Falowniki
Falowniki prądowe.
Falowniki zasilane ze źródła prądu stałego, zwane falownikami prądu, przekształcają prąd stały na przemienny o kształcie zbliżonym do przebiegu prostokątnego. Kształt i wartość napięcia na zaciskach wyjściowych falownika prądu zależy od wielkości i rodzaju obciążenia. W praktyce energia elektryczna otrzymywana jest najczęściej ze źródeł o charakterze napięciowym. Dla uzyskania źródła prądu stałego należałoby szeregowo do źródła napięcia E włączyć rezystancję o rząd wielkości lub nawet dwa większą od rezystancji wejściowej falownika, istniejącej między zaciskami A i B (rys. 1). W takim przypadku procesy zachodzące w falowniku nie wpływałyby na prąd wejściowy, który byłby prądem stałym bez żadnych pulsacji. Sprawność takiego układu byłaby jednak bardzo mała.
W rzeczywistych układach przemienników źródłami napięcia stałego są przeważnie przekształtniki sieciowe, które poprzez dławik o dużej indukcyjności zasilają falowniki prądu. Na wyjściu przekształtnika sieciowego pracującego w zamkniętym układzie regulacji automatycznej prądu wraz z dławikiem Ld (zastępującym opornik o dużej rezystancji) otrzymuje się prąd wyprostowany Id (rys. 1). Dławik Ld, zwany dławikiem wygładzającym odgrywa rolę filtru wyższych harmonicznych prądu wejściowego falownika, stanowi źródło energii biernej podczas procesów komutacyjnych oraz odsprzęga napięciowo źródło napięcia E od falownika prądu. Indukcyjność tego dławika powinna być tak dobrana, aby pulsacje prądu Id były jak najmniejsze. Wartość średnia prądu Id i jednocześnie amplituda prądu odbiornika są regulowane przez zmianę wartości zadanej Id*. Częstotliwość prądu wyjściowego falownika zależy od częstotliwości f* impulsów bramkowych doprowadzanych do tyrystorów falownika. Oddawanie energii z odbiornika do źródła zasilania odbywa się przez zmianę zwrotu napięcia wejściowego falownika przy nie zmienionym kierunku przepływu prądu Id. W przypadku, gdy źródłem zasilania jest autonomiczne źródło prądu stałego (np. akumulator) zachodzi potrzeba przełączenia biegunów źródła podczas przepływu energii w kierunku od odbiornika do źródła.
W praktyce są stosowane falowniki prądu o komutacji zewnętrznej oraz o komutacji wewnętrznej. W pierwszej grupie falowników wyłączanie przewodzących tyrystorów odbywa się pod wpływem wstecznego napięcia skompensowanego odbiornika. W falownikach o komutacji wewnętrznej źródłem napięcia wstecznego są kondensatory komutacyjne, których napięcie różni się od napięcia odbiornika.
Falowniki o komutacji zewnętrznej.
W falownikach prądu o komutacji zewnętrznej krzywa prądu wyjściowego musi wyprzedzać krzywą napięcia o czas większy lub co najmniej równy czasowi wyłączania zastosowanych tyrystorów. Obwód wyjściowy falownika musi mieć, zatem charakter rezystancyjno-pojemnościowy.
Falowniki równoległe jednofazowe.
Najczęściej stosowane równoległe falowniki jednofazowe przedstawiono na rys. 2.
W ogólnym przypadku odbiornik Z falowników równoległych może mieć charakter rezystancyjno-indukcyjny, jednakże przy uwzględnieniu pojemności komutacyjnych obwody wyjściowe falowników mają charakter rezystancyjno-pojemnościowy. Proces wyłączania tyrystorów w tych falownikach odbywa się dzięki kondensatorowi włączonemu równolegle do odbiornika Z (stąd nazwa falownika). Kondensator ten zapewnia podczas załączania następnego tyrystora (lub w układzie jak na rys. 2b następnej pary tyrystorów) wyłączanie przewodzącego dotychczas tyrystora (tyrystorów), podtrzymuje na wyłączanym tyrystorze (tyrystorach) napięcie wsteczne przez czas niezbędny do jego wyłączenia i wreszcie kompensuje moc bierną odbiornika rezystancyjno-indukcyjnego, zapewniając jednocześnie filtrację napięcia wyjściowego.
Obciążenie rezystancyjne.
Analizę pracy falowników równoległych zasilających odbiorniki rezystancyjne dogodnie jest wykonać na przykładzie układu jak na rys. 2b przy założeniu, że Z = R. Niech do chwili t1 (rys. 3) przewodzą tyrystory T2 i T4. Na kondensatorze i odbiorniku panuje napięcie o polaryzacji zaznaczonej na rys. 2b. W chwili t1 są załączone tyrystory T2 i T3. Pod wpływem wstecznego napięcia obwodu wyjściowego tyrystory T1 i T4 praktycznie natychmiast wyłączają się (rys. 3b), a prąd Id przepływa przez tyrystory T2 i T3. Prąd i1 zmienia kierunek przepływu w obwodzie wyjściowym i rozdziela się na składową i2 płynącą przez rezystancję obciążenia R i składową i3 płynącą przez kondensator C.
W stanie ustalonym falownika wartość średnia napięcia na dławiku wygładzającym Ld jest praktycznie równa zeru (rezystancja dławika jest pomijalnie mała). Wartość chwilowa napięcia na dławiku Ld w jednym półokresie pracy falownika jest zgodnie z rys. 3c różnicą między napięciem wyjściowym falownika (przy pominięciu spadków napięć na przewodzących tyrystorach) a napięciem zasilającym E.
Podstawową wadą falowników równoległych jest duży wzrost napięcia wyjściowego przy zmniejszaniu prądu obciążenia oraz zależność napięcia wyjściowego od częstotliwości. Regulacja częstotliwości prądu wyjściowego może polegać tylko na zmniejszaniu częstotliwości przyjętej przy projektowaniu. Przy wzroście częstotliwości następuje wzrost wartości maksymalnej napięcia wyjściowego oraz malenie czasu td, co prowadzi do przerwania komutacji tyrystorów falownika i przejścia falownika w stan zwarcia. Stan zwarcia nie stanowi zagrożenia dla elementów falownika, gdyż prąd Id nie zwiększa swojej wartości. W praktycznych układach częstotliwość pracy tych falowników wynosi 500÷1000 Hz. W falownikach dużej mocy, w których prądy Id przekraczają wartość kilkuset amperów, w celu ograniczenia stromości narastania prądu w tyrystorach stosuje się dławik włączony szeregowo z obwodem wyjściowym.
Obciążenie rezystancyjno-indukcyjne.
Równoległe falowniki prądu najczęściej są stosowane do zasilania odbiorników o charakterze rezystancyjno-indukcyjnym (np. piece indukcyjne, wzbudniki nagrzewnic itp.). Procesy zachodzące w falownikach przy tego rodzaju obciążeniu różnią się znacznie od rozpatrzonego poprzednio przypadku obciążenia czysto rezystancyjnego i wymagają oddzielnego omówienia. Spośród układów podanych na rys. 2 najszersze zastosowanie znalazł układ jak na rys. 2b. Schemat ideowy tego układu przy obciążeniu skompensowanym odbiornikiem składającym się z szeregowo połączonego opornika R2 i dławika L2 oraz równoległego kondensatora C przedstawiono na rys. 4.
Skompensowanie odbiornika oznacza w tym przypadku, że obwód wyjściowy w stanie ustalonym falownika znajduje się praktycznie w stanie rezonansu równoległego, którego częstotliwość drgań własnych odpowiada w przybliżeniu częstotliwości pracy falownika. Zaznaczony na schemacie dławik LA służy do ograniczenia stromości narastania prądu przewodzenia tyrystorów.
Na rys. 5 podano przebiegi czasowe napięć i prądów w falowniku. Czas td jest czasem dysponowanym na wyłączanie tyrystorów. Rys. 6 przedstawia obwody zastępcze falownika prądu podczas jednego okresu częstotliwości wyjściowej falownika. Oznaczenia poszczególnych obwodów odpowiadają oznaczeniom przedziałów czasu podanym na rys. 5.
W przedziale I prąd Id przepływa przez tyrystory T1 i T4. Prąd i3 płynący przez kondensator powoduje jego oscylacyjne przeładowanie. Napięcie u3 na odbiorniku ma przebieg zbliżony do sinusoidalnego i w końcu przedziału I przyjmuje polaryzację oznaczoną na rys. 6 - obwód I. Doprowadzenie impulsów bramkowych do drugiej pary tyrystorów musi nastąpić przed chwilą, w której napięcie odbiornika (kondensatora C) osiąga wartość równą zeru.
Przedział II rozpoczyna się w chwili załączenia tyrystorów T2 i T3. Powstaje obwód II przedstawiony na rys. 6. W przedziale tym następuje komutacja prądu Id między dotychczas przewodzącą parą tyrystorów T1 i T4 a zaczynającą przewodzenie parą tyrystorów T2 i T3. W czasie komutacji tk przewodzą wszystkie tyrystory falownika, przy czym w tyrystorach T1 i T4 prąd maleje, a w tyrystorach T2 i T3 wzrasta tak, że suma tych prądów jest równa prądowi Id. Powstałe w przedziale II obwody prądu rozładowania kondensatora zaznaczono liniami przerywanymi na rys. 6. Istnienie tego przedziału pracy uwarunkowane jest zastosowaniem dławika L4 ograniczającego stromość narastania prądów przewodzenia w tyrystorach. Proces komutacji kończy się w chwili, gdy prąd tyrystorów T1 i T4 osiąga wartość równą zeru, a tyrystorów T2 i T3 - równą Id. Czas komutacji tk w falownikach o mocy do 100 kW przy zastosowaniu tyrystorów o dużych krytycznych stromościach prądu przewodzenia (di/dt)crit jest pomijalnie mały w porównaniu z czasem td i wynosi zaledwie kilka mikrosekund. Przy większych mocach czas ten zaczyna odgrywać istotną rolę i musi być mierzony i uwzględniany w procesie sterowania impulsami bramkowymi tyrystorów.
Od chwili, w której prąd wyłączanych tyrystorów osiąga wartość równą zeru, powinno jeszcze przez czas td utrzymywać się na nich napięcie wsteczne. W tym czasie tyrystory odzyskują zdolności zaworowe. W przedziale III prąd Id płynie przez tyrystory T2 i T3. Do rezonansowego obwodu wyjściowego zostaje doprowadzona energia i napięcie na kondensatorze po czasie td w chwili rozpoczęcia III przedziału zmienia swoją polaryzację (ujemna połówka - na rys. 5). Ponowne załączenie tyrystorów T1 i T4 musi nastąpić zanim napięcie u3 wzrośnie do zera.
W przedziale IV następuje proces komutacji identyczny jak w przedziale II z tym, że zostają wyłączone tyrystory T2 i T3, a przewodzenie prądu Id przejmują tyrystory T1 i T4.
Podstawowym warunkiem poprawnej pracy falownika jest zapewnienie odpowiedniego czasu wyprzedzenia przebiegu napięcia u3 przez przebieg prądu i1.
Moc czynna tracona w obwodzie wyjściowym falownika, przy pominięciu strat w dławiku Ld i w tyrystorach jest równa mocy pobieranej ze źródła napięcia stałego.
Poprawność pracy równoległego falownika prądu znacznie zależy od częstotliwości wyjściowej oraz od wielkości i charakteru obciążenia. Przy zachowaniu stałej wartości napięcia zasilającego E i przy zmniejszającej się częstotliwości moc bierna kondensatora maleje. Żeby zachować warunek bilansu mocy biernej przy małych częstotliwościach pracy falownika należy zastosować kondensator o dużej pojemności. W takim przypadku (jeśli odbiornik wymaga regulowanej częstotliwości) przy wzroście częstotliwości wzrasta moc bierna kondensatora, co pociąga za sobą wzrost kąta γd. Zjawisko to powoduje wzrost napięcia wyjściowego. Natomiast przy zmniejszaniu prądu odbiornika R2L2 wzrasta zdolność komutacji falownika, ponieważ wzrasta kąt przesunięcia fazowego między prądem wyjściowym it a napięciem u3 (maleje moc bierna odbiornika R2L2 przy wzroście mocy biernej kondensatora). W granicznym przypadku, w stanie jałowym falownika do jego wyjścia byłby dołączony tylko kondensator C. Przy pominięciu strat w układzie kąt γd osiągnąłby wartość równą π/2, a napięcie wyjściowe byłoby nieskończenie duże. Z tych powodów rozpatrywany układ nie powinien być stosowany w przypadkach, gdy zarówno obciążenie jak i częstotliwość zmieniają się niezależnie i to w szerokich granicach. Falowniki te są jednak często stosowane, głównie w urządzeniach do obróbki cieplnej, w czasie której następuje zmiana parametrów R2 i L2 obwodu obciążenia. Poprawna praca falowników przy zmiennych obciążeniach jest zapewniana przez układ automatycznej regulacji prądu Id i częstotliwości pracy. Wymuszanie odpowiedniej wartości prądu Id (rys. 1) przy zmianach parametrów obciążenia wymaga zmian wartości napięcia E. Układ sterowania częstotliwości pracy falownika musi zapewniać przy stałej wartości C odpowiednią wartość czasu td. Dalsze rozważania precyzują szczegółowo warunki, jakie musi spełniać równoległy falownik pracujący przy wymuszeniu prądowym z możliwością regulacji częstotliwości przy zmianach parametrów odbiornika rezystancyjno-indukcyjnego.
Dla najczęściej spotykanych w praktyce obciążeń (kQ = 5÷35) rozruch falownika w układzie jak na rys. 4 nie jest możliwy. Przyczyną tego jest brak odpowiedniej wartości napięcia na kondensatorze C. Na przykład, gdy po załączeniu obwodu głównego przewodzą tyrystory T1 i T4., wówczas po pierwszym półokresie drgań rezonansowych prądu odbiornika napięcie u3 ma wartość niewielką, równą w przybliżeniu IdR2. Po załączeniu drugiej pary zaworów czas blokowania tyrystorów T1 i T4. jest zbyt krótki, by odzyskały one własności blokujące. W celu przeprowadzenia rozruchu falownika mostkowego stosuje się dodatkowy układ rozruchowy, złożony z tyrystorów T5 i T6 oraz kondensatora C1. Zmodyfikowany w ten sposób układ falownika przedstawiony jest na rys. 7.
W czasie rozruchu impulsy bramkowe są doprowadzane kolejno do tyrystorów T4. i T5 oraz T2 i T6. Obwód wyjściowy falownika składa się wówczas z obciążenia R2L2, skompensowanego kondensatorem C, oraz szeregowo dołączonego kondensatora rozruchowego C1. Kondensator C1 w pierwszym cyklu pracy jest ładowany narastającym prądem zasilającym falownik. Na rys. 8 przedstawiono przebiegi czasowe napięć w obwodzie wyjściowym podczas kilku pierwszych cykli pracy falownika. Wyłączanie tyrystorów następuje pod wpływem sumy napięć na kondensatorach C1 i C. Układ sterowania impulsami bramkowymi powinien być tak zaprojektowany, by impulsy bramkowe były doprowadzone do poszczególnych par tyrystorów w momentach przechodzenia prądu i3 przez zero. W tych momentach napięcie u3 ma wartość maksymalną.
W chwili, gdy w falowniku pracującym w układzie rozruchowym nastąpi stan ustalony, układ sterowania powinien włączyć tyrystory T1 i T3 zamiast tyrystorów T5 i T6, co jest jednoznaczne z odłączeniem kondensatora C1. Jednocześnie powinna nastąpić zmiana funkcji sterowania. Po rozruchu impulsy bramkowe muszą być doprowadzone do tyrystorów z taką częstotliwością, by prąd i1 wyprzedzał napięcie u3 o zadany czas td*.
Falowniki o komutacji wewnętrznej.
Wyłączanie tyrystorów w falownikach prądu o komutacji wewnętrznej odbywa się dzięki dodatkowym obwodom złożonym przeważnie z zaworów półprzewodnikowych i kondensatorów. Dzięki wymuszonemu wyłączaniu tyrystorów, komutacja prądów wyjściowych tych falowników może odbywać się niezależnie od charakteru obciążenia.
Na szczególną uwagę zasługują układy trójfazowych falowników prądu o komutacji wewnętrznej, które umożliwiają zasilanie silników klatkowych prądem o płynnie regulowanej częstotliwości i wartości skutecznej. Pozwala to na realizację układów częstotliwościowego sterowania prędkości obrotowej tych silników.
Podobnie, jak w przypadku silników przekształtnikowych, trójfazowe falowniki prądu o komutacji wewnętrznej wymuszają w obciążeniu przepływ trójfazowego symetrycznego prądu przemiennego o kształcie zbliżonym do prostokątnego oraz umożliwiają przepływ energii z linii zasilającej do odbiornika i odwrotnie.
Najczęściej są stosowane trójfazowe falowniki prądu z diodami odcinającymi oraz falowniki dwumostkowe, przeważnie do realizacji indywidualnych i grupowych napędów z silnikami o mocy do ok. 500 kW.
Falownik trójfazowy z diodami odcinającymi.
Schemat ideowy trójfazowego falownika prądu z diodami odcinającymi, zasilającego silnik klatkowy, przedstawiono na rys. 9.
Falownik składa się z tyrystorów T1÷T6, diod odcinających D1÷D6 oraz kondensatorów komutacyjnych C1÷C6. Dławik Ld wraz ze źródłem napięcia ud2 - którym przeważnie jest sterowany przekształtnik sieciowy - stanowi źródło prądu stałego Id. Tyrystory T1÷T3 tworzą grupę katodową, a tyrystory T4÷T6 - grupę anodową. Również kondensatory komutacyjne, służące do zapewnienia komutacji prądów w fazach silnika, można podzielić na grupę katodową (C1÷C3) i anodową (C4÷C6). Diody odcinające separują grupę katodową kondensatorów od grupy anodowej, a ponadto - poza procesem komutacji - wszystkie kondensatory komutacyjne od odbiornika. Falownik prądu spełnia tu rolę bezstykowego komutatora prądu Id, który jest doprowadzany cyklicznie do uzwojeń silnika. Prądy przewodowe falownika są przesunięte wzajemnie o kąt 2π/3, a ich wartość maksymalna wynosi Id. Częstotliwość tych prądów zależy od częstotliwości impulsów bramkowych tyrystorów. Na rys. 10 przedstawiono diagramy kolejności i czasów przewodzenia tyrystorów.
Podczas procesu komutacji prądów wyjściowych falownika tworzą się obwody zawierające zarówno elementy falownika prądu, jak i silnika. Dlatego należy określić te parametry silnika, które mają wpływ na przebieg procesu komutacji. Wiąże się to z koniecznością znalezienia schematu zastępczego silnika i wyznaczenia jego parametrów przy zasilaniu z falownika prądu.
Proces komutacji przy napięciu indukowanym w silniku różnym od zera.
Niech do chwili rozpoczęcia procesu komutacji przewodzą tyrystory T1÷T6 oraz diody D1÷D6. Prąd Id przepływa przez fazy U i W silnika (iU = iW = Id), a na kondensatorach komutacyjnych grupy katodowej falownika panują napięcia UC1 = UC3 = - UCm oraz UC2 = 0 o polaryzacji zaznaczonej na rys. 11a. W chwili t1 rys. 12) rozpoczyna się proces komutacji prądu Id z fazy U silnika do fazy V. Wiąże się on z koniecznością wyłączenia dotychczas przewodzących zaworów T1 i D1 i załączenia zaworów T2 i D2.
W chwili t1 tyrystor T2 otrzymuje impuls bramkowy. Praktycznie natychmiast prąd fazy U, płynący dotychczas przez tyrystor T1 zaczyna przepływać przez grupę katodową kondensatorów C1÷C3, która począwszy od chwili t1 jest włączona równolegle do wyłączanego tyrystora T1 (rys. 11b). Przez kondensator C1 płynie prąd stały równy 2Id/3, a przez szeregowo połączone kondensatory C2 i C3 - prąd równy Id/3. Do momentu osiągnięcia przez kondensator C1 napięcia równego zeru na tyrystorze T1 panuje napięcie wsteczne (czas td - rys. 12).W przedziale czasowym tI (rys. 12) prąd płynący przez fazę U silnika nie ulega zmianie.
W chwili t3, w której napięcie na przeładowującym się liniowo kondensatorze C1 osiąga wartość równą wartości chwilowej napięcia międzyprzewodowego uUV zaczyna przewodzić dioda odcinająca D2 i rozpoczyna się drugi przedział komutacji trwający przez czas tII (rys. 12), któremu odpowiada schemat zastępczy przedstawiony na rys. 11c. W tym przedziale następuje zanik prądu w fazie U silnika i narastanie w fazie V tak, że w każdej chwili tego przedziału jest spełniona zależność: iU + iV = iW = Id. W przedziale tII prąd płynący przez grupę katodową kondensatorów komutacyjnych powoduje dodatkowe ładowanie kondensatora C1 do takiej wartości UCm jaką miał przed komutacją, ale o przeciwnej polaryzacji. Proces komutacji kończy się w chwili t4, w której prąd fazy U osiąga wartość równą zeru, a prąd fazy V - wartość równą Id. Po zakończeniu komutacji napięcia na kondensatorach komutacyjnych wynoszą UC1 = UC2 = UCm, UC3 = 0, a ich polaryzacja jest zaznaczona na rys. 11c.
Proces komutacji przy napięciu indukowanym w silniku różnym od zera.
Jeżeli silnik klatkowy jest w stanie zwarcia, to napięcie indukowane w nim przyjmuje wartość równą zeru. W procesie komutacji prądów falownika zasilającego zahamowany silnik klatkowy również można wydzielić dwa przedziały. W pierwszym przedziale komutacji następuje liniowe przeładowanie zastępczego kondensatora o pojemności C od napięcia - UCm do wartości UC0 = - IdR. W drugim przedziale komutacji następują zmiany prądów w komutujących fazach. W tym przedziale komutacji schemat zastępczy ma postać jak na rys. 13.
Rozruch falownika prądu z diodami odcinającymi.
Pod pojęciem rozruchu falownika prądu rozumie się przejście ze stanu pracy, w którym częstotliwość prądu wyjściowego falownika jest równa zeru (prąd Id przepływa ciągle tylko przez dwie fazy silnika), do stanu pracy, w którym częstotliwość ta jest większa niż zero. Przy przejściu z jednego do drugiego stanu pracy odbywa się pierwszy cykl komutacji prądów.
Prawidłowy przebieg rozruchu falownika prądu jest szczególnie trudny przy dużych prądach rozruchowych.
Przed rozruchem falownika (po chwili t1) obwód prądu Id zamyka się przez tyrystory T1 i T6, diody D1 i D6 oraz fazy U i W silnika (rys. 15a). Niech w pierwszym cyklu komutacji prąd Id będzie przełączany z fazy U do fazy V. W takim przypadku należy przeanalizować wartości i polaryzację początkowych napięć kondensatorów komutacyjnych grupy katodowej. Z rysunku 15a wynika, że kondensator C3 ładuje się poprzez diody D1 i D3 do napięcia międzyprzewodowego UUW0. Kondensatory C1 i C2 połączone szeregowo tworzą dzielnik pojemnościowy ładując się do napięć równych UUW0/2, a ich polaryzacja jest zaznaczona na rys. 15a. Proces pierwszej komutacji zaczyna się w chwili załączenia tyrystora T2. Kondensator komutacyjny Cl zostaje wówczas dołączony równolegle do tyrystora T1. Prąd tego tyrystora, praktycznie biorąc natychmiast maleje do zera (w wyniku wstecznego napięcia UC10), a prąd fazy U zaczyna płynąć przez kondensatory komutacyjne grupy katodowej. Jednocześnie zaczyna przewodzić dioda D2, w wyniku czego zostaje utworzony obwód komutacji prądu zaznaczony linią pogrubioną na rys. 15b.
Proces pierwszej komutacji prądów kończy się w chwili, gdy prąd fazy U osiąga wartość równą zeru, a prąd fazy V staje się równy Id. Tworzy się wówczas obwód zaznaczony na rys. 15c.
W wyniku komutacji prądu z fazy U do V pole magnetyczne silnika zaczyna wirować, powodując powstanie momentu obrotowego, co z kolei prowadzi do rozruchu silnika i powstania napięcia indukowanego w silniku. Następne cykle komutacji prądów mają już przebieg dwustopniowy, składający się ż pierwszego i drugiego przedziału komutacji, tak jak w stanie ustalonym falownika. Rysunek 15d przedstawia obwód powstający podczas pierwszego przedziału drugiego cyklu komutacji w katodowej grupie tyrystorów.
Falownik trójfazowy dwumostkowy.
Nieco mniejszą popularnością w porównaniu z falownikiem prądu z diodami odcinającymi, wynikającą przede wszystkim z większej liczby zastosowanych tyrystorów, cieszy się układ trójfazowego falownika prądu dwumostkowego, którego schemat ideowy podano na rys. 16.
W układzie tego falownika można wydzielić mostek tyrystorów głównych T1÷T6 oraz mostek tyrystorów pomocniczych T7÷T12. Między poszczególne gałęzie obydwu mostków są włączone kondensatory komutacyjne C1÷C3. Mostek tyrystorów pomocniczych wraz z kondensatorami komutacyjnymi stanowi układ do wymuszonego wyłączania tyrystorów głównych. Dławik Ld oraz źródło napięcia ud1 stanowią źródło prądu stałego Id.
Zasadniczą wadą układu falownika dwumostkowego jest duża liczba tyrystorów i w związku z tym rozbudowany układ sterowania impulsami bramkowymi. Oprócz tego w układzie dwumostkowym są wymagane specjalne urządzenia do wstępnego ładowania kondensatorów komutacyjnych przed rozruchem lub też odmienne niż w stanie pracy ustalonej sterowanie tyrystorów głównych i pomocniczych przy rozruchu. Zaletami tego układu są: nieco mniejsza (o 25%) w porównaniu z falownikiem z diodami odcinającymi sumaryczna pojemność kondensatorów komutacyjnych, mniejsze wymiary geometryczne elementów półprzewodnikowych oraz nieco większa sprawność przy tej samej mocy wyjściowej.
Proces komutacji.
Na rys. 17 przedstawiono przebiegi czasowe prądów w odpowiednich tyrystorach głównych i pomocniczych oraz przebiegi napięcia na kondensatorze komutacyjnym w stanie pracy ustalonej falownika i silnika z uwzględnieniem zjawisk występujących podczas komutacji prądu z fazy U do fazy V silnika.
Do chwili t1, w której rozpoczyna się proces komutacji, prąd Id przepływa przez tyrystory główne T1 i T6 oraz fazy U i W silnika (rys. 18), przy czym iU = iW = Id. W wyniku wcześniejszych procesów zachodzących w falowniku kondensator C1 jest naładowany do napięcia UCm o polaryzacji zaznaczonej na rys. 18a. W chwili tl tyrystor główny T2 i tyrystor pomocniczy T7 otrzymują jednocześnie impulsy bramkowe. Tyrystor Tn otrzymuje krótki impuls bramkowy, a tyrystor T2 impuls o czasie trwania nie mniejszym niż czas pierwszego przedziału komutacji tI (rys. 17). W pierwszym przedziale komutacji tI, tyrystor główny T2 nie może przejść w stan przewodzenia, ponieważ suma napięcia międzyprzewodowego uUV silnika oraz napięcia na kondensatorze C1 polaryzuje go w kierunku wstecznym (rys. 18b).
Załączenie tyrystora T7 powoduje podłączenie do tyrystora głównego T1 napięcia wstecznego z kondensatora C1. Prąd tyrystora T1 praktycznie natychmiast maleje do zera, a prąd fazy U odbiornika zaczyna płynąć przez tyrystor pomocniczy T7 i kondensator C1. Prąd iU w pierwszym przedziale komutacji tI nie ulega zmianie i jest równy prądowi Id. W wyniku przepływu stałego prądu Id, kondensator C1 przeładowuje się liniowo aż do chwili, w której jego napięcie zrówna się z napięciem międzyprzewodowym uUV silnika (chwila t3 - rys. 17). Wtedy to tyrystor T2 zostaje spolaryzowany w kierunku blokowania i jeżeli otrzyma impuls bramkowy, zaczyna przewodzić prąd.
Od chwili t3 zaczyna się drugi przedział komutacji (tII), w którym następuje malenie prądu w fazie U silnika i narastanie w fazie V. Przedziałowi tII odpowiada schemat zastępczy przedstawiony na rys. 18c. Zanikający w czasie tII prąd fazy U silnika powoduje dodatkowe podładowanie kondensatora C1 do takiej wartości jaką miał przed procesem komutacji, ale o przeciwnej polaryzacji. Napięcie to musi zapewnić wyłączenie tyrystora głównego T4 w następnym półokresie prądu wyjściowego falownika.
W chwili t4, w której prąd iU osiąga wartość równą zeru, a prąd iV = Id, kończy się proces komutacji.
Rozruch falownika dwumostkowego.
Podobnie jak w przypadku rozruchu układu falownika prądu z diodami odcinającymi, również i w układzie falownika dwumostkowego kondensatory komutacyjne przed rozruchem muszą być naładowane odpowiednich napięć i o polaryzacji zależnej od mającej nastąpić kolejności załączania tyrystorów w stanie ustalonym układu, czyli od kierunku wirowania wektorów prądów wyjściowych falownika. Jeżeli w układzie falownika jak na rys. 9 kondensatory komutacyjne ładują się wstępnie poprzez diody odcinające do napięć określonych przez napięcia międzyprzewodowe silnika i o polaryzacjach zapewniających rozruch falownika niezależnie od kolejności załączania tyrystorów, to w przypadku układu falownika dwumostkowego wstępne naładowanie kondensatorów można uzyskać jedynie przez zastosowanie dodatkowych urządzeń rozruchowych lub też przez wprowadzenie bezpośrednio przed rozruchem odpowiedniej, odmiennej niż w stanie ustalonym, sekwencji impulsów bramkowych. Poza tym, polaryzacja wstępnych napięć kondensatorów jest ściśle określona i odmienna dla różnych kolejności załączania tyrystorów głównych i pomocniczych.
Na rys. 19 przedstawiono falownik dwumostkowy z układem do wstępnego ładowania kondensatorów komutacyjnych przed rozruchem. W tym układzie napięcia ładujące kondensatory są uzyskiwane z trzech jednakowych prostowników jednofazowych, zasilanych ze wspólnego transformatora o trzech izolowanych uzwojeniach wtórnych. Polaryzacja napięć kondensatorów komutacyjnych zależy od stanów wysterowania tyrystorów T1', T2', T3' i T1”, T2”, T3”. Pojemności kondensatorów rozruchowych C1', C2', C3' i C1”, C2”, C3” są jednakowe i zależą od czasu, w jakim ma nastąpić przygotowanie falownika do rozruchu. Czas przygotowania do rozruchu powinien być jak najkrótszy w układach nawrotnych, w których musi następować szybka zmiana kierunku wirowania wektorów prądów wyjściowych falownika. W praktyce wartości pojemności rozruchowych są nawet kilkakrotnie większe od pojemności komutacyjnych, a moc transformatora Tr nie przekracza 3% mocy silnika zasilanego z falownika.
2