Síntesis y modulación de un convertidor CC/CA monofásico con aislamiento de alta frecuencia sin enlace intermedio en CC

Transcripción

1 íntess y moulacón e un conertor CC/CA monofásco con aslamento e alta frecuenca sn enlace ntermeo en CC J. Berstán, G. Velasco 2, A. Glabert 3, F. Reerter 4, J. Boronau 3 ITON, 5 e Febrero 88, 85, Cua Obregón onora, Méxco 2 UPC-CEIB-EUITIB, Comte Urgell 87, 836, Barcelona, España 3 UPC-Depto. Ingenería Electrónca, Dagonal 647 (ETEIB), 828, Barcelona, España 4 UPC-Depto. Ingenería Electrónca, Campus Castellefels, EPC, A. Canal Olmpc, s/n, 886, Castellefels, España Resumen.- En este artículo se presenta el estuo y la smulacón e un conertor CC/CA monofásco con aslamento galánco utlzano el moelao en el espaco e estao, promeao, con transformacón e coorenaas D-Q y aplcacón e la técnca e control óptmo cuarátco. e aplca la moulacón senoal e anchura e pulso. e presentan resultaos e smulacón en lazo cerrao con un moelo e gran señal mplementao en MATAB. Actualmente se construye un prototpo e este conertor que ncluye un DP para realzar el control. I. Introuccón os sstemas e conersón CC/CA monofáscos presentan múltples aplcacones: acconamentos e motores CA, sstemas e almentacón nnterrumpa, aproechamento e energía solar, etc. En muchos casos, se requere un aslamento entre la entraa y la sala, sea por especfcacones operatas o e segura. Exste un trabajo mportante en la nestgacón e los sstemas e conersón CC/CA con aslamento meante un transformaor e alta frecuenca [-9]. a ea que se escrbe en este artículo tene la entaja e proporconar un aslamento compacto, en alta frecuenca, sn etapas aconales en CC. e basa en un conertor CC/CA e alta frecuenca, un transformaor e alta frecuenca y un conertor CA/CA que pasa, sn enlace ntermeo, e alta frecuenca a la frecuenca e re o smlar. En [,5] se presentan algunas topologías con menos spostos (nersor tpo fasecontrafase y transformaor con toma mea), pero con menor capaca e potenca. a opcón e un nersor en puente completo y un trasformaor con toma mea se presenta en [,4,6,9]. En este trabajo se presenta un sstema e conersón CC/CA con aslamento, basao en el concepto e la Fg.. a topología se usa en [2,3,7,8]. Tambén se presenta un métoo e control que permte regular la tensón y frecuenca e sala. a entaja e esta sposcón es que permte trabajar con potencas meas, a una compleja relatamente baja. Otra entaja noeosa es que la estratega e control permte una conmutacón suae en algunos e los transstores el conertor CA/CA, lo que elmna la necesa e un crcuto recortaor acto [4] y reuce la compleja el crcuto e ayua a la conmutacón. En contraparta, ebe merse el sgno e la corrente e sala. II. Descrpcón y funconamento el conertor a Fg. muestra la topología y el crcuto equalente el conertor CC/CA e alta frecuenca aslao. os spostos a - forman un crcuto nersor que almenta al conertor CA/CA con un oltaje alterno e alta frecuenca, a traés el transformaor que proporcona el aslamento galánco entre la fuente e corrente contnua y la carga el conertor CA/CA. os spostos - 2, 3-4, 2-22 y forman nterruptores a traés e los cuales la corrente puee flur en ambos sentos.

2 Fg. Conertor CC/CA e alta frecuenca y aslamento galánco. El objeto el nersor monofásco es proporconar un oltaje alterno en el prmaro el transformaor, con un solo pulso posto y un solo pulso negato. Genera una tensón rectangular, e alta frecuenca, meante un control bpolar en lazo aberto. Para generar las señales e control e los cuatro nterruptores el conertor CA/CA es necesaro tener tres señales e entraa: sgno e la tensón [sg], sgno el semperoo a generar en la sala [sp], y la señal e moulacón e anchura e pulso PWM que ncará los alores nstantáneos el oltaje e sala []; la arable es la funcón e conmutacón. a tabla e era el sstema combnaconal menconao anterormente se a en la tabla. Tabla. Tabla e era el sstema combnaconal. sp sg Done: sg s V b < y sg s V b > sp s V o < y sp s V o > De tal forma que para cerrar un nterruptor [ b ] eben conucr los os transstores nolucraos [ y 2 ] y abrr un nterruptor [ b ] pasa por poner en corte los os transstores nolucraos [ y 2 ]. Debo a la naturaleza normalmente nucta e la carga, el control e los transstores ebe garantzar que urante la conmutacón e los nterruptores la carga nunca quee en crcuto aberto. De gual forma, el control ebe garantzar que urante la conmutacón e los nterruptores nunca quee en cortocrcuto la fuente e tensón e entraa. Por lo tanto, la conmutacón entre os nterruptores ebe realzarse pasano por estaos ntermeos e las señales que controlan los transstores que forman caa nterruptor. Una PD permte esta secuencacón. III. Moelo en gran señal y pequeña señal a Fg. b. muestra el crcuto smplfcao el conertor CC/CA. Para este análss se conseran los spostos semconuctores e potenca eales y se representan como nterruptores al gual que no se conseran los tempo muertos. e utlza la funcón e conmutacón (t) para efnr el estao e conmutacón e caa nterruptor el conertor: aberto (t) cerrao Para etar el cortocrcuto el secunaro el transformaor y mantener las concones e contnua e la bobna el fltro e sala es necesaro que se cumplan las sguentes restrccones: + + b 2 b 2

3 b 2 Así msmo para etar el cortocrcuto el fltro capacto e entraa es necesaro cumplr: + + ap an bp bn se consera el caso partcular one ac es una señal cuaraa (un solo pulso posto y un solo pulso negato). El oltaje a la entraa el fltro pasabajos utlzano las funcones e conmutacón es: ( 2 )( ) n () 2 ap b one n es la relacón e espral el transformaor e aslamento e alta frecuenca. Para la utlzacón el moelo e espaco e estaos promeaos para el moelao y el control, aemás e conserar spostos semconuctores eales tambén se consera que: No exsten péras en el sstema e supone un fltro e sala pasabajos con elementos eales y una carga ressta, R. a frecuenca e conmutacón es mucho mayor que la frecuenca el oltaje e sala. Analzano el crcuto e la Fg. b. se obtenen las ecuacones e estao que rgen el funconamento el crcuto. O + 2 t (2a) O C O t R () a ecuacón e espacos e estaos el sstema tene la forma e la ecuacón (3). Representa el moelo en gran señal el conertor CC/CA. t [] x A [] x + B[] u one: (3) [] x [ ] T O [ A] [ B] C V n [] u [( 2 )( )] ap b a utlzacón e la técnca e promeao local permte obar el análss e alta frecuenca y concentrarse en trabajar con las componentes e baja frecuenca e (3). El efecto e fltrao e la bobna y el conensaor C justfcan la aproxmacón. el peroo e conmutacón es Ts, entonces el promeao local e cualquer arable z, llamaa ẑ se efne como: ẑ Ts t t Ts z( τ)τ El térmno cclo e trabajo se efne como: t ˆ Ŝ (2ap ) (b ) τ (4) Ts tts Utlzano el métoo e promeao y aplcano la transformacón D-Q se obtene la ecuacón e espacos e estaos promeaa y en coorenaas D-Q, ecuacón(5). Done ω 2πf y f es la frecuenca el oltaje e sala. Por smplca en aelante se consera que toas las arables están promeaas. Para lnealzar se aplca una perturbacón a las arables promeaas. e lnealza en un punto e operacón.

4 t î î ˆ ˆ O ω C ω C ω ω î î ˆ ˆ O Vˆ n + Vˆ n ˆ ˆ q (5) + I + O V O + V + + q q + q I O De las ecuacones resultantes espués e aplcar las perturbacones s se retenen úncamente los térmnos e señal grane aos en el moelo en estao estable se tene: n ω 2 V + VO ( ω C) V (6) R 2 ( ω ) n ω q VO + V C (7) V R (Regulaor lneal cuarátco) operano en coorenaas D-Q utlzano Matlab. a característca e una ley e control óptmo basaa en un ínce e esempeño cuarátco es que se trata e una funcón lneal e las arables e estao, lo cual mplca que se requere realmentar toas las arables e estao. Esto requere que toas las arables estén sponbles para la realmentacón. a técnca QR se utlza para cerrar el lazo e control ebo prncpalmente a la smplfcacón el seño el controlaor y a que toas las arables e estao que son utlzaas para realmentar se pueen sensar fáclmente en la práctca. El esquema que se utlzó es el sguente: I VO ω C V (8) R + V I ω C VO + (9) R Tomano úncamente los térmnos en señal pequeña se obtene el moelo que se muestra en forma matrcal en la ec.(). IV Propuesta e control Para realzar el control a lazo cerrao se propone utlzar un controlaor QR Fg. 2 Esquema e control utlzao. as especfcacones para funconamento en régmen permanente son: V2 V; Vo 22 Vrms; Pomax Watts; CuF; 23mH; R48.4Ω; f5hz (frecuenca el oltaje e sala); fskhz (frecuenca e conmutacón). t O ω C ω C ω ω O V n + V n q ()

5 V. Resultaos e mulacón A partr el moelo e señal grane se realza la smulacón el conertor CC/CA en lazo cerrao. a Fg. 3 muestra la operacón en estao estable el conertor. a gráfca 3(a) muestra el oltaje e sala el conertor CC/CA exactamente antes el fltro pasabajos. a gráfca 3(b) a la eolucón e la corrente en la bobna. a últma gráfca muestra el oltaje en la carga. Fg. 3. Operacón en régmen permanente. a Fg. 4 muestra la respuesta el control ante un cambo e carga el % al 5%. a gráfca 4(a)-(b) muestran la eolucón e la corrente en la bobna el fltro y el oltaje en la carga. Fg. 4 Cambo e carga (%-5% e Po). a Fg. 5 Muestra el comportamento el control ante un escalón en la potenca e sala entre un 5% y un %. Fg. 5 Cambo en la potenca e sala e 5%- %. Conclusones e propone una estratega e control que permte regular la tensón e sala el conertor CC/CA con enlace en alta frecuenca. e trabaja e forma senclla con un controlaor QR y en coorenaas D-Q. e han presentao resultaos e smulacón con MATAB que se complementarán en un futuro próxmo con resultaos expermentales. Referencas [] Haraa, K.; akamoto, H.; hoyama, M., Phase-controlle DC-AC conerter wth hgh-frequency swtchng, IEEE Transactons on Power Electroncs, Volume: 3, Oct. 988, pp [2] Muroyama,.; Aok, T.; Yotsumoto, K., A control metho for a hgh frequency lnk nerter usng cycloconerter technques, Telecommuncatons Energy Conference, 989. INTEEC '89, pp. 9./ -9./6. [3] Aok, T.; Yotsumoto, K.; Muroyama,.; Kenmoch, Y., A new unnterruptble power supply wth a brectonal cycloconerter, Telecommuncatons Energy Conference, 99. INTEEC '9, pp [4] Fujmoto, H.; Kurok, K.; Kagotan, T.; Koguch, H., Photooltac nerter wth a noel cycloconerter for nterconnecton to a utlty lne, Inustry Applcatons Conference, 995. Thrteth IA Annual Meetng, IA '95., pp [5] Haraa, K.; Anan, F.; Yamasak, K.; Jnno, M.; Kawata, Y.; Nakashma, T., Intellgent transformer, Power Electroncs pecalsts Conference, 996. PEC '96, pp [6] Tazume, K.; Aok, T.; Yamashta, T., Noel metho for controllng a hghfrequency lnk nerter usng cycloconerter technques, Power Electroncs pecalsts Conference, 998. PEC 98, pp [7] Kang, M.; Enjet, P.N.; Ptel, I.J., Analyss an esgn of electronc transformers for electrc power strbuton system, IEEE Transactons on Power Electroncs, pp [8] ree, H.; Mohan, N., Voltage sag mtgaton usng a hgh-frequency-lnk cycloconerter-base DVR, Inustral Electroncs ocety, 2. IECON 2, pp [9] ma, F.; Anuncaa, V. Noel acte unnterruptble power supply usng hgh frequency ZV cycloconerters, Inustral Electroncs, 2. IIE 2, pp. 2-7.