Zvýšení účinnosti polovodičového měniče – problematika zahřívání výkonových kondenzátorů a balančních rezistorů

1. Úvod

Elektrická energie vyrobená ve zdrojích TCO se používá především přímo v centru nebo je tato energie uložena v olověných trakčních bateriích, které jsou primárním úložištěm centra. Energetický systém TCO je tvořen dvěma výkonovými sběrnicemi, a to střídavou (AC) výkonovou sběrnicí se jmenovitým napětím 3 × 400 V/50 Hz a dále stejnosměrnou (DC) výkonovou sběrnicí se jmenovitým napětím 400 V. Střídavá sběrnice se používá pro připojení k distribuční síti, pro napojení elektrického generátoru střídavého proudu. Stejnosměrná sběrnice se používá hlavně pro připojení akumulačních systémů a také pro připojení DC elektrických zdrojů (solární panely a vodíkové palivové články). Tyto zdroje jsou připojeny ke společné sběrnici pomocí vazebních DC/DC měničů. Vazba mezi stejnosměrnou a střídavou sběrnicí je zabezpečena AC/DC výkonovými polovodičovými měniči. Tyto měniče (konvertory) jsou schopné obousměrného toku energie. Blokové schéma tohoto systému je znázorněno na obrázku 1. [1] 

Vzhledem k požadavku na variabilitu a univerzálnost měničů byl vyvinut třífázový měnič složený ze tří „H“ můstků neboli plných můstků. Tento koncept zachycuje obrázek 2.

Koncept umožňuje velkou variabilitu celého měniče. Může být použit ve variantách jako třífázový měnič, třífázový usměrňovač, tři jednofázové střídače, tři jednofázové usměrňovače nebo kombinace měničů jednofázových a usměrňovače, popřípadě dvou třífázových střídačů. Při použití varianty jako jeden třífázový měnič navíc je možnost vytvářet jak bipolární, tak unipolární modulované výstupní napětí. [1]

Měnič je určen pro maximální výstupní proud 200 A při vstupním napětí až 800 V DC. Typový výkon měniče je 75 kW. Výkonové spínací prvky jsou v tomto měniči typu bezpotenciálových křemíkových IGBT modulů (tranzistorů) s maximálním kolektorovým proudem 200 A. Ztrátový výkon při maximálním zatížení měniče byl vypočten 750 W na tranzistorový modul (tj. pro dva tranzistory). Na základě teplotních simulací, s ohledem na ztrátový výkon měniče (cca 4500 W → teoretická účinnost měniče 94 %), je pro odvod ztrátového tepla zvoleno kapalinové chlazení. Celkové uspořádání komponentů uvnitř měniče demonstruje 3D model (obr. 3). Z horní strany jsou vyvedeny DC vstupy a odvzdušňovací ventily chladiče, na spodní straně jsou vyvedeny výstupní terminály měniče a chladicího okruhu. V pravém horním rohu jsou nízkovýkonové obvody měniče – mikroprocesorový řídicí modul, modul měření, budicí obvody, napájecí zdroje. [1]

2. Kondenzátorová baterie pro výkonový měnič

Stejnosměrný meziobvod měniče je realizován z kondenzátorové baterie skládající se z osmi výkonových elektrolytických kondenzátorů firmy Kendeil s kapacitou 2 200 μF / 400 V. Vždy dva kondenzátory jsou zapojeny do série, aby bylo dosaženo vyššího provozního napětí (napětí připojeného akumulátoru může dosáhnout až 500 V), poté jsou propojeny paralelně. Ke každému kondenzátoru je paralelně připojen rezistor 27 kΩ. Tyto rezistory plní funkci přesného napěťového děliče a tak rovnoměrně rozloží celkové napětí baterie na jednotlivé kondenzátory. Celková kapacita meziobvodu je 4,4 mF pro maximálním napětí 800 V DC.

Návrh kondenzátorové baterie byl proveden v programu OrCAD PSpice. Na základě simulací bylo zjištěno, že proud kondenzátorů se skládá z několika dominantních frekvenčních složek. Výsledky simulací kmitočtového spektra jsou uvedeny na obr. 4. [1]

Po vytvoření simulace proudového spektra kondenzátoru jsou hodnoty pro jednotlivé frekvenční složky vloženy do programu Kendeil Lifetime Calculator [2]. Výsledky výpočtů (tab. 1) ukazují ztráty pro jednotlivé frekvence, celkovou výkonovou ztrátu vznikající v kondenzátoru a střední délku života (životnost). 

Tab. 1 Simulační výsledky výkonové ztráty na kondenzátorové baterii

Simulační výsledky ukazují, že vypočtená hodnota ztrátového výkonu jednoho z kondenzátorů je téměř 3 W. Tento výkon ohřívá kondenzátor téměř o 9 °C. Vzhledem k počátečnímu předpokladu, že ztrátový výkon v jednom výkonovém kondenzátoru bude přibližně 4 W, se jeví tyto výsledky jako správné. [2], [4] 

2.1. Životnost kondenzátorové baterie

Při konstrukci výkonových polovodičových měničů je třeba umístit filtrační kondenzátory tak, aby byly dostatečně chlazeny (v případě elektrolytických kondenzátorů je to obzvláště důležité). Použitelný teplotní rozsah je závislý na vlastnostech daného typu kondenzátoru a bývá zpravidla v rozmezí pracovních teplot od –40 °C do +85 °C či 105 °C. Prakticky lze konstatovat, že při zvýšení teploty o 10 °C dvojnásobně klesne předpokládaná životnost (obr. 5). 

Životnost (provozní doba) kondenzátoru je definována následovně:

kde t_{cap_life} je předpokládaná životnost v provozních hodinách, t_opmax životnost při maximální provozní teplotě, T_max je aktuální provozní teplota kondenzátoru, T_j je teplota jádra kondenzátoru, tzv. „horký bod“.

Pro specifické provozní podmínky měniče po dosazení do rovnice (1) dostaneme:

Životnost kondenzátoru ovlivňuje také zvlnění proudu. Proto je vhodné nepřekračovat maximální povolené zvlnění proudu, jelikož se tím potom zkracuje životnost kondenzátoru a může to také následně vést k průrazu dielektrika a totálnímu zničení. Často se stává, že výkonová ztráta v důsledku zvlnění proudu je významnější než teplota okolního prostředí. [4] 

2.2. Balanční rezistory pro kondenzátorovou banku

Následující popis balančních rezistorů je proveden na typickém jednoduchém schématu zapojení, kdy jsou zapojeny dva kondenzátory v sérii. Otázkou je: Jaké může být připojeno na kondenzátory maximální napětí? Máme dva kondenzátory o jmenovitém napětí 400 V s tolerancí ± 20 %. Celkové připojitelné napětí je 800 V DC a v ideálním případě by mělo být na každém kondenzátoru poloviční napětí. Nicméně vlivem toleranční odchylky bude maximální připojitelné napětí nižší. [6]

kde V_{min_cap} je maximální hodnota napětí na kondenzátoru, V_DClink je jmenovitá hodnota napětí připojená na celou kondenzátorovou baterii, MIN_tol je spodní mez tolerance, MAX_tol je horní mez tolerance kondenzátoru.

Dosazením do rovnice (3) hodnoty z naší aplikace dostáváme:

Tato hodnota je maximální hodnota na kondenzátoru bez balančních rezistorů. Proto je doporučené použít balančních rezistorů pro omezení přepětí.

Z praktického hlediska je pro určení hodnoty balančního rezistoru výhodné použít následující vzorec:

kde R_bal je hodnota balančního rezistoru a C kapacita kondenzátoru v μF.

Z praktického hlediska bylo u testovaných střídačů v TCO zjištěno, že z pohledu snížení ztrát se jeví výhodné použít dvojnásobnou hodnotu odporu, než se vypočítá podle rovnice 5. [6] 

2.3. Situační schémata balančních rezistorů

V průmyslových aplikacích polovodičových měničů se setkáváme se dvěma základními zapojeními balančních rezistorů:

1) Jeden balanční rezistor pro každý kondenzátor (varianta xR)

Pozitivní vlastnosti:

• V případě selhání kondenzátoru selže jen kondenzátor(y) v sériové větvi. Ostatní paralelní větve to nepostihne.

Negativní vlastnosti:

• Mnoho (drahých) rezistorů v měniči.
• Mnoho tepelných zdrojů uvnitř měniče. [5], [6] 

2) Dva paralelní rezistory (variant 2R)

Pozitivní vlastnosti:

• Lepší vyvážení systému při více paralelních kondenzátorových větvích.
• Potřeba pouze dvou rezistorů.
• Levnější řešení, menší chybovost.
• Menší montážní prostor v měniči.
• Méně zdrojů tepla v měniči.

Negativní vlastnosti:

• Při poruše jednoho kondenzátoru dochází z důvodu rozvážení napěťového děliče na všech komponentech k destrukci celé kondenzátorové baterie. [5], [6] 

3. Analýza přehřívání kondenzátorů

Jelikož jsme při provozních testech měničů v akumulátorovně TCO zjistili, že se omezuje typový výkon měniče z důvodu vysoké teploty vnitřního prostoru měniče, bylo nutné určit zdroj dodatečného tepla a poté jej eliminovat. Bylo zjištěno, že dochází k přehřívání kondenzátorů v meziobvodu měniče. Kondenzátory jsou sice schopny pracovat s provozními teplotami do 85 °C, avšak jejich životnost se v tom případě zkracuje. Naměřená teplota v měniči na povrchu kondenzátorů byla 70 °C. Proto bylo nutné určit pravou příčinu vysokého ohřevu kondenzátorů. Výkonový měnič při režimu nabíjení trakčních baterií pracuje při výkonu 35 kW, což odpovídá přibližně 80 A. Testování měniče bylo ukončeno, když teplota kondenzátorů dosáhla 70 °C a teplota na balančních rezistorech dosáhla hodnoty 105 °C. Takové teploty mají již značný vliv na životnost kondenzátorů a balančních rezistorů. 

3.1. Simulace výkonové ztráty balančních rezistorů

Pro zjištění ztráty na rezistorech a napěťových a proudových poměrech na jednotlivých kondenzátorech, a to převážně v přechodových stavech, bylo vytvořeno simulační schéma pro variantu XR a 2R (obr. 8) [7].

Z výsledků simulace je zřejmé, že aktuální konfigurace balančních odporů 27 kΩ varianty xR v měniči má celkovou výkonovou ztrátu cca 10 W na odpor. Při použití varianty 2R bude celková hodnota rezistorů 54 kΩ a ztrátový výkon se sníží na téměř 2 W. 

3.2. Modifikace balančního systému kondenzátorové baterie a experimentální ověření

Pro snížení ztrátového výkonu stávajícího systému byl balanční systém upraven na variantu 2R (obr. 9). Experimentální měření byla provedena s použitím infrakamery. Snížením výkonové ztráty na balančních rezistorech se docílilo snížení teploty ze 105 °C na přibližně 45 °C.

Současně s měřením teploty kondenzátorové baterie byl měřen také napěťový dělič vyvážení balančního systému pomocí osciloskopu. Tím bylo ověřováno, jaký vliv na vyvážení má dvojnásobný nárůst hodnoty bilančních rezistorů. Z obr. 10 a 11 je zřejmé, že hodnota balančních rezistorů nemá vliv na vyvážení napětí nebo na zvlnění napětí (v obou případech asi 2,5 V). Měření bylo prováděno při nabíjení akumulátorů proudem 80 A.  

Závěr

Důvodem, proč jsme zasahovali do konstrukce měniče, bylo převážně to, že přehřáté balanční rezistory vyhřívaly vnitřní prostor měniče, oteplovaly šroubové svorky výkonových kondenzátorů a snižovala se životnost rezistorů (dva již byly z důvodu přerušení vyměněny). Tak výrazné oteplení dále omezovalo elektrický výkon celého měniče. Z výše uvedeného rozboru a experimentálního měření je zřejmé, že je možné vyměnit balanční rezistory ze systému xR na 2R bez vlivu na funkci měniče. Benefitem je snížení teploty balančních rezistorů ze 105 °C na 45 °C a dále zvýšení účinnosti měniče o cca 0,2 %. 

Poděkování

Tento článek vznikl za podpory projektu LO1404: Udržitelný rozvoj Centra ENET, Studentského grantového projektu SP2016/128, projektu LE13011 a projektu TACR: TH01020426. 

Literatura

[1] Opluštil, J. Metody řízení moderních soustav s akumulací elektrické energie. Ostrava: VŠB-TUO, 2014.

[2] Lifecalculation: Kendeil [online]. 2015: Kendeil, 2015 [cit. 2016-05-31]. at: http://www.kendeil.com/ElectrolyticCapacitors/Lifecalculation.aspx. 

[3] SSL extends lifespan of LED bulb. NOTOHAMIPRODJO, Hubertus. SSL extends lifespan of LED bulb [online]. 2013 [cit. 2016-04-28]. at: http://m.eetasia.com/ART_8800685963_480700_TA_0bdf5b4d.HTM#.V0yzC75Fyk9.

[4] Useful life. Useful life [online]. Kendeil, 2015 [cit. 2016-05-26]. at: http://www.kendeil.com/Portals/0/pdf/Useful_life.pdf.

[5] Aluminum Electrolytic Capacitor Application Guide. Aluminum Electrolytic Capacitor Application Guide [online]. CDM Cornell Dubilier, 2015 [cit. 2016-05-18]. at: http:/www.cde.com/resources/catalogs/AEappGUIDE.pdf.

[6] Guidelines for aluminium electrolytic capacitors. Guidelines for aluminium electrolytic capacitors [online]. Kendeil [cit. 2016-05-05]. at: http://www.kendeil.com/Portals/0/pdf/guidelines_for_aluminium_electrolytic_capacitors.pdf.

[7] Misak, S., Pokorny V. and P. Kacor. Modelling of Antiphase Noise Reduction of a Transformer. In: Intelligent Systems for Computer Modelling. Springer International Publishing, 2016. p. 233-243.

Recenzent: doc. Ing. Stanislav Mišák, Ph.D., VŠB-TU Ostrava, FEI, certifikovaná osoba na funkci Technik diagnostik elektrických zařízení – kategorie II