Conversores a Tiristor & Elos CCAT Maurício Aredes

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1 Curso de Transmissão em Corrente Contínua Conversores a Tiristor & Elos CCAT Maurício Aredes COPPE / UFRJ PATROCÍNIO: ORGANIZAÇÃO: APOIO:

2 Conversores a Tiristor & Elos CCAT Referências: 1. N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, POWER ELECTRONICS Converters, Applications, and Design, 3 rd Ed., Wiley Inc., 2003, ISBN: H. Akagi, E. H. Watanabe, M. Aredes, Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning, IEEE Press / Wiley-Interscience, 2007, ISBN:

3 Diodes On and off states controlled by the power circuit Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

4 Thyristors 1. Semi-controlled device 2. Latches ON by a gatecurrent pulse if forward biased 3. Turns-off if current tries to reverse Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

5 Thyristors For successful turn-off, reverse voltage required for an interval greater than the turn-off interval Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

6 Thyristor Converters Two-quadrant conversion Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

7 UFRJ Retificador Controlado a Tiristor conversor FONTE AC CARGA DC sistema de potência comutação natural motores dc, forno a arco, transmissão dc, etc... suprir energia DC, de forma controlada Federal University of Rio de Janeiro COPPE/EE/UFRJ Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

8 UFRJ Inversor Controlado a Tiristor conversor CARGA AC FONTE DC sistema de potência comutação natural baterias dc, transmissão dc, etc... suprir energia AC, de forma controlada, mas... é necessário tensão AC para comutar os tiristores Federal University of Rio de Janeiro COPPE/EE/UFRJ Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

9 Single-Phase Thyristor Converters Assuming zero ac-side inductance instantaneous commutation Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

10 Single-Phase Thyristor Converters Assuming instantaneous commutation at a = 0º (ideal diode bridge) Vdo 2VS sint dt T 2 1 T 2 V Average dc voltage: since, do 2 2 V T 2V cost S 0 T f, it comes that T S Curso de Transmissão em Corrente Contínua v s v d V do COPPE UFRJ

11 V Single-Phase Thyristor Converter Waveforms Assuming zero ac-side inductance 1 Vda 2V S sin t d( t) V da da V 0 do a a 2 2 V S cosa A 2 2V sin t d( t) A a a a S A S a 2 2V 1cosa, or 2 2 V a V cosa V d S do cosa

12 Average dc voltage Assuming zero ac-side inductance instantaneous commutation Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

13 Harmonics, active and reactive power P V a I 2 2 V I P V I cos S1 1 d d S d S S1 1 cos cosa I 2 2 I d cosa Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

14 Single-Phase Thyristor Converter Finite ac-side inductance; constant dc output current I d i i S during the commutation: a t ( a ) I i I di vl 2VS sint LS dt 2V sin t d( t) L di a a A Curso de Transmissão em Corrente Contínua d S d S S S 2V sin t d( t) L di S I S S S A 2L I S d I d d COPPE UFRJ

15 Single-Phase Thyristor Converter a t ( a ) Id is Id V d A A a Ado Aa A S S d 2 2V 1cosa 2L I A a A 2 2 A 2 2V V V do S do S Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

16 Understanding Current Commutation i T1 i T3 T 1 T 3 T 4 T 2 t a i T1 T3 0 t ( a ) i I i d i 2i I S i i I i d d a A 2V sin t d( t) 2V cosa cos( a ) a I d A L di 2L I d S S S S d I S V d V da A 2 2 2LS V V cosa I d S d

17 Thyristor Converters: Inverter Mode V d V da A 2 2 2LS V V cosa I d S d 2 2 2L P V I V I I S 2 d d S d cosa d a 90 Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

18 Thyristor Converters: Inverter Mode Family of curves at various values of delay angle: 2 2 2LS V V cosa I V V cosa R I d S d d do com d Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

19 Thyristor Converters: Inverter Mode Importance of extinction angle in inverter mode Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

20 Three-Phase Thyristor Converters Two groups of three thyristors each Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

21 Three-Phase Thyristor Converter Waveforms V da V do Aa 3 Zero ac-side inductance; purely dc current

22 DC-side voltage waveforms assuming zero ac-side inductance Aa Vda Vdo Vdo 2VLL cos t d( t) V do V LL A v d( t) 2V sin td( t) A a a a ac 0 0 2V 1cosa LL a LL 3 2 V a V cosa V d LL do cosa

23 Zero ac-side inductance S d ( ) d I I d t I 3 0 P 3V I cos V I LL S1 1 da d 3 2 V a I V I cos1 cosa 6 IS1 Id d d LL d cosa

24 UFRJ Input line-current waveforms assuming zero ac-side inductance cos1 cosa 6 IS1 Id 2 IS Id 3 P 3V LLIS1cos1 S 3V I LL IS1 3 cos1 cosa I S S UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

25 Ponte Trifásica a Tiristor I d v a v b v c i a i b i c L T1 a T4 T3 b T6 T5 c T2 P N V d E d FIRING CONTROL 1. Switches in CSI: 2. Power flow can be bi-direcional Bi-direcional voltage blocking Unidirecional current conduction

26 Ponte Trifásica a Tiristor: Modo Retificador ponte trifásica a tiristor com ângulo de disparo a 30 graus a 2 v d v an v bn v cn i a v P v N

27 Ponte Trifásica a Tiristor: Modo Inversor ponte trifásica a tiristor com ângulo de disparo a 150 graus a v an v bn v cn v N i a v P v d

28 Three-Phase Thyristor Converters AC-side inductance is included Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

29 Notches na tensão de entrada do retificador causados pela comutação da corrente entre os tiristores de uma ponte trifásica T1 T3 T5 v a v b v c a T4 b T6 c T2

30 UFRJ Current Commutation Waveforms i i ; i I i a c d di di vla LS ; vlc LS dt dt di van vcn vla vlc 2LS dt i c b v La + v Lc i a a d van vcn d ( t ) L S di 2 I 0 a a 2VLL sint d ( t ) L S I 2 cos( a ) cosa 2LI S 2V LL d d UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

31 UFRJ v L di ; dt v L v v v v V d da 3 Current Commutation Equations La S Lc S an cn La Lc v v v v v Pn an La an v La Pn V v an v 2 bn v 2 A cn an v LS V V cosa I cn d LL d v di UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering dt A v v d( t) v d( t) A a a a a an Pn La v d( t) L di La a L I S d S I d 0 v d a Maurício Aredes v Pn v Nn

32 Input Line-Current Waveform Finite ac-side inductance 1 cos 1 cos( a ) 2 Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

33 Voltage Notching Importance of external ac-side inductance

34 Thyristor Converters: Inverter Mode Va Vb Vc Vneg Vpos Ia Vdc a LS V V cosa I d LL d Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

35 Thyristor Converters: Inverter Mode Curso de Transmissão em Corrente Contínua COPPE UFRJ

36 Thyristor Inverter Operation UFRJ Importance of extinction angle Voltage across a thyristor in the inverter mode. UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

37 UFRJ (pu) (pu) (pu) (pu) real and imaginary powers of a typical non-linear load i a + v b v a system "A" v c i b i c _ v dc Thyristor Rectifier 2 v dc 1 p i a v a t (s) p p ~ q q ~ t (s) t (s) t (s) q UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

38 UFRJ HVDC Transmission UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

39 UFRJ HVDC Poles: 12-Pulse Converter N 3N i i i a1 a2 ab3 N1 N1 i i i ab3 a3 b3 i i i bc3 b3 c3 i i i ca3 c3 a3 i a1 c 2 n a 2 a 1 c 1 n 1 b 1 a 3 c 3 N N : N 1 2 : 3N 1 2 b 3 i a2 b 2 i a3 v d1 + i ab3 v d2 v v v d12 d1 d 2 v d12 UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

40 UFRJ HVDC Transmission: 12-Pulse Waveforms i a2 i a3 i ab3 i a UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

41 UFRJ HVDC Transmission: 12-Pulse Waveforms v d12 6 v dy & v dd 3 UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

42 UFRJ Control of HVDC Transmission System Característica Combinada de Retificador e Inversor R Conversor 1 Conversor 2 I d V d a 1 = CTE V d1 V d2 2 = CTE LS V V cosa I d LL d LS V V cos( ) I d LL d a 2 = CTE 1 = CTE I d UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

43 UFRJ Remember that: i i ; i I i a c d di di vla LS ; vlc LS dt dt di van vcn vla vlc 2LS dt i c b v La + v Lc i a a d van vcn d ( t ) L S di 2 I 0 a a 2VLL sint d ( t ) L S I 2 cos( a ) cosa 2 LI S 2V LL d d UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

44 UFRJ HVDC Transmission b a cosa cos cos a b LI S d cos( a ) cosa 2 2 V LL LS L cos( ) Id cosa 2V 2V UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro Maurício Aredes COPPE / POLI Department of Electrical Engineering LL S LL I d

45 UFRJ HVDC Transmission cos a cos cos( a ) cosa 2LI S 2V LL d LS V V cosa I d LL d 2V cos( ) L I 2V cosa L I LL S d LL S d 3 2 3LS 3 2 3LS V cos( ) I V cosa I LL d LL d V d LS Vd VLL cosa Id or, LS V V cos( ) I d LL d UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

46 UFRJ Control of HVDC Transmission System Inverter is operated at the minimum extinction angle and the rectifier in the current-control mode L V V V I S db d LL cos( min ) d UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

47 UFRJ Control of HVDC Transmission System Característica Combinada de Retificador e Inversor R Conversor 1 Conversor 2 I d V d a 1 = CTE V d1 V d2 2 = CTE LS V V cosa I d LL d LS V V cos( ) I d LL d a 2 = CTE 1 = CTE I d UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

48 UFRJ Control of HVDC Transmission System Característica Estática de um Sistema CCAT Controle de Corrente pelo Retificador Controle de Corrente pelo Inversor Ud Udo U'do a min a ' min D error min Ud Udo U'do a min min ' min DId D Id VDCOL VDCOL Idc I'd 0 Id 0 Id Idc Id I'd 0 0 Id UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

49 HVDC Transmission: DC-Side Filters Tuned for the lowest (12th harmonic) frequency V12 / Vdo, % H = o 45 o 30 o 15 o 5 o 2 0 a 0 o Ângulo de Comutação, graus

50 HVDC Transmission: DC-Side Filters Tuned for the lowest (12th harmonic) frequency o 45 o H = 24 V24 / Vdo, % o 15 o 5 o a 0 o Ângulo de Comutação, graus

51 HVDC Transmission: AC-Side Filters Tuned for the lowest (11th and the 13th harmonic) frequencies 10 H = 11 8 I11 / I1, % a 0 o 5 o 15 o 30 o 45 o 60 o Ângulo de Comutação, graus

52 HVDC Transmission: AC-Side Filters Tuned for the lowest (11th and the 13th harmonic) frequencies 8 H = 13 6 I13 / I1, % 4 a 5 o 0 o 2 15 o 0 30 o 45 o 60 o Ângulo de Comutação, graus

53 UFRJ UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

54 UFRJ UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

55 UFRJ S @ 1000 MW 500 kv 2 ka UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

56 UFRJ UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

57 UFRJ S @ 1000 MW 500 kv 2 ka UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

58 UFRJ VDCOL DId V d I d D error UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

59 UFRJ + + DId error_id = 0 D error = 0 error_id > 0 D error > 0 D error + + NOTA: Ocorrendo erro > 0 de corrente no retificador (CERRI), min +D error = ref aumenta, reduzindo V d_inversor até encontrar um ponto de operação com Vd reduzido e Id intermidiário. Senão, ref aumenta ainda mais até que o controlador de corrente do inversor assume (BETAIC > BETAIG) o controle da inversora. UFRJ - Federal University of Rio de Janeiro COPPE / POLI Department of Electrical Engineering Maurício Aredes

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