1.1. Bezpośrednie transformowanie napięć przemiennych

Transkrypt

1 Rozdział Wprowadzenie.. Bezpośrednie ransformowanie napięć przemiennych Bezpośrednie ransformowanie napięć przemiennych jes formą zmiany paramerów wielkości fizycznych charakeryzujących energię elekryczną prądu przemiennego (AC). Polega ono na zmianie napięcia, a przez o prądu oraz mocy obciążenia, bez zmiany częsoliwości jego harmonicznej podsawowej, kóra jes aka sama jak częsoliwość napięcia zasilania, podobnie jak w przypadku ransformowania napięć przemiennych za pomocą ransformaora konwencjonalnego. Ogólną klasyfikację jednofazowych i rójfazowych układów prądu przemiennego (AC) do bezpośredniego ransformowania napięć przemiennych pokazano na rys.., gdzie zamieszczono uproszczone schemay układów rójfazowych, kóre można rakować jako przykład skojarzonych układów jednofazowych. W przedsawionej klasyfikacji wyróżnikiem jes sposób ransformowania napięć przemiennych. Omawiane układy można podzielić na rzy grupy. Na układy, w kórych jes sosowane ylko sprzężenie elekromagneyczne (ransformaory konwencjonalne). Drugą grupę sanowią układy, w kórych sosowane jes ylko sprzężenie elekryczne. Do rzeciej grupy zaliczono układy hybrydowe (ze sprzężeniem elekrycznym i elekromagneycznym). Do drugiej i rzeciej grupy zaliczono układy z łącznikami nie w pełni serowalnymi (układy yrysorowe o serowaniu fazowym albo inegracyjnym z yrysorami ypu SCR) oraz układy z łącznikami w pełni serowalnymi (układy impulsowe o serowaniu ypu PWM z ranzysorami ypu MOSFET, IGBT lub yrysorami ypu GTO). Jak wspomniano o ym wcześniej, omawiane układy umożliwiają zmianę warości napięcia bez zmiany częsoliwości jego harmonicznej podsawowej. Koncepcja ich opologii, kóra jes omawiana i rozwinięa dalej (podrozdział.2 oraz rozdział ), bazuje na opologiach bezpośredniego przekszałnika marycowego AC/AC oraz opologiach przekszałników DC/DC. W celu wyraźnego

2 2. Wprowadzenie odróżnienia mniejszego zakresu funkcjonalnego przekszałników sosowanych w omawianych układach od zakresu funkcjonalnego bezpośrednich przekszałników marycowych AC/AC, w monografii wprowadzono nazwę serownik. Dlaego przekszałniki (rys..) sosowane w układach yrysorowych są nazywane serownikami yrysorowymi (ST) prądu przemiennego, naomias przekszałniki sosowane w układach impulsowych są nazywane serownikami marycowymi (SM) oraz serownikami marycowo-reakancyjnymi (SMR) prądu przemiennego. W lieraurze doyczącej omawianych układów, nazwa serownik (z ang. conroller) jes powszechnie sosowana w odniesieniu do układów yrysorowych [2], [27], [43], [62], [9], [3], [45]. W odniesieniu do układów impulsowych, oprócz nazwy serownik [2], [9], [23] [28], [3], [73], [74], [84], [3], [8] [22], [24] [28] [47], [62] są sosowane nazwy: czoper (z ang. chopper) [], [3], [2], [22], [65], [7], [87], [9], [92], [56], [59], kondycjoner (z ang. condiioner) [6], [8], [29], [3], [34], [35], [37], [44], [82], [23], [3], [57], przekszałnik (z ang. converer) [46], [63], [69], [79] [8], [83], [86], [2], [5], [7], [6], [6], ransformaor prądu przemiennego (z ang. AC/AC ransformer) [36], [37], [39] [4], [6], [72], [78], [55] oraz regulaor [56], [8]. UKŁADY DO BEZPOŚREDNIEGO TRANSFORMOWANIA NAPIĘĆ PRZEMIENNYCH ZE SPRZĘŻENIEM ELEKTROMAGNETYCZNYM: ZE SPRZĘŻENIEM ELEKTRYCZNYM: Źródło ST, Transformaor Obc. Źródło SM, SMR Obc. ZE SPRZĘŻENIEM HYBRYDOWYM: Źródło ST, SM, SMR z izolacją galwaniczną Obc. Rys... Podział ogólny układów do bezpośredniego ransformowania napięć przemiennych; ST serownik yrysorowy, SM serownik marycowy, SMR serownik marycowo-reakancyjny

3 .. Bezpośrednie ransformowanie napięć przemiennych 3 Monografia doyczy impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne ze sprzężeniem elekrycznym oraz hybrydowym. Obejmuje ona jedno- i rójfazowe układy, z SM oraz SMR o serowaniu ypu PWM, w kórych są sosowane łączniki w pełni serowalne (z ranzysorami ypu MOSFET, IGBT lub yrysorami ypu GTO) o częsoliwości przełączania f S >> f (gdzie: f częsoliwość napięcia zasilania). Topologie SM zawierają ylko łączniki w pełni serowalne, naomias opologie SMR zawierają łączniki oraz dodakowe elemeny pasywne LC, podobnie jak przekszałniki DC/DC. Układy z SMR sanowią nową grupę omawianych układów impulsowych. W monografii najwięcej uwagi poświęcono zwłaszcza ym układom. Rozwój prac nad układami z SM oraz SMR wynika z ich korzysnych właściwości w porównaniu z właściwościami układów ze serownikami yrysorowymi. W ujęciu ogólnym, najisoniejsze z nich o: korzysne przesunięcie warości pulsacji wyższych harmonicznych prądu wejściowego do warości (ω S ± ω), gdzie: ω S pulsacja przełączania, ω pulsacja napięcia zasilającego; możliwość zmniejszania i zwiększania warości napięcia wyjściowego odpowiednio poniżej lub powyżej warości napięcia zasilającego (praca ypu buckboos). Układy z SM oraz SMR są rakowane jako alernaywne do układów z ransformaorami konwencjonalnymi. Doyczy o zwłaszcza zasosowań wymagających szybkiej (odbywającej się znacznie krócej od okresu ransformowanego napięcia) zmiany ransmiancji napięciowej (prądowej) w ych układach. Należy jednak podkreślić, że pod względem funkcjonalnym układy z ransformaorami idealnymi są rakowane jako wzorcowe układy do ransformowania napięć przemiennych, co przedsawiono w pracy zespołowej z udziałem auora [27]. Prace nad omawianymi układami impulsowymi znajdują się w obszarze badań doyczących nowych meod efekywnego ransformowania napięć przemiennych..2. Ogólny przegląd lieraury W zasosowaniach przemysłowych układów ze sprzężeniem elekrycznym lub hybrydowym dominują układy z ST. Są one sosowane w układach o szerokim zakresie mocy, od seek VA do seek MVA, a ich funkcje układowe i właściwości są dobrze poznane i przedsawione w pracach [2], [6], [], [43], [57], [9], [], [3], [3], [34] [36], [43] [45] oraz pracach własnych auora [4] [6] i zespołowej z udziałem auora [27]. Układy z ST są sosowane w urządzeniach wykonawczych w elekroermii, urządzeniach echniki świelnej oraz w układach miękkiego saru (z ang. sof sarers) układów napędowych oraz układach ypu FACTS. Ich główne wady o: powodowanie przesunięcia fazowego harmonicznej podsawowej prądu wejściowego oraz znaczne odkszałcenia przebiegów czasowych ego prądu (generowanie wyższych harmonicznych niskoczęsoliwościowych) w układach o serowaniu fa-

4 4. Wprowadzenie zowym oraz generowanie inerharmonicznych w układach o serowaniu inegracyjnym. Ponado, w zasosowaniach jako układy ypu FACTS (np. kompensaor równoległy ypu FCTCR lub szeregowy ypu TCSC) wadą jes niedosaeczna dynamika ze względu na ograniczenie wynikające z właściwości łączników nie w pełni serowalnych (yrysorów SCR) [], [58], [62], [77], [], [8]. Już w laach 7-ych XX w. podjęo prace nad impulsowymi układami ransformującymi napięcia przemienne z łącznikami w pełni serowalnymi oraz o serowaniu ypu PWM (Emanuel-Eigeles, Appelbaum, 97 [2], Mozdzer, Bose, 976 [3]). Pierwsze prace doyczyły układów jednofazowych ze serownikiem marycowym (SM) prądu przemiennego (AC). Topologia ych serowników bazuje na opologii przekszałnika singularnego [53], podobnej do opologii przekszałnika prądu sałego na prąd sały (DC/DC) ypu buck, kóry zawiera jeszcze filr dolnoprzepusowy LC. Topologie rójfazowe ych układów bazują na opologii przekszałnika marycowego (z ang. marix converer) o zredukowanej ilości łączników oraz uproszczonej funkcji przekszałcania. Umożliwiają one ylko zmianę (zmniejszanie) warości napięcia wyjściowego bez zmiany częsoliwości harmonicznej podsawowej ego napięcia. Dlaego są nazywane serownikami marycowymi (SM). Klasyczny przekszałnik marycowy umożliwia zarówno zmianę warości (zmniejszanie) napięcia wyjściowego, jak i zmianę częsoliwości i fazy ego napięcia [55], [55]. W grupie SM wysępują SM jednobiegunowe oraz SM dwubiegunowe (rys. 2.3). Takie rozróżnienie serowników wynika sąd, że bierze się pod uwagę biegunowość harmonicznej podsawowej napięcia obciążenia w przedziale czasu odpowiadającym połowie okresu ego napięcia. Korzysną właściwością SM dwubiegunowych jes możliwość zmiany biegunowości (przesunięcie fazowe lub π) harmonicznej podsawowej napięcia obciążenia. Topologie, realizacje układowe oraz funkcje układowe SM są przedsawione w wielu innych niż wymienione wcześniej pracach. Układy jednofazowe z SM jednobiegunowymi są omawiane w pracach [], [6], [46] [49], [53], [56], [75], [9], [7], [27], [39], [4], [43] oraz pracy własnej auora [9] i pracach zespołowych z udziałem auora [24], [27], [28], [3], [32]. Układy rójfazowe z ymi serownikami są ponado przedsawione w pracach [3], [34], [36], [4], [62] oraz pracy własnej auora [6] i pracach zespołowych z udziałem auora [23], [25], [26], [8], [8], [8] [26], [28], [32], [33], [47]. Dodakowo należy jeszcze uwzględnić prace, kóre doyczą ylko SM dwubiegunowych o serowaniu PWM [5], [52], [54], [6], [74], [7], łącznie z pracą zespołową z udziałem auora [5]. Ponado, w pracach [65], [66], [59] przedsawiono SM jednobiegunowe o serowaniu ypu APWM. Osanie wymienione prace, doyczące SM o serowaniu APWM, obejmują rozwiązanie umożliwiające poprawę wejściowego współczynnika mocy za pomocą podanej echniki serowania. W ujęciu ogólnym, właściwości układów z SM oraz filrami dolnoprzepusowymi LC (wejściowym oraz wyjściowym) są w znacznej części za-

5 .2. Ogólny przegląd lieraury 5 kresu serowania podobne do właściwości układu z ransformaorem idealnym obniżającym napięcie. Dla częsoliwości przełączania f S > 5 khz, aki zakres zmian sygnału serującego odpowiada warościom współczynnika wypełnienia D >,3 w układach z SM jednobiegunowymi. Wraz ze wzrosem częsoliwości przełączania en zakres się zwiększa, przy czym isonym ograniczeniem jes wówczas zmniejszanie współczynnika sprawności omawianych układów wraz ze wzrosem częsoliwości przełączania. W ym konekście właściwości układów z SM są znacznie korzysniejsze od właściwości układów ze serownikami yrysorowymi. Jes o szczegółowo przedsawione w pracach własnych auora [6], [9] oraz pracach wspólnych z udziałem auora [25], [27], [8], [28]. Serowniki marycowe są częso łączone kaskadowo z ransformaorami. Orzymujemy w en sposób układ z SM izolowanym, kóry jes rakowany jako układ ransformujący napięcia przemienne ze sprzężeniem hybrydowym (elekrycznym i elekromagneycznym). Właściwości akich układów zależą dodakowo od przekładni napięciowej ransformaora. Właściwości układów z SM izolowanymi były przedmioem cyowanych już wcześniej prac, w ym również prac zespołowych z udziałem auora [27], [79], [9], [24], [47]. W ej grupie układów warość częsoliwości harmonicznej podsawowej srumienia magneycznego w rdzeniu ransformaora jes aka sama jak częsoliwość napięcia zasilającego (5 lub 6 Hz). Oddzielną grupę SM izolowanych sanowią serowniki o serowaniu PWM z przesunięciem fazowym. Taki sposób serowania zosał wprowadzony przez McMurray a w 97 (za Harada i inni [59]) do przekszałników prądu sałego na prąd przemienny (DC/AC). W układach z ymi SM wysępuje wysokoczęsoliwościowe ransformowanie energii elekrycznej przez ransformaor. Wykorzysuje się w nich przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałami prosokąnymi o współczynniku wypełnienia impulsu D =,5 serującymi łączniki w pełni serowalne po sronie pierwonej i wórnej ransformaora. Daje o efek w posaci wyeliminowania harmonicznej podsawowej srumienia magneycznego w rdzeniu ransformaora o częsoliwości napięcia zasilającego (5 lub 6 Hz), a przez o isoną redukcję masy i wymiarów ransformaora. Omawiane układy i ich właściwości są opisane w pracach [6], [72] [74], [76] oraz pracach zespołowych z udziałem auora [27], [7]. Pod koniec la 8 ych ubiegłego wieku, pojawiły się publikacje doyczące opologii i właściwości jednofazowych impulsowych układów ransformujących napięcie przemienne ze serownikami marycowo-reakancyjnymi (SMR) (Ngo, 986 [63], Hofmeeser, van den Bosch, Klassens, 993 [5]). W przedsawionych w ych pracach SMR wykorzysano znane opologie przekszałników prądu sałego na prąd sały (DC/DC) ypu boos, buck oraz flyback, kóre są omawiane w pracach [9], [3], [], [], [2], [49]. Koncepcja opologii ych serowników bazuje na prosej adapacji opologii przekszałników DC/DC. Adapacja polega na zasąpieniu jednokierunkowych

6 6. Wprowadzenie łączników w pełni serowalnych oraz diod, dwukierunkowymi łącznikami w pełni serowalnymi. Nasępnie a koncepcja opologii SMR była rozwijana na bazie innych znanych opologii przekszałników DC/DC. Jes o ujęe w pracach [7], [88], [34], [6] oraz pracach własnych auora [8], [2] [22] i pracach zespołowych z udziałem auora [27], [29], [32], [37], [38], [4], [42], [44], [87]. Prace e obejmowały SMR jednobiegunowe i dwubiegunowe (rys. 2.3). Podział SMR na akie dwie podgrupy wynika z kryerium, kóre przedsawiono wcześniej przy omawianiu podziału SM. Skueczność implemenacji ak adapowanych układów do ransformowania napięcia przemiennego wynika z liniowości modeli sałoprądowych (modeli DC) przekszałników DC/DC w sanie usalonym [3], [89], [93], [], [2]. Ponado powierdzeniem skueczności akiego podejścia do budowania opologii omawianych serowników, oprócz prac wymienionych wcześniej, są prace doyczące synezy przekszałników energoelekronicznych np. [5], [94], [9], [54]. Wyniki badań właściwości układów z SMR, zamieszczone we wspomnianych wcześniej pracach własnych auora oraz pracach zespołowych z udziałem auora, pozwalają uznać za słuszną ezę, że wszyskie opologie przekszałników DC/DC po zamianie łączników jednokierunkowych na dwukierunkowe mogą być zasosowane do impulsowego ransformowania napięć przemiennych. W ujęciu ogólnym, korzysnym efekem słuszności ej ezy jes isone rozwinięcie koncepcji opologii omawianych układów. Orzymujemy w en sposób nową grupę impulsowych układów ransformujących napięcie przemienne, kóre umożliwiają bezransformaorowe zwiększanie warości napięcia obciążenia powyżej warości napięcia zasilania. Taka właściwość układów z SMR jes ich isoną zaleą w porównaniu z właściwościami układów ze serownikami, kóre omówiono wcześniej. Ponado, a koncepcja opologii układów ransformujących napięcia przemienne daje zwiększenie możliwości kszałowania właściwości układów z ymi serownikami przez wykorzysanie nowych funkcji układowych SMR. Nauralnym rozwinięciem prac doyczących układów jednofazowych z opologiami SMR było ich konynuowanie w zakresie układów rójfazowych. Koncepcję opologii akich SMR, zarówno symerycznych jak i niesymerycznych, przedsawiono w pracy [6] oraz znacznie obszerniej w pracach zespołowych z udziałem auora [29], [3], [32], [34], [38] [4] [6], [3]. Topologie rójfazowe są budowane przez połączenie opologii jednofazowych omówionych wcześniej. Korzysną właściwością opologii rójfazowych jes mniejsza ilość łączników przypadających na jedną fazę niż w opologiach jednofazowych. W cyowanych wcześniej pracach zespołowych z udziałem auora [32], [36], [38] [4] przedsawiono również koncepcję opologii jedno- i rójfazowych SMR izolowanych. W ych opologiach jes sosowany dodakowy ransformaor, podobnie jak w układach z SM izolowanymi. Waro jednak podkreślić, że opologie SMR dają więcej sopni swobody

7 .2. Ogólny przegląd lieraury 7 w zakresie sposobu włączenia ransformaora w srukurę SMR ze względu na większą liczbę węzłów. Doyczy o zwłaszcza opologii SMR wyższego rzędu. Umieszczenie ransformaora w srukurze SMR, oprócz izolacji galwanicznej, daje efeky w posaci isonej zmiany zależności opisujących jego funkcje układowe oraz zmianę właściwości układu. Impulsowe układy ransformujące napięcia przemienne są układami okresowo niesacjonarnymi ze względu na impulsowy charaker zmian paramerów łączników w pełni serowalnych (rysunki.2, oraz.3) sosowanych w ych układach. Modelowanie, analiza funkcji układowych SM oraz analiza właściwości układów z SM w sanie usalonym bazują na modelach obwodowych z łącznikami idealnymi oraz meodzie zmiennych sanu lub meodzie funkcji sanu łączników wprowadzonej w pracy Gyugi, Pelly [55]. Pierwsza meoda, zarówno w wersji klasycznej (bezpośrednie rozwiązywanie równań różniczkowych), np. [42], jak i w wersji operaorowej np. [49], daje złożoną posać opisu właściwości układów z SM, niewygodną do sosowania w prakyce. Z ego powodu częso wykorzysuje się analizę w dziedzinie częsoliwości przybliżoną meodą funkcji sanu łączników z uwzględnieniem ylko harmonicznej podsawowej np. [27], [57]. Ta meoda jes sosowana w większości wcześniej wymienionych prac doyczących układów z SM. Ponado, w pracy własnej auora [9] przedsawiono podejście do modelowania i analizy układów z SM, w kórym wykorzysano meodę uśrednionych zmiennych sanu, podobnie jak dla układów z SMR, co jes omówione dalej. Takie podejście daje bardzo prosy i czyelny sposób modelowania i analizy funkcji układowych omawianych serowników. Może być bardzo użyeczne w prakyce po uwzględnieniu błędów wynikających z echniki uśredniania, kóre również omówiono dalej. To podejście jes również rozwinięe w monografii. Modelowanie, analiza funkcji układowych SMR oraz analiza właściwości układów z SMR w sanie usalonym jes bardziej złożona niż układów z SM. W pracach doyczących impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne z SMR, przyoczonych wcześniej, są sosowane rzy podejścia do zagadnień modelowania i analizy właściwości ych układów. Pierwsze podejście bazuje na modelu obwodowym SMR z łącznikami idealnymi oraz analizie meodą zmiennych sanu [63]. Drugie podejście bazuje na modelach obwodowych SMR z łącznikami idealnymi oraz przybliżonej meodzie zmiennych sanu (zlinearyzowanych równaniach zmiennych sanu) [7], [6]. Trzecie podejście bazuje na meodzie uśrednionych zmiennych sanu, wprowadzonej w pracy (Middlebrock, Ćuk []) do analizy przekszałników DC/DC. Ta meoda zosała później rozwinięa i jes szeroko sosowana [4], [9], [], [3], [89], [93], [93], [99], [], [], [2], [4], [43], [48] [5], [58], [6], zwłaszcza w analizie przekszałników DC/DC. Meodę uśrednionych zmiennych do analizy układów z SMR wprowadzono i rozwinięo w pracach własnych auora [8], [9], [2], [22] oraz

8 8. Wprowadzenie w pracach zespołowych z udziałem auora [27], [29] [3], [35] [42], [44], [82] [87], [6]. W przywołanych pracach, począkowo meoda a była sosowana w sposób heurysyczny. Były w nich przedsawione modele obwodowe uśrednione, kóre konsruowano według akiej samej procedury jak dla przekszałników DC/DC. Nie uwzględniono jednak wykazania słuszności akiego podejścia. Jes isone, że akie podejście w obszarze omawianych układów jes formalnie poprawne po uwzględnieniu odpowiedniego operaora uśredniania, co zosało przedsawione w pracy [4] oraz pracach zespołowych z udziałem auora [82] [87]. W ych osanich pracach przedsawiono dowód zbieżności rozwiązań równań zmiennych sanu i uśrednionych zmiennych sanu, kóre opisują omawiane układy przy częsoliwości przełączania f S, jeśli jes sosowany operaor uśredniania w bieżących okresach przełączania (operaor uśredniania inny niż w układach z przekszałnikami DC/DC). Ponado, w cyowanych osanio pracach zespołowych z udziałem auora, przedsawiono ilościową ocenę błędów uśredniania zmiennych sanu przy skończonej częsoliwości przełączania f S. Pełna koncepcja meody modelowania omawianych układów z SMR, bazująca na modelach obwodowych uśrednionych SMR oraz ich opisie zaciskowym, jes przedsawiona w monografii. Porzebę i celowość badań omawianych układów powierdzają prace doyczące ich zasosowań, kóre obejmują rzy obszary. W pierwszym obszarze SM i SMR są sosowane do serowania napięcia, prądu oraz mocy obciążenia w układach prądu przemiennego (jako serowniki prądu przemiennego, z ang. AC conrollers, czopery prądu przemiennego, z ang. PWM AC choppers lub kondycjonery prądu przemiennego, z ang. PWM AC line condiioners). Takie zasosowania są omawiane w pracach [], [3], [6], [2], [45], [46] [48], [55], [59], [6], [72] [74], [98], [3], [34], [57], [6], [62] oraz pracach zespołowych z udziałem auora [23], [25] [32], [35] [42], [44], [7], [8], [6], [8] [29], [3] [33], [47]. Ten obszar obejmuje również zasosowania SM dwubiegunowych o serowaniu ypu PWM z przesunięciem fazowym oraz ransformaorem wysokoczęsoliwościowym. Drugi obszar, kóry osanio dynamicznie się rozwija, obejmuje zasosowania SM oraz SMR w urządzeniach ypu FACTS. Są o propozycje zasosowań w sabilizaorach napięcia przemiennego, kóre przedsawiono w pracach [], [5], [52], [54], [6], [76], [92], [4], [7] oraz pracach zespołowych z udziałem auora [32], [36], [38] [4]. Zasosowania w urządzeniach ypu FACTS obejmują również propozycje zasosowań: w przesuwnikach fazy napięcia przemiennego, w równoległych i szeregowych kompensaorach mocy biernej SVC, w kompensaorach krókorwałych zapadów napięcia przemiennego (z ang. volage sags compensaor) oraz symeryzaorach rójfazowego napięcia zasilania. Te zasosowania są omawiane w pracach [8], [62], [69], [92], [95] [97], [2], [52], [56], [6] oraz pracach własnych auora [7], [2] i pracach zespołowych z udziałem auora [33] [35]. Trzeci obszar obejmuje nowe zasosowania

9 .2. Ogólny przegląd lieraury 9 SMR dwubiegunowych do bezpośredniego przekszałcania prądu przemiennego na prąd sały (AC/DC) bez sosowania konwencjonalnego prosownika wejściowego, co przedsawiono w pracach [64], [67] oraz pracy zespołowej z udziałem auora [68]. W osanich laach można zauważyć wyraźny wzros zaineresowania zasosowaniami SM i SMR, co jes związane ze wzrosem ilości prac opisujących ich funkcje układowe oraz właściwości układów z ymi serownikami..3. Cel i zakres pracy Przedmioem pracy są impulsowe układy ransformujące napięcia przemienne ze sprzężeniem elekrycznym oraz hybrydowym, w kórych są sosowane serowniki marycowe (SM) lub serowniki marycowo-reakancyjne (SMR). Głównym zamierzeniem auora było opracowanie i zesawienie uzyskanych wyników badań ak, aby sanowiły one spójną i efekywną bazę w rozwijaniu i analizie nowych i użyecznych zasosowań omawianych układów. Celem pracy, w ujęciu ogólnym, jes przedsawienie opologii, meody modelowania, funkcji układowych SM oraz SMR i właściwości układów z ymi serownikami w sanie usalonym oraz zasosowań omawianych układów. W szerszym ujęciu obejmuje on: koncepcję opologii i realizacji układowych jedno- i rójfazowych impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne z SM oraz SMR; koncepcję meody modelowania impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne bazującą na modelach obwodowych uśrednionych serowników oraz ich opisie zaciskowym (czwórnikowym); dowód zbieżności rozwiązań równań zmiennych sanu i uśrednionych zmiennych sanu, kóre opisują omawiane układy przy częsoliwości przełączania f S ; ocenę dokładności modeli uśrednionych zmiennych sanu impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne za pomocą ilościowej analizy ampliudowych i fazowych błędów uśredniania; opracowanie modeli obwodowych uśrednionych SM i SMR ich opisu zaciskowego (czwórnikowego) oraz analizę funkcji układowych ych serowników; określenie zależności opisujących właściwości impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne z modelami obwodowymi uśrednionymi SM i SMR oraz wyniki badań symulacyjnych i eksperymenalnych ych właściwości;

10 . Wprowadzenie sysemaykę opologii, realizacji układowych oraz modeli obwodowych uśrednionych jedno- i rójfazowych impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne. sysemaykę propozycji zasosowań jedno- i rójfazowych impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne, obejmującą również propozycje własne auora i propozycje zespołowe z udziałem auora. Praca składa się z sześciu rozdziałów, kóre są poprzedzone wykazem symboli, oznaczeń i skróów. Ogólne wprowadzenie w emaykę i opis przedmiou pracy jes przedsawione w rozdziale. Ponado zawiera on przegląd publikacji związanych z emaem, cel i zakres pracy oraz przyjęe założenia upraszczające. W rozdziale 2 przedsawione są opologie oraz sysemayka realizacji układowych impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne. Zawiera on syneyczny opis układów z SM, SMR oraz z SM i SMR izolowanymi (ze serownikami hybrydowymi (SH)). W opisie są wykorzysywane modele obwodowe serowników z łącznikami idealnymi (modele obwodowe niesacjonarne). Przedsawiono w nim również rozwinięcie doychczasowych prac, doyczących omawianych układów w zakresie opologii SMR i SMR izolowanych rójfazowych. Proponowana w pracy koncepcja meody modelowania omawianych układów jes przedsawiona w rozdziale 3. Zawiera on opis ogólny (schema) proponowanego podejścia do modelowania omawianych układów. Wykorzysuje się w nim zmodyfikowaną echnikę uśredniania bazującą na równaniach uśrednionych zmiennych sanu, modelach obwodowych uśrednionych serowników oraz ich opisie zaciskowym (czwórnikowym). W ym rozdziale przedsawiono dowód zbieżności rozwiązań równań zmiennych sanu i uśrednionych zmiennych sanu, kóre opisują omawiane układy przy częsoliwości przełączania f S, jeśli jes sosowany operaor uśredniania w bieżących okresach przełączania (operaor uśredniania inny niż w układach z przekszałnikami DC/DC). Zawiera on schemay zasępcze układów z modelami obwodowymi uśrednionymi wszyskich serowników o opologiach przedsawionych w rozdziale 2. Jes w nim również przedsawiony szczegółowy opis jednofazowych schemaów zasępczych omawianych układów w posaci opisu zaciskowego bazującego na równaniach łańcuchowych. Ujęo w nim również ocenę dokładności proponowanych modeli obwodowych uśrednionych serowników sosowanych w omawianych układach. Zawiera on ilościową ocenę ampliudowych i fazowych błędów uśredniania zmiennych sanu przy skończonej częsoliwości przełączania. W rozdziale 4 przedsawiona jes analiza funkcji układowych SM i SMR oraz właściwości impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne z ymi serownikami w sanie usalonym. Zawiera on zesawienie zależności analiycznych jako funkcji sygnału serującego (współczynnika wypełnienia

11 .3. Cel i zakres pracy impulsu D lub współczynnika przesunięcia fazowego α) w układach z modelami obwodowymi uśrednionymi, kóre opisano w rozdziale 3. Część z ych zależności jes w nim również przedsawiona w posaci graficznej, pozwalającej na porównanie z wynikami badań symulacyjnych omawianych układów z łącznikami idealnymi (układów niesacjonarnych). Są one rakowane jako przykłady wyników badań osiągnięych za pomocą proponowanej koncepcji meody modelowania. Ujęo w nim również przykłady wyników badań wpływu paramerów układów z SMR (warunki dopasowania lub niedopasowania) na podsawowe właściwości ych układów. Ponado, jes w nim przedsawiony króki opis zjawisk rezonansowych w omawianych układach. Sysemaykę propozycji zasosowań impulsowych układów ransformujących napięcia przemienne, obejmującą również propozycje własne auora oraz propozycje zespołowe z udziałem auora, przedsawiono w rozdziale 5. Zawiera on krókie opisy przykładów zasosowań omawianych układów: jako serowniki prądu przemiennego, jako podzespoły układów FACTS oraz jako bezpośrednie przekszałniki prądu przemiennego na prąd sały (AC/DC). W ym rozdziale pokazano przydaność, opracowanych w ramach pracy, modeli obwodowych uśrednionych SM i SMR w opisie działania omawianych układów. Rozdział 6 zawiera podsumowanie końcowe oraz propozycje dalszych badań. Ponado praca zawiera dodaki, wykaz lieraury oraz sreszczenie. W dodakach przedsawiono: zesawienie opologii SMR, rozwiązania równań zmiennych sanu i uśrednionych zmiennych sanu, przykład wyprowadzenia równań uśrednionych zmiennych sanu, paramery łańcuchowe badanych serowników, współczynniki harmonicznej podsawowej zmiennych sanu i uśrednionych zmiennych sanu oraz paramery badanych układów..4. Założenia W pracy przyjęo nasępujące założenia upraszczające: ) Łączniki są idealne, zn. mają zerową warość rezysancji w sanie włączenia i nieskończoną w sanie wyłączenia, a zmiana sanu wysępuje bez zwłoki czasowej, jak pokazano na rysunkach.2 oraz.3. 2) Funkcje przełączania łącznika idealnego o serowaniu ypu PWM z czasem marwym mają przebiegi czasowe pokazane na rys..2b. 3) Funkcje przełączania łącznika idealnego o serowaniu ypu PWM z przesunięciem fazowym mają przebiegi czasowe pokazane na rys..3. 4) Układy są zasilane przez idealne źródła napięcia przemiennego. 5) Obciążenie jes liniowe i symeryczne. 6) Serowanie łączników jes synchroniczne, zn. zachodzi zależność: TS / T ω / ω S N, (.) 7) Transformaor idealny ma nasępujące paramery [37]:

12 2. Wprowadzenie M R = R2 = ; L = ; L2 = ; M = ; K = = (.2) L L 8) Idealizowane przebiegi czasowe napięć i prądów o przebiegi czasowe harmonicznej podsawowej. a) s() b) s() 2 - = 2 δ δ s () s () - -2 δ = 2 - = 2 δ δ Rys..2. Przykładowe przebiegi czasowe funkcji sanu łączników idealnych przy serowaniu ypu PWM, a) bez czasu marwego, b) z czasem marwym s(), s () = s() funkcje przełączania łączników idealnych, czas włączenia, okres przełączania, δ czas marwy a) s () s () - = 2 - = 2 b) s 2 () D s 2() D - = 2 - = 2 Rys..3. Przykładowe przebiegi czasowe funkcji sanu łączników idealnych przy serowaniu ypu PWM z przesunięciem fazowym, a) dla łączników po sronie pierwonej, b) dla łączników po sronie wórnej ransformaora izolującego s (), s 2 (), s () = s (), s 2() = s 2 (), funkcje przełączania łączników idealnych czas włączenia, okres przełączania, D czas opóźnienia