Przemienniki AC-AC i falowniki

Przekształtniki napięciaprzemiennego na przemienne

RodzajeZ punktu widzenia budowyPrzekształtniki bezpośrednieKaskady przekształtników fazowychPod względem pełnionej funkcjiPrzemienniki częstotliwościRegulatory prądu przemiennego

Kaskady przekształtników fazowychKaskadowe połączenie prostownika,ewentualnego filtru i falownika

Jednofazowy przemiennik częstotliwościDwa równoległe obwody prostowników dwupołówkowychPrzykładowe przebiegi dla f out= f in/4Linia przerywana – średnia w czasie 1 pulsu wartość napięciawyjściowegoZmienny kąt fazowy wyzwalania kluczy – zmniejszenie ilościharmonicznych (im więcej pulsów w okresie – z różnym α – tym mniejskładowych

Przemiennik 3φ-1φPrzemiennik jednopołówkowyZnak prądu decyduje, który konwerter (P czy N) pracuje w danej chwiliObciążenie wymaga ciągłości składowej oczekiwanej napięcia – wmomencie zmiany kierunku prądu oba obwody muszą dostarczaćjednakową średnią wartość napięciaPowyższy warunek wymusza stałość napięcia średniego układu, couzyskuje się przez spełnienie zależności α P+ α N= π

Przemiennik 3φ-1φPrzemiennik mostkowyDziałanie podobne do przemiennika jednopołówkowego6 pulsów w jednym okresie napięcia wejściowegoJeśli f s>f i– przemiennik szybki (niezależny) UFC;jeżeli f s< f i– przemiennik wolny (SSFC)W przemienniku wolnym częstotliwość wyjściowa nie powinna przekraczać 60%wejściowej dla trójpulsowego, 75% dla sześciopulsowego – unika się wówczasskładowych o częstotliwości niższej niż wymaganaUFC – przemiennik nieograniczony (można uzyskać częstotliwość wyższą niżwejściowa)

Przemiennik trójfazowyPrzemiennik jednopołówkowy3 przemienniki 3φ-1φSygnały wyjściowe przesunięte między sobą o 120ºPrzemiennik trójpulsowy – 18 łączników

Przemiennik trójfazowyPrzemiennik mostkowyBudowa analogiczna dojednopołówkowegoPrzemiennik sześciopulsowy –36 łącznikówStosowane głównie do napędówsynchronicznych i indukcyjnych

Przemiennik o komutacji wewnętrznejTrzy trójfazowe mostkowe przekształtniki diodoweCykliczne zwieranie obwodów prądu stałego łącznikami SZasilanie faz odbiornika z kolejnych uzwojeń wtórnychtransformatora

Regulatory prądu przemiennegoBezstopniowa regulacja prąduKonieczne łączniki dwukierunkoweSymetryczne sterowanie fazowe w przypadku łącznika złożonego zdwóch tyrystorówPrąd wyjściowy – ciąg odkształconych impulsów przemiennychPrzy krytycznej wartości kąta załączania (równej kątowi fazowemuodbiornika) prąd wyjściowy jest stały; układ niesterowalny poniżej tejwartości

Regulator z dwoma dławikamiW zakresie kąta wyzwalania0-90° ciągłość prądu i pełnasterowalnośćW pozostałym zakresiezachowanie jak poprzednioW układach trójfazowych z przewodem neutralnym połączonychw gwiazdę prądy faz nie zależą od pracy łączników w innych fazach –przebiegi prądów są analogiczne jak w układzie jednofazowym.

Regulator trójfazowyOdbiornik rezystancyjnyOdbiornik indukcyjnyW układzie bez przewodu neutralnego przewodzenie prąduodbiornika możliwe przy równoczesnym przewodzeniu łączników wco najmniej 2 fazachW zakresie kąta wyzwalania150-180° stany pracy jednofazowej blokujące układ

Sterowanie integracyjneStosowane w niektórych urządzeniach przemysłowych (głownie układyregulacji temperatury, spawarki)W pewnych warunkach występują składowe o częstotliwości mniejszej niżpożądana (podharmoniczne)Powodują także przetężenia podczas załączania w przewodach fazowych ineutralnym

Wady regulatorów o komutacji zewnętrznejPobierają moc czynną i bierną z linii zasilającejZe wzrostem kąta załączania łączników malejewejściowy współczynnik mocyNiezadowalające właściwości dynamiczne wniektórych zastosowaniach przemysłowych(martwy czas w odpowiedzi regulatora na zmianęsygnału sterującego)

Zastosowanie komutacji wewnętrznejŁączniki w pełni sterowalneDuża (ponad 10kHz) częstotliwość łączeńModulacja kąta przewodzenia

Regulator trójfazowy z komutacją wewnętrznąUkład gwiazdy z przewodem neutralnym – trzy nie oddziałujące na siebie układyjednofazoweW pozostałych przypadkach:• Łączniki włączone szeregowo w fazie modulują zasilanie w przedziałach pracy aktywnej lub sąstale załączone (zamknięcie obwodu przekazywania energii z odbiornika do źródła)• Łączniki równoległe do odbiornika zwierają odbiornik w przedziałach pracy aktywnej, gdyszeregowe są wyłączone; pozostają wyłączone, gdy odpowiadające im napięcie wejściowejest dodatniePrzebiegi dla odbiornika połączonego w trójkąt

Falowniki napięcia

Falowniki jednofazowe o faliprostokątnejPrzełączanie z częstotliwością napięcia wyjściowego.Zerowy potencjał źródła zasilania uzyskiwany dzięki dzielnikowipojemnościowemu lub przy zastosowaniu dwóch źródeł zasilania.Diody przejmują prądy wyłączanych zaworów polaryzując je wstecznie

Przebiegi wyjścioweEliminację określonych harmonicznych uzyskuje sięprzez przełączanie łączników w odpowiedniodobranych (równania trygonometryczne) chwilachczasowych

Falowniki wielofazowePrzełączanie obwodu obciążenia na różne bieguny źródła napięciastałego. Identyczny przebieg napięć poszczególnych faz ; przesunięciakątowe między fazami zwykle równe 2π/m, m – liczba faz.Napięcie wyjściowe można przedstawić jako sumę impulsówprostokątnych (zwykle określa się szereg trygonometryczny sumującyharmoniczne.

Falowniki wielofazowe

Modulacja szerokości impulsówquasisinusoidalna fala schodkowaUproszczenie obliczeń w porównaniu do fali sinusoidalnej.Zwiększenie zawartości harmonicznych niskiego rzędu.

Modulacja szerokości impulsówfala trapezowaUproszczenie obliczeń (równania liniowe fali nośnej i modulującej).Lepsze wykorzystanie napięcia zasilającego.Dalsze zwiększenie zawartości harmonicznych, zwłaszcza niskiego rzędu.

Przekształtniki rezonansowe

Rola rezonansu w energoelektroniceUkłady z tyrystorami konwencjonalnymiWyłączanie zaworów wymuszane pobudzaniem drgańrezonansowych w obwodzie głównym lub pomocniczym(komutacji)Układy z łącznikami wyłączalnymiMożliwość przełączania przyrządów półprzewodnikowychmocy w stanie beznapięciowym lub bezprądowym

Komutacja rezonansowa tyrystorówUkład komutacji równoległejUkład komutacji szeregowej

Falownik szeregowyWłączenie T 1pociąga za sobą impuls prądowy oczasie trwania zależnym od ω robwoduprzeładowujący kondensator. Gdy prąd maleje dozera, u cosiąga wartość maksymalną.Włączenie T 2powoduje rozładowanie kondensatora.Załączanie tyrystorów w momencie osiągnięcia zeraprzez prąd (ω = ω r), nie ma przerw między impulsamiprądu. Generalnie ω = ω r+ φ

Falownik szeregowy z dławikami sprzężonymiMożliwość uzyskania częstotliwościwyższej od rezonansowej obwodu.Załączenie jednego z tyrystorów indukuje nadławikach napięcie polaryzujące wstecznie drugityrystor (wyłączające go).Źródło prądu stałego zasila falownik w jednympółokresie napięcia wyjściowego; w drugim odbiornikkorzysta z energii zmagazynowanej wkondensatorze.

Falownik szeregowo-równoległyObciążenie przyłączone równolegle dokondensatora komutacyjnegoKorzystne warunki pracy przyzmiennym obciążeniu – impulsyprądowe przeładowujące kondensatornie zależą od rezystancji odbiornika

Falownik równoległyUkład z transformatorem wyjściowym.Duża indukcyjność wejściowa – zasilanie jak ze źródła prądowego.Prąd przemienny powstaje w wyniku następujących po sobie włączeńtyrystorów.

Mostkowy falownik równoległyNaprzemienne włączanie partyrystorów T 1 -T 3 i T 2 -T 4 .Obydwa warianty mogą pracowaćprzy częstotliwościach większych odpewnej granicznej (wynikającej z cechobwodu obciążenia – kilka % mniej niżczęstotliwość rezonansowa).Powolne ładowanie kondensatora przyrozruchu