Rozdział 2

Topologie

2.1. Wprowadzenie

Jak już o tym wspomniano w podrozdziale 1.1, impulsowe układy transformu-
jące napięcia przemienne umożliwiają zmianę napięcia, a przez to prądu oraz
mocy obciążeni, bez zmiany częstotliwości jego harmonicznej podstawowej.
Schematy blokowe takich układów pokazano na rys. 2.1. Przekształtnik realizu-
jący zmianę napięcia obciążenia nazwano sterownikiem. Nazwę sterownik,
o czym już również wspomniano (podrozdział 1.1), wprowadzono w celu wy-
raźnego odróżnienia mniejszego zakresu funkcjonalnego przekształtników sto-
sowanych w omawianych układach od zakresu funkcjonalnego bezpośrednich
przekształtników matrycowych AC/AC.

u

S

i

S

Z

L

u

L

S

2

S

1

i

L

STEROWNI

K

a)

SYGNAŁ

STERUJĄCY

u

S1

Z

L2

u

S2

u

S3

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

Z

L3

Z

L1

ŁĄCZNIKI ŹRÓDŁA

LUB

SYGNAŁ

STERUJĄCY

A

2

B

2

C

2

STEROWNIK

b)

Rys. 2.1. Impulsowe układy transformujące napięcia przemienne,

a) jednofazowy, b) trójfazowy

Propozycję systematyki sterowników stosowanych w impulsowych ukła-

dach transformujących napięcia przemienne, którą przyjęto w monografii, ilu-
strują rysunki 2.2 oraz 2.3.

14 2. Topologie

S T E R O W N IK I

Im p u lso w y c h U k ła d ó w

T ra n sfo rm u ją c y c h N a p ię c ia P rz e m ie n n e

M A T R Y C O W O -

R E A K T A N C Y J N E (S M R )

M A T R Y C O W E

(S M )

Rys. 2.2. Ogólny podział sterowników stosowanych w impulsowych układach trans-

formujących napięcia przemienne

S

TER

OW

N

IK

I MATRY

C

OWE

(

S

M

),

ST

ERO

W

NIK

I M

A

TR

YC

OW

O

-RE

AK

T

A

NC

Y

JNE

(

S

M

R

)

SM, S

M

R

JE

DN

O

F

AZ

O

W

E

DW

UB

IEG

U

N

O

W

E

JE

DN

O

-

B

IEG

U

N

O

W

E

SM

, SM

R

TR Ó

JF

A

Z

O

W

E

NI

E-

SY

M

E

T

R

YCZ

NE

SY

M

E

T

R

YCZ

NE

IZ

OL

O

W

ANE

IZ

O

L

O

W

ANE P

W

M

PWM, FA

ZOW

E

PWM

JE

DN

O-

BI

EG

UN

O

W

E

DWU

B

IE

G

U

NOWE

IZO

L

O

W

ANE

IZ

OL

O

W

AN

E P

W

M

PWM,

FA

ZO

WE

PWM

JE

DN

O

-

BI

E

G

UN

OW

E

IZ

O

L

O

W

A

N

E

P

W

M

DW

UB

IE

G

U

N

O

W

E

IZ

OL

O

W

AN

E P

W

M

Rys. 2.3. Schemat blokowy systematyki sterowników stosowanych w impulsowych

układach transformujących napięcia przemienne

2.1. Wprowadzenie 15

Sterowniki stosowane w omawianych układach dzielą się na sterowniki ma-

trycowe (SM) oraz sterowniki matrycowo-reaktancyjne (SMR). Topologie SM
bazują na topologiach przekształtnika singularnego (jednofazowe) [153], oraz
przekształtnika matrycowego o zredukowanej ilości łączników (trójfazowe)
[55], [155]. Topologie sterowników SMR bazują na topologiach przekształtni-
ków DC/DC. SMR jednofazowe są budowane poprzez zastąpienie łączników
jednokierunkowych i diod łącznikami dwukierunkowymi. Zestawienie topologii
SMR jednofazowych, w którym wykorzystano zestawienie topologii prze-
kształtników DC/DC przedstawione w pracy [149], zamieszczono w dodatku A.
SMR trójfazowe są budowane przez połączenie topologii jednofazowych.
W dalszym podziale wyróżnia się SM oraz SMR jedno- i dwubiegunowe
(rys. 2.3), a wyróżnikiem jest, jak już o tym wspomniano (podrozdz. 1.2), bie-
gunowość harmonicznej podstawowej napięcia obciążenia.

Topologie i realizacje układowe SM oraz SMR były przedmiotem wielu

prac omówionych wcześniej w podrozdziale 1.2. Układy z SM lub SMR, przed-
stawione w tym rozdziale były przedmiotem prac własnych autora [16] – [22]
oraz prac zespołowych z udziałem autora [23] – [42], [44], [51], [68], [71], [78]
– [87], [116], [118] – [129], [131] – [133], [147].

2.2. Układy matrycowe

2.2.1. Sterowniki matrycowe

Schematy zastępcze najprostszych impulsowych układów transformujących
napięcie przemienne pokazano na rys. 2.4. Są to układy jednofazowe z mode-
lami obwodowymi SM z łącznikami idealnymi (podrozdz.1.4, p.1)) [12], [153].
Działanie tych układów, przy obciążeniu rezystancyjno-indukcyjnym(RL), ilu-
strują przebiegi czasowe pokazane na rys. 2.5.

u

S

i

S

Z

L

u

L

S

2

S

1

i

L

SM

a)

D

u

S

i

S

Z

L

u

L

S

2

S

1

i

L

S

3

S

4

SM

b)

D

Rys. 2.4. Układy jednofazowe z modelami obwodowymi SM z łącznikami idealnymi,

a) z SM jednobiegunowym, b) z SM dwubiegunowym

16 2. Topologie

SM jednobiegunowy (rys. 2.4a) składa się z dwóch łączników, łącznika

źródła S

1

i łącznika obciążenia S

2

. Łącznik źródła przyłącza źródło zasilania do

obciążenia, a łącznik obciążenia umożliwia przepływ prądu obciążenia po odłą-
czeniu źródła zasilania. W czasie t

1

do obciążenia jest przyłączane napięcie

źródła u

S

za pomocą łącznika źródła S

1

. Wówczas energia elektryczna jest do-

starczana ze źródła do obciążenia lub odwrotnie. W czasie t

2

łącznik źródła jest

wyłączony, napięcie obciążenia u

L

ma wartość równą zeru, a prąd obciążenia i

L

jest podtrzymywany za pomocą włączonego łącznika obciążenia S

2

. Podczas

pracy układu jest zmieniana wartość współczynnika wypełnienia impulsu
D = t

1

/T

S

, który spełnia funkcję wielkości sterującej.

t

t

t

t

t

s

1

(t)

u

S

i

S

u

L

i

L

T/2

T

T

S

t

2

t

1

a)

t

t

t

t

t

s

1

(t)

u

S

i

S

u

L

i

L

T/2

T

T

S

t

2

t

1

s

4

(t)

b)

Rys. 2.5. Przykłady przebiegów czasowych napięć i prądów w układach z SM,

a) jednobiegunowym (rys. 2.4a) dla D = 0,6, b) dwubiegunowym (rys. 2.4b) dla

D = 0,8; D = t

1

/ T

S

– współczynnik wypełnienia impulsu

SM dwubiegunowy (rys. 2.4b) ma cztery łączniki w pełni wyłączalne S

1

–

S

4

. Łączniki S

1

, S

4

oraz łączniki S

2

, S

3

przyłączają na przemian źródło zasilania

do obciążenia. Umożliwia on zmianę biegunowości napięcia przyłączanego do
obciążenia. W czasie t

1

do obciążenia jest przyłączane napięcie źródła zasilają-

cego u

S

za pomocą łączników S

1

, S

4

. Następnie w czasie t

2

do obciążenia jest

przyłączane napięcie źródła o odwrotnej polaryzacji -u

S

za pomocą łączników

S

2

, S

3

. W obydwu przedziałach czasu energia elektryczna jest dostarczana ze

źródła do obciążenia lub odwrotnie. Podobnie jak w układzie jednobiegunowym
wielkością sterującą jest współczynnik wypełnienia impulsu D.

2.2. Układy matrycowe 17

Przykład realizacji układowej SM jednobiegunowego pokazano na rys. 2.6,

natomiast oscylogramy wybranych przebiegów prądu obciążenia w tym ukła-
dzie pokazano na rys. 2.7. [25], [27]. W przypadku stosowania sterowania typu
PWM z “czasem martwym” (rys. 1.2b), w którym wszystkie tranzystory
w układzie są wyłączone, w omawianym układzie występują przepięcia powo-
dowane zjawiskiem samoindukcji. Korzystniejsze rozwiązanie ochrony prze-
pięciowej w tym układzie, zaproponowane w pracy [91] (układ regeneracyjny),
jest pokazane na rys. 2.8. Takie rozwiązanie umożliwia ochronę przepięciową
z odzyskiwaniem energii elektrycznej gromadzonej w kondensatorach C

S

i C

F

podczas komutacji.

u

S

i

S

Z

L

u

L

D

1

T

1

i

L

T

2

T

4

T

3

D

2

D

4

D

3

a)

L

F

C

F

t

s

T1,2

(t)

t

t

t

u

L

s

T2

(t)

s

T4

(t)

s

T3

(t)

u

S

i

L

b)

SM

OA

C

S

UOT

s

T3,4

(t)

t

δ

t

δ

t

t

t

t

u

S

i

L

c)

s

T1

(t)

t
t

u

i

u

L

u

i

Rys. 2.6. Układ z SM jednobiegunowym, a) schemat ideowy, b) przykładowe przebiegi

czasowe przy sterowaniu z “czasem martwym” t

δ

(rys. 1.2b), c) przykładowe przebiegi

czasowe przy sterowaniu bez “czasu martwego”; OA – obciążenie aktywne, UOT –

układ obejściowo-tłumiący

u

S

D=0,1

D=0,25

D=0,5

D=0,75

i

L

Rys. 2.7. Oscylogramy prądu obciążenia w układzie jak na rys. 2.6 przy sterowaniu

z “czasem martwym” dla f

S

= 1 kHz; X = 5 ms/dz., Y

1

= 50 V/dz, Y

2

= 0,5 A/dz.

18 2. Topologie

Przykład realizacji układowej SM dwubiegunowego oraz oscylogramów

napięć w tym układzie, które zaczerpnięto z pracy [61] (praca dyplomowa wy-
konana pod kierunkiem autora), pokazano na rysunkach 2.9 oraz 2.10.

u

S

i

S

Z

L

u

L

T

1

i

L

SM

T

2

T

3

a)

C

F

L

F

C

F

C

S

L

F

D

1

D

2

D

3

T

4

D

4

t

s

T1

(t)

t

t
t

t

t

u

2

s

T2

(t)

s

T4

(t)

s

T3

(t)

u

S

b)

t

δ

t

δ

u

2

i

L

u

i

Rys. 2.8. Układ z SM jednobiegunowym, a) schemat ideowy, b) przykładowe przebiegi

czasowe; t

δ

- “czas martwy” (rys. 1.2b)

s

T5

(t)

s

T6

(t)

s

T7

(t)

s

T8

(t)

s

T3

(t)

s

T4

(t)

u

S

i

S

Z

L

u

L

T

1

i

L

SM

T

2

T

3

a)

C

F

L

F

C

F

C

S

L

F

D

1

D

2

D

3

T

4

D

4

t

s

T1

(t)

s

T2

(t)

t

t

t
t

t

u

S

b)

t

δ

t

δ

u

2

C

S

T

5

T

6

T

7

T

8

D

5

D

6

D

7

D

8

u

2

i

L

u

i

Rys. 2.9. Układ z SM dwubiegunowym, a) uproszczony schemat ideowy, b) przebiegi

czasowe sygnałów sterujących; t

δ

– “czas martwy” (rys. 1.2b)

W omawianych układach, oprócz SM, są zwykle stosowane wejściowe oraz

wyjściowe filtry pasywne LC, jak jest to pokazane na rysunkach rys. 2.6,
rys. 2.8 oraz rys. 2.9. Są one stosowane w celu zmniejszenia odkształceń (wy-
eliminowania wyższych harmonicznych) napięcia obciążenia oraz prądu źródła.
Szczegółowa analiza doboru parametrów filtrów jest najszerzej przedstawiona
w pracach [47] – [49]. Ponadto, zarówno w układach o sterowaniu PWM
z “czasem martwym” jak i bez “czasu martwego” są stosowane lokalne
i globalne układy do ochrony przepięciowej, których rozwiązania pokazano
odpowiednio na rysunkach rys. 2.8, rys. 2.9 (C

S

i C

F

) oraz rys. 2.6 (UOT) [27],

[91], [126], [134].

2.2. Układy matrycowe 19

a)

b)

c)

Rys. 2.10. Oscylogramy w układzie pokazanym na rys. 2.9 dla D = 0,8 [61],

a) napięcia zasilania i sygnałów sterujących tranzystory T

1

– T

4

, b) napięcia zasila-

nia i sygnałów sterujących tranzystory T

5

– T

8

, c) napięcia wyjściowego u

2

Ogólny schemat blokowy układów trójfazowych z SM jednobiegunowymi

pokazano na rys. 2.11. Topologie trójfazowych SM jednobiegunowych syme-
trycznych i niesymetrycznych, w których wykorzystano modele obwodowe
z łącznikami idealnymi (podrozdz. 1.4, p.1)), pokazano na rysunkach 2.12 –
2.15. Jest istotne, że topologie SM symetrycznych pokazane na rysunkach
rys. 2.12b, d, rys. 2.13b, d, g, h, i, j oraz rys. 2.14c, d, e, f wymagają dostępu do
wszystkich zacisków fazowych źródła napięcia zasilania. Pozostałe topologie
SM symetrycznych oraz niesymetrycznych mogą być stosowane w układach
trójfazowych zasilanych z typowej sieci przemysłowej wymagają dostępu do
trzech zacisków fazowych źródeł napięcia zasilania.

20 2. Topologie

u

S1

Z

L2

u

S2

u

S3

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

Z

L3

Z

L1

ŁĄCZNIKI ŹRÓDŁA

ŁĄCZNIKI OBC.

SM

LUB

D

A

2

B

2

C

2

Rys. 2.11. Ogólny schemat blokowy układów trójfazowych z SM jednobiegunowymi

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

S

4

S

5

S

6

a)

SM

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

S

4

S

5

S

6

b)

SM

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

S

4

S

5

c)

SM

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

4

S

5

d)

SM

Rys. 2.12. Topologie SM jednobiegunowych symetrycznych z: a), b) 3+3, c) 3+2,

d) 2+2 łącznikami dwukierunkowymi

Podstawowym kryterium stosowanym przy ocenie użyteczności topologii

pokazanych na rysunkach 2.12 – 2.15 jest ocena wartości wewnętrznych strat
mocy, które występują podczas przewodzenia oraz komutacji łączników stoso-
wanych w tych topologiach. Wartość tych strat mocy jest zależna od ilości sto-
sowanych łączników oraz częstotliwości przełączania f

S

. Szczegółowa analiza

wewnętrznych strat mocy omawianych topologii jest przedstawiona w pracach
[16], [27], [119], [123] oraz [124].

2.2. Układy matrycowe 21

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

S

4

S

5

S

6

a)

SM

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

4

S

5

S

6

b)

SM

S

1

S

2

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

S

4

c)

SM

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

4

d)

SM

S

1

S

2

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

S

4

S

5

S

6

e)

SM

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

f)

SM

S

4

S

5

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

S

4

S

5

S

6

g)

SM

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

h)

SM

S

4

S

5

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

4

S

5

S

6

i)

SM

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

j)

SM

S

4

S

5

S

1

Rys. 2.13. Topologie SM jednobiegunowych symetrycznych z: a), e), g) 3+3, b) 2+3,

f), h) 3+2, c) 3+1, d) 2+1, i) 1+3, j) 1+2 łącznikami dwu- i jednokierunkowymi

Spośród topologii SM, które wymagają dostępu do trzech zacisków fazo-

wych źródeł zasilających, najbardziej efektywne są topologie pokazane na ry-

22 2. Topologie

sunkach 2.14a oraz b. W następnej kolejności są topologie SM pokazane na
rysunkach rys. 2.15c, rys. 2.13f, rys. 2.15d oraz rys. 2.15b. Spośród topologii
SM, które wymagają dostępu do wszystkich zacisków fazowych źródeł zasila-
jących, najbardziej efektywna jest topologia pokazana na rys. 2.14f. Układ o tej
topologii jest łatwy w realizacji przy wykorzystaniu transformatora separujące-
go, który daje dodatkowo izolację galwaniczną [147]. Realizacja takiego układu
jest omawiana dalej (porozdz. 2.2.2) i pokazana na rys. 2.26.

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

a)

SM

S

4

S

5

S

6

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

3

b)

SM

S

4

A

1

B

1

C

1

A

2

B

2

C

2

c)

SM

S

4

S

5

S

6

A

0

B

0

C

0

S

1

S

2

S

3

A

1

B

1

C

1

A

2

B

2

C

2

d)

SM

S

4

A

0

B

0

C

0

S

1

S

2

S

3

A

1

B

1

C

1

A

2

B

2

C

2

e)

SM

S

4

S

5

S

6

A

0

B

0

C

0

S

1

A

1

B

1

C

1

A

2

B

2

C

2

f)

SM

S

4

A

0

B

0

C

0

S

1

Rys. 2.14. Topologie SM jednobiegunowych symetrycznych z a), c) 3+3, b), d) 3+1,

e) 1+3, f) 1+1 łącznikami jednokierunkowymi

Wszystkie topologie SM jednobiegunowych (rysunki 2.12 – 22.15) można

analizować za pomocą dwóch schematów zastępczych, które pokazano na
rys. 2.16. Układ z SM symetrycznym (rys. 2.16a) składa się z trzech łączników
źródła S

1

– S

3

i dwóch łączników obciążenia S

4

, S

5

. Łączniki źródła przyłączają

poszczególne fazy źródła zasilania do obciążenia, a łączniki obciążenia umoż-
liwiają przepływ prądów obciążenia po odłączeniu źródła zasilania. Drugi
układ, pokazany na rys. 2.16b, ma tylko dwa łączniki źródła S

1

, S

2

przyłączają-

ce dwie fazy źródła zasilania do obciążenia. Jedna faza źródła zasilania jest
połączona bezpośrednio z obciążeniem. Łączniki obciążenia S

3

, S

4

, podobnie

2.2. Układy matrycowe 23

jak w układzie symetrycznym, pozwalają na przepływ prądów obciążenia po
odłączeniu źródła zasilania.

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

4

S

5

S

6

a)

SM

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

S

1

S

2

S

4

S

5

b)

SM

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

c)

SM

S

4

S

5

S

6

S

1

S

2

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

A

2

B

2

C

2

d)

SM

S

4

S

1

S

2

Rys. 2.15. Topologie SM niesymetrycznych z a) 2+3, b) 2+2 łącznikami dwukierunko-

wymi oraz z c) 2+3, d) 2+1 łącznikami jedno- i dwukierunkowymi

u

S1

i

S1

Z

L1

u

L1

S

4

S

1

i

L1

a)

SM

u

S2

i

S2

S

2

i

L2

u

S3

i

S3

S

3

i

L3

S

5

Z

L2

Z

L3

N

S

N

L

u

L2

u

L3

u

1

u

2

u

3

u

S1

i

S1

Z

L1

u

L1

S

3

i

L1

b)

SM

u

S2

i

S2

S

1

i

L2

u

S3

i

S3

S

2

i

L3

S

4

Z

L2

Z

L3

N

S

N

L

u

L2

u

L3

u

1

u

2

u

3

Rys. 2.16. Schematy zastępcze trójfazowych układów z SM jednobiegunowymi,

a) układ z SM symetrycznym, b) układ z SM niesymetrycznym

Działanie układu z SM symetrycznym (rys. 2.16a) jest podobne do działa-

nia układu jednofazowego, opisanego wcześniej (rys. 2.5a). Należy tylko
uwzględnić przesunięcie fazowe występujące w poszczególnych fazach układu.
Na rys. 2.18a pokazano przebiegi czasowe napięć i prądów ilustrujące działanie
układu z SM niesymetrycznym (rys. 2.16b). W tym układzie fazowe źródło
napięcia zasilania u

S1

jest połączone bezpośrednio z obciążeniem Z

L1

. W czasie

t

1

do pozostałych faz obciążenia są przyłączane fazowe źródła u

S2

, u

S3

za pomocą łączników źródła S

1

, S

2

. Energia elektryczna jest wówczas dostar-

czana ze źródła do obciążenia lub odwrotnie. W czasie t

2

łączniki źródła są wy-

24 2. Topologie

łączone, napięcia fazowe obciążenia mają wartość równą zero, a prądy fazowe
obciążenia są podtrzymywane za pomocą włączonych łączników obciążenia S

3

,

S

4

.

Schemat zastępczy trójfazowego układu z SM dwubiegunowym pokazano

na rys. 2.17. Przykładowe przebiegi czasowe ilustrujące działanie tego układu
pokazano na rys. 2.18b. W czasie t

1

do obciążenia są przyłączane napięcia fa-

zowe źródła u

S1

, u

S2

, u

S3

za pomocą łączników S

1

– S

5

, przy czym łączniki S

4

, S

5

zwierają końce obciążeń fazowych. Następnie w czasie t

2

łączniki S

1

– S

5

są

wyłączane, a do obciążenia są przyłączane napięcia fazowe źródła o odwrotnej
polaryzacji -u

S1

, -u

S2

, -u

S3

za pomocą łączników S

6

, S

10

. Końce obciążeń fazo-

wych są wówczas zwierane za pomocą łączników S

9

, S

10

W obydwu przedzia-

łach czasu energia elektryczna jest dostarczana ze źródła do obciążenia lub od-
wrotnie. Podobnie jak w układzie dwubiegunowym jednofazowym (rys. 2.4b)
wielkością sterującą jest współczynnik wypełnienia impulsu D. Omawiana to-
pologia SM jest wykorzystywana właściwie tylko w

połączeniu

z transformatorem dodawczym w trójfazowych stabilizatorach napięcia prze-
miennego. Jest to wówczas układ z SM izolowanym, omawiany dalej w pod-
rozdziale 2.2.2 (rys. 2.28).

u

S1

i

S1

Z

L1

u

L1

S

9

S

1

i

L1

SM

u

S2

i

S2

S

2

i

L2

u

S3

i

S3

S

3

i

L3

S

10

Z

L2

Z

L3

N

S

S

5

S

8

S

7

S

6

S

4

D

Rys. 2.17. Schemat zastępczy układu trójfazowego z modelem obwodowym SM dwu-

biegunowego z łącznikami idealnymi

Przykład realizacji układowej trójfazowego SM jednobiegunowego syme-

trycznego z globalnym układem ochrony przepięciowej (UOT) oraz oscylogra-
my napięć i prądów uzyskane w tym układzie pokazano na rysunkach 2.19 –
2.21 [16], [27], [119], [120], [123], [126].

2.2. Układy matrycowe 25

t

t

t

t

t

s

1

(t)

u

S1

u

2

u

L1

i

L1

T/2

T

T

S

t

2

t

1

t

u

NL

s

2

(t)

u

S2

u

S3

i

L2

i

L3

t

i

S1

t

u

3

a)

t

t

t

t

t

s

1

(t)-s

5

(t)

i

S1

u

L1

i

L1

T/2

T

T

S

t

2

t

1

u

S1

u

S2

u

S3

i

L2

i

L3

b)

Rys. 2.18. Przebiegi czasowe napięć i prądów w trójfazowym układzie z SM,

a) jednobiegunowym niesymetrycznym (rys. 2.16b) dla współczynnika wypeł-

nienia impulsu D = 0,6, b) dwubiegunowym symetrycznym (rys. 2.17) dla D = 0,2

Przykład realizacji układowej trójfazowego SM jednobiegunowego

z regeneracyjnym układem ochrony przepięciowej pokazano na rys. 2.22 [19],
[91]. W tym układzie jest realizowana ochrona przepięciowa z odzyskiwaniem
energii elektrycznej gromadzonej w kondensatorach C

S

i C

F

podczas komutacji.

Taki sposób ochrony przepięciowej był już przedstawiony wcześniej podczas
omawiania układu pokazanego na rys. 2.8. Omawiany układ wymaga formowa-
nia sygnałów sterujących łączniki, zależnie od polaryzacji międzyfazowych
napięć zasilania (rys. 2.22b).

Realizację układową trójfazowego SM niesymetrycznego jednobiegunowe-

go pokazano na rys. 2.23. W tym układzie w wersji sterowania typu PWM bez
“czasu martwego” (rys. 2.23c) liczba komutacji jest ok. 2-krotnie mniejsza niż
przy najprostszym sterowaniu typu PWM z “czasem martwym” [23], [27],
[118], [122], [125].

26 2. Topologie

u

S1

i

S1

Z

L1

u

L1

T

1

i

L1

SM

a)

L

F1

C

F1

u

S2

u

S3

T

4

T

2

T

5

T

3

T

6

OA

C

S

UOT

t

t

t

t

u

L1

u

S1

i

L1

b)

s

T1,2,3

(t)

t

δ

t

δ

i

S2

i

S3

Z

L2

Z

L3

s

T4,5,6

(t)

u

S2

u

S3

t

u

CS

2U

max

u

i

u

i

Rys. 2.19. Układ z SM symetrycznym jednobiegunowym o topologii z 3+3 łącznikami

typu tranzystor-dioda, a) schemat ideowy, b) charakterystyczne przebiegi czasowe;

UOT – układ obejściowo-tłumiący, OA – obciążenie aktywne, t

δ

- “czas martwy”

a)

u

S 3

i

S 3

3 A

b)

u

L 2

i

L3

3 A

c)

0

4

8

1 2

1 6

2 0

P rą d fa z o w y ź r ó d ła

1 ,6

1 ,2

0 ,8

0 ,4

0

f

[k H z ]

{ i

S 3

} [ A ]

d)

N ap ięcie faz o w e o b ciąż en ia

1 5 0

1 0 0

5 0

0

{ u

L 2

} [V ]

0

4

8

1 2

1 6 2 0

f

[k H z]

Rys. 2.20. Oscylogramy w układzie z rys. 2.19 bez filtru wejściowego dla f

S

= 2 kHz,

D = 0,6, I

Lmax

= 4,5 A (cosφ

L

= 0,85), a) napięcia i prądu fazowego źródła, b) napięcia

i prądu fazowego obciążenia, c), d) widma prądu fazowego źródła oraz napięcia fazo-

wego obciążenia

2.2. Układy matrycowe 27

8

i

L1

[A]

D = 1

t

4

0

-4

-8

u

S1

D = 0,8
D = 0,6
D = 0,4

D = 0,2

Rys. 2.21. Zestawienie oscylogramów prądu obciążenia uzyskanych w układzie poka-

zanym na rys. 2.19 dla f

S

= 2 kHz, I

Lmax

= 4,5 A (cosφ

L

= 0,85)

u

S1

i

S1

Z

L1

u

L1

T

1

i

L1

SM

a)

L

F1

C

F1

u

S2

u

S3

T

4

T

2

T

5

T

3

T

6

C

S1

t

t

t

t

u

L1

b)

s

T1

(t)

t

δ

t

δ

i

S2

i

S3

Z

L2

Z

L3

s

T4

(t)

C

S2

C

S3

u

I12

i

L1

u

I23

u

I31

u

i

u

I12

u

I23

u

I31

t

t

s

T3

(t)

s

T6

(t)

t

t

s

T2

(t)

s

T5

(t)

t

u

u

CS2

u

CS1

u

CS3

u

i

Rys. 2.22. Układ z SM symetrycznym jednobiegunowym o topologii z 3+3 łącznikami

typu tranzystor-dioda oraz regeneracyjnym układem ochrony przepięciowej (C

S1

, C

S2

,

C

S3

), a) schemat ideowy, b) charakterystyczne przebiegi czasowe; t

δ

- “czas martwy”

W układach trójfazowych z SM są stosowane wejściowe oraz wyjściowe

filtry pasywne LC, podobnie jak w układach jednofazowych, które omawiano
wcześniej.

28 2. Topologie

u

S1

i

S1

Z

L1

u

L1

T

1

i

L1

SM

a)

L

F1

C

F1

u

S2

u

S3

T

4

T

2

T

5

T

3

T

7

C

S

t

t

t

t

u

L1

b)

s

T5

(t)

i

S2

i

S3

Z

L2

Z

L3

s

T6

(t)

u

I12

u

I23

u

I31

u

i

u

I12

u

I23

u

I31

t

t

s

T3

(t)

s

T4

(t)

t

t

s

T1

(t)

s

T2

(t)

t

i

L2

i

L1

i

L3

OA

T

6

T

8

UOT

s

T7

(t)

s

T2

(t)

s

T4

(t)

t

t

t

t

u

L3

u

I31

i

L3

c)

t
t

t

s

T7

(t)

t

s

T8

(t)

i

L2

i

L3

u

L2

u

L3

s

T8

(t)

Rys. 2.23. Układ z SM niesymetrycznym jednobiegunowym o topologii z 2+2 łączni-

kami typu dwa tranzystory-dwie diody, a) schemat ideowy, b) charakterystyczne prze-
biegi czasowe przy sterowaniu bez “czasu martwego” z identyfikacją prądów obciąże-

nia i

L2

, i

L3

, c) przykładowe przebiegi czasowe (dla jednej fazy) przy sterowaniu bez

“czasu martwego” z identyfikacją prądów obciążenia i

L2

, i

L3

, oraz napięć u

I31

, u

I12

2.2.2. Sterowniki matrycowe izolowane

Sterowniki matrycowe izolowane dzielą się na dwie podstawowe grupy: SM
izolowane o sterowaniu typu PWM oraz SM izolowane o sterowaniu typu
PWM z przesunięciem fazowym (rys. 2.3). W pierwszej grupie topologie SM
izolowanych są budowane przez kaskadowe połączenie transformatora z SM.
W drugiej grupie, w której wykorzystuje się dwa SM dwubiegunowe, topologie
SM izolowanych są budowane przez przyłączenie jednego z SM po stronie
pierwotnej, a drugiego SM po stronie wtórnej transformatora.

2.2. Układy matrycowe 29

Jak już o tym wspomniano w podrozdziale 1.2, w transformatorach stoso-

wanych w SM izolowanych należących do grupy pierwszej, częstotliwość har-
monicznej podstawowej strumienia magnetycznego w rdzeniu transformatora
jest taka sama jak częstotliwość napięcia zasilania (50 lub 60

Hz).

W transformatorach stosowanych w SM izolowanych należących do grupy dru-
giej nie występuje harmoniczna o wartości częstotliwości odpowiadającej czę-
stotliwości harmonicznej podstawowej napięcia zasilania. W tych układach
występuje wysokoczęstotliwościowe transformowanie energii elektrycznej
przez transformator [27], [60], [71] – [74], [76].

Topologie jednofazowe SM izolowanych jednobiegunowych o sterowaniu

PWM są budowane przez kaskadowe połączenie transformatora z SM od strony
źródła zasilania albo od strony obciążenia. O sposobie połączenia decydują
zwykle parametry transformatora (przekładnia napięciowa) oraz kryteria kon-
strukcyjno-ekonomiczne (zdolność obciążeniowa łączników półprzewodniko-
wych oraz ich koszt). Zwykle SM jest umieszczany po tej stronie transformato-
ra, po której występują mniejsze prądy. Topologie trójfazowych SM izolowa-
nych jednobiegunowych o sterowaniu PWM są budowane przez połączenie
transformatora trójfazowego pokazane na rysunkach 2.24 oraz 2.25. Połączenie
pokazane na rys. 2.25 jest stosowane w układach wymagających dostępu do
zacisku wspólnego trójfazowego źródła zasilania, np. topologia pokazana na
rys.2.14f. Jak już o tym wspomniano wcześniej (podrozdz. 2.2.1), SM izolowa-
ne dwubiegunowe są stosowane w stabilizatorach napięcia przemiennego
i transformator jest w nich połączony z zaciskami wyjściowymi SM.

u

S1

Z

L2

u

S2

u

S3

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

Z

L3

Z

L1

ŁĄCZNIKI ŹRÓDŁA

ŁĄCZNIKI OBC.

SM

jak na rysunkach

2.12 – 2.15

LUB

D

A

2

B

2

C

2

TR

Rys. 2.24. Układy trójfazowe z SM jednobiegunowym izolowanym od strony obc.

Przykład realizacji układowej trójfazowego SM jednobiegunowego izolo-

wanego od strony źródła oraz oscylogramy prądów w tym układzie pokazano na
rysunkach 2.26 oraz 2.27 [16], [27], [147].

30 2. Topologie

u

S1

Z

L2

u

S2

u

S3

A

1

B

1

C

1

A

0

B

0

C

0

Z

L3

Z

L1

ŁĄCZNIKI ŹRÓDŁA

ŁĄCZNIKI OBC.

SM

jak na rysunkach

2.9 – 2.12

LUB

D

A

2

B

2

C

2

TR

Rys. 2.25. Układy trójfazowe z SM jednobiegunowym izolowanym od strony źródła

u

S1

i

S1

Z

L1

u

L1

T

1

i

L1

SM

a)

L

F1

C

F1

u

S2

u

S3

T

2

OA

C

T

t

t

t

t

u

L1

u

S1

i

L1

b)

s

T1

(t)

t

δ

t

δ

i

S2

i

S3

Z

L2

Z

L3

s

T2

(t)

u

S2

u

S3

t

u

CT

>U

max

u

i

u

i

TR

Rys. 2.26. Układ z SM jednobiegunowym izolowanym z 1 + 1 łącznikami typu tranzy-

stor-trójfazowy mostek diodowy, a) schemat ideowy, b) charakterystyczne przebiegi

czasowe; TR – transformator, C

T

– kondensator obejściowo-tłumiący, OA – obciążenie

aktywne, t

δ

- “czas martwy” (rys. 1.2b)

2.2. Układy matrycowe 31

a)

b)

Rys. 2.27. Oscylogramy prądów w układzie pokazanym na rys. 2.26, a) dla D = 0,2,

b) dla D = 0,8; CH1 - prąd po stronie pierwotnej TR, CH2 – prąd po stronie wtórnej TR

Przebiegi czasowe pokazane na rys. 2.27 pośrednio ilustrują, że wartość

częstotliwości harmonicznej podstawowej prądów oraz strumienia w rdzeniu
transformatora TR jest taka sama jak częstotliwość napięcia zasilającego. Przy-
kład realizacji układowej trójfazowego SM dwubiegunowego izolowanego po-
kazano na rys. 2.28 [27], [51], [52]. Jest to jednocześnie przykład typowej reali-
zacji układowej stabilizatora napięcia przemiennego, w którym zastosowano
omawiane rozwiązanie SM.

Schematy zastępcze układów z SM izolowanymi o sterowaniu typu PWM

z przesunięciem fazowym, które należą do drugiej grupy SM izolowanych, po-
kazano na rys. 2.29. Są to schematy zastępcze z modelami obwodowymi SM
z łącznikami idealnymi (podrozdz.1.4, p.1)) [60]. Układ w wersji pierwszej
z 4 + 4 łącznikami (rys. 2.29a) ma transformator TR dwuuzwojeniowy oraz
dwie struktury SM dwubiegunowych. Jedną złożoną z łączników S

1

– S

4

po

stronie pierwotnej transformatora TR i drugą składającą się z łączników S

5

– S

8

po stronie wtórnej tego transformatora. Układ w wersji drugiej z 2 + 2 łączni-
kami (rys. 2.29b) ma transformator TR czterouzwojeniowy oraz dwie struktury
SM dwubiegunowych o zredukowanej liczbie łączników. Dwa łączniki S

1

, S

2

po stronie pierwotnej i dwa łączniki S

3

, S

4

po stronie wtórnej transformatora

TR. W tych układach jest stosowane sterowanie, w którym wykorzystuje się
przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałami sterującymi łączniki po stronie pier-
wotnej względem sygnałów sterujących po stronie wtórnej transformatora TR
(rys. 1.3). Wielkością sterującą jest wartość współczynnika przesunięcia fazo-
wego przebiegów czasowych sygnałów sterujących po stronie pierwotnej
względem sygnałów po stronie wtórnej transformatora:

θ

α

T

t

D

=

, (2.1)

gdzie:

T

θ

=

T

S

/2 – okres przełączania napięcia wyjściowego.

32 2. Topologie

Sterowanie typu PWM z przesunięciem fazowym daje efekt w postaci wy-

eliminowania harmonicznej podstawowej strumienia magnetycznego w rdzeniu
transformatora o częstotliwości napięcia zasilającego (50 lub 60 Hz). Działanie
omawianego układu ilustrują przebiegi czasowe pokazane na rys. 2.30. Przy-
kłady realizacji układowych SM dwubiegunowych izolowanych o sterowaniu
PWM z przesunięciem fazowym pokazano na rysunkach 2.31 oraz 2.32 [27],
[60], [71] – [74], [128], [129].

u

S1

i

S1

Z

L1

u

L1

T

1

i

L1

a)

L

F1

C

F1

u

S2

u

S3

T

4

T

2

T

5

T

3

T

6

C

S1

t

t

t

t

u

O1

b)

s

T1, 10

(t)

t

δ

t

δ

i

S2

i

S3

Z

L2

Z

L3

s

T4, 7

(t)

C

S2

C

S3

u

I12

i

L1

u

I23

u

I31

u

i

u

I12

u

I23

u

I31

t

t

s

T3, 12

(t)

s

T6, 9

(t)

t

t

s

T2, 11

(t)

s

T5, 8

(t)

t

u

u

CS2

u

CS1

u

CS3

u

i

T

7

SM

T

10

T

8

T

11

T

9

T

12

C

F2

TR

u

O1

Rys. 2.28. Układ trójfazowy (stabilizator napięcia przemiennego) z SM dwubieguno-

wym izolowanym z regeneracyjnym układem ochrony przepięciowej, a) schemat ide-

owy, b) charakterystyczne przebiegi czasowe; t

δ

- “czas martwy” (rys. 1.2b)

2.2. Układy matrycowe 33

u

S

i

S

Z

L

u

L

S

2

S

1

i

L

S

3

S

4

SM

S

6

S

5

S

7

S

8

a)

b)

TR

u

S

i

S

Z

L

u

L

S

2

S

1

i

L

S

3

S

4

SM

TR

p:1

p:1

u

1

u

2

i

1

i

2

Rys. 2.29. Układy jednofazowe z SM dwubiegunowymi izolowanymi o sterowaniu typu

PWM z przesunięciem fazowym, a) z 4 + 4 łącznikami, b) z 2 + 2 łącznikami

t

t

t

t

t

u

S

i

S

u

L

i

L

T / 2

T

T

S

t

D

s

1

( t ) , s

4

( t )

t

t

u

1

t

i

1

t

u

2

t

i

2

T

θ

s

5

( t ) , s

8

( t )

t

s ( t )

Rys. 2.30. Przebiegi czasowe napięć i prądów w jednofazowym układzie z SM dwubie-

gunowym izolowanym o sterowaniu PWM z przesunięciem fazowym (rys. 2.29a) dla

α = 0,8 oraz przekładni napięciowej transformatora p = 1

34 2. Topologie

a)

u

S

i

S

Z

L

u

L

T

2

T

1

i

L

SM

TR

p:1

T

4

T

3

L

F

C

F

T

6

T

5

T

8

T

7

C

F

t

t

u

O

b)

u

s

u

t

t

s

T5, 7

(t)

s

T6, 8

(t)

t

t

s

T1, 3

(t)

s

T2, 4

(t)

u

i

L

F

u

O

t

D

i

L

Rys. 2.31. Układ z SM dwubiegunowym izolowanym z 2 + 2 łącznikami o sterowaniu

typu PWM z przesunięciem fazowym (z ang. “intelligent transformer”, [60]),

a) schemat ideowy, b) charakterystyczne przebiegi czasowe; t

D

– czas opóźnie-

nia (rys. 1.3)

FILTR

WEJ.

TR

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

u

S1

i

S1

Z

L1

T

1

SM

p:1

u

O

T

3

T

2

T

4

FILTR

WYJ.

Z

L2

Z

L3

u

L

u

S2

u

S3

a)

t

t

u

O

b) u

t

t

s

T3

(t)

s

T4

(t)

t

t

s

T1

(t)

s

T2

(t)

u

i

t

D

i

L

u

s

Rys. 2.32. Układ z SM dwubiegunowym izolowanym z 2 + 2 łącznikami o sterowaniu

typu PWM z przesunięciem fazowym, a) schemat ideowy, b) charakterystyczne prze-

biegi czasowe; t

D

– czas opóźnienia (rys. 1.3)