47

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 29. ZESZYT 1–2, 2010

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

TOM 29. ZESZYT 1–2, 2010

Kacper S

OWA

*

MODELE SYMULACYJNE

TRÓJFAZOWYCH NAWROTNYCH PRZEKSZTA£TNIKÓW TYRYSTOROWYCH

STRESZCZENIE
W artykule omówiono dwa rodzaje trójfazowych nawrotnych przekszta³tników tyrystorowych: pierwszy – uk³ad

z pr¹dem obwodowy oraz drugi – uk³ad z blokad¹ pr¹du obwodowego. Szczegó³owej analizie poddano proces

zmiany kierunku pr¹du w obwodzie obci¹¿enia oraz zjawiska temu towarzysz¹ce.
S³owa kluczowe: przekszta³tnik tyrystorowy, pr¹d obwodowy

THREE-PHASE BIDIRECTIONAL THYRISTOR CONVERTERS SIMULATION AND ANALYSIS
This paper presents two models of three-phase bidirectional thyristor converters. The first one is a bidirectional

converter with a circulating current control and the second is with no-circulating current. It also describes the

results of the simulation and analysis of phenomena in these circuits.
Keywords: thyristor converter, circulating current

*

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia³ Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki, Katedra Automatyki Napêdu

i Urz¹dzeñ Przemys³owych, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

1.

WSTÊP

Przekszta³tniki tyrystorowe o komutacji sieciowej (rys. 1a)

znajduj¹ powszechne zastosowanie do zasilania górniczych

maszyn wyci¹gowych, walcarek w hutnictwie, silników

pr¹du sta³ego du¿ej mocy. Umo¿liwiaj¹ one p³ynn¹ regula-

cjê pr¹du i napiêcia. Napêdy pr¹du sta³ego z przekszta³tni-

kami tyrystorowymi wykorzystane do zasilania twornika

umo¿liwiaj¹ uzyskanie p³ynnej regulacji prêdkoœci i innych

wymaganych w uk³adzie napêdowym wielkoœci jak np.

momentu obrotowego.

2.

ZASADA DZIA£ANIA

TRÓJFAZOWEGO TYRYSTOROWYEGO

PRZEKSZTA£TNIKA MOSTKOWEGO

Trójfazowy tyrystorowy przekszta³tnik mostkowy przed-

stawiony na rysunku 1a stanowi po³¹czenie dwóch prze-

kszta³tników gwiazdowych. Tyrystory o wspólnych kato-
dach (T1, T3, T5) nazywane s¹ grup¹ katodow¹, natomiast
te o wspólnych anodach (T2, T4, T6) – grup¹ anodow¹.

Tyrystory za³¹czane s¹ impulsami bramkowymi, w pa-

rach (T1T2, T2T3, T3T4, T4T5, T5T6, T6T1). Pr¹d obci¹-
¿enia p³ynie zawsze przez dwa tyrystory (parê), jeden z gru-
py katodowej i jeden z grupy anodowej. Do rozpoczêcia
przewodzenia nale¿y jednoczeœnie za³¹czyæ oba tyrystory
tworz¹ce parê.

Ka¿dy z tyrystorów jest za³¹czany dwukrotnie pod-

czas okresu: po raz pierwszy, gdy ma zacz¹æ przewodziæ
w nowej parze i po raz drugi w odstêpie π/3, gdy ma na-
dal przewodziæ, a do pracy wprowadzany jest drugi tyry-
stor tworz¹cy z nim parê. W ci¹gu ka¿dego okresu napiêcia
trójfazowego Ÿród³a, napiêcie wyjœciowe sk³ada siê z sze-
œciu jednakowych fragmentów (pulsów) o szerokoœci π/3,
odpowiadaj¹cych przewodzeniu jednej pary tyrystorów
(rys. 1b).

Rys. 1. Trójfazowy tyrystorowy przekszta³tnik mostkowy. RLE – obci¹¿enie, L

k

– indukcyjnoœæ komutacyjna (a), przebiegi pr¹dów

fazowych Ÿród³a zasilaj¹cego przekszta³tnik, zakresy przewodzenia poszczególnych tyrystorów (b)

a)

b)

2π/3

π/3

I

d

–I

d

ωt

ωt

ωt

48

Kacper S

OWA

MODELE SYMULACYJNE TRÓJFAZOWYCH NAWROTNYCH PRZEKSZTA£TNIKÓW TYRYSTOROWYCH

3.

TRÓJFAZOWE DWUKIERUNKOWE

PRZEKSZTA£TNIKI TYRYSTOROWE

Pojedynczy przekszta³tnik mostkowy dostarcza na wyjœciu
napiêcie regulowane o dowolnym kierunku (α < π/2 napiê-
cie dodatnie, α > π/2 napiêcie ujemne). Jednak¿e z powodu
jednokierunkowego przewodzenia tyrystorów nie ma mo¿-
liwoœci zmiany kierunku przep³ywu pr¹du przez obci¹¿enie
(obrotów w przypadku zasilania silnika). Wi¹¿e siê z ko-
niecznoœci¹ prze³¹czania zacisków obwodu twornika lub
wzbudzenia maszyny.

3.1. Przekszta³tniki z pr¹dem obwodowym

Przep³yw pr¹du obci¹¿enia w obu kierunkach jest mo¿liwy,
jeœli do zasilania odbiornika zastosujemy dwa prostowniki
mostkowe po³¹czone w konfiguracji jak na rysunku 2. Prze-
kszta³tnik wymuszaj¹cy pr¹d I

d

w kierunku zaznaczonym

na rysunku nazywamy „dodatnim” (P), a w kierunku prze-
ciwnym „ujemnym” (N).

Rys. 2. Struktura przekszta³tnika dwukierunkowego,

zasilaj¹cego odbiornik o charakterze RLE

Rysunek 2 przedstawia sytuacjê, podczas której do ob-

ci¹¿enia energiê dostarcza przekszta³tnik P (pracuj¹cy jako
prostownik). Wymusza on przep³yw pr¹du I

d

. Przez ten

mostek mo¿e równie¿ przep³ywaæ pr¹d i

w

, niep³yn¹cy przez

obci¹¿enie, a p³yn¹cy przez oba z przekszta³tników.

Pr¹d i

w

nazywany jest pr¹dem wyrównawczym (obwo-

dowym). Na rysunku 2 przedstawiono drogê jego przep³y-
wu (mo¿e on p³yn¹æ wy³¹cznie w jednym kierunku, od
przekszta³tnika dodatniego do ujemnego). Zamyka siê on
przez obwód o bardzo ma³ej rezystancji i napiêcie sta³e,
ju¿ o niewielkiej wartoœci wymusza w nim pr¹d obwodowy
o bardzo du¿ej wartoœci. Bezpoœrednie po³¹czenie zacisków
obu przekszta³tników spowodowa³oby przep³yw, teoretycz-
nie bior¹c, nieskoñczenie wielkich pr¹dów obwodowych.
W uk³adach takich stosuje siê d³awiki sprzê¿one. Maj¹ one
jeden wspólny rdzeñ. Pr¹d obwodowy p³ynie przez oba
jego uzwojenia, a indukcyjnoœæ dla tego pr¹du jest cztery

razy wiêksza (poniewa¿ p³ynie przez dwukrotnie wiêksz¹
liczbê zwojów), ni¿ dla pr¹du obci¹¿enia I

d

.

Aby zapobiec takiej sytuacji, suma œrednich napiec wyj-

œciowych obu mostków w kierunku przewodzenia musi
spe³niaæ nierównoœæ:

U

dP

+ U

dN

≤ 0

(I)

Oznacza to zadawanie k¹tów α, tak aby by³a spe³niona

zale¿noœæ:

α

P

+ α

N

≥ π

(II)

Dziêki temu œrednie wartoœci napiêæ wyjœciowych obu

przekszta³tników bêd¹ sobie równe, lecz o przeciwnym kie-
runku oddzia³ania w obwodzie. Jeden z przekszta³tników
bêdzie pracowa³ jako prostownik z okreœlon¹ wartoœci¹ na-
piêcia wyjœciowego, a drugi jako falownik z dok³adnie tak¹
sam¹ wartoœci¹ œredni¹ napiêcia wyjœciowego, lecz o prze-
ciwnym zwrocie.

Przyk³adowe przebiegi napiêæ obu przekszta³tników

podczas realizacji omawianego sterowania przedstawiono
na rysunku 3. Obrazuje on proces, w wyniku którego zmia-
na wysterowania obu mostków doprowadza do zmiany kie-
runku pr¹du w obwodzie obci¹¿enia (nastêpuje zmiana
wartoœci œredniej napiêcia od +U

d0

do wartoœci –U

d0

).

Rys. 3. Przebiegi czasowe napiêæ wyjœciowych

przekszta³tników P i N podczas realizacji procesu nawrot.

Objaœnienia w tekœcie

Kolorem szarym oznaczono, jak zmiana k¹ta wystero-

wania α (z zachowaniem zale¿noœci (II)) wp³ywa na zmia-
nê wartoœci napiêæ wyjœciowych przekszta³tników i stop-
niow¹ zmianê charakteru ich pracy.

Mimo zachowania równoœci wartoœci œrednich napiêæ

obu przekszta³tników (odpowiednich relacji pomiêdzy k¹-
tami sterowania obu mostków), wartoœci chwilowe tych na-

49

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 29. ZESZYT 1–2, 2010

piêæ ró¿ni¹ siê od siebie, co powoduje przep³yw pr¹du wy-
równawczego.

Potrzeba zastosowana d³awika ograniczaj¹cego wynika

z braku mo¿liwoœci oddzia³ywania na wartoœæ i fazê sk³ado-
wych zmiennych wystêpuj¹cych w napiêciu wyjœciowym.
W³¹czenie pomiêdzy zaciski wyjœciowe przekszta³tników
d³awika spowoduje od³o¿enie siê na nim napiêcia obwodo-
wego têtnieñ, ograniczaj¹c zarazem amplitudê pr¹du obwo-
dowego.

W praktyce zamiast sterowania realizuj¹cego zale¿noœæ

(II) stosuje siê uk³ady kontroluj¹ce, w zamkniêtym uk³adzie
regulacji, wartoœæ œredni¹ pr¹du obwodowego. Na pozio-
mie 5÷10% maksymalnej wartoœci pr¹du obci¹¿enia. Uk³ad
reaguje na sygna³y pr¹dowego sprzê¿enia zwrotnego,
otrzymywane z przekszta³tników i przez odpowiednie ste-
rowanie k¹tami wysterowania wytwarza zadan¹ wartoœæ
pr¹du obwodowego. Dziêki takiemu sterowaniu, mamy
mo¿liwoœæ pe³nej kontroli pr¹du obwodowego, która po-
woduje i¿:

– oba przekszta³tniki pracuj¹ zawsze z pr¹dami ci¹g³ymi,

a pr¹d wyrównawczy jest na granicy pr¹du ci¹g³ego;

– zmiana kierunku pr¹du obci¹¿enia mo¿e nast¹piæ

w ka¿dej chwili, w sposób naturalny i p³ynny;

– zapewniona kosinusoidalna zale¿noœæ œredniego napiê-

cia wyprostowanego od k¹ta opóŸnienia zap³onu α nie-
zale¿nie do charakteru pr¹du obci¹¿enia.

Przep³yw pr¹du wyrównawczego oddzia³uje korzystnie

na szybkoœæ nawrotu. Powoduje jednak zwiêkszenie obci¹-
¿enia biernego wnoszonego przez przekszta³tnik. Pr¹d
mostka zasilaj¹cego aktualnie obci¹¿enie jest powiêkszony
o sk³adow¹ sta³¹ pr¹du wyrównawczego. Dodatkowe ob-
ci¹¿enie bierne wywo³uje równie¿ przekszta³tnik pracuj¹cy
jako falownik (przez który przep³ywa jedynie pr¹d wyrów-
nawczy). Przep³yw pr¹du wyrównawczego stanowi dodat-
kowe Ÿród³o strat mocy czynnej w tyrystorach mostków
oraz uzwojeniach transformatora.

3.2. Przekszta³tnik bez pr¹du obwodowego

W uk³adach dwukierunkowych mo¿na ca³kowicie zlikwi-
dowaæ pr¹d wyrównawczy, dziêki automatycznemu bloko-
waniu impulsów za³¹czaj¹cych tego przekszta³tnika, który
aktualnie nie przewodzi pr¹du obci¹¿enia. Schemat takiego
przekszta³tnika przedstawiono na rysunku 4. Ze wzglêdu na
mo¿liwoœæ nieci¹g³oœci pr¹du obci¹¿enia, istniej¹ trudnoœci
w osi¹gniêciu p³ynnego przejœcia pr¹du obci¹¿enia z pro-
stownika P na N b¹dŸ odwrotnie. Uk³ad sterowania musi
wygenerowaæ taki k¹t wysterowania tyrystorów, przy któ-
rym œrednia wartoœæ napiêcia przekszta³tnika rozpoczynaj¹-
cego pracê bêdzie taka sama jak œrednie napiêcie prze-
kszta³tnika koñcz¹cego pracê. Narzuca to koniecznoœæ
przemyœlanego wyboru uk³adu sterowania dla uzyskania
wymaganych w³aœciwoœci eksploatacyjnych.

Rys. 4. Schemat dwukierunkowego przekszta³tnika

bez pr¹du obwodowego

Podczas pracy tyrystory tylko jednego mostka s¹ za³¹cza-

ne. Impulsy bramkowe (za³¹czaj¹ce) drugiego mostka wy-

wo³uj¹cego przep³yw pr¹du wyrównawczego s¹ zablokowa-

ne. Oznacza to indywidualn¹ pracê ka¿dego z przekszta³tni-

ków. Wyklucza to mo¿liwoœæ zwaræ miêdzyfazowych,

mostki mo¿na wiêc zasilaæ z wspólnego transformatora.

Zmiana kierunku pr¹du obci¹¿enia wymaga doprowadze-

nia pr¹du aktualnie przewodz¹cego przekszta³tnika do zera,

zablokowania jego impulsów za³¹czaj¹cych, a po up³ywie

czasu wiêkszego od t

q

(czas wy³¹czania zastosowanych ty-

rystorów) odblokowania drugiego mostka. Sterowanie takie

powoduje, i¿ przy zmianie kierunku pr¹du pojawia siê prze-

rwa pomiêdzy wy³¹czeniem jednego z mostków a za³¹cze-

niem drugiego. W praktyce zwiêksza to czas zmiany kierun-

ku pr¹du obci¹¿enia, co przedstawiono na rysunku 5.

Rys. 5. Przyk³adowe przebiegi napiêcia i pr¹du wyjœciowego

przekszta³tnika podwójnego przy zmianie

sterowania od pracy P jako prostownik,

do pracy N jako prostownik.

Obci¹¿enie RL

50

Kacper S

OWA

MODELE SYMULACYJNE TRÓJFAZOWYCH NAWROTNYCH PRZEKSZTA£TNIKÓW TYRYSTOROWYCH

4.

OGÓLNA STRUKTURA

UK£ADÓW STEROWANIA

I REGULACJI TYRYSTOROWYCH

PRZEKSZTA£TNIKÓW TRÓJFAZOWYCH

W zrealizowanych uk³adach sterowania przekszta³tnikami

nawrotnymi zastosowano szeregow¹ strukturê regulacji,

która sk³ada siê z kaskadowo po³¹czonych regulatorów PI

napiêcia i pr¹du. Sprzê¿enie pr¹dowe zapewnia ogranicze-

nie i kontrolê pr¹du odbiornika (rzadziej jego stabilizacjê).

Regulator w jego strukturze ma budowê proporcjonalno ca³-

kuj¹c¹ (PI), co eliminuje statyczny b³¹d regulacji. Drugie z

zastosowanych sprzê¿eñ zwrotnych jest sprzê¿eniem napiê-

ciowym, którego zadaniem jest stabilizacja napiêcia obci¹-

¿enia (lub w przypadku zastosowania uk³adu do zasilania

silnika pr¹du sta³ego stabilizacja jego prêdkoœci obrotowej).

4.1. Uk³ad sterowania przekszta³tnikiem nawrotnym

z pr¹dem obwodowym

Na rysunku 6 przedstawiono wykonany w œrodowisku

IsSpice model uk³adu regulacji i sterowania dwukierun-

kowego przekszta³tnika tyrystorowego z pr¹dem wyrów-

nawczym. Ka¿dy z mostków ma oddzielny regulator pr¹du

(RI

P

, RI

N

). Na wejœcie którego podawany jest sygna³ pro-

porcjonalny do zadanej wartoœci pr¹du wyrównawczego

(I

ref

= 10%I

dmax

), oraz zadana przez regulator napiêcia (RU)

tylko dodatnia wartoœæ pr¹du obci¹¿enia. W zale¿noœci od

znaku sygna³u wyjœciowego regulatora napiêcia jest on

wprowadzany przez cz³on jednokierunkowy LIM(0,1) –

przepuszczanie sygna³ów dodatnich, lub LIM(–1,0) – sy-

gna³y ujemne, na wejœcie odpowiedniego z regulatorów.

Mostek, któremu odpowiada zadany kierunek pr¹du, ma

w efekcie zadany pr¹d bêd¹cy sum¹ pr¹du obci¹¿enia i pr¹-

du wyrównawczego, a drugi z mostków jedynie pr¹d wy-

równawczy. Uk³ad sterowania posiada dodatkowo uk³ad

blokady (Bl). Jest on wykorzystywany podczas rozruchu

dla sprawdzenia stanu zasilanego przekszta³tnika.

4.2. Uk³ad starowania przekszta³tnikiem

z blokad¹ pr¹du obwodowego

Na rysunku 8 przedstawiono zrealizowany w celu symula-

cji uk³ad sterowania i regulacji nawrotnym przekszta³tni-

kiem tyrystorowym z blokad¹ pr¹du wyrównawczego.

Je¿eli zostanie zadana ró¿na od zera wartoœæ napiêcia

wyjœciowego, to na wyjœciu regulatora napiêcia RU pojawi

siê sygna³ ró¿ny od zera, o biegunowoœci zale¿nej od znaku

b³êdu. Znak tego sygna³u decyduje o kierunku pr¹du w ob-

ci¹¿eniu (wyborze przekszta³tnika, który rozpocznie pra-

ce). Proces ten odbywa siê to za pomoc¹ uk³adu przedsta-

wionego na rysunku 7.

Rys. 7. Schemat blokowy uk³adu blokady wyzwalania impulsów za³¹czaj¹cych przekszta³tników

Rys. 6. Schemat dwukierunkowego przekszta³tnika z pr¹dem wyrównawczym, wraz z uk³adem sterowania RU – regulator napiêcia,

RI

P

, RI

N

– regulator pr¹du mostka dodatniego (P) i ujemnego (N), L

S

РindukcyjnoϾ sieci, L

TR

РindukcyjnoϾ transformatora

51

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 29. ZESZYT 1–2, 2010

Rys. 8. Schemat dwukierunkowego przekszta³tnika z blokad¹ pr¹du wyrównawczego z uk³adem sterowania:

RU – regulator napiêcia, RI

P

, RI

N

– regulator pr¹du mostka dodatniego (P) i ujemnego (N),

A2D(D2A) – bloki konwersji sygna³u analogowej na cyfrow¹ (cyfrowej na analogow¹)

Uk³adu blokady musi spe³niaæ nastêpuj¹ce warunki:

– impulsy wyzwalaj¹ce tyrystory powinny wprowadzaæ

w stan przewodzenia tylko ten przekszta³tnik, który do-

starcza pr¹du obci¹¿enia, przekszta³tnik chwilowo nie-

czynny powinien byæ zablokowany;

– przy zmianie znaku sygna³u regulatora prêdkoœci musi na-

st¹piæ prze³¹czenie uk³adu regulacji z jednej sekcji na drug¹;

– zablokowanie impulsów wyzwalaj¹cych tyrystory

w sekcji mo¿e nast¹piæ dopiero po zmniejszeniu pr¹du

tej sekcji do wartoœci bliskiej zeru;

– odblokowanie wchodz¹cej do pracy sekcji mo¿e nast¹-

piæ dopiero wtedy, gdy tyrystory sekcji przeciwnej

znajduj¹ siê w stanie zaporowym.

Detektor zera K0 wytwarza na wyjœciu sygna³ logicz-

ny 0, gdy tylko wartoœæ bezwzglêdna pr¹du I

d

jest ró¿na od

zera. Przerzutnik w tym czasie nie przenosi sygna³u z wej-

œcia D na wyjœcie Q. Jest to mo¿liwe dopiero wtedy, gdy

pr¹d w obwodzie obci¹¿enia zmaleje do wartoœci uznanej

przez detektor zera K0 za wartoœæ zerow¹. Na wejœciu E

pojawia siê wtedy wartoœæ 1. Na wejœcie D dostarczamy

sygna³ proporcjonalny do zadanego kierunku pr¹du. Dla

zadanego dodatniego kierunku pr¹du, komparator znaku

KS zadaje na wejœcie D sygna³ logiczny o wartoœci 1 (dla

pr¹du w kierunku przeciwnym 0).

Zbocze narastaj¹ce sygna³u z wyjœcia Q (analogicznie

dla Q), powoduj¹ce odblokowanie odpowiedniego z most-

ków zostaje opóŸnione w cz³onie TP o czas t

p

. Stan niski,

informuj¹cy o koniecznoœci zablokowania odpowiedniego

z mostków przenoszony jest bez opóŸnienia. W wyniku

tego jeden z przekszta³tników rozpocznie prace, a drugi zo-

staje zablokowany.

5.

REZULTATY SYMULACJI PRZEKSZTA£TNIKA

Z PR¥DEM OBWODOWYM

W trakcie badañ symulacyjnych wykorzystywano uk³ad

przedstawiony na rysunku 7. Zarejestrowano przebiegi pr¹-

dów obu przekszta³tników (I

dP

, I

dN

) oraz pr¹du obci¹¿enia

(I

d

) podczas procesu zmiany kierunku pr¹du. Dla ró¿nych

wartoœci Ÿród³a napiêcia E, wystêpuj¹cego w obwodzie pr¹-

du sta³ego.

Na rysunku 9a przedstawiono proces nawrotu. Gdy tylko

pr¹d obci¹¿enia jest dodatni, musi on p³yn¹æ od przekszta³t-

nika dodatniego P – wtedy pr¹d przekszta³tnika ujemnego

N – jest pr¹dem obwodowym. Na odwrót, je¿eli pr¹d obci¹-

¿enia jest ujemny, wtedy pr¹d przekszta³tnika dodatniego

jest pr¹dem obwodowym. Pr¹dy w ka¿dej chwili spe³niaj¹

równoœæ I

dP

= I

d

+ I

dN

. Pr¹d przekszta³tnika rozpoczynaj¹-

cego przewodzenie ju¿ na pocz¹tku jego pracy ma charak-

ter ci¹g³y, co stanowi g³ówn¹ zaletê uk³adu. Podczas proce-

su nawrotu nie ulega zmianie kierunek napiêcia E w obwo-

dzie obci¹¿enia.

52

Kacper S

OWA

MODELE SYMULACYJNE TRÓJFAZOWYCH NAWROTNYCH PRZEKSZTA£TNIKÓW TYRYSTOROWYCH

Rys. 9. Przebieg pr¹dów, podczas procesu nawrotu w przekszta³tniku z pr¹dem obwodowym:

a) dla E = 0 V; b) dla ró¿nych wartoœci napiêcia E

a)

b)

Rysunek 9b przedstawia charakterystykê zbiorcz¹ pr¹-

dów I

d

dla ró¿nych wartoœci napiêcia E w obwodzie obci¹¿e-

nia. Odpowiada to pracy uk³adu, gdy zasila on silnik pr¹du

sta³ego – obci¹¿enie RLE. Nawrót, przy niezmienionym zwro-

cie E, odpowiada sytuacji, w której uk³ad przechodzi z pracy

silnikowej do pracy generatorowej, a energia oddawana jest

z obci¹¿enia do sieci. Przy pracy z pr¹dem dodatnim wzrost

napiêcia E zwiêksza czas, po którym pr¹d w obwodzie ob-

ci¹¿enia osi¹ga wartoœæ ustalon¹. Zmniejszeniu natomiast

ulega czas, po którym pr¹d osi¹ga kierunek przeciwny.

Pr¹d wyrównawczy – p³yn¹cy pomiêdzy mostkami jest

na granicy pr¹dów ci¹g³ych (utrzymywany samoistnie

przez napiêcie U

dP

+ U

dN

, jakie wystêpuje pomiêdzy zaci-

skami wyjœciowymi przekszta³tników), o wartoœci œredniej

ró¿niej od zera, nawet przy braku zewnêtrznego pr¹du

obci¹¿enia. Jego przebieg i wartoœæ nie zale¿¹ od pr¹du ob-

ci¹¿enia, a jedynie od aktualnej wartoœci k¹tów wysterowa-

nia obu przekszta³tników (najwiêksz¹ wartoœæ osi¹ga dla

α

P

= α

N

= π/2).

W ka¿dej chwili przewodz¹ wszystkie (z trzech) fazy.

Wymusza to zastosowanie dwóch galwanicznie separo-

wanych Ÿród³a zasilania (lub transformatora z dwoma

uzwojeniami wtórnymi). Brak tej separacji prowadzi³by do

dwufazowych zwaræ Ÿród³a.

Rys. 10. Proces nawrotu w przekszta³tniku z blokad¹ pr¹du wyrównawczego: a) E = 0 V, 1 – przekszta³tnik

zablokowany, 0 – przekszta³tnik odblokowany; b) ró¿ne wartoœci napiêcia E

a)

b)

53

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 29. ZESZYT 1–2, 2010

6.

REZULTATY SYMULACJI PRZEKSZTA£TNIKA

Z BLOKAD¥ PR¥DU OBWODOWEGO

Symulacjê uk³adu z blokad¹ pr¹du obwodowego przepro-

wadzono w uk³adzie przedstawionym na rysunku 8. Rysu-

nek 10a przedstawia proces zmiany kierunku pr¹du, wraz

z oznaczonymi czasami opóŸnienia za³¹czenia t

p

oraz t

inv

(czas pomiêdzy zadaniem pr¹du w kierunku przeciwnym

a pojawieniem siê tego pr¹du).

Po zadaniu pr¹du w kierunku dodatnim nastêpuje odblo-

kowanie przekszta³tnika P (Blokada P zostaje zwolniona

stanem niskim). W wyniku czego mostek P przechodzi

z pracy falownikowej do prostownikowej. W tym czasie

mostek N jest zablokowany stanem wysokim (Blokada N).

W chwili gdy zostaje zadany pr¹d w kierunku przeciwnym,

pr¹d przekszta³tnika i

dP

zaczyna maleæ, gdy osi¹gnie on

wartoœæ uznan¹ przez komparator zera za zerow¹, nastêpuje

zablokowanie mostka P, a po up³ywie czasu t

p

odblokowa-

nie mostka N. Proces zmiany kierunku pr¹du jest zdecydo-

wanie d³u¿szy, ni¿ w przypadku przekszta³tnika z pr¹dem

obwodowym, co stanowi g³ówn¹ wadê uk³adu.

Rysunek 10b przedstawia charakterystykê zbiorcz¹ pr¹-

dów I

d

dla ró¿nych wartoœci napiêcia E w obwodzie obci¹-

¿enia. W zwi¹zku ze sta³ym zwrotem napiêcia E w obci¹¿e-

niu dla pr¹dów ujemnych mamy do czynienia z prac¹ gene-

ratorow¹ – przekazywaniem energii z obci¹¿enia do sieci

(napiêcie obci¹¿enia wiêksze od napiêcia przekszta³tnika).

7.

PODSUMOWANIE

W artykule dok³adnej analizie poddano modele przekszta³t-

ników podwójnych z pr¹dem obwodowym i z blokad¹ tego

pr¹du. Opisano i przeanalizowano wszelkie zjawiska towa-

rzysz¹ce pracy tych uk³adów, z szczególn¹ uwag¹ poœwiêco-

n¹ na zachowanie siê pr¹du podczas zmiany jego kierunku.

Przeznaczeniem zaprojektowanych uk³adów jest miêdzy

innymi zasilanie silników obcowzbudnych pr¹du sta³ego,

w których zmiana kierunku pr¹du twornika wymusza zmia-

nê kierunku obrotów. Mo¿liwoœci regulacyjne uk³adów

sprawiaj¹, i¿ mo¿na dokonaæ zarówno pe³nej kontroli i ogra-

niczania pr¹du, jak i p³ynnej regulacji i stabilizacji napiêcia

wyjœciowego (prêdkoœci obrotowej).

Przewag¹ przekszta³tnika z pr¹dem obwodowym jest

zdecydowanie bardzo szybki proces kierunku pr¹du. Znaj-

duj¹ one zastosowanie w uk³adach, w których opóŸnienie

wnoszone przez przekszta³tnik mo¿e mieæ znaczenie (cy-

klokonwetery).

Przekszta³tnik bez pr¹du wyrównawczego jest rozwi¹za-

niem tañszym. Do zasilania wystarczy ju¿ tylko transforma-

tor z jednym uzwojeniem wtórnym oraz jeden d³awik wy-

g³adzaj¹cy w obwodzie pr¹du sta³ego. Uproszczenia te po-

ci¹gaj¹ jednak za sob¹ zwiêkszenie czasu zmiany kierunku

pr¹du obci¹¿enia. Nie odgrywa to znacz¹cej roli w przypad-

ku zastosowañ przekszta³tników nawrotnych w napêdzie

pr¹du sta³ego, ale dyskwalifikuje je to w uk³adach, gdzie

liczy siê dynamika nawrotu pr¹du.

Obecnie napêdy przekszta³tnikowe coraz czêœciej wy-

pieraj¹ klasyczne uk³ady napêdowe, stanowi¹ rozwi¹zanie

o wiele tañsze oraz o zdecydowanie wiêkszej sprawnoœci.

Przyk³adem powszechnego stosowania przekszta³tników

nawrotnych mog¹ byæ napêdy maszyn wyci¹gowych oraz

walcarek w hutnictwie.

Literatura

[1] Barlik R., Nowak M., Smirnow A., Tunia H.: Uk³ady energoelektro-

niczne: obliczanie, modelowanie, projektowanie. Warszawa, WNT

1982

[2] Ciepela A.: Automatyka przekszta³tnikowego napêdu pr¹du sta³ego.

Kraków, Wydawnictwo AGH 1992

[3] Czajkowski A.: Napêd tyrystorowy pr¹du sta³ego. Warszawa, WNT

1974

[4] Manitius J., Bisztyga K., Grzybowski W., Kardaszewicz J., W¹so-

wicz Z., Zygmunt H.: Hutnicze napêdy elektryczne, tom II. Katowi-

ce, Wydawnictwo „Œl¹sk” 1972

[5] Pelly B.: Tyrystorowe przekszta³tniki i cyklokonwertery. Warszawa,

WNT 1976

[6] Piróg S.: Uk³ady o komutacji sieciowej i o komutacji twardej. Kra-

ków, Wydawnictwo AGH 2006

[7] Szklarski L., Zarudzki J.: Elektryczne maszyny wyci¹gowe. Kraków,

Wydawnictwo AGH 1987

[8] Tunia H., KaŸmierowski M.: Automatyka napêdu przekszta³tnikowe-

go. Warszawa, PWN 1987

Wp³ynê³o: 11.05.2011

Kacper S

OWA

Urodzi³ siê 25 sierpnia 1985 roku

w Nowym S¹czu. Studia wy¿sze

ukoñczy³ w roku 2010 na Wydziale

Elektrotechniki Automatyki, Infor-

matyki i Elektroniki Akademii Gór-

niczo-Hutniczej w Krakowie. Po

ukoñczeniu studiów rozpocz¹³ stu-

dia doktoranckie.

e-mail: [e-mail]