Politechnika Białostocka
Katedra Energoelektroniki i Napędu Elektrycznego
BADANIE FALOWNIKÓW SZEREGOWYCH
Białystok 2009
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 1
Zastrzeżenia
Materiały zawarte w instrukcji przeznaczone są wyłącznie do użytku wewnętrznego
w KEiNE PB. Ich rozpowszechniane w jakiejkolwiek postaci na zewnątrz KEiNE PB stanowi
naruszenie praw własności oraz praw autorskich i jako takie jest karalne. Schematy i opra-
cowania zawarte w instrukcji przeznaczone są wyłącznie do celów edukacyjnych w KEiNE
PB. Wszelkie inne ich wykorzystanie wymaga zgody ich twórców. Żadna częśd jak i całośd
materiałów zawartych w instrukcji nie może byd powielana i rozpowszechniania lub dalej
rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób (w tym także elektro-
niczny lub mechaniczny lub inny albo na wszelkich polach eksploatacji) włącznie z kopio-
waniem, szeroko pojętą cyfryzacją lub kopiowaniem, w tym także zamieszczaniem w In-
ternecie bez pisemnej zgody ich twórców.
Ogólne zasady bezpieczeństwa
q� Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją dydaktyczną do stano-
wiska laboratoryjnego.
q� Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu, a o zauważonych
nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego.
q� Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego.
q� Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu dostępnych manipula-
torów (potencjometrów, przełączników), należy dokonywać po przeanalizowaniu skutków
takich działań.
q� Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez zmiany połączeń
przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasi-
lania stanowiska.
q� Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana przyrządu) w układzie
znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone.
q� W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego o napięciu prze-
kraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy zachować od-
powiednie oddalenie od tych części czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem elek-
trycznym.
q� Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż opisane w instrukcji
może spowodować nieprzewidziane zachowanie obiektu sterowanego a nawet uszko-
dzenie stanowiska.
q� Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym stanowiskiem
laboratoryjnym.
q� Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów sterujących może
doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem.
q� W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania (np. swąd spaleni-
zny) natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający.
q� Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe, oprócz opi-
sanych w instrukcji, powinny być wykonywane przez wykwalifikowany personel po wyłą-
czeniu stanowiska.
q� Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w instrukcji
lub na obudowie urządzenia.
q� Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej szmatki. Nie należy
stosować do tych celów rozpuszczalników.
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 2
q� Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory, zasilacze itp.)
należy przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.:
- Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego wyrobu.
- Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są one dołą-
czone do z
ródła napięcia.
- Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny w kablu za-
silającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być podłączony do przewodu
ochronnego sieci.
- Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego. Nie na-
leży podłączać go do punktów o wyższym potencjale.
- Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać palce nad
pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części grotu, gdy son-
da jest podłączona do z
ródła napięcia
Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania pomiarów.
Uwagi szczególne odnośnie pracy przy stanowisku
Stanowisko laboratoryjne zasilane jest z zasilacza o zakresie napięć bezpiecznych.
Nie stwarza więc bezpośredniego zagrożenia zdrowia lub życia osób je obsługujących.
Pomimo to, uruchomienie układu może być dokonane tylko i wyłącznie na wyraz
ne pole-
cenie prowadzącego zajęcia.
Niedopuszczalne jest wykonywanie czynności łączeniowych przy załączonym którymkol-
wiek z elementów stanowiska laboratoryjnego. Mimo, że wszystkie napięcia na łączach
mają wartości niższe od 24V, to w wyniku przełączeń  pod napięciem może nastąpić
uszkodzenie podzespołów stanowiska.
Podczas pomiarów oscyloskopem wielokanałowym należy zwrócić uwagę na
właściwe przyłączenie masy sond oscyloskopowych by nie spowodować zwarcia w
badanych układach.
Niedopuszczalne jest kasowanie, kopiowanie lub wprowadzanie własnych programów
komputerowych nie związanych bezpośrednio z wykonywanym ćwiczeniem, bez zgody
prowadzącego zajęcia. Zakończenie ćwiczenia należy zgłosić prowadzącemu ćwiczenia.
Po sprawdzeniu przez prowadzącego należy dokonać czynności porządkowych na
stanowisku laboratoryjnym, a uszkodzone w trakcie ćwiczenia przewody - naprawić
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 3
1. Podstawowe wiadomości teoretyczne
W falownikach z komutacją szeregową ( rys. 1. ) przemienny prąd i napięcie odbiorni-
ka uzyskuje się przez cykliczne przełączanie tyrystorów T1 i T2.
Rys.1. Schemat ideowy falownika szeregowego z komutacją naturalną.
Włączenie tyrystora T1 powoduje powstanie impulsu prądowego ładującego konden-
sator C. Czas trwania tego impulsu zależy od częstotliwości rezonansowej obwodu. Napięcie
na kondensatorze zmienia się cosinusoidalnie i oscyluje wokół napięcia E/2 (rys.2). Gdyby
rezystancja obciążenia była równa 0, to w chwili wyłączenia tyrystora T1 napięcie na konden-
satorze osiągnęłoby wartość 2E. Tyrystor T2 można załączyć dopiero, gdy prąd w obwodzie
przestanie płynąć. Jego załączenie powoduje przeładowanie kondensatora w obwodzie C, L,
T2 i R0. Napięcie na kondensatorze osiąga w przybliżeniu wartość przeciwną do wartości
napięcia na kondensatorze istniejącej w chwili włączenia T2. Kolejne załączenie tyrystora T1
spowoduje dalszy wzrost napięcia na kondensatorze. W układach praktycznych rezystancja
obciążenia ma zawsze skończoną wartość i napięcie na kondensatorze, a w zasadzie jego war-
R0
tość maksymalna, osiąga poziom zależny od współczynnika tłumienia a� =� , pulsacja
2L
2
1 R0
drgań własnych obwodu rezonansowego wynosi w� =� -� . Jest to maksymalna czę-
LC 4L2
stotliwość napięcia wyjściowego jaką można osiągnąć w tym falowniku. Na rys.2 pokazano
przebiegi napięć i prądów w falowniku szeregowym ilustrujące pracę przy częstotliwości
mniejszej od rezonansowej i bliskiej granicznej ( takiej, która odpowiada okresowi drgań wła-
snych powiększonemu o czas odzyskiwania właściwości zaworowych tyrystorów). Parametry
L i C obwodu komutacyjnego należy dobrać tak, ażeby częstotliwość rezonansowa była bliska
znamionowej napięcia wyjściowego ( równa lub niewiele większa ), gdyż falownik pracuje
optymalnie z częstotliwością bliską rezonansowej ( sinusoidalny prąd wyjściowy ) . Maksy-
malny okres napięcia wyjściowego musi być większy od okresu drgań własnych o czas dys-
ponowany na odzyskiwanie właściwości zaworowych obu tyrystorów roboczych, gdyż załą-
czenie kolejnego tyrystora zanim poprzedni nie odzyska właściwości zaworowych prowadzi
do zwarcia z
ródła.
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 4
1
Rys.2. Przebiegi napięć i prądów w falowniku szeregowym z komutacją naturalną : a) często-
tliwość napięcia wyjściowego falownika mniejsza od rezonansowej, b) częstotliwość
napięcia wyjściowego falownika bliska rezonansowej.
Przedstawiony na rys. 3. falownik szeregowy różni się od poprzedniego włączonymi
w obwód tyrystorów dwoma sprzężonymi dławikami. W przypadku pracy z częstotliwością
mniejszą od rezonansowej przebiegi napięć i prądów w układzie, jak pokazano to na rys.4a, są
analogiczne jak w poprzednim przypadku.
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 5
Rys.3. Schemat ideowy falownika szeregowego z komutacją wymuszoną.
Rys.4. Przebiegi napięć i prądów w falowniku szeregowym z komutacją wymuszoną�: a) czę-
stotliwość napięcia wyjściowego falownika mniejsza od rezonansowej, b) częstotli-
wość napięcia wyjściowego falownika większa od rezonansowej.
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 6
Włączenie dodatkowych dławików między oba tyrystory pozwala na pracę z często-
tliwością zarówno mniejszą jak i większą od rezonansowej. Załóżmy, że załączony jest tyry-
stor T1. Prąd płynie w obwodzie E, T1, L1, R0 i C. Kondensator jest ładowany, a energia do
odbiornika dostarczana jest ze z
ródła. Załączenie kolejnego tyrystora T2 spowoduje przepływ
prądu w obwodzie E, T1, L1, L2 i T2 i zaindukowanie się napięcia na indukcyjności L2, które
będzie przeciwdziałało narastaniu prądu. Takie samo napięcie, dzięki sprzężeniu magnetycz-
nemu zaindukuje się też na L1 ( dławiki są z reguły identyczne ). Katoda tyrystora T1 polary-
zowana jest sumą spadków napięć na indukcyjnościach uL1 + uL2, natomiast jego anoda na-
pięciem z
ródła E (patrz rys.3). Jeżeli suma spadków napięć na indukcyjnościach uL1 + uL2 jest
większa od E to tyrystor T1 zostanie spolaryzowany wstecznie i przestanie płynąć przez niego
prąd. Jeżeli czas polaryzowania tego tyrystora jest dostatecznie długi (napięcie polaryzujące
wstecznie tyrystor jest duże), to zdąży on odzyskać właściwości zaworowe. Zauważmy ( rys.
4b ), że warunkiem koniecznym pracy z komutacją wymuszoną jest to, aby napięcie na kon-
densatorze, w chwili przełączania poszczególnych tyrystorów, miało odpowiednio dużą war-
tość ( podczas wyłączania tyrystora T1, przy zaniedbaniu niewielkiego spadku napięcia na
obciążeniu uO, spadek napięcia na indukcyjności uL1 jest równy napięciu na kondensatorze
uC ). Podsumowując należy stwierdzić, że ten typ falownika może pracować zarówno z czę-
stotliwością mniejszą jak i większą od rezonansowej. Pracę falownika szeregowego z często-
tliwością mniejszą jak i większą od rezonansowej ilustruje rys. 4. Zauważmy, że prąd ze z
ró-
dła pobierany jest tylko w jednym takcie (przy przewodzeniu tyrystora T1). Przy małej do-
broci obwodu komutacyjnego może to skutkować asymetrią prądu odbiornika tej wady nie ma
falownik przedstawiony na rys.5.
Rys. 5. Schemat falownika szeregowego z dwoma kondensatorami komutacyjnymi.
W przypadku, gdy mamy do czynienia z małą dobrocią korzystniejszy jest układ fa-
lownika, w którym energia pobierana jest ze z
ródła zasilającego w obu pulsach napięcia wyj-
ściowego falownika. W czasie, gdy przewodzi tyrystor T1, kondensator C2 ładowany jest
prądem ze z
ródła napięcia stałego E, a kondensator C1 rozładowuje się poprzez obwód obcią-
żenia. Suma prądów obu kondensatorów płynie przez obwód obciążenia. W drugim półokre-
sie role kondensatorów odwracają się: ładowany jest kondensator C1, a rozładowywany C2. .
Pracę takiego falownika szeregowego z częstotliwością większą od rezonansowej ilustruje
rys. 7a. Zauważmy, że w tej konfiguracji falownika mamy zachowaną pełną symetrię pracy.
Przedstawiony układ falownika, przy małych obciążeniach charakteryzuje się dużymi
napięciami na kondensatorach. Można je ograniczyć poprzez dołączenie dodatkowych diod,
jak pokazano to na rys.6. Dioda D1 załącza się wtedy, gdy napięcie uC2 przekroczy napięcie
z
ródła E lub napięcie uC1 jest mniejsze od zera. Analogicznie dioda D2 załącza się przy na-
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 7
pięciu uC2 mniejszym od zera i napięciu uC1 większym od E. Przebiegi napięć i prądów ilu-
strujących pracę tego falownika pokazano na rys.7b.
Rys. 6. Schemat falownika szeregowego z diodami ograniczającymi napięcie na kondensato-
rach komutacyjnych
.
Rys.7. Przebiegi napięć i prądów w zmodyfikowanych wersjach falowników :a) falownik z
dwoma kondensatorami, b) falownik z dodatkowymi diodami ograniczającymi napię-
cie na kondensatorach.
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 8
2. Opis stanowiska laboratoryjnego
Na rys.8. pokazano płytę czołową stanowiska laboratoryjnego. Po lewej stronie u góry
umieszczono główny przycisk załączający oznaczony jako SIEĆ oraz dwa przyciski Z i W do
załączania stycznika zasilającego obwód główny falownika szeregowego. Po naciśnięciu
przycisku SIEĆ załącza się obwód sterowania i zostanie przygotowany do z uruchomienia
obwód główny, który można załączyć i wyłączyć odpowiednio przyciskami Z i W.
Rys.8. Rysunek płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego.
Po lewej stronie u dołu umieszczono dwa potencjometry. Lewy przeznaczony jest to
regulacji napięcia zasilającego falownik szeregowy. Zakres regulacji napięcia wynosi od 0 do
15V. Wbudowany zasilacz posiada wewnętrzne ograniczenie prądowe, dzięki czemu unika
się uszkodzenia tyrystorów w przypadku, gdy w falowniku nastąpi zwarcie w wyniku jedno-
czesnego przewodzenia obu tyrystorów. Prawy służy do regulacji częstotliwości, z jaką załą-
czane są poszczególne tyrystory.
W chwili załączania potencjometry powinny być skręcone w lewe skrajne położenie, w celu
uniknięcia zwarć, gdyż odpowiada to ustawieniu minimalnego napięcia i minimalnej często-
tliwości.
Wystąpienie zwarcia w falowniku ( brak komutacji ) sygnalizowane jest świeceniem
diody umieszczonej u dołu po lewej stronie stanowiska ( dioda może także świecić przy skrę-
conym w lewo potencjometrze do regulacji napięcia i nie jest to stan awaryjny ). W tym przy-
padku należy całkowicie wyłączyć stanowisko i ponownie je uruchomić.
Prawą część płyty czołowej stanowiska zajmują elementy, z których budowane będą
poszczególne falowniki. Najważniejszymi są dwa tyrystory, których bramki sterowane są z
wewnętrznego, przestrajanego generatora. Na zewnątrz wyprowadzone są jedynie anody
i katody tyrystorów i tylko one są w trakcie ćwiczenia łączone. Ponadto do dyspozycji jest
jeszcze para sprzężonych dławików L, dwie baterie kondensatorów C i szereg R. Dodatkowo
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 9
na płycie czołowej umieszczono szereg boczników do oglądania prądów w wybranych ele-
mentach falownika. Wszystkie obserwacje przebiegów napięć i prądów mogą być dokonywa-
ne za pomocą oscyloskopu.
3. Program ćwiczenia
1. Dla podanych przez prowadzącego dwóch znamionowych częstotliwości falownika dobrać
optymalne wartości parametrów obwodu rezonansowego.
2. Zaprojektować i połączyć układ falownika szeregowego z naturalnym wyłączaniem tyry-
storów.
3. Wyznaczyć maksymalną częstotliwość pracy.
4. Zarejestrować przebiegi napięcia na odbiorniku, tyrystorze, kondensatorze i indukcyjności
oraz prądu odbiornika, obu tyrystorów i zasilania falownika dla częstotliwości maksymal-
nej i dwukrotnie mniejszej, porównać otrzymane wyniki z teoretycznymi i zinterpretować
je.
5. Zmodyfikować poprzedni falownik tak, aby możliwa była praca z komutacją wymuszoną.
6. Zarejestrować przebiegi napięcia na odbiorniku, tyrystorze, kondensatorze i indukcyjności
oraz prądu odbiornika, obu tyrystorów i zasilania falownika w przypadku pracy z komuta-
cją naturalną ( częstotliwość mniejsza od rezonansowej ) i wymuszoną ( częstotliwość
większa od rezonansowej ), wyznaczyć czas dysponowany na wyłączanie tyrystorów, po-
równać otrzymane wyniki z teoretycznymi i zinterpretuj je.
7. Powtórzyć wyżej wymienione badania dla falowników szeregowych, których schematy
przedstawiono na rys. 5 i 6
8. Porównać widma prądu wyjściowego badanych falowników w charakterystycznych punk-
tach pracy.
4. Pytania kontrolne
1. Przedstaw metodę wyznaczania częstotliwości rezonansowej i rezystancji krytycznej sze-
regowego obwodu.
2. Wyjaśnij dlaczego rezystancja obciążenia nie może być większa od krytycznej.
3. Narysuj schemat falownika szeregowego, w którym możliwa jest tylko komutacja natural-
na tyrystorów..
4. Omów zasadę działania tego falownika.
5. Wyjaśnij dlaczego ten falownik nie może pracować z częstotliwością większą od rezonan-
sowej.
6. Narysuj schemat falownika szeregowego, który może pracować zarówno z częstotliwością
mniejszą jak i większą od rezonansowej.
7. Omów zasadę działania tego falownika szeregowego.
8. Narysuj schemat falownika szeregowego preferowanego do pracy z odbiornikami o rezy-
stancji zbliżonej do krytycznej.
9. Narysuj schemat falownika szeregowego, w którym energia ze z
ródła jest pobierana w
każdym takcie pracy.
10.Omów wpływ dobroci odbiornika na napięcie na indukcyjności.
11.Przedstaw metodę ograniczania napięcia na kondensatorach obwodu komutacyjnego fa-
lownika.
12.Przedstaw wpływ konfiguracji falownika szeregowego na widmo prądu wyjściowego
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 10
LITERATURA
1. R.Barlik, M.Nowak: Technika tyrystorowa . WNT 1997.
2. T.Citko: Analiza układów energoelektroniki. Skrypt PB Białystok, 1992.
3. H.Tunia, R.Barlik :Teoria przekształtników. Wyd. Politechniki Warszawskiej 1992.
4. H.Tunia, B.Winiarski: Energoelektronika. WNT 1994.
5. H.Tunia, B.Winiarski: Podstawy energoelektroniki. WNT 1987.
Instrukcję opracował dr inż. Antoni Bogdan
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 11