EN- w04

1

Przekształtniki tyrystorowe (ac/dc)

Struktury (najczęściej stosowane)
Uproszczona analiza ( L

s

= 0, i

d

= const )

Przebiegi napięć , prądów i mocy
Wzory na wartości średnie , skuteczne, harmoniczne

Komutacja ( L

s

> 0 , i

d

= const )

Przebiegi i wzory jak poprzednio

Analiza symulacyjna ( L

s

> 0 , i

d

= i

d

(t) )

Przewodzenie przerywane

Przekształtnik jako element układu regulacji

Schemat blokowy, właściwości regulacyjne

EN- w04

2

Prostowniki tyrystorowe – schematy praktyczne

Indukcyjność L

d

po stonie prądu stałego:

wygładza prąd wyjściowy
może być częścią obciążenia
obciążenie można zastąpić

źródłem prądowym

Indukcyjność L

s

po stronie zasilania:

wpływa na komutację
ogranicza di/dt

EN- w04

3

Zasady działania – model uproszczony (Ls=0, id=const)

Grupa komutacyjna katodowa

Katody T1 i T3 połączone

w punkcie P (+)

Przewodzi tyrystor o wyższym

napięciu anodowym

Wybierane jest najwyższe

napięcie

Grupa komutacyjna anodowa

anody T2 i T4 połączone

w punkcie N (-)

Przewodzi tyrystor o niższym

napięciu katodowym

Wybierane jest najniższe

napięcie

EN- w04

4

Prostownik 2-pulsowy mostkowy (Ls=0, Rd,Ld = var)

EN- w04

5

Prostownik 2-pulsowy jednokierunkowy (Ls=0, Rd,Ld = var)

EN- w04

6

Zasady działania – model uproszczony (Ls=0, id=const)

Analiza przebiegów i wzory wyprowadzone na

następnych 8-miu slajdach dotyczą uproszczonego
modelu prostownika, w którym zakłada się stały
prąd obciążenia i

d

= I

d

EN- w04

7

Średnie napięcie wyprostowane V

d

(

a

)

Takie samo jak w mostku diodowym,
o ile

a

= 0

Wartości chwilowe oraz średnie
napięcia mogą być ujemne (dzięki
źródłu prądowemu)
Wzór na napięcie średnie:

Prąd sieci jest opóźniony o kąt

a

 

   

 

 

 

α

α

V

π

=

α

V

ωt

d

ωt

V

π

=

α

V

s

d

s

α

+

π

α

d

0.9cos

cos

2

2

sin

2

1







 

s

d0

d0

d

V

π

=

V

α

V

=

α

V

2

2

cos

EN- w04

8

Praca prostownikowa i falownikowa , moc średnia

Średnie napięcie Vd jest ujemne, gdy 90

o

<

a

<180

o

; jest to praca falownikowa

Wzór na moc średnią:

 

 

α

I

V

I

V

=

dt

v

T

I

=

dt

i

v

T

=

dt

t

p

T

=

P

d

s

d

d

T

d

d

d

T

d

T

cos

0.9

1

1

1

0

0

0





















EN- w04

9

Harmoniczne napięcia wyjściowego v

d

Przebieg powtarza się po połowie okresu napiecia sieci

Częstotliwości harmoniczne są wielokrotnościami 2f

s

Można je obliczyć za pomocą szeregu Fouriera

Maksimum harmonicznych występuje gdy

a

jest równe

p

/2

Wzory na harmoniczne można znaleźć w literaturze;

na wykładzie nie będziemy ich omawiać

EN- w04

10

Prąd wejściowy (

a

=0 lub prostownik diodowy)

Współczynnik zniekształceń harmonicznych THD = 48,4%
Podstawowa składowa jest w fazie z napięciem

Współczynnik przesunięcia (displacement factor, cos

j

) =1

Współczynnik mocy PF = DPF Ish / Is ≈ 0.9

EN- w04

11

Prąd wejściowy i

s

(

a >

0 ) , rozkład na harmoniczne

Kąt przesunięcia składowej podstawowej

F

1

równy

a

Wartości skuteczne składowej podstawowej i harmonicznych:

...

1,2

1,

2k

0.9

2

2

,

=

k

+

=

h

,

h

I

=

I

,

I

I

π

=

I

s1

sh

d

d

s1































+

α

ωt

I

+

α

ωt

I

+

α

ωt

I

=

i

s5

s3

s1

s

5

sin

2

3

sin

2

sin

2

EN- w04

12

Współczynniki mocy:

DPF, THD, PF

Wartość skuteczna prądu :

I

s

= I

d

Przesunięcie podstawowej harmonicznej równe

a ,

zatem:

Współczynniki :

THD

i

, PF

α

=

Φ

=

DPF

cos

cos

1

0.484

2

2





s1

s1

s

I

I

I

=

THD

α

π

=

DPF

I

I

=

PF

s

s1

cos

2

2

EN- w04

13

Moce: czynna P, bierna Q

1

, Q , pozorna S

1

, S

Moc czynna (równa po obu stronach):

Moc bierna składowej podstawowej:

Moc pozorna składowej podstawowej

(nie zależy od

a

):

Całkowita moc pozorna :
( S > S

1

)

α

I

V

=

Φ

I

V

=

P

d

d

s1

s

cos

cos

0

1

α

I

V

=

Φ

I

V

=

Q

d

d

s1

s

sin

sin

0

1

1

d

s

d

d

d

d

s1

s

I

V

I

V

=

α

+

α

I

V

=

Q

+

P

=

I

V

=

S

0.9

sin

cos

0

2

2

0

2

1

2

1



d

s

s

s

I

V

=

I

V

=

S

EN- w04

14

Komutacja

(rozważania wstępne)

W układach praktycznych indukcyjność Ls jest zawsze > 0
Prąd nie może przemieścić się z jednej gałęzi do drugiej natychmiastowo

Zmiana prądów, czyli komutacja zajmuje pewien przedział czasu:

t

m

Zamiast czasu częściej posługujemy się kątem komutacji:

m

=

w

t

m

Zakłada się , że prąd

i

d

nie zmienia się w czasie komutacji :

i

d

= I

d

Przykład (przypomnienie komutacji natychmiastowej,

L

s

=0

→

t

m

=0

,

m

=0)

:

EN- w04

15

Komutacja

(przykład , Ls > 0)

V

s

< 0

D

2

przewodzi prąd I

d

Napięcie v

d

= 0

V

s

zmienia znak na dodatni

Zaczyna przewodzić D

1

L

s

spowalnia zmiany prądu

D

1

i D

2

przewodzą równocześnie

D

2

przestaje przewodzić

gdy prąd i

D2

spadnie do

zera

Po komutacji prądy oraz
napięcia źródła i
odbiornika są sobie
równe

EN- w04

16

Przebiegi podczas komutacji (przykład , Ls > 0)

Podczas komutacji

(dwie na 1 okres sieci):
Prąd i

s

:

rośnie od 0 do I

d

maleje od I

d

do 0

Napięcie v

d

:

Pozostaje zerowe

Pozostaje zerowe

Napięcie v

L

oraz

A

m

(całka z v

L

):

 

   









d

I

s

s

s

μ

μ

s

s

s

L

di

ωL

=

ωt

d

ωt

V

=

A

dt

di

L

=

ωt

V

=

v

0

0

sin

2

sin

2

 





 

s

d

s

d

s

s

μ

V

I

ωL

=

μ

I

ωL

=

μ

V

=

A

2

1

cos

cos

1

2







 





 





μ

i

=

I

μ

ωL

V

=

I

k

d

s

s

d

cos

1

ˆ

cos

1

2





EN- w04

17

Średnie napięcie wyprostowane V

d

(przykład)

Podczas komutacji v

d

= 0 i dlatego średnie napięcie V

d

zmniejsza się

w porównaniu z przypadkiem komutacji natychmiastowej (L

s

=0)

Średnia wartość napięcia przy komutacji natychmiastowej:

Średnia wartość napięcia po uwzględnieniu komutacji:

   

s

s

s

π

d0

V

V

π

=

ωt

d

ωt

V

π

=

V

0.45

2

2

2

sin

2

2

1

0





   

   

   

ωt

d

ωt

V

π

ωt

d

ωt

V

π

=

ωt

d

ωt

V

π

=

V

s

μ

s

π

s

π

μ

d

sin

2

2

1

sin

2

2

1

sin

2

2

1

0

0









d

s

μ

d

d

s

s

μ

s

d

I

π

ωL

=

π

A

=

ΔV

ęcia

spadeknapi

,

I

π

ωL

V

π

=

π

A

V

π

=

V

2

2

:

2

2

2

2

2

2

2

2





 





2

cos

1

2

μ

+

V

=

I

π

ωL

V

=

V

d0

d

s

d0

d



EN- w04

18

Komutacja w prostowniku 2-pulsowym – ćwiczenie iPES

EN- w04

19

Przekształtnik mostkowy, 1-fazowy

Komutacja powoduje
podobne efekty, jak
poprzednio opisane
(zmniejszenie szybkości
zmian prądu i

s

, spadek

średniego napięcia
wyjściowego V

d

)

Podczas komutacji
przewodzą wszystkie cztery
tyrystory (diody)
Wzory na średnie napięcie
wyprostowane są podobne
(ale nie identyczne!)

EN- w04

20

Komutacja w 1-fazowym mostku diodowym

Gdy

v

s

< 0

przewodzą D3 i D4

Gdy

v

s

staje się

dodatnie przewodzą
również D1 i D2

Prąd sieci

i

s

zmienia

się w granicach od -

I

d

do

I

d

Napięcie

v

d

jest

podczas komutacji

zerowe

EN- w04

21

Analiza komutacji metodą prądów oczkowych

Schemat ważny dla:

Przewodzą 4 zawory:

D3 i D4 kontynuują,

D1 i D2 zaczynają

μ

<

ωt

<

0

komutacji

obwodu

oczkowy

prad

=

i

μ

μ

d

s

μ

d

D4

D3

μ

D2

D1

I

=

i

i

I

=

i

=

i

i

=

i

=

i

2i







0

0

=

v

;

>

v

d

s

EN- w04

22

Kąt komutacji

m

w 1-fazowym mostku tyrystorowym

 





 









μ

+

α

α

ωL

V

=

I

lub

V

I

ωL

α

=

μ

+

α

I

ωL

=

I

di

ωL

=

dωω

ωt

V

=

A

dt

di

L

=

v

=

v

s

s

d

s

d

s

d

s

d

d

I

s

s

s

μ

+

α

α

μ

s

s

Ls

s

cos

cos

2

2

:

2

2

cos

cos

2

sin

2















EN- w04

23

Średnie napięcie wyprostowane

Spadek napięcia proporcjonalny do powierzchni A

m

Wzór na średnie napięcie wyjściowe i komutacyjny spadek napięcia
(w zależności od kąta

a

i pradu I

d

):

( wzór na średnie napięcie w funkcji kątów

a

i

m

)

 

s

k

s

d0

d

k

d0

d

ωL

π

=

X

;

V

π

=

V

;

I

X

α

V

=

V

2

2

2

cos



 

























μ

+

α

+

α

V

=

μ

+

α

+

α

π

V

=

V

μ

+

α

α

ωL

V

π

ωL

α

π

V

=

V

d0

s

d

s

s

s

s

d

cos

cos

2

cos

cos

2

cos

cos

2

2

2

cos

2

2





 

d

s

μ

d

d

s

s

d

I

π

ωL

=

π

=

ΔV

π

I

ωL

α

π

V

=

V

2

2

2A

2

cos

2

2



EN- w04

24

Przesunięcie podstawowej składowej prądu sieci

Z powodu komutacji przesunięcie jest większe niż

a

Gdyby założyć liniowy przebieg prądu w czasie komutacji, to:

Z równowagi mocy (brak strat w przekształtniku):

Inne współczynniki muszą być liczone z uwzględnieniem kształtu prądu





2

/

cos

μ

+

α

DPF











2

/

cos

/

2

cos

2

μ

+

α

V

I

ωL

π

α

I

V

I

I

V

=

DPF

I

V

=

P

s

d

s

d

d0

s1

d

d

s1

s







EN- w04

25

Przesunięcie podstawowej składowej prądu sieci

Z powodu komutacji przesunięcie jest większe niż a

Gdyby założyć liniowy przebieg prądu w czasie komutacji, to:

Z równowagi mocy (brak strat w przekształtniku):

Inne współczynniki muszą być liczone z uwzględnieniem kształtu prądu





2

/

cos

μ

+

α

DPF











2

/

cos

/

2

cos

2

μ

+

α

V

I

ωL

π

α

I

V

I

I

V

=

DPF

I

V

=

P

s

d

s

d

d0

s1

d

d

s1

s







EN- w04

26

Komutacja w prostowniku 3-pulsowym; charakterystyka Vd(Id)

EN- w04

27

Przekształtnik 3-pulsowy w pracy falownikowej; przewrót

EN- w04

28

Przekształtnik 6-pulsowy mostkowy (Ls=0,Rd,Ld=var)

EN- w04

29

Przekształtnik 6-pulsowy mostkowy (Ls=0,id=const)

EN- w04

30

Przekształtnik 6-pulsowy : przebiegi napięcia vd

praca prostownikowa

praca falownikowa

EN- w04

31

Przekształtnik 6-pulsowy : przebiegi prądu sieci

EN- w04

32

Przekształtnik 6-pulsowy : prąd sieci dla różnych kątów

a

praca prostownikowa

praca falownikowa

EN- w04

33

Przekształtnik 6-pulsowy : charakterystyka sterowania V

d

(

a

)

Diodowy, lub

a

=0 :

efekt sterowania :

EN- w04

34

Przekształtnik 6-pulsowy (Ls >0; id=const)

EN- w04

35

Napięcie i prądy podczas komutacji

EN- w04

36

Prąd pobierany z sieci przez przekształtnik 6-pulsowy (Ls>0)

EN- w04

37

Harmoniczne prądu sieci (p=6, Ls>0)

EN- w04

38

Przekształtnik 6-p, realistyczny model obciążenia (Rd-Ld-Ed))

EN- w04

39

Napięcia i prądy zbliżone do realnych (p=6, Ls>0, Rd-Ld-Ed)

(przewodzenie ciągłe)

EN- w04

40

Napięcia i prądy zbliżone do realnych (p=6, Ls>0, Rd-Ld-Ed)

(przewodzenie przerywane)

EN- w04

41

Charakterystyki zewnętrzne Vd(Id) przy różnych kątach

a

EN- w04

42

Średnie napięcie wyjściowe przy przewodzeniu

ciągłym

EN- w04

43

Kąt dysponowany na wyłączenie (zapas kątowy) przy pracy
falownikowej

EN- w04

44

Wzory na napięcie wyjściowe przekształtnika p-pulsowego

przy przewodzeniu ciągłym

s

k

s

d0

d

k

d0

dα

ωL

π

p

=

X

V

p

π

π

p

=

V

I

X

α

V

=

V

2

2

sin

cos



EN- w04

45

Schemat blokowy przekształtnika (przy przewodzeniu

ciągłym)