Układy energoelektroniczne

8.2 Układy energoelektroniczne

Spis treści

 

      1. Wstęp

      Rozwój energoelektroniki obejmujący opracowanie i produkcję nowych elementów półprzewodnikowych jest procesem ciągłym, charakteryzującym się znacznym postępem w tej dziedzinie techniki. Im bardziej nowoczesne technologie są wprowadzane, tym większe są zapotrzebowania na zastosowania urządzeń energoelektronicznych.
      Układ energoelektroniczny (nazywany układem przekształtnikowym) jest elementem pośredniczącym pomiędzy źródłem a użytkownikiem energii elektrycznej (przekształca źródło zasilania w sterowane źródło wyjściowe). Jego wielkością wejściową jest energia elektryczna o ściśle określonych parametrach (prąd, napięcie, amplituda, częstotliwość), pobierana z zewnętrznego źródła zasilającego przekształtnik a wielkością wyjściową jest energia elektryczna o parametrach regulowanych zgodnie z wymaganiami użytkownika.
      Zakres zastosowania urządzeń i elementów energoelektronicznych jest obecnie bardzo szeroki Obejmuje praktycznie większość dziedzin elektroniki w przemyśle, handlu, transporcie, energetyce, telekomunikacji, gospodarce komunalnej oraz w urządzeniach elektrycznych powszechnego użytku w gospodarstwach domowych.

      Jako najczęściej występujące dziedziny zastosowań urządzeń energoelektronicznych można wymienić:
      - regulowane napędy z silnikami prądu stałego i przemiennego,
      - zasilanie urządzeń elektrotermicznych (głównie jako statyczne przemienniki częstotliwości w nagrzewaniu indukcyjnym),
      - zasilanie urządzeń oświetlenia elektrycznego,
      - kompensacja mocy biernej i ograniczanie wahań napięcia w sieciach,
      - zasilanie urządzeń pokładowych samolotów za pomocą lokalnej sieci specjalizowanej 400 Hz,
      - zasilanie urządzeń spawalniczych i galwanotechnicznych,
      - zasilanie urządzeń trakcji elektrycznej (napędy i podstacje zasilające),
      - układy rezerwowego (bezprzewodowego) zasilania prądu przemiennego 50 Hz stosowane głównie w sieciach komputerowych,
        w telekomunikacji i w medycynie
      - stabilizowane źródła napięcia i prądu.
      Urządzenia energoelektroniczne przekształcają energię elektryczną w energię elektryczna o parametrach właściwych dla danego odbiornika (często są zwane przekształtnikami energoelektronicznymi).

▲ do góry

      2. Przekształtniki

      Przekształtnikami nazywamy urządzenia energoelektroniczne służące do przekształcania energii elektrycznej o parametrach charakteryzujących źródło zasilania (u1, i1,f1), na energię elektryczną o parametrach regulowanych (u2,i2, f2), zgodnie z wymaganiami urządzeń odbiorczych.
      Przekształcenie energii elektrycznej realizuje się przy pomocy zaworów tyrystorowych lub tranzystorowych. W przekształtnikach są stosowane: zawory niesterowane (diody), półsterowane (tyrystory klasyczne), w pełni sterowalne (tyrystory typu GTO, IGBT).
     Zewnętrzny sygnał sterujący jest przetwarzany w specjalnym bloku - zwanym sterownikiem (generatorem impulsów wyzwalających) - w zbiór sygnałów sterujących poszczególnymi zaworami i funkcjonalnie stanowi integralną część przekształtnika. Urządzenie energoelektroniczne jest złożone z kilku zespołów funkcjonalnych: przekształtnika, pulpitu sterowania i obiektu regulacji (urządzenie odbiorcze, np. silnik napędowy lub inny odbiornik energii). Uproszczony schemat blokowy urządzenia energoelektrycznego przedstawia rysunek 1.


Rys. 1. Zespoły funkcjonalne urządzenia energoelektronicznego.

    W przypadku prądów przemiennych przekształtniki dzielimy na układy jednofazowe, trójfazowe, lub wielofazowe. Główny podział rozróżnia źródła prądu stałego (DC) i źródła prądu przemiennego (AC). Zarówno po stronie zasilania jak i po stronie obciążenia możemy mieć napięcie albo prądy stałe lub przemienne. Różnego rodzaju podziały źródeł energii elektrycznej determinują różne podziały przekształtników.

      Rodzaje przekształtników energoelektronicznych
      1) Prostowniki (AC/DC) zasilane napięciem jedno lub trójfazowym, przy czym przebieg napięcia wyjściowego
          jednokierunkowego składa się z odpowiednich impulsów napięć sinusoidalnych zasilających prostowniki;
      2) Przetworniki prądu stałego (DC/DC) stosowane do sprzęgania między sobą układów prądu stałego o różnych
          poziomach napięcia;
      3) Falowniki (DC/AC) przekształcają energię dostarczaną ze źródła napięcia lub prądu stałego w energię napięcia
          lub prądu przemiennego;
      4) Przekształtniki prądu przemiennego (AC/AC) umożliwiają przepływ energii między układami prądu przemiennego,
          zapewniając jednocześnie regulację wartości prądów, napięć i częstotliwości, zgodnie z wymaganiami użytkownika:
          - bezpośrednie - cyklokonwertory,
          - pośrednie - przemienniki.

      Inne kryteria charakteryzujące przekształtniki to podział:
      a) ze względu na sposób przekształcania energii elektrycznej:
          - pośrednie (np. przemienniki częstotliwości),
          - bezpośrednie (np. prostowniki),
      b) ze względu na budowę:
          - proste,
          - złożone (szeregowe, równoległe),
      c) ze względu na kierunek przepływu prądu i energii, zwrot napięcia:
          - nawrotne i nienawrotne,
          - odzyskowe i nieodzyskowe).

▲ do góry

      3. Prostowniki

      Prostowniki AC/DC to układy energoelektroniczne zasilane napięciami sinusoidalnymi jednofazowymi lub trójfazowymi. Służą do przekształcania napięć przemiennych w napięcie stałe (jednokierunkowe). Napięcie stałe składa się z odpowiednich wycinków napięć sinusoidalnych zasilających prostownik. Od liczby impulsów p napięcia i prądu wyprostowanego przypadającej na okres napięcia przemiennego linii zasilającej prostownik wywodzą się nazwy prostowników.

      1) Układy prostownikowe można podzielić na:
          a) niesterowane (diodowe).
          b) sterowane (z tyrystorami SCR)

      2) Można dokonać również podziału uwzględniającego sposób zasilania i topologię układu na:
          a) jednofazowe (jedno i dwupulsowe)
          b) trójfazowe (trójpulsowe, sześciopulsowe, wielopulsowe)

      W prostownikach sterowanych zasilające napięcia przemienne są doprowadzane do odbiornika prądu stałego poprzez tyrystory, w ściśle określonych przedziałach czasu. Sterując fazowo tyrystory uzyskuje się bezstopniową regulację napięcia i prądu wyprostowanego. W zależności od wartości kąta włączania tyrystorów oraz od rodzaju odbiornika prostowniki sterowane mogą przekazywać energię w kierunku od linii zasilającej do odbiornika (stan pracy prostownikowej), lub w kierunku przeciwnym (stan pracy falownikowej). Schematy blokowe przekształtnika o komutacji sieciowej (ze względu na sposób wyłączania tyrystorów) znajdującego się w stanie pracy prostownikowej i falownikowej przedstawiono na rysunkach 2a i 2b.


Rys. 2a. Stany pracy prostownikowej


Rys. 2b. Stan pracy falownikowej

      Zmiana kierunku przepływu energii elektrycznej Ee następuje w wyniku zmiany znaku napięcia wyprostowanego Ud, przy zachowaniu tego samego kierunku przepływu prądu wyprostowanego id, który przepływając przez odbiornik może mieć charakter ciągły lub impulsowy (mówi sie wówczas o przewodzeniu ciagłym prostownika lub impulsowym).
     Najprostszym przykładem prostownika jednofazowego jest prostownik jednopołówkowy, diodowy, niesterowany (Rys.3a). Układ ten umożliwia tylko jeden kierunek przepływu energii elektrycznej: od źródła prądu przemiennego do odbiornika prądu stałego.
     Przy dodatniej połowie napięcia sinusoidalnego Uz, gdy wartość chwilowa napięcia jest większa od zera (u > 0), dioda D znajduje się w stanie przewodzenia. W obwodzie: uzwojenie wtórne transformatora - dioda D - obciążenie Ro, płynie prąd i = u/R. W drugiej połowie napięcie zmienia znak (u < 0), dioda znajduje się w stanie zaporowym, prąd i = 0. Ponowny przepływ prądu następuje od początku drugiego okresu. Przez obciążenie Ro płynie prąd jednokierunkowy, tętniący.


Rys. 3a. Schemat prostownika diodowego jednopołówkowego


Rys. 3b. Przebieg napięcia i prądu prostownika z obciążeniem R

      Jeżeli przyjmiemy, że sinusoidalne napięcie zasilające ma wartość maksymalną Um a prąd w kierunku wstecznym jest pomijalnie mały (rzędu mikroamperów), to wartość średnią napięcia wyprostowanego wyraża się wzorem:

 

      gdzie U - jest wartością skuteczną napięcia zasilającego prostownik.

      3.1. Prostownik sterowany jednopulsowy
      Napięcie wyprostowane zależy od układu połączeń prostownika (układ gwiazdowy lub mostkowy), liczby faz i wartości napięcia zasilającego. Schemat prostownika tyrystorowego jest identyczny jak prostownika diodowego (Rys. 3c). Prostownik z tyrystorem zasilany jest napięciem sinusoidalnym z transformatora dopasowującego parametry linii zasilającej do wymagań układu tyrystorowego i odbiornika. Transformator ogranicza także wpływ zakłóceń powstających w linii zasilającej na przekształtnik oraz wpływ pracującego przekształtnika na linię zasilającą.


Rys. 3c. Schemat prostownika sterowanego jednopulsowego


Rys. 3d. Przebiegi napięć, prądu i impulsu sterującego prostownika z obciążeniem R

      Przebieg napięć i prądów prostownika (rys.3d); w dodatniej półfali napięcia prąd płynie przez uzwojenie wtórne transformatora, tyrystor (kierunek przewodzenia) oraz przez obciążenie, natomiast w ujemnej półfali prąd nie płynie, ponieważ tyrystor spolaryzowany jest w kierunku zaporowym. Przez obciążenie płynie prąd jednokierunkowy, tętniący.
      Włączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu blokowania do stanu przewodzenia, następuje przez doprowadzenie do bramki dodatniego impulsu z układu wyzwalającego w czasie dodatniej półfali napięcia zasilania. Tyrystor zostaje wyłączony, gdy wartość prądu płynącego przez tyrystor będzie mniejsza od prądu wyłączenia. Tyrystor przewodzi w czasie odpowiadającym kątowi przewodzenia. Kąt włączenia α może być regulowany w zakresie od 0 do π. Napięcie na odbiorniku zmienia się wraz ze zmianą kąta wysterowania Um/π (dla α = 0) do zera (dla α = π). Wartość średnia napięcia na odbiorniku wyrażona jest wzorem:

 

      gdzie α - jest kątem załączenia (wysterowania).

      Przy obciążenia RL tyrystor jest również polaryzowany w kierunku przewodzenia w czasie trwania dodatniej półfali napięcia zasilającego. Przy takim samym kącie wysterowania i napięciu zasilającym, napięcie wyjściowe zawiera również składową ujemną, co powoduje zmniejszenie wartości średniej napięcia wyprostowanego (inaczej niż dla odbiornika czysto rezystancyjnego). Aby zwiększyć średnią wartość napięcia wyprostowanego przy obciążeniu RL, należy włączyć w kierunku zaporowym, równolegle do do zacisków wyjściowych prostownika, diodę zerową Dz. W momencie zmiany znaku napięcia na odbiorniku dioda ta przechodzi w stan przewodzenia.

      3.2. Prostowniki dwupulsowe
      Prostowniki dwupulsowe są prostownikami pełnookresowymi, pracującymi w układach: dwuzaworowym i czterozaworowym (mostkowym). Na rysunkach 4a i 4e pokazano możliwe konfiguracje prostowników dwupulsowych.

      1) Prostownik sterowany dwuzaworowy
      Pokazany na rysunku 4a układ prostownika sterowanego dwupulsowego składa się z dwu tyrystorów, diody, obciążenia typu RL, oraz jednofazowego transformatora trójuzwojeniowego, z symetrycznie dzielonym uzwojeniem wtórnym i wyprowadzonym przewodem neutralnym.
      Napięcia U1 i U2 dzielonego uzwojenia wtórnego są przesunięte względem siebie o kąt fazowy π. Tyrystor Ty1 jest polaryzowany w kierunku przewodzenia w przedziale kąta 0 ≤ ωt ≤ π). Impulsy bramkowe są doprowadzane do tyrystora w czasie występowania dodatnich półfal napięcia U1. Prąd tyrystora Ty1 osiąga wartości równe zeru w chwilach, gdy gdy napięcie U1 maleje do zera. Tyrystor Ty2 może być załączany w czasie występowania dodatnich półfal napięcia U2. Impulsy bramkowe obu tyrystorów powinny być przesunięte wzajemnie o kąt fazowy równy π (sterowanie symetryczne). Prąd płynący przez odbiornik czysto rezystancyjny ma charakter impulsowy (Rys. 4b). Wartość napięcia wyjściowego zmienia się w przedziale od Um /π do 2Um/π w zależności od kąta wysterowania α i dla obciążenia R dana jest wzorem:


Rys. 4a. Schemat prostownika dwupulsowego z przewodem neutralnym


Rys. 4b. Przebiegi napięć, prądów i impulsu sterującego prostownika z obciążeniem R

      2) Prostownik diodowy mostkowy
      Układ prostownika dwupulsowego dwupołówkowego (mostek Graetza) jest prostownikiem całofalowym, ze względu na prostowanie dwóch połówek napięcia. Układ diodowy mostkowy nie wymaga stosowania transformatora, co decyduje o jego powszechnym stosowaniu w praktyce.
      Przy dodatniej półfali napięcia u (oznaczone strzałkami ciągłymi) przewodzą diody D1 i D2 , a przy ujemnej (oznaczone strzałkami przerywanymi) - diody D3 i D4 . Prąd płynący przez odbiornik ma ten sam kierunek w obu półokresach. Średnia wartość napięcia wyprostowanego wynosi:

 

gdzie U -jest wartością skuteczna napięcia zasilającego.


Rys. 4c Schemat prostownika dwupołówkowego mostkowego (Greatza)


Rys. 4d. Przebiegi napięć, prądów i impulsu sterującego prostownika w układzie mostkowym

      3) Prostownik mostkowy półsterowany
      Prostownik mostkowy półsterowany składa się z dwóch tyrystorów i z dwóch diod prostowniczych, budowany w konfiguracjach przedstawionych na rys. 4c i 4d:
      a) rys. 4e - dodatnia półfala napięciowa polaryzuje w kierunku przewodzenia tyrystor Ty1 i diodę D2. W trakcie przechodzenia ujemnej pólfali przewodzą tyrystor Ty2 i dioda D1. Impulsy bramkowe tyrystorów są przesunięte o π. Wartość średnia napięcia wyprostowanego dla obu przedstawionych układów półsterowanych mostkowych wynosi:

 

     Przy obciążeniu RL w chwilach, gdy napięcie zasilania ma wartość równą zeru, wówczas następuje komutacja prądu odbiornika między diodami i energia zgromadzona w indukcyjności L dławika rozładowuje się przez gałąź złożoną z szeregowego połączenia diody i tyrystora.


Rys. 4e. Schemat prostownika półsterowanego dwupulsowego mostkowego


Rys. 4f. Przebiegi napięć, prądów i impulsu sterującego prostownika z obciążeniem R

      b) rys. 4g - w tym układzie szeregowo połączone diody D1 i D2 tworzące jedną gałąź mostka pełnią rolę diody zerowej. Drugą gałąź tworzą dwa szeregowo połączone tyrystory Ty1 i Ty2. Przy zasilaniu odbiornika o charakterze indukcyjnym, po wyłączeniu jednego z tyrystorów prąd odbiornika zamyka się przez diody D1 i D2. Kat przewodzenia tyrystorów wynosi π + α (rys. 4d) a diod π – α, gdzie α jest kątem wysterowania (opóźnienia załączenia).


Rys.4g. Schemat prostownika półsterowanego dwupulsowego mostkowego


4h. Przebiegi napięć, prądów i impulsu sterującego prostownika z obciążeniem RL

     4) Prostowniki mostkowe pełnosterowane
      Układ prostownika mostkowego pełnosterowanego składa się z typowego jednofazowego, dwuuzwojeniowego transformatora i czterech tyrystorów w układzie mostkowym. (lub z dwu tyrystorów i dwu diod). Istnieje również możliwość zasilania układu z linii prądu jednofazowego z pominięciem transformatora. Układ ten może pracować zarówno jako prostownik jak i falownik o komutacji sieciowej.
      Tyrystory usytuowane w przeciwległych gałęziach (np. Ty1 i Ty4 lub Ty2 i Ty3) muszą być wyzwalane jednocześnie. W zakresie kąta 0 ≤ ωt ≤ π dodatnia półfala napięcia polaryzuje się w kierunku przewodzenia parę tyrystorów Ty2 i Ty3 natomiast ujemna półfala - w kierunku przewodzenia tyrystory Ty4 i Ty1. Kierunek prądu prostownika jest taki sam niezależnie od tego, która para tyrystorów jest w stanie przewodzenia.
      Dla obciążenia RL występuje praca zarówno impulsowa jak i ciągła (w zależności od kąta opóźnienia załączenia). Dla odbiornika czysto rezystancyjnego prąd ma zawsze charakter impulsowy. Komutacja zachodzi pomiędzy parami tyrystorów przeciwnych gałęziach (Ty1 i Ty4 , Ty2 i Ty3), w czasie której wszystkie tyrystory znajdują się w stanie przewodzenia.


Rys. 4i. Schemat prostownika pełnosterowanego dwupulsowego mostkowego


Rys. 4j. Przebieg napięć, prądów i impulsu sterującego prostownika z obciążeniem R

      3.3. Prostowniki trójpulsowe
      Prostownikiem trójpulsowym (gwiazdowym) nazywamy układ prostownikowy trójfazowy zasilany z sieci czteroprzewodowej. Trójpulsowy oznacza, iż na jeden okres napięcia przemiennego wejściowego przypadają trzy impulsy napięcia wyjściowego.
      Prostownik tego typu może być zasilany przez dławiki lub przez transformator trójfazowy z wyprowadzonym z uzwojenia wtórnego transformatora przewodem neutralnym N. Układ prostownikowy może być wykonany na diodach lub tyrystorach SCR. Ponieważ prąd obciążenia płynie przez przewód neutralny zakres stosowania tego typu układów ogranicza się maksymalnie do mocy kilkunastu kilowatów.

      1) Prostownik diodowy
      Prostownik diodowy jest przekształtnikiem niesterowanym, zbudowanym z diod, w którym występuje jeden kierunek przepływu energii: od źródła prądu przemiennego do odbiornika prądu stałego. W każdej chwili przewodzi tylko jedna dioda, ta na której jest największe napięcie dodatnie. Prostownik gwiazdowy diodowy pokazany jest na rysunku 5a. Wartość średnia napięcia wyprostowanego Ud0 zależy od układu połączeń prostownika (układ gwiazdowy lub mostkowy), liczby faz i wartości napięcia zasilającego i wynosi:

 

      gdzie Uf jest wartością skuteczną napięcia fazowego zasilającego prostownik.

 
Rys. 5a. Prostownik diodowy gwiazdowy z obciążeniem R

      2) Prostownik tyrystorowy
      Najczęściej stosowanym układem jest trójfazowy układ mostkowy oraz jego kombinacje polegające na szeregowym lub równoległym łączeniu mostków zasilanych z oddzielnych uzwojeń wtórnych (o różnych grupach połączeń) transformatora prostownikowego. Prostownik jest zasilany z transformatora trójfazowego z wyprowadzonym z uzwojenia wtórnego przewodem neutralnym.
     Impulsy bramkowe tyrystorów są przesunięte wzajemnie o kąty fazowe równe 2π/3. Jeżeli kąty przewodzenia tyrystorów przekształtnika trójpulsowego są mniejsze niż 2π/3, to przez odbiornik (niezależnie od jego rodzaju) płynie prąd impulsowy. Przy kącie przewodzenia tyrystorów równym 2π/3 występuje prąd ciągły.
      Przewodzenie ciągłe prostownika trójpulsowego, zasilającego odbiornik czysto rezystancyjny, występuje dla wartości kąta opóźnienia wysterowania tyrystorów zawartego w granicach 0 ≤ α ≤ π/6. Przy przewodzeniu ciągłym (niezależnie od rodzaju odbiornika) wartość średnia napięcia wyprostowanego wynosi:

 

 
Rys. 5b. Schemat prostownika tyrystorowego trójpulsowego z transformatorem.

 
Rys. 5c Przebiegi czasowe prądu i napięcia wyprostowanego i impulsów bramkowych
w prostowniku tyrystorowym trójpulsowym z obciążeniem R przy przewodzeniu ciągłym.

     W przypadku odbiornika indukcyjno-rezystancyjnego przebiegi czasowe prądu i napięcia wyprostowanego różnią się od przebiegów dla obciążenia czysto rezystancyjnego, ponieważ w indukcyjnościach przebiegi prądu nie mogą zmieniać się skokowo.

      2.4. Prostowniki sześciopulsowe
      1) Prostownik diodowy sześciopulsowy (Rys. 6a) składa się z dwóch szeregowo połączonych prostowników trójpulsowych, utworzonych przez diody o połączonych katodach (D1,D2,D3 - grupa katodowa) i diody o połączonych anodach (D4,D5,D6 - grupa anodowa). Każda dioda z danej grupy przewodzi przez 1/3 okresu napięcia zasilającego, tj. przez czas 2π/3 z diodą z przeciwnej grupy i naprzemiennie z różnych faz. Np. dioda D2, przez połowę swego czasu przewodzenia (czyli π/3) przewodzi z diodą D4, a przez następną połowę z diodą D6. Jeżeli Um jest wartością maksymalną napięcia międzyfazowego Up zasilającego prostownik, to napięcie średnie na obciążeniu rezystancyjnym prostownika ma wartość:

 

 
Rys. 6a. Schemat prostownika diodowego sześciopulsowego mostkowego

     2) Prostownik sześciopulsowy tyrystorowy (Rys. 6b), składa się z transformatora trójfazowego o dowolnej konfiguracji uzwojeń pierwotnych i wtórnych (gwiazda, trójkąt, zygzak) , oraz sześciu tyrystorów o połączonych katodach (T1,T2,T3 - grupa katodowa) i połączonych anodach (T4,T5,T6 - grupa anodowa). Przy przewodzeniu ciągłym prostownika mostkowego, w stanie przewodzenia znajduje się zawsze jeden tyrystor grupy katodowej i jeden tyrystor grupy anodowej, przy czym oba są zasilane z różnych faz. Tyrystory grupy katodowej mostka przechodzą w stan przewodzenia przy dodatnich półfalach napięć fazowych zasilania, a tyrystory grupy anodowej - w czasie ujemnych półfal tych napięć. Niezależnie od rodzaju odbiornika co π/3 następuje zmiana konfiguracji obwodu prądu wyprostowanego. Napięcie wyprostowane składa się z impulsów, będących wycinkami przebiegów napięć międzyprzewodowych zasilających mostek.

 
Rys. 6b. Schemat prostownika sterowanego sześciopulsowego mostkowego

      Jeżeli napięcie Um jest wartością maksymalną napięcia międzyfazowego Up zasilającego prostownik, to wartość średnia napięcia na obciążeniu rezystancyjnym prostownika, przy przewodzeniu ciągłym, ma wartość:

 

      Na rysunku 6c. pokazano przebiegi napięć zasilających fazowych, międzyfazowych oraz napięcia na obciążeniu rezystancyjnym ud w układzie mostka sześciopulsowego tyrystorowego dla zadanego kąta wysterowania równego α.

 
Rys. 6c. Przebiegi czasowe prądu i napięcia wyprostowanego i impulsów bramkowych
w prostowniku tyrystorowym sterowanym sześciopulsowym mostkowym

▲ do góry

      4. Falowniki

      Falownikami nazywamy urządzenia energoelektroniczne, których zadaniem jest przetwarzanie prądów i napięć stałych na przemienne (DC/AC). Falowniki stosowane są głównie do zasilania:
      - regulowanych napędów elektrycznych (ASD),
      - zasilaczy bezprzerwowych (UPS),
      - statycznych kompensatorów mocy biernej (SVC),
      - filtrów aktywnych (AF),
      - elastycznych systemów przesyłu energii (FACTS).

      Ze względu na ilość faz napięcia/prądu wyjściowego falowniki dzielimy na :
      a) falowniki jednofazowe
      b) falowniki trójfazowe
      c) falowniki wielofazowe o dowolnej ilości faz (specjalnego przeznaczenia)

      Ze względu na rodzaj źródła zasilania falowniki dzielimy na:
      a) napięciowe
      b) prądowe.

      4.1. Falowniki napięciowe (VSI)
      Źródłem energii wejściowej w falowniku napięciowym jest naładowany kondensator (E = CU2/2) dzięki czemu napięcie wyjściowe jest ciągiem impulsów prostokątnych o regulowanej szerokości, a prąd wyjściowy dla obciążenia typu RL ma kształt quasisinusoidalny. W tego rodzaju falownikach podstawowymi przyrządami energoelektronicznymi są elementy w pełni sterowalne. Falowniki napięciowe są obecnie najczęściej stosowanymi układami energoelektronicznymi.
      Źródłem energii wejściowej w falowniku prądowym jest dławik z płynącym prądem (E = LI2/2). Prąd wyjściowy jest ciągiem impulsów prostokątnych o regulowanej szerokości, a napięcie wyjściowe dla obciążenia rezystancyjno – indukcyjnego jest quasisinusoidalne. W falownikach prądowych można stosować zarówno tyrystory SCR jak i elementy w pełni sterowalne. Zastosowanie tego typu falowników obejmuje przede wszystkim grupę napędów elektrycznych średniej mocy.

      Zasada działania falownika
     Zasada działania falownika jest przedstawiona w parciu o klasyczny układ mostkowy napięciowego falownika trójfazowego, utworzonego przez zawory T1, D1 - T6 - D6. Uzyskanie napięcia przemiennego na fazach odbiornika polega na odpowiednim załączaniu łączników tranzystorowych. Diody zwrotne D1-D6 służą do ograniczania przepięć na tranzystorach w przypadku pracy z obciążeniem o charakterze indukcyjnym.

      Wyróżnia się następujące możliwości łączenia zacisku fazy L1 ze źródłem zasilającym prostownik:
      - połączenie z ujemnym biegunem źródła zasilającego przez załączenie zaworu T1,D1,
      - połączenie z dodatnim biegunem źródła zasilania przez załączenie zaworu T4,D4,
      - odłączenie od obu biegunów źródła zasilającego odbiornik.

      W układzie tym należy wykluczyć jednoczesne połączenie tego zacisku z obydwoma biegunami źródła zasilania, gdyż oznaczałoby to spowodowanie zwarcia tego źródła. Podobnie postępuje się w pozostałych fazach L2 i L3.

 
Rys. 7. Falownik mostkowy z tranzystorami IGBT

      4.2. Rodzaje falowników napięciowych
      W ostatnich latach bardzo wielu producentów oferuje ogromną gamę urządzeń energoelektronicznych zasilanych z jedno lub trójfazowej sieci prądu przemiennego, których wielkościami wyjściowymi jest napięcie i prąd przemienny o regulowanej amplitudzie i częstotliwości. Urządzeniami o takich właściwościach są falowniki napięciowe o kaskadowym połączeniu kilku różnych układów energoelektronicznych. Na rysunkach 8, 9 i 10 przedstawiono trzy różne przykładowe rozwiązania układowe tego typu urządzeń dla zasilania silników indukcyjnych.

      1) Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacją amplitudy

 
Rys. 8. Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacją amplitudy

      Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacją amplitudy (Rys. 8) jest kaskadowym połączeniem tyrystorowego prostownika sterowanego i falownika. W tego typu układach sterowania i zasilania napędu indukcyjnego należy zapewnić stałość stosunku skutecznej wartości napięcia do częstotliwości (U/f = const.). W tym celu należy zapewnić możliwość regulacji zarówno częstotliwości jak i amplitudy podstawowej harmonicznej napięcia wyjściowego. Regulacja amplitudy odbywa się w prostowniku tyrystorowym, natomiast regulacja częstotliwości w falowniku. Metoda regulacji opiera się na metodzie modulacji amplitudy (PAM). Wadą tego układu jest duży pobór mocy biernej przez prostownik oraz duża zawartość harmonicznych w prądzie silnika.

     2) Falownik trójstopniowy (AC/DC/DC/AC) z modulacją amplitudy

 
Rys. 9. Falownik trójstopniowy (AC/DC/DC/AC) z modulacją amplitudy

     Falownik trójstopniowy z modulacją amplitudy (Rys. 9) składa się z niesterowanego prostownika diodowego, przetwornika typu DC/DC (chopper) oraz falownika właściwego. Metoda sterowania jest taka sama jak w poprzednim przypadku (PAM). W tym układzie uniknięto poboru mocy biernej, lecz wadami są: większa złożoność struktury oraz tak jak i poprzednio duża zawartość harmonicznych w prądzie silnika.

     4.3. Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacją szerokości impulsu

 
Rys. 10. Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacją szerokości impulsu

      Falownik dwustopniowy z modulacją szerokości impulsu (Rys. 10), składa się z niesterowanego prostownika diodowego oraz falownika właściwego. Zastosowano w nim bardziej złożoną metodę sterowania jaką jest modulacja szerokości impulsu (PWM). Układ ten nie pobiera mocy biernej, zawartość harmonicznych w prądzie silnika może być znikomo mała, posiada najprostszą z możliwych strukturę obwodu mocy.

▲ do góry

      5. Przetworniki

    Przetwornikami prądu stałego na prąd stały (DC/DC - Choppery) nazywamy układy energoelektroniczne przetwarzające nieregulowane wejściowe napięcie stałe na unipolarne napięcie wyjściowe o regulowanej wartości średniej. Przetworniki tego typu mają szerokie zastosowanie jako zasilacze impulsowe i regulowane trakcyjne napędy prądu stałego. Przyrządami energoelektronicznymi wykorzystywanymi w przetwornikach typu DC/DC są elementy w pełni sterowalne.

      Przetworniki DC/DC można podzielić, w zależności od funkcji przetwarzania, na:
      - Przetworniki DC/DC obniżające napięcie (Buck Converter) - w tych układach regulowana średnia
        wartość napięcia wyjściowego jest mniejsza lub równa wartości stałego napięcia wejściowego.
      - Przetworniki DC/DC podwyższające napięcie (Boost Converter) - w tego typu układach możliwe
        jest uzyskiwanie napięcia wyjściowego o wartości średniej większej niż stałe napięcie wejściowe.
      - Przetworniki DC/DC podwyższające i obniżające napięcie (Buck-Boost, Flyback,Ćuk Converters);
        układy tego typu łączą cechy dwu poprzednich grup, umożliwiając zarówno obniżanie jak i podwyższanie
        napięcia wyjściowego ponad wartość napięcia wejściowego.
      - Wielokwadrantowe przetworniki DC/DC - układy te umożliwiają dwustronny przepływ energii elektrycznej
        dla odbiorników typu RLE.
      - Transformatorowe, wysokoczęstotliwościowe przetworniki DC/DC - stosowane głównie w zasilaczach
        impulsowych małej mocy (do 1 kW). Dzięki bardzo wysokim częstotliwościom przełączania (nawet rzędu
        1 MHz) wymagają zastosowania małogabarytowych transformatorów. Ten rodzaj przetworników DC/DC ma
        najszersze zastosowania.
      Przetworniki DC/DC charakteryzują się tym, że energia jest przekazywana pomiędzy źródłem zasilania a odbiornikiem tylko w jedną stronę, natomiast przetworniki wielokwadrantowe są zdolne do przekazywania energii w obie strony.

      5.1 Przetwornik DC/DC obniżający napięcie
      Najliczniejszą podgrupę spośród przekształtników nieizolowanych stanowią przetworniki obniżające napięcie zwane też okresowymi przerywaczami napięcia stałego (z ang. down converters, buck converters). Przekształcają one napięcie stałe na napięcie jednokierunkowe o regulowanej wartości średniej mniejszej lub co najwyżej równej wartości napięcia wejściowego. Stosowane są do regulacji (obniżania) napięcia uzyskiwanego ze źródeł napięcia stałego, np. w napędach trakcyjnych prądu stałego, a także jako zasilacze nieseparowane galwaniczne.
      Funkcję sterowanego elementu przełączającego we współczesnych układach impulsowych pełnią tranzystory IGBT lub MOSFET, natomiast w układach dużej mocy - tyrystory GTO lub IGCT.
      Przetwornik składa się ze źródła napięcia stałego Uz, sterowanego elementu przełączającego (we współczesnych układach impulsowych pełnią tranzystory IGBT lub MOSFET, natomiast w układach dużej mocy - tyrystory GTO lub IGCT), diody D (złączowej szybkiej lub Schottky'ego), cewki L, kondensatora filtrującego C oraz rezystancji obciążenia Ro.
      Łącznik półprzewodnikowy T jest cyklicznie zwierany lub rozwierany. Pracuje dwustanowo dla zmniejszenia strat w układzie i podniesienia sprawności energetycznej przetwornika. W czasie gdy łącznik T jest zwarty, prąd ze źródła zasilania płynie przez indukcyjność L do kondensatora C i obciążenia Ro. dioda D jest w tym czasie spolaryzowana zaworowo. Ponieważ napięcie UL na indukcyjności L jest praktycznie stałe, bo stałe jest napięcie zasilania i napięcie obciążenia, więc prąd IL płynący przez tę indukcyjność narasta liniowo.
      Gdy łącznik T jest rozwarty, pod wpływem napięcia samoindukcji na indukcyjności L w obwodzie płynie prąd przez diodę D. Napięcie UL na indukcyjności L jest słabe i równe napięciu na obciążeniu, co powoduje, że prąd IL w indukcyjności maleje liniowo. Prąd IL rozpływa się na dwie składowe: stałą Io płynącą przez rezystancję obciążenia i zmienną IC płynącą, przez kondensator C. Na rysunku 11 przedstawiono schemat klasycznego układu przetwornika „BUCK”.

 
Rys. 11. Schemat przetwornika DC/DC obniżającego napięcie

      5.2. Przetwornik DC/DC podwyższający napięcie
      Przetworniki podwyższające napięcie stałe (z ang. up converters, boost converters) przekształcają napięcie stałe na napięcie jednokierunkowe o regulowanej wartości średniej większej lub co najmniej równej wartości napięcia wejściowego. Na rysunku 12 przedstawiono schemat układu przekształtnika „BOOST”.
      Podwyższanie napięcia stałego wykorzystuje sie w praktyce do zasilania urządzeń prądu stałego ze źródeł prądu stałego o wartości mniejszej od napięcia roboczego zasilanego urządzenia lub do hamowania odzyskowego napędów prądu stałego zasilanych z nieregulowanych źródeł.
      Przetwornik składa się ze źródła napięcia stałego Uz , łącznika półprzewodnikowego (tranzystor IGBT lub MOSFET), diody D, cewki L, kondensatora filtrującego C oraz rezystancji obciążenia Ro.
      W czasie gdy tranzystor T jest w stanie przewodzenia, prąd ze źródła zasilania płynie przez indukcyjność L. Napięcie UL na cewce jest stałe i równe napięciu zasilania Uz, powoduje to, że prąd płynący przez indukcyjność narasta liniowo.
      Gdy łącznik T jest wyłączony, energia przekazywana jest poprzez diodę D do kondensatora C i obciążenia Ro. Wtedy prąd w indukcyjności L płynie pod wpływem sumy napięcia zasilania Uz i napięcia samoindukcji UL przez diodę D do obciążenia. Napięcie UL jest praktycznie stałe, co powoduje, że prąd w indukcyjności L maleje liniowo. Prąd ;płynący przez diodę D rozpływa się na dwie składowe: stałą Io płynącą przez rezystancję obciążenia i składową zmienną IC płynącą, przez kondensator C.

 
Rys. 12. Schemat przetwornika DC/DC podwyższającego napięcie

      5.3. Przetwornik DC/DC podwyższająco - obniżający napięcie
      Na rysunku 13 przedstawiono impulsowy przetwornik kaskadowy umożliwiający podwyższanie i obniżanie napięcia wyjściowego w stosunku do wartości napięcia źródła na wejściu(z ang. up/down converter, buck-boost converter). Przetwornik składa się ze źródła napięcia stałego Uz , łącznika T, diody D, cewki L, kondensatora filtrującego C oraz rezystancji obciążenia Ro.
     Po zamknięciu łącznika T napięcie Uz jest przyłożone do do indukcyjności L, prąd płynący przez cewkę narasta liniowo. W tym czasie dioda D jest spolaryzowana zaporowo. Odbiornik jest zasilany energią zgromadzoną w kondensatorze C. Dioda D zabezpiecza przed zwarciem kondensatora przez łącznik T.
     Po otwarciu łącznika T prąd w cewce płynie pod wpływem napięcia samoindukcji przez diodę D do obciążenia. Napięcie UL na indukcyjności L jest stałe i równe napięciu Uo na obciążeniu co powoduje, że prąd w indukcyjności L maleje liniowo. Biegunowość napięcia wyjściowego Uo jest przeciwna względem napięcia wejściowego Uz. Prąd ID płynący przez diodę D rozpływa się na dwie składowe: stałą Io płynącą przez rezystancję obciążenia Ro i zmienną IC płynącą, przez kondensator C.

 
Rys. 13. Schemat przetwornika DC/DC podwyższająco-obniżającego napięcie

      5.4. Wielokwadrantowe przetworniki typu DC/DC
      Przetworniki wielokwadrantowe są zdolne do przekazywania energii w obie strony bez dokonywania zmian połączeń w obwodzie głównym przetwornika. Wyróżnia się następujące rozwiązania przetworników wielokwadrantowych (z ang. multi-quadrant convertes):
      - układy umożliwiające zmianę kierunku prądu odbiornika, przy zachowaniu stałej polaryzacji napięcia,
      - układy umożliwiające zmianę polaryzacji napięcia przy niezmieniającym się kierunku prądu w odbiorniku,
      - układy umożliwiające zmianę zarówno kierunku prądu odbiornika jak i zamianę polaryzacji napięcia.

      Na rysunku 14a. przedstawiono przetwornik czterokwadrantowy umożliwiający zmianę znaku napięcia i prądu odbiornika. Jest on połączeniem dwóch przetworników dwukwadrantowych. Jeden z nich umożliwia przepływ prądu dodatniego T!, T4, D2, D3), a drugi ujemnego (T2, T3, D1, D4). Aby uzyskać pracę we wszystkich czterech ćwiartkach układu współrzędnych Io, Uo (Rys. 10) stosowane są dwa rodzaje sterowania: symetryczne i niesymetryczne.
      Sterowanie symetrycznego - przy dodatnim kierunku prądu odbiornika łączniki T1 i T4 (załączane i wyłączane jednocześnie) przewodzą prąd na przemian z diodami D2 i D3. Przy ujemnym kierunku prądu przewodzą na przemian łączniki T2 i T3 oraz diody D2 i D4.
      Sterowanie niesymetryczne - napięcie wyjściowe przetwornika ma kształt impulsów prostokątnych o jednakowej biegunowości, tętnienia prądu są dwukrotnie mniejsze niż przy sterowaniu symetrycznym. Możliwy jest także trzeci rodzaj sterowania, tzw. sterowanie nieregularne umożliwiający pracę tylko w jednym kwadrancie układu współrzędnych Io, Uo.

          
Rys. 14a. Schemat mostkowego przetwornika DC/DC czterokwadrantowego
Rys. 14b. kwadranty układu współrzędnych Io, Uo.

      Przetworniki czterokwadrantowe mają zastosowanie w układach energoelektronicznych umożliwiających zmianę kierunku napięcia i prądu odbiornika, np. regulacja prędkości kątowej maszyny prądu stałego dla dwóch kierunków wirowania wału.
     Druga istotna grupa przetworników to przetworniki z izolacja pomiędzy wejściem a wyjściem, zrealizowaną poprzez zastosowanie transformatorów pośredniczących.

▲ do góry

      6. Cyklokonwertory

      Bezpośredni przemiennik częstotliwości - cyklokonwertor - należy do grupy przekształtników napięcia przemiennego na napięcie przemienne bez pośredniego obwodu prądu stałego. Ze względu na swoje właściwości może wytwarzać napięcie przemienne pod warunkiem, że częstotliwość formowanego napięcia jest nie większa niż 1/4 częstotliwości sieci zasilającej.
      Cyklokonwertor jednofazowy (Rys. 15) jest nawrotnym mostkowym prostownikiem tyrystorowym w układzie przeciwrównoległym zasilany z sieci elektroenergetycznej (najczęściej poprzez transformator). Dzięki odpowiedniemu sterowaniu przekształtnika wartość średnia napięcia wyprostowanego z prostownika może zmieniać się w sposób sinusoidalny. Sposób generowania przemiennego napięcia wyjściowego powoduje, że jego częstotliwość jest ograniczona do około 20 Hz (przy zasilaniu z sieci o częstotliwości 50 Hz). Ze względu na gwałtownie rosnące zniekształcenia napięcia.

 
Rys. 15. Schemat cyklokonwertora jednofazowego

      Cyklokonwertor trójfazowy zbudowany jest z trzech cyklokonwertorów jednofazowych, których obwody wyjściowe są skojarzone w gwiazdę, tworząc w ten sposób, dzięki odpowiedniemu sterowaniu, trójfazowe źródło napięcia o regulowanej częstotliwości i wartości napięcia (Rys. 16).

 
Rys. 16. Schemat cyklokonwertora trójfazowego pełnofalowego

    Parametry napięcia wyjściowego cyklokonwertora, a w szczególności ograniczenie częstotliwości powodują, że zakres ich zastosowania ogranicza się w zasadzie do zasilania wolnobieżnych napędów maszyn o regulowanej prędkości obrotowej do około 80 obr./min. i mocach powyżej 1 MW, (np. w napędach pieców cementowych)
     W napędach tych wykorzystuje się silniki prądu przemiennego zarówno synchroniczne jak i asynchroniczne. Napędy takie sterowane są metodą orientacji wektora pola. Jeżeli przekształtniki są zasilane z tego samego systemu konieczne jest galwaniczne rozdzielenie faz odbiornika elektrycznego. Jeżeli rozdzielenie takie nie jest możliwe każdy z zestawów przekształtników fazowych musi być zasilany za pomocą separującego transformatora.

▲ do góry

Menu serwisu