Limittelymenetelmän hyödyntäminen verkkovaihtosuuntaajassa: LCL-suotimen mitoitus

Abstract

Teollisuudessa yleinen trendi on saada entistä tehokkaampia, halvempia, hyötysuhteeltaan parempia ja fyysisiltä mitoiltaan pienempiä sähkökäyttöjä. Luonnollisesti nämä vaatimukset ovat samoja myös taajuusmuuttajilla. Näiden vaatimusten välillä täytyy aina tehdä kompromisseja ja kehittää uusia menetelmiä. Monissa teollisuuden sähkökäytöissä tarvitaan verkkovaihtosuuntaajaa syöttämään tehoa generaattorilta tai jarrutettavalta moottorilta sähköverkkoon. Verkkovaihtosuuntaajassa käytännössä tarvitaan aina LCL-suodin, joka on fyysisesti järjestelmän suurin ja kallein yksittäinen komponentti, ja luonnollisesti suuritehoinen laite vaatii suuren LCL-suotimen. LCL-Suotimen fyysinen koko on kääntäen verrannollinen kytkentätaajuuteen. Tässä diplomityössä esitellään interleaving eli limittelymenetelmä, jonka avulla pystytään kasvattamaan verkkovaihtosuuntaajan ekvivalenttista kytkentätaajuutta ja pienentämään virran värettä sekä kokonaisharmonista säröä. Menetelmästä aiheutuu myös merkittävä haaste, kiertovirrat, joiden suodatusta tutkitaan kahdella eri menetelmällä. Käytetyt suodatustavat ovat LCL-suodin, jossa on lisäksi CM-kuristin ja LCL-suodin, jossa käytetään solujen välistä muuntajaa, ICT:tä. Työ suoritettiin teoriatutkimuksena ja simuloimalla. Tulokset osoittavat, että molemmat suodatustavat voivat toimia todellisessa sovelluksessa. Kuitenkin vain ICT:n omaava suodin on selkeästi vastaavan kokoista kaksitasoista verkkovaihtosuuntaajan suodinta pienempi. Tutkimus osoittaa myös sen, että tutkitussa sovelluskohteessa pelkkä fyysinen suodin ei riitä suodattamaan kiertovirtoja, vaan säätimeen täytyy tehdä myös muutoksia.

In industrial electrical drives general trend is to obtain more powerful and cheaper drives with better efficiency and smaller physical size. Naturally, the requirements also apply to frequency converters. Between these requirements one must always make compromises and develop new methods. In many industrial electrical drives an active front end is needed to supply power from generator or braking motor to grid. An LCL-filter with active front end is always needed and it is the largest and the most expensive single component of the system. Naturally more powerful devise needs a bigger LCL-filter. The physical size of an LCL-filter is also inversely proportional to switching frequency. In this master’s thesis an interleaving method is studied enabling the equivalent switching frequency of an active front end can be risen and current ripple and total harmonic distortion reduced. This method causes a significant challenge, cross current, the filtering of which is studied with two different methods. The filter types studied are an LCL-filter with a CM-choke and an LCL-filter which uses an ICT. This thesis was done by researching the theory of interleaving and by simulating different versions. The results show that both of the studied filtering methods can work in real application. However, only the filter with ICT is remarkably smaller than a traditional same power rating two-level active front end. The research shows also that in this case cross currents cannot be filtered with only a physical filter but the controller needs to be modified, too.