Zaimplementowane modele czasu rzeczywistego cechują się wysoką dokład-nością, porównywalną z modelami zrealizowanymi w środowisku Matlab-Simulink®. Dzięki temu możliwe było sprawdzenie poprawności działania algorytmu stero-wania zaimplementowanego w docelowym środowisku sprzętowym, co potwier-dzają zaprezentowane wyniki badań symulacyjnych modeli czasu rzeczywiste-go zrealizowane w układzie FPGA. Zweryfikowana została również poprawność działania logicznych układów zabezpieczeń niezbędnych w realizacji praktycz-nej. Sprawdzone i przetestowane implementacje zostaną wykorzystane w ramach dalszych prac, w modelach użytkowych badanych przekształtników.
Badania laboratoryjne
przekształtnika w konfiguracji
AC–DC
W celu praktycznej weryfikacji wniosków z analiz i badań symulacyjnych przeprowadzonych dla konfiguracji AC–DC (rozdziały 3 do 5) samodzielnie za-projektowany i wykonany został układ przekształtnikowy zaprezentowany na rysunkach 6.1 (realizacja praktyczna) oraz 6.2 (schemat topologii).
Kompleksowe zaprojektowanie układu przekształtnikowego jest zadaniem trudnym, bardzo złożonym i czasochłonnym. Główną cześć stanowiło opraco-wanie obwodu mocy w czym zawierał się: dobór odpowiednich elementów pół-przewodnikowych i pasywnych, zaprojektowanie układu driverów oraz projekt obwodu drukowanego minimalizującego indukcyjności pasożytnicze. Nie mniej ważną rzeczą było opracowanie części pomiarowej przekształtnika, umożliwia-jącej pomiary wielkości elektrycznych niezbędnych z punktu widzenia układu sterowania. W opisywanym przekształtniku przyjęto koncepcję rozproszonych układów pomiarowych, polegającą na zastosowaniu osobnych torów pomiaro-wych (łącznie z jednokanałowymi przetwornikami ADC) dla każdej z mierzo-nych wielkości elektryczmierzo-nych. Takie podejście minimalizuje powierzchnię torów pomiarowych oraz zwiększa ich odporność na zakłócenia. W przypadku pomia-rów izolowanych, zdecydowano się na izolację sygnałów pomiarowych po stronie cyfrowej co zwiększa dokładność pomiarową (brak zniekształceń wprowadzanych przez analogowe układy izolacyjne) przy zachowaniu wysokiego pasma sygnału mierzonego.
Umiejętne zaprojektowanie układów pomiarowych, mimo iż jest zadaniem bardzo skomplikowanym i wymagającym dużej praktycznej wiedzy inżynier-skiej, nie było jednak celem samym w sobie. Stanowiło to istotną część realizacji modelu użytkowego przekształtnika, ale nie było głównym celem przeprowadza-nych badań naukowych. W związku z tym kwestie praktyczne związane z tą tematyką (jakkolwiek bardzo ciekawe) nie będą szerzej opisywane w pracy. Za-interesowanych czytelników odsyła się do analizy schematów elektrycznych (do-datek A.1) oraz projektu obwodu drukowanego (do(do-datek B.1). Całość została opracowana z wykorzystaniem oprogramowania Altium Designer® [10].
Rysunek 6.1: Przekształtnik AC–DC, topologia nr 2 - stanowisko badawcze.
jak w przypadku badań symulacyjnych (rozdziały 4, 5), czyli: uac =√ 2· 230 sin(ωt) V ∼= 325 V Uoutref = 400 V Pout = 450 W fi = 30 kHz Isac = 553,4 mA (20% Iacmax) ∆Uout ∼= 1% Uout
ref
W związku z wysoką częstotliwością pracy układu (fi = 30 kHz) jako dła-wiki L1 oraz L2 zastosowano dławiki toroidalne na rdzeniu RTMSS wykona-nym z materiału SuperMSS (materiał ze szczeliną rozproszoną [72]). Wartość indukcyjności dławików wynosiła odpowiednio 4 mH (dławik L1, przy prądzie znamionowym 2 A) oraz 1 mH (dławik L2, przy prądzie znamionowym 3 A).
W celu zapewnienia poprawnej pracy układu (przy zakładanych parame-trach pracy) kluczowym jest zagwarantowanie wartości pojemności C1 na wy-maganym poziomie. Dla założonych parametrów układu, na podstawie analiz zaprezentowanych w rozdziale 4.1.2, pojemność C1 powinna wynosić 17,2 µF. W praktycznej realizacji układu przekształtnikowego należy zapewnić pewien margines bezpieczeństwa umożliwiający poprawną pracę przy kilkunastoprocen-towym przeciążeniu urządzenia. Biorąc również pod uwagę standardową 10% tolerancję wartości kondensatorów, w celu zapewnienia odpowiedniego pozio-mu pojemności C1 (kluczowej z punktu widzenia poprawności pracy układu) zastosowano równoległe połączenie dwóch kondensatorów polipropylenowych: EPCOS B32776G8156K (15 µF, 800 V) oraz WIMA MKP4J044707G00KYSD (4,7 µF, 630 V).
Wartość pojemności wyjściowej przekształtnika (kondensator C2) wynosiła 6,9 µF. Pojemność C2 stanowiły dwa połączenie równoległe kondensatory poli-propylenowe produkcji WIMA: MKP4J044707G00KYSD (4,7 µF, 630 V) oraz MKP4J042207E00KYSD (2,2 µF, 630 V). Z powodu zastosowania
kondensato-u1 C1 S2 S1 D1 D2 C2 Iout Uout iL1 iL2 uin uac iac L1 L2 RBL1 RBL2
Rysunek 6.2: Przekształtnik AC–DC: schemat badanej topologii.
rów o tolerancji 10% wartość pojemności wyjściowej układu została zwiększona w porównaniu do wartości użytej podczas badań symulacyjnych zaprezentowa-nych w rozdziale 4.1.2.
Jako sterowane łączniki półprzewodnikowe zastosowano tranzytory IGBT: S1 - International Rectifier IRG4PF50W (900 V, 28 A), S2 - International Rec-tifier IRG7PH30K10PBF (1,2 kV, 33 A). Jako diody mocy wykorzystano diody z węglika krzemu (SiC): D1 - GeneSiC Semiconductor GB07SHT12-247 (1,2 kV, 7 A), D2 - Cree C4D08120A (1,2 kV, 11,3 A).
Na schemacie z rysunku 6.2 zaznaczone zostały również boczniki pomiarowe (RBL1 i RBL2) służące do pomiaru prądów iL1 oraz iL2.
Jako jednostka obliczeniowa zastosowany został zestaw rozwojowy Altera® DE0-Nano Development and Education Board [7] wyposażony w układ FPGA Cyclone® IV EP4CE22F17C6N. Algorytm sterowania, regulatory cyfrowe, ob-sługa przetworników ADC i driverów oraz logika zabezpieczeń zostały zaimple-mentowane w wymienionym układzie FPGA, przy wykorzystaniu języka opi-su sprzętu VHDL. Zestaw rozwojowy podłączony został do zaprojektowanego obwodu drukowanego integrującego w sobie część mocy oraz analogową część pomiarową przekształtnika. Wykorzystywanie gotowych zestawów rozwojowych znacznie przyspiesza proces prototypowania, zmniejsza koszty, a zarazem jest w pełni wystarczające do budowy laboratoryjnych stanowisk badawczych.
6.1 Stan ustalony
Na rysunkach 6.3-6.7 zaprezentowane zostały przebiegi prądów i napięć wy-stępujących w badanym przekształtniku w stanie ustalonym. Przekształtnik silano z jednofazowej sieci prądu przemiennego (230 VAC). Jako obciążenie za-stosowany został zestaw rezystorów o wypadkowej rezystancji równej 347 Ω (typ.) zapewniający obciążenie nominalne na poziomie ∼= 460 W (przy napięciu wyjściowym 400 V).
Na rysunku 6.3 zaprezentowano przebiegi prądu dławika L1(iL1), prądu dła-wika L2 (iL2), napięcia kondensatora C1 (u1) oraz napięcia wyjściowego (uout). Wartość międzyszczytowa składowej zmiennej występującej w napięciu konden-satora C1 wynosi ponad 202 V. Wartość napięcia wyjściowego była zgodnie z za-łożeniami utrzymywana przez układ regulacji na poziomie 400 V. Maksymalna wartość prądu iL2, w stanie ustalonym, przekracza 5 A.
Rysunek 6.3: Przekształtnik AC–DC - stan ustalony: iL1 (CH1, 2 A/div), iL2 (CH2, 5 A/div), u1 (CH3, 100 V/div), uout (CH4, 100 V/div).
Na rysunku 6.4 zaprezentowano przebiegi prądów iL1, iL2, napięcia u1 oraz uin występującego za mostkiem diodowym. Odkształcenie obserwowalne w na-pięciu uin (charakterystyczne wypłaszczenie szczytu przebiegu) jest związane z obecnością dużej ilości obciążeń małej mocy wykorzystującymi prostowni-ki diodowe jako stopień wejściowy. Taprostowni-kie urządzenia wymuszają odkształcony przebieg prądu przepływający jedynie w otoczeniu wartości maksymalnej na-pięcia sieci. Duża ilość takich obciążeń, powoduje znaczne wartości chwilowe prądu linii w szczycie napięcia, co prowadzi do większych spadków napięcia na impedancji linii i objawia się odkształceniem jej napięcia. W przebiegu napięcia u1, kursorami zaznaczone zostały chwile czasu w których układ sterujący do-konuje pomiaru składowej U0. Zgodnie z założeniami wartość składowej U0 jest stabilnie utrzymywana na poziomie 425 V.
Na rysunku 6.5 zaprezentowano przebiegi prądu iL1, iL2, napięcia u1 oraz składowej zmiennej występującej w napięciu uout. Można zaobserwować prak-tycznie brak występowania składowej podwójnej częstotliwości (składowa 100 Hz) w napięciu wyjściowym układu. Obserwowalna jest jedynie składowa wysokiej częstotliwości (30 kHz) związana z pracą łącznika S2. Oznacza to, że wyjściowy kondensator C2 nie uczestniczy w bilansowaniu mocy chwilowych systemów AC oraz DC. Zadanie to jest w całości realizowane przez kondensator C1, zgod-nie z założeniami projektowymi układu. Dowodzi to skutecznej realizacji przez przekształtnik zadania polegającego na bilansowaniu mocy chwilowych syste-mów AC i DC oraz eliminacji składowych podwójnej częstotliwości w napięciu wyjściowym.
Na rysunku 6.6 zaprezentowano przebiegi zarejestrowane dla krótszej podsta-wy czasu. Zgodnie z założeniami układ pracuje w trybie ciągłego prądu dławika L1 oraz w trybie nieciągłego prądu dławika L2. Częstotliwość pracy łączników S1 oraz S2 wynosi tak jak zakładano 30 kHz. Składowa zmienna występująca w napięciu wyjściowym jest zgodnie z założeniami na poziomie około 1% Uoutref,
Rysunek 6.4: Przekształtnik AC–DC - stan ustalony: iL1 (CH1, 2 A/div), uin(CH2, 100 V/div), u1 (CH3, 100 V/div), iL2(CH4, 5 A/div).
Rysunek 6.5: Przekształtnik AC–DC - stan ustalony: iL1(CH1, 2 A/div), uout(składowa ac) (CH2, 5 V/div),
u1 (CH3, 100 V/div), iL2(CH4, 5 A/div).
czyli ∼= 4 V.
Na rysunku 6.7 zaprezentowano przebiegi prądu i napięcia źródła AC (iac, uac), oraz prądu i napięcia obciążenia DC (iout, uout). Zgodnie z założeniami układ wymusza przepływ (z systemu AC) sinusoidalnego i współfazowego z na-pięciem prądu.
Dla układu pracującego w stanie ustalonym wyznaczone zostały (podobnie jak w rozdziale 4.1.3) parametry jakościowe takie jak: sprawność (η), współczyn-nik mocy (PF) czy też współczynwspółczyn-nik zawartości harmonicznych prądu iac(THDI
Rysunek 6.6: Przekształtnik AC–DC - stan ustalony, powiększenie: iL1(CH1, 2 A/div), iL2(CH2, 5 A/div),
u1 (CH3, 100 V/div), uout(składowa ac) (CH4, 5 V/div).
Rysunek 6.7: Przekształtnik AC–DC - stan ustalony: iac(CH1, 5 A/div), uac(CH2, 200 V/div), uout(CH3, 200 V/div), iout (CH4, 1 A/div).
została zarejestrowane z wykorzystaniem oscyloskopu Tektronix DPO 4054 oraz wysokiej klasy sond napięciowych (Testec TT-SI9110, Tektronix P5100) i prą-dowych (Tektronix TCP0030). Częstotliwość próbkowania oscyloskopu wynosi-ła 5 MHz, a analizowano przedział czasu o długości 10 okresów napięcia AC (200 ms). Uzyskane w ten sposób dane pomiarowe (format CSV) posłużyły do numerycznego wyznaczania, w oprogramowaniu Matlab, wymienionych para-metrów jakościowych.
Zmierzona średnia moc systemu AC (moc wejściowa) wynosiła 469,9 W, moc systemu DC (moc wyjściowa) 437,6 W, a całkowita sprawność (η) przetwarzania energii 93,1%. Współczynnik mocy (PF) był równy 0,993, współczynnik
zawar-tości harmonicznych prądu iac (THDI) wyniósł 2,8%, a rzeczywisty współczyn-nik zawartości harmonicznych prądu iac (TTHDI) 11,4%. Taki poziom współ-czynnika T HDI jest związany m.in. z odkształconym przebiegiem napięcia linii na podstawie którego układ sterowania kształtuje prąd wejściowy (brak układu PLL). THDU napięcia sieciowego (uac) w trakcie badań laboratoryjnych wy-nosił ponad 2,6%. Wyznaczone parametry prądu źródła (iac) są porównywalne z wartościami uzyskanymi podczas badań symulacyjnych (tabela 4.1 w rozdziale 4.1.3).
Norma PN-EN 61000-3-2:2007P [2] definiuje poziom dopuszczalnej emisji harmonicznych prądu dla odbiorników o prądzie fazowym¬ 16 A. Poziom emi-sji jest określony jako maksymalna wartość skuteczna prądu dla każdej harmo-nicznej z osobna (do 40-tego rzędu). Na rysunku 6.8a przedstawiono wartości skuteczne harmonicznych prądu wejściowego układu, odniesione do poziomów dopuszczalnych [2]. W całym analizowanym przedziale częstotliwości, badany układ spełnia wymagania określone w normie PN-EN 61000-3-2:2007P.
Dla porównania na rysunku 6.8b zaprezentowano wartości skuteczne harmo-nicznych prądu odniesione do wartości harmonicznej podstawowej. Ponieważ przebieg prądu źródła wykazuje praktycznie taki sam kształt dla obydwu po-laryzacji, to zgodnie z oczekiwaniami występują w nim jedynie harmoniczne nieparzyste. Dominującą jest 5-ta harmoniczna, a powyżej 11-tej harmonicznej ich wartość szybko spada. Wartości harmonicznych wyższych rzędów są porów-nywalne z poziomem zakłóceń pomiarowych.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 0 2 4 6 8 10 f h/f 1 I h /I h d o p . [ % ] a) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 f h/f 1 I h /I 1 [ % ] b)
Rysunek 6.8: Przekształtnik AC–DC - stan ustalony: (a) wartość harmonicznych prądu źródła odniesiona do wartości dopuszczalnych (na podstawie normy PN-EN 61000-3-2:2007P), (b) wartość harmonicznych prądu źródła odniesiona do wartości podstawowej harmonicznej.
Duża część strat występujących w elementach półprzewodnikowych jest ge-nerowana przez tranzystor S2. Dowodzą tego zdjęcia termowizyjne zaprezento-wane na rysunku 6.9. Zaznaczone elementy półprzewodnikowe (tranzystory S1 i S2 oraz diody D1 i D2) chłodzone były z wykorzystaniem takich samych radia-torów. Lepszy dobór typu wykorzystywanego tranzystora S2 (z uwzględnieniem tranzystorów typu MOSFET) mógłby znacząco podnieść sprawność układu (na-wet o kilka procent).
Rysunek 6.9: Przekształtnik AC–DC - zdjęcia termowizyjne zarejestrowane kamerą termowizyjną FLIR i60.