1. Przyrządy półprzewodnikowe mocy (diody mocy, tyrystory sieciowe – SCR, tranzystory CMOS i IGBT):
- charakterystyki
- parametry statyczne i dynamiczne

Przyrządy półprzewodnikowe mocy (ppm) mają pracę dwustanową (stan wyłączenia i włączenia) oraz przeznaczone są do pracy przy dużych napięciach i obciążeniach prądowych. Nazywane często zaworami półprzewodnikowymi, są stosowane w urządzeniach energoelektronicznych do przetwarzania i sterowania mocy elektrycznej. Pracują one w tych urządzeniach jako łączniki dwustanowe, w stanie przewodzenia (włączenia) o dużej admitancji (przewodności) i w stanie nieprzewodzenia (wyłączenia) o dużej rezystancji (oporze elektrycznym). W przyrządach przy pracy dwustanowej występują najmniejsze straty.

Współczesne ppm wykonane są niemal wyłącznie z monokryształów krzemu. Zawierają jedno lub kilka złączy półprzewodnikowych p-n, które wykazują właściwości zaworowe (mają bardzo dużą rezystancję) w jednym kierunku polaryzacji – przy dodatniej warstwie p i ujemnej n. Przy odwrotnej polaryzacji złącza p-n mają dużą admitancję.

Dzielimy na:
• zawory niesterowalne (w których stan przewodzenia lub nieprzewodzenia zależy tylko od kierunku napięcia doprowadzonego do przyrządu) np.: zawory diodowe, diody;
• zawory o sterowalnym włączaniu (sygnały doprowadzone do elektrody sterującej /bramki/ mogą przełączać przyrząd ze stanu blokowania /nieprzewodzenia/ do stanu przewodzenia, tzn. mogą przyrząd włączać). Np.: tyrystory
• zawory w pełni sterowalne (przyrządy tej grupy mogą być włączane, jak i wyłączane przez sygnały doprowadzone do elektrody sterującej /bramki lub bazy/) np.: tranzystory mocy typu BJT i IGBT, tyrystory z wejściem MOS (typu MCT), przyrządy o strukturze MOSFET, tranzystory i tyrystory sterowane polem (typu SIT i SITh).

Zawory mogą być wyłączane przez obniżenie do zera lub zmianę biegunowości występującego na nich napięcia tzw. napięcia anodowego. W przypadku ppm w pełni wyłączalnych są wprowadzone w stan blokowania również za pomocą sygnałów doprowadzonych do elektrody sterującej (bazy, bramki). Zjawiska występujące w procesie wyłączania prądów w gałęziach z zaworami i przejmowanie prądu przez inne gałęzie przekształtnika są nazywane komutacją.

Komutacja zewnętrzna:
- komutacja sieciowa – wyłączanie zaworów przez napięcie sieci
- komutacja obciążeniowa – wyłączanie zaworów w wyniku oddziaływania odbiornika
Komutacja wewnętrzna:
- samokomutacja – obniżenie do zera napięcia na zaworze w wyniku procesu rezonansowego inicjowanego w chwili włączenia zaworu
- komutacja bezpośrednia (międzyfazowa) – wyłączenie przewodzącej gałęzi tyrystorowej w wyniku włączenia zaworu lub zaworów innej gałęzi
- komutacja pośrednia – wyłączenie pojedynczego zaworu (komutacja indywidualna) lub grupy zaworów (komutacja centralna) przez oddziaływanie obwodu pomocniczego (komutacyjnego), natomiast w przypadku ppm w pełni sterowalnych – przez sygnały w obwodzie elektrody sterującej.

Dioda mocy

Podstawowym elementem jest płytka krzemowa zawierająca złącze p-n. Obwód zewnętrzny jest przyłączony do dwóch elektrod określanych jako anoda i katoda. Anoda jest przyłączona do warstwy typu p, a katoda – do warstwy typu n złącza.

W półprzewodnikowych diodach mocy pomiędzy obszarami typu p i typu n jest umieszczona dodatkowa warstwa typu i (typu p albo n) słabo domieszkowana tworząc strukturę p-i-n.



Podstawowe parametry:
I_FAV = 1180 A (powtarzalny prąd szczytowy przewodzenia)
I_FSM = 4,5 kA (prąd przewodzenia)
U_F = 1,4 V (napięcie przewodzenia)
U_RSM = U_RRM = 2,2 kV

Zastosowanie:
- niesterowane przetwarzanie mocy prądu przemiennego na prąd stały
- diody zwrotne w falownikach napięcia
- diody przeciwnasyceniowe w przekształtnikach tranzystorowych
- elementy prostownicze i detekcyjne

Tyrystory sieciowe – SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Tyrystor SCR jest to konwencjonalny tyrystor blokujący wstecz. Jest przyrządem półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej typu p-n-p-n. Dopóki do elektrody sterującej nie zostanie doprowadzony impuls prądowy, to tyrystor w warunkach normalnych ma właściwości zaporowe. Impedancja tyrystora w trakcie blokowania osiąga 10⁹ Ω, a prąd blokowania jest rzędu mikroamperów lub miliamperów.




Parametry:
- prąd statyczny podtrzymania – 100÷300mA
- krytyczna stromość narastania prądu przewodzenia – 50÷200 $\frac{A}{\text{μs}}$ (w specjalnych konstrukcjach osiąga 1000 $\frac{A}{\text{μs}}$)
- napięcie wsteczne – do 5kV (w laboratoriach do 10kV)
- dopuszczalna stromość narastania napięcia anodowego – 1000 $\frac{V}{\text{μs}}$ (w specjalnych konstrukcjach osiąga 2000 $\frac{V}{\text{μs}}$)
- czas wyłączania – 10÷20 μs (do 1400V), 30÷50 μs (>1400V)

Tranzystor polowy CMOS


S – źródło (odpowiednik emitera)
D – dren (odpowiednik kolektora)
G – bramka

Tranzystor IGBT

G – bramka
E – emiter
C – kolektor

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Powstał przez połączenie w obszarze monolitycznego materiału półprzewodnikowego tranzystora bipolarnego z tranzystorem polowym typu MOS. Dzięki czemu może pracować w układach o mocy nawet kilkuset kilowatów i pracujących z częstotliwością przełączania siegającą 20 kHz. Prądy znamionowe mogą mieć wartość do 1kA, a maksymalne dopuszczalne wartości blokowanego napięcia przekraczają 2 kV. Zaletami IGBT jest łatwość sterowania go przez zmianę potencjału izolowanej bramki. Wadą IGBT jest spadek napięcia występujący na nich w stanie przewodzenia.

U_GE – napięcie bramka-emite
U_CE – napięcie kolektor-emiter

2. Ochrona (zabezpieczenia) napięciowa i prądowa przyrządów.

Tyrystory są bardzo wrażliwe na przepięcia. Nawet krótkotrwałe przepięcie może spowodować uszkodzenie tyrystora. Ograniczenie i tłumienie przepięć wymaga stosowania dodatkowych elementów i układów.

Zabezpieczenia przed przepięciami komutacyjnymi.
Stosuje się człony RC, które przyłącza się równolegle do tyrystorów. Człony RC dobiera się w zależności od ładunku przejściowego przy wyłączaniu lub czasu życia nośników mniejszościowych.

Prąd wsteczny zaworu narasta liniowo az do osiągnięcia wartości sczytowej I_rm, a następnie maleje skokowo do zera.
W czasie trwania stanu przejściowego napięcie komutacyjne U_K jest stałe.

i_R – prąd wsteczny
t_R – czas jaki upływa od chwili, gdy prąd anodowy uzyskuje wartość równą zeru przy przejściu od wartości dodatniej do ujemnej

Zabezpieczenia przed przepięciami łączeniowymi.
Przepięcia powstaja w wyniku szybkich zmian prądu w obwodach elektrycznych z indukcyjnością.
W praktyce najczęściej przyczyną jest wyłączenie prądów indukcyjnych.
Do ochrony zaworów stosuje się elementy nieliniowe, ograniczające przepięcia, lub człony RC, działające tłumiąco na przepięcia. Do elementów nieliniowych należą: odgromniki i ograniczniki napięcia.
Zadanim członów tłumiących (RC) jest przejmowanie energii magnetycznej, która następnie jest rozpraszana w elementach rezystancyjnych.
Człon RC wraz z indukcyjnością wyłączanego transformatora L_μ tworzy obwód tłumiący rezonansu szeregowego.

Zabezpieczenie stromościowe tyrystorów.




3. Układy sterowania bramkowego tyrystorów (sterowniki tyrystorów).

Sygnały bramkowe tyrystorów SCR i ich odmian sa prądowymi impulsami pojedynczymi lub powtarzającymi się okresowo. Podstawowe parametry tych impulsów to:
- I_G - wartość szczytowa sugnału (impulsów prądowych) – określana przez najmniejszą wartość I_Gmin
- t_gr – czas narastania sygnału od 0,1 do 0,9 I_Gmin
- t_gs – czas opadania sygnału od 0,9 do 0,1 I_Gmin

Czas trwania impulsów w przekształtnikach sieciowych zwykle wynosi t_gi = 15÷40 μs. Czasem do zapewnienia poprawnej pracy układu zostaje on zwiększony do 100÷500 μs lub nawet kilku milisekund.

Sygnały sterujące (bramkowe) są wytwarzane w układach nazywanych sterownikami i są doprowadzone do bramek tyrystorów. Sterowniki tyrystorów sa wykonywane w technice analogowej lub cyfrowej. Bywają budowane jkao zespoły złożone z elementów dyskretnych (pojedunczych tranzystorów i elementów biernych) albo jako specjalizowane elementy scalone.


4. Prostowniki i falowniki sieciowe:

- prostowniki niesterowane (diodowe), praca na obciążenie o charakterze R, RL, RLE,

- prostowniki sterowane fazowo, przebiegi czasowe napięć prądów wejściowych i wyjściowych,

- prostowniki półsterowne (z diodami zerowymi),

- zjawisko komutacji i jego wpływ na charakterystyki prostownika,

- charakterystyki wyjściowe, (napięciowo – prądowe),

- praca falownikowa prostowników sterowanych

- zastosowanie prostowników

Prostowniki niesterowane (diodowe).
Prostownik diodowy jest przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie stałe nieregulowane, stosowanym do zasilania odbiornika rezystancyjnego R, rezystancyjno-indukcyjnego RL lub odbiornika z napięciem źródłowym E wstecznie skierowanym do kierunku przewodzenia prądu stałego.

Prostowniki niesterowane (diodowe), praca na obciążenie o charakterze R.

Układ składa się z transformatora jednofazowego, diody oraz opornika. Prąd pierwotny i_p jest przemienny, odkształcony. Składa się z prądu stanu jałowego transformatora i₀ i składowej obciążenia i_s, która jest przesunięta o wartość średniej prądu wyprostowanego I_d.

i_p = i₀ + i_s - I_d

Prostowniki niesterowane (diodowe), praca na obciążenie o charakterze RL.

Teraz zostanie rozpatrzony szczególny przypadek pracy prostownika jednopulsowego niesterowanego, gdy obciążenie jest prawie idealnie indukcyjne. W takim przypadku pracy układu stosuje się dodatkową diodę, zwaną diodą zerową, która łączy się równolegle z odbiornikiem, lecz przeciwnie do kierunku przewodzenia diody podstawowej. Rola diody zerowej (zwrotnej) polega na tym, że zapobiega ona zwrotowi energii zmagazynowanej w dławiku do sieci zasilającej, dzięki czemu uzyskuje się ciągły przepływ prądu w odbiorniku.

Prostowniki niesterowane (diodowe), praca na obciążenie o charakterze RLE.

Prostowniki sterowane fazowo, przebiegi czasowe napięć prądów wejściowych i wyjściowych.
Prostownik sterowany jest tyrystorowym przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie stałe, umożliwiającym regulację napięcia stałego od zerowej wartości średniej do wartości maksymalnej otrzymywanej w prostowniku diodowym U_d0. Regulacja napięcia stałego jest realizowana przez sterowanie fazowe tyrystorów, które polega na tym, że dokonuje się włączenia tyrystorów z opóźnieniem kątowym liczonym od punktu komutacji naturalnej.

Prostowniki półsterowne (z diodami zerowymi).
Diodą zerową nazywa się diodę włączoną w kierunku zaworowym, równolegle do zacisków wyjściowych przekształtnika. Układy z diodą zerową stosuje się wtedy, kiedy prostownik zasila odbiornik indukcyjny i nie wymaga pracy falownikowej.
Korzyści:
- zmniejszenie pulsacji napięcia wyprostowanego
- zmniejszenie poboru mocy biernej z sieci
- brak przepięć przy wyłączaniu odbiornika po stronie prądu stałego

Przebieg napięcia i prądu w prostowniku trójpulsowym z diodą zerową.

Dioda zerowa D₀ rozpoczyna więc przewodzenie prądu odbiornika, gdy tylko napięcie fazy przewodzącej prąd staje się ujemne. Obecność diody zerowej powoduje, że rozładowanie indukcyjności odbiornika jest swobodne, a nie wymuszone, więc nie jest przyspieszane.







Zjawisko komutacji i jego wpływ na charakterystyki prostownika.
Jest to zjawisko przejmowania przewodzenia prądu odbiornika od jednego zaworu przez drugi zawór. W procesie komutacji mogą uczestniczyć zawory dwóch lub większej liczby kolejnych faz. W przypadku, gdy komutacja obejmuje zawory dwóch faz, wówczas nazywa się ją komutacją prostą lub pojedynczą. Natomiast jeśli w procesie komutacji uczestniczą jednocześnie zawory trzech lub większej liczby faz, to komutację nazywamy komutacją złożoną lub wielokrotną. Komutacja złożona występuje w praktyce wtedy, kiedy prąd obciążenia przekracza znacznie prąd znamionowy. Proces komutacji nie przebiega skokowo, ponieważ skokowym zmianom prądu anodowego przeciwdziała indukcyjność obwodu, którą głównie stanowi indukcyjność rozproszenia uzwojeń transformatora zasilającego przekształtnik.

Komutacja może być zewnętrzna lub wewnętrzna (wymuszona, autonomiczna). W przypadku komutacji zewnętrznej przewodzący łącznik, zwany ustępującym, zostaje wyłączony w wyniku załączania kolejnego łącznika, nazywanego wstępującym. Obwód łącznika wstępującego zwiera źródło napięcia o wartości chwilowej większej niż źródło napięcia w obwodzie łącznika ustępującego. Jeśli komutacja jest wewnętrzna, to łączniki mogą być wyłączane w dowolnej chwili. W przekształtnikach zrealizowanych za pomocą tyrystorów konwencjonalnych komutację wewnętrzną uzyskuje się dzięki dodatkowym obwodom komutacyjnym. Komutacja zewnętrzna często nazywana jest komutacją naturalną, a wewnętrzna – komutacją wymuszoną. Komutacja zewnętrzna może odbywać się pod wpływem napięcia linii zasilającej (komutacja sieciowa) lub napięcia odbiornika (komutacja odbiornikiem, komutacja obciążeniowa).
Istotny wpływ na jakość energii wejściowej i wyjściowej przekształtników, charakteryzowaną kształtem przebiegów czasowych napięć i prądów ma sposób sterowania łączników. W układach o komutacji sieciowej zwykle jest stosowane sterowanie fazowe. Sterowanie impulsowe (PWM – modulacja szerokości impulsów) jest stosowane w przekształtnikach o komutacji wewnętrznej.

Charakterystyki wyjściowe, (napięciowo – prądowe).
Zależność napięcia wyprostowanego od prądu obciążenia, przy uwzględnieniu indukcyjności wejściowych (indukcyjności źródła zasilania) wyznacza przebieg charakterystyki napięciowo-prądowej , począwszy od pracy jałowej do stanu zwarcia układu.



Praca falownikowa prostowników sterowanych.
Pracą falownikowa nazywa się pracę inwersyjną (odwróconą) prostownika tyrystorowego, w której energia z obwodu prądu stałego jest przekazywana do źródła napięcia przemiennego. Często nazywany jest falownikiem o komutacji zewnętrznej.

W pracy falownikowej przekształtnik zasilny z sieci prądu przemiennego jest źródłem napięcia U_d skierowanego przeciwnie do kierunku prądu I_d. Praca falownikowa jest przejściowa, do chwili gdy energia elektromagnetyczna obwodu indukcyjnego zostanie oddana do sieci prądu przemiennego.

5. Sterowniki i łączniki prądu przemiennego:
- sterowniki jednofazowe,
- sterowniki trójfazowe,
- zastosowania sterowników i łączników prądu przemiennego

Są to przekształtniki prądu przemiennego na prąd przemienny.

Sterowniki jednofazowe

Odwrotnie równoległy układ połączeń dwóch zaworów sterowanych T1 i T2 można uży ć do bezstopniowej regulacji prądu przemiennego.

Gdy kąt włączania zaworów sterownika maleje do pewnej wartości krytycznej ϑ_z =  ϑ_kr, wówczas długość impulsu prądu każdego zaworu osiąga wartość λ = π, co oznacza, że jednocześnie jeden z zaworów przechodzi w stan blokowania, a drugi – w stan przewodzenia. Zakres zmienności kąta włącania zaworów sterownika:
ϑ_kr ≤ ϑ_z  ≤  π - więc gdy długość impulsu prądu płynącego przez zawór osiąga wartość λ = π, wówczas prąd odbiornika jest ciągły i sinusoidalnie zmienny. Natomiast gdy jest większy od krytycznego, wówczas prąd odbiornika jest nieciągły i odkształcony.

ϑ_kr =  φ – zakładając, że zawory są idealne to kąt krytyczny jest równy kątowi fazowemu obwodu.

prąd w wartościach względnych:
i = cosϕsinωt



















Sterowniki trójfazowe
Układ trójfazowy, połączony w gwiazdę, z wyprowadzonym przewodem zerowym.


W zależności od kąta włączania zaworów występuje praca jednofazowa lub wielofazowa. I tak np. przy obciążeniu czysto rezystancyjnym otrzymuje się:
- stan 1-0-fazowy, rozumiany jako na przemian po sobie występujące okresy pracy zaworów w jednej fazie i okresy bezprądowe, gdy kąt włączania spełnia warunek $\frac{2\pi}{3} < \ \vartheta_{z} < \ \pi$
- stan 2-1-fazowy, rozumiany jako na przemian po sobie występujące okresy pracy zaworów dwóch faz i jednej fazy gdy $\frac{\pi}{3}$ < ϑ_z< $\frac{2\pi}{3}$
- stan 2-3-fazowy, rozumiany jako na przemian po sobie występujące okresy pracy zaworów trzech faz i dwóch faz

Gdy ϑ_z=0 to występuje przewodzenie zaworów trzech faz i przebiegi prądowe są sinusoidalnie zmienne.

Zastosowania sterowników i łączników prądu przemiennego.
Ze względu na niedoskonałości elementów półprzewodnikowych takie jak brak odporności na zwarcia czy upływność, łączniki tyrystorowe nie mogą pełnić funkcji wyłączników zwarciowych czy odłączników do rozłączania obwodu w stanie bezprądowym tak, aby przerwa w obwodzie była widoczna.

Sterowniki prądu przemiennego są układami do bezstopniowej regulacji wartości skutecznej napięcia i prądu przemiennego (a więc również do sterowania wartości mocy czynnej, dostarczanej w sposób ciągły z sieci do obciążenia). Tak więc sterowniki te są funkcjonalnie odpowiednikami prostowników sterowanych w odniesieniu do prądu przemiennego.
Istnieje bardzo wiele różnorodnych układów tyrystorowych łączników i sterowników prądu przemiennego. Niżej omówiono jedynie zagadnienia najważniejsze, dotyczące zasady działania układów. Dokładniejszą analizę i wiele przykładów zastosowań można znaleźć w łatwo dostępnej literaturze.

6. Przekształtniki impulsowe prądu stałego:
- przekształtniki obniżające napięcie,
- przekształtniki podwyższające napięcie,
- przekształtniki dwu i czterokwadrantowe,
- zastosowanie tyrystorów SCR do budowy sterowników i łączników prądu stałego (sterowniki z komutacją impulsową)
- zastosowanie przekształtników impulsowych

Przekształtniki obniżające napięcie.
Jest to przekształtnik napięcia stałego na napięcie stałe, zasilany ze źródła napięciowego.

U₁ – źródło napięciowe
I₂ – idealne źródło prądowe (obwód indukcyjny – obciążenie)
S₁ – łącznik (np. tranzystor) przewodzi prąd ze źródła zasilania do odbiornika
S₂ – łącznik diodowy – przewodzi prąd odbiornika gdy S₁ jest otwarty (S₂ zwiera odbiornik indukcyjny)

Moc czynna wejściowa (pobierana) i wyjściowa:
P₁ = U₁I_d1 = $\frac{1}{A}$ U₁I₂ (U_d2=$\frac{1}{A}$U₁ I_d1=$\frac{1}{A}$I₂ przy czym A  ≥ 1)
P₂ = U_d2I₂ = $\frac{1}{A}$ U₁I₂


Wynika, że moc czynna wejściowa i wyjściowa są sobie równe. Napięcie Ud2 może być regulowane przez zmianę A. Ponieważ A ≥ 1, więc Ud2 ≤ U1, co oznacza, że wymagane napięcie wyjściowe jest zawsze niższe od napięcia źródła zasilania. Dlatego omawiany układ jest przekształtnikiem obniżającym napięcie.

Przekształtniki podwyższające napięcie.
Jest to przekształtnik napięcia stałego na napięcie stałe, zasilany ze źródła prądowego.


U_d1 = ($1 - \frac{1}{A})U_{2}$ - napięcie wejściowe
I_d2 = ($1 - \frac{1}{A})$I₁ - prąd wyjściowy

Możemy wyznaczyć:
U₂ = $\frac{A}{A - 1}U_{d1}$

Ponieważ 1 ≤ A ≤ ∞, więc U2 ≥ Ud1. Dlatego omawiany układ jest przekształtnikiem podwyższającym napięcie.






Przekształtniki dwukwadrantowe.
W tych przekształtnikach zalezność napięcia wyjściowego od prądu wyjściowego przebiega w dwóch ćwiartkach. Mogą być zasilane ze źródła napięciowego i prądowego.

Na rysunku 17a pokazano przykład przekształtnika napięcia stałego na napięcie stałe, zasilanego ze źródła napięciowego, w którym twornik wzbudzonej i wirującej obcowzbudnej maszyny prądu stałego jest połączony z dławikiem L.

Sposób sterowania: przy pracy silnikowej maszyny tranzystory T₁ i T_1a są sterowane równocześnie. Gdy są włączone maszyna jest zasilana ze źródła U₁. Po ich wyłączeniu prąd I₂ płynie, pod wpływem siły elektromotorycznej samoindukcji dławika L, do źródła zasilania w obwodzie zamkniętym przez diody D₁ i D_1a. Napięcie u₂ zmienia znak i jest równe U₁. Tak więc w kazdym cyklu pracy występują na przemian przedziały dodatniej i ujemnej wartości napięcia u₂.

Praca w zakresie czwartej ćwiartki to praca generatorowa maszyny i jest możliwa po zmianie znaku napięcia indukowanego w uzwojeniu twornika.

Przekształtniki czterokwadrantowe.

Praca silnikowa i generatorowa obcowzbudnej maszyny prądu stałego przy obu kierunkach wirowania twornika jest odwzoowana w czterech ćwiartkach płaszczyzny U-I.

Zastosowanie tyrystorów SCR do budowy sterowników i łączników prądu stałego (sterowniki z komutacją impulsową).


Zastosowanie przekształtników impulsowych.
- zasilacze impulsowe prądu stałego
- napędy z silnikami prądu stałego

Cel: regulować napięcie wyjściowe

7. Autonomiczne (niezależne) falowniki napięcia:
- falowniki jednofazowe,
- falowniki trójfazowe,
- sposoby regulacji napięcia wyjściowego falowników,
- sterowanie impulsowe (modulacja) napięcia wyjściowego falowników,
- zastosowanie falowników napięcia

Falownikiem potocznie nazywamy mikroprocesorowy przemiennik częstotliwości. Falownik jest urządzeniem energoelektronicznym, służącym do regulacji prędkości obrotowej trójfazowego silnika elektrycznego przez zmianę częstotliwości i napięcia prądu zasilającego silnik.

Za pomocą przemienników częstotliwości możliwa jest, w szerokim zakresie, płynna regulacja prędkości obrotowej napędu (przekładni połączonej z silnikiem). Przy użyciu falownika możliwe jest wystartowanie napędu rozpędzając go nawet do dwukrotnej nominalnej prędkości obrotowej. Funkcje łagodnego rozruchu (soft start) i łagodnego zatrzymania (soft stop) falownika umożliwiają:
- ograniczenie prądu rozruchowego silnika
- zmniejszenie obciążeń dynamicznych w napędzie
- nastawienie czasu hamowania

Falowniki jednofazowe.
Falowniki napięciowe wytwarzają napięcie o kształcie fali prostokątnej, natomiast kształt prądu zależy od impedancji obciążenia.
To przemienniki częstotliwości, które umożliwiają płynną i skuteczną regulację prędkości obrotowej napędu. Falowniki pozwalają na wystartowanie napędu, dzięki rozpędzeniu go do dwukrotnej nominalnej prędkości obrotowej. Dużym atutem jest fakt, że urządzenia te posiadają szereg programowalnych funkcji dodatkowych, które mogą być zastosowane zarówno na wyjściu, jak i na wejściu.

a – układ półmostkowy, b- układ mostkowy

Falowniki trójfazowe.

W tyrystorowych falownikach trójfazowych wyłączenie tyrystorów głównych może odbywać się za pomocą obwodów komutacyjnych oddzielnych dla każdego tyrystora lub też przy wykorzystaniu obwodu komutacyjnego wspólnego dla grupy tyrystorów lub całego falownika.

Można podzieliź na 3 grupy zależnie od sposobu połączenia obwodów komutacyjnych:
- falowniki o komutacji indywidualnej
- falowniki o komutacji międzyfazowej
- falowniki o komutacji centralnej

W falownikach o komutacji indywidualnej wyłączenie każdego z tyrystorów głównych jest inicjowane przez oddzielny tyrystor pomocniczy, włączający obwód komutacyjny.

Falowniki o komutacji międzyfazowej nie mają oddzielnych tyrystorów komutacyjnych – proces komutacji rozpoczyna się w nich w chwii włączenia każdego kolejnego tyrystora głównego. Dławiki włączone w obwód kondensatora komutacyjnego umożliwiają zmniejszenie energii komutacji. Diody blokujące zapobiegają się rozładowywaniu kondensatorów przez obwód obciążenia.

Falowniki o komutacji centralnej mają wydzielony obwód komutacyjny, współny dla grupy tyrystorów lub też całego falownika, i przy wyłączeniu tyrystorów okrelonej grupy obwód ten jest włączany przez te same tyrystory komutacyjne.

Sposoby regulacji napięcia wyjściowego falowników.
- modulacja szerokości impulsów sterujących (PWM)
- załączanie połokresowe – π
- regulacja szerokościowo impulsowa
- eliminacja harmonicznych niskiego rzędu



Sterowanie impulsowe (modulacja) napięcia wyjściowego falowników.
W tej metodzie (PWM) modulacje szerokości impulsów sterujących uzyskuje się przez porównywanie fali nośnej piłokształtnej z sygnałem sterującym (funkcją modulującą) o wybranycm przebiegu. W zależności od przebiegu w czasie funkcji modulującej możliwe jest wypełnienie fali napięcia wyjściowego impulsami unipolarnymi lub bipolarnymi (pozwalają na uzyskanie małej wartości średnich napięć w okresie fali nośnej przy stosunkowo dużych czasach przewodzenia łączników falownika). Cżestotliwość napięcia wyjściowego jest taka sama jak częstotliwość funckji modulującej f_M. Częstotliwośc fali nośnej jest wielokrotnie większa. Stosunek częstotliwości fali nośnej f_t do częstotliwości funkcji modulującej jest nazywany współczynnikiem modulacji częstotliwości m_f = $\frac{f_{t}}{f_{M}}$. Aby uniknąć wytwarzania dodatkowych harmonicznych napięc wyjściowych, celowe jest aby częstotliwość fali nośnej była parzystą wieloktotnością funkcji modulującej (m_f = 2k, k - liczba całkowita /dla falowników trójfazowych m_f = 6k/).

Zastosowanie falowników napięcia.
- układ napędowy z maszyną indukcyjną

8. Współpraca falownika napięcia z siecią prądu przemiennego:
- kompensatory statyczne
- aktywne filtry poprzeczne

Współpraca falownika napięcia z siecią prądu przemiennego.

U_1max = $\frac{2}{\pi}U_{d} \approx 0,637U_{d}$
U_h = $\frac{\sqrt{2}}{\text{hπ}}U_{d}$ h=1±6n


Kompensator równoległy.

P = $\frac{U_{A}U_{1AN}}{X_{A}}sin\delta = 0$ (moc czynna)
sinδ = 0
Q = ($U_{A}^{2} - \ U_{1AN}U_{A})\frac{1}{X_{A}}$

Aktywne filtry poprzeczne(równoległe).









9. Falowniki rezonansowe:
- szeregowe rezonansowe falowniki napięcia bez diod zwrotnych,
- szeregowe rezonansowe falowniki napięcia z diodami zwrotnymi,
- zastosowanie układów rezonansowych do przekształtników impulsowych z załączaniem przy zerowym prądzie ZCS, i zerowym napięciu – ZVS

10. Autonomiczne falowniki prądu:
- falowniki jednofazowe,
- falowniki trójfazowe,
- zastosowanie falowników prądu, silnik przekształtnikowy

11. Bezpośrednie przekształtniki częstotliwości i przekształtniki matrycowe

12. Oddziaływanie przekształtników na sieć zasilającą i odbiorniki,
- zastosowanie filtrów wejściowych i wyjściowych.