WYBRANE UKŁADY
ENERGOELEKTRONIKI ZASILANIA
WYBRANE UKŁADY
ENERGOELEKTRONIKI ZASILANIA
Spis treści
II. Wybrane układy elektroenergetyki zasilania
1. Wprowadzenie
2. Prostowniki niesterowane
3. Prostowniki sterowane
4.
Łączniki i sterowniki prądu przemiennego
Wprowadzenie
Energoelektronika jest działem elektroniki przemysłowej związanej ze
sterowaniem i przetwarzaniem energii elektrycznej. Urządzenia te
nazywa się przekształtnikami. Należą do nich:
- prostowniki energoelektroniczne (do przekształcania prądu
stałego w zmienny),
- falowniki , przeznaczone do przekształcania prądu stałego w
prąd zmienny,
- przekształtniki prądu stałego, przeznaczone do przekształcania
prądu stałego na prąd stały o innych wartościach prądu i
napięcia,
- przekształtniki prądu przemiennego, do przekształcania prądu
przemiennego na prąd przemienny o innej częstotliwości lub
liczbie faz.
Cechą charakterystyczna tych układów jest posługiwanie się elektronicz-
nymi elementami mocy.
Prostowniki niesterowa
ne
Prostowniki niesterowane są to elementy elektroniczne
zaprojektowane do przekształcania prądu przemiennego na prąd stały.
Jeżeli są to tylko diody, wówczas mówi się o prostownikach
niesterowanych.
a) Prostowniki jednopulsowe
b) Prostowniki dwupulsowe
Prostownik jednopulsowe
Prostownik jednoimpulsowy to pojedyncza dioda włączona w obwód
elektryczny prądu przemiennego. Na rysunku pokazano zmiany napięcia
sinusoidalnego na elementach obwodu:
𝑢 = 𝑈
𝑚
sin 𝜔𝑡
Obciążenie rezystancyjne prostownika jednopulsowego
Dla obciążenia „czysto” rezystancyjnego diody przebieg prądu jest taki
sam jak napięcia:
𝑖
𝑑
=
𝑈
𝑚
𝑅
𝑑
sin 𝜔𝑡
Dioda przekazuje napięcie źródła do obciążenia R
d
przy odpowiedniej
jej polaryzacji i blokuje napięcie drugiej połówki sinusoidy.
Wartość średnia napięcia wyprostowanego na obciążeniu R
d
oblicza się:
𝑈
𝑑𝑎𝑣
=
1
2𝜋
2
𝜋
0
𝑈 sin 𝜃𝑑𝜃 =
0,45U
gdzie 𝜃 = ωt.
Wartość skuteczna napięcia U
d
równa się:
𝑈
𝑑
=
1
2𝜋
2𝑈 sin 𝜃
2
𝑑
𝜋
0
𝜃
=
𝑈
2
= 0,707U
Prądy dane są wyrażeniami:
𝑖
𝑑
=
𝑢
𝑑
𝑅
𝑑
, 𝐼
𝑑
=
𝑈
𝑑
𝑅
𝑑
,
𝐼
𝑑𝑎𝑣
=
𝑈
𝑑
𝑅
𝑑
Prostowniki dwupulsowe
Wyróżnia się prostowniki dwupulsowe jednokierunkowe i mostkowe.
W układzie jednokierunkowym uzwojenie wtórne transformatora
dzielone jest na dwie równe części, z których każda ma jeden zawór
(Rys.).
Wadą tego rozwiązania jest trudność zapewnienia dokładnej symetrii
obu uzwojeń transformatora.
Prostowniki dwupulsowe - mostkowe
Prostowniki dwupulsowe mostkowe mają dla prądu jednofazowego
cztery zawory w układzie Graetza. Układy te mogą być bezpośrednio
podłączone do sieci, bez transformatora. Napięcia i prądy są takie same
dla obu połówek zasilającego napięcia. Inna zaletą jest fakt, że napięcie
wsteczne odkłada się na dwóch połączonych szeregowo diodach, a więc
można stosować diody i mniejszych napięciach przebicia, niż dla dla
układów jednopulsowych.
Prostowniki dwupulsowe - mostkowe
Prostowniki trójfazowe
Wśród układów prostowników na prąd trójfazowy wyróżnia się
prostowniki:
- trójpulsowe,
- sześciopulsowe.
W układzie trójpulsowym (rys.) prąd w uzwojeniu dowolnej fazy
może płynąc tylko w jednym kierunku.
Prostownik trójpulsowy, a) układ prostownika, b) przebieg napięcia wyprostowanego, c)
napięcie wyprostowane w czasie jednego pulsu
Prostowniki trójfazowe
W danej chwili przewodzi dioda której anoda ma wyższy potencjał niż
pozostałe, co powoduje cykliczne przewodzenie faz: każdy zawór
przewodzi przez 1/3 okresu (Rysunek). Średnie napięcie wyprosto-
wane U
dav
oblicza się następująco:
𝑈
𝑑𝑎𝑣
= 3
1
2𝜋
2𝑈 cos 𝜃𝑑𝜃 =
𝜋/3
𝜋/3
1,17𝑈
Wartość skuteczna napięcia wyprostowanego jest dana:
U
d
= 1,19 U
Każdy zawór przewodzi przez 1/3 okresu, więc wartość średnia prądu
diody I
Dav
:
I
Dav
= I
dav
/3
natomiast wartość skuteczna prądu diody I
D
równa się
I
D
=
1
3
𝐼
𝑑
Mostkowy prostownik trójfazowy
W układzie tym prostowane jest wtórne napięcie międzyfazowe
transformatora . Prąd płynie jednocześnie przez dwa jednocześnie prze-
wodzące zawory oraz przez fazy wtórnego uzwojenia transformatora. W
każdej 1/6 okresu przewodzi jedna para diod.
Wartość średnia napięcia wyprostowanego U
dav
jest równa
𝑈
𝑑𝑎𝑣
=
6
2𝜋
2
𝜋/6
𝜋/6
𝑈 cos 𝜃𝑑 𝜃 = 1,35𝑈
gdzie U – wartość skuteczna napięcia międzyfazowego.
Wartość średnia prądu diody I
Dav
jest dana:
I
Dav
= I
dav
/3
PROSTOWNIKI STEROWANE
Wprowadzenie
Pod względem konfiguracji układy prostowników sterowanych
są takie same jak układy prostowników niesterowanych: w miejsce
diod w układzie prostowniczym sterownym występują tyrystory.
Zadaniem sterowanego układu prostowniczego jest, poza jego
główną funkcją zamiany prądu przemiennego na prąd wyprostowany,
sterowanie przepływem mocy od źródła zasilania do odbiornika.
Wartość dostarczanej mocy (a więc napięć i prądów) zależy od
czasu pracy tyrystora w przedziale pojedynczego okresu napięcia
zasilania. Czas ten, czyli przedział przewodzenia zaworu, określony jest
momentem załączenia zaworu i momentem jego naturalnego
wyłączenia. Moment wyłączenia nastaje kiedy wartość prądu
przewodzenia zmaleje poniżej prądu podtrzymania. Mówi się, że
tyrystory są komutowane siecią.
W układach o komutacji sieciowej sterowanie tyrystorów ogranicza się
do ich załączania za pomocą impulsów prądu podawanych do bramek.
Sterowanie tyrystorów
Moment załączenia tyrystora jest zdeterminowany wartością kąta
załączenia ϑ
z
– liczonego od momentu przejścia napięcia przez wartość
zero lub wartością kąta wysterowania α – liczonego od momentu
zrównania się napięć fazowych, czy międzyfazowych.
Przebieg napięć i prądów w
prostowniku trójpulsowym
Impulsy bramkowe mogą zwykle kształt prostokątów
o czasie trwania zależnym od danego typu tyrystora,
np. mogą to być pojedyncze impulsy 0,2-1 ms lub
serie impulsów 50—100 μs. Są one wytwarzane i
podawane na bramki tyrystorów przez wyspecjalizo-
wane układy elektroniczne zasilane znacznie
niższymi napięciami niż tyrystory.
Wymaga to rozdzielenia galwanicznego układów
sterujących od tyrystorów przez zastosowanie
transformatorów lub transoptorów.
Prostownik sterowany jednopulsowy
Układ z jednopulsowym prostownikiem sterowanym jest taki sam jak z
prostownikiem niesterownym, różnice występują w przebiegach napięć
i prądów (Rys).
Napięcie na
tyrystorze
Napięcie na
obciążeniu
Prąd sterujący
tyrystorem
Obciążenie rezystancyjne
Kąt przewodzenia tyrystora: λ = ϑ
g
- ϑ
z
Prostowniki sterowane wielopulsowe
Trójpulsowy prostownik sterowany otrzymuje się zastępując w układzie
Graetza diody tyrystorami.
Jeżeli tylko jeżeli dwa tyrystory zostaną zastąpione w układzie Graetza
diodami, wówczas otrzymuje się mostek półsterowany.
Trójpulsowy, mostkowy
prostownik sterowany
Przebieg napięcia na obciążeniu rezystancyjnym w
układzie mostkowym prostownika sterowanego
Prostowniki sterowane wielopulsowe
w układach trójfazowych
W przypadku układów trójfazowych sterowany, mostkowy prostownik
6-pulsowy otrzymuje się zastępując diody tyrystorami. Jeżeli tylko trzy
diody zostaną zastąpione tyrystorami, wówczas otrzymuje prostownik
półsterowany.
Wartości średnie napięć wyprostowanych
W przypadku q-pulsowego prostownika sterowanego wartość średnia
napięcia wyprostowanego dana jest wzorem:
𝑈
𝑑𝑎𝑣
=
𝑞
2𝜋
𝑈
1𝑚
sin 𝜗𝑑𝜗
𝜗
𝑔
𝜗
𝑧
W przypadku obciążenia rezystancyjnego otrzymuje się dla 1-pulsowego
prostownika sterowanego:
𝑈
𝑑𝑎𝑣
=
𝑈
1𝑚
2𝜋
1 + cos 𝜗
𝑧
,
Natomiast dla prostownika 3-pulsowego:
𝑈
𝑑𝑎𝑣
=
3
2𝜋
1 + cos 𝜗
𝑧
Charakterystyka sterowania
Charakterystyką sterowania nazywa się zależność średniego napięcia
od kąta opóźnienia wysterowania tyrystorów α.
ŁĄCZNIKI I STEROWNIKI PRĄDU
PRZEMIENNEGO
Zadaniem łączników, zwanych stycznikami tyrystorowymi, jest załącza-
nie i wyłączanie odbiorników zasilanych z sieci prądu przemiennego.
Sterowniki prądu przemiennego są układami do bezstopniowej
regulacji wartości skutecznej napięcia i prądu przemiennego (a więc i
do sterowania mocą czynną dostarczaną w sposób ciągły z sieci do
obciążenia). Funkcjonalnie sterowniki są odpowiednikami sterowanych
prostowników w zastosowaniu do się prądu przemiennego.
Układy jednofazowe
Układ z dwoma odwrotnie równoległymi tyrystorami jest najczęściej
stosowanym łącznikiem(sterownikiem) prądu przemiennego (Rys.).
Jego działanie polega na tym, że tyrystor Ty1
przewodzi w przedziale dodatnich wartości
chwilowych napięcia źródła (dodatnia półfala),
natomiast Ty2 – w ujemnej półfali).
Oznacza to, że impulsy sterujące bramkami są
wzajemnie przesunięte o π.
Jeżeli układ pracuje jako łącznik prądu przemiennego , wówczas impulsy
załączające i
G
są doprowadzone do bramek kiedy napięcie zasilania
zmienia znak na przeciwny, czyli dla wartości zero.
W okresie bez impulsów bramkowych tyrystory są zablokowane i układ
jest rozwarty. W stanie zamkniętym łącznika napięcie jest przekazywane
do obciążenia praktycznie bez strat.
Praca układu z dwoma odwrotnie równoległymi tyrystorami jako łącznika
prądu przemiennego
Praca układu z dwoma odwrotnie równoległymi
tyrystorami jako sterownika
W przypadku niepełnego sterowania układ pracuje jako sterownik
prądu przemiennego. Impulsy bramkowe są przesunięte o π, a kąt α
jest taki sam dla obu połówek.
Sterownik/łącznik z pojedynczym
tyrystorem w układzie mostkowym
Triaki
Triak (symistor) – element półprzewodnikowy należący do
rodziny tyrystorów. Ma pięciowarstwową strukturę n-p-n-p-n, pod
względem funkcjonalnym jest odpowiednikiem dwóch tyrystorów
połączonych antyrównolegle (przeciwsobnie i równolegle).
Symbol triaka
Triak ma trzy końcówki, 2 anody A1 i A2 (oznaczane też MT1 i MT2) oraz
bramkę G. Triaki stosowane są w obwodach prądu przemiennego,
przewodzą prąd w obu kierunkach, triak włączany jest prądem bramki,
wyłącza się gdy natężenie prądu jest równe zero. Używane są jako
łączniki dwukierunkowe, przekaźniki oraz regulatory mocy. Triaki
bardzo często są sterowane przez diaki.
A2
A1
G
Budowa i działanie triaka
Schematyczna budowa triaka
(następny slajd)
Działanie triaka jest analogiczne do przeciwsobnego połączenia dwóch
tyrystorów (SCR). Triak posiada tylko jedną bramkę – włączenie
następuje niezależnie od polaryzacji (w przeciwieństwie do tyrystora,
który może być załączony tylko jeśli potencjał anody jest większy od
potencjału katody). Triak działa w obu kierunkach polaryzacji i
zachowuje się jak tyrystor w dodatniej części swojej charakterystyki
(stan blokowania bądź przewodzenia) – charakterystyka triaka jest
symetryczna względem początku układu współrzędnych, a w części
dodatniej jest charakterystyką tyrystora.
Zaczerpnięto z Wikipedii.
Układy trójfazowe
Bezpośrednie przemienniki częstotliwości –
cyklokonwertor jednofazowy
Na rysunku przedstawiono jednofazowy cyklokonwertor z programem
sterowania. Dla kierunku prądu, jak na rysunku, przewodzi tyrystor
Ty1 przy dodatniej półfali, natomiast tyrystor Ty2 przy półfali ujemnej.
Dla przeciwnego kierunku prądu przewodzi Ty4 dla półfali dodatniej, a
Ty3 przy półfali ujemnej (rysunek poniżej).
W wyniku sterowania tyrystorów zgodnie z programem otrzymuje się
ciąg impulsów, które po uśrednieniu dają przebieg periodyczny zbliżony
do sinusoidy (rysunek na następnym slajdzie).
Cyklokonwertor jednofazowy
Napięcie zasilania
Napięcie na obciążeniu
Uśrednione napięcie na
obciążeniu
Częstotliwość otrzymanej sinusoidy zależy od programu sterowania
tyrystorów. Ten typ regulacji częstotliwości umożliwia jej tylko
zmniejszenie w stosunku do częstotliwości napięcia zasilania f
1
: f
2
< f
1
.
Łączniki i sterowniki prądu stałego
Zastosowanie półprzewodnikowych zaworów sterowanych jako
łączników i sterowników prądu stałego ma w stosunku do styczników
wiele zalet: większa szybkość (częstość) załączania, lepsza trwałość i
poprawa bezpieczeństwa pracy (możliwość działania w atmosferach
wybuchowych).
W zakresie małych mocy i niskich napięć (kilkadziesiąt woltów)
stosowane są przeważnie łączniki tranzystorowe (tranzystory bipolarne).
Warto zaznaczyć, że łączniki wykonane przy
użyciu tranzystorów IGBT umożliwiają
przełączanie prądów 1000 A przy napięciu
3000 V.
Łączniki i sterowniki prądu stałego
Z zastosowaniem łącznika prądu stałego można regulować wartość
napięcia lub prądu stałego przez cykliczne załączanie i wyłączanie
obwodu prądu stałego.
Uzyskuje się w ten sposób możliwość impulsowej regulacji wartości
średniej napięcia przez zmianę szerokości impulsów, tzn. czasu
załączania t
z
w stosunku do okresu impulsowania T:
U
avr
=
𝑡
𝑧
𝑇
𝑈
𝑑
Otrzymuje się w ten sposób impulsowy sterownik prądu stałego.
W zakresie wyższych napięć i prądów stosuje się łączniki i sterowniki
tyrystorowe. Występuje tu jednak trudny problem wyłączania
tyrystora, którego nie był w obwodach prądu przemiennego.
Impulsowy sterownik prądu stałego
FALOWNIKI NIEZALEŻNE
Charakterystyka
Falowniki są to urządzenia elektroniczne, które służą do zmiany prądu
lub napięcia stałego na prąd lub napięcie przemienne.
Falownik niezależny oznacza przekształtnik przekazujący energię
elektryczną z obwodu prądu stałego do obwodu autonomicznego
prądu przemiennego (niezwiązanego z siecią elektroenergetyczną o
stałej częstotliwości). Częstotliwość napięcia lub prądu generowanego
przez falownik niezależny jest tylko funkcją właściwości przekształtnika
i może być wielkością zmienną zadaną w nim.
Przekształcanie prądu lub napięcia stałego na prąd lub napięcie
przemienne odbywa się przez cykliczne przełączanie zacisków
odbiornika do biegunów prądu lub napięcia stałego. Przełączanie to
odbywa przy pomocy łączników półprzewodnikowych, jak tranzystory
mocy i tyrystory wyłączalne. W falownikach dużej mocy wykorzystuje
się szybkie tyrystory zwykłe, do wyłączania wykorzystuje się przebiegi
przemienne w odbiorniku.
Podział falowników niezależnych
Falowniki niezależne dzieli się przede wszystkim na falowniki napięcia
(zasilane ze źródła napięcia) i falownik prądu (zasilane ze źródła prądu).
Napięcie wyjściowe falownika może być jedno- lub trójfazowe. W
falownikach wykorzystuje się tranzystory mocy IGBT lub tyrystory GTO
oraz sterujące moduły elektroniczne.
Falowniki napięcia
Falowniki napięcia są zasilane z ze źródła napięcia jednokierunko-
wego, niekoniecznie stałego. Jako źródło napięcia powinno się charakte-
ryzować się pomijalnie mała rezystancją umożliwiającą przepływ prądu w
obu kierunkach. Działanie falownika zostanie wyjaśnione na przykładzie
falownika mostkowego przedstawionego rysunku b.
Układ zasilany jest napięciem stałym U
d
, prąd przemienny i
0
płynie przez
obciążenie
Z, na którym odkłada się przemienne napięcie u
0
.
W wyniku przemiennego załączania
tyrystorów T1, T4 i T2, T3 otrzymuje
się na obciążeniu Z napięcie
przemienne o kształcie impulsów
prostokątnych o zmiennej
polaryzacji.
Schemat trójfazowego, mostkowego
falownika napięcia
Falowniki napięcia z modulowaną
szerokością impulsów
Jest grupa nowszego typu falowników wykorzystująca kluczujące
działanie tranzystorów mocy IGBT. Umożliwiają one modulować
szerokość impulsów w taki sposób, żeby ograniczyć do minimum
harmoniczne inne niż podstawowe.
