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
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)
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
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.
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 π falownika 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.
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[ msin( ω0t)]... α II = arccos[ msin( ω0t)] gdzie: ω 0 częstotliwość formowanego przebiegu wyjściowego przemiennika. m - współczynnik amplitudy napięcia regulowany od 0 do 1.
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.
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 U d > U Lm Rys.4.12. Schematy przekształtników sieciowych PWM o sinusoidalnym prądzie pobieranym z sieci: a) przekształtnik 1-fazowy, b) 3-fazowy Rys. 4.13. Wykres wskazowy służaćy do określenia kierunku przepływu energii i wyznaczenia składowych mocy w przekształtniku sieciowym PWM
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 U X jest różnicą geometryczną napięcia linii U L i napięcia nastawianego na wejściu przekształtnika - U P. Ustawiając poprzez tzw współczynnik modulacji m ( U Pm = mu d ) i kąt ψ wskaz napięcia UP tak by jego hodograf stanowił okrąg wokół wierzchołka wskazu U L można uzyskać wymaganą orientację wskazu U X. Ponieważ prąd pobierany z linii jest przesunięty o 90 względem napięcia występującego na dławiku można dowolnie nastawiać amplitudę I Lm 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.
Pytanie: Jak przedstawiają się wykresy wskazowe napięć U L, U P, U X 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