Urządzenia przekształtnikowe, stosowane do zasilania i regulacji prędkości obrotowej maszyn elektrycznych, stanowią grupę jeżeli nie najliczniejszą ze względu na liczbę, to na pewno o największej mocy łącznej zainstalowanych układów. Pomimo iż są to również zasilacze napięcia lub prądu stałego, lub przemiennego, jednak ich specyfika ściśle związana z właściwościami współpracującej maszyny elektrycznej zmusza do rozpatrywania ich jako oddzielnej grupy.
Stale wzrastający postęp technologiczny i automatyzacja powodują, że w coraz większym stopniu w przemyśle są stosowane napędy regulowane, które umożliwiają niejednokrotnie znaczne oszczędności energii elektrycznej. Współczesne układy napędowe powinny, w zależności od procesu technologicznego i mocy silnika, spełniać szereg wymagań, do których między innymi należą:
1. Przetwarzanie energii elektrycznej w mechaniczną z dużą sprawnością.
2. Regulacja bezstopniowa (w wymaganym zakresie) takich wielkości, jak: prędkość kątowa, moment obrotowy w stanie dynamicznym pracy, przyspieszenie kątowe, przesunięcie liniowe i kątowe.
3. Minimalizacja uchybu i czasu trwania procesów przejściowych przy zmianach wielkości sterujących i zakłócających.
4. Maksymalne wykorzystanie mocy silnika.
5. Prosta obsługa i niezawodność pracy.
Ze względu na typ stosowanych maszyn napędy przekształtnikowe można podzielić na napędy prądu stałego i prądu przemiennego. Dzięki dobrym właściwościom regulacyjnym maszyny komutatorowej prądu stałego już w początkowym okresie rozwoju energoelektroniki stało się możliwe opracowanie doskonałych napędów przy zastosowaniu prostych przekształtników - prostowników sterowanych i impulsowych sterowników napięcia stałego. Zarówno wady eksploatacyjne maszyny komutatorowej (potrzeba konserwacji komutatora i jego szybkie zużywanie), jak i postęp w dziedzinie precyzyjnego formowania napięć i prądów przemiennych oraz rozwój teorii regulacji maszyn prądu przemiennego doprowadziły w latach 1980-90 do szerokiego stosowania napędów przekształtnikowych z maszynami indukcyjnymi i synchronicznymi. Szybki rozwój energoelektroniki sprawił, że silnik prądu przemiennego stanowi coraz częściej element wykonawczy napędów przemysłowych. Układy przekształtnikowe wykorzystywane w napędach z silnikami prądu przemiennego są na ogół bardziej złożone niż w napędach z silnikami prądu stałego. Intensywny rozwój różnych odmian tyrystorów oraz tranzystorów mocy, a tym samym ich wprowadzenie do układów energoelektronicznych umożliwia znaczne uproszczenia struktur układów i powoduje dużą konkurencyjność regulowanych napędów prądu przemiennego w stosunku do układów prądu stałego. Energoelektronika znajduje zastosowanie w układach napędowych zarówno z silnikami prądu stałego, jak i przemiennego. Napędy te są często równorzędne pod względem parametrów technicznych i o ich wyborze do konkretnego zastosowania decydują warunki pracy układu, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne oraz niezawodność.
Aby w pełni wykorzystać zalety silników prądu zmiennego, konieczne staje się zastosowanie właściwego napędu powszechnie nazywanego przemiennikiem( przetwornicą) częstotliwości lub falownikiem. Typowy przemiennik częstotliwości składa się z trzech bloków (rys.2.1):
Ø prostownika,
Ø pośredniego obwodu prądu stałego z baterią kondensatorów
Ø falownika
Rys. 2.1 Schemat ogólny przemiennika częstotliwości (przetwornica częstotliwości, falownik)
Prostowniki
Pierwszą częścią jest prostownik. Prostowniki przekształcają energię prądu przemiennego na energię prądu stałego i można je podzielić na niesterowane i sterowane fazowo.
Można wyróżnić następujące układy prostownikowe:
Ø jednopulsowe,
Ø dwupulsowe,
Ø trójpulsowe,
Ø sześciopulsowe,
Ø wielopulsowe(np.12- lub 18- pulsowy).
W prostownikach niesterowanych i sterowanych określa się zależności między:
Ø wartością skuteczną prądu wejściowego IL a wartością średnią prądu wyprostowanego Id (stosunek IL/Id);
Ø wartością średnią napięcia wyjściowego Ud a wartością skuteczną międzyfazowego napięcia przemiennego na wejściu prostownika UL (stosunek Ud /UL );
Ø wartością skuteczną prądu płynącego przez diodę a wartością średnią prądu wyprostowanego (stosunek I c1/Id );
Ø wartością średnią prądu płynącego przez diodę a wartością średnią prądu wyprostowanego (stosunek I c2/Id );
Ø wartością maksymalną napięcia na diodzie lub tyrystorze w czasie nieprzewodzenia (stosunek UiM /Ud );
Ø kątem przewodzenia prądu λ przez diodę lub tyrystor.
Tabela 1 Zależności między wielkościami wejściowymi najczęściej stosowanych układów prostowników niesterowanych
Tabela 2 Zależność między napięciem wyjściowym a wejściowym najczęściej spotykanych prostowników sterowanych przy różnych kątach wysterowania
Blok obwodu pośredniczącego prądu stałego – jest to kondensator o dużej pojemności przy zasilaniu falownika napięcia lub dławik o dużej indukcyjności(dławik wygładzający) (rys.2.2 i 2.3)
Falowniki
Kolejny blok to falownik. Falownik jest to przekształtnik służący do przetwarzania energii dostarczanej ze źródła napięcia lub prądu stałego w energię napięcia lub prądu przemiennego. Funkcja spełniana przez falownik jest zatem odwrotna do funkcji prostownika. Zasadniczym kryterium podziału falowników niezależnych jest rodzaj źródła, z którego jest zasilany falownik. Rozróżnia się falowniki zasilane ze źródła napięcia (falowniki napięcia) oraz falowniki zasilane ze źródła prądu (falowniki prądu).
Rys. 2.2 Schemat blokowy układu przekształcania napięcia jednokierunkowego Ud w napięcie przemienne uU. uV i uW (a) oraz przykłady realizacji źródeł napięcia wejściowego falownika (b¸d)
ZN – źródło napięcia jednokierunkowego, FN – falownik napięcia, A – bateria akumulatorów, PT – prostownik sterowany. PD – prostownik diodowy, Lσ indukcyjność przewodów
Rys. 2.3 Przekształcanie prądu jednokierunkowego Id w prąd przemienny iU, iV, iW
a) układ z falownikiem prądu FP zasilanym poprzez przekształtnik sieciowy; b) przykład realizacji źródła prądu z zastosowaniem akumulatora A i przekształtnika prądu stałego PO z diodą rozładowczą DO
ZP - źródło prądu złożone z przekształtnika sieciowego PT-ZN, dławika Ld i regulatora prądu RI
Falownik napięcia
Najczęściej stosowanym falownikiem trójfazowym jest układ mostkowy, złożony z sześciu łączników półprzewodnikowych Ł1¸Ł6 tworzących trzy gałęzie fazowe U-V-W (rys.2.4a). Budowa łączników jest identyczna jak w przypadku układów jednofazowych. Sterując zawory półprzewodnikowe każdej z faz w ten sposób, że kąty przewodzenia łączników w przedziale każdego okresu wynoszą lŁ=p (rys.2.4b), uzyskuje się charakterystyczne, sześcioschodkowe przebiegi czasowe napięć fazowych, mierzonych między zaciskami wyjściowymi U, V, W a punktem gwiazdowym 0' symetrycznego odbiornika trójfazowego (ZU=ZV=ZW) połączonego w gwiazdę. Napięcia międzyprzewodowe, niezależnie od układu połączeń i cech symetrii odbiornika trójfazowego, mają kształt dodatnich i ujemnych impulsów prostokątnych o czasie trwania odpowiadającym jednej trzeciej okresu i o wartości maksymalnej równej Ud. Konfiguracja stanów przewodzenia łączników falownika zmienia się co 2p/6. W każdym cyklu pracy falownika można zatem wyróżnić sześć przedziałów czasu, którym odpowiadają obwody zastępcze przedstawione na rys.3.12c (stany 1¸6). Zaznaczone na tym rysunku napięcia fazowe wyjaśniają sposób kształtowania sześcioschodkowego przebiegu czasowego napięcia odbiornika. Identycznie jak w przypadku falowników jednofazowych, wartość napięcia wyjściowego układu trójfazowego można zmieniać poprzez zmianę napięcia wejściowego falownika Ud lub – przy stałej wartości Ud – poprzez sterowanie kątów przewodzenia łączników (z ang. conduction angle modulation, CAM, bądź poprzez zastosowanie modulacji szerokości impulsów (z ang. pulse width modulation, PWM.
Rys. 2.4 Trójfazowy mostkowy falownik napięcia: a) schemat układu; b) stany przewodzenia łączników oraz przebiegi czasowe napięć wyjściowych falownika przy sterowaniu zapewniającym lŁ=p; c) obwody zastępcze dla stanów 1¸6 w jednym cyklu pracy
Sterowanie i kształtowanie napięcia wyjściowego falowników trójfazowych
Zasadę sterowania napięcia wyjściowego trójfazowego falownika mostkowego poprzez zmianę kątów przewodzenia łączników pokazano na rys.2.5. Wielkością sterującą jest w tym przypadku kąt β, który przy odbiorniku czysto rezystancyjnym może być zmieniany w zakresie kątów od 0 do 2π/3, wywołując zmiany wartości skutecznej napięcia międzyprzewodowego falownika
Rys. 2.5 Sterowanie napięcia wyjściowego trójfazowego falownika mostkowego przez zmianę kąta przewodzenia łączników: a) stany przewodzenia łączników jednej gałęzi fazowej; b) napięcia wyjściowe przy obciążeniu czysto rezystancyjnym;
Poprawę kształtu przebiegów czasowych napięć wyjściowych falowników o wyjściu trójfazowym otrzymuje się poprzez sumowanie napięć wyjściowych kilku układów trójfazowych mostkowych. Na rysunku 2.6a przedstawiono schemat układu złożonego z dwóch falowników trójfazowych mostkowych, których napięcia wyjściowe są przesunięte względem siebie o kąt fazowy π/6. Kształty przebiegów czasowych napięć wyjściowych falowników składowych oraz napięcia odbiornika nie zależą od rodzaju i wielkości obciążenia (rys. 2.6b). W przypadku gdy jest spełniona relacja, wówczas w napięciu wypadkowym nie wystąpią harmoniczne będące wielokrotnością trzech oraz piąta i siódma harmoniczna. Podobny dwunastoschodkowy przebieg czasowy międzyprzewodowego napięcia wyjściowego uzyskuje się w układzie pokazanym na rys. 2.7. Uzwojenia pierwotne obu transformatorów są połączone w trójkąt. Jedno z uzwojeń wtórnych jest połączone w trójkąt, natomiast drugie jest dołączone szeregowo. Jeżeli napięcie wyjściowe transformatora Trl jest -krotnie mniejsze niż napięcie wyjściowe transformatora Tr2, a ponadto między napięciami wyjściowymi falowników występuje przesunięcie fazowe równe π/6, to przebieg czasowy napięcia wypadkowego zawiera tylko harmoniczne rzędu n =12i±1 (i =1,2,3,...).
Rys. 2.6 Sumowanie za pomocą transformatorów napięć wyjściowych dwóch trójfazowych falowników mostkowych: a) schemat układu; b) przebiegi czasowe napięć składowych i napięcia wypadkowego
Rys. 2.7 Układ złożony z dwóch falowników trójfazowych mostkowych i dwóch transformatorów o uzwojeniach pierwotnych połączonych w trójkąt: a) schemat układu; c) przebiegi czasowe napięć składowych i napięcia wyjściowego; c) wykres wektorowy napięć
Kształtowanie napięcia odbiornika umożliwiają również tzw. falowniki wielopoziomowe. Dzięki zastosowaniu wielosekcyjnych źródeł napięcia zasilania i zwielokrotnionej liczby łączników jest możliwe doskonalsze formowanie przebiegu czasowego napięcia poprzez dołączanie zacisków odbiornika do punktów źródła zasilania o kilku różnych potencjałach. W zakresie dużych mocy najczęściej jest stosowany falownik trójpoziomowy, zasilany z dwusekcyjnego źródła napięcia stałego o dostępnym punkcie środkowym. Schemat takiego układu przedstawiono na rys. 2.8.
Rys. 2.8 Falownik trójfazowy trójpoziomowy: a) schemat układu; b) przykładowe przebiegi czasowe sygnałów sterujących oraz napięć wyjściowych
Falowniki prądu
Falowniki prądu o wyjściu trójfazowym mają strukturę mostkową, składającą się z trzech dwułącznikowych gałęzi fazowych. Podobnie jak w układach jednofazowych łączniki muszą charakteryzować się zdolnością przewodzenia prądu jednokierunkowego oraz blokowania napięć dodatnich i ujemnych. Trójfazowe falowniki prądu realizowane za pomocą półprzewodnikowych elementów w pełni sterowalnych są zwykle sterowane przy użyciu techniki modulacji szerokości impulsów. Wymagają one zastosowania kondensatorów, włączonych równolegle do odbiornika (linia kreskowa na rys.2.9a).
Rys. 2.9 Trójfazowy mostkowy falownik prądu: a) schemat ideowy; b) przebiegi czasowe prądów łączników i prądów wyjściowych przy odbiorniku połączonym w gwiazdę; c) przebiegi prądów wyjściowych przy odbiorniku połączonym w trójkąt
Najczęściej stosowanym falownikiem prądu o komutacji indywidualnej jest falownik, którego schemat pokazano na rys. 2.10
Rys. 2.10 Trójfazowy falownik prądu o indywidualnej komutacji wewnętrznej (falownik dwumostkowy): a) schemat ideowy układu; b), c) schematy zastępcze falownika i maszyny indukcyjnej, odniesione do procesu komutacji między fazami U i V
Falowniki o sterowaniu impulsowym
Przebiegi czasowe napięcia lub prądu wyjściowego większości nowoczesnych niezależnych falowników napięcia lub prądu o sterowaniu impulsowym są kształtowane za pomocą techniki modulacji szerokości impulsów (MSI lub z ang. PWM). W każdym półokresie podstawowej harmonicznej wielkości wyjściowej tych falowników, zwanych w skrócie falownikami MSI lub PWM, występuje ciąg impulsów jedno – lub dwubiegunowych, o modulowanej w czasie szerokości i ściśle określonej wartości szczytowej. W zależności od przyjętego sposobu modulowania czasów trwania impulsów napięcia lub prądu wyjściowego, wielkości te charakteryzują się różnym stopniem odkształcenia w stosunku do przebiegu sinusoidalnego. Technika modulacji szerokości impulsów umożliwia zarówno kształtowanie przebiegów czasowych napięć i prądów odbiorników, jak i regulację wartości i częstotliwości podstawowych harmonicznych tych wielkości. W przypadku falowników napięcia PWM napięcie wejściowe zwykle ma wartość stałą. W falownikach prądu PWM, w zależności od przyjętej metody modulacji szerokości impulsów, stosuje się zasilanie prądem jednokierunkowym o wartości stałej bądź regulowanej.
Funkcje stanów przewodzenia łączników falowników napięcia PWM są w praktyce uzyskiwane w sposób następujący:
a) przez porównanie sygnału nośnego z zadaną funkcją modulującą,
b) ...
the_mariov