Ciężko w tym procesorze było by wprowadzić nad próbkowanie i jakąś interpolację (nie wyrobił by się czasowo) przebiegu prądu, i przy tym regulatorze jest to raczej zbędne.

Nie znam możliwości tego procesora, także nie wiem czy już pracował na granicy swoich możliwości czy nie. Zresztą nie chodziło mi o interpolacją tylko o dokładniejsze wyznaczanie uchybu regulacji i szybsze działanie na ewentualne zmiany wielkości regulowanej, chociaż faktycznie ma to większe znaczenie gdy dopuszczalna częstotliwość pracy tranzystorów mocy jest stosunkowo niska. Wtedy opóźnienie stawiane przez sam układ kluczujący jest stosunkowo duże - drastycznie maleje dopuszczalne kp.

Jaka jest sprawność tego przekształtnika ? Bo coś mi się wydaje,że niezbyt duża.
W czasie gdy kondensator główny nie jest ładowany przekształtnik robi za obciążenie aktywne dla źródła zasilania(elektrowni) ?

Zależy jaka jest wartość tego przeregulowania, jeżeli np masz przeregulowanie o wartości 100V to raczej jest nie do przyjęcia (Mi udało się dobrać nastawy tak, że przy agresywnym rozruchu silnika uchyb napięcia nie przekraczał 10V przy 650V napięcia zadanego). Niemalże wszystkie analityczne metody doboru nastaw w praktyce nie dają oczekiwanego rezultatu z racji tego, że nie masz dokładnego modelu matematycznego albo sprawdzają się tylko w Matlabie;]. Możesz na ich podstawie wyliczyć przybliżone nastawy jednak jak chcesz mieć dobre nastawy to musisz je dobrać na zasadzie prób i błędów, obserwując uchyb, albo tak jak napisałeś kombinować z funkcjami adaptacyjnymi.

Co do sprawności to nie jestem w stanie podać konkretnej wartości, ale szacuję ją na około 80-90%. Jeżeli dobrze rozumiem pytanie to w stanie kiedy przekształtnik jest nie obciążony jego praca wygląda tak, że przez w chwile kondensator się doładowuje a następnie rozładowuje małymi wartościami prądu.

Wiedząc , że nie które firmowe falowniki napędowe mają sprawność nawet 90 pare % to przekształtnik AC/DC będący niczym innym jak falownikiem sieciowym może osiągać ok 90%. Będzie miał kilka punktów procentowych mniej z racji tego, że falownik sieciowy pracuje na na trochę wyższych średnich częstotliwościach przełączeń.