Strona 1

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

Układy energoelektroniczne

Wpisany przez Administrator

Czwartek, 01 Październik 2009 12:06

2. Układy energoelektroniczne

Rozwój energoelektroniki obejmuj

ą

cy opracowanie i produkcj

ę

nowych elementów półprzewodnikowych jest procesem ci

ą

głym, charakteryzuj

ą

cym si

ę

znacznym post

ę

pem w tej dziedzinie techniki. Im bardziej nowoczesne technologie s

ą

wprowadzane, tym wi

ę

ksze s

ą

zapotrzebowania na zastosowania

urz

ą

dze

ń

energoelektronicznych.

Układ energoelektroniczny (nazywany układem przekształtnikowym) jest elementem po

ś

rednicz

ą

cym pomi

ę

dzy

ź

ródłem a u

ż

ytkownikiem energii

elektrycznej (przekształca

ź

ródło zasilania w sterowane

ź

ródło wyj

ś

ciowe). Jego wielko

ś

ci

ą

wej

ś

ciow

ą

jest energia elektryczna o

ś

ci

ś

le okre

ś

lonych

parametrach (pr

ą

d, napi

ę

cie, amplituda, cz

ę

stotliwo

ść

), pobierana z zewn

ę

trznego

ź

ródła zasilaj

ą

cego przekształtnik a wielko

ś

ci

ą

wyj

ś

ciow

ą

energii elektrycznej

o parametrach regulowanych zgodnie z wymaganiami u

ż

ytkownika.

Zakres zastosowania urz

ą

dze

ń

i elementów energoelektronicznych jest obecnie bardzo szeroki Obejmuje praktycznie wi

ę

kszo

ść

dziedzin elektroniki w

przemy

ś

le, handlu, transporcie, energetyce, telekomunikacji, gospodarce komunalnej oraz w urz

ą

dzeniach elektrycznych powszechnego u

ż

ytku w

gospodarstwach domowych..

Jako najcz

ęś

ciej wyst

ę

puj

ą

ce dziedziny zastosowa

ń

urz

ą

dze

ń

energoelektronicznych mo

ż

na wymieni

ć

:

— regulowane nap

ę

dy z silnikami pr

ą

du stałego i przemiennego,

— zasilanie urz

ą

dze

ń

elektrotermicznych (głównie jako statyczne przemienniki cz

ę

stotliwo

ś

ci

w nagrzewaniu indukcyjnym),

— zasilanie urz

ą

dze

ń

o

ś

wietlenia elektrycznego,

— kompensacja mocy biernej i ograniczanie waha

ń

napi

ę

cia w sieciach,

— zasilanie urz

ą

dze

ń

pokładowych samolotów za pomoc

ą

lokalnej sieci specjalizowanej 400 Hz,

— zasilanie urz

ą

dze

ń

spawalniczych i galwanotechnicznych,

— zasilanie urz

ą

dze

ń

trakcji elektrycznej (nap

ę

dy i podstacje zasilaj

ą

ce),

— układy rezerwowego (bezprzewodowego) zasilania pr

ą

du przemiennego 50 Hz stosowane

głównie w sieciach komputerowych, w telekomunikacji i w medycynie,

— stabilizowane

ź

ródła napi

ę

cia i pr

ą

du.

Urz

ą

dzenia energoelektroniczne przekształcaj

ą

energi

ę

elektryczn

ą

w energi

ę

elektryczna o parametrach wła

ś

ciwych dla danego odbiornika (cz

ę

sto s

ą

zwane przekształtnikami energoelektronicznymi)

2.1 Przekształtniki

Przekształtnikami nazywamy urz

ą

dzenia energoelektroniczne słu

żą

ce do przekształcania energii elektrycznej o parametrach charakteryzuj

ą

cych

ź

ródło

zasilania (u

1

, i

1

,f

1

), na energi

ę

elektryczn

ą

o parametrach regulowanych u

2

,i

2

, f

2

, zgodnie z wymaganiami urz

ą

dze

ń

odbiorczych.

Przekształcenie energii elektrycznej realizuje si

ę

przy pomocy zaworów tyrystorowych lub tranzystorowych. W przekształtnikach s

ą

stosowane: zawory

niesterowane (diody), półsterowane (tyrystory klasyczne), w pełni sterowalne (tyrystory typu GTO, IGBT).

Zewn

ę

trzny sygnał steruj

ą

cy jest przetwarzany w specjalnym bloku - zwanym sterownikiem (generatorem impulsów wyzwalaj

ą

cych) - w zbiór sygnałów

steruj

ą

cych poszczególnymi zaworami i funkcjonalnie stanowi integraln

ą

cz

ęść

przekształtnika. Urz

ą

dzenie energoelektroniczne jest zło

ż

one z kilku zespołów

funkcjonalnych: przekształtnika, pulpitu sterowania i obiektu regulacji (urz

ą

dzenie odbiorcze, np. silnik nap

ę

dowy lub inny odbiornik energii). Uproszczony

schemat blokowy przedstawia na rys. 1.

Rys. 1. Zespoły funkcjonalne urz

ą

dzenia energoelektronicznego.

W przypadku pr

ą

dów przemiennych przekształtniki dzielimy na układy jednofazowe, trójfazowe, lub wielofazowe. Główny podział rozró

ż

nia

ź

ródła pr

ą

du

stałego (DC) i

ź

ródła pr

ą

du przemiennego (AC). Zarówno po stronie zasilania jak i po stronie obci

ąż

enia mo

ż

emy mie

ć

napi

ę

cie albo pr

ą

dy stałe lub

przemienne. Ró

ż

nego rodzaju podziały

ź

ródeł energii elektrycznej determinuj

ą

ró

ż

ne podziały przekształtników.

Rodzaje przekształtników energoelektronicznych
1. Prostowniki (AC/DC)
2. Przetworniki pr

ą

du stałego (DC/DC) (ang. Choppery)

3.

Falowniki (DC/AC)

4. Przekształtniki pr

ą

du przemiennego (AC/AC):

- bezpo

ś

rednie - cyklokonwertory,

- po

ś

rednie - przemienniki.

Inne kryteria charakteryzuj

ą

ce przekształtniki, to podział:

Strona 2

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

Inne kryteria charakteryzuj

ą

ce przekształtniki, to podział:

a) ze wzgl

ę

du na sposób przekształcania energii elektrycznej:

- po

ś

rednie (np. przemienniki cz

ę

stotliwo

ś

ci),

- bezpo

ś

rednie (np. prostowniki)

b) ze wzgl

ę

du na budow

ę

:

-

proste,

- zło

ż

one (szeregowe, równoległe),

c) ze wzgl

ę

du na kierunek przepływu pr

ą

du i energii, zwrot napi

ę

cia:

- nawrotne i nienawrotne,
- odzyskowe i nieodzyskowe).

2.2 Prostowniki AC/DC

Prostowniki to układy energoelektroniczne, zasilane napi

ę

ciami sinusoidalnymi jednofazowymi lub trójfazowymi. Słu

żą

do przekształcania napi

ęć

przemiennych w napi

ę

cie stałe (jednokierunkowe). Napi

ę

cie stałe składa si

ę

z odpowiednich wycinków napi

ęć

sinusoidalnych zasilaj

ą

cych prostownik. Od

liczby impulsów napi

ę

cia i pr

ą

du wyprostowanego przypadaj

ą

cej na okres napi

ę

cia przemiennego linii zasilaj

ą

cej prostownik wywodz

ą

si

ę

nazwy prostowników,

np prostownik

m

ipulsowy oznacza, i

ż

na jeden okres napi

ę

cia przemiennego wej

ś

ciowego przypada

m

impulsów napi

ę

cia wyj

ś

ciowego.

1) Układy prostownikowe mo

ż

na podzieli

ć

na:

a) niesterowane (diodowe).
b) sterowane (z tyrystorami SCR)

2) W obydwu powy

ż

szych grupach mo

ż

na dokona

ć

podziału uwzgl

ę

dniaj

ą

cego sposób zasilania i topologi

ę

układu na:

a) jednofazowe (jedno i dwupulsowe)
b) trójfazowe (trójpulsowe, sze

ś

ciopulsowe, wielopulsowe)

W prostownikach sterowanych zasilaj

ą

ce napi

ę

cia przemienne s

ą

doprowadzane do odbiornika pr

ą

du stałego poprzez tyrystory, w

ś

ci

ś

le okre

ś

lonych

przedziałach czasu, . Steruj

ą

c fazowo tyrystory uzyskuje si

ę

bezstopniow

ą

regulacj

ę

napi

ę

cia i pr

ą

du wyprostowanego. W zale

ż

no

ś

ci od warto

ś

ci k

ą

ta

zał

ą

czania tyrystorów oraz od rodzaju odbiornika prostowniki sterowane mog

ą

przekazywa

ć

energi

ę

w kierunku od linii zasilaj

ą

cej do odbiornika (stan pracy

prostownikowej), lub w kierunku przeciwnym (stan pracy falownikowej). Schematy blokowe przekształtnika znajduj

ą

cego si

ę

w stanie pracy prostownikowej i

falownikowej przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2a. Stany pracy prostownikowej, 2b. Stan pracy falownikowej

Zmiana kierunku przepływu energii elektrycznej E

e

nast

ę

puje w wyniku zmiany znaku napi

ę

cia wyprostowanego U

d

, przy zachowaniu tego samego kierunku

przepływu pr

ą

du wyprostowanego i

d

.

Najprostszym przykładem prostownika jednofazowego jest prostownik jednopołówkowy, diodowy, niesterowany (rys.3a). Układ ten umo

ż

liwia tylko jeden

kierunek przepływu energii elektrycznej: od

ź

ródła pr

ą

du przemiennego do odbiornika pr

ą

du stałego.

Przy dodatniej połowie napi

ę

cia sinusoidalnego U

z

, gdy warto

ść

chwilowa napi

ę

cia jest wi

ę

ksza od zera (u

> 0),

dioda D znajduje si

ę

w stanie

przewodzenia. W obwodzie: uzwojenie wtórne transformatora - dioda D - obci

ąż

enie R

o

, płynie pr

ą

d i = u/R. W drugiej połowie napi

ę

cie zmienia znak (u

< 0),

dioda znajduje si

ę

w stanie zaporowym, pr

ą

d i = 0. Ponowny przepływ pr

ą

du nast

ę

puje od pocz

ą

tku drugiego okresu. Przez obci

ąż

enie R

o

płynie pr

ą

d

jednokierunkowy, t

ę

tni

ą

cy.

Rys. 3a. Schemat prostownika diodowego jednopołówkowego

3b. Przebieg napi

ę

cia i pr

ą

du prostownika z obci

ąż

eniem R

Je

ż

eli przyjmiemy,

ż

e sinusoidalne napi

ę

cie zasilaj

ą

ce ma warto

ść

maksymaln

ą

U

m

a pr

ą

d w kierunku wstecznym jest pomijalnie mały (rz

ę

du

mikroamperów), to warto

ść ś

redni

ą

napi

ę

cia wyprostowanego wyra

ż

a si

ę

wzorem:

Strona 3

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

gdzie U - jest warto

ś

ci

ą

skuteczna napi

ę

cia zasilaj

ą

cego prostownik.

2.2.1.Prostownik sterowany jednopulsowy

Napi

ę

cie wyprostowane zale

ż

y od układu poł

ą

cze

ń

prostownika (układ gwiazdowy lub mostkowy), liczby faz i warto

ś

ci napi

ę

cia zasilaj

ą

cego. Schemat

prostownika tyrystorowego jest identyczny jak prostownika diodowego (rys. 3b). Prostownik z tyrystorem zasilany jest napi

ę

ciem sinusoidalnym z transformatora

dopasowuj

ą

cego parametry linii zasilaj

ą

cej do wymaga

ń

układu tyrystorowego i odbiornika. Transformator ogranicza tak

ż

e wpływ zakłóce

ń

powstaj

ą

cych w linii

zasilaj

ą

cej na przekształtnik oraz wpływ pracuj

ą

cego przekształtnika na lini

ę

zasilaj

ą

c

ą

.

Rys. 3c. Schemat prostownika sterowanego jednopulsowego

3d. Przebiegi napi

ęć

, pr

ą

du i impulsu steruj

ą

cego prostownika z obci

ąż

eniem R

Przebieg napi

ęć

i pr

ą

dów prostownika (rys.3b); w dodatniej półfali napi

ę

cia pr

ą

d płynie przez uzwojenie wtórne transformatora, tyrystor (kierunek

przewodzenia) oraz przez obci

ąż

enie, natomiast w ujemnej półfali pr

ą

d nie płynie, poniewa

ż

tyrystor spolaryzowany jest w kierunku zaporowym. Przez

obci

ąż

enie płynie pr

ą

d jednokierunkowy, t

ę

tni

ą

cy.

Zał

ą

czenie tyrystora, czyli przej

ś

cie ze stanu blokowania do stanu przewodzenia, nast

ę

puje przez doprowadzenie do bramki dodatniego impulsu z układu

wyzwalaj

ą

cego w czasie dodatniej półfali napi

ę

cia zasilania. Tyrystor zostaje wył

ą

czony, gdy warto

ść

pr

ą

du płyn

ą

cego przez tyrystor b

ę

dzie mniejsza od pr

ą

du

wył

ą

czenia. Tyrystor przewodzi w czasie odpowiadaj

ą

cym k

ą

towi przewodzenia. K

ą

t zał

ą

czenia

α

mo

ż

e by

ć

regulowany w zakresie od 0 do

π

. Napi

ę

cie na

odbiorniku zmienia si

ę

wraz ze zmian

ą

k

ą

ta wysterowania U

m

/

π

(dla

α

= 0) do zera (dla

α

=

π

). Warto

ść ś

rednia napi

ę

cia na odbiorniku wyra

ż

ona jest wzorem:

gdzie

α

- jest k

ą

tem zał

ą

czenia (wysterowania).

Przy obci

ąż

enia RL tyrystor jest równie

ż

polaryzowany w kierunku przewodzenia w czasie trwania dodatniej półfali napi

ę

cia zasilaj

ą

cego. Przy takim

samym k

ą

cie wysterowania i napi

ę

ciu zasilaj

ą

cym, napi

ę

cie wyj

ś

ciowe zawiera równie

ż

składow

ą

ujemn

ą

, co powoduje zmniejszenie warto

ś

ci

ś

redniej napi

ę

cia

wyprostowanego (inaczej ni

ż

dla odbiornika czysto rezystancyjnego). Aby zwi

ę

kszy

ć ś

redni

ą

warto

ść

napi

ę

cia wyprostowanego przy obci

ąż

eniu RL, nale

ż

y

wł

ą

czy

ć

w kierunku zaporowym, równolegle do do zacisków wyj

ś

ciowych prostownika, diod

ę

zerow

ą

D

z

. W momencie zmiany znaku napi

ę

cia na odbiorniku

dioda ta przechodzi w stan przewodzenia.

2.2.2 Prostowniki dwupulsowe

Prostowniki dwupulsowe s

ą

prostownikami pełnookresowymi, pracuj

ą

cymi w układach: dwuzaworowym i czterozaworowym (mostkowym). Na rys. 4a - 4i.

pokazano mo

ż

liwe konfiguracje prostowników dwupulsowych.

1) Prostownik sterowany dwuzaworowy
Pokazany na rys. 4a układ prostownika sterowanego dwupulsowego składa si

ę

z dwu tyrystorów, diody, obci

ąż

enia typu RL, oraz jednofazowego

transformatora trójuzwojeniowego, z symetrycznie dzielonym uzwojeniem wtórnym i wyprowadzonym przewodem neutralnym.

Napi

ę

cia U

1

i U

2

dzielonego uzwojenia wtórnego s

ą

przesuni

ę

te wzgl

ę

dem siebie o k

ą

t fazowy

π

. Tyrystor Ty1 jest polaryzowany w kierunku przewodzenia

w przedziale k

ą

ta 0

≤ ω

t

≤ π

). Impulsy bramkowe s

ą

doprowadzane do tyrystora w czasie wyst

ę

powania dodatnich półfal napi

ę

cia U

1

. Pr

ą

d tyrystora Ty1 osi

ą

ga

warto

ś

ci równe zeru w chwilach, gdy gdy napi

ę

cie U

1

maleje do zera. Tyrystor Ty2 mo

ż

e by

ć

zał

ą

czany w czasie wyst

ę

powania dodatnich półfal napi

ę

cia U

2

.

Impulsy bramkowe obu tyrystorów powinny by

ć

przesuni

ę

te wzajemnie o k

ą

t fazowy równy

π

(sterowanie symetryczne). Pr

ą

d płyn

ą

cy przez odbiornik czysto

rezystancyjny ma charakter impulsowy (rys. 4b). Warto

ść

napi

ę

cia wyj

ś

ciowego zmienia si

ę

w przedziale od U

m

/

π

do 2U

m

/

π

w zale

ż

no

ś

ci od k

ą

ta

wysterowania

α

i dla obci

ąż

enia R dana jest wzorem:

Strona 4

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

Rys. 4a. Schemat prostownika dwupulsowego z przewodem neutralnym

4b. Przebiegi napi

ęć

, pr

ą

du i impulsu steruj

ą

cego prostownika z obci

ąż

eniem R

2) Prostownik diodowy mostkowy
Układ prostownika dwupulsowego dwupołówkowego (tzw. mostek Graetza) jest prostownikiem całofalowym, ze wzgl

ę

du na prostowanie dwóch połówek

napi

ę

cia. Układ diodowy mostkowy nie wymaga stosowania transformatora, co decyduje o jego powszechnym stosowaniu w praktyce.

Przy dodatniej półfali napi

ę

cia u (oznaczone strzałkami ci

ą

głymi) przewodz

ą

diody D

1

i D

2

, a przy ujemnej (oznaczone strzałkami przerywanymi) - diody

D

3

i D

4 .

Pr

ą

d płyn

ą

cy przez odbiornik ma ten sam kierunek w obu półokresach.

Ś

rednia warto

ść

napi

ę

cia wyprostowanego wynosi:

gdzie U - jest warto

ś

ci

ą

skuteczna napi

ę

cia zasilaj

ą

cego.

Rys. 4c Schemat prostownika dwupołówkowego mostkowego (Greatza)

4d. Przebiegi napi

ęć

, pr

ą

dów i impulsu steruj

ą

cego prostownika w układzie mostkowym

3) Prostownik mostkowy półsterowany

Prostownik mostkowy półsterowany składa si

ę

z dwóch tyrystorów i z dwóch diod prostowniczych, budowany w konfiguracjach przedstawionych na rys. 4ef

i 4gh:

a) rys. 4ef. Dodatnia półfala napi

ę

ciowa polaryzuje w kierunku przewodzenia tyrystor Ty1 i diod

ę

D

2

. W trakcie przechodzenia ujemnej pólfali przewodz

ą

tyrystor Ty2
i dioda D

1

. Impulsy bramkowe tyrystorów s

ą

przesuni

ę

te o

π

. Warto

ść ś

rednia napi

ę

cia wyprostowanego dla obu przedstawionych układów półsterowanych

mostkowych wynosi:

Przy obci

ąż

eniu RL w chwilach, gdy napi

ę

cie zasilania ma warto

ść

równ

ą

zeru, wówczas nast

ę

puje komutacja pr

ą

du odbiornika mi

ę

dzy diodami i energia

zgromadzona w indukcyjno

ś

ci L dławika rozładowuje si

ę

przez gał

ąź

zło

ż

on

ą

z szeregowego poł

ą

czenia diody i tyrystora.

Strona 5

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

n

Rys. 4e Schemat prostownika półsterowanego dwupulsowego mostkowego. 4f. Przebiegi napi

ęć

, pr

ą

dów i impulsu steruj

ą

cego prostownika z

obci

ąż

eniem R

b) rys. 4gh. w tym układzie szeregowo poł

ą

czone diody D

1

i D

2

tworz

ą

ce jedn

ą

gał

ąź

mostka pełni

ą

rol

ę

diody zerowej. Drug

ą

gał

ąź

tworz

ą

dwa szeregowo

poł

ą

czone tyrystory Ty1 i Ty2. Przy zasilaniu odbiornika o charakterze indukcyjnym, po wył

ą

czeniu jednego z tyrystorów pr

ą

d odbiornika zamyka si

ę

przez diody

D

1

i D

2

. Kat przewodzenia tyrystorów wynosi

π

+

α

(rys. 4d) a diod

π

–

α

, gdzie

α

jest k

ą

tem wysterowania (opó

ź

nienia zał

ą

czenia).

Rys. 4g. Schemat prostownika półsterowanego dwupulsowego mostkowego

4h. Przebiegi napi

ęć

, pr

ą

dów i impulsu steruj

ą

cego prostownika z obci

ąż

eniem RL

4) Prostowniki mostkowe pełnosterowane
Układ prostownika mostkowego pełnosterowanego składa si

ę

z typowego jednofazowego, dwuuzwojeniowego transformatora i czterech tyrystorów w

układzie mostkowym. (lub z dwu tyrystorów i dwu diod). Istnieje równie

ż

mo

ż

liwo

ść

zasilania układu z linii pr

ą

du jednofazowego z pomini

ę

ciem transformatora.

Układ ten mo

ż

e pracowa

ć

zarówno jako prostownik jak i falownik o komutacji sieciowej.

Tyrystory usytuowane w przeciwległych gał

ę

ziach (np. Ty1 i Ty4 lub Ty2 i Ty3) musz

ą

by

ć

wyzwalane jednocze

ś

nie. W zakresie k

ą

ta 0

≤ ω

t

≤ π

dodatnia

półfala napi

ę

cia polaryzuje si

ę

w kierunku przewodzenia par

ę

tyrystorów Ty2 i Ty3 natomiast ujemna półfala - w kierunku przewodzenia tyrystory Ty4 i Ty1.

Kierunek pr

ą

du prostownika jest taki sam niezale

ż

nie od tego, która para tyrystorów jest w stanie przewodzenia.

Dla obci

ąż

enia RL wyst

ę

puje praca zarówno impulsowa jak i ci

ą

gła (w zale

ż

no

ś

ci od k

ą

ta opó

ź

nienia zał

ą

czenia). Dla odbiornika czysto rezystancyjnego

pr

ą

d ma zawsze charakter impulsowy. Komutacja zachodzi pomi

ę

dzy parami tyrystorów przeciwnych gał

ę

ziach (Ty1 i Ty4 , Ty2 i Ty3), w czasie której

wszystkie tyrystory znajduj

ą

si

ę

w stanie przewodzenia.

Rys. 4i. Schemat prostownika pełnosterowanego dwupulsowego mostkowego

4j. Przebieg napi

ę

cia, pr

ą

du i impulsu steruj

ą

cego prostownika z obci

ąż

eniem R

2.2.3 Prostowniki trójpulsowe
Prostownikiem trójpulsowym (gwiazdowym) nazywamy układ prostownikowy trójfazowy zasilany z sieci czteroprzewodowej. Trójpulsowy oznacza, i

ż

na

jeden okres napi

ę

cia przemiennego wej

ś

ciowego przypadaj

ą

trzy impulsy napi

ę

cia wyj

ś

ciowego.

Prostownik tego typu mo

ż

e by

ć

zasilany przez dławiki lub przez transformator trójfazowy z wyprowadzonym z uzwojenia wtórnego transformatora

przewodem neutralnym N. Układ prostownikowy mo

ż

e by

ć

wykonany na diodach lub tyrystorach SCR. Poniewa

ż

pr

ą

d obci

ąż

enia płynie przez przewód

neutralny zakres stosowania tego typu układów ogranicza si

ę

maksymalnie do mocy kilkunastu kilowatów.

1) Prostownik diodowy
Prostownik diodowy jest przekształtnikiem niesterowanym, zbudowanym z diod, w którym wyst

ę

puje jeden kierunek przepływu energii: od

ź

ródła pr

ą

du

przemiennego do odbiornika pr

ą

du stałego. W ka

ż

dej chwili przewodzi tylko jedna dioda, ta na której jest najwi

ę

ksze napi

ę

cie dodatnie. Prostownik gwiazdowy

diodowy pokazany jest na rys. 5a. Warto

ść ś

rednia napi

ę

cia wyprostowanego U

d0

zale

ż

y od układu poł

ą

cze

ń

prostownika (układ gwiazdowy lub mostkowy),

liczby faz i warto

ś

ci napi

ę

cia zasilaj

ą

cego i wynosi:

Strona 6

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

gdzie: U

f

jest warto

ś

ci

ą

skuteczn

ą

napi

ę

cia fazowego zasilaj

ą

cego prostownik.

Rys. 5a Prostownik diodowy gwiazdowy z obci

ąż

eniem R

2) Prostownik tyrystorowy

Najcz

ęś

ciej stosowanym układem jest trójfazowy układ mostkowy oraz jego kombinacje polegaj

ą

ce na szeregowym lub

równoległym ł

ą

czeniu mostków zasilanych z oddzielnych uzwoje

ń

wtórnych (o ró

ż

nych grupach poł

ą

cze

ń

) transformatora prostownikowego. Prostownik jest

zasilany z transformatora trófazowego z wyprowadzonym z uzwojenia wtórnego przewodem neutralnym.
Impulsy bramkowe tyrystorów s

ą

przesuni

ę

te wzajemnie o k

ą

ty fazowe równe 2

π

/3. Je

ż

eli k

ą

ty przewodzenia tyrystorów przekształtnika trójpulsowego s

ą

mniejsze ni

ż

2

π

/3, to przez odbiornik (niezale

ż

nie od jego rodzaju) płynie pr

ą

d impulsowy. Przy k

ą

cie przewodzenia tyrystorów równym 2

π

/3 wyst

ę

puje pr

ą

d

ci

ą

gły.

Przewodzenie ci

ą

głe prostownika trójpulsowego, zasilaj

ą

cego odbiornik czysto rezystancyjny, wyst

ę

puje dla warto

ś

ci k

ą

ta opó

ź

nienia wysterowania

tyrystorów zawartego w granicach 0

≤ α ≤ π

/6. Przy przewodzeniu ci

ą

głym (niezale

ż

nie od rodzaju odbiornika) warto

ść ś

rednia napi

ę

cia wyprostowanego

wynosi:

Rys. 5b Schemat prostownika tyrystorowego trójpulsowego z transformatorem.

Rys. 5c Przebiegi czasowe pr

ą

du i napi

ę

cia wyprostowanego i impulsów bramkowych

w prostowniku tyrystorowym trójpulsowym z obci

ąż

eniem R przy przewodzeniu ci

ą

głym

Strona 7

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

W przypadku odbiornika indukcyjno-rezystancyjnego przebiegi czasowe pr

ą

du i napi

ę

cia wyprostowanego ró

ż

ni

ą

si

ę

od przebiegów dla obci

ąż

enia czysto

rezystancyjnego, poniewa

ż

w indukcyjno

ś

ciach przebiegi pr

ą

du nie mog

ą

zmienia

ć

si

ę

skokowo.

2.2.4 Prostowniki sze

ś

ciopulsowe

Prostownik diodowy sze

ś

ciopulsowy (rys. 6a) składa si

ę

z dwóch szeregowo poł

ą

czonych prostowników trójpulsowych, utworzonych przez diody o

poł

ą

czonych katodach (D1,D2,D3 - grupa katodowa) i diody o poł

ą

czonych anodach (D4,D5,D6 - grupa anodowa). Ka

ż

da dioda z danej grupy przewodzi przez

1/3 okresu napi

ę

cia zasilaj

ą

cego, tj. przez czas 2

π

/3 z diod

ą

z przeciwnej grupy i naprzemiennie z ró

ż

nych faz. Np. dioda D2, przez połow

ę

swego czasu

przewodzenia (czyli

π

/3) przewodzi z diod

ą

D4, a przez nast

ę

pn

ą

połow

ę

z diod

ą

D6. Je

ż

eli U

m

jest warto

ś

ci

ą

maksymaln

ą

napi

ę

cia mi

ę

dzyfazowego U

p

zasilaj

ą

cego prostownik, to napi

ę

cie

ś

rednie na obci

ąż

eniu rezystancyjnym prostownika ma warto

ść

:

Rys. 6a Schemat prostownika diodowego sze

ś

ciopulsowego mostkowego

Prostownik sze

ś

ciopulsowy tyrystorowy (rys. 6b), składa si

ę

z transformatora trójfazowego o dowolnej konfiguracji uzwoje

ń

pierwotnych i wtórnych

(gwiazda, trójk

ą

t, zygzak) , oraz sze

ś

ciu tyrystorów o poł

ą

czonych katodach (T1,T2,T3 - grupa katodowa) i poł

ą

czonych anodach (T4,T5,T6 - grupa anodowa).

Przy przewodzeniu ci

ą

głym prostownika mostkowego, w stanie przewodzenia znajduje si

ę

zawsze jeden tyrystor grupy katodowej i jeden tyrystor grupy

anodowej, przy czym oba s

ą

zasilane z ró

ż

nych faz. Tyrystory grupy katodowej mostka przechodz

ą

w stan przewodzenia przy dodatnich półfalach napi

ęć

fazowych zasilania, a tyrystory grupy anodowej - w czasie ujemnych półfal tych nnapi

ęć

. Niezale

ż

nie od rodzaju odbiornika co

π

/3 nast

ę

puje zmiana

konfiguracji obwodu pr

ą

du wyprostowanego. Napi

ę

cie wyprostowane składa si

ę

z impulsów, b

ę

d

ą

cych wycinkami przebiegów napi

ęć

mi

ę

dzyprzewodowych

zasilaj

ą

cych mostek.

Rys. 6b Schemat prostownika sterowanego sześciopulsowego mostkowego

Je

ż

eli napi

ę

cie U

m

jest warto

ś

ci

ą

maksymaln

ą

napi

ę

cia mi

ę

dzyfazowego U

p

zasilaj

ą

cego prostownik, to warto

ść ś

rednia napi

ę

cia na obci

ąż

eniu

rezystancyjnym prostownika, przy przewodzeniu ci

ą

głym, ma warto

ść

:

Na rys. 6c pokazano przebiegi napi

ęć

zasilaj

ą

cych fazowych, mi

ę

dzyfazowych oraz napi

ę

cia na obci

ąż

eniu rezystancyjnym u

d

w układzie mostka

sze

ś

ciopulsowego tyrystorowego dla zadanego k

ą

ta wysterowania równego

α

.

Strona 8

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

Rys. 6c Przebiegi czasowe prądu i napięcia wyprostowanego i impulsów bramkowych

w prostowniku tyrystorowym sterowanym sze

ś

ciopulsowym mostkowym

2.3 Falowniki

Falownikami nazywamy urz

ą

dzenia energoelektroniczne, których zadaniem jest przetwarzanie pr

ą

dów i napi

ęć

stałych na przemienne (DC/AC). Falowniki

stosowane s

ą

głównie do zasilania:

- regulowanych nap

ę

dów elektrycznych (ASD),

- zasilaczy bezprzerwowych (UPS),

- statycznych kompensatorów mocy biernej (SVC),

- filtrów aktywnych (AF),

- elastycznych systemów przesyłu energii (FACTS).

Ze wzgl

ę

du na ilo

ść

faz napi

ę

cia/pr

ą

du wyj

ś

ciowego falowniki dzielimy na :

a) falowniki jednofazowe

b) falowniki trójfazowe

c) falowniki wielofazowe o dowolnej ilo

ś

ci faz (specjalnego przeznaczenia)

Ze wzgl

ę

du na rodzaj

ź

ródła zasilania falowniki dzielimy na:

a) napi

ę

ciowe

b) pr

ą

dowe.

Falowniki napi

ę

ciowe (VSI)

Ź

ródłem energii wej

ś

ciowej w falowniku napi

ę

ciowym jest naładowany kondensator (E = CU

2

/2) dzi

ę

ki czemu napi

ę

cie wyj

ś

ciowe jest ci

ą

giem impulsów

prostok

ą

tnych o regulowanej szeroko

ś

ci, a pr

ą

d wyj

ś

ciowy dla obci

ąż

enia typu RL ma kształt quasisinusoidalny. W tego rodzaju falownikach podstawowymi

przyrz

ą

dami

energoelektronicznymi

s

ą

elementy

w

pełni

sterowalne.

Falowniki

napi

ę

ciowe

s

ą

obecnie

najcz

ęś

ciej

stosowanymi

układami

energoelektronicznymi.

Falowniki pr

ą

dowe (CSI)

Ź

ródłem energii wej

ś

ciowej w falowniku pr

ą

dowym jest dławik z płyn

ą

cym pr

ą

dem (E = LI

2

/2). Pr

ą

d wyj

ś

ciowy jest ci

ą

giem impulsów prostok

ą

tnych o

regulowanej szeroko

ś

ci, a napi

ę

cie wyj

ś

ciowe dla obci

ąż

enia rezystancyjno – indukcyjnego jest quasisinusoidalne. W falownikach pr

ą

dowych mo

ż

na stosowa

ć

zarówno tyrystory SCR jak i elementy w pełni sterowalne. Zastosowanie tego typu falowników obejmuje przede wszystkim grup

ę

nap

ę

dów elektrycznych

ś

redniej mocy.

Zasada działania falownika

Zasada działania falownika jest przedstawiona w parciu o klasyczny układ mostkowy napi

ę

ciowego falownika trójfazowego, utworzonego przez zawory T1,

D1 - T6 - D6. Uzyskanie napi

ę

cia przemiennego na fazach odbiornika polega na odpowiednim zał

ą

czaniu ł

ą

czników tranzystorowych. Diody zwrotne D1-D6

słu

żą

do ograniczania przepi

ęć

na tranzystorach w przypadku pracy z obci

ąż

eniem o charakterze indukcyjnym.

Wyró

ż

nia si

ę

nast

ę

puj

ą

ce mo

ż

liwo

ś

ci ł

ą

czenia zacisku fazy L1 ze

ź

ródłem zasilaj

ą

cym prostownik:

poł

ą

czenie z ujemnym biegunem

ź

ródła zasilaj

ą

cego przez zał

ą

czenie zaworu T1,D1.

Strona 9

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

poł

ą

czenie z ujemnym biegunem

ź

ródła zasilaj

ą

cego przez zał

ą

czenie zaworu T1,D1.

poł

ą

czenie z dodatnim biegunem

ź

ródła zasilania przez zał

ą

czenie zaworu T4,D4,

odł

ą

czenie od obu biegunów

ź

ródła zasilaj

ą

cego odbiornik.

W układzie tym nale

ż

y wykluczy

ć

jednoczesne poł

ą

czenie tego zacisku z obydwoma biegunami

ź

ródła zasilania, gdy

ż

oznaczałoby to spowodowanie

zwarcia tego

ź

ródła. Podobnie post

ę

puje si

ę

w pozostałych fazach L2 i L3.

Rys. 7 Falownik mostkowy z tranzystorami IGBT

Rodzaje falowników napi

ę

ciowych

W ostatnich latach bardzo wielu producentów oferuje ogromn

ą

gam

ę

urz

ą

dze

ń

energoelektronicznych zasilanych z jedno lub trójfazowej sieci pr

ą

du

przemiennego, których wielko

ś

ciami wyj

ś

ciowymi jest napi

ę

cie i pr

ą

d przemienny o regulowanej amplitudzie i cz

ę

stotliwo

ś

ci. Urz

ą

dzeniami o takich

wła

ś

ciwo

ś

ciach s

ą

falowniki napi

ę

ciowe o kaskadowym poł

ą

czeniu kilku ró

ż

nych układów energoelektronicznych. Na rys.8, 9 i 10 przedstawiono trzy ró

ż

ne

przykładowe rozwi

ą

zania układowe tego typu urz

ą

dze

ń

dla zasilania silników indukcyjnych.

2.3.1 Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacj

ą

amplitudy

Rys. 8 Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacj

ą

amplitudy

Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacj

ą

amplitudy (rys. 8), jest kaskadowym poł

ą

czeniem tyrystorowego prostownika sterowanego i falownika. W

tego typu układach sterowania i zasilania nap

ę

du indukcyjnego nale

ż

y zapewni

ć

stało

ść

stosunku skutecznej warto

ś

ci napi

ę

cia do cz

ę

stotliwo

ś

ci (U/f = const.).

W tym celu nale

ż

y zapewni

ć

mo

ż

liwo

ść

regulacji zarówno cz

ę

stotliwo

ś

ci jak i amplitudy podstawowej harmonicznej napi

ę

cia wyj

ś

ciowego. Regulacja amplitudy

odbywa si

ę

w prostowniku tyrystorowym, natomiast regulacja cz

ę

stotliwo

ś

ci w falowniku. Metoda regulacji opiera si

ę

na metodzie modulacji amplitudy (PAM).

Wad

ą

tego układu jest du

ż

y pobór mocy biernej przez prostownik oraz du

ż

a zawarto

ść

harmonicznych w pr

ą

dzie silnika.

2.3.2 Falownik trójstopniowy (AC/DC/DC/AC) z modulacj

ą

amplitudy

Rys. 9 Falownik trójstopniowy (AC/DC/DC/AC) z modulacj

ą

amplitudy

Falownik trójstopniowy z modulacj

ą

amplitudy (rys. 9) składa si

ę

z niesterowanego prostownika diodowego, przetwornika typu DC/DC (chopper) oraz

falownika wła

ś

ciwego. Metoda sterowania jest taka sama jak w poprzednim przypadku (PAM). W tym układzie unikni

ę

to poboru mocy biernej, lecz wadami s

ą

:

Strona 10

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

Falownik trójstopniowy z modulacj

ą

amplitudy (rys. 9) składa si

ę

z niesterowanego prostownika diodowego, przetwornika typu DC/DC (chopper) oraz

falownika wła

ś

ciwego. Metoda sterowania jest taka sama jak w poprzednim przypadku (PAM). W tym układzie unikni

ę

to poboru mocy biernej, lecz wadami s

ą

:

wi

ę

ksza zło

ż

ono

ść

struktury oraz tak jak i poprzednio du

ż

a zawarto

ść

harmonicznych w pr

ą

dzie silnika.

2.3.3 Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacj

ą

szeroko

ś

ci impulsu

Rys. 10 Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacj

ą

szeroko

ś

ci impulsu

Falownik dwustopniowy z modulacj

ą

szeroko

ś

ci impulsu (rys. 10), składa si

ę

z niesterowanego prostownika diodowego oraz falownika wła

ś

ciwego.

Zastosowano w nim bardziej zło

ż

on

ą

metod

ę

sterowania jak

ą

jest modulacja szeroko

ś

ci impulsu (PWM). Układ ten nie pobiera mocy biernej, zawarto

ść

harmonicznych w pr

ą

dzie silnika mo

ż

e by

ć

znikomo mała, posiada najprostsz

ą

z mo

ż

liwych struktur

ę

obwodu mocy.

2.4 Przetworniki pr

ą

du stałego na pr

ą

d stały (DC/DC - Choppery)

Przetwornikami pr

ą

du stałego na pr

ą

d stały DC/DC nazywamy układy energoelektroniczne przetwarzaj

ą

ce nieregulowane wej

ś

ciowe napi

ę

cie stałe na

unipolarne napi

ę

cie wyj

ś

ciowe o regulowanej warto

ś

ci

ś

redniej. Przetworniki tego typu maj

ą

szerokie zastosowanie jako zasilacze impulsowe i regulowane

trakcyjne nap

ę

dy pr

ą

du stałego. Przyrz

ą

dami energoelektronicznymi wykorzystywanymi w przetwornikach typu DC/DC s

ą

elementy w pełni sterowalne.

Przetworniki DC/DC mo

ż

na podzieli

ć

, w zale

ż

no

ś

ci od funkcji przetwarzania, na:

Przetworniki DC/DC obni

ż

aj

ą

ce napi

ę

cie (Buck Converter) - w tych układach regulowana

ś

rednia warto

ść

napi

ę

cia wyj

ś

ciowego jest mniejsza lub

równa warto

ś

ci stałego napi

ę

cia wej

ś

ciowego.

Przetworniki DC/DC podwy

ż

szaj

ą

ce napi

ę

cie (Boost Converter) - w tego typu układach mo

ż

liwe jest uzyskiwanie napi

ę

cia wyj

ś

ciowego o warto

ś

ci

ś

rednie wi

ę

kszej ni

ż

stałe napi

ę

cie wej

ś

ciowe.

Przetworniki DC/DC podwy

ż

szaj

ą

ce i obni

ż

aj

ą

ce napi

ę

cie (Buck-Boost, Flyback,

Ć

uk Converters) - układy tego typu ł

ą

cz

ą

cechy dwu poprzednich

grup, umo

ż

liwiaj

ą

c zarówno obni

ż

anie jak i podwy

ż

szanie napi

ę

cia wyj

ś

ciowego ponad warto

ść

napi

ę

cia wej

ś

ciowego.

Wielokwadrantowe przetworniki DC/DC - układy te umo

ż

liwiaj

ą

dwustronny przepływ energii elektrycznej dla odbiorników typu RLE.

Transformatorowe, wysokocz

ę

stotliwo

ś

ciowe przetworniki DC/DC -

s

tosowane głównie w zasilaczach impulsowych małej mocy (do 1 kW). Dzi

ę

ki

bardzo wysokim cz

ę

stotliwo

ś

ciom przeł

ą

czania (nawet rz

ę

du 1 MHz) wymagaj

ą

zastosowania małogabarytowych transformatorów. Ten rodzaj

przetworników DC/DC ma najszersze zastosowania.

Przetworniki DC/DC charakteryzuj

ą

si

ę

tym,

ż

e energia jest przekazywana pomi

ę

dzy

ź

ródłem zasilania a odbiornikiem tylko w jedn

ą

stron

ę

, natomiast

przetworniki wielokwadrantowe s

ą

zdolne do przekazywania energii w obie strony

2.4.1 Przetwornik DC/DC obni

ż

aj

ą

cy napi

ę

cie

Najliczniejsz

ą

podgrup

ę

spo

ś

ród przekształtników nieizolowanych stanowi

ą

przetworniki obni

ż

aj

ą

ce napi

ę

cie zwane te

ż

okresowymi przerywaczami napi

ę

cia

stałego (z ang. down converters, buck converters). Przekształcaj

ą

one napi

ę

cie stałe na napi

ę

cie jednokierunkowe o regulowanej warto

ś

ci

ś

redniej mniejszej

lub co najwy

ż

ej równej warto

ś

ci napi

ę

cia wej

ś

ciowego. Stosowane s

ą

do regulacji (obni

ż

ania) napi

ę

cia uzyskiwanego ze

ź

ródeł napi

ę

cia stałego, np. w

nap

ę

dach trakcyjnych pr

ą

du stałego, a tak

ż

e jako zasilacze nieseparowane galwaniczne.

Funkcj

ę

sterowanego elementu przeł

ą

czaj

ą

cego we współczesnych układach impulsowych pełni

ą

tranzystory IGBT lub MOSFET, natomiast w układach

du

ż

ej mocy - tyrystory GTO lub IGCT.

Przetwornik (rys.7) składa si

ę

ze

ź

ródła napi

ę

cia stałego U

z

, sterowanego elementu przeł

ą

czaj

ą

cego (we współczesnych układach impulsowych pełni

ą

tranzystory IGBT lub MOSFET, natomiast w układach du

ż

ej mocy - tyrystory GTO lub IGCT), diody D (zł

ą

czowej szybkiej lub Schottky'ego), cewki L,

kondensatora filtruj

ą

cego C oraz rezystancji obci

ąż

enia R

o

.

Ł

ą

cznik półprzewodnikowy T jest cyklicznie zwierany lub rozwierany. Pracuje dwustanowo dla zmniejszenia strat w układzie i podniesienia sprawno

ś

ci

energetycznej przetwornika. W czasie gdy ł

ą

cznik T jest zwarty, pr

ą

d ze

ź

ródła zasilania płynie przez indukcyjno

ść

L do kondensatora C i obci

ąż

enia R

o

. Dioda

D jest w tym czasie spolaryzowana zaworowo. Poniewa

ż

napi

ę

cie U

L

na indukcyjno

ś

ci L jest praktycznie stałe, bo stałe jest napi

ę

cie zasilania i napi

ę

cie

obci

ąż

enia, wi

ę

c pr

ą

d

I

L

płyn

ą

cy przez t

ę

indukcyjno

ść

narasta liniowo.

Gdy ł

ą

cznik T jest rozwarty, pod wpływem napi

ę

cia samoindukcji na indukcyjno

ś

ci L w obwodzie płynie pr

ą

d przez diod

ę

D. Napi

ę

cie U

L

na indukcyjno

ś

ci L

jest słabe i równe napi

ę

ciu na obci

ąż

eniu, co powoduje,

ż

e pr

ą

d

I

L w indukcyjno

ś

ci maleje liniowo. Pr

ą

d

I

L rozpływa si

ę

na dwie składowe: stał

ą I

o płyn

ą

c

ą

przez rezystancj

ę

obci

ąż

enia i zmienn

ą

I

C

płyn

ą

c

ą

, przez kondensator C. Na Rys. 11 przedstawiono schemat klasycznego układu przetwornika „BUCK”.

Strona 11

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

Rys. 11 Schemat przetwornika DC/DC obniżającego napięcie

2.4.2 Przetwornik DC/DC podwy

ż

szaj

ą

cy napi

ę

cie

Przetworniki podwyższające napięcie stałe (z ang. up converters, boost converters) przekształcają napięcie stałe na napięcie jednokierunkowe o

regulowanej wartości średniej większej lub co najmniej równej wartości napięcia wejściowego. Rys. 12 przedstawia schemat układu przekształtnika
„BOOST”.

Podwy

ż

szanie napi

ę

cia stałego wykorzystuje sie w praktyce do zasilania urz

ą

dze

ń

pr

ą

du stałego ze

ź

ródeł pr

ą

du stałego o warto

ś

ci mniejszej od napi

ę

cia

roboczego zasilanego urz

ą

dzenia lub do hamowania odzyskowego nap

ę

dów pr

ą

du stałego zasilanych z nieregulowanych

ź

ródeł.

Przetwornik składa si

ę

ze

ź

ródła napi

ę

cia stałego U

z

, ł

ą

cznika półprzewodnikowego (tranzystor IGBT lub MOSFET), diody D, cewki L, kondensatora

filtruj

ą

cego C oraz rezystancji obci

ąż

enia R

o

.

W czasie gdy tranzystor T jest w stanie przewodzenia, pr

ą

d ze

ź

ródła zasilania płynie przez indukcyjno

ść

L. Napi

ę

cie U

L

na cewce jest stałe i równe

napi

ę

ciu zasilania U

z

, powoduje to,

ż

e pr

ą

d płyn

ą

cy przez indukcyjno

ść

narasta liniowo.

Gdy ł

ą

cznik T jest wył

ą

czony, energia przekazywana jest poprzez diod

ę

D do kondensatora C i obci

ąż

enia R

o

. Wtedy pr

ą

d w indukcyjno

ś

ci L płynie pod

wpływem sumy napi

ę

cia zasilania U

z

i napi

ę

cia samoindukcji U

L

przez diod

ę

D do obci

ąż

enia. Napi

ę

cie U

L

jest praktycznie stałe, co powoduje,

ż

e pr

ą

d w

indukcyjno

ś

ci L maleje liniowo. Pr

ą

d płyn

ą

cy przez diod

ę

D rozpływa si

ę

na dwie składowe: stał

ą

Io płyn

ą

c

ą

przez rezystancj

ę

obci

ąż

enia i zmienn

ą

IC

płyn

ą

c

ą

, przez kondensator C.

Rys. 12 Schemat przetwornika DC/DC podwyższającego napięcie

2.4.3 Przetwornik DC/DC podwy

ż

szaj

ą

co - obni

ż

aj

ą

cy napi

ę

cie

Na rys. 13 przedstawiono impulsowy przetwornik kaskadowy umo

ż

liwiaj

ą

cy podwy

ż

szanie i obni

ż

anie napi

ę

cia wyj

ś

ciowego w stosunku do warto

ś

ci

napi

ę

cia

ź

ródła na wej

ś

ciu (z ang. up/down converter, buck-boost converter). Przetwornik składa si

ę

ze

ź

ródła napi

ę

cia stałego U

z

, ł

ą

cznika T, diody D, cewki

L, kondensatora filtruj

ą

cego C oraz rezystancji obci

ąż

enia R

o

.

Po zamkni

ę

ciu ł

ą

cznika T napi

ę

cie U

z

jest przyło

ż

one do do indukcyjno

ś

ci L, pr

ą

d płyn

ą

cy przez cewk

ę

narasta liniowo. W tym czasie dioda D jest

spolaryzowana zaporowo. Odbiornik jest zasilany energi

ą

zgromadzon

ą

w kondensatorze C. Dioda D zabezpiecza przed zwarciem kondensatora przez ł

ą

cznik

T.

Po otwarciu ł

ą

cznika T pr

ą

d w cewce płynie pod wpływem napi

ę

cia samoindukcji przez diod

ę

D do obci

ąż

enia. Napi

ę

cie U

L

na indukcyjno

ś

ci L jest stałe i

równe napi

ę

ciu U

o

na obci

ąż

eniu co powoduje,

ż

e pr

ą

d w indukcyjno

ś

ci L maleje liniowo. Biegunowo

ść

napi

ę

cia wyj

ś

ciowego U

o

jest przeciwna wzgl

ę

dem

napi

ę

cia wej

ś

ciowego U

z

. Pr

ą

d p I

D

płyn

ą

cy przez diod

ę

D rozpływa si

ę

na dwie składowe: stał

ą

Io płyn

ą

c

ą

przez rezystancj

ę

obci

ąż

enia R

o

i zmienn

ą

IC

płyn

ą

c

ą

, przez kondensator C.

Rys. 13 Schemat przetwornika DC/DC podwyższająco-obniżającego napięcie

2.4.4 Wielokwadrantowe przetworniki typu DC/DC

Przetworniki wielokwadrantowe s

ą

zdolne do przekazywania energii w obie strony bez dokonywania zmian poł

ą

cze

ń

w obwodzie głównym przetwornika.

Wyró

ż

nia si

ę

nast

ę

puj

ą

ce rozwi

ą

zania przetworników wielokwadrantowych (z ang. multi-quadrant convertes):

- układy umo

ż

liwiaj

ą

ce zmian

ę

kierunku pr

ą

du odbiornika, przy zachowaniu stałej polaryzacji napi

ę

cia,

- układy umo

ż

liwiaj

ą

ce zmian

ę

polaryzacji napi

ę

cia przy niezmieniaj

ą

cym si

ę

kierunku pr

ą

du w odbiorniku,

- układy umo

ż

liwiaj

ą

ce zmian

ę

zarówno kierunku pr

ą

du odbiornika jak i zamian

ę

polaryzacji napi

ę

cia.

Na rys. 14a przedstawiono przetwornik czterokwadrantowy umo

ż

liwiaj

ą

cy zmian

ę

znaku napi

ę

cia i pr

ą

du odbiornika. Jest on poł

ą

czeniem dwóch

przetworników dwukwadrantowych. Jeden z nich umo

ż

liwia przepływ pr

ą

du dodatniego T!, T4, D2, D3), a drugi ujemnego (T2, T3, D1, D4). Aby uzyska

ć

prac

ę

we wszystkich czterech

ć

wiartkach układu współrz

ę

dnych I

o

, U

o

(rys. 10) stosowane s

ą

dwa rodzaje sterowania: symetryczne i niesymetryczne.

Sterowanie symetrycznego; przy dodatnim kierunku pr

ą

du odbiornika ł

ą

czniki T1 i T4 (zał

ą

czane i wył

ą

czane jednocze

ś

nie) przewodz

ą

pr

ą

d na przemian

z diodami D2 i D3. Przy ujemnym kierunku pr

ą

du przewodz

ą

na przemian ł

ą

czniki T2 i T3 oraz diody D2 i D4.

Sterowanie niesymetryczne; napi

ę

cie wyj

ś

ciowe przetwornika ma kształt impulsów prostok

ą

tnych o jednakowej biegunowo

ś

ci, t

ę

tnienia pr

ą

du s

ą

dwukrotnie mniejsze ni

ż

przy sterowaniu symetrycznym.

Strona 12

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

Sterowanie niesymetryczne; napi

ę

cie wyj

ś

ciowe przetwornika ma kształt impulsów prostok

ą

tnych o jednakowej biegunowo

ś

ci, t

ę

tnienia pr

ą

du s

ą

dwukrotnie mniejsze ni

ż

przy sterowaniu symetrycznym.

Mo

ż

liwy jest tak

ż

e trzeci rodzaj sterowania, tzw. sterowanie nieregularne umo

ż

liwiaj

ą

cy prac

ę

tylko w jednym kwadrancie układu współrz

ę

dnych I

o

, U

o

.

Rys. 14a. Schemat mostkowego przetwornika DC/DC czterokwadrantowego

Rys. 14b. kwadranty układu współrz

ę

dnych

I

o

, U

o

.

Przetworniki czterokwadrantowe maja zastosowanie w układach energoelektronicznych umożliwiających zmianę kierunku napięcia i prądu

odbiornika, np. regulacja prędkości kątowej maszyny prądu stałego dla dwóch kierunków wirowania wału.

Druga istotna grupa przetworników to przetworniki z izolacja pomi

ę

dzy wej

ś

ciem a wyj

ś

ciem, zrealizowan

ą

poprzez zastosowanie transformatorów

po

ś

rednicz

ą

cych.

2.5 Cyklokonwertory

Bezpo

ś

redni przemiennik cz

ę

stotliwo

ś

ci - cyklokonwertor - nale

ż

y do grupy przekształtników napi

ę

cia przemiennego na napi

ę

cie przemienne bez

po

ś

redniego obwodu pr

ą

du stałego. Ze wzgl

ę

du na swoje wła

ś

ciwo

ś

ci mo

ż

e wytwarza

ć

napi

ę

cie przemienne pod warunkiem,

ż

e cz

ę

stotliwo

ść

formowanego

napi

ę

cia jest nie wi

ę

ksza ni

ż

1/4 cz

ę

stotliwo

ś

ci sieci zasilaj

ą

cej.

Cyklokonwertor jednofazowy (rys. 15) jest nawrotnym mostkowym prostownikiem tyrystorowym w układzie przeciwrównoległym zasilany z sieci

elektroenergetycznej (najcz

ęś

ciej poprzez transformator). Dzi

ę

ki odpowiedniemu sterowaniu przekształtnika warto

ść ś

rednia napi

ę

cia wyprostowanego z

prostownika mo

ż

e zmienia

ć

si

ę

w sposób sinusoidalny. Sposób generowania przemiennego napi

ę

cia wyj

ś

ciowego powoduje,

ż

e jego cz

ę

stotliwo

ść

jest

ograniczona do około 20 Hz (przy zasilaniu z sieci o cz

ę

stotliwo

ś

ci 50 Hz). Ze wzgl

ę

du na gwałtownie rosn

ą

ce zniekształcenia napi

ę

cia.

Rys. 15 Schemat cyklokonwertora jednofazowego

Cyklokonwertor trójfazowy zbudowany jest z trzech cyklokonwektorów jednofazowych, których obwody wyj

ś

ciowe s

ą

skojarzone w gwiazd

ę

., tworz

ą

c w ten

sposób, dzi

ę

ki odpowiedniemu sterowaniu, trójfazowe

ź

ródło napi

ę

cia o regulowanej cz

ę

stotliwo

ś

ci i warto

ś

ci napi

ę

cia (rys. 16).

Rys. 16 Schemat cyklokonwertora trójfazowego pełnofalowego

Strona 13

Układy energoelektroniczne

2011-09-29 10:39:27

http://bezel.com.pl/index.php/urzdzenia-energoelektroniczne/ukady-energoelektroniczne.html?tmpl=component&print=1&p...

Rys. 16 Schemat cyklokonwertora trójfazowego pełnofalowego

Parametry napi

ę

cia wyj

ś

ciowego cyklokonwertora, a w szczególno

ś

ci ograniczenie cz

ę

stotliwo

ś

ci powoduj

ą

,

ż

e zakres ich zastosowania ogranicza si

ę

w

zasadzie do zasilania wolnobie

ż

nych nap

ę

dów maszyn o regulowanej pr

ę

dko

ś

ci obrotowej do około 80 obr./min. i mocach powy

ż

ej 1 MW, (np. w nap

ę

dach

pieców cementowych)

W nap

ę

dach tych wykorzystuje si

ę

silniki pr

ą

du przemiennego zarówno synchroniczne jak i asynchroniczne.. Nap

ę

dy takie sterowane s

ą

metod

ą

orientacji

wektora pola. Je

ż

eli przekształtniki s

ą

zasilane z tego samego systemu konieczne jest galwaniczne rozdzielenie faz odbiornika elektrycznego. Je

ż

eli

rozdzielenie takie nie jest mo

ż

liwe ka

ż

dy z zestawów przekształtników fazowych musi by

ć

zasilany za pomoc

ą

separuj

ą

cego transformatora.

Zmieniony: Sobota, 29 Styczeń 2011 17:30