PROSTOWNIKI STEROWANE
Prostowniki sterowane (tyrystorowe) są to przekształtniki pozwalające zamieniać napięcie
przemienne na napięcie stałe o regulowanej wartości średniej
Prostownik jednofazowy
Prostownik jednofazowy jest układem energoelektronicznym, którego zasada działania
polega na cyklicznym załączaniu tyrystora, przez co możliwa jest płynna regulacja wartości
średniej napięcia na odbiorniku. Schemat prostownika jednofazowego przedstawiony jest na
rysunku 3.1.
Dioda zwrotna Dz jest elementem opcjonalnym,
Jeżeli jest dołączona, to napięcie na odbiorniku
(napięcie wyjściowe prostownika) nie osiąga
wartości mniejszej od zera. Kształt prądu
odbiornika zależy od parametrów sieci
zasilającej, parametrów odbiornika oraz kąta
załączania tyrystora. Dla odbiornika RL kąt
załączania może się zmieniać od 0  Ą,
natomiast dla odbiornika typu RLE zakres
zmian kąta załączania jest mniejszy i zależy
od napięcia E odbiornika.
Rys. 3.1. Prostownik jednofazowy
Rys. 3.2. Przebiegi napięcia na odbiorniku typu RL i prądu odbiornika zasilanego przez
prostownik jednofazowy bez diody zwrotnej
Åz  kÄ…t zaÅ‚Ä…czania,
Åg  kÄ…t wyÅ‚Ä…czania,
  kÄ…t przewodzenia.
1
Wartość średnia napięcia wyprostowanego (bez diody zwrotnej) wynosi:
1
Ud = Um (cos Åz - cos Åg )
2Ä„
gdzie: Um  amplituda napięcia z
ródła zasilania.
JeÅ›li wÅ‚Ä…czona jest dioda zwrotna, to kÄ…t wyÅ‚Ä…czania Åg równy jest Ä„, wówczas wartość
średnia napięcia wyprostowanego określona jest zależnością:
1
Ud = Um (cos Åz + 1)
2Ä„
Dla odbiornika RLE wartość średnia napięcia wyprostowanego wynosi:
Åg - Åz
ëÅ‚ öÅ‚
1
ìÅ‚ ÷Å‚
Ud = Um (cos Åz - cos Åg ) + E -
ìÅ‚1 ÷Å‚
2Ä„ 2Ä„
íÅ‚ Å‚Å‚
Praca falownicza prostownika jednofazowego
Praca falownicza umożliwia oddawanie energii zgromadzonej w odbiorniku do
sieci prÄ…du przemiennego (np. energia kinetyczna mas wirujÄ…cych sprowadzonych na
wał silnika obcowzbudnego prądu stałego)
Przejście z pracy prostowniczej do falowniczej wymaga:
zmiany kierunku napięcia E odbiornika,
takiego zwiększenia kąta załączania, aby wartość średnia napięcia wyprostowanego
była ujemna
Dioda zwrotna nie może być dołączona, jeśli prostownik ma być wysterowany do pracy
falowniczej.
2
Tyrystory mogą być załączane
do punktu A.
Kąt załączania nie może być
zbyt mały, gdyż tyrystor musi się
wyłączyć przed punktem B.
Rys. 3.3 Przebiegi prądu i napięcia wyprostowanego
podczas pracy falowniczej prostownika jednofazowego
Trójfazowy prostownik gwiazdowy
Zasada działania prostownika gwiazdowego polega na cyklicznym załączaniu
tyrystorów T1, T2 T3 [3, 4]. Schemat trójfazowego prostownika gwiazdowego
przedstawiono na rysunku 3.4.
Dioda zwrotna Dz jest elementem
opcjonalnym
Punkty przecięcia się napięć fazowych są
tzw. punktami komutacji naturalnej.
W tych punktach zaczynają przewodzić
diody prostownika niesterowalnego.
KÄ…t wysterowania Ä… jest katem liczonym
od punktu komutacji naturalnej do chwili
załączenia tyrystora (rys. 3.5).
Rys. 3.4. Trójfazowy prostownik gwiazdowy
Dla prostownika gwiazdowego kÄ…t
zaÅ‚Ä…czenia Åz jest wiÄ™kszy od kÄ…ta
wysterowania o 30o (Ä„/6).
3
Rys. 3.5 Przebiegi czasowe prądu i napięcia
wyprostowanego oraz impulsów bramkowych w prostowniku
gwiazdowym zasilajÄ…cym odbiornik czysto rezystancyjny
(przewodzenie przerywane)
Przy symetrycznym zasilaniu wszystkie tyrystory majÄ… jednakowe warunki pracy. W
ciągu okresu każdy z nich przewodzi prąd przez tak samo długi przedział czasu. Dla
przewodzenia ciągłego przedział ten równy jest 2Ą/3. Aby tyrystor mógł zostać załączony
napięcie na nim musi być dodatnie. Tyrystory załączane są z opóz
nieniem o kÄ…t Ä… (kÄ…t
wysterowania) względem punktu komutacji naturalnej. Impulsy bramkowe tyrystorów
przesunięte są względem siebie odpowiednio o kąt 120o (2Ą/3) i 240o (4Ą/3).
PrÄ…d w linii zasilajÄ…cej jest prÄ…dem jednokierunkowym, co jest istotnÄ… wadÄ…
prostownika gwiazdowego. Z tego względu prostowniki gwiazdowe stosowane są w
układach małej mocy.
Rys. 3.6. Przebiegi prądu i napięcia wyprostowanego oraz
impulsów bramkowych w prostowniku gwiazdowym
zasilajÄ…cym odbiornik czysto rezystancyjny przy
przewodzeniu ciągłym
4
Trójfazowy prostownik gwiazdowy jest tzw. prostownikiem trójpulsowym
(trójtaktowym); liczba pulsów (taktów) q=3.
Wartość średnia napięcia wyprostowanego (bez diody zwrotnej) wynosi:
q
Ud = Um (cos Åz - cos Åg )
2Ä„
gdzie: Um  amplituda napięcia z
ródła zasilania,
q  liczba pulsów (taktów).
Dla przewodzenia ciągłego można zapisać:
 = Åg - Åz
2Ä„
Ponieważ dla przewodzenia ciągłego  = , to wzór na wartość średnią napięcia
q
wyprostowanego można przedstawić w postaci:
q 2Ä„
Ud = Um[cos Åz - cos (Åz + )]
2Ä„ q
Można wykazać, że dla przewodzenia ciągłego prawdziwa jest zależność:
ëÅ‚
1 2Ä„ öÅ‚
Åz = Ä… + ìÅ‚Ä„ - ÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
2 q
íÅ‚ Å‚Å‚
Åz
Uwzględniając zależność między kątem ą a kątem wzór na wartość średnią napięcia
wyprostowanego można po uporządkowaniu przedstawić w postaci:
q Ä„
Ud = Um sin cos Ä…
Ä„ q
gdzie: Um  wartość maksymalna napięcia fazowego,
q  liczba pulsów,
Ä…  kÄ…t wysterowania
Dla odbiornika RLE wartość średnia napięcia wyprostowanego przez trójfazowy prostownik
gwiazdowy określona jest zależnością (podobnie jak w przypadku prostownika
jednofazowego zasilajÄ…cego odbiornik RLE):
Åg - Åz
ëÅ‚ öÅ‚
q
ìÅ‚ ÷Å‚
Ud = Um (cos Åz - cos Åg ) + E - q
ìÅ‚1 ÷Å‚
2Ä„ 2Ä„
íÅ‚ Å‚Å‚
5
Trójfazowy prostownik mostkowy.
Tyrystory prostownika
mostkowego, załączane
sÄ… parami (T1 T4, T1 T6,
T3 T2, T3 T6, T5 T2,
T5 T4).
PrÄ…d odbiornika poza
przedziałami komutacji
płynie przez dwa tyrystory.
PrÄ…d linii zasilajÄ…cej przy
symetrycznym sterowaniu
tyrystorów jest prądem
Rys. 3.7. Trójfazowy prostownik mostkowy
przemiennym (jego wartość
średnia jest równa zero).
Wahania napięcia wyprostowanego
są znacznie mniejsze niż w
prostowniku gwiazdowym.
Zmniejszenie wahań napięcia
na odbiorniku a tym samym
Rys. 3.8. Diagram przewodzenia tyrystorów w
zmniejszenie wahań prądu
trójfazowym prostowniku mostkowym
odbiornika uzyskuje siÄ™ przez
włączenie na wyjściu prostownika
kondensatora lub dławika
indukcyjnego szeregowo
z odbiornikiem.
Trójfazowy prostownik mostkowy
jest tzw. prostownikiem
sześciopulsowym (sześciotaktowym);
liczba pulsów (taktów) q=6.
PrÄ…d w linii zasilajÄ…cej jest
prÄ…dem dwukierunkowym,
którego wartość średnia jest
równa zeru !
Pulsacje napięcia wyprostowanego są
znacznie mniejsze względem pulsacji
napięcia wyprostowanego
Rys. 3.9. Napięcie wyprostowane w trójfazowym
w prostowniku gwiazdowym.
prostowniku mostkowym
6
Wartości średnie napięcia wyprostowanego wyznacza na podstawie takich samych
zależności jak dla trójfazowego prostownika gwiazdowego,
przy czym liczba taktów q = 6 !.
Dla prostownika mostkowego kÄ…t zaÅ‚Ä…czenia Åz jest wiÄ™kszy od kÄ…ta
wysterowania Ä… o 60o (Ä„/3).
Komutacja tyrystorów w prostownikach
Komutacja w prostownikach jest to proces zwiÄ…zany z przejmowaniem prÄ…du przez kolejne
tyrystory. Przyczyną komutacji jest indukcyjność linii zasilającej prostownik. Prądy w
poszczególnych fazach linii zasilającej nie mogą skokowo narastać ani skokowo maleć.
Jeśli przewodził prąd tyrystor T1, to
z chwilą załączenia tyrystora T2, prąd
w fazie pierwszej zacznie maleć, a prąd
w fazie drugiej będzie narastał. Przez
czas komutacji w prostowniku gwiazdowym
przewodzą więc dwa tyrystory.
Dla faz, w których komutują tyrystory
można zapisać równania ( zał. RS=0):
Rys. 3.10. Przewodzenie tyrystorów w
dis1 did
prostowniku gwiazdowym podczas komutacji
us1(t) - Ls = Rid + L + E
dt dt
dis2 did
us2(t) - Ls = Rid + L + E
dt dt
id = is1 + is2
KÄ…t µ jest katem komutacji.
Jeśli założyć, że stała czasowa
odbiornika jest duża, to można przyjąć,
że pochodna prądu odbiornika jest
równa zeru. Wówczas sumując stronami
Rys. 3.11. Napięcie wyprostowane i prądy
dwa powyższe równania napięciowe
fazowe z uwzględnieniem procesu komutacji w
i dzielÄ…c przez dwa uzyskuje siÄ™:
trójfazowym prostowniku gwiazdowym
did 1
Rid + L + E = ud (t) = [us1(t) + us2(t)]
dt 2
7
Oznacza to, że w czasie komutacji napięcie na odbiorniku równe jest połowie sumy napięć faz
komutujÄ…cych.
Komutacja występuje zarówno w zakresie pracy prostowniczej jak i falowniczej
prostownika, ale wyłącznie, jeśli prąd odbiornika jest ciągły.
W prostowniku mostkowym w czasie komutacji przewodzÄ… trzy tyrystory.
Komutacja powoduje obniżenie wartości średniej napięcia wyprostowanego.
 Spadek napięcia powodowany komutacją wynosi:
q
"Udk = Xs Id
2Ä„
gdzie: Xs  reaktancja fazy linii zasilajÄ…cej
Id  prÄ…d odbiornika.
Wypadkowe napięcie wyprostowane z uwzględnieniem komutacji wynosi:
q Ä„ q
Ud = Um sin cos Ä… - Xs Id
Ä„ q 2Ä„
Wartość kąta komutacji określa zależność:
ëÅ‚ öÅ‚
ìÅ‚ XsId ÷Å‚
µ = arccos Ä… - - Ä…
ìÅ‚cos ÷Å‚
Ä„
Um sin
ìÅ‚ ÷Å‚
q
íÅ‚ Å‚Å‚
Oddziaływanie prostowników na sieć zasilającą
Prostowniki powodujÄ…:
" odkształcenie napięcia w sieci zasilającej,
" generację wyższych harmonicznych prądów w sieci zasilającej,
" pogorszenie tzw. współczynnika mocy.
8