Henryk Kołodziej, Tomasz Biskup, Andrzej Cieniuch, Adam Kawa, Jarosław Michalak

1. Wstęp – zasilanie z sieci trakcyjnej

Podstawowym sposobem zasilania kolejowych urządzeń nietrakcyjnych są linie niskiego lub średniego napięcia, co może być rozwiązaniem kosztownym. Alternatywą może być zastosowanie energoelektronicznego zasilacza AC podłączonego do sieci trakcyjnej 3 kV DC, przy zapewnieniu jego odpowiednich właściwości, np. związanych z odpornością na przepięcia występujące w sieci trakcyjnej [1].

Autorzy, w ramach projektu FENG.01.01-IP.02-0274/23, opracowują takie rozwiązanie o mocy 15 kVA. Artykuł prezentuje wybrane zagadnienia związane z realizacją stopnia wyjściowego, którym jest przekształtnik DC/AC (falownik napięcia) generujący napięcie przemienne 230V/50Hz. Przekształtnik służy do zasilania odbiorników nietrakcyjnych i zapewnia założony kształt napięcia wyjściowego, co wymaga odpowiedniej metody modulacji szerokości impulsów MSI oraz pasywnego filtra wyjściowego LC. Od wyboru metody modulacji szerokości impulsów zależy z jednej strony poziom składowej tętniącej prądu przekształtnika i napięcia wyjściowego, a z drugiej strony wartość składowej wspólnej napięcia wyjściowego, która może powodować problemy z kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC).

W artykule omówiono konstrukcję przekształtnika DC/AC wraz z układem regulacji oraz problematykę doboru filtra LC. Następnie przedstawiono i porównano trzy metody modulacji MSI stosowane w falownikach napięcia (bipolarną, unipolarną oraz hybrydową) pod kątem poziomu tętnień prądu przekształtnika, pochodzących od przełączeń tranzystorów oraz generacji napięcia składowej wspólnej wraz z pokazaniem środków zaradczych ze względu na zapewnienie kompatybilności elektromagnetycznej. Analiza działania poszczególnych metod modulacji uzupełniona została o wyniki badań symulacyjnych. Dla wybranej metody modulacji przedstawiono wyniki testów eksperymentalnych (statycznych i dynamicznych) zasilania odbiorników.

2. Budowa przekształtnika DC/AC i topologia układu

Jednofazowy przekształtnik DC/AC z filtrami wyjściowymi oraz układem regulacji pokazany został na rys. 1. Stopień wejściowy – przekształtnik DC/DC ISOP (Input Series Output Parallel) podłączony jest do sieci trakcyjnej 3 kV DC, zapewniając przekazywanie mocy do kondensatora obwodu pośredniczącego. Przekształtnik ten zapewnia separację od sieci trakcyjnej i jego praca zależy od sygnału prądu zadanego (wypracowywanego w regulatorze PI napięcia DC) z układu sterowania przekształtnika DC/AC.

Przekształtnik wyjściowy DC/AC składa się z tranzystorów IGBT T₁ – T₄ przełączanych tak, aby zapewnić odpowiednio zmodulowany kształt napięcia. Tranzystory przełączane są z częstotliwością 10 kHz. Dzięki wyjściowemu filtrowi LC (dławik L_F i kondensator C_F) w napięciu z przekształtnika tłumiona jest składowa napięcia związana z przełączeniami tranzystorów i napięcie na kondensatorze C_F ma kształt bliski sinusoidzie o odpowiednich dla zasilanych odbiorników parametrach (230 V, 50 Hz, THD napięcia poniżej 5%).

Kolejnym elementem jest filtr składowej wspólnej składający się z dławika sprzężonego L_CM oraz kondensatora C_Y. Filtr ten ma za zadanie wytłumić zaburzenia składowej wspólnej generowane przez pracę przekształtnika DC/AC z określoną metodą modulacji szerokości impulsów MSI.

Układ regulacji przekształtnika DC/AC bazuje na pomiarze napięcia obwodu DC U_DC, napięcia wyjściowego u_CF, oraz prądu dławika i_LF (zabezpieczenie przed zwarciem i przeciążeniem). Napięcie U_DC wykorzystywane jest do sterowania przekształtnikiem ISOP oraz w modulatorze generującym sygnały sterujące dla tranzystorów. Ze względu na spadki napięcia w obwodach przekształtnika układ sterowania koryguje współczynnik głębokości modulacji w regulatorze PI wartości skutecznej napięcia wyjściowego u_CF. Zapewnia to zasilanie odbiorników znamionowym napięciem przy różnych warunkach pracy.

Dobór filtra wyjściowego LC

Ponieważ napięcie wyjściowe z przekształtnika DC/AC jest modulowane, ważny jest odpowiedni dobór elementów filtra wyjściowego LC. Dławik L_F dobiera się ze względu na poziom tętnień prądu wyjściowego przekształtnika. Minimalną wartość indukcyjności określa zależność (1):

gdzie:
U_DC – napięcie obwodu DC;
k – współczynnik zależny od metody modulacji;
f – częstotliwość przełączeń tranzystorów;
ΔI_LF – założona amplituda tętnień prądu.

Należy nadmienić, że metoda modulacji wpływa na pracę przekształtnika oraz na dobór dławika. Dla modulacji bipolarnej należy przyjąć współczynnik k = 1, dla modulacji unipolarnej k = 4, a dla modulacji hybrydowej k = 2. Spowodowane jest to różnymi poziomami i częstotliwością składowej tętniącej napięcia wyjściowego przekształtnika DC/AC.

Pojemność kondensatora C_F dobiera się tak, aby ograniczyć tętnienia związane z przełączeniami tranzystorów w napięciu wyjściowym. Zakładając, że cała składowa tętniąca prądu dławika filtra płynie przez pojemność filtra, minimalną pojemność zapewniającą wymagany poziom tętnień napięcia określa zależność (2):

Rozważając przekształtnik DC/AC o mocy S_N = 15 kVA, przy częstotliwości przełączeń tranzystorów 10 kHz i modulacji unipolarnej, aby uzyskać względne tętnienia prądu poniżej 8% zastosowano dławik 400 μH. Aby względne tętnienia napięcia wyjściowego były poniżej 1,5%, zastosowano kondensator o pojemności 20 μF. Przy tych samych parametrach filtra, dla modulacji bipolarnej względne tętnienia prądu wynoszą 27%, a napięcia 4,8%. Przedstawione w dalszej części badania symulacyjne uzyskano dla modelu przekształtnika o podanych parametrach filtra.

3. Metody modulacji w przekształtniku DC/AC

Wybór metody modulacji realizowanej w sterowaniu przekształtnika, przekłada się na poziom tętnień prądu dławika filtra L_F oraz poziom tętnień napięcia wyjściowego związanych z przełączeniami tranzystorów i jest istotnym zagadnieniem konstrukcyjnym. W praktyce najczęściej stosuje się jedną z poniżej opisanych metod modulacji – bipolarną, unipolarną lub hybrydową [2, 3, 4].

Modulacja bipolarna, unipolarna i hybrydowa

Metoda bipolarna charakteryzuje się tym, że odpowiednie pary tranzystorów (T₁ z T₄ oraz T₂ z T₃) w przekształtniku przełączają się naprzemiennie. Powoduje to, że napięcie przekształtnika przyjmuje dwa poziomy – dodatnie lub ujemne napięcie obwodu DC. Wynik symulacji dla tej metody (napięcie przekształtnika u_F, prąd dławika i_LF i napięcie wyjściowe u_CF) pokazano na rys. 2. Składowa zmienna napięcia wyjściowego związana z modulacją ma częstotliwość zgodną z częstotliwością przełączeń tranzystorów, która dla wszystkich symulacji wynosiła 10 kHz. Należy zauważyć, że metoda bipolarna powoduje największe tętnienia prądu dławika co przekłada się również na największe tętnienia napięcia wyjściowego.

Kolejna metoda – unipolarna, zapewnia znacząco mniejszą składową zmienną napięcia przekształtnika u_F. W tym przypadku przełączenia tranzystorów następują inaczej dla dodatniej połówki sinusoidy napięcia – sekwencja: T₂+T₄, T₁+T₄, T₁+T₃, T₁+T₄, a inaczej dla ujemnej połówki – sekwencja: T₂+T₄, T₂+T₃, T₁+T₃, T₂+T₃. Wyniki symulacji dla tej metody pokazano na rys. 3. Właściwością modulacji unipolarnej jest to, że składowa napięcia na dławiku związana z modulacją ma częstotliwość dwa razy większą niż częstotliwość przełączania tranzystorów.

Napięcie przekształtnika u_F przyjmuje w modulacji unipolarnej wartości: zero oraz dodatnie lub ujemne napięcie obwodu DC i w konsekwencji tętnienia prądu dławika są cztery razy mniejsze niż w metodzie bipolarnej.

Przy metodzie unipolarnej i bipolarnej tranzystory przełączają się ze stałą częstotliwością w całym cyklu napięcia wyjściowego. W celu ograniczenia strat łączeniowych stosuje się metodę hybrydową, dla której przebiegi pokazano na rys. 4. W tym przypadku dla dodatniej części sinusoidy tranzystor T₄ jest stale załączony, T₃ wyłączony, natomiast tranzystory T₁ i T₂ są przełączane. Dla ujemnej części sinusoidy tranzystor T₂ jest stale załączony, T₁ wyłączony, natomiast tranzystory T₃ i T₄ są przełączane. Prowadzi to do redukcji strat przełączeń o połowę, zapewnia unipolarne napięcie wyjściowe, a tętnienia prądu dławika mają częstotliwość jak dla metody bipolarnej, ale ich amplituda jest dwa razy mniejsza.

Generacja składowej wspólnej napięcia

Kolejnym ważnym zagadnieniem związanym z metodami modulacji jest generacja składowej wspólnej napięcia. Składowa ta wynika z sekwencji przełączeń tranzystorów (stanów z zerowym napięciem wyjściowym) i powoduje gwałtowne zmiany potencjału obwodu DC względem ziemi. Na rys. 5 pokazano napięcia bieguna dodatniego obwodu DC u_+PE oraz przewodu fazowego u_LPE względem ziemi (przewodu PE) dla modulacji unipolarnej, dla której efekt ten jest najsilniejszy (bez filtra składowej wspólnej, pokazanego na rys. 1).

Dla modulacji hybrydowej poziom tych zmian jest mniejszy (wektory zerowe powstają tylko poprzez załączanie tranzystorów T₂+T₄), natomiast dla modulacji bipolarnej problem ten praktycznie nie występuje (nie występują stany z zerowym napięciem wyjściowym). Duże i szybkie zmiany napięcia składowej wspólnej powodują przeładowywanie pojemności doziemnych i przepływ prądów pasożytniczych. Podobny efekt (w mniejszym stopniu) występuje dla metody hybrydowej. W celu redukcji składowej wspólnej stosuje się filtry EMC (przykładem jest dławik składowej wspólnej oraz kondensator C_Y – rys. 1).

Prądy składowej wspólnej zamykają się poprzez pasożytnicze pojemności doziemne w przekształtniku (pojemności między dodatnim i ujemnym biegunem DC a ziemią). Na rys. 6 pokazano wyniki symulacji odpowiednio dla modulacji unipolarnej i hybrydowej z filtrem składowej wspólnej oraz pojemnościami doziemnymi. Filtr pozwala na wytłumienie, w składowej wspólnej napięcia, tętnień powodowanych przełączeniami tranzystorów, przy czym kształt napięcia zależy od metody modulacji. Problem napięcia składowej wspólnej jest dużym wyzwaniem np. w instalacjach fotowoltaicznych, co doprowadziło do powstania nowych topologii przekształtników DC/AC [5].

4. Badania eksperymentalne

Na rys. 7 i 8 pokazano wybrane wyniki badań eksperymentalnych opracowanego rozwiązania. W przekształtniku DC/AC zastosowano modulację unipolarną, głównie ze względu na potrzebę ograniczenia gabarytów filtra wyjściowego. Parametry przekształtnika DC/AC były takie jak w modelu symulacyjnym. Przedstawione wyniki badań uzupełniają wcześniej prezentowane wyniki symulacji.

Na rys. 7 pokazano pracę całego układu (przekształtniki DC/AC i ISOP). Test prezentuje reakcję układu na skokową zmianę obciążenia. Napięcie wyjściowe u_CF, przed i po zmianie obciążenia ma kształt sinusoidalny, o małej zawartości harmonicznych. W stanie dynamicznym zauważyć można zmianę amplitudy, której wartość korygowana jest przez układ regulacji wartości skutecznej napięcia wyjściowego. W prądzie dławika widoczne są tętnienia spowodowane przełączeniami tranzystorów, ograniczone przez dławik L_F.

Zmiana mocy obciążenia powoduje chwilowe zmniejszenie napięcia obwodu DC (U_DC), czemu przeciwdziała układ regulacji zwiększając prąd przekształtnika ISOP i napięcie to po stanie przejściowym powraca do wartości zadanej. Na rys. 8 przedstawiono wyniki testów ze zmiennym obciążeniem (zilustrowanych przebiegiem prądu obciążenia). Mała zmienność wartości skutecznej napięcia wyjściowego potwierdza skuteczność układów regulacji wdrożonych w urządzeniu. Praca przekształtnika nie była istotnie zaburzona nawet przy dołączeniu odbiorników nieliniowych.

5. Podsumowanie

Artykuł prezentuje wybrane zagadnienia dotyczące jednofazowego przekształtnika DC/AC. Stanowi on stopień wyjściowy opracowywanego układu zasilania kolejowych urządzeń nietrakcyjnych energią z sieci trakcyjnej. Przedstawiono metodykę doboru filtra LC, uwzględniającą metodę modulacji, która zapewnia wymagany poziom tętnień prądu przekształtnika i napięcia wyjściowego. Omówiono metody modulacji: bipolarną, unipolarną i hybrydową i jakie konsekwencje niesie wybór jednej z nich. Przy omawianiu przedstawiono wpływ na tętnienia napięć i prądów, generację składowej wspólnej napięcia oraz straty przełączania. Analizę uzupełniono wynikami badań symulacyjnych. Artykuł przedstawia również układ sterowania oraz wybrane wyniki badań eksperymentalnych. Uzyskane wyniki potwierdzają realizację założonej dla przekształtnika funkcjonalności oraz skuteczność jego pracy przy różnych obciążeniach.

6. Informacje dodatkowe

Artykuł prezentuje wyniki związane z realizowanym projektem współfinansowanym ze środków Unii Europejskiej w ramach programu operacyjnego Europejskiego Funduszu dla Nowoczesnej Gospodarki nr FENG.01.01-IP.02-0274/23, pt. „Opracowanie i przebadanie energoelektronicznego zasilacza AC potrzeb nietrakcyjnych”

Literatura

[1] Kołodziej H., Kawa A., Cieniuch A., Michalak J.: Przekształtnik 3kV DC/230V AC do zasilania kolejowych urządzeń nietrakcyjnych – wybrane problemy. Materiały konferencyjne „Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych” PEMINE, 2024.
[2] Xia Y., Ayyanar R.: Comprehensive comparison of THD and common mode leakage current of bipolar, unipolar and hybrid modulation schemes for single phase grid connected full bridge inverters. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Tampa, FL, USA, 2017, pp. 743–750.
[3] Attia H., Che H., Tan F., Elkhateb A.: Bipolar and unipolar schemes for confined band variable switching frequency PWM based inverter. International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 11, No. 5, 2021.
[4] Sudha L.U., Baskaran J. and Thamizharasan S.: Hybrid PWM strategies for power balance in H bridge inverter. International
[5] Conference on Computation of Power, Energy, Information and Communication, Chennai, India, 2014, pp. 536–539.
Teodorescu R., Liserre M., Rodriguez P.: Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems. Wiley-IEEE Press, United Kingdom, 2011.

Henryk Kołodziej, Tomasz Biskup, Andrzej Cieniuch, Adam Kawa, Jarosław Michalak (e-mail: j.michalak@enel-pc.pl) – ENEL-PC Sp. z o.o.