1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA UKŁADÓW

1. Jednofazowe prostowniki diodowe

Najpowszechniej stosowanymi zasilaczami w energoelektronice są niesterowane prostowniki (prostowniki diodowe). Służą one do przetwarzania energii prądu przemiennego czerpanej z sieci zasilającej na energię prądu stałego. Prostowniki takie, zbocznikowane najczęściej dużymi kondensatorami powodują przepływ przez sieć zasilającą odkształconego prądu. Na rys. 1.1. przedstawiono schemat jednofazowego prostownika diodowego oraz przykładowe przebiegi napięć i prądów.

a) b)

Rys. 1.1 Jednofazowy prostownik diodowy: a) schemat b) przebiegi czasowe prądów i napięć.

Jak wynika z prezentowanych przebiegów prąd źródła jest bardzo odkształcony i płynie impulsowo. Każdy impuls rozpoczyna się w momencie, gdy:

gdzie:

- chwilowa wartość napięcia źródła,

- chwilowa wartość napięcia na odbiorniku,

- napięcie na diodzie w stanie przewodzenia.

Stosowanie dużej liczby prostowników diodowych stanowi dla sieci zasilającej obciążenie nieliniowe o charakterze impulsowym, o znacznej zawartości wyższych harmonicznych. Na rys. 1.2 przedstawiono oscylogramy prądów pobieranych z sieci zasilającej 220V przez oświetlenie tradycyjne (jarzeniowe) i przez oświetlenie energooszczędne.

Rys. 1.2 Oscylogram prądu pobieranego z sieci przez oświetlenie: a) jarzeniowe

b) energooszczędne firmy OSRAM

Występujące odkształcenie pobieranego prądu dla oświetlenia energooszczędnego wynika głównie z zastosowania konwencjonalnego prostownika.

1.2. Sterowane prostowniki tyrystorowe o komutacji sieciowej

Alternatywą w stosunku do prostowników diodowych są sterowane prostowniki tyrystorowe o komutacji sieciowej. Regulacja napięcia odbywa się poprzez zmianę kąta załączania zaworów w określonym zakresie.

Przekształtniki tyrystorowe o komutacji sieciowej oddziałują niekorzystnie na współpracującą z nim sieć w trojaki sposób:

• powodują komutacyjne załamania napięcia sieci, związane z przejmowaniem prądu między zaworami,

• odkształcają prąd sieci - tzn. poza pierwszą harmoniczną występuje jeszcze szereg wyższych harmonicznych,

• opóźniają prąd względem napięcia sieci.

Do mocy rzędu kilku kilowatów często stosowane są prostowniki 2T-2D. Tyrystory mogą stanowić jedną grupę komutacyjną lub mogą być włączone w jedną z gałęzi mostka. Na rys. 1.3 przedstawiono schematy dla obu przypadków.

a) b)

Rys. 1.3 Schematy mostków półsterowanych a) z tyrystorową grupą komutacyjną,

b) z tyrystorami w gałęzi mostka.

Przy obciążeniu czysto rezystancyjnym praca układu jest identyczna jak praca mostka sterowanego (2T-2T), a przy obciążeniu zawierającym indukcyjność układ działa podobnie jak prostownik w pełni sterowany (jednokierunkowy, mostkowy), wyposażony w diodą spolaryzowaną wstecznie, bocznikującą odbiornik.

Cechą różniącą ten układ (przy obciążeniu zawierającym indukcyjność) od układu w pełni sterowanego (bez odcięcia zerowego) jest wewnętrzne rozładowanie energii zgromadzonej w indukcyjności L odbiornika, zachodzące w tej części cyklu pracy, w której napięcie zasilające ma ujemne wartości chwilowe. Napięcie wyjściowe mostka jest w tym czasie równe napięciu przewodzenia diod, czyli bliskie zeru. Napięcie wyjściowe nie może przyjmować ujemnych wartości chwilowych, dlatego średnia wartość napięcia na odbiorniku też nie może być mniejsza od zera. Nie jest możliwa zatem praca falownikowa układu, czyli nie jest możliwy zwrot energii z odbiornika do sieci zasilającej.

Zaprezentowany układ w porównaniu do układów w pełni sterowanych charakteryzuje się węższym zakresem niekorzystnego przewodzenia impulsowego, mniejszą pulsacją i większą wartością średnią napięcia wyprostowanego oraz większym współczynnikiem mocy.

W celu zmniejszenia współczynnika pulsacji napięcia wyjściowego, włącza się filtr L lub LC.

Prąd pobierany przez prostowniki przy obciążeniu o dowolnym charakterze jest zawsze niesinusoidalny. Opisuje go zależność:

(1.1)

gdzie:

- numer harmonicznej prądu sieci

- wartość skuteczna
- tej harmonicznej prądu fazowego sieci zasilającej

- kąt
- tej harmonicznej prądu fazowego sieci zasilającej

Przebieg napięcia sieci zasilającej także jest odkształcony i wyraża go zależność:

(1.2)

gdzie:

- numer harmonicznej napięcia sieci

- wartość skuteczna
- tej harmonicznej prądu fazowego sieci zasilającej

- kąt
- tej harmonicznej napięcia sieci zasilającej

Przy zdefiniowanym prądzie pobieranym z sieci i napięciu zasilającym podstawowe wzory na moc czynną, bierną i pozorną należy wyrazić jako sumy mocy wytwarzanych przez poszczególne harmoniczne. Wzrost poszczególnych harmonicznych przyczynia się do wzrostu mocy pozornej, czyli obniżenia współczynnika mocy. Poszczególne moce wyrażają zależności:

(1.3)

(1.4)

(1.5)

gdzie:

,
- wartość skuteczna napięcia sieci:
- tej harmonicznej,
- tej

harmonicznej

- kąt
- tej harmonicznej prądu fazowego sieci zasilającej

- kąt
- tej harmonicznej napięcia sieci zasilającej

Całkowita moc pozorna pobierana z sieci przyjmuje postać:

(1.6)

(1.7)

Współczynnik mocy definiujemy:

(1.8)

gdzie:

- współczynnik odkształcenia prądu sieci

- współczynnik przesunięcia

Współczynnik mocy
układów składa się z dwóch członów. Współczynnika przesunięcia
: zależnego od kąta załączania zaworu
i w mniejszym stopniu od kąta komutacji
, oraz współczynnika odkształcenia prądu
: zależnego od układu połączeń, liczby pulsów p przekształtnika, a także kąta komutacji
i kąta załączania zaworu
.

Graficzną interpretację powyższych wzorów przedstawia rys. 1.4.

Rys. 1.4. Graficzna interpretacja współczynnika mocy

Wartość tętnień napięcia wyjściowego zasilacza powinna być jak najmniejsza. W tym celu zwiększa się pojemność kondensatora wyjściowego
. Jednocześnie wzrost pojemności prowadzi do zwiększenia wartości skutecznej poszczególnych harmonicznych prądu, co z kolei prowadzi do zwiększenia mocy odkształceń, i tym samym obniżenia współczynnika mocy.

Przedstawione wady, zarówno zasilaczy diodowych jak i tyrystorowych o komutacji sieciowej były przyczyną poszukiwania nowych rozwiązań. Na tej podstawie powstały przekształtniki impulsowe AC/DC pracujące z współczynnikiem mocy bliskim jedności i przekształtniki impulsowe DC/DC.

2. Przekształtniki impulsowe DC/DC

Bezpośrednie przekształtniki napięcia stałego na napięcie stałe

W niniejszym rozdziale przedstawiono analizę pracy przekształtników impulsowych DC/DC. Przy dużych częstotliwościach wykładnicze przebiegi napięć i prądów można aproksymować do przebiegów liniowych, dlatego rozważania przeprowadzono przy pominięciu rezystancji.

2.1. Przekształtnik obniżający napięcie

Zadaniem układu jest przekazywanie energii ze źródła U₁ (o napięciu wyższym) do źródła U₂ (o napięciu niższym).

Rys. 2.1. Przekształtnik obniżający napięcie: a) schemat układu, b) tranzystor włączony

c) tranzystor wyłączony d) przebieg prądu cewki.

Analizę zasady działania układu rozpoczęto w chwili t = 0, gdy prąd cewki i_L(0) = 0. Po załączeniu tranzystora prąd płynie w obwodzie pokazanym na rysunku 2.1.b. Obwód ten opisuje równanie:

(2.1)

stąd:

(2.2)

Po wyłączeniu tranzystora prąd popłynie przez diodę, rys. 2.1.c. Opisuje go zależność:

(2.3)

stąd:

(2.4)

Aby prąd płynął okresowo, rys. 2.1.d, musi być spełniony warunek:

(2.5)

2.2. Przekształtnik podwyższający napięcie

Zadaniem układu jest przekazywanie energii ze źródła U₁ (o napięciu niższym) do źródła U₂ (o napięciu wyższym).

Rys. 2.2 Przekształtnik podwyższający napięcie: a) schemat układu, b) tranzystor włączony

c) tranzystor wyłączony d) przebieg prądu cewki, e) przebieg prądu wyjściowego.

Analizę zasady działania układu rozpoczęto w chwili t = 0, gdy prąd cewki i_L(0) = 0. Po załączeniu tranzystora prąd płynie w obwodzie pokazanym na rysunku 2.2.b. Obwód ten opisuje równanie:

(2.6)

stąd:

(2.7)

Po wyłączeniu tranzystora prąd popłynie przez diodę, rys. 2.2.c. Opisuje go zależność:

(2.8)

stąd:

(2.9)

Aby prąd płynął okresowo, rys. 2.2.d, musi być spełniony warunek:

(2.10)

W celu regulacji i stabilizacji napięcia wyjściowego omówione powyżej struktury pracują w układzie zamkniętym. Spośród przedstawionych w literaturze rozwiązań najbardziej odpowiedni to układy z regulatorem:

• typu „delta”,

• typu PI.

Układ z regulatorem typu „delta”

Rys. 2.3. Uproszczony schemat przekształtnika z regulatorem typu „delta”.

W układzie z regulatorem typu „delta” ogranicza się maksymalną częstotliwość łączeń. Graniczna częstotliwość pracy układu wynika z częstotliwości generatora sterującego blokiem „pamiętająco-próbkującym”. Zmiana stanu komparatora może wystąpić tylko w chwilach impulsowania, czyli częstotliwość łączeń nie może przekroczyć podwójnej częstotliwości generatora. Regulator ten jest funkcjonalnie przystosowany do układów sterowania prądu w przekształtnikach typu rezonansowego.

Układ z regulatorem typu PI

Rys. 2.4. Uproszczony schemat przekształtnika z regulatorem typu PI.

Na wejście regulatora PI doprowadzony jest sygnał będący różnicą pomiędzy wartością zadaną, a chwilową wartością napięcia wyjściowego. Na podstawie uchybu zostaje wygenerowany sygnał, który po porównywaniu z przebiegiem piłokształtnym podawany zostaje na komparator. Po zrównaniu się tych dwóch sygnałów następuje przełączanie zaworu. Graniczna częstotliwość pracy układu wynika z częstotliwości przebiegu piłokształtnego.

---