PROSTOWNIKI STEROWANE

Prostowniki sterowane (tyrystorowe) są to przekształtniki pozwalające zamieniać napięcie
przemienne na napięcie stałe o regulowanej wartości średniej

Prostownik jednofazowy

Prostownik jednofazowy jest układem energoelektronicznym, którego zasada działania

polega na cyklicznym załączaniu tyrystora, przez co możliwa jest płynna regulacja wartości
średniej napięcia na odbiorniku. Schemat prostownika jednofazowego przedstawiony jest na
rysunku 3.1.

Rys. 3.1. Prostownik jednofazowy

Dioda zwrotna D

z

jest elementem opcjonalnym,

Jeżeli jest dołączona, to napięcie na odbiorniku
(napięcie wyjściowe prostownika) nie osiąga
wartości mniejszej od zera. Kształt prądu
odbiornika zależy od parametrów sieci
zasilającej, parametrów odbiornika oraz kąta
załączania tyrystora. Dla odbiornika RL kąt
załączania może się zmieniać od 0 – π,
natomiast dla odbiornika typu RLE zakres
zmian kąta załączania jest mniejszy i zależy
od napięcia E

odbiornika.

Rys. 3.2. Przebiegi napięcia na odbiorniku typu RL i prądu odbiornika zasilanego przez

prostownik jednofazowy bez diody zwrotnej

υ

z

– kąt załączania,

υ

g

– kąt wyłączania,

λ – kąt przewodzenia.

1

Wartość średnia napięcia wyprostowanego (bez diody zwrotnej) wynosi:

)

cos

(cos

U

2

1

U

m

d

g

z

υ

−

υ

π

=

gdzie: U

m

– amplituda napięcia źródła zasilania.

Jeśli włączona jest dioda zwrotna, to kąt wyłączania υ

g

równy jest π, wówczas wartość

średnia napięcia wyprostowanego określona jest zależnością:

)

1

(cos

U

2

1

U

m

d

+

υ

π

=

z

Dla odbiornika RLE wartość średnia napięcia wyprostowanego wynosi:













π

υ

−

υ

−

+

υ

−

υ

π

=

2

1

E

)

cos

(cos

U

2

1

U

m

d

z

g

g

z

Praca falownicza prostownika jednofazowego

Praca falownicza umożliwia oddawanie energii zgromadzonej w odbiorniku do

sieci prądu przemiennego (np. energia kinetyczna mas wirujących sprowadzonych na
wał silnika obcowzbudnego prądu stałego)

Przejście z pracy prostowniczej do falowniczej wymaga:

zmiany kierunku napięcia E odbiornika,

takiego zwiększenia kąta załączania, aby wartość średnia napięcia wyprostowanego

była ujemna

Dioda zwrotna nie może być dołączona, jeśli prostownik ma być wysterowany do pracy
falowniczej.

2

Tyrystory mogą być załączane
do punktu A.
Kąt załączania nie może być
zbyt mały, gdyż tyrystor musi się

Rys. 3.3 Przebiegi prądu i napięcia wyprostowanego

podczas pracy falowniczej prostownika jednofazowego

wyłączyć przed punktem B.

Trójfazowy prostownik gwiazdowy

Zasada działania prostownika gwiazdowego polega na cyklicznym załączaniu

tyrystorów T1, T2 T3 [3, 4]. Schemat trójfazowego prostownika gwiazdowego
przedstawiono na rysunku 3.4.

Rys. 3.4. Trójfazowy prostownik gwiazdowy

Dioda zwrotna D

z

jest elementem

opcjonalnym

Punkty przecięcia się napięć fazowych są
tzw. punktami komutacji naturalnej.
W tych punktach zaczynają przewodzić
diody prostownika niesterowalnego.

Kąt wysterowania α jest katem liczonym
od punktu komutacji naturalnej do chwili
załączenia tyrystora (rys. 3.5).


Dla prostownika gwiazdowego kąt
załączenia υ

z

jest większy od kąta

wysterowania o 30

o

(π/6).

3

Rys. 3.5 Przebiegi czasowe prądu i napięcia

wyprostowanego oraz impulsów bramkowych w prostowniku

gwiazdowym zasilającym odbiornik czysto rezystancyjny

(przewodzenie przerywane)

Przy symetrycznym zasilaniu wszystkie tyrystory mają jednakowe warunki pracy. W

ciągu okresu każdy z nich przewodzi prąd przez tak samo długi przedział czasu. Dla
przewodzenia ciągłego przedział ten równy jest 2π/3. Aby tyrystor mógł zostać załączony
napięcie na nim musi być dodatnie. Tyrystory załączane są z opóźnieniem o kąt α (kąt
wysterowania) względem punktu komutacji naturalnej. Impulsy bramkowe tyrystorów
przesunięte są względem siebie odpowiednio o kąt 120

o

(2π/3) i 240

o

(4π/3).

Prąd w linii zasilającej jest prądem jednokierunkowym, co jest istotną wadą

prostownika gwiazdowego. Z tego względu prostowniki gwiazdowe stosowane są w
układach małej mocy.

Rys. 3.6. Przebiegi prądu i napięcia wyprostowanego oraz

impulsów bramkowych w prostowniku gwiazdowym

zasilającym odbiornik czysto rezystancyjny przy

przewodzeniu ciągłym

4

Trójfazowy prostownik gwiazdowy jest tzw. prostownikiem trójpulsowym
(trójtaktowym); liczba pulsów (taktów) q=3.

Wartość średnia napięcia wyprostowanego (bez diody zwrotnej) wynosi:

)

cos

(cos

U

2π

q

U

m

d

g

z

υ

−

υ

=

gdzie: U

m

– amplituda napięcia źródła zasilania,

q – liczba pulsów (taktów).

Dla przewodzenia ciągłego można zapisać:

z

g

υ

−

υ

=

λ

Ponieważ dla przewodzenia ciągłego

q

2π

=

λ

, to wzór na wartość średnią napięcia

wyprostowanego można przedstawić w postaci:

]

)

q

2

(

cos

[cos

U

2

q

U

m

d

π

+

υ

−

υ

π

=

z

z

Można wykazać, że dla przewodzenia ciągłego prawdziwa jest zależność:













π

−

π

+

α

=

υ

q

z

2

2

1

Uwzględniając zależność między kątem α a kątem

z

υ

wzór na wartość średnią napięcia

wyprostowanego można po uporządkowaniu przedstawić w postaci:

α

cos

q

π

sin

π

q

U

U

m

d

=

gdzie: U

m

– wartość maksymalna napięcia fazowego,

q – liczba pulsów,

α – kąt wysterowania

Dla odbiornika RLE wartość średnia napięcia wyprostowanego przez trójfazowy prostownik
gwiazdowy określona jest zależnością (podobnie jak w przypadku prostownika
jednofazowego zasilającego odbiornik RLE):













π

υ

−

υ

−

+

υ

−

υ

=

2

q

1

E

)

cos

(cos

U

2π

q

U

m

d

z

g

g

z

5

Trójfazowy prostownik mostkowy.

Tyrystory prostownika

Rys. 3.7. Trójfazowy prostownik mostkowy

mostkowego, załączane
są parami (T1 T4, T1 T6,
T3 T2, T3 T6, T5 T2,
T5 T4).

Prąd odbiornika poza
przedziałami komutacji
płynie przez dwa tyrystory.

Prąd linii zasilającej przy
symetrycznym sterowaniu
tyrystorów jest prądem
przemiennym (jego wartość
średnia jest równa zero).

Rys. 3.8. Diagram przewodzenia tyrystorów w

trójfazowym prostowniku mostkowym

Wahania napięcia wyprostowanego
są znacznie mniejsze niż w
prostowniku gwiazdowym.


Zmniejszenie wahań napięcia
na odbiorniku a tym samym
zmniejszenie wahań prądu
odbiornika uzyskuje się przez
włączenie na wyjściu prostownika
kondensatora lub dławika
indukcyjnego szeregowo
z odbiornikiem.

Rys. 3.9. Napięcie wyprostowane w trójfazowym

prostowniku mostkowym

Trójfazowy prostownik mostkowy
jest tzw. prostownikiem
sześciopulsowym (sześciotaktowym);
liczba pulsów (taktów) q=6.

Prąd w linii zasilającej jest
prądem dwukierunkowym,
którego wartość średnia jest
równa zeru !

Pulsacje napięcia wyprostowanego są
znacznie mniejsze względem pulsacji
napięcia wyprostowanego
w prostowniku gwiazdowym.

6

Wartości średnie napięcia wyprostowanego wyznacza na podstawie takich samych
zależności jak dla trójfazowego prostownika gwiazdowego,
przy czym liczba taktów q = 6 !.

Dla prostownika mostkowego kąt załączenia υ

z

jest większy od kąta

wysterowania α o 60

o

(π/3)

.

Komutacja tyrystorów w prostownikach

Komutacja w prostownikach jest to proces związany z przejmowaniem prądu przez kolejne
tyrystory. Przyczyną komutacji jest indukcyjność linii zasilającej prostownik. Prądy w
poszczególnych fazach linii zasilającej nie mogą skokowo narastać ani skokowo maleć.

Rys. 3.10. Przewodzenie tyrystorów w

prostowniku gwiazdowym podczas komutacji

Jeśli przewodził prąd tyrystor T1, to
z chwilą załączenia tyrystora T2, prąd
w fazie pierwszej zacznie maleć, a prąd
w fazie drugiej będzie narastał. Przez
czas komutacji w prostowniku gwiazdowym
przewodzą więc dwa tyrystory.



Dla faz, w których komutują tyrystory
można zapisać równania ( zał. R

S

=0):

E

L

R

L

)

(

s

+

+

=

−

dt

di

i

dt

di

t

u

d

d

s1

s1

E

L

R

L

)

(

2

s

2

+

+

=

−

dt

di

i

dt

di

t

u

d

d

s

s

Rys. 3.11. Napięcie wyprostowane i prądy

fazowe z uwzględnieniem procesu komutacji w

trójfazowym prostowniku gwiazdowym

s2

s

d

i

i

i

+

=

1

Kąt µ jest katem komutacji.



Jeśli założyć, że stała czasowa
odbiornika jest duża, to można przyjąć,
że pochodna prądu odbiornika jest
równa zeru. Wówczas sumując stronami
dwa powyższe równania napięciowe
i dzieląc przez dwa uzyskuje się:

)]

(

)

(

[

2

1

)

(

E

L

R

2

t

u

t

u

t

u

dt

di

i

s

s1

d

d

d

+

=

=

+

+

7

Oznacza to, że w czasie komutacji napięcie na odbiorniku równe jest połowie sumy napięć faz
komutujących.

Komutacja występuje zarówno w zakresie pracy prostowniczej jak i falowniczej
prostownika, ale wyłącznie, jeśli prąd odbiornika jest ciągły.

W prostowniku mostkowym w czasie komutacji przewodzą trzy tyrystory.

Komutacja powoduje obniżenie wartości średniej napięcia wyprostowanego.

„Spadek” napięcia powodowany komutacją wynosi:

d

s

dk

I

X

2

q

U

π

=

∆

gdzie: X

s

– reaktancja fazy linii zasilającej

I

d

– prąd odbiornika.

Wypadkowe napięcie wyprostowane z uwzględnieniem komutacji wynosi:

d

s

m

d

I

X

2

q

α

cos

q

π

sin

π

q

U

U

π

−

=

Wartość kąta komutacji określa zależność:

α

−





















π

−

α

=

µ

q

sin

U

I

X

cos

arccos

m

d

s

Oddziaływanie prostowników na sieć zasilającą

Prostowniki powodują:

• odkształcenie napięcia w sieci zasilającej,

• generację wyższych harmonicznych prądów w sieci zasilającej,
• pogorszenie tzw. współczynnika mocy.

8