Współczesne procesy technologiczne wymagają zasilania energią charakteryzującą się możliwością płynnego regulowania jej podstawowych parametrów, takich jak: napięcie, liczba faz, kształt przebiegu czy częstotliwość. Możliwości takie dają przekształtniki energii elektrycznej, które należą do grupy urządzeń energoelektronicznych.

Przekształtnik jest elementem pośredniczącym pomiędzy źródłem a użytkownikiem energii elektrycznej. Jego wielkością wejściową jest energia elektryczna o ściśle określonych parametrach (prąd, napięcie, częstotliwość), pobierana z zewnętrznego źródła zasilającego, a wielkością wyjściową energia elektryczna o parametrach regulowanych zgodnie z wymaganiami użytkownika. Da takiej grupy urządzeń należą prostowniki i falowniki będące tematem poniższego artykułu.

Ten sam układ energoelektroniczny może w odpowiednich warunkach pełnić funkcję prostownika lub falownika. Pracując jako prostownik będzie wówczas przetwarzał napięcie przemienne na stałe i odwrotnie w przypadku pracy falownikowej. Jednak o tym czy dany układ energoelektroniczny pracuje jako prostownik czy falownik decyduje obwód zewnętrzny – rodzaj łączników oraz układ sterujący. Ogólny schemat blokowy urządzenia energoelektronicznego przedstawiono na rysunku 1. 

Rys. 1. Schemat blokowy urządzenia energoelektronicznego

Przekształcenie energii elektrycznej realizuje się przy pomocy zaworów, zwanych też kluczami energoelektronicznymi. Zawory można podzielić na: niesterowalne (diody), półsterowalne (tyrystory klasyczne) i w pełni sterowalne (tyrystory typu GTO, tranzystory IGBT).

Zewnętrzny sygnał sterujący jest przetwarzany w specjalnym bloku, zwanym sterownikiem (generatorem impulsów wyzwalających) w zbiór sygnałów sterujących poszczególnymi zaworami i funkcjonalnie stanowi integralną część przekształtnika. 

Przekształtniki energoelektroniczne dzieli się według różnych kryteriów. Jednym z nich jest podział ze względu na rodzaj przekształtnika. Tutaj rozróżnia się wspomniane powyżej prostowniki (AC/DC), falowniki (DC/AC), przetworniki prądu stałego (DC/DC), przekształtniki prądu przemiennego (AC/AC). Wśród przekształtników prądu przemiennego wyróżnić można przekształtniki bezpośrednie, zwane też cyklokonwertorami oraz pośrednie. Inny podział przekształtników rozróżnia je ze względu na sposób przekształcania energii na pośrednie oraz bezpośrednie. 

Podział ze względu na budowę dzieli je natomiast na przekształtniki proste oraz złożone, tj. szeregowe i równoległe. Ponadto wyróżnia się też podział ze względu na kierunek przepływu prądu i energii oraz zwrot napięcia, który to uwzględnia przekształtniki nawrotne i nienawrotne.

Prostowniki

Układy prostownikowe można podzielić na sterowalne i niesterowalne. Układy niesterowalne budowane są w oparciu o diody, natomiast sterowalne korzystają z tyrystorów SCR. Każdy z wymienionych rodzajów można dodatkowo podzielić na jedno- lub trójfazowe. 

Najprostszym przykładem prostownika jest niesterowalny, jednofazowy, jednopołówkowy prostownik diodowy, którego schemat i przebiegi napięcia oraz prądu przedstawiono na rysunku 2. Nikomu nie trzeba tłumaczyć zasady działania takiego układu. Średnia wartość napięcia wyprostowanego w tego typu układach wynosi około 0,45 wartości napięcia skutecznego zasilającego prostownik.

Rys. 2. Jednofazowy, jednopołówkowy, niesterowalny prostownik diodowy

Oprócz prostownika jednopulsowego rozróżnia się także układy p-pulsowe jednokierunkowe. Powstawanie napięcia wyprostowanego w tego typu prostownikach obciążonych rezystancyjnie przedstawia rysunek 3. Napięcie to jest złożone z wierzchołków sinusoid napięć fazowych wtórnych.

Rys. 3. Niesterowalny p-pulsowy prostownik jednokierunkowy

Kolejną odmianą prostowników niesterowalnych są układy mostkowe. Schemat takiego układu przedstawia rysunek 4. W układzie mostkowym diody przewodzą na przemian parami – jedna z grupy anodowej (np. dioda nr 4) i jedna z grupy katodowej (np. dioda nr 1). Wtedy prąd płynący w obwodzie zamyka się poprzez źródło napięcia, diodę 4, odbiornik i diodę 1. Następnie przewodzą diody 2 i 3, aby ponownie przewodzenie przejęły diody 1 i 4. Każda z diod przewodzi przez połowę okresu napięcia zasilającego. 

Rys. 4. Niesterowalne mostki prostownikowe (jedno- i trójfazowy)

Dotychczas przedstawione rodzaje prostowników należały do grupy prostowników jednofazowych. Na rysunku 4 przedstawiono także schemat niesterowalnego mostka trójfazowego. W mostku tym każda para diod przewodzi nieprzerwanie przez okres napięcia zasilającego, a przez pozostały czas jest spolaryzowana wstecznie. To która para diod ma w danym przedziale przewodzić zależy głównie od tego, które z napięć fazowych jest w danej chwili dominujące i wymusza przepływ prądu.

Bardziej uniwersalnymi układami prostownikowymi, pozwalającymi na płynną regulację wartości napięcia wyprostowanego, a tym samym prądu i mocy czynnej odbiornika, są układy prostownikowe sterowane fazowo. Do tego typu układów zalicza się prostowniki w pełni sterowalne – tyrystorowe oraz półsterowalne tj. tyrystorowo-diodowe. Ponadto wyróżnia się układy o odcięciu zerowym, które bardzo łatwo rozpoznać po dodatkowej diodzie bocznikującej odbiornik. Dioda ta pozwala głównie na rozładowanie energii zgromadzonej w indukcyjności odbiornika. Nazwa „układy o odcięciu zerowym” pochodzi od faktu, że w chwili rozładowania energii odbiornika (gdy pracuje dioda zerowa) napięcie na odbiorniku jest bliskie zeru, a dokładnie ma wartość napięcia przewodzącej diody zerowej. Przykładowy schemat prostownika jednopulsowego o odcięciu zerowym przedstawiono na rysunku 5. 

Rys. 5. Prostownik o odcięciu zerowym

Najprostszym sterowalnym prostownikiem jest prostownik jednopulsowy. W stosunku do prostownika niesterowalnego jako klucz (zawór) zamiast diody zastosowano tyrystor. Schemat i przebiegi napięcia wtórnego dla obciążenia rezystancyjnego i rezystnacyjno-indukcyjnego przedstawiono na rysunku 6. 

Rys. 6. Prostownik sterowalny jednopulsowy

Rozpatrując pracę układu dla obciążenia rezystancyjnego można zauważyć, że tyrystor przewodzi w czasie dodatniej półfali napięcia zasilającego po uprzednim podaniu na bramkę tyrystora impulsu wyzwalającego. W chwili przejścia napięcia zasilającego przez zero (π) tyrystor zostaje wyłączony i napięcie oraz prąd odbiornika maleją do zera. W przypadku prostownika jednopulsowego prąd płynący przez odbiornik jest zawsze prądem impulsowym.

Nieco bardziej skomplikowanymi, choć opierającymi się na tej samej zasadzie działania, są mostki sterowalne trójfazowe. Na rysunku 7 przedstawiono prostowniki trój- oraz sześciopulsowe. W obu prostownikach można uzyskać ciągłe przewodzenie prądu odbiornika. Zależy to od kąta załączenia tyrystorów i dla prostownika trójpulsowego kąty załączenia tyrystorów poszczególnych faz muszą być mniejsze od π/6. W takim przypadku wyłączenie aktualnie przewodzącego tyrystora odbywa się w chwili, gdy napięcie jego fazy zasilającej jest większe od zera a tyrystor przewodzi przez czas 2π/3. 

W przypadku prostownika sześciopulsowego prawidłowa praca jest zapewniona przy następującej sekwencji wyzwalania tyrystorów: T1-T5, T1-T6,T2-T6, T2-T4, T3-T4, T3-T5. 

Jak widać bogactwo rodzajów prostowników jest dość duże, co pozwala zawsze optymalnie dobrać prostownik do odbiornika. Opisane powyżej zasady działania poszczególnych układów przedstawiono przy założeniu komutacji prostej, czyli uwzględniono natychmiastowe wyłączenie jednego, a załączenie drugiego zaworu (klucza). Należy jednak mieć świadomość, że w rzeczywistości proces komutacji nigdy nie jest natychmiastowy i niekiedy może mieć znaczny wpływ na pracę układów prostownikowych, głównie wpływając na kształt i wartość napięcia wyprostowanego i prądu obciążenia.

Falowniki 

Praca falownikowa układów energoelektronicznych jest możliwa tylko i wyłącznie w przekształtnikach zawierających zawory w pełni sterowalne tj. tyrystory lub tranzystory mocy. Zatem praca falownikowa nigdy nie będzie możliwa dla przekształtników diodowych oraz przekształtników zawierających diodę zerową. 

Falownikami nazywa się urządzenia energoelektroniczne, których zadaniem jest przetwarzanie prądów i napięć stałych na przemienne (DC/AC). Falowniki stosowane są głównie do zasilania: regulowanych napędów elektrycznych (ASD), w zasilaczach bezprzerwowych (UPS), statycznych kompensatorach mocy biernej (SVC), filtrach aktywnych (AF), elastycznych systemach przesyłu energii (FACTS).

Ze względu na liczbę faz napięcia/prądu wyjściowego falowniki dzieli się na: jednofazowe, trójfazowe oraz wielofazowe o dowolnej liczbie faz (specjalnego przeznaczenia). 

Na początek warto rozpatrzyć układ przekształtnika przedstawiony na rysunku 6. Może on pracować jako falownik jednopulsowy tylko wtedy, gdy jego obciążenie będzie miało charakter RLE, czyli rezystancyjno – indukcyjny oraz będzie zawierać źródło napięcia. Ponadto biegunowość napięcia E musi być zgodna z kierunkiem prądu obciążenia. W takim przypadku następuje oddawanie energii zgromadzonej w odbiorniku do sieci energetycznej. Schemat falownika jednopulsowego wraz z przebiegami napięcia i prądu przedstawiono na rysunku 8. Na podstawie przebiegów można zauważyć, że prąd płynący w pracy falownikowej ma charakter impulsowy, podobnie ja to miało miejsce dla pracy prostownikowej.

W pracy falownikowej nie można dopuścić do powstania tzw. przewrotu falownika, ponieważ doprowadza to do zwarcia układu. Dzieje się tak wówczas, gdy prąd tyrystora nie zostanie obniżony do zera przed kolejnym jego załączeniem, na skutek jego niewłaściwego wyzwalania. Dlatego dla zapewnienia bezpiecznej pracy falownikowej określa się tzw. kąt minimalny wyprzedzenia wysterowania w pracy falownikowej (βmin).

Praca falownikowa jest również możliwa dla przekształtników przedstawionych na rysunku 7. W przypadku układu trójpulsowego warunek pracy falownikowej jest identyczny jak dla układu z rysunku 8, czyli napięcie E musi być skierowane zgodnie z kierunkiem prądu przewodzenia. Przewrót falownika w tym przypadku może nastąpić wtedy, gdy któryś z tyrystorów nie przejmie prądu od tyrystora aktualnie przewodzącego. Możliwy jest wówczas powrót do normalnej pracy falownikowej, jednak wiąże się to ze znacznym powiększeniem kąta βmin, czyli ze znacznym wzrostem prądu płynącego przez tyrystor, który nie mógł przejąć przewodzenia.

Rys. 7. Prostowniki sterowalne trój- oraz sześciopulsowe

Rys. 8. Falownik 1-pulsowy

W zależności od źródła napięcia zasilającego rozróżnia się falowniki napięcia (VSI) lub falowniki prądu (CSI). Pierwsze z nich zasila się ze źródła napięcia jednokierunkowego i przede wszystkim stałego o pomijalnie małej impedancji wewnętrznej. Ponadto źródło to musi umożliwiać dwukierunkowy przepływ prądu. Schemat blokowy falownika napięcia przedstawiono na rysunku 9. W tym układzie możliwy jest przepływ energii od źródła zasilania do odbiornika, jak i w drugą stronę. Przekazywanie energii z odbiornika do źródła zawsze odbywa się przy niezmienionej polaryzacji napięcia wejściowego falownika i jest możliwe tylko wtedy, gdy źródło zasilania umożliwia odbiór tej energii (np. bateria akumulatorów). Kondensator widoczny na schemacie blokowym bocznikuje źródło napięcia. Jego obecność jest cechą charakterystyczną dla obwodów zasilających niezależne falowniki napięcia.

Rys. 9. Falownik napięcia – schemat blokowy

Falowniki prądu służą do przekształcania prądu stałego (jednokierunkowego) w prąd przemienny jedno- lub wielofazowy o regulowanej wartości i częstotliwości. Falowniki prądu zasila się ze źródeł prądu jednokierunkowego, które to buduje się z regulowanego źródła napięcia oraz połączonego z nim szeregowo dławika o dużej indukcyjności. Dławik ten, zwany wygładzającym, minimalizuje tętnienia prądu zasilającego falownik. Na rysunku 10 przedstawiono schemat blokowy falownika prądu. Widać na nim, że prąd wejściowy falownika można regulować poprzez obwody automatycznej regulacji prądu.

Rys. 10. Falownik prądu – schemat blokowy

Podsumowanie

Tematyka urządzeń przekształtnikowych pracujących jako prostowniki lub falowniki jest bardzo obszerna i zapewne nie wyczerpana w całości na łamach tego artykułu. Oprócz opisanych powyżej układów prostownikowych i falownikowych istnieje jeszcze cała gama tychże urządzeń o nieco innych schematach elektrycznych. Ponadto istotną rolę w kształtowaniu napięcia i prądu odbiornika odgrywa proces komutacji, z którym należałoby się zapoznać, aby właściwie interpretować i analizować pracę układów przekształtnikowych. Zatem wszystkich Czytelników pragnących zgłębić lub poszerzyć przedstawioną powyżej wiedzę odsyłam choćby do poniżej przedstawionej literatury oraz zasobów internetowych.

Robert GABRYSIAK

Literatura:

1. M. Nowak, R. Barlik „Poradnik inżyniera energoelektronika”, WNT, Warszawa, 1998 r.
2. L. Frąckowiak „Energoelektronika cz. II”, wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, wydanie 3, Poznań 1998 r.
3. www.falowniki.edu.pl
4. www.falowniki.org
5. www.bezel.com.pl