SZ_EN- w3

1

Przekształtniki energoelektroniczne o komutacji

zewnętrznej (sieciowej) - podstawy

• Klasyfikacja , podstawowe pojęcia

• Nierozgałęziony obwód z diodą lub tyrystore

m

• Schemat(y), zasady działania, przebiegi

• Ćwiczenia interakcyjne iPES

*)

WILE

**)

• Jednofazowe mostkowe prostowniki diodowe

• Z obciążeniem -R, -RL, -LE

• Wpływ indukcyjności sieci Ls

• Obciążenie pojemnościowe mostka

• Wpływ prostowników na sieć

*) Interactive Power Electronics Seminar:

www.ipes.ethz.ch

**) Wirtualne Internetowe Laboratorium Energoelektroniki :

http://dsplab.iee.put.poznan.pl/wile.html

SZ_EN- w3

2

Klasyfikacja urządzeń energoelektronicznych

A.) Łączniki (power electronic switches)

• prądu stałego (dc power switch)

• prądu przemiennego (ac power switch)

B.) Przekształtniki (converters)

• prądu stałego (dc/dc converters)

• prądu przemiennego (ac/ac converters)

• prądu stałego/przemiennego (ac/dc)

• prostowniki (rectifiers, ac->dc)

• falowniki (inverters, dc - > ac)

SZ_EN- w3

3

Inne podstawy klasyfikacji przekształtników

Ze względu na sposób przełączania zaworów:

• Przekształtniki komutacji wymuszonej

Switching (forced-commutaded) converters

• Przekształtniki o komutacji sieciowej (naturalnej)

Line frequency (naturally commutated) converters

• Przekształtniki rezonansowe

Resonant (quasi-resonant) converters

Ze względu na strukturę i elementy LC:

• przekształtniki prądu , przekształtniki napięcia

( voltage stiff converters, current stiff converters)

• bezpośrednie i pośrednie (direct, indirect converters)

• jedno-, trój- i wielo- fazowe
• mostkowe, półmostkowe ( full bridge , half-bridge )

SZ_EN- w3

4

Warianty przekształcania energii

SZ_EN- w3

5

Przekształtniki energoelektroniczne o komutacji zewnętrznej

(sieciowej)

jednofazowe

trójfazowe

prostowniki

falowniki

przekształtniki

~/=

diody

tyrystory

bezpośrednie

przemienniki

częstotliwości

(cyklokonwertory)

sterowniki

(regulatory)

napięcia

przemiennego

prze-

kształtniki

~/~

mostkowe,

półmostkowe

inne

V

s

,I

s

,f

s

,m

s

V

o

,I

o

,f

o

,m

o

sieć ~

(+transformator

)

odbiornik

~

=

lub

~

SZ_EN- w3

6

Klasyfikacja prostowników, ze względu na:

1) Sterowanie:

• niesterowane (diodowe)
• sterowane (tyrystorowe)
• półsterowane (tyrystorowo-diodowe, z odcięciem zerowym)

2) Liczbę grup komutacyjnych:

• proste (jedna grupa komutacyjna)
• złożone (więcej niż jedna grupa komutacyjna)

3) Zdolność do zmiany znaku prądu wyjściowego (nawrotne i nienawrotne)
4) Liczbę faz zasilania (1- i 3-fazowe)
5) Liczbę faz uzwojenia wtórnego transformatora (1-,3-, 6- fazowe)
6) Wskaźnik tętnienia (liczbę pulsów na okres sieci): p = 1,2,3,6,12
7) Sposób połączenia z transformatorem:

• jednokierunkowe (gwiazdowe) – wymagają przewodu zerowego
• dwukierunkowe (mostkowe) – bez przewodu zerowego

8) Zakres osiągalnego obszaru charakterystyk zewnętrznych V

d

(I

d

)

• jednokwadrantowe: diodowe i tyrystorowe z odcięciem zerowym
• dwukwadrantowe : tyrystorowe, bez diod
• czterokwadrantowe : tyrystorowe nawrotne (złożone)

SZ_EN- w3

7

Prostowniki diodowe



Obwody główne, zasilane z sieci 50Hz włączają i wyłączaja diody



Prosta konstrukcja, brak elektroniki sterującej, tanie



Bardzo popularne, używane w zasilaczach wszelkiego typu



Energia może płynąć tylko od zasilania do obciążenia



Przebiegi i charakterystyki w zasadniczy sposób zależą od obciążenia:
• pojemnościowe (zasilacze małej mocy) silnie odkształca

prąd

i

s

pobierany z sieci

• indukcyjne nie zapewnia wygładzenia napięcia

v

d

SZ_EN- w3

8

Sterowane fazowo przekształtniki tyrystorowe



Mostki diodowe mogą być rozpatywane jako szczególny przypadek
przekształtników tyrystorowych (kąt włączenia α = 0)



Sterowanie fazowe ==> zmiana napięcia wyjściowego V

d



Zastosowania (niektóre)



Napędy z silnikami pradu stałego



Zasilanie wzbudzenia maszyn synchronicznych



Trakcja elektryczna



Elektroliza i elektrometalurgia



Spawalnictwo



Układy ładowania baterii



Linie energetyczne zasilane napięciem stałym (HVDC)

SZ_EN- w3

9

Praca prostownikowa i falownikowa przekształtnika ~/=



Mostki diodowe pracują tylko w I ćwiartce



W przeksztaltnikach tyrystorowych biegunowość napięcia może być zmieniona
(α>π/2 ==> Ud<0), o ile obciążenie podtrzymuje przepływ dodatniego prądu



Zmiana znaku prądu (

II

i

III

ćwiartka) wymaga przekształtnika nawrotnego,

o podwójnej liczbie zaworów

SZ_EN- w3

10

Tyrystor w obwodzie: V-Th-R- oraz V-Th-L-R

•Impuls i

G

jest

opóźniony

o kąt α względem

punktu komutacji

naturalnej

(diodowej)
• Przy obciążeniu R

prąd jest zerowy

przy ωt = π, V

d

=0

•Przy obciążeniu

indukcyjnym

przewodzenie trwa

dłużej,a prąd

osiąga zero przy

ωt > π,V

d

<0

•Średnia wartość

napięcia na L musi

być zerowa

(A1=A2)

SZ_EN- w3

11

Tyrystor w obwodach: V-Th-R-, V-Th-L-R- (ćwiczenie 1)

•Co się zmieni w przebiegach napięć i prądów,gdy tyrystor zastąpimy diodą?

SZ_EN- w3

12

Tyrystor w obwodach: V-Th-R-, V-Th-L-R- (ćwiczenie 2)

•Co się zmieni w przebiegach napięć i prądów, gdy do obciążenia dołączymy równolegle diodę ?

SZ_EN- w3

13

Tyrystor w obwodach: V-Th-R-, V-Th-L-R- (ćwiczenie 3)

•Co się zmieni, gdy do tyrystora dołączymy przeciwrównolegle drugi tyrystor, sterowany z takim

samym kątem włączenia ? Jak można nazwać powstały układ?

SZ_EN- w3

14

Tyrystor w obwodzie z aktywnym obciążeniem: V-Th-L-E

•Tyrystor może się

załączyć tylko gdy

v

AK

> 0, tj. v

s

> E

d

,

θ

1

< α < θ

1

• Prąd płynie tak
długo, aż A

2

= A

1

•Średnie napięcie
wyjściowe jest równe
sem: V

d

= E

d

SZ_EN- w3

15

Tyrystor w obwodzie: V-Th-L-E- (ćwiczenie 1)

•Co się zmieni, gdy
tyrystor zastąpimy
diodą ?

SZ_EN- w3

16

Tyrystor w obwodzie: V-Th-L-E- (ćwiczenie 2)

•Co się zmieni, gdy
do obciążenia
dołączymy
równolegle diodę ?

SZ_EN- w3

17

Tyrystor w obwodzie: V-Th-L-E- (ćwiczenie 3)

•Jak wyglądałyby
przebiegi, gdyby sem
Ed była ujemna?
(Ed < 0)

• Czy do obciążenia
można by wówczas
dołączyć równolegle
diodę?

•Jaki znak ma
średnia moc
przekazywana
obciążeniu?

SZ_EN- w3

18

• Synchronizacja z
napięciem sieciowym

• Kąt sterowania α
liniowo zależy od
napiecia sterującego:

Generowanie impulsów bramkowych tyrystora



o

= 180

o

V

control



V

st

SZ_EN- w3

19

Obwód z tyrystorem - ćwiczenia interaktywne iPES

SZ_EN- w3

20

• Źródło ma zerową impedancję wewnętrzną

• Napięcie i prąd wyjściowy mają ten sam kształt

Jednofazowy mostek diodowy z obciążeniem rezystancyjnym

• Ćwiczenie interakcyjne iPES:

Ohmic Load

SZ_EN- w3

21

• Źródło ma (musi mieć) niezerową impedancję: L

s

> 0

• Przebiegi podobne jak w obwodzie: v

s

– Th – L

d

– E

d

• Zaznaczone obszary między v

s

a E

d

muszą być równe

Mostek diodowy z obciążeniem czynnym (E

d

= const, R

d

=L

d

=0)

• Ćwiczenie interakcyjne iPES

SZ_EN- w3

22

• Źródło ma zerową impedancję: L

s

= 0

• Prąd może być przerywany lub ciągły
• Przy przewodzeniu przerywanym przebiegi podobne jak poprzednio
• Przy przewodzeniu ciągłym i braku rezystancji prąd rośnie

bez ograniczenia

Mostek diodowy z obciążeniem LE (E

d

= const, R

d

=0, L

d

>0)

• Ćwiczenie interakcyjne iPES

SZ_EN- w3

23

• Źródło ma
niezerową
impedancję
wewnętrzną

• Napięcie wyjściowe
jest wygładzane
przez filtr
pojemnościowy
(kondensator Cd)

• Obciążenie
reprezentowane
przez rezystancję
zastępczą R

load

Jednofazowy mostek diodowy z obciążeniem pojemnościowym

SZ_EN- w3

24

• Źródło ma zerową impedancję wewnętrzną

Mostek diodowy z obciążeniem pojemnościowym

(Ls=0,Rs=0)

• Ćwiczenie interakcyjne iPES

SZ_EN- w3

25

• Źródło ma
niezerową
impedancję
wewnętrzną

• Napięcie wyjściowe
jest wygładzane
przez filtr
pojemnościowy
(kondensator Cd)

• Obciążenie
reprezentowane
przez rezystancję
zastępczą R

load

Jednofazowy mostek diodowy z obciążeniem C||R (Rs>0, Ls>0)

Uproszczony schemat zastępczy do analizy

w przedziale ½ okresu napięcia sieci

Pełny schemat obwodowy

SZ_EN- w3

26

Odpowiedz:

• Dlaczego prąd nie
zaczyna płynąć od
chwili

t

=0, a dopiero

gdy

t>t

b

?

•Dlaczego prąd
płynie tylko w
krótkim przedziale
czasu

t

b

< t < t

f

?

• Dlaczego napięcie

V

d

opada liniowo(?)

w przedziale czasu

t

f

< t <

11 ms ?

Wyniki analizy uproszczonego schematu (MATLAB)

SZ_EN- w3

27

i

s

– prąd pobierany ze źródła

i

s1

– składowa podstawowa prądu, o częstotliwości napięcia

v

s

• Niewielkie opóźnienie fazowe

i

s1

wzgledem

v

s

•Bardzo znaczne odkształcenie prądu (wysoka zawartość wyższych
harmonicznych)

Wyniki symulacji (PSpice) pełnego schematu mostka

SZ_EN- w3

28

i

dis

- prąd odkształcenia:

i

dis

= i

s

- i

s1

i

s3

- trzecia harmoniczna prądu

Odkształcenie prądu pobieranego z sieci

SZ_EN- w3

29

Jak zmieniłyby się przebiegi, gdyby założyć, że źródło ma zerową
impedancję wewnętrzną?
Jak wpłynęłoby to na odkształcenie prądu?

Przebiegi napięć i prądów w mostku - ćwiczenie

SZ_EN- w3

30

x

Odkształcanie napięcia sieci spowodowane pracą mostka

SZ_EN- w3

31

.

Odkształcanie napięcia sieci spowodowane pracą mostka

SZ_EN- w3

32

.

Podwajacz napięcia (w zasilaczu 115/230V ac)

SZ_EN- w3

33

Suma harmonicznych rzędu 3n płynie w przewodzie zerowym (nawet
przy idealnej symetrii obciążeń)

Nieliniowe odbiorniki jednofazowe w sieci 3-fazowej

SZ_EN- w3

34

Suma harmonicznych rzędu 3n płynie w przewodzie zerowym (nawet
przy idealnej symetrii obciążeń)

Prąd w przewodzie neutralnym (zerowym)