Przekształtniki impulsowe, nazywane również przekształtnikami bezpośredniego prądu stałego, służą do przetwarzania prądu stałego na prąd stały o innej, zwykle regulowanej wartości średniej napięcia. W przekształtnikach tych stałe napięcie wyjściowe jest zmieniane w ciąg prostokątnych impulsów napięciowych o stałej amplitudzie. Wartość średnia napięcia wyjściowego może być regulowana przez zmianę czasu trwania impulsów napięciowych przy stałej ich częstotliwości lub przez zmianę częstotliwości impulsów przy jednakowym czasie trwania każdego z impulsów.

rys. Przekształtnik impulsowy.

Ł_T - łącznik tyrystorowy

E - źródło napięcia stałego

Składowa przemienna prądu w obwodzie obciążenia jest ograniczona lub całkowicie eliminowana przez duże indukcyjności, włączone na wyjściu przekształtnika.

Podstawowym elementem przekształtników impulsowych są łączniki tyrystorowe lub tyrystorowe przerywacze okresowe (ang. chopper), Od czasu włączenia tyrystora głównego łącznika i częstotliwości łączeń zależy wartość średnia napięcia wyjściowego. Przekształtniki impulsowe stosuje się do zmiany wartości i stabilizacji napięcia odbiorników oraz do rozruchu i hamowania i regulacji prędkości obrotowej silników prądu stałego w tych przypadkach, gdy źródło energii ma napięcie stałe nieregulowane (np. badania akumulatorów, sieć trakcyjna).

rys. Różne przykłady rozwiązań układów przekształtników impulsowych.

1. układ tyrystorowo-diodowy

2. układ z zastosowaniem tyrystorów przewodzących wstecznie

lp - indukcyjności pasożytnicze

Przekształtniki impulsowe mogą być budowane w sposób najbardziej oszczędny z tyrystorów przewodzących wstecznie.

Układy jednokierunkowe.

W większości jednokierunkowych zasilaczy prądu stałego o jednokierunkowym przepływie energii przekształtnik połączony z linią zasilającą ma strukturę mostka diodowego. W najprostszych rozwiązaniach do zacisków wyjściowych takiego przekształtnika są połączone kondensatory o różnych pojemnościach zapewniającą filtrację napięcia wyprostowanego. Cykliczne doładowanie kondensatorów jest przyczyną znacznego zniekształcenia prądu pobieranego z sieci i jednocześnie małej wartości wyprostowanego współczynnika mocy (0,6-0,8).

Z uwagi na działanie impulsowe przekształtnika prądu stałego DC/DC, niezależnie od przyjętego układu regulacji, przebieg czasowy prądu pobieranego z linii zawiera tętnienia o częstotliwości równej częstotliwości równej częstotliwości przełączeń łącznika wchodzącego w skład przekształtnika DC/DC. W zależności od tego, która wartość tego prądu jest kontrolowana, rozróżnia się układy sterowania reagującą na chwilową wartość szczytową lub średnią prądu linii oraz układy o dwustopniowej kontroli przebiegu czasowego prądu linii (tzw. układy o zmiennej histerezie).

Układy dwukierunkowe.

Na powyższym rysunku przedstawiono trójfazowe przekształtniki sieciowe z obwodem wyjściowym o charakterze napięciowym, umożliwiającym dwukierunkowe przekazywanie energii między trójfazową linią zasilającą napięcia a odbiornikiem. Układy te dzięki zastosowaniu techniki modulacji szerokości impulsów, charakteryzują się zbliżonym do napięcia sinusoidalnego kształtem prądu wejściowego. Obwody główne przekształtników są identyczne z obwodami stosowanymi w falownikach zasilanych ze źródła napięcia stałego, składają się z gałęzi zawierających tranzystory mocy z diodami zwrotnymi, a w przypadku dużych mocy z tyrystorami GTO. Przy możliwej do uzyskania częstotliwości łączeń od 1 do 10 kHz na wyjściu przekształtnika od strony linii zasilającej jest kształtowana fala napięcia impulsowego (PWM), której podstawowa harmoniczna być bezinercyjnie sterowana zarówno co do amplitudy jak i fazy względem napięcia linii zasilającej. Przekształtniki umożliwiają nastawianie wejściowego współczynnika mocy, który w szczególnych przypadkach jest równy 1. Wówczas przepływ energii od linii do odbiornika prądu stałego odbywa się przy
=0 a w kierunku przeciwnym przy
=
. Napięcie wyjściowe tych przekształtników jest zwykle stabilizowane, przy czym musi być zawsze wyższe niż wartość szczytowa napięcia międzyprzewodowego linii zasilającej. Minimalna wartość średnia napięcia która w praktyce może być uzyskana na wyjściu przekształtnika, jest określona przez współczynnik prostowania dla trójfazowego mostka diodowego.

Na poniższym rysunku przedstawiłem układy przekształtników impulsowych, w których obwód obciążenia ma charakter prądowy.

Regulację napięcia wyjściowego i jednokierunkowego prądu wyprostowanego I_d można uzyskać przez zmianę czasów zwarcia przekształtnika, w którym przewodzą jednocześnie jednokierunkowe łączniki należące do tej samej gałęzi mostka. W stanach zwarcia napięcie na wyjściu przekształtnika jest równe zero a prąd wyjściowy płynie przez jedną gałąź mostka.

W układach c) i d) stany zwarcia mogą być uzyskiwane przez załączanie dwóch dodatkowych gałęzi, służącym przede wszystkim do kontroli napięć na kondensatorach filtrujących. Jeden ze sposobów kształtowania sygnałów sterujących łączniki przekształtnika pokazałem ma powyższym rysunku.

Ponadto na rysunku pokazałem uproszczone przebiegi prądu wejściowego przekształtnika i₁ oraz napięcia wyprostowanego, przy sterowaniu zapewniającym zbliżoną do zera wartość mocy biernej przesunięcia fazowego (
=0). Należy zauważyć, że stany zwarcia następują w środkowych, sześciopulsowych (
) każdego półokresu prądu wejściowego przekształtnika.

Praca i hamowanie silników prądu stałego zasilanych z przekształtników.

W układach przekształtnikowych przejście od pracy silnikowej układu napędowego do hamowania uzyskuje się bez strat w wyniku płynnej zmiany napięcia zasilającego twornik silnika. W układach nie wymagających hamowania są stosowane układy przekształtnikowe jednokierunkowe do pracy tylko silnikowej (praca w jednym kwadracie wykresu
). W układach w których nie tylko jest potrzebna praca silnikowa ale i musi wystąpić hamowanie, są stosowane układy przekształtnikowe nawrotne (praca w czterech kwadratach wykresu
).

Układ napędowy pracujący w I kwadracie pracuje w stanie pracy silnikowej z prędkością kontową
zmieniając się w granicach od zera do prędkości znamionowej przy obciążeniu układu napędowego M₀=0....M_N . W III kwadracie pracuje z prędkością kątową od zera do ujemnej prędkości znamionowej. Natomiast w II i IV kwadracie układ napędowy hamuje odzyskowo, tzn. że oddaje energię mechaniczną układu z powrotem do sieci zasilającej. Podczas nawrotu silnika (z prędkości
na -
) napięcie podawane na twornik silnika jest tak sterowane przez przekształtnik, żeby natężenie prądu ograniczenia I_dg (moment ograniczenia M_dg ) nie przekroczył wartości dopuszczalnej do układu napędowego (zwykle I_dg = (1,5 - 2)I_dN). Podczas trwania nawrotu jest utrzymywana stała wartość prędkości kątowej
w kierunku przeciwnym. Prędkość stali się w punkcie B w zależności od momentu odciążenia silnika -M_o. Przebieg nawrotu silnika od prędkości
(punkt A) do prędkości -
(punkt B) został oznaczony na wykresie strzałkami.

W układach małej i średniej mocy stosuje się hamowanie dynamiczne. Jednym ze sposobów tego typu hamowania jest włączenie w obwód tyrystora połączonego w szereg z rezystorem R_h a przekształtnik zasilający silnik wchodzi w stan blokowania. Silnik pracuje jako prądnica pobierając z maszyny roboczej energię.

Aby wyeliminować straty mocy na rezystorze w miejsce rezystora i tyrystora wprowadza się dodatkowy przemiennik impulsowy prądu który wprowadza wymuszony ujemny prąd w odwodzie twornika a on powoduje powstawanie ujemnego momentu ( M = c
(-I_t) ). Wadą tego hamowania jest to że trzeba dohamowywać go mechanicznie przy małej prędkości obrotowej natomiast zaletą to że jest możliwe to hamowanie przy każdego rodzaju silniku prądu stałego. Wykres nie ulega zmianie oprócz tego że już nie ma rezystancji tylko prąd wyprostowany z przekształtnika .

Ł_T

D

R

L

E

+

-

---