Višestepeni konvertori - energetska elektronika

Maturski, seminarski i diplomski radovi iz informatike.

Višestepena konverzija energije prvi put se počela primjenjivati '80 godina prošlog vijeka. Opšta koncepcija uključuje korištenje većeg broja aktivnih poluprovodnika priključenih da bi obavili pretvaranje snage u manjim naponskim stepenima. Postoji nekoliko prednosti ovog pristupa u odnosu na tradicionalnu dvostepenu konverziju. Manji naponski koraci vode do proizvodnje kvalitetnije naizmjenicne energije takođe i redukovanja dv/dt pritiska na opterećenju kao i redukovanja elektromagnetne kompatibilnosti (EMC). Druga značajna prednost je što su poluprovodnici povezani u seriju pa omogućavaju operacije pod većim naponima. Ovo serijsko povezivanje napravljeno je sa spojnim diodama koje eliminišu prenaponsko opterećenje. Sa obzirom da paljenje prekidača može biti potpuno nezavisno time se moze redukovati učestalost paljenja i gubitci pri uključivanju.
Jedna jasna mana ovog konvertora je veći broj priključenih poluprovodnika koji su potrebni. Potrebno je naglasiti da se u višestepenim konvertorima koriste poluprovodnici za niže napone i prema tome njihova cijena nije osjetno povećana u odnosu na slučaj kod konvertora sa dva nivoa. Međutim svaki aktivni poluprovodnik zahtjeva dodatna električna kola što doprinosi daljoj komplikovanosti konvertora . Druga mana ovih konvertora je što se manji naponski stepeni obezbjeđuju iz nezavisnih izvora ili serije kondezatora. Nezavisni izvori ne moraju uvjek biti spremni ni dostupni kao i da serije kondezatora zahtjevaju ravnotežu u naponu. Donekle ravnoteža napona može biti ostvarena korištenjem redundantnih stanja konvertora koja postoje zahvaljujući velikom broju poluprovodnika koji se nalaze u konvertoru. Međutim za cjelokupno rješenje problema nekad je neophodan i drugi višestepeni konvertor.
U zadnjim godinama bilo je značajnog povećanja u interesovanju za ovakve konvertore. Ovo je vjerovatno zbog činjenice da neke konferencije za električno i elektroničko inžinjerstvo (IEEE) sada drže stalna zasjedanja na ovu temu . Skorašnja istraživanja su uključila uvod u pretvaračku topologiju i jedinstvenu modularnu strategiju. Neke aplikacije za ove nove konvertore uključuju industrijske pokretače, fleksibilne AC transmisione sisteme (FACTS) i pogon vozila. Jedna oblast gdje se ovi konvertori naročito pogodni je kod srednje naponskih pokretača(vozila)
Ovaj rad predstavlja uvod u metod višestepene konverzije energije. Posle kratkog uvoda drugo poglavlje opisuje opšti koncept višestepene modulacije izvora napona. Izvodjenje modulacije je objašnjeno pomoću nivoa napona bez obzira na specifičnost topologije konvertora. Opšti metod višestepene modulacije je opisan tako da može biti proširen na bilo koji broj nivoa napona. Treći dio objašnjava šeme osnovnih topologija ovog konvertora. Koncepcija reduntantnih mjesta se pominje i u ovom poglavlju. Četvrti dio opisuje kaskadne topologije kao i mogućnosti povezivanja osnovnih topologija. Peti dio prikazuje primjere višestepene konverzije kao i laboratorijska mjerenja.

2. Višestepena modulacija izvora napona

Prije nastavka objašnjenja višestepene modulacije, osnovna struktura konvertora će biti predstavljena i obilježavanje će biti definisano za kasniju upotrebu. Iako osnovna tema u ovom poglavlju je o konvertovanju snage od DC (jednosmjernog) do AC (naizmjeničnog) napona (invertna operacija), materijal ovdje predstavljen je takođe dostupan operacijama ispravljanja. Termin višestepeni konvertor se koristi u energetskoj elektronici za konvertore koji mogu služiti i kao ispravljači i kao invertori
U ovom slučaju trofazno opterećenje motora je prikazano na AC strani konvertora. Međutim, konvertor može da posluži u drugom tipu opterećenje. Cilj višestepenog PWM bloka je da prikopča tranzistor na taj način da su faze napona Vas, V bs, Vcs, budu jednake komandnim naponima Vas, V bs, Vcs. Komandni naponi su proizvedeni od nadgledačkih kontrola i mogu biti izraženi u osnovnoj formuli kao

Da bi opisali kako je modulacija izvedena moramo definisati konvertovane AC napone. Kao referentni napon uzima se napon negativnog pola DC napona i tačaka a,b ili c napona. Npr. napon od a do g označen kao vag. Važno je napomenuti da konvertor ima direktnu kontrolu napona vag, vbg, vcg .
Sljedeći korak u definisanju izražava odnos između ovih napona i faznog napona motora. Uzaimajući u obzir simetrični Y vezano opterećenje može biti pokazano da:

Zbog toga što invertna matrica ne postoji (1.4) nema direktne veze između komandnog faznog napona i referentnog napona. Ustvari ima beskonačan broj podešavanja napona vag, vbg, vcg , koji bi proizveli određeni set komandnih faznih napona, jer bilo koji podešeni niz komponenti referentnog napona neće uticati na fazni napon u skladu sa (1.4). U trofaznim sistemima podešeni niz komponenti vag, vbg, vcg , uključuju DC konstantu i harmonike trećeg reda. Radi boljeg iskorištenja DC čvora napona , sledeći set referentnog napona može biti zadat :

vag= [1+mcos(Θc)- cos(3Θc)] 1.5
vbg= [1+cos(Θc - 2π/3) - cos(3Θc)] 1.6
vsg= [1+cos (Θc +2π/3) - cos(3Θc)] 1.7
gdje je m indeks modulacije. Treba napomenuti da će se paljenjem konvertora dobiti referentni napon s komponentom visoke frekfencije, zbog ovoga komandni napon ne može biti postignut odmah. Međutim ako je komponenta visoke frekfencije zanemarena onda može brzo biti postignuta srednja vrijednost komandnog napona. Zamjenom jednačina 1.5 - 1.7 u 1.4 može se vidjeti da će komandovanje ovakvim setom referentnog napona rezultirati faznim naponima

vas*=m cos(Θc) 1.8
vbs*= m cos(Θc - 2π/3) 1.9
vcg*= m cos (Θc +2π/3) 1.10
gdje je * označava srednju vrijednost. Upoređujući jednačine 1.8 – 1.10 sa jednačinama 1.1 – 1.3 može se vidjeti da se željeni fazni naponi mogu postići ako

Treba napomenuti da je domet referentnih napona kod H-most konvertora dvostruk u odnosu na konvertore gdje jedan DC naponski izvor snadbjeva sve 3 faze. Modulacioni metod ovdje može da se prilagodi ovim konvertorima ako je modulacioni indeks povezan veličinom modulacionog napona.