Koncepcje układów sterowania falownika

Po przeanalizowaniu pracy układu, zarówno na poziomie analitycznym, symulacyjnym, jak i możliwości pomiarowych oraz określeniu etapów jego pracy (taktów pracy), przyjęto cztery główne koncepcje sterowania analizowanego falownika.

Koncepcja I sterowania falownika (rys. 5.4), opiera się na wykorzystaniu czterech układów funkcyjnych:

detektora przejscia przez zero prądu odbiornika, ogranicznika prądu tranzystora,

regulatora napięcia kondensatora,

generatora impulsów sterujących tranzystor z regulacją długości impulsu sterującego.

Detekcja zerowej wartości prądu odbiornika i₀ (zanik ujemnej połówki) wyznacza moment załączenia łącznika S (wysterowanie tranzystora T). Tranzystor zaczyna więc przewodzić prąd i energia gromadzi się w polu magnetycznym wzbudnika.

Długość impulsu sterującego tranzystorem jest początkowo minimalna (np. 10% wartości okresu sterowania, czyli D = 0,1). Następuje przeładowanie w obwodzie rezonansowym, a miarą energetyczną czasu przewodzenia tranzystora jest napięcie maksymalne osiągane przez kondensator. Sygnał będący różnicą zmierzonej maksymalnej dodatniej wartości napięcia uC (napięcie na kondensatorze powinno być równe napięciu zasilania po zakończeniu przeładowania w układzie rezonansowym) i napięcia zasilania Ud podawany jest na wejście regulatora napięcia kondensatora.

Sygnał wyjściowy regulatora określa czas przewodzenia tranzystora (zwiększenie lub zmniejszenie aktualnej wartości współczynnika D), a zarazem determinuje ilość energii dostarczanej do obwodu rezonansowego. W konsekwencji regulator sprowadza uchyb regulacji do zera i tranzystor załącza się przy zerowym napięciu (praca optymalna). Regulacja napięcia uC następować będzie w wielu okresach sterowania, ale za to z dokładnością do pojedynczych miliwoltów.

Jeśli sygnał wyjściowy ogranicznika prądu tranzystora (pomiar napięcia na boczniku

R_B), nie zablokuje wysterowania tranzystora, będzie on przewodził prąd przez czas odpowiadający aktualnej wartości współczynnika D wyznaczonej przez regulator. Jeśli prąd i_S przekroczy dopuszczalną wartość, wynikającą z parametrów tranzystora, czas przewodzenia zostanie odpowiednio skrócony.

W opisywanych tutaj układach sterowania nie pokazano układu rozruchowego, koniecznego ze względu na strukturę obwodu falownika, gdyż został on przeanalizowany i opisany w podrozdziale 3.8., gdzie zaproponowano układ rozruchowy falownika zrealizowany przy pomocy dodatkowego rezystora i niewielkiej indukcyjności dołączanego do obwodu i ograniczającego udar prądu ładującego pojemność w obwodzie rezonansowym. Układ zabezpieczono szybką diodą zwrotną (Schottkiego) włączoną równolegle. Następnie układ rozruchowy zostaje zwarty. W proponowanym układzie zastosowano układ timera (np. NE555) z regulowanym za pomocą zewnętrznych elementów RC czasem opóźnienia.

W koncepcji II sterowania falownika (rys. 5.5), zastąpiono pomiar amplitudy napięcia kondensatora uC i porównywanie jej z wartością napięcia zasilania układu Ud, bezpośrednim pomiarem napięcia panującego na tranzystorze uT.

Ogranicznik prądu tranzystora Detektor zera prądu odbiornika Regulator napięcia na tranzystorze RB Regulacja długości impulsu L0 C R0 Ud T ^D S i0 iC uC iS uT uRB UT= 0 Wartość referencyjna iS MAX Generator impulsów sterujących tranzystorem Żądanie generacji impulsu Żądanie skrócenia impulsu

Rys. 5.5. Schemat blokowy układu sterowania falownika (koncepcja II)

Stopień kompensacji mocy rozproszenia w układzie ustala regulator napięcia na tranzystorze, wydłużając lub skracając czas przewodzenia łącznika S (tranzystora) na podstawie pomiaru minimum napięcia tranzystora u_T.

Rozwiązanie takie pozwala sprowadzenie układu do stanu pracy optymalnej, czyli zerowego napięcia panującego na tranzystorze u_T, w chwili załączania tranzystora. Sprowadzenie układu do stanu pracy optymalnej będzie się odbywać w wielu okresach sterowania, gdzie za pomocą całkowania uchybu regulacji stopniowo wydłuża się impuls sterujący łącznikem energoelektronicznym, aż do osiągniecia wartości minimalnej błędu regulacji. Dla układu, w którym wartość tłumienia w obwodzie oscylacyjnym jest odpowiednio mała, ilość energii dostarczanej do układu ze źródła zasilania podczas przewodzenia tranzystora, pozwoli skompensować ubytek energii wydzielonej w układzie podczas swobodnego przeładowania. Powyżej pewnej wartości tłumienia w układzie dalsze zwiększanie współczynnika D, nie spowoduje kompensacji rozproszonej energii i układ nie będzie mógł pracować w stanie pracy optymalnej. Przy zadanych parametrach R0, L0 i C praca optymalna wymaga ściśle określonych wartości częstotliwości pracy oraz czasu przewodzenia tranzystora. Odpowiednie zależności podano w [10].

Realizacja techniczna wiarygodnego pomiaru napięcia na tranzystorze, którego żadna końcówka nie jest na potencjale masy układu, wymaga różnicowego układu pomiarowego, co przy tak dużych częstotliwościach jest zadaniem trudnym.

Koncepcja III sterowania falownika (rys. 5.6), jest próbą wyeliminowania trudnego pomiaru napięcia na tranzystorze i wykorzystania pomiaru, który ze względu na konieczność ochrony tranzystora występuje we wszystkich przedstawionych tutaj koncepcjach. Użycie bocznika pomiarowego RB pozwala na pomiar wartości maksymalnej prądu płynącego przez tranzystor i za pomocą prostego układu komparacji z wartością dopuszczalną prądu dla tranzystora, realizowana jest jego ochrona przetężeniowa poprzez blokowanie (czyli skrócenie) trwającego impulsu sterującego, co zapobiegnie jego termicznemu uszkodzeniu.

Rozszerzenie funkcjonalności bocznika pomiarowego RB i dodatkowe wykorzystanie mierzonego na nim sygnału, polega na dodaniu detekcji ujemnej wartości napięcia uRB, która odpowiada stanowi osiągnięcia przez napięcie na kondensatorze uC, wartości większej niż napięcie Ud zasilajace układ. Jest ono większe o wartość napięcia na diodzie zwrotnej łącznika (tranzystora), która w tej sytuacji przejmuje przewodzenie.

W tym przypadku zadaniem układu sterowania jest taki dobór czasu przewodzenia tranzystora (współczynnika D, gdzie czas przewodzenia tranzystora: T1 = D·Ts), który sprowadzi układ na skraj stanu pracy suboptymalnej, to znaczy napięcie u_C na kondensatorze po przeładowaniu ponownie osiąga wartość równą napięciu zasilania U_d przy niezerowym prądzie kondensatora oraz odbiornika (czyli z pochodną różną od zera). Napięcie u_C ma tendencję do dalszego narastania, ale jest to niemożliwe z uwagi na strukturę układu. Zaczyna samoczynnie przewodzić dioda wewnętrzna łącznika S (tranzystora) przejmując prąd kondensatora, co skutkuje pojawieniem się na boczniku pomiarowym R_B napięcia -u_RB. Równocześnie zadaniem regulatora napięcia kondensatora jest utrzymywanie możliwie małego zakresu pracy suboptymalnej, ponieważ straty przełączania są nieco większe niż przy pracy optymalnej.

Załączanie tranzystora następuje w takim układzie przy zerowym napięciu na tranzystorze (ang. ZVS – Zero Voltage Switching).

Rys. 5.6. Schemat blokowy układu sterowania falownika (koncepcja III)

Oczekiwania jakie dotyczą układu sterowania takiej klasy urządzeń, to z jednej strony zapewnienie układowi stabilnej pracy, z drugiej optymalizacja warunków pracy (w układach impulsowych ograniczenie skutków komutacji łączników energoelektronicznych), aby sprawność była możliwie wysoka. Jednakże kolejnym ważnym aspektem w układach o wymaganej lub podwyższonej niezawodności jest niezawodność operacyjna. W tym celu stosuje się redundancję układową jako sposób eliminacji zakłóceń lub stanów awaryjnych czujników i elementów pomiarowych oraz elementów wykonawczych.

Taką dywersyfikację funkcjonalności układowych zawierają koncepcje układów sterowania falownika I-III. Synchronizację sterowania falownikiem z przeładowaniami w obwodzie oscylacyjnym, zapewnia detekcja przejścia prądu odbiornika i0 przez zero. Moment zaniku ujemnej połówki tego prądu, wyznacza moment załączenia tranzystora. Dodatkowo sygnał ten stanowi ważną informację dla układu sterowania, że w obwodzie rezonansowym występują oscylacje.

Rozwiązanie takie pozwala na kompensację mocy rozproszenia w układzie, za pomocą detekcji prądu diody zwrotnej tranzystora T i regulatora prądu diody, poprzez wydłużenie lub skrócenie czasu przewodzenia tranzystora (współczynnika D, gdzie czas przewodzenia

tranzystora: T₁ = D·T_s). Sprowadzi on układ do stanu pracy optymalnej, czyli zerowego napięcia panującego na tranzystorze u_T, w chwili załączania tranzystora.

Zabezpieczenie dla łącznika S (tranzystora) stanowi układ ogranicznika prądu, bazujący na pomiarze prądu tranzystora na podstawie napięcia bocznika RB.

Najdalej idącą modyfikacją względem koncepcji I układu sterowania, jest koncepcja IV sterowania falownika (rys. 5.7). Zakłada ona maksymalne wykorzystanie informacji z pomiaru spadku napięcia na boczniku RB.

Rys. 5.7. Schemat blokowy układu sterowania falownika (koncepcja IV)

Moment wysterowania łącznika S (tranzystora) i w konsekwencji rozpoczęcia taktu I następnego cyklu pracy falownika, wyznacza pojawienie się prądu diody zwrotnej łącznika S (detekcja napięcia -uRB na boczniku pomiarowym). Oznacza to, że nastąpiło przeładowanie kondensatora C w obwodzie oscylacyjnym i osiąga on wartość napięcia zasilania Ud przy niezerowym prądzie. Załączenie łącznika S w tym momencie spowoduje po zaniku prądu diody jego łagodne przejście do stanu przewodzenia w warunkach ZVS i ZCS.

Dodatnia wartość napięcia u_RB oznacza, że tranzystor przewodzi prąd, którego wartość określa stosunek napięcia u_RB do rezystancji R_B. Pomiar tego prądu i jego komparacja z wartością dopuszczalną dla tranzystora w układzie ogranicznika pozwala chronić tranzystor.

Zadaniem regulatora prądu diody w tej koncepcji sterowania jest taki dobór czasu przewodzenia łącznika S w okresie sterowania, aby układ pracował w warunkach na granicy pracy suboptymalnej. Pomiar wartości napięcia u_RB, zapewni zatem sprzężenie zwrotne z układu, które pozwoli w kolejnych okresach sterowania dobrać współczynnk D (gdzie czas przewodzenia tranzystora: T₁ = D·T_s) poprzez minimalizację wartości tego napięcia do niezbędnego minimum.

5.3.3 Symulacyjna weryfikacja wypracowanych koncepcji układów sterowania