Falowniki napięciowe.

1. Zasada działania i zastosowanie falowników.

Falownik napięcia jest urządzeniem energoelektronicznym którego

zadaniem jest przekształcanie energii prądu stałego w energię prądu
przemiennego. Falownik jest przekształtnikiem DC/AC.

W falowniku jedno fazowym możemy regulować amplitudą napięcia oraz

częstotliwością. Amplituda jest regulowana poprzez regulację wejściowego
napięcia stałego, albo przez zmianę wypełnienia. Częstotliwość regulujemy
wraz ze zmianą częstości przełączania tranzystorów lub innych zaworów
falownika.

rys. 1

Falowniki można podzielić na trzy kategorie w zależności od metody

sterowania danego falownika:

- falownik z modulacją pojedynczego impulsu

- falownik o prostokątnym przebiegu napięcia wyjściowego.

- falownik o modulacji szerokości impulsu - MSI

2. Falownik z modulacją pojedynczego impulsu

Ilustracja przepływu prądu przez gałęzie dla poszczególnych faz pracy
falownika.

rys. 2

Numery faz pracy odnoszą się do przebiegów prądów i napięć

przedstawionych niżej.
Pierwszy przebieg przedstawia napięcie, a drugi prąd występujące na
odbiorniku. Dodatkowe dwa przebiegi przedstawiają prąd pobierany ze
źródła E oraz prąd na jednym z tranzystorów T1. Dodatkowo czerwonym
kolorem zaznaczono prąd na diodzie D1.

rys. 3

Napięcie odbiornika:

gdzie:

Prąd odbiornika:

3. Falowniki o prostokątnym przebiegu napięcia wyjściowego.

Falowniki o prostokątnym przebiegu napięcia są szczególnym przypadkiem
falowników o modulacji pojedynczego impulsu. Różnica polega na tym, że
wartość wypełnienia wynosi D=1 czyli 100%. Dla tego falownika
podstawowe przepływy prądu przedstawiono na rysunkach poniżej.

rys. 4

Sterowanie polega na odpowiednim przełączaniu zaworów. Np. tak aby
przewodziły pary tranzystorów T1 i T4 oraz para T2 i T3. Można to

zilustrować następującym przebiegiem:

rys. 5

Poniżej przedstawione są przebiegi napięcia i prądu na odbiorniku oraz prąd

pobierany ze źródła, prądy tranzystora T1 i diody D1 na czerwono. Można

zaobserwować różnice w przebiegach falownika o przebiegu prostokątnym

względem przebiegów dla falownika z modulacją pojedynczego impulsu.

rys. 6

Napięcie wyjściowe można przedstawić wzorem:

4. Falowniki o modulacji szerokości impulsu -MSI (

przekształtnik częstotliwości ).

Przykładowy schemat falownika o modulacji szerokości impulsu.

rys. 7

Pokazany wyżej falownik jest przekształtnikiem AC/AC. Można podzielić

go na część prostowniczą, filtr napięcia i falownik napięcia. Przedstawiony

falownik służy do zasilania silników indukcyjnych klatkowych. W falowniku

tym możemy sterować amplitudą i częstotliwością pierwszej harmonicznej

napięcia wyjściowego.

Podstawową cechą tego falownika jest możliwość sterowania napięciem

wyjściowym przez modulację szerokością impulsu. Jednymi z popularnych
metod modulacji szerokością impulsu są:
- naturalna (najczęściej stosowana )
- wektorowa
- histerezowa
- stochastyczna

Modulacja naturalna:

Schemat układu sterowania dla jednego półmostka falownika.

Najbardziej rozpowszechnionym technicznym sposobem realizacji metody
modulacji szerokości impulsów w celu uzyskania sinusoidalnego prądu
odbiornika jest komparacja fali sinusoidalnej (sygnału modulującego) z
sygnałem nośnym, którym może być: przebieg piłokształtny (modulacja
jednostronna) lub trójkątny (modulacja dwustronna). W przypadku
piłokształtnego sygnału nośnego jedno zbocze prostokątnego sygnału
wyjściowego załączającego klucze ma względem sygnału nośnego ustalone
położenie, natomiast położenie drugiego zbocza jest modulowane. Przy
sygnale nośnym trójkątnym modulowane są położenia obu zboczy, stąd
nazwa modulacja dwustronna. Sygnał modulujący ma kształt sinusoidy o
częstotliwości równej podstawowej harmonicznej napięcia wyjściowego i
amplitudzie proporcjonalnej do wymaganej amplitudy tej harmonicznej.
Wykazane jest, że modulacja dwustronna daje korzystniejsze widmo
napięcia i prądu odbiornika niż modulacja jednostronna.

Wygląd zewnętrzny falowników firmy Bosch z panelem sterującym na
obudowie: