The IEEE International Future Energy Challenge 2006. 11. 6.آ  Pulswechselrichter fأ¼r 220V 50Hz und

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of The IEEE International Future Energy Challenge 2006. 11. 6.آ  Pulswechselrichter fأ¼r 220V 50Hz...

  • 1

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    The IEEE International

    Future Energy Challenge 2005

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

  • 2

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Potentialfreier Wechselstrom

    Inselbetrieb Netzeinspeisung

    Entwicklung eines interaktiven Wechselrichters für 1kW

    DC

    AC

    110V 60Hz

    220V 50Hz

    30 .. 60 V ?

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    The IEEE International

    Future Energy Challenge 2005

    Team Aachen/Köln

  • 3

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    FH Köln University of Applied Sciences Cologne

    Institut für Automatisierungstechnik

    Aachen Köln

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    http://www.fec.rwth-aachen.de

    Öffentlicher Teil - Allgemeine Informationen

    - Vorstellung des Teams

    - Sponsoren

    - Links zu den Hochschulen

    Members-area

    - Aufsätze

    - Forum

    - Kontaktadressen

  • 4

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    ELECTRONICA 2004 München, 09 .- 12. November 2004

  • 5

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Sponsoren des Studententeams

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Arbeiten im Labor

  • 6

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    boost converter

    resonant converter

    PWM inverter

    80V DC 400V DC

    ~

    220V 110V AC

    30...60V DC

    ~ Uin

    Uout

    Vorteile

    - Topologien aus Vorlesungen bekannt

    - Einzelne Leistungsstufen können unabhängig voneinander entwickelt und optimiert werden

    Nachteile

    - Höhere Gesamtverluste

    Gesamte Topologie

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Entwicklung des Hochsetzstellers Erste Generation: Einphasiger Hochsetzsteller

    Probleme: - hohe Stromwelligkeit - Messshunts verursachen hohe Verluste

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60

    40

    20

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    0.5us/div

    100

    60

    Ua1t

    IL1t

    50.010 t dt. 106.

  • 7

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    1kW Hochsetzsteller 30V .. 60V = > 80V

    Uin

    Uout

    Uds

    L1

    L2

    Q

    R

    S

    Uref

    IL1

    Iin

    IL2 +Uv

    +

    Iref

    1 50 R UR

    fs

    D1

    T1T2

    D2

    0 0.5 1 1.5 20

    5

    10

    15

    20

    25

    30 Simulation interleaved operation Uin=50V30

    0

    I1 t( )

    I2 t( )

    Iin t( )

    20 t T

    0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

    5

    10

    15

    20

    25

    30 Measured input current at nominal load

    25.938

    0

    Iint

    20.010 t dt⋅ 106⋅

    Ergebnisse der Simulation Gemessene Signalverläufe

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Wirkungsgrad des Hochsetzstellers

    91%

    92%

    93%

    94%

    95%

    96%

    97%

    1000900800700600500400300200150

    Output power

    Ef fic

    ie nc

    y Uin=60V Uin=45V Uin=30V

  • 8

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    boost converter

    resonant converter

    PWM inverter

    80V DC 400V DC

    ~

    220V 110V AC

    30...60V DC

    ~ Uin

    Uout

    Gesamte Topologie

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Entwicklung des Serienresonanzwandlers Erste Generation:

    Halbbrücken-Resonanzwandler Zweite Generation:

    Optimierter Vollbrücken-Resonanzwandler

  • 9

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Uout

    Uds

    Uin

    N1 N2

    Cr σLIc

    T3T1

    T2 T4

    Ro

    Ca La

    Cs

    Cs

    Serienresonanzwandler

    Betriebsfrequenz nahe der Resonanzfrequenz

    ⇒ sinusförmiger Strom Ic

    ⇒ Schalten im Stromnulldurchgang (ZCS)

    ⇒Spannungsabfall an Lσ wird kompensiert

    r RESS CL ff

    ⋅⋅⋅ =≈

    σπ2 1

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 60

    40

    20

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    0.5us/div

    100

    60

    Ict 2 .

    Uds1t

    Uds2t

    100 t dt. 106.

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Uout

    Uds

    Uin

    N1 N2

    Cr σLIc

    T3T1

    T2 T4

    Ro

    Ca La

    Cs

    Cs

    Messungen am Resonanzwandler

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    400

    0 200 400 600 800 1000 1200

    Pa/W

    Ua /V

    0,00

    0,10

    0,20

    0,30

    0,40

    0,50

    0,60

    0,70

    0,80

    0,90

    1,00

    0 200 400 600 800 1000 1200

    Pa /W

    n

    Ua=f(Pa) Wirkungsgrad

  • 10

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Hochsetzsteller und Resonanzwandler auf einer Platine

    Dritte Generation

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    boost converter

    resonant converter

    PWM inverter

    80V DC 400V DC

    ~

    220V 110V AC

    30...60V DC

    ~ Uin

    Uout

    Gesamte Topologie

  • 11

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Wechselrichter PCB (1. Generation)

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Uds1 Uds2 IL2

    IL1

    2C

    110V

    Uds1 Uds2 IL2

    IL1 C

    C

    220V

    Pulswechselrichter für 220V 50Hz und 110V /60Hz (2. Generation)

  • 12

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Measurements of PWM Inverter Output (220V, 50Hz)

    Island mode U=220V, 50Hz

    0,9

    0,92

    0,94

    0,96

    0,98

    1

    0 200 400 600 800 1000 1200 1400

    output power [W]

    ef fic

    ie nc

    y [W

    ]

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50400

    200

    0

    200

    400 turn-on 220V 50Hz with 1kW load315.625

    315.625−

    Ut

    It 40⋅

    50.010 t dt⋅ 103⋅

    Inselbetrieb Netzbetrieb

    Wirkugsgrad

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    boost converter

    resonant converter

    PWM inverter

    80V DC 400V DC

    ~

    220V 110V AC

    30...60V DC

    ~ Uin

    Uout

    Gesamte Topologie

  • 13

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Microcontroller Board (1.Generation)

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Microcontroller Board (3.Generation)

  • 14

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Uin

    Uo

    Uin

    Uo

    Uout

    Uout

    L2

    L1

    IL2

    IL1

    IL

    Iout

    IC

    Co

    Co C

    T1 T2

    T4T3 R

    1 2

    ~

    A D

    A D

    A D

    A D

    A D

    T1 T2 T3 T4

    PWM

    ADuC7026

    Regelung des Pulswechselrichters für Netzeinspeisung und Inselbetrieb

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Standalone Mode (110V) – 1kW Load Steps (0...100%)

    0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 200

    100

    0

    100

    200 110V 60Hz load step 0 -> 1kW

    169.25

    155.75−

    U t

    I t 10⋅

    N dt⋅0 t dt⋅

    0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 200

    100

    0

    100

    200 110V 60Hz load step 0 -> 1kW

    1us/div

    U /V

    169.25

    155.75−

    U t

    I t 10⋅

    0.03.02 t dt⋅

    0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 200

    100

    0

    100

    200 110V 60Hz load step 1kW -> 0

    191.125

    158.875−

    Ut

    It 10⋅

    N dt⋅0 t dt⋅ 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028

    200

    100

    0

    100

    200 110V 60Hz load step 1kW -> 0

    191.125

    158.875−

    Ut

    It 10⋅

    0.030.02 t dt⋅

  • 15

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Netzerkennung-und Ankopplung

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Umschaltung in den Inselbetrieb nach Netzfehler

    0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500400

    200

    0

    200

    400 Change grid to island mode : 220V312.5

    321.875−

    Ut

    500.10 t dt⋅ 103⋅

  • 16

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    T3a T3c

    T3dT3b

    C2a

    C2b

    s1

    s5

    s6 s3

    s4

    s2

    LEM

    virtual current IL

    ~

    220V / 110V 50Hz / 60Hz grid mode

    110V

    220V

    island mode & emergency load

    Uin

    Cr

    N1 N2

    Ls

    Ca La

    Cs Cs

    U1

    Lf1

    Lf2

    Cf1 Cf2

    IC

    Is

    IL1

    80V DC