Materiały pomocnicze do wykładu z przedmiotu
Energoelektronika dla IPEH (SIMR), 2015L
Przedmiot dotyczy podstawowych zagadnień związanych z energoelektronicznymi układami
przekształcania energii elektrycznej w zastosowaniach ogólnego przeznaczenia jako układy zasilania
prądem (wymiana energii z kontrola prądu między dwoma z
ródłami) jak i układy zasilania napięciem
(zasilanie odbiorników z kontrola napięcia zasilającego). Ponadto, omówione zostaną układy
przekształtnikowe w zastosowaniu do sterowanych napędów elektrycznych.
Przy opracowywaniu niniejszych materiałów pomocniczych wykorzystano wyniki symulacji
komputerowych. Opracowanie ma na celu zsyntetyzowanie informacji nt. zasad działania i metod
sterowania układów przekształtnikowych omówionych w ramach wykładu. Opracowanie zawiera opis
układów przekształcania napięcia stałego na napięcie stałe o innych parametrach (przekształtniki
DC/DC), jednofazowych układów przekształcania napięcia przemiennego na napięcie stałe
(prostowniki) oraz układów przekształcania energii napięcia stałego na napięcie przemienne
(falowniki).
Kolejne opracowania będą dotyczyć układów trójfazowych (prostowniki i falowniki) oraz
układów napędowych z maszynami prądu stałego i przemiennego.
1. Układy DC/DC
Podstawowe struktury energoelektronicznych układów przekształcania energii napięcia
stałego na napięcie stałe to układy beztransformatorowe. Układy beztransformatorowe nie zapewniają
izolacji galwanicznej między wejściem a wyjściem. Sterowanie przepływem energii w tych układach
realizowane jest przez regulację prądu cewki, na której formowany jest prąd. Opcjonalnie, realizowana
jest regulacja napięcia wyjściowego służącego zasilaniu odbiorników jeśli wyjściem układu jest
obwód DC o napięciu nienarzuconym przez inne z
ródła DC. W ramach wykładu omówione zostaną
układy obniżający i podwyższający jako najczęściej stosowane w aplikacjach przemysłowych.
1.1. Układ obniżający typu buck converter
Układ obniżający jest w najprostszej postaci układem, w którym w pełni sterowany łącznik
energoelektroniczny T przerywa przepływ prądu ze z
ródła napięcia wejściowego Uwe do obwodu
wyjściowego. Obwód wyjściowy składa się z cewki L służącej formowaniu prądu wyjściowego, która
cechuje siÄ™ pewnÄ… rezystancjÄ… R.
T
RL
D
Uwe
Robc
pwm
Rys. 1.1. Schemat układu obniżającego z filtrem indukcyjnym zasilającego obciążenie rezystancyjne.
Układ w czasie pracy może znajdować się w dwóch stanach  łącznik T włączony lub
wyłączony. Włączenie łącznika T powoduje przepływ prądu ze z
ródła do obciążenia. Przy stałym
załączeniu łącznika T prąd obciążenia narasta wykładniczo do wartości ograniczonej rezystancją
obciążenia. Wyłączenie łącznika T powoduje przerwanie prądu z
ródła, natomiast prąd obciążenia, ze
względu na obecność cewki RL, nie może zaniknąć skokowo i zamyka się przez diodę
przeciwprzepięciową D.
Średnie napięcie Uwy na wyjściu układu jest równe iloczynowi napięcia wejściowego i
współczynnika wypełnienia sygnału impulsowego pwm podawanego na zacisk sterujący łącznika T.
Uwy =ð Uwetð (1)
a współczynnik wypeÅ‚nienia tð jest wyrażony jako
ton
tð =ð (1)
Ts
gdzie ton jest czasem załączenia łącznika T (czasem trwania impulsu załączającego), a Ts jest okresem
napięcia impulsowego przy stałej, założonej arbitralnie częstotliwości.
Rys. 1.2 przedstawia przebiegi prądów na elementach układu z Rys. 1.1. Prąd obciążenia iRL jest
tętniący wskutek przełączania tranzystora. Narastanie prądu w czasie załączenia łącznika T jest
związane z przyłożeniem napięcia wejściowego, natomiast opadanie prądu po wyłączeniu łącznika T
jest skutkiem oddawania energii zgromadzonej w cewce do obciążenia.
I(RL)
6
4
2
0
I(T)
6
4
2
0
I(D)
6
4
2
0
pwm
1
0
0.005 0.0052 0.0054 0.0056 0.0058 0.006
Time (s)
Rys. 1.2. Przebiegi (od góry) prądu obciążenia, tranzystora, oraz diody, a także przebieg sygnału pwm
do załączania tranzystora w układzie obniżającym napięcie.
W zależności od współczynnika wypełnienia wartość średnia prądu na obciążeniu RL o tej samej
impedancji będzie miała inną wartość. Największe tętnienia prądu występują przy współczynniku
wypełnienia 0.5. Wtedy zgodnie z równaniem (1) napięcie na obciążeniu będzie miało wartość połowy
napięcia wejściowego. Sytuację zmian prądu dla różnych współczynników wypełnienia przedstawiono
na Rys. 1.3.
I(RL) I(RL2) I(RL3)
10
8
6
4
2
0
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
Time (s)
Rys. 1.3. Przebiegi prądu obciążenia w układzie obniżającym napięcie z obciążeniem RL dla różnych
współczynników wypełnienia.
Impulsowy sygnał pwm do załączania i wyłączania łącznika T otrzymuje się w mikrokontrolerze przez
porównanie na komparatorze sygnału sterującego decydującego o wartości współczynnika
wypełnienia z przebiegiem trójkątnym o częstotliwości od kilkuset Hz dla układów dużej mocy do
kilkudziesięciu kHz dla układów o małej mocy, a nawet do kilkuset kHz dla układów o mocy kilku W.
W układzie obniżającym, w którym obwód wyjściowy stanowi z
ródło napięcia DC (sieć DC o
narzuconym napięciu) sterowanie przepływem energii ze z
ródła napięcia wejściowego do obwodu
wyjściowego odbywa się przez regulację prądu cewki na której formowany jest prąd. Typowym
układem regulacji jest człon proporcjonalno-całkujący eliminujący uchyb ustalony dla prądu stałego.
Schemat układu obniżającego pracującego na sieć DC stanowiącą z
ródło napięcia wyjściowego z
regulatorem prÄ…du przedstawiono na Rys. 1.4.
Sygnał prądu mierzonego porównywany jest z sygnałem prądu zadawanego iref i na podstawie różnicy
(uchybu) regulator PI prądu generuje sygnał sterujący odpowiedzialny za ustalenie wartości
współczynnika wypełnienia. Niższa wartość prądu względem wartości zadanej skutkuje tym, że uchyb
jest dodatni a regulator zwiększa wartość sygnału sterującego a więc i współczynnika wypełnienia.
Zwiększa się wtedy wartość średnia napięcia na diodzie D i prąd w układzie wzrasta aż do osiągnięcia
wartości zadanej.
Rys. 1.4. Schemat układu obniżającego pracującego na sieć DC z regulacją prądu.
Przebieg prądu po uruchomieniu układu z zastosowaniem regulacji prądu na wartości zadanej o
wartości 5A jest przestawiony na Rys. 1.5. Po krótkim stanie przejściowym prąd płynący w układzie
osiąga wartość zadaną.
I(RL)
6
4
2
0
0 0.01 0.02
Time (s)
Rys. 1.5. Przebieg prądu od zera do wartości zadanej 5A po uruchomieniu układu.
W układzie, w którym obwód wyjściowy stanowi kondensator (a więc również obwód napięciowy) o
wartości napięcia nie narzuconej przez zewnętrzną sieć DC, regulacja prądem uzupełniona jest o
nadrzędny układ regulacji napięcia wyjściowego. Regulator napięcia na podstawie różnicy między
wartością zadaną a mierzoną napięcia wyjściowego (uchybu napięcia) generuje sygnał zadany prądu.
W celu zabezpieczenia przed zbyt dużym prądem w czasie przeciążenia lub zwarcia obwodu
wyjściowego sygnał wyjściowy regulatora napięcia (prąd zadany) jest ograniczony na poziomie
maksymalnym przewidzianym dla zastosowanych elementów przekształtnika. Taki sposób realizacji
sterowania jest podstawowym sposobem ograniczenia prądowego w kaskadowym układzie regulacji.
Rys. 1.6. Schemat przekształtnika obniżającego z regulacją napięcia wyjściowego i prądu
przekształtnika z zastosowanym ograniczeniem prądu przekształtnika.
Przebieg regulowanego napięcia wyjściowego o wartości zadanej 80V przy uruchomieniu układu jest
przedstawiony na Rys. 1.7. Początkowo, ze względu na mały prąd układu (układ startuje z prądem
zerowym mamy do czynienia z niedoborem energii dostarczanej do obwodu wyjściowego, w związku
z czym napięcie wyjściowe nieco opada. W dalszej części, w celu uzupełnienia niedoboru energii w
obwodzie wyjściowym i doprowadzenia napięcia wyjściowego do wartości zadanej, prąd zadany
osiąga wartość maksymalną (nasycenie regulatora napięcia), a prąd mierzony dąży do wartości
zadanej i stara się nie przekraczać wartości maksymalnej.
Vout
85
80
75
70
65
60
55
iLref
10
8
6
4
2
0
I(RL1)
12
8
4
0
0 0.005 0.01 0.015 0.02
Time (s)
Rys. 1.7. Przebiegi napięcia wyjściowego, prądu zadanego i mierzonego przy uruchomieniu układu z
regulacją napięcia wyjściowego i prądu przekształtnika.
Zaprezentowany układ z regulacją napięcia wyjściowego i prądu przekształtnika z ograniczeniem
prądowym może być zastosowany do ładowania elektrochemicznego magazynu energii. Metoda znana
w literaturze jako CCCV (ang. constant current constant voltage) realizuje ładowanie w dwóch
obszarach. Obszar ładowania stałym maksymalnym prądem ładowania występuje, gdy napięcie baterii
mierzone na jej zaciskach jest poniżej wartości zadanej. Schemat układu wykorzystanego do
ładowania magazynu energii przedstawiony jest na Rys. 1.8. Dla uproszczenia przyjęto, że
obciążeniem nie jest bateria, ale kondensator o dużej pojemności w pewną impedancją wewnętrzną.
Rys. 1.8. Schemat przekształtnika obniżającego z regulacją napięcia wyjściowego i prądu
przekształtnika z zastosowanym ograniczeniem prądu przekształtnika
Regulator napięcia pracuje w nasyceniu a więc przekształtnik rozwija maksymalny prąd dopuszczalny
ograniczeniem prądowym. Należy pamiętać o tym, że prąd płynący do baterii elektrochemicznej
wywołuje pewien spadek napięcia na impedancji wewnętrznej baterii i osiągnięcie maksymalnego
napięcia na zaciskach baterii w czasie ładowania pełnym prądem wcale nie oznacza pełnego
naładowania baterii, gdyż jej napięcie wewnętrzne jest niższe od napięcia na zaciskach o spadek
napięcia na impedancji wewnętrznej. Stąd też regulator napięcia nie obniża gwałtownie sygnału
zadanego prądu do zera, ale robi to sukcesywnie w miarę dokładania energii do magazynu.
Ostatecznie, prąd przekształtnika zanika do zera, co powoduje, ze napięcie na zaciskach magazynu
osiąga wartość napięcia wewnętrznego magazynu. Przebieg prądu ładowania, napięcia na zaciskach
oraz napięcia wewnętrznego magazynu w obydwu obszarach przy ładowaniu sposobem CCCV
przedstawiony jest na Rys. 1.9.
Vbat Vout
420
400
380
360
340
I(RL1)
12
8
4
0
0 1 2 3 4 5 6
Time (s)
Rys. 1.9. Przebieg prądu, napięcia na zaciskach oraz napięcia wewnętrznego magazynu energii w
układzie obniżającym zastosowanym do ładowania magazynu energii metodą CCCV.
1.2. Układ podwyższający typu boost converter
Drugim z powszechnie używanych podstawowych układów przekształcania energii ze z
ródła napięcia
stałego na energię napięcia stałego o innych parametrach jest układ podwyższający. Układ
podwyższający przedstawiony jest na Rys. 1.10. Włączenie łącznika T powoduje przepływ prądu w
obwodzie Uwe-L-T i gromadzenie energii w polu magnetycznym cewki L. Wyłączenie łącznika T
powoduje, że prąd przekształtnika przepływa przez diodę D do obwodu wyjściowego. W zasadzie
układ podwyższający musi być wyposażony w napięciowy obwód wyjściowy, tj. w sieć DC o
narzuconym napięciu lub kondensator wyjściowy.
Relacja między napięciem wyjściowym a wejściowym jest opisana wzorem
1
Uwy =ð Uwe (3)
1-ðtð
D
L
Uwe T Uwy
Utri
Rys. 1.10. Schemat układu podwyższającego pracującego na sieć DC.
Sterownie przepływem energii w prezentowanym układzie podwyższającym odbywa się przez
regulację prądu cewki, a więc analogicznie jak w układzie obniżającym. Układ podwyższający z
regulatorem prÄ…du przedstawiony jest na Rys. 1.11
Rys. 1.11. Schemat układu podwyższającego pracującego na sieć DC.
Analogicznie do układu obniżającego, w układzie wyposażonym w kondensator filtrujący w obwodzie
wyjściowym należy kontrolować napięcie wyjściowe i analogicznie do układu obniżającego, sygnał
wyjściowy regulatora napięcia wyjściowego jest ograniczany w celu zapobiegania przekraczania
wartości prądu przekształtnika przy przeciążeniu wyjścia układu (Rys. 1.12). Napięcie wyjściowe nie
może spaść poniżej napięcia wejściowego i jest to pewną wadą układu, ponieważ przy zwarciu
napięcie wyjściowe może opaść do poziomu napięcia wejściowego. Układ regulacji traci kontrolę nad
prądem ponieważ przełączanie łącznika T nie ma w takim przypadku wpływu na zmniejszenie prądu
płynącego ze z
ródła wejściowego na wyjście.
Rys. 1.12. Schemat układu podwyższającego pracującego na sieć DC.
Przebiegi napięcia wyjściowego i prądu przekształtnika podwyższającego przy zmianach obciążenia.
Odpowiednie dobranie parametrów regulatorów pozwala na osiągnięcie dynamicznej stabilnej
regulacji napięcia wyjściowego niezależnie od wartości i dynamiki zmian obciążenia.
I(L1) iL_ref
25
20
15
10
5
0
uwy
600
500
400
0 0.02 0.04 0.06 0.08
Time (s)
Rys. 1.13. Schemat układu podwyższającego pracującego na sieć DC.
1.3. Układ dwukierunkowy DC/DC
Układy obniżający i podwyższający są układami zapewniającymi jednokierunkowy przepływ energii.
Jeśli w układach przekształcania energii wymagany jest dwukierunkowy przepływ energii, można
zastosować układ dwukierunkowy łączący cechy układów obniżającego i podwyższającego. Układ
wyposażony jest w dwa łączniki załączane naprzemiennie przez podanie prostego i negowanego
sygnału pwm na zaciski sterujące łączniki. Poprawna praca układu jest możliwa tylko wtedy, gdy po
obydwu stronach znajdujÄ… siÄ™ z
ródła energii z i do których możliwe jest przesyłanie energii (nie może
dojść do rozładowania ani przeładowania z
ródeł). Schemat układu przedstawiony jest na Rys. 1.14,
natomiast przebieg prądu przekształtnika przy pracy dwukierunkowej przedstawiony jest na Rys. 1.15.
Rys. 1.14. Schemat układu podwyższającego pracującego na sieć DC.
I(RL1)
10
5
0
-5
-10
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Time (s)
Rys. 1.15. Przebieg prądu w układzie dwukierunkowym.
2. Układów przekształtnikowe jednofazowe DC/AC
2.1. Topologie przekształtników.
Dwie podstawowe struktury układów przekształcania energii napięcia stałego na napięcie przemienne
przedstawione sÄ… na Rys. 2.1.
Rys. 2.1. Topologie układów przekształcania energii DC/AC jednogałęziowy oraz (mostek H).
Układy przedstawione są w wersji pracującej autonomicznie, tj. z filtrem LC, na wyjściu którego
kształtowane jest napięcie sinusoidalne niezależnie od charakteru zasilanego obciążenia. Metody
sterowania są takie same dla obydwu układów; różnią się one natomiast pewnymi szczegółami. W
przypadku układu jednogałęziowego wymagane jest zastosowanie tylko dwóch tranzystorów, ale
potrzebne jest zastosowanie dwóch odizolowanych z
ródeł DC, natomiast w przypadku mostka H
wymagane jest zastosowanie dwóch gałęzi tranzystorowych, natomiast wystarczy tylko jedno z
ródło
napięcia stałego. W dalszym opisie przedstawione będą układy sterowania na przykładzie mostka H,
ale takie same metody sterowania mogą być użyte dla przekształtnika jednogałęziowego.
Rys. 2.2 przedstawia układ jednofazowego przekształtnika DC/AC w topologii mostka H
podłączonego do sieci elektroenergetycznej. Układ ma za zadanie odbierać energię z obwodu DC i
oddawać ją w sposób kontrolowany do sieci. Kontrola jakości energii związana jest z oddawaniem do
sieci prądu sinusoidalnego o zerowym przesunięciu fazowym względem podstawowej (50Hz)
harmonicznej napięcia sieci. Jakkolwiek wytwarzanie indukcyjnej bądz
pojemnościowej mocy biernej
jest możliwe w takim układzie, to w przypadku małych mocy dla których dedykowane są układy
jednofazowe powoduje to jedynie wzrost wartości skutecznej prądu, a więc strat na elementach
półprzewodnikowych i rezystancji cewki indukcyjnej sprzęgającej układ energoelektroniczny z siecią i
pozostaje bez zauważalnego wpływu na napięcie sieciowe. W układach trójfazowych dużej mocy
(megawatowych) dopuszcza się, a czasem wręcz wymaga od układów możliwości sterowania mocą
bierną w celu określonego wpływu na wartość skuteczną napięcia sieci w punkcie przyłączenia.
Generowanie mocy biernej indukcyjnej bÄ…dz
pojemnościowej powoduje zmianę wartości spadków
napięć na impedancji sieci, która w systemach dużych mocy ma charakter indukcyjny.
Przekształtnik energoelektroniczny wytwarza napięcie impulsowe o częstotliwości związanej z
częstotliwością fali nośnej i wartości średniej za okres przełączeń odpowiadającej wartości sygnału
sterującego podawanego na wejście dodatnie komparatora odniesionego do wartości amplitudy
sygnału trójkątnego. Sygnał sterujący jest wynikiem skalowania za pomocą bloku o pewnym
wzmocnieniu uwzględniającym poziom napięcia udc i poziom amplitudy sygnału trójkątnego.
Rys. 2.2. Schemat układu jednofazowego przekształtnika sieciowego do współpracującego z siecią
elektroenergetyczną w uwzględnieniem algorytmu sterowania.
Sygnał przed skalowaniem jest wartością referencyjną średniej wartości za okres przełączeń napięcia
przekształtnika zadawaną w pętli regulacji prądu oddawanego do sieci. Napięcie referencyjne
wytwarzane przez układ regulacji wynika z modelu matematycznego części silnoprądowej układu.
Model matematyczny obwodu silnoprądowego można przedstawić w postaci równania:
diL
up -ð RLiL -ð L -ð us =ð 0 (4)
dt
przy czym up jest wartością średnią napięcia przekształtnika za okres przełączeń tranzystorów, us 
napięciem sieci, iL  prądem cewki, czyli prądem oddawanym do sieci (lub pobieranym w przypadku
diL
pracy prostownikowej), a wyrażenie jest uśrednionym przyrostem prądu za okres przełączeń.
dt
Z przedstawionego modelu wynika, że aby wymusić w układzie przepływ prądu do sieci o pewnym
zadanym przebiegu czasowym iL*, układ przekształtnikowy powinien wytworzyć pewne napięcie
określone równaniem:
*
iL -ð iL
*
up =ð us +ð RLiL +ð L (5)
Ts
gdzie iL* i iL są odpowiednio wartością chwilową prądu zadanego i mierzonego, a Ts jest okresem
przełączeń wynikającym z częstotliwości łączeń a więc częstotliwości sygnału trójkątnego i jest
jednocześnie okresem próbkowania wielkości mierzonych.
Napięcie pożądane na zaciskach przekształtnika jednofazowego musi być zadane w układzie
sterowania. W związku z tym należy skonstruować taki układ regulacji prądu aby odzwierciedlał
działanie modelu matematycznego. Obiekt RL jest obiektem pierwszego rzędu i w dość prosty sposób
tor regulacji prądu można zrealizować za pomocą regulatora proporcjonalno-całkującego o stałej
czasowej dopasowanej do obiektu czyli:
L
tð =ð (6)
RL
W ten sposób przy pominięciu czasu opóz
nienia między obliczeniem wartości zadanej napięcia a
zrealizowaniem jej przez przekształtnik (czas opóz
nienia równy jest jednemu okresowi próbkowania)
można ustawić dość duże wzmocnienie regulatora proporcjonalno całkującego, na tyle duże, że
różnica między sinusoidalnym prądem zadanym a prądem mierzonym (uchyb regulatora) jest do
pominięcia). Poza sygnałem wychodzącym z regulatora proporcjonalno całkującego o wartości
liczbowej równej wartości spadku napięcia na cewce, w pętli regulacji prądu wykorzystujemy sygnał
sprzężenia w przód (ang. feedforward) od napięcia sieci zgodnie z równaniem 2. W ten sposób
zasadniczą część sygnału zadanego napięcia przekształtnika uzyskujemy bezpośrednio z pomiaru
napięcia sieci, natomiast pozostała część sygnału zadającego napięcie, liczbowo równa sygnałowi
spadku napięcia na cewce odpowiedniego dla zadanej wartości prądu wypracowywana jest przez
regulator prądu. Sygnał z regulatora stanowi wówczas 5 do 10% wartości całego sygnału zadanego
napięcia przekształtnika. Regulator pracuje zatem w niewielkim obszarze sygnałów wyjściowych i
dzięki temu uchyb prądu (różnica między wartością zadawaną prądu a mierzoną) jest wielokrotnie
mniejszy aniżeli w przypadku niestosowania pętli feedforward.
Układ regulacji prądu będzie starał się tak sterować napięciem przekształtnika energoelektronicznego
aby prąd oddawany do sieci pokrywał się z sygnałem prądu zadawanego. W przypadku układu
sieciowego prąd zadany powinien być sinusoidalny w fazie z napięciem sieci. W związku z tym
należy stworzyć odpowiednią strukturę zadawania prądu. Jedna ze struktur zadawania prądu
oddawanego do sieci przedstawiona jest na Rys. 2.2. Sygnał amplitudy prądu zadanego wymnażany
jest przez sygnał kształtu prądu. Sygnał kształtu jest sinusoidalnym sygnałem o amplitudzie
jednostkowej i fazie zgodnej z fazą napięcia sieci. Wartość amplitudy prądu będzie zadawana w
układzie sieciowym za pomocą sygnału wyjściowego regulatora napięcia stałego udc, który w układzie
z Rys. 2.2 jest pominięty ze względu na ograniczoną liczbę elementów możliwych do użycia w
modelu symulacyjnym.
Sinusoidalny sygnał kształtu prądu zadanego zgodny z fazą napięcia sieci uzyskiwany jest przez
zastosowanie pętli synchronizacji fazowej PLL. Działanie pętli synchronizacyjnej polega na tym, że
wymnażane są dwa sygnały o kształcie sinusoidy przy czym jeden jest początkowo zadawany
arbitralnie jako funkcja cos(wðt) natomiast drugi jest sygnaÅ‚em napiÄ™cia sieci. Rezultatem iloczynu jest
sygnał o podwójnej częstotliwości. Dodatkowo jeśli różnica faz między sygnałami o tej samej
częstotliwości, inna niż 90 stopni pojawia się druga składowa o wartości stałej proporcjonalnej do
różnicy faz. Sygnał iloczynu jest filtrowany w celu ekstrakcji składowej stałej będącej miarą kąta
przesunięcia między sygnałami. Składowa stała będąca wynikiem filtracji jest uchybem regulatora
proporcjonalno całkującego którego sygnał wyjściowy modyfikuje fazę sygnału kosinusoidalnego w
taki sposób aby przesunięcie fazowe między sygnałem zadawanym arbitralnie w uwzględnieniem
poprawki było równe 90 stopni. Innymi słowy jeśli przesunięcie między sygnałem kosinusoidalnym a
napięciem sieciowym jest inne niż 90 stopni to regulator wprowadzi poprawkę na kąt fazowy sygnału
sinusoidalnego, aby takie przesunięcie osiągnąć. Znając kąt fazowy i częstotliwość sygnału
kosinusoidalnego możemy skorzystać z funkcji sinus do wygenerowania sygnału zsynchronizowanego
z pierwszą harmoniczną. Osiągniemy w ten sposób sygnał kształtu. Wyniki symulacji z układu
jednofazowego dołączonego do sieci o napięciu odkształconym trzecią harmoniczną z
wykorzystaniem pętli synchronizacji fazowej przedstawiono na Rys. 2.3. Górny rysunek prezentuje
sygnał napięcia sieci, natomiast dolny rysunek prezentuje sygnał zadany prądu będący iloczynem
zadawanej amplitudy o wartości 20A i sygnału kształtu o amplitudzie jednostkowej oraz prądu
mierzonego. W początkowej fazie prąd zadawany jest przesunięty względem napięcia sieci, natomiast
po kilku okresach napięcia sieciowego dochodzi do synchronizacji fazowej prądu i napięcia sieci.
us
400
200
0
-200
-400
I(RL1) iref
30
20
10
0
-10
-20
-30
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Time (s)
Rys. 2.3. Przebiegi napięcia sieci oraz zadanego i mierzonego prądu oddawanego do sieci
Układy przekształcania energii dołączone do sieci charakteryzują się tym, że sterowanie odbywa się
przez regulację prądu zsynchronizowanego z napięciem sieci elektroenergetycznej. W układzie
pracującym na sieć amplituda zadawanego prądu będzie zadawana z nadrzędnego regulatora napięcia
obwodu DC, które jest miarą dostępności energii produkowanej przez układ z
ródła
niekonwencjonalnego  np. turbiny wiatrowej, panelu PV, bÄ…dz
innego. W układach pracujących
autonomicznie, napięcie wyjściowe nie jest narzucone przez sieć, ale jest wynikiem pracy układu
przekształtnikowego. Aby zapewnić wysoką jakość napięcia wyjściowego dla obciążeń, w układach
autonomicznych stosowany jest filtr dolnoprzepustowy LC o częstotliwości rezonansowej dobranej w
ten sposób, aby leżała w okolicach połowy zakresu między częstotliwością przełączeń tranzystorów a
częstotliwością napięcia wyjściowego na wykresie logarytmicznym. W praktyce częstotliwość
rezonansowa filtru powinna mieścić się w zakresie 400-800Hz, aby zapewnić wysoką jakość napięcia
wyjściowego, przy czym korzystniejsze jest powiększanie wartości pojemności kondensatorów a
zmniejszanie wartości indukcyjności filtru w celu ograniczenia gabarytów i ciężaru urządzeń
energoelektronicznych na tyle na ile jest to możliwe. Napięcie wyjściowe jest regulowane przez
nadrzędny w stosunku do pętli regulacji prądu regulator napięcia wyjściowego. Schemat układu
autonomicznego z pętlą regulacji napięcia wyjściowego przedstawiono na Rys. 2.4.
Rys. 2.4. Układ przekształtnika jednofazowego pracującego autonomicznie z filtrem LC i regulatorem
napięcia wyjściowego.
Regulator PI pracujący na sinusoidalnym zadanym sygnale napięcia będzie wprowadzał uchyb
ustalony, tzn., w stanie ustalonym napięcie mierzone nie będzie dokładnie podążać za napięciem
zadanym. Stąd też amplituda napięcia wyjściowego może być niższa od napięcia zadanego o kilka do
kilkunastu procent, szczególnie w przypadku zasilania znacznego obciążenia. Na Rys. 2.5
przedstawiono przebiegi napięcia i prądu cewki w przypadku zasilania obciążenia znamionowego.
Amplituda napięcia wyjściowego spada poniżej 300V. W układzie zasilającym obciążenia nieliniowe
o znacznej zawartości harmonicznych w prądzie, spodziewane będą znaczące odkształcenia napięcia
wskutek zbyt wolnego regulatora napięcia jak przedstawiono na Rys. 6.
Przyspieszenie działania regulatora przez zwiększenie wzmocnienia nie wchodzi jednak w grę, gdyż
układ mógłby być niestabilny przy zmniejszeniu obciążenia. Rozwiązaniem może być adaptacyjny
układ regulacji napięcia o parametrach modyfikowanych w zależności od wartości płynącego prądu.
uout
300
200
100
0
-100
-200
-300
I(RL1)
30
20
10
0
-10
-20
-30
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Time (s)
Rys. 2.5. Przebiegi napięcia wyjściowego i prądu cewki w przypadku zasilania znacznego obciążenia
uout
300
200
100
0
-100
-200
-300
I(RL4) I(RL1)
40
20
0
-20
-40
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Time (s)
Rys. 2.6. Przebiegi napięcia wyjściowego oraz prądów cewki i obciążenia w przypadku zasilania
obciążenia nieliniowego.
Prostszym rozwiązaniem jest układ sterowania z pętlą regulacji napięcia wykorzystującą pomiar prądu
obciążenia jako sygnał sprzężenia w przód. Takie sterowanie charakteryzuje się tym, że regulator nie
wypracowuje informacji o prądzie obciążenia i jego harmonicznych w sygnale zadanym prądu cewki a
jedynie wypracowuje tę część sygnału zadanego prądu cewki, która jest odpowiada prądowi
płynącemu przez kondensator wyjściowy. Układ ze sprzężeniem w przód od prądu obciążenia jest
przedstawiony na Rys. 2.7.
Rys. 2.7. Układ przekształtnika jednofazowego pracującego autonomicznie z filtrem LC i regulatorem
napięcia wyjściowego z wykorzystaniem sprzężenia w przód od prądu obciążenia.
W wyniku zastosowania sprzężenia w przód od mierzonego prądu obciążenia w pętli regulacji
napięcia wyjściowego znacznie poprawia się jakość wytwarzanego napięcia (Rys. 2.8). W niektórych
układach sterowania zamiast pomiaru prądu obciążenia stosuje się estymację prądu obciążenia. Układ
ma nieco gorsze właściwości tj. jakość napięcia jest nieco gorsza, ale pozbywamy się w ten sposób
dodatkowego czujnika pomiarowego prÄ…du.
uout
400
200
0
-200
-400
I(RL4) I(RL1)
40
20
0
-20
-40
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Time (s)
Rys. 2.8. Przebiegi napięcia wyjściowego oraz prądów cewki i obciążenia w przypadku zasilania
obciążenia nieliniowego z zastosowaniem sprzężenia w przód od prądu obciążenia.