W4. UKŁADY ZŁOŻONE I SPECJALNE PRZEKSZTAŁTNIKÓW

Teoria Przekształtników - kurs elementarny
W4. UKŁADY ZŁOŻONE I SPECJALNE PRZEKSZTAŁTNIKÓW
SIECIOWYCH (AC/DC, AC/AC)
W W2 i W3 przedstawiono układy jednokierunkowe 2 i 3-pulsowe (o
jednokierunkowym prądzie w źródle napięcia przemiennego). Ich poznanie i
analiza są uzasadnione tym, że większość układów stosowanych w praktyce
stanowi kompozycję tych elementarnych układów - tzw. grup komutacyjnych . W
szczególności najbardziej rozpowszechnione prostowniki mostkowe
charakteryzujące się dwukierunkowym przepływem prądu źródła można
traktować jako szeregowe połączenie dwóch grup komutacyjnych
Mostek jednofazowy
Rys.4.1. Mostek jednofazowy jako szeregowe połączenie dwóch prostych prostowników jednokierunkowych
zasilanych ze źródła o napięciu U/2
Mostek trójfazowy
Rys. 4.2. Powstanie mostka trójfazowego jako połączenie dwóch trójfazowych grup komutacyjnych :
anodowej i katodowej
Mieczysław Nowak ISEP PW
[email protected]
luty/marzec 2005
Teoria Przekształtników - kurs elementarny
W układzie mostka trójfazowego w przypadku komutacji przy przewodzeniu
ciągłym komutacje zachodzą odrębnie w każdej z grup - tak samo jak w układzie
trójpulsowym.
Rys.4.3. Charakterystyczne przebiegi napięć i prądów w mostku 3 fazowym z uwzględnieniem zjawiska
komutacji.
Prąd w linii zasilającej mostka jest prądem dwukierunkowym symetrycznym w
którym nie występują harmoniczne będące wielokrotnością 3 (harmoniczne
zgodne).
Problem: Jak należy załączać tyrystory mostka trójfazowego aby przekształtnik
mógł być uruchomiony przy przewodzeniu impulsowym prądu odbiornika
Problem: Jaki jest współczynnik deformacji dla mostka trójfazowego przy
pominięciu komutacji (µ=0) i idealnie wygładzonym prądzie odbiornika
(Id=const).
Pytanie: Jakie napięcie (maksymalną wartość średnią) można uzyskać na
wyjściu trójfazowego mostka tyrystorowego w przypadku gdy fazowe napięcie
sieci jest równe 230V (RMS)
Mieczysław Nowak ISEP PW
[email protected]
luty/marzec 2005
Teoria Przekształtników - kurs elementarny
Układy trójfazowych prostowników o większej niż 6 liczbie pulsów [L2]:
Możliwe jest łączenie większej niż dwie (zwykle parzystej) liczby grup
komutacyjnych. Przykładem jest połączenie szeregowe mostków jak
przedstawiono na rys. 4.4. Układ 12-pulsowy uzyskuje się tylko w przypadku
gdy napięcia systemów energetycznych (uzwojeń transformatora ) są dla każdego
z mostków przesunięte o 30° el. [L2:168-183]
Rys.4.4 Łączenie szeregowe mostków trójfazowych : a) schemat b) sytemy nie przesunięte tworzą układ 6
pulsowy, c) systemu przesunięte dają prostownik 12-pulsowy
Problem: Jest możliwa współpraca szeregowo połączonego mostka diodowego
- nie sterowanego i tyrystorowego sterowanego. Jaki jest wtedy zakres
sterowania napięcia wyjściowego. Ile pulsów ma taki układ?
Możliwa jest także równoległa współpraca grup komutacyjnych ale niezbędny
jest wtedy dławik wyrównawczy który ograniczy prąd zwarcia pomiędzy
przewodzącymi fazami różnych źródeł. Przykład połączenia równoległego dwóch
3-pulsowych grup komutacyjnych przedstawia schemat z rys. 4.5. Napięcia
każdego z trójfazowych systemów są przesunięte o 180° el . W ten sposób
powstaje prostownik 6 pulsowy przydatny przy niskich napięciach odbiornika
Rys.4.5. Równoległe łączenie przekształtników dla zwiększenia liczby pulsów
a) połączenie 2 grup 3-pulsowych, b) połączenie 2 grup 6-pulsowych
Mieczysław Nowak ISEP PW
[email protected]
luty/marzec 2005
Teoria Przekształtników - kurs elementarny
Odpowiednie przebiegi napięć i prądów równolegle połączonych 3-pulsowych
grup przy różnych kątach wysterowania α zawiera rys. 4.6.
Rys.4.6. Przebiegi napięć i prądów w układzie wg; rys. 4.5.a. przy kącie α=30°el (a) i α=60°el (b)
Problem: Napięcia wyrównawcze występujące na dławikach ( patrz - przebiegi rys. 4.6 są
napięciami przemiennymi). Czy prąd wyrównawczy płynący pomiędzy połączonymi
grupami zależy od kąta wysterowania. Jaka jest częstotliwość napięcia wyrównawczego w
układzie z rys.4.5a i 4.5 b.
Przekształtniki z diodą rozładowczą i mostkowe półsterowane [L2:str160]
W przypadkach gdy nie jest wymagane ujemne napięcie średnie na wyjściu
prostownika ( bez pracy falownikowej) możliwe jest zastosowanie diody tzw.
rozładowczej lub układów w których połowę tyrystorów zastępują diody.
Rys. 4.7. Schematy układów o jednokierunkowym napięciu wyjściowym ; a) z diodą rozładowczą, b,c) mostki półsterowane
Pytanie: Na podstawie przebiegów prądów linii zasilającej wykazać że
mostek półsterowany ma lepszy współczynnik mocy niż mostek w pełni
sterowany.
Mieczysław Nowak ISEP PW
[email protected]
luty/marzec 2005
Teoria Przekształtników - kurs elementarny
Przekształtniki dwukierunkowe - nawrotne {L2: 163-168]
Pojedynczy przekształtnik tyrystorowy umożliwia uzyskanie napięcia
wyjściowego dodatniego (prostownik) oraz ujemnego (falownik) natomiast prąd
może mieć tylko jeden kierunek zgodnie z tym co umożliwiają jednokierunkowe
zawory . Dla osiągnięcia prądu dwukierunkowego należy połączyć dwa
przekształtniki. Jednym z możliwych sposobów jest przedstawiony na rys. 4.8.
Taki złożony układ zwany nawrotnym zapewnia zarówno dodatnie jak i ujemne
wartości średnie napięć i prądów wyjściowych. Jeżeli przewidziana jest
jednoczesna praca (jednoczesne przewodzenie) tyrystorów obydwu grup
konieczne jest włączenie pomiędzy nie dławików wyrównawczych. W przypadku
gdy przewidziana jest elektroniczna blokada pracy jednego z układów tego
rodzaju dławiki nie są konieczne.
Rys. 4.8. Schematy połączeń trójfazowych zespołów prostowników a) jednokierunkowych - trójpulsowych
( a) i dwukierunkowych 6-pulsowych ( b)
Na rys. 4.9. przedstawiono typowe przebiegi dla przypadku jednoczesnego
przewodzenia dwóch zespołów A i B połączonych jak na rysunku 4.8 a.
Warunkiem by nie powstało trwałe zwarcie jest odpowiednie sterowanie kątem
każdej z grup tak by nie powstało dodatnie - zgodne z możliwym kierunkiem
przewodzenia zaworów napięcie średnie. Warunek ten może być zapisany w
postaci.
α falownika ≥ π − α prostownika
Problem: Przekształtnik nawrotny w postaci jak na rys. 4.8 umożliwia napędzanie i
hamowanie zez zwrotem energii maszyny prądu stałego przy dwóch kierunkach wirowania
(różne znaki napięcia twornika) . Należy przeanalizować pracę przekształtnika nawrotnego
dla możliwych stanów pracy.
Mieczysław Nowak ISEP PW
[email protected]
luty/marzec 2005
Teoria Przekształtników - kurs elementarny
Rys. 4.9 Przebiegi napięcia zespołów prostowniczych przy pracy z prądami wyrównawczymi ze spełnionym
warunkiem bezpiecznej pracy
Przemienniki bezpośrednie - cyklokonwertery [ L2: str. 179-183]
Przekształtnik nawrotny ze względu na swoje właściwości może wytwarzać
napięcie przemienne pod warunkiem, że częstotliwość formowanego napięcia jest
nie większa niż ¼ częstotliwości 3-fazowej sieci zasilającej. Przykład
rozwiązania tego przekształtnika w który w podstawowej wersji trójfazowej
wymaga 36 tyrystorów i może być zastosowany do zasilania wielkich
wolnoobrotowych maszyn synchronicznych lub asynchronicznych (np. w piecach
cementowych) przedstawiono na rys. 4.10. Jeżeli przekształtniki są zasilane z
tego samego systemu konieczne jest galwaniczne rozdzielenie faz odbiornika
( maszyny el.) W przypadku gdy takie rozdzielenie nie jest możliwe każdy z
zestawów przekształtników fazowych musi być zasilany za pomocą separującego
transformatora. Napięcie wyjściowe może być kształtowane jako tzw. trapezowe
tak jak to przedstawiono na rys. 4.11. Inny sposób sterowania przemienników
bezpośrednich, to ciągłe sterowanie kątami załączenia każdego z dwóch
przekształtników I i II zasilających fazę odbiornika przy czym obowiązuje zasada
wynikająca z charakterystyki sterowania przekształtników.:
α I = arccos[m sin(ω0t )]...α II = arccos[−m sin(ω0t )]
gdzie: ω0 – częstotliwość formowanego przebiegu wyjściowego przemiennika. m
- współczynnik amplitudy napięcia regulowany od 0 do 1.
Mieczysław Nowak ISEP PW
[email protected]
luty/marzec 2005
Teoria Przekształtników - kurs elementarny
Rys.4.10. Schemat cyklokonwertera (przemiennika bezpośredniego) zastosowanego do zasilania trzech
izolowanych uzwojeń stojana maszyny elektrycznej
Rys.4.11. Przebieg napięcia i prądu w jednej fazie odbiornika zasilanego z cyklokonwertera przy sterowaniu
trapezowym (przebieg prądu - orientacyjny )
Istotną wadą tego rodzaju przekształtników bezpośrednich jest bardzo
niekorzystne oddziaływanie na sieć zasilającą ponieważ brak regularnego i łatwo
wyznaczanego spektrum prądu.
Mieczysław Nowak ISEP PW
[email protected]
luty/marzec 2005
Teoria Przekształtników - kurs elementarny
Przekształtniki sieciowe PWM
Przedstawione powyżej przekształtniki sieciowe jak niesterowane prostowniki
diodowe oraz sterowane prostowniki tyrystorowe cechuje niekorzystne
oddziaływanie na sieć wynikające z odkształconego ( niesinusoidalnego)
pobieranego prądu. Przy zastosowaniu przyrządów w pełni sterowanych tranzystorów MOS, IGBT i tyrystorów GTO można zrealizować przekształtnik
który dzięki sterowaniu wg. metody modulacji szerokości impulsów (PWM)
pobierają z sieci prąd bliski sinusoidalnemu i ponadto o ile potrzeba z
kontrolowanym przesunięciem fazowym. Podstawowe topologie tego rodzaju
przekształtników przedstawiono na rys. 4.12. Jeżeli przyjąć, że przy
częstotliwości łączeń ( częstotliwości impulsów) kilkadziesiąt razy większej od
częstotliwości sieci przekształtnik PWM jest sterowanym źródłem sinusoidalnego
napięcia umożliwiającym dwukierunkowy przepływ prądu to korzystając z
wykresu wskazowego jak na rys. 4.13. można wyjaśnić zasadę kontrolowanego
sterowania przepływem energii -zarówno pracy prostownikowej jak i
falownikowej. Należy przy tym przyjąć, że układ sterowania umożliwia płynną
regulację przesunięcia fazowego i amplitudy napięcia Up wytwarzanego na
wejściu AC przekształtnika . Jednocześnie z uwagi na konieczność
dysponowania większą amplitudą napięcia na wejściu niż amplituda napięcia
sieci napięcie stałe na wejściu DC (Ud) musi być utrzymywane na większej
wartości niż przy prostowaniu prostownikiem nie sterowanym (diodowym)
Oznacza to, że Ud> ULm
Rys.4.12. Schematy przekształtników sieciowych
PWM o sinusoidalnym prądzie pobieranym z sieci:
a) przekształtnik 1-fazowy, b) 3-fazowy
Mieczysław Nowak ISEP PW
Rys. 4.13. Wykres wskazowy służaćy do określenia
kierunku przepływu energii i wyznaczenia
składowych mocy w przekształtniku sieciowym
PWM
[email protected]
luty/marzec 2005
Teoria Przekształtników - kurs elementarny
Rys.4.14. Przykładowe przebiegi prądu w jednofazowym przekształtniku PWM ( rys. 4.13.a) dla różnych
wartości napięcia Up i różnych wartości kąta ψ. [Napięcie linii 90 Vmax częstotliwość impulsowania - 500
Hz] a) ψ= -10 °, Up = 98V, b) ψ= 10 °, Up = 98V; c) ψ= 0 °, Up = 99V d) ψ= 0 °, Up = 75V e) jak dla a) ale
przy 4 razy większej częstości łączeń fs=2000 Hz)
Przedstawione przebiegi (rys.4.14) w powiązaniu z wykresem wskazowym
(rys.4.13) pozwalają wyjaśnić zasadę funkcjonowania prostownika PWM.
Napięcie na dławiku UX jest różnicą geometryczną napięcia linii ULi napięcia
nastawianego na wejściu przekształtnika - UP. Ustawiając poprzez tzw
współczynnik modulacji m ( UPm = mUd) i kąt ψ wskaz napięcia UP tak by jego
hodograf stanowił okrąg wokół wierzchołka wskazu UL można uzyskać
wymaganą orientację wskazu UX. Ponieważ prąd pobierany z linii jest
przesunięty o 90° względem napięcia występującego na dławiku można dowolnie
nastawiać amplitudę ILm i fazę ϕ sinusoidalnego prądu wejściowego prostownika .
Tym samym możliwe jest niezależne nastawianie mocy czynnej i biernej
pobieranej z sieci.. O tym jak dalece przebieg prądu pobieranego z linii zależy od
częstotliwości łączeń (impulsowania) przekształtnika wskazują rysunki 4.14 a i e.
Mieczysław Nowak ISEP PW
[email protected]
luty/marzec 2005
Teoria Przekształtników - kurs elementarny
Pytanie: Jak przedstawiają się wykresy wskazowe napięć UL, UP, UX dla
przypadków odpowiadających stanom pracy przekształtnika podanym na
rysunku 4.14 a-d.
Przekształtniki matrycowe
Dysponując łącznikami o dwukierunkowym blokowanym napięciu i
dwukierunkowym przewodzonym prądzie można zrealizować najbardziej
uniwersalną postać przekształtnika jak przedstawia schemat z rys. 4.15. W
najogólniejszej postaci przekształtnik matrycowy może łączyć dwa systemy o
różnej liczbie faz.
Przedstawiony przykład z rysunku dotyczący sprzężenia systemów trójfazowych
ilustruje podstawową cechę przekształtników wiążących odrębne systemy. Dla
zapewnienia
fizycznie
realizowalnych
przełączeń
przez
przyrządy
półprzewodnikowe obwód po jednej stronie przekształtnika musi mieć charakter
napięciowy podczas gdy obwód po stronie musi mieć charakter prądowy.
Zapewniają to odpowiednio kondensatory i dławiki. Tego rodzaju kanon
obowiązuje dla wszelkich typów przekształtników.
Sterowanie przekształtników matrycowych łączących systemy wielofazowe jest
zadaniem wielce złożonym.
Rys.4.15. Schemat przekształtnika matrycowego łączącego dwa systemy trójfazowe
Pytanie: Dlaczego nie można dopuścić po obu stronach przekształtnika takiego
samego charakteru obwodów ( napięciowego lub prądowego
Mieczysław Nowak ISEP PW
[email protected]
luty/marzec 2005