Maciej Tondos PODSTAWY ENERGOELEKTRONIKI

Maciej Tondos PODSTAWY ENERGOELEKTRONIKI 1. Co o jes energoelekronika? Sr. 1.1. DEFINICJA ENERGOELEKTRONIKI...2 1.2. HISTORIA ENERGOELEKTRONIKI...2 1.3.ZASTOSOWANIA ENERGOELEKTRONIKI...3 2.Podsawowe problemy energoelekroniki. 2.1.MIEJSCE UKŁADU ENERGOELEKTRONICZNEGO...4 2.2.SPRAWNOŚĆ UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH...4 3.Elemeny energoelekroniczne 3.1. KLASYFIKACJA ELEMENTÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH...6 3.2. KRÓTKI OPIS DZIAŁANIA NAJWAŻNIEJSZYCH ELEMENTÓW...7 ENERGOELEKTRONICZNYCH 3.2.1. DIODA...9 3.2.2. TYRYSTOR SCR...10 3.2.3. TRIAK...10 3.2.4. TYRYSTOR WYŁĄCZALNY GTO...11 3.2.5. TYRYSTOR MCT...11 3.2.6. TRANZYSTOR BIPOLARNY BJT...11 3.2.7. TRANZYSTOR BIPOLARNY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ - IGBT...12 3.2.8. TRANZYSTOR POLOWY MOCY - MOSFET...12 3.2.9. ELEMENTY SCALONE TYPU SMART (Inelligen Power Module) 13 3.3.ZAKRESY MOCY I CZĘSTOTLIWOŚCI PRZEŁĄCZEŃ W PODSTA WOWYCH URZĄDZENIACH ENERGOELEKTRONICZNYCH...14 4.Podsawowe układy energoelekroniczne 4.1.KLASYFIKACJA PRZETWORNIKÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH...14 4.2. PROSTOWNIKI (przeworniki AC/DC)...15 4.2.1. PROSTOWNIKI JEDNOPULSOWE...16 4.2.2. PROSTOWNIKI DWUPULSOWE...19 4.2.3. PROSTOWNIKI TRÓJPULSOWY...20 4.2.4. PROSTOWNIKI SZEŚCIOPULSOWE...21 4.3.FALOWNIKI...21 4.3.1. ZASADA MODULACJI SZEROKOŚCI IMPULSÓW...22 4.3.2. RODZAJE FALOWNIKÓW NAPIĘCIOWYCH...23 4.4. PRZETWORNIKI DC/DC...24 4.4.1. PRZETWORNIKI TYPU DC/DC OBNIŻAJĄCE NAPIĘCIE...25 18.4.4.2. WIELOKWADRANTOWE PRZETWORNIKI TYPU DC/DC...26 4.5.CYKLOKONWERTORY...27 5. Oddziaływanie układów energoelekronicznych na sieć zasilającą 5.1.POBÓR MOCY BIERNEJ...29 5.2.KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ...31 1

1. Co o jes energoelekronika? 1.1. DEFINICJA ENERGOELEKTRONIKI (wg.ieee PELS) Na sronie inerneowej (hp://www.pels.org) Towarzyswa Energoelekronicznego amerykańskiego Insyuu Inżynierów Elekryków i Elekroników [The Insiue of Elecrical and Elecronics Engineers Power Elecronics Sociey (IEEE-PELS)] możemy przeczyać: Energoelekronika o zasosowanie układów elekronicznych do przewarzania energii elekrycznej. Ty masz więcej konaków z energoelekroniką niż przypuszczasz. Jeżeli prowadzisz samochód, używasz kompuera, goujesz w kuchni mikrofalowej, rozmawiasz przez elefon jakiegokolwiek ypu, słuchasz radioodbiornika sereo, wiercisz owór przy pomocy wierarki bezprzewodowej, wedy masz konak z energoelekroniką. Dzięki energoelekronice energia elekryczna porzebna do uruchomienia urządzeń, kórych codziennie używasz, jes przewarzana, filrowana i dosarczana z maksymalną sprawnością w najmniejszych rozmiarach i w minimalnej wadze. Jej oficjalna definicja jes nasępująca : Energoelekronika o echniki obejmujące zasosowanie urządzeń elekronicznych, eorii obwodów, meod projekowych oraz nowoczesnych narzędzi analizy w celu wysokosprawnego przewarzania, serowania i dopasowywania paramerów energii elekrycznej. Wydaje się, że niezbędnym jes przyoczenie ego nieco przydługiego cyau, gdyż nawe w szerokich kręgach elekryków isnieje niezrozumienie miejsca i roli energoelekroniki. Bardzo częso jes ona posrzegana jako zw. elekronika silnych prądów lub elekronika dużych mocy. Nic bardziej błędnego! Tego rodzaju poglądy mają pewne uzasadnienie wynikające z hisorii rozwoju energoelekroniki (parz. Rozdz. 1.2). Przez kilka dziesięcioleci XX wieku rzeczywiście obszarem zasosowań energoelekroniki były urządzenia elekryczne dużych mocy. Były o głównie napędy elekryczne górniczych maszyn wyciągowych i walcowni huniczych. Naomias obserwując energoelekronikę na progu XXI wieku wzimy, że obecnie największym obszarem zasosowań urządzeń energoelekronicznych są gospodarswa domowe (parz Tab.1). Odbiorniki am sosowane charakeryzują się bardzo niewielkimi mocami (od kilkunasu waów do kilku kilowaów), naomias ich ilość jes olbrzymia. Sąd wolumen mocy zainsalowanej w używanych w gospodarswach domowych urządzeniach energoelekronicznych jes największy spośród wszyskich obszarów zasosowań energoelekroniki. Mało ko w pełni z ego sobie zdaje sprawę. Czasami rozwój energoelekroniki określa się jako cichą rewolucję, gdyż bardzo ekspansywnie wnika ona we wszyskie obszary echniki bez specjalnego podkreślania swojej roli. Zwróćmy uwagę, że cyowana powyżej definicja, opracowana przez najbardziej kompeennych specjalisów, nie mówi nic o wielkości mocy przewarzanej przez urządzenia energoelekroniczne. Podkreśla naomias bardzo mocno konieczność wysokiej sprawności ego przewarzania. 1.2. HISTORIA ENERGOELEKTRONIKI Energoelekronika jes częścią elekroechniki o znacznie krószej hisorii. Za jej począek można uznać przełom XIX i XX wieku. Swoisymi kamieniami milowymi w rozwoju energoelekroniki były: 1897 - Układ prosownikowy (Graez) 1901 - Prosownik ręciowy ( Hewi Cooper) 1923 - Tyraron ( Langmuir, Hall) 1933 - Igniron ( Slepian) Energoelekronika półprzewodnikowa 1948 - Tranzysor ( Bardeen,Briain,Shockley) Nagroda Nobla w 1956 r. 2

1957 - Tyrysor SCR ( General Elecric) 1970 - Tranzysor mocy 500V 20A ( Delco Elecronics) 1975 - TOSHIBA GIANT TRANSISTOR (300V, 400A) 1978 - Power MOSFET 100V 25A ( Inernaional Recifier) 1980 - Tyrysor GTO 2500V 1000A ( Hiachi, Misubishi, Toshiba) Pierwszy yrysor GTO 200V, 50A opracowano w 1970 roku w firmie General Elecric USA 1985 - Tranzysor IGBT ( General Elecric, Siemens, Power Compac ) 1988 - Smar Power Device ( Thomson, firmy japońskie) Doniosłe wydarzenie, jakim było wynalezienie w 1948 roku ranzysora, zapocząkowało nowy okres w rozwoju energoelekroniki. Jes nim aż do chwili obecnej energoelekronika półprzewodnikowa. Od ego czasu opracowano wiele nowych elemenów półprzewodnikowych, uległy również znacznemu zwiększeniu ich zakresy prądowe i napięciowe. Jes o proces ciągły i również w chwili obecnej jeseśmy świadkami znacznego posępu w ej dziedzinie echniki. 1.3.ZASTOSOWANIA ENERGOELEKTRONIKI Tabela 1. Obszary zasosowań energoelekroniki (wg. [1]) a) Gospodarswa domowe - chłodziarki i zamrażarki - ogrzewanie - klimayzacja - goowanie - oświelenie - elekronika domowa (PC, TV i inne) b) Handel - ogrzewanie, wenylacja i klimayzacja - cenralne chłodnie - oświelenie - kompuery i sprzę biurowy - bezprzerwowe zasilacze (UPS) - dźwigi, windy c) Przemysł - pompy - kompresory - wenylaory i dmuchawy - obrabiarki, roboy - piece łukowe i indukcyjne - oświelenie - lasery przemysłowe - spawarki d) Transpor - samochody elekryczne - zasilacze dla samochodów elekrycznych - lokomoywy elekryczne - ramwaje i rolejbusy - mero e) Energeyka - przesyłanie energii prądem sałym (HVDC) - kompensaory mocy biernej - odwarzalne źródła energii (słoneczne, wiarowe, wodne, biogazowe, ip.) - pompy cenralnego ogrzewania - sysemy magazynowania energii f) Asronauyka - pokładowe sysemy zasilania - sysemy saeliarne g) Telekomunikacja - zasilacze akumulaorów - bezprzerwowe zasilacze mocy (UPS) Przedsawiona powyżej Tab.1 zawierająca wyniki swoisego rankingu obszarów zasosowań energoelekroniki zesawionego wg kryerium wielkości wolumenu mocy zainsalowanej zosała opracowana przez specjalisów amerykańskich. Uwzględnia ym 3

samym san energoelekroniki w Sanach Zjednoczonych. W innych krajach, w ym i w Polsce, a kolejność jes zapewne bardzo różna. Można przyjąć, że poziom sosowanych echnologii decyduje o zasosowaniach energoelekroniki. Im bardziej nowoczesne echnologie są wprowadzane, ym większe są zaporzebowania na zasosowania urządzeń energoelekronicznych. Szacuje się, że w krajach o najwyższym poziomie echnologicznym, akich jak Japonia czy Sany Zjednoczone, aż 80% 90% procen użykowanej energii elekrycznej jes przewarzana w urządzeniach energoelekronicznych. W chwili obecnej brak jes wiarygodnych szacunków jak en problem wygląda w Polsce. 2.Podsawowe problemy energoelekroniki. 2.1.MIEJSCE UKŁADU ENERGOELEKTRONICZNEGO Na rys.1 przedsawiono uproszczony schema sysemu wywarzania, przesyłu i przewarzania energii elekrycznej. Jak wać, układ energoelekroniczny jes członem pośredniczącym pomiędzy źródłem a użykownikiem energii elekrycznej. Jego wielkością wejściową jes energia elekryczna o ściśle określonych paramerach (napięcie, częsoliwość), a wielkością wyjściową również energia elekryczna ale o paramerach regulowanych zgodnie z wymaganiami użykownika. Rys.1. Uproszczony schema sysemu wywarzania, przesyłu i przewarzania energii elekrycznej To cenralne usyuowanie urządzenia energoelekronicznego nakłada na nie bardzo wysokie wymagania doyczące sprawności i pewności działania. Zarówno sprawność jak i niezawodność działania sysemu wywarzania i przesyłu jes bardzo wysoka (bliska 100%). Dlaego eż, o od przewornika energoelekronicznego zależy głównie jakość działania całego sysemu. 2.2.SPRAWNOŚĆ UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH Jednym z podsawowych wymagań sawianych urządzeniom energoelekronicznym jes wysoka sprawność przewarzania energii. W odróżnieniu od układów zw. elekroniki liniowej, gdzie sprawność nie jes podsawowym wyróżnikem ich jakości działania, układy energoelekroniczne muszą pracować ze sprawnością rzędu 90-99%. Dlaego eż zagadnienia minimalizacji sra w każdym urządzeniu energoelekronicznym zawsze były i będą podsawowym problemem, z kórym musi uporać się konsrukor. W począkowym okresie rozwoju energoelekroniki półprzewodnikowej (1955-70) podsawowym układem sosowanym w prakyce przemysłowej był prosownik z komuacją sieciową, gdzie przełączanie elemenów odbywało się z bardzo niską częsoliwością sieciową. W ym układzie podsawowym źródłem sra były sany przewodzenia elemenów, kórymi były 4

yrysory SCR. O sprawności układu prosownikowego decydowały zaem jedynie paramery yrysorów, głównie spadek napięcia w sanie przewodzenia. Możliwości zmniejszania sra były zaem bardzo ograniczone. Konsruowane w ym okresie czasu inne układy energoelekroniczne, akie jak falowniki czy choppery wykorzysywały również jedyny dosępny na rynku elemen nie w pełni serowalny jakim był yrysor SCR. Powodowało o, że ich srukury były bardzo rozbowane, ponieważ aby umożliwić wyłączenie elemenu, należało sosować częso bardzo skomplikowane układy komuacji zewnęrznej. Obniżało o znacznie sprawność układu energoelekronicznego. Ale o już ylko hisoria energoelekroniki. W połowie la siedemdziesiąych (1975) pojawił się na rynku pierwszy użyeczny dla zasosowań w energoelekronice bipolarny ranzysor mocy (Toshiba Gian Transisor Ic= 400 A,Vce=300 V), kóry zapocząkował epokę zasosowań elemenów w pełni serowalnych. Obecnie dysponujemy już bardzo szeroką gamą ych elemenów, z kórych najważniejsze o: ranzysor IGBT (Insulaed Gae Bipolar Transisor), polowe ranzysory mocy (Power MOSFET), yrysory GTO (Gae Turn Off ) i inne. Technolodzy nie powiedzieli w ej dziedzinie osaniego słowa. Zasosowanie dosępnych elemenów w pełni serowalnych spowodowało ogromny posęp w zakresie konsrukcji głównie układów falownikowych (DC/AC, AC/DC/AC) i chopperowych (DC/DC). Możliwym sało się wykorzysanie znanych z innych dziedzin echnik modulacyjnych akich jak PWM (Pulse Wh Modulaion) czy eż PFM (Pulse Frequency Modulaion), gdzie elemeny są przełączane z częsoliwościami od kilku khz do kilku Mhz, dzięki czemu przebiegi wyjściowe prądów bądź napięć są bardzo zbliżone do przebiegów sinusoalnych. Wiadomym jes, że wzros częsoliwości przełączeń musi spowodować wzros sra łączeniowych. W radycyjnej, zw. wardej meodzie przełączania (hard swiching) w sanach przejściowych np. podczas wyłącznia elemenu nasępuje jednocześnie zanikanie prądu i wzros napięcia na elemencie (rys.2). Rys.2. Przebiegi napięcia, prądu na elemencie oraz parabola sra mocy podczas wardego przełączania Przy załączaniu mamy syuację odwroną. W obydwu ych przypadkach na elemencie wysępują znaczne sray mocy, kóre opisywane są zw. parabolą sra mocy. Jedynym sposobem zmniejszenia sra energii rozumianych jako całka ze sra mocy jes skracanie 5

czasu rwania przełączeń. Wedy parabola sra mocy zawęża swoje ramiona (nie zmieniając warości eksremalnej) dzięki czemu całka z mocy sra czyli energia sra jes mniejsza. Lecz możliwości skracania czasu przełączeń są bardzo ograniczone. Spowodowane o jes właściwościami opologicznymi układu i ograniczonością paramerów dynamicznych elemenu. Tak oo energoelekronika sanęła przed kolejną barierą uniemożliwiającą wzros sprawności proponowanych rozwiązań układowych. W 1986 roku (Divan) zosała po raz pierwszy zaproponowana nowa meoda serowania elemenami energoelekronicznymi zw. miękkie przełączanie (sof swiching). Głównym założeniem ej meody jes wymóg przełączania elemenu przy zerowym prądzie (ZCS - Zero Curren Swiching) lub przy zerowym napięciu (ZVS - Zero Volage Swiching). Ponieważ wedy jeden z czynników iloczynu decydującego o sraach mocy jes bliski zeru, o zaem możliwe będzie znaczne ograniczenie łączeniowych sra mocy. Przykładowy przebieg napięcia i prądu w ranzysorze przy zasosowaniu ej meody pokazano na Rys.3. Rys.3. Przebiegi napięcia i prądu w ranzysorze podczas miękkiego przełączania Realizacja układowa ej meody wymaga zasosowania echnik rezonansowych lub quasi rezonansowych, co jes bardzo rnym zagadnieniem. Obserwując najnowsze publikacje w znaczących periodykach o zasięgu świaowym można swierdzić, że jeszcze daleko do pełnego rozwiązania ych problemów. 3.Elemeny energoelekroniczne 3.1. KLASYFIKACJA ELEMENTÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH Elemeny energoelekroniczne można podzielić na nasępujące grupy: a) diody energoelekroniczne b) elemeny nie w pełni serowalne (yrysory SCR, fooyrysory - LASCR, yrysory asymeryczne- ASCR, yrysory wsecznie przewodzące RCT, riaki i inne). Elemeny e charakeryzują się ławym przełączaniem przy pomocy obwodu bramkowego z charakerysyki blokowania na charakerysykę przewodzenia. Naomias wyłączenie elemenu jes nieco skomplikowane, wymaga bowiem przejścia przez charakerysykę zaworową (Rys.4a). 6

a) b) Rys.4. Pełny cykl pracy elemenu energoelekronicznego a) nie w pełni serowalnego b) w pełni serowalnego c) elemeny w pełni serowalne (ranzysory mocy: bipolarne BJT, z izolowaną bramką- IGBT, polowe MOSFET, yrysory wyłączalne GTO i MCT) Załączanie i wyłącznie ych elemenów odbywa się przy pomocy obwodu bramkowego (rys.4b) d) moduły ineligenne, elemeny ypu smar 3.2. KRÓTKI OPIS DZIAŁANIA NAJWAŻNIEJSZYCH ELEMENTÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH W przedsawionej poniżej Tabeli 2 przedsawiono zesaw najczęściej sosowanych elemenów energoelekronicznych. Można am znaleźć symbole graficzne, przekroje warswowe oraz charakerysyki prądowo napięciowe lub przykładowe przebiegi przy załączaniu i wyłączaniu elemenu. TABELA 2. NAJWAŻNIEJSZE ELEMENTY ENERGOELEKTRONICZNE NAZWA SYMBOL GRAFICZNY PRZEKRÓJ WARSTWOWY CHARAKTERYSTYKA LUB PRZYKŁADOWE PRZEBIEGI i 1 R ON U BR DIODA ~1V u 7

kaoda ia bramka san włączenia TYRYSTOR SCR -V RWM I H I B0 i > 0 G i = 0 G V H V B0 uak anoda san blokowania TRIAK kaoda bramka TYRYSTOR GTO bramka kaoda n + p n + n - n + p + n + p + n + p + n + p + anoda anoda a) anoda SiO 2 Schema zasępczy G A krzem polikrysaliczny bramka M 1 p n+ p + n+ p T 1 M 2 TYRYSTOR MCT n p - p + T 2 n+ K kaoda 8

B i ED E kolekor n + SiO 2 n + TRANZY- STOR BI- POLARNY BJT baza emier ranzysor NPN p n - i BD i CD i BM i CM baza kolekor ranzysor PNP n + emier C TRANZY- STOR IGBT TRANZY STOR POLOWY -MOSFET 3.2.1. DIODA Dioda energoelekroniczna jes najprosszym i najczęściej sosowanym elemenem energoelekronicznym. Jes o przyrząd dwuwarswowy, dwuelekrodowy o powszechnie znanej charakerysyce. Co prawda korzysając ylko z diod można skonsruować zaledwie prosowniki nieserowane. Lecz diody sosowane są prakycznie we wszyskich układach energoelekronicznych jako elemeny wspomagające. Z ego powodu isnieje olbrzymia gama ych przyrządów przeznaczonych do najrozmaiszych zasosowań. Zakresy napięciowe (V RRM ) osiągają nawe warości 80 kv (specjalne diody wysokonapięciowe). Maksymalne częsoliwości przełączeń niekórych diod energoelekronicznych (np. Schoky ego) wynosi nawe kilka MHz. 9

3.2.2. TYRYSTOR SCR Tyrysor SCR (Silicon Conrolled Recifier) jes najsarszym półprzewodnikowym elemenem energoelekronicznym. Trno przecenić jego rolę w rozwoju energoelekroniki półprzewodnikowej. Przez kilka dziesięcioleci był jedynym dosępnym energoelekronicznym elemenem półprzewodnikowym. Był o okres kiedy we wszyskich układach energoelekronicznych jako elemen podsawowy sosowano yrysor SCR. Jes przyrząd nie w pełni serowalny, czerowarswowy, rójelekrodowy. Jego charakerysyka prądowo napięciowa składa się z czerech części : zaworowej, blokowania, przewodzenia i przełączenia (niesabilna). Jego załączenie j. przejście z charakerysyki blokowania na charakerysykę przewodzenia odbywa się poprzez podanie odpowiedniego impulsu prądowego w obwodzie bramkowym, kóry uruchamia reakcję lawinową. Naomias wyłączenie elemenu jes nieco skomplikowane. Wymaga bowiem przejścia przez charakerysykę zaworową (rys.4a). Z ego powodu sosowanie ego elemenu w akich układach jak falowniki czy przeworniki DC/DC wymagało użycia dodakowych, częso bardzo skomplikowanych obwodów komuacji zewnęrznej realizujących ę funkcję. Wprowadzenie elemenów w pełni serowalnych (GTO, BJT, IGBT ip.) wyeliminowało yrysor SCR z zasosowań w w/w układach. W chwili obecnej yrysor SCR sosowany jes w zasadzie ylko w układach prosowników serowanych o komuacji sieciowej. W poprzednich laach powsało szereg elemenów, kóre były modyfikacją yrysora SCR. Były o akie przyrządy jak : yrysor asymeryczny (ASCR), yrysor przewodzący wsecznie (RCT), ip.. W ych elemenach dzięki zmniejszaniu grubości warsw wewnęrznych uzyskiwano krósze czasy odzyskiwania zdolności zaworowych. Dzięki emu mogły one pracować z większymi częsoliwościami przełączeń. Było o bardzo isone w układach falownikowych i chopperowych. Z przyczyn podanych powyżej, elemeny e obecnie całkowicie sraciły uzasadnienie ich sosowania. W ym miejscu należy wspomnieć jeszcze o pewnej modyfikacji yrysora SCR, kóra okazała się bardzo pożyeczna w niekórych aplikacjach. Doyczy o yrysora SCR serowanego świałem (Ligh Acivaed Silicon Conrolled Recifier - LASCR, LTT). Cechą charakerysyczną ego elemenu jes podawanie impulsu serującego poprzez świałowód zbowany z włókna szklanego będącego bardzo dobrym izolaorem. Dzięki emu mamy zapewnioną izolację galwaniczną pomiędzy obwodem serowania a obwodem mocy. Dlaego eż en przyrząd znalazł szerokie zasosowanie w elekroenergeyce między innymi w układach sprzęgających różne sysemu energeyczne, liniach przesyłowych prądu sałego (High Volage Direc Curren - HVDC) ip.. 3.2.3. TRIAK Tyrysor dwukierunkowy zwany riakiem ma charakerysyki odpowiadające układowi dwu przeciwrównolegle połączonych yrysorów SCR. Może zaem przewodzić zarówno przy dodaniej jak i ujemnej polaryzacji elekrod głównych. Jego serowanie jes enyczne jak w przypadku yrysora SCR. Ogólnie można powiedzieć, że en przyrząd znajduje głównie zasosowanie w układach w kórych celem jes regulacja warości skuecznej wyjściowych napięć i prądów. Są o przede wszyskim urządzenia elekryczne małej mocy wykorzysywane w gospodarswach domowych akie jak : ściemniacze, kuchenki elekryczne, komuaorowe silniki prądu zmiennego dla wenylaorów, wierarek ip.. Z ego powodu na rynku możemy znaleźć ylko riaki o prądach znamionowych do 50 A. W razie konieczności serowania większymi mocami sosuje zamiennik w posaci wspomnianego powyżej układu dwu przeciwrównolegle połączonych yrysorów SCR, kórych zakresy prądowe i napięciowe są prakycznie nieograniczone. 10

3.2.4. TYRYSTOR WYŁĄCZALNY GTO Tyrysor wyłączalny GTO (Gae Turn Off Thyrisor) jes elemenem czerowarswowym, rójkońcówkowym, w pełni serowalnym. Hisoria rozwoju ego przyrządu energoelekronicznego jes bardzo ciekawa i pouczająca. Pierwszy elemen ego ypu zosał opracowany w laach siedemdziesiąych w Sanach Zjednoczonych i przez wiele la był rakowany bardziej jako ciekawoska echniczna niż użyeczny przyrząd energoelekroniczny. W laach osiemdziesiąych w Japonii przysąpiono do generalnej modernizacji rakcji elekrycznej polegającej na jej wyposażaniu w energooszczędne urządzenia energoelekroniczne. Okazało się, że dosępne wedy na rynku elemeny w pełni serowalne (ranzysory BJT) nie mogą spełnić wszyskich wymagań ypowych dla ego rodzaju napędów. Doyczyło o głównie zakresów mocy. Dlaego eż ponownie zaineresowano się yrysorem GTO. W krókim okresie czasu rzy japońskie firmy wprowadziły w roku 1980 na rynek yrysory GTO o paramerach: prąd wyłączalny - 1000 A, napięcie blokowania 2500 V. To już w pełni saysfakcjonowało konsrukorów napędów rakcyjnych. Od ego czasu yrysory znacznie zwiększyły swoje paramery. W chwili obecnej dosępne są yrysory GTO o paramerach wymienionych powyżej rzędu odpowiednio 5000 A oraz 5000 V. Załączanie yrysora GTO jes bardzo podobne do załączania yrysora SCR. Naomias proces wyłączania jes bardzo rny w realizacji. Wyłączenie wymaga bowiem ujemnego prądu bramkowego (parz Tab. 2) o warości szczyowej równej 20 % 30% warości głównego prądu wyłączanego. Przy dużych warościach ego prądu sawia o bardzo duże wymagania obwodom serowania prądem bramki. Jes o isona wada yrysorów GTO. Aby emu zaradzić pojawiają się osanio zmodyfikowane wersje yrysora GTO zw. GCT (Gae Conrolled Thyrisor) w kórych wyłączanie jes nieco prossze. Ze względu na bardzo wysokie zakresy paramerów prądowych i napięciowych yrysory GTO są sosowne w urządzeniach energoelekronicznych najwyższych mocy. Jako ciekawoskę można podać fak, że we wszyskich najszybszych kolejach świaa (Shinkaisen, ICE, TGV) sosowane są układy z yrysorami GTO. Graniczna częsoliwość przełączeń dla yrysorów GTO wynosi 2000 Hz. 3.2.5. TYRYSTOR MCT Tyrysory MCT (MOS Conrolled Thyrisors) są elemenami półprzewodnikowymi, kóre w jednej srukurze łączą właściwości czerowarswowego yrysora w pełni wyłączalnego i wejściowego ranzysora MOS. Mają one nie ylko wszyskie korzysne cechy yrysora wyłączalnego GTO, ale ponado serowanie ich odbywa się za pośrednicwem bramki o dużej rezysancji i nie wymagają dużych wejściowych sygnałów prądowych w procesie wyłączania. Wywarzane obecnie yrysory MCT mają właściwości bardzo arakcyjne dla użykowników, a mianowicie mały spadek napięcia w sanie przewodzenia, mniejszy nawe od ranzysorów BJT i IGBT. Podobnie jak ranzysory polowe mocy MOSFET, również yrysory MCT mają bowę komórkową. W jednej konsrukcji monoliycznej, wykonanej w echnice scalonej, jes duża liczba równolegle połączonych enycznych komórek, np. elemen 100 A, 1000 V ma 10 5 elemenów. Elemen en obecnie znajduje się w fazie rozwojowej i dlaego rno wyrokować o jego przyszłych zasosowaniach. 3.2.6. TRANZYSTOR BIPOLARNY BJT Tranzysory bipolarne mocy BJT (Bipolar Juncion Transisors) są wykorzysywane niemal wyłącznie do pracy dwusanowej. W zależności od sygnału serującego bazy (bramki) mogą być wprowadzone w san przewodzenia (nasycenia) o małym spadku napięcia między kolekorem a emierem (1 1,5 V) lub w san blokowania o dużej rezysancji wewnęrznej. W sosunku do yrysorów o serowanym włączaniu różnią się sposobem pracy. San 11

przewodzenia ranzysorów jes urzymywany ciągłym (dodanim dla ranzysora n-p-n) prądem bazy, a impulsem prądowym o kierunku przeciwnym (ujemnym dla ranzysora n-p-n) można ranzysor przełączyć ze sanu nasycenia w san blokowania. Wzmocnienie prądowe pojedynczego ranzysora b = I C /I B = 5 10 jes niekiedy zby małe do niekórych zasosowań. W celu zwiększenia wzmocnienia prądowego wywarza się monoliyczne układy Darlingona co znacznie ogranicza zakresy częsoliwości przełączeń. Wynalezienie w 1948 roku półprzewodnikowego przyrządu nazwanego ranzysorem było począkiem rewolucyjnych zmian w wielu dziedzinach echniki. Użyeczne dla energoelekroniki ranzysory mocy pojawiły się jednak dopiero w laach siedemdziesiąych (np. Toshiba Gian Transisor 1975 rok). Przyśpieszyło o znacznie rozwój energoelekroniki. Uprościły się znacznie układy falownikowe i chopperowe. Zniknęła konieczność sosowania częso bardzo skomplikowanych zw. układów komuacji zewnęrznej. Lecz ze względu na wady ranzysorów BJT polegających głównie na konieczności sosowania układu serowania o dużej mocy oraz małych częsoliwościach przełączeń zosały zasąpione przez wynalezione w laach osiemdziesiąych ranzysory IGBT. W chwili obecnej w nowych konsrukcjach całkowicie nie sosuje się ranzysorów BJT. 3.2.7. TRANZYSTOR BIPOLARNY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ - IGBT Tranzysory z izolowaną bramką IGBT (Insulaed Gae Bipolar Transisor) są monoliyczną, wykonaną w echnice scalonej na jednej pasylce krzemu, kombinacją ranzysora bipolarnego i ranzysora polowego. Sygnały serujące są doprowadzane do bramki ranzysora MOS, a srukura bipolarna przewodzi prąd obciążenia. Tranzysory IGBT mają zwykle bowę komórkową, dzięki czemu jes możliwe serowanie większymi mocami i uzyskuje się w sanach dynamicznych bardziej równomierny rozkład prądu w srukurze elemenu. Tranzysory IGBT dopuszczają większe gęsości prądu w porównaniu z ranzysorami bipolarnymi i polowymi mocy. Ich wymiary są około 3-konie mniejsze od ranzysorów mocy MOSFET przy ych samych warościach znamionowych napięć i prądów. Spadek napięcia w ranzysorach z izolowaną bramką i w ranzysorach BJT ma warość zbliżoną, lecz jes znacznie mniejszy niż w ranzysorach polowych mocy. Zakres częsoliwości przełączeń wynosi obecnie kilkanaście khz. Wydaje się, że ze względu na swoje zaley akie jak : prosoa i małe moce obwodów serowania oraz duże częsoliwości przełączeń w niezby odległej przyszłości ranzysory IGBT zasąpią yrysory GTO w oszarach najwyższych mocy. 3.2.8. TRANZYSTOR POLOWY MOCY - MOSFET Opanowanie echnologii wywarzania ranzysorów polowych ypu MOSFET (Meal- Oxe-Semiconducor Field-Effec Transisor) nasąpiło w począkach la osiemdziesiąych. Współcześnie elemeny e mają w większości przypadków srukurę DMOS (Double-diffused MOS), kóra umożliwia uzyskanie większych gęsości prądu i wyższe napięcia pracy niż o było możliwe przy sosowaniu innych echnologii. Tranzysor MOSFET mocy, odmiennie niż ranzysor bipolarny mocy, jes elemenem z nośnikami większościowymi (elekronami) i jes serowany napięciem doprowadzonym do elekrody serującej (bramki), izolowanej od srukury głównej elemenu. Pole elekryczne wywarzane przez dodanie napięcie bramki pobza przepływ elekronów między warswą n + źródła a warswą n drenu. Współczesny ranzysor polowy jes konsrukcją monoliyczną wykonaną w echnice scalonej, składającą się z wielkiej liczby (do ponad 1000) pojedynczych elemenów połączonych równolegle. Bramka jes całkowicie izolowana elekrycznie przez warswę dwulenku krzemu (SiO 2 ) o dużej rezysancji (rzędu 10 9 W) ak, że przy wyserowaniu prąd w jej obwodzie nie płynie, jeżeli oczywiście pominąć prąd przeładowania pojemności między elekrodami. Dzięki emu 12

serowanie ego elemenu wymaga niewielkiej mocy. Przełączanie ranzysora polowego zarówno w san przewodzenia, jak i w san blokowania odbywa się przy bardzo małych sraach w porównaniu z innymi elemenami. Sray wydzielane w ranzysorze polowym w procesie przełączania są pomijalnie małe w sosunku do sra w sanie jego przewodzenia. Proces włączania i wyłączania ranzysora polowego przebiega znacznie szybciej niż we wszyskich pozosałych elemenach. Dlaego eż zakres częsoliwości przełączeń dla ych elemenów wynosi ponad 1 MHz. 3.2.9. ELEMENTY SCALONE TYPU SMART (Inelligen Power Module) Niekóre elemeny energoelekroniczne mają bowę modułową zawierającą zarówno serowniki jak i obwody zabezpieczające. Te dosępne na rynku moduły nazywane są ineligennymi modułami mocy (Inelligen Power Modules IPM) lub elemenami ypu smar ( Smar Power Devices). Wyposażone są w izolację między wejściem a wyjściem, serowniki, regulaory mikrokompuerowe, obwody zabezpieczeń i diagnosyki dla przeciążeń, przepięć, zwarć, wpływu zewnęrznych pól magneycznych oraz regulowane zasilacze. Podobnie fabrycznie wbowane scalone obwody są osiągalne zarówno dla yrysorów jak i ranzysorów MOSFET i IGBT. Na rys.5 pokazano układ ypu smar umieszczony w spince do krawaa. Na powierzchni 6mm / 5 mm pomieszczono rójfazowy mosek z 6 ranzysorami IGBT (biały obszar) oraz kompleny serownik i regulaor ypu PWM (czarny obszar). Moc wyjściowa układu wynosi 300 W. W chwili obecnej (2002 rok) układy ypu smar dla większych mocy są bardzo drogie. Zaledwie w zakresie do 500 W sanowią one konkurencję cenową dla układów radycyjnych. Naomias prognoza pokazana na rys.6 jes bardzo opymisyczna. Rys.5.Układ ypu smar. Trójfazowy falownik z regulaorem PWM. Moc wyjściowa 300 W. (producen Fuji Elecric) Rys.6. Porównanie koszów układów ypu smar z radycyjnymi 13

3.3.ZAKRESY MOCY I CZĘSTOTLIWOŚCI PRZEŁĄCZEŃ W PODSTWOWYCH URZĄDZENIACH ENERGOELEKTRONICZNYCH Na rys.7 przedsawiono diagram kojarzący zakresy mocy obecnie dosępnych układów energoelekronicznych z zakresami częsoliwości przełączeń zasosowanych w nich elemenów (kluczy) energoelekronicznych. Wać na nim, że obecne urządzenia energoelekroniczne bowane są w zakresie mocy od kilkunasu waów do kilkziesięciu megawaów. W obszarze największych mocy konsruowane są : a) prosowniki o komuacji sieciowej, w kórych sosowane są yrysory SCR b) falowniki z yrysorami GTO c) przeworniki DC/DC (choppery) z yrysorami GTO. Ze zrozumiałych powodów zakres częsoliwości przełączeń sosowanych w ych układach elemenów energoelekronicznych jes niewielki. Maksymalna jego wielkość o 1 khz. W obszarze średnich mocy w układach prosownikowych sosowane są również yrysory SCR, naomias w falownikach i przewornikach DC/DC używa się obecnie ranzysorów IGBT. Dzięki emu możemy osiągać częsoliwości przełączeń od 1 khz do 100 khz. W obszarze najwyższych częsoliwości przełączeń (1 MHz) i najmniejszych mocy jedynym możliwym do zasosowania elemenem jes ranzysor polowy MOSFET. Godnym podkreślenia jes perspekywa zasosowań ranzysora IGBT. Ze względu na opisane powyżej zaley, już w chwili obecnej całkowicie wyeliminował on z zasosowań ranzysor bipolarny BJT, a w niezby odległej przyszłości najprawdopodobniej wyprze z obszaru największych mocy yrysor GTO. Rys.7. Zakresy mocy i częsoliwości elemenów energoelekronicznych 4.Podsawowe układy energoelekroniczne 4.1.KLASYFIKACJA PRZETWORNIKÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH a) podział ze względu na charaker przebiegów wejściowych i wyjściowych: Przebieg wejściowy Przebieg wyjściowy Nazwa Przemienny (AC) Sały (DC) Prosownik (AC/DC) 14

Sały (DC) Sały (DC) Przewornik prądu sałego (DC/DC) (ang. chopper) Sały (DC) Przemienny (AC) Falownik (DC/AC) Przemienny (AC) Przemienny (AC) Przekszałnik prądu przemiennego (AC/AC) (cyklokonwerer) b) podział ze względu na sposób przekszałcania źródeł: pośrednie (np. przemienniki częsoliwości) bezpośrednie (np. prosowniki) c) podział ze względu na bowę: prose złożone połączenie kaskadowe połączenie równoległe d) podział ze względu na kierunek przepływu prądu i energii, zwro napięcia: nawrone i nienawrone odzyskowe i nieodzyskowe 4.2. PROSTOWNIKI (przeworniki AC/DC) Prosownikami są nazywane układy energoelekroniczne, służące do przekszałcania napięć przemiennych w napięcia sałe (jednokierunkowe). Z reguły są zasilane napięciami sinusoalnymi jedno- lub rójfazowymi. Przebieg czasowy napięcia wyjściowego jednokierunkowego, zwanego napięciem wyprosowanym składa się z odpowiednich wycinków napięć sinusoalnych zasilających prosownik. Od liczby impulsów p napięcia i prądu wyprosowanego przypadającej na okres napięcia przemiennego linii zasilającej prosownik wywodzą się nazwy prosowników. Na przykład prosownik, kórego napięcie wyprosowane zawiera w okresie napięcia linii zasilającej rzy impulsy (p=3) jes nazywany prosownikiem rójpulsowym. W prosownikach serowanych zasilające napięcia przemienne są doprowadzane w ściśle określonych przedziałach czasu, do odbiornika prądu sałego, poprzez yrysory. Serując fazowo yrysory uzyskuje się bezsopniową regulację napięcia i prądu wyprosowanego. W zależności od warości kąa załączania yrysorów oraz od rodzaju odbiornika prosowniki serowane mogą przekazywać energię w kierunku od linii zasilającej do odbiornika (san pracy prosownikowej), lub w kierunku przeciwnym (san pracy falownikowej). Ze względu na sposób wyłączania elemenów (yrysorów) a grupa układowa bardzo częso nazywana jes przewornikami o komuacji sieciowej (line commuaed converers). Ee Ee Ud Ud Rys.8. Praca prosownikowa (a) i falownikowa (b) 15

Na rysunku 8 przedsawione są schemay blokowe przekszałnika o komuacji sieciowej, znajdującego się w sanie pracy prosownikowej i falownikowej. Można zauważyć, że zmiana kierunku przepływu energii elekrycznej E e nasępuje w wyniku zmiany znaku napięcia wyprosowanego U d, przy zachowaniu ego samego kierunku przepływu prądu wyprosowanego i d. Prąd wyprosowany i d płynący przez odbiornik podłączony do wyjścia prosowników wielopulsowych, może mieć charaker ciągły lub impulsowy. Mówi się wówczas o przewodzeniu ciągłym prosownika lub impulsowym. W wielu przypadkach prosowniki są zasilane z ransformaorów. Transformaory prosownikowe dopasowują przede wszyskim warość napięcia linii zasilającej oaz ich fazę do wymagań układu yrysorowego i odbiornika. Oprócz ego ransformaory e ograniczają wpływ zakłóceń powsających w linii zasilającej na przekszałnik oraz wpływ pracującego przekszałnika na linię zasilającą. Indukcyjności rozproszenia uzwojeń ransformaora prosownikowego znacznie ograniczają akże prądy zwarciowe. Układy prosownikowe można podzielić na serowane (z yrysorami SCR) nieserowane (diodowe). W obydwu powyższych grupach można dokonać podziału uwzględniającego sposób zasilania i opologię układu: a)jednofazowe (jedno i dwupulsowe) b)rójfazowe (rójpulsowe, sześciopulsowe, wielopulsowe) Ponieważ prosowniki nieserowane można porakować jako szczególny przypadek prosowników serowanych, w niniejszym opracowaniu opisane będą ylko prosowniki serowane. 4.2.1. PROSTOWNIKI JEDNOPULSOWE Na rys.9. przedsawiono podsawowy schema prosownika jednopulsowego. u1 u2 Rys.9.Prosownik jednofazowy, jednopulsowy Naomias na kolejnych rzech rysunkach można znaleźć odpowiednie przebiegi prądów i napięć dla obciążenia ypu R (Rys.10), RL (Rys.11) i RLE (Rys.12 i Rys.13). 16

Rys.10. Przebiegi napięć, prądu i impulsu serującego w prosowniku jednopulsowym dla obciążenia ypu R Ld/d ur z R 2 w u2 ig T 2 Rys.11. Przebiegi napięć, prądu i impulsu serującego w prosowniku jednopulsowym dla obciążenia ypu RL Ld/d ur=r ur E 0 2 u2 z w T ig 2 Rys.12. Przebiegi napięć, prądu i impulsu serującego w prosowniku jednopulsowym dla obciążenia ypu RLE (praca prosownikowa) 17

Ld/d u2 0 -E 2 ur=r z T ig 2 Rys.13. Przebiegi napięć, prądu i impulsu serującego w prosowniku jednofazowym, jednopulsowym dla obciążenia ypu RLE (praca falownikowa) Załączenie yrysora jes możliwe ylko w przypadku jego dodaniej polaryzacji zn. w zakresie kąów załączenia 0 < ϑz < π.w przypadku obciążenia ypu R (Rys.10)na wyjściu układu prosownikowego pojawiają się ylko dodanie wycinki sinusoy. Naomias w przypadku obciążenia ypu RL (Rys.11)napięcie wyjściowe zawiera również składową ujemną, co powoduje zmniejszenie warości średniej napięcia wyprosowanego. Aby wyeliminować o zjawisko sosuje się układ przedsawiony na rys.14, w kórym dodano zw. diodę zerową. Odpowiednie przebiegi prądów i napięć przedsawiono na rys.15 Na wyjściu układu orzymujemy ylko dodanie warości napięcia i prądu. Zaem w ym układzie praca falownikowa jes niemożliwa. T it R u1 u2 L Rys.14. Prosownik jednopulsowy z diodą zerową Ld/d ur 0 ur=r u2 2 z T= z F= z Rys.15. Przebiegi napięć, prądu w prosowniku jednopulsowym z diodą zerową dla obciążenia ypu RL 18

4.2.2. PROSTOWNIKI DWUPULSOWE Na rys.16. pokazano dwie możliwe konfiguracje prosowników dwupulsowych. Układ z rys.16a. składa się z ypowego jednofazowego, dwuuzwojeniowego ransformaora i czerech yrysorów w układzie moskowym. W ej wersji możliwe jes również zasosowanie dwu yrysorów i dwu diod. Naomias układ z rys.16.b wymaga zasosowania dwu yrysorów oraz jednofazowego ransformaora rójuzwojeniowego. a) b) T1 T2 T1 u1 u2 T3 T4 Odb u1 N u2a u2b Odb T2 Rys.16. Prosownik jednofazowy, dwupulsowy a) moskowy b) dwuelemenowy u2a u2b 2 z z =it1 =it2 =it1 ig z T1 T2 T1 T 2 2 Rys.17. Przebiegi napięć, prądu i impulsu serującego w prosowniku jednofazowym, dwupulsowym dla obciążenia ypu R 19

u2a u2b u2a 2 2 a) z T< w b) z T= w = z+ Rys.18. Przebiegi napięć, prądu i impulsu serującego w prosowniku jednofazowym, dwupulsowym dla obciążenia ypu RL a) prądy przerywane b) prądy ciągłe 4.2.3.PROSTOWNIKI TRÓJPULSOWE Efek prosowania rójpulsowego uzyskuje się się w układzie przedsawionym na rys.19. Składa się on z ransformaora rójfazowego z dosępnym punkem neuralnym oraz rzech yrysorów połączonych w układ gwiazdowy. Sąd bardzo częso jes on nazywany prosownikiem gwiazdowym. A u2a B u2b C u2c Odb Rys.19. Prosownik rójpulsowy (gwiazdowy) Na rys.20. przedsawiono przykładowe przebiegi prądów i napięć (z uwzględnieniem zjawiska komuacji) dla pracy prosownikowej i falownikowej prosownika rójpulsowego.. u2a u2b u2c 1/2(u2R+u2S) 2 u2t u2r u2s -E i it1 it2 it3 it1 it2 a) b) Rys.20. Przebiegi napięć, prądu (komuacja) w prosowniku rójpulsowym podczas pracy prosownikowej (a) i falownikowej (b) 20

4.2.4. PROSTOWNIKI SZESCIOPULSOWE Schema układu prosownika sześciopulsowego przedsawiono na rys.21. Składa się on z ransformaora rójfazowego o dowolnej konfiguracji uzwojeń pierwonych i wórnych (gwiazda, rójką, zygzak), oraz sześciu yrysorów w połączeniu moskowym. Sąd częso jes używana nazwa prosownika moskowego. Rys.21. Prosownik sześciopulsowy (moskowy) Rys.22. przedsawia przykładowe przebiegi prądu i napięć dla obciążenia ypu R. u2ab u2ac u2bc u2ba u2ca u2cb u2ab u2ac 0 1 2 3 4 Rys.22. Przebiegi napięć i prądu w prosowniku sześciopulsowym dla obciążenia ypu R 4.3.FALOWNIKI Falownikami nazywamy urządzenia energoelekroniczne, kórych zadaniem jes przewarzanie prądów i napięć sałych (DC) na przemienne (AC). Sosowane są głównie do zasilania regulowanych napędów elekrycznych (ASD), zasilaczy bezprzerwowych (UPS), saycznych kompensaorów mocy biernej (SVC), filrów akywnych (AF), elasycznych sysemów przesyłu energii (FACTS). Ze względu na ilość faz napięcia wyjściowego falowniki dzielimy na : a)falowniki jednofazowe b)falowniki rójfazowe c)falowniki wielofazowe o dowolnej ilości faz (specjalnego przeznaczenia) W każdej z ych grup układowych możemy rozróżnić falowniki napięciowe i prądowe. 21

Falowniki napięciowe (VSI) W ego ypu falownikach źródłem energii wejściowej jes naładowany kondensaor (E = CU 2 /2). Dzięki emu napięcie wyjściowe jes ciągiem impulsów prosokąnych o regulowanej szerokości, a prąd wyjściowy dla obciążenia ypu RL ma kszał quasisinusoalny. W ego rodzaju falownikach podsawowymi przyrządami energoelekronicznymi są elemeny w pełni serowalne. Falowniki napięciowe są obecnie najczęściej sosowanymi układami energoelekronicznymi. Falowniki prądowe (CSI) W ym przypadku źródłem energii wejściowej jes dławik z płynącym prądem (E = LI 2 /2). Dlaego eż prąd wyjściowy jes ciągiem impulsów prosokąnych o regulowanej szerokości, a napięcie wyjściowe dla obciążenia rezysancyjno indukcyjnego jes quasisinusoalne. W falownikach prądowych można sosować zarówno yrysory SCR jak i elemeny w pełni serowalne. Zasosowanie ych falowników jes sosunkowo wąskie. Obejmuje bowiem ylko pewną grupę napędów elekrycznych średniej mocy. Dlaego eż nie będą one przedmioem bardziej szczegółowego opisu. 4.3.1. ZASADA MODULACJI SZEROKOŚCI IMPULSU (Pulse Wh Modulaion PWM) We współczesnych falownikach napięciowych najczęściej sosowanym sposobem kszałowania przebiegów wyjściowych jes meoda modulacji szerokości impulsów. Isnieje kilka odmian ej meody. Poniżej będzie przedsawiona w sposób uproszczony najprossza z nich. Do węzła sumacyjnego (Rys.23) są podawane dwa sygnały o regulowanej częsoliwości : sinusoalny i rójkąny. W momenach zrównywania się ych dwu sygnałów nasępuje przełączanie klucza S. Rys.23. Uproszczony schema układu modulacji szerokości impulsu W rezulacie na obciążeniu RL pojawia napięcie w posaci znakozmiennego ciągu impulsów prosokąnych o zmiennej szerokości (rys.24). Częsoliwość podsawowej harmonicznej napięcia i prądu obciążenia odpowiada częsoliwości sinusoalnego sygnału serującego. Naomias częsoliwość rójkąnego sygnału serującego decyduje o częsoliwości przełączeń klucza S. Dość ławo można wykazać, że im a częsoliwość jes większa, ym kszał prądu obciążenia jes bliższy ealnemu przebiegowi sinusoalnemu. Zilusrowano o na oscylogramie z Rys.25. Przedsawia on przykładowy przebieg prądu wyjściowego dla rzech częsoliwości przełączania: 1,5 khz, 3 khz, 12 khz. 22

Rys.24. Przebiegi sygnałów serujących, napięcia wyjściowego i podsawowej harmonicznej Rys.25. Przebiegi prądu wyjściowego falownika napięciowego (PWM) dla różnych częsoliwości przełączania : 1,5 khz, 3 khz, 12 khz. 4.3.2. RODZAJE FALOWNIKÓW NAPIĘCIOWYCH W osanich laach bardzo wielu producenów oferuje ogromną gamę urządzeń energoelekronicznych zasilanych z jedno lub rójfazowej sieci prądu przemiennego, kórych wielkościami wyjściowymi jes napięcie i prąd przemienny o regulowanej amplizie i częsoliwości. W handlowym języku nazywane są one falownikami. Jes o spore uproszczenie. Urządzenia e w rzeczywisości są kaskadowym połączeniem kilku różnych układów energoelekronicznych. Na poniższych rysunkach przedsawiono 3 różne przykładowe rozwiązania układowe ego ypu urządzeń dla zasilania silników indukcyjnych. Rys.26. Falownik dwusopniowy (AC/DC/AC) z modulacją ampliy 23

Układ z rys.26 jes kaskadowym połączeniem yrysorowego prosownika serowanego i falownika właściwego (auonomicznego). W układach serowania i zasilania napędu indukcyjnego należy zapewnić sałość sosunku skuecznej warości napięcia do częsoliwości (U/f = cons.). Aby o osiągnąć, należy mieć możliwości regulacji zarówno częsoliwości jak i ampliy podsawowej harmonicznej napięcia wyjściowego. Regulacja ampliy odbywa się w prosowniku yrysorowym, naomias regulacja częsoliwości w falowniku. Meoda regulacji jes sosunkowo prosa. Opiera się na meodzie modulacji ampliy (PAM). Wadami ego układu jes pobór mocy biernej przez serowany prosownik yrysorowy oraz duża zawarość harmonicznych w prądzie silnika. Rys.27. Falownik rójsopniowy (AC/DC/DC/AC) z modulacją ampliy Rys.27 przedsawia z kolei układ falownika rójsopniowego składającego się z nieserowanego prosownika diodowego, przewornika ypu DC/DC (chopper) oraz falownika właściwego. Meoda serowania jes aka sama jak w poprzednim przypadku (PAM). W ym układzie uniknięo poboru mocy biernej, lecz wadami są : większa złożoność srukury oraz ak jak i poprzednio duża zawarość harmonicznych w prądzie silnika. Rys.28. Falownik dwusopniowy (AC/DC/AC) z modulacją szerokości impulsu Układ falownika przedsawionego na rys.28. składa się nieserowanego prosownika diodowego oraz falownika właściwego. Zasosowano w nim bardziej złożoną meodę serowania jaką jes modulacja szerokości impulsu (PWM). Przy obecnym sanie rozwoju echniki mikroprocesorowej nie sanowi o żadnego problemu ani echnicznego ani ekonomicznego. Układ en pozbawiony jes wad wysępujących w poprzednich rozwiązaniach. Nie pobiera mocy biernej, zawarość harmonicznych w prądzie silnika może być znikomo mała, posiada najprosszą z możliwych srukurę obwodu mocy. 4.4.PRZETWORNIKI PRĄDU STAŁEGO NA PRĄD STAŁY ( DC/DC Choppery) Przeworniki ypu DC/DC (prąd sały prąd sały) nazywamy układy energoelekroniczne przewarzające nieregulowane wejściowe napięcie sałe na unipolarne napięcie wyjściowe o regulowanej warości średniej. Ich głównym obszarem zasosowań są zasilacze impulsowe i regulowane rakcyjne napędy prądu sałego. Przyrządami energoelekronicznymi 24

wykorzysywanymi w przewornikach ypu DC/DC są elemeny w pełni serowalne. Tego ypu przeworniki możemy podzielić na Przeworniki DC/DC obniżające napięcie (Buck Converer) Jes o najliczniejsza grupa przeworników DC/DC. W ych układach regulowana średnia warość napięcia wyjściowego jes mniejsza lub co najwyżej równa warości sałego napięcia wejściowego. Przeworniki DC/DC podwyższające napięcie (Boos Converer) W ego ypu układach możliwe jes uzyskiwanie napięcia wyjściowego o warości średniej większej niż sałe napięcie wejściowe. Przeworniki DC/DC podwyższające i obniżające napięcie (Buck-Boos, Flyback,Ćuk Converers) Układy e łączą cechy dwu poprzednich grup, umożliwiając zarówno obniżanie jak i podwyższanie napięcia wyjściowego ponad warość napięcia wejściowego. Wielokwadranowe przeworniki DC/DC Jes grupa układowa zapewniająca dwusronny przepływ energii elekrycznej jeżeli odbiornik jes ypu RLE. Transformaorowe, wysokoczęsoliwościowe przeworniki DC/DC Sosowane są głównie w zasilaczach impulsowych małej mocy (do 1 kw). Zapewniają one izolację galwaniczną, oraz dzięki bardzo wysokim częsoliwościom przełączania (nawe rzędu 1 MHz) wymagają zasosowania małogabaryowych ransformaorów. 4.4.1. PRZETWORNIKI TYPU DC/DC OBNIŻAJĄCE NAPIĘCIE Rys.29.Podsawowy schema przewornika ypu DC/DC oraz przebiegi prądów i napięć Jak wspomniano powyżej, en rodzaj przeworników DC/DC ma najszersze zasosowania. Dlaego ylko on będzie emaem krókiego opisu. Na rys.. przedsawiono podsawowy schema przewornika z obciążeniem ypu RLE oraz odpowiadające mu przebiegi prądów i napięć. Regulację warości średniej napięcia wyjściowego można uzyskać poprzez zasosowanie dwu sposobów modulacji : a) modulację częsoliwości (Rys.30) b) modulację szerokości impulsu (Rys.31) 25

Rys.30. Modulacja częsoliwości (p cons., Ti var.) W meodzie modulacji częsoliwości czas załączenia klucza wyznaczający szerokość impulsu napięcia wyjściowego jes sały ( p = cons), naomias częsoliwość kluczowania jes regulowana (1/T i = var.). Warość średnia napięcia wyjściowego określona jes zależnością : U ośr = U o ( p /T i ). Rys.31. Modulacja szerokości impulsu (p var., Ti cons.) W meodzie modulacji szerokości impulsu częsoliwość kluczowania jes sała (1/T i = cons), naomias czas zamknięcia klucza jes regulowany ( p = var.). W rezulacie warość średnia napięcia wyjściowego można opisać enyczną jak w poprzednim przypadku zależnością : U ośr = U o ( p /T i ). 4.4.2. WIELOKWADRANTOWE PRZETWORNIKI TYPU DC/DC Na dwu poniższych rysunkach przedsawiono uproszczone schemay dwu i czerokwadranowego przewornika DC/DC. W obydwu przypadkach obciążenie sanowi silnik prądu sałego. 26

Rys.32. Przewornik DC/DC nienawrony, odzyskowy Rys.33. Przewornik DC/DC nawrony, odzyskowy 4.5.CYKLOKONWERTORY Cyklokonwerory zwane inaczej bezpośrednimi przemiennikami częsoliwości należą do grupy przekszałników napięcia przemiennego na napięcie przemienne bez pośredniego obwodu prądu sałego. Cyklokonweror jednofazowy jes nawronym moskowym prosownikiem yrysorowym w układzie przeciwrównoległym zasilanym z sieci elekroenergeycznej (najczęściej poprzez ransformaor). Dzięki odpowiedniemu serowaniu przekszałnika warość średnia napięcia wyprosowanego z prosownika może zmieniać się w sposób sinusoalny. Sposób generowania przemiennego napięcia wyjściowego powoduje, że jego częsoliwość jes ograniczona do około 20 Hz (przy zasilaniu z sieci 50 Hz), ze względu na gwałownie rosnące zniekszałcenia napięcia. Cyklokonweror rójfazowy zbowany jes z rzech cyklokonwerorów jednofazowych, kórych obwody wyjściowe są skojarzone w gwiazdę, worząc w en sposób, dzięki odpowiedniemu serowaniu rójfazowe źródło napięcia o regulowanej częsoliwości i warości napięcia. Przykładowy schema blokowy rójfazowego cyklokonwerora dla napędu z silnikiem synchronicznym przedsawiono na Rys.34. 27

Rys.34. Schema blokowy rójfazowego cyklokonwerora dla napędu synchronicznego Paramery napięcia wyjściowego cyklokonwerora, a w szczególności ograniczenie częsoliwości, sosunkowo wysoki kosz cyklokonwerora jako przekszałnika powodują, że pole ich zasosowań ogranicza się do wolnobieżnych napędów o regulowanej prędkości obroowej do około 80 obr/min i mocach powyżej 1 MW. W napędach ych wykorzysuje się silniki prądu przemiennego najczęściej synchroniczne. Napędy akie serowane są przeważnie meodą polowo zorienowanego wekora prądu. Przykładowe przebiegi napięcia i prądu jednej fazy oraz prędkości obroowej akiego napędu przedsawiono na Rys.35. Serowanie silnika prądu przemiennego meodą polowo zorienowanego wekora prądu pozwala uzyskać napęd o własnościach ypowych dla napędu prądu sałego posiadający przy ym kilka isonych zale, wynikających głównie z korzysniejszych własności silnika prądu przemiennego niż silnika prądu sałego. Najważniejszymi zaleami akiego napędu są: większa sprawność, brak ograniczenia maksymalnej mocy silnika prądu przemiennego, co pozwala na bowę dużych napędów jako jednosilnikowych, większa przeciążalność momenem, mniejsze wymiary silnika i masa, prossza bowa, mniejszy momen bezwładności, mniejsze wymagania konserwacyjne z powodu braku komuaora. Napędy cyklokonwerorowe z silnikiem prądu przemiennego posiadają eż pewne wady w sosunku do równoważnego napędu yrysorowego z silnikiem prądu sałego. Wymienić uaj rzeba: większą moc zainsalowaną ransformaorów zasilających i przekszałników yrysorowych, z czego wynika większy kosz części znacznie bardziej złożony układ serujący, co w dobie serowania mikrokompuerowego nie ma znaczenia, bardziej złożone oddziaływanie cyklokonwerora na sieć zasilającą, co powoduje konieczność insalowania bardziej skomplikowanych urządzeń kompensujących. bardziej złożone oddziaływanie cyklokonwerora na sieć zasilającą, co powoduje konieczność insalowania bardziej skomplikowanych urządzeń kompensujących. 28

bardziej złożone oddziaływanie cyklokonwerora na sieć zasilającą, co powoduje konieczność insalowania bardziej skomplikowanych urządzeń kompensujących. Rys.35. Przykładowe przebiegi napięcia i prądu jednej fazy cyklokonwerora oraz prędkości obroowej silnika synchronicznego 5. Oddziaływanie układów energoelekronicznych na sieć zasilającą Przedsawiony w poprzednim rozdziale przegląd najczęściej sosowanych układów pokazuje, że w prawie wszyskich przypadkach energoelekronicznym urządzeniem wejściowym jes prosownik serowany. Dlaego eż, poniżej będzie króko opisane oddziaływanie ylko ego układu na sieć zasilającą. Przekszałniki energoelekroniczne o komuacji sieciowej sanowią dla linii zasilającej odbiorniki o charakerze nieliniowym. Główną ego przyczyną są przyrządy półprzewodnikowe wchodzące w ich skład, kórych charakerysyki napięciowo- prądowe są nieliniowe. W czasie pracy przekszałnika yrysorowego wyróżnić można wiele jego niekorzysnych oddziaływań na sieć zasilającą akich jak : pobór mocy biernej, odkszałcenia napięcia linii i wynikające sąd zakłócenia pracy innych urządzeń zasilanych z ej samej linii, a w liniach kablowych, kóre charakeryzują się dużymi pojemnościami międzyżyłowymi, praca przekszałników może wywoływać zjawiska rezonansowe, powodujące przepięcia w niekórych punkach sysemu energeycznego oraz wzros prądu upływu międzyżyłowego kabli. Jednak do najważniejszych oddziaływań przekszałnika yrysorowego na sieć zasilającą należą : - komuacyjne załamanie napięcia - generacja wyższych harmonicznych - pobór mocy biernej Ze względu na ograniczoność miejsca poniżej króko przedsawiono ylko podsawowe problemy związane z poborem mocy biernej. 5.1.POBÓR MOCY BIERNEJ Zmieniając ką załączania yrysorów przekszałnika zmieniamy ką przesunięcia fazowego harmonicznej podsawowej prądu względem napięcia zasilającego. Wraz ze wzrosem kąa opóźnienia zapłonu (α) yrysorów wzrasa ką fazowy (Rys.36). Wynika sąd, że przekszałnik jes odbiornikiem pobierającym moc bierną indukcyjną. Przepływ mocy biernej indukcyjnej wywołuje spadki napięcia na elemenach reakancyjnych sieci. W 29