6

www.elektro.info.pl

3/2002

przekszta³tniki i elemen-

ty

elektroniczne

mocy

piêcia zasilaj¹cego) istnieje
potrzeba przekszta³cenia tej
energii elektrycznej na tak¹,
która bêdzie akceptowana
przez odbiornik realizuj¹cy ok-
reœlony proces technologiczny.
Urz¹dzeniami, które przeksz-

Urz¹dzenia stosowane w prze-
myœle, w tym – w energetyce
oraz elektrotechnice, s¹
w przewa¿aj¹cej liczbie uk³a-
dami o mocach du¿ych (nie
mniej ni¿ kilkanaœcie – kilka-
dziesi¹t [kW]) i bardzo du¿ych

ta³caj¹ energiê elektryczn¹
o sta³ych parametrach na
energiê o parametrach regulo-
wanych s¹ przekszta³tniki. Ich
struktury s¹ zale¿ne od rodza-
jów energii elektrycznej, z któ-
rych s¹ zasilane oraz od tego,
jakie parametry ma mieæ ener-
gia na wyjœciu przekszta³tnika,
a wiêc ta, która zasilaæ bêdzie
odbiornik. Istniej¹ wiêc prze-
kszta³tniki napiêcia sta³ego
oraz napiêcia przemiennego.
Moce przekszta³tników zawie-
raj¹ siê w bardzo szerokich
granicach: od pojedynczych
watów [W] do dziesi¹tek me-
gawatów [MW].

Znacz¹ca czêœæ energii

elektrycznej wytwarzanej
w Polsce, podobnie jak w œwie-
cie, jest przetwarzana w prze-
myœle. Przyk³adem mog¹ byæ
uk³ady napêdowe stosowane
w przemyœle, które zu¿ywaj¹
55% – 65% wytworzonej ener-
gii elektrycznej. St¹d bardzo
du¿o uwagi poœwiêca siê dziœ
uk³adom tam stosowanym.

(moce od kilkuset [kW] do kil-
kudziesiêciu [MW]). Dlatego
stosowanie tam urz¹dzeñ
przekszta³tnikowych i elemen-
tów, z których te przekszta³tni-
ki s¹ zbudowane jest proble-
mem bardzo istotnym i w coraz
wiêkszym stopniu realizowa-
nym.

zastosowania

elementów

energoelektronicznych

Stosowane w przemyœle

ró¿ne procesy technologiczne
wymagaj¹ zastosowania ró¿-
nych rodzajów przekszta³tni-
ków. Kryteria pracy zastosowa-
nych procesów technologicz-
nych oraz racjonalne wykorzys-
tywania energii elektrycznej do
zasilania odbiorników elekt-
rycznych, to tak¿e wymagania
zró¿nicowania typów przeksz-
ta³tników. St¹d w ró¿nych ty-
pach przekszta³tników stoso-
wane s¹ ró¿ne pó³przewodni-

dr Jerzy Przybylski

Wytwarzana w kraju energia

elektryczna jest wykorzystywana

w wielu rodzajach odbiorników.

Odbiorniki energii elektrycznej

stosowane w przemyœle,

w biurach oraz gospodarstwach

domowych coraz czêœciej

s¹ zasilane energi¹ elektryczn¹

o regulowanych i odpowiednio

sterowanych parametrach.

Z

asilanie tych odbiorni-
ków tak¹ energi¹ elek-
tryczn¹ wynika z po-

trzeb technologicznych i z po-
trzeby racjonalnego wykorzy-
stywania dostarczanej energii.

Z uwagi na to, ¿e wytwarza-

na energia elektryczna jest na-
piêciem przemiennym o sta-
³ych parametrach (sta³a czês-
totliwoœæ f = 50 Hz i sta³a
amplituda (wartoϾ skuteczna)
na okreœlonym poziomie na-

7

3/2002

www.elektro.info.pl

Rys. 1 Sterowane elementy przekszta³tników energoelektronicznych: a) tranzystor

bipolarny, b) tranzystor IGBT, c) tyrystor bipolarny, d) tyrystor wy³¹czalny

(GTO, SGCT, IGCT)

a)

b)

d)

c)

Rys. 2 Schemat ideowo-blokowy uk³adu regulacji prêdkoœci obrotowej silnika

pr¹du sta³ego

kowe sterowane elementy mo-
cy. Elektroniczne elementy mo-
cy stosowane w przekszta³tni-
kach nazywane s¹ elementami
energoelektronicznymi. Kryte-
ria stawiane sygna³om wyjœ-
ciowym przekszta³tników na-
rzucaj¹ okreœlone parametry
zastosowanych w przekszta³t-
nikach elementów energoelekt-
ronicznych. Podstawowe para-
metry elementów energoelekt-
ronicznych, stosowanych
w przekszta³tnikach, to war-
toœci napiêæ i pr¹dów znamio-
nowych granicznych, maksy-
malne wartoœci mocy strat
wystêpuj¹ce na tych elemen-
tach, graniczne temperatury
pracy, maksymalne wartoœci
czêstotliwoœci pracy. W przek-
szta³tnikach energoelektro-
nicznych stosowane s¹ takie

elementy sterowane, jak tyrys-
tory, tranzystory oraz niestero-
walne diody. Elementy stero-
walne, tj. tyrystory i tranzysto-
ry pracuj¹ w uk³adach prze-
kszta³tnikowych dwustanowo.
Oznacza to, ¿e na skutek odpo-
wiedniego wysterowania mog¹
posiadaæ impedancjê swojego
pó³przewodnikowego z³¹cza
bardzo ma³¹, blisk¹ zeru lub
bardzo du¿¹ (k

Ω, MΩ).

W przekszta³tnikach ener-

goelektronicznych s¹ stosowa-
ne tranzystory bipolarne
rys.1a, tranzystory IGBT (Insu-
lated Gate Bipolar Transistor) –
rys.1b, tyrystory bipolarne –
rys.1c – oraz tyrystory wy³¹-
czalne – rys.1d. Tyrystory wy-
³¹czalne s¹ budowane w tech-
nologii GTO (Gate Turn Off Thy-
ristor), SGCT (Symmetrical Ga-

F

8

www.elektro.info.pl

3/2002

te Commutated Thyristor)
i IGCT (Integrated Gate Com-
mutated Thyristor). W stosun-
ku do tyrystorów bipolarnych,
w tyrystorach wy³¹czalnych
mo¿na zmieniaæ nie tylko czas
za³¹czania (czyli zmiany impe-
dancji z³¹cza tyrystora z bar-
dzo du¿ej do bliskiej zeru), ale
tak¿e czas wy³¹czenia tyrysto-
ra (tj. zmiany impedancji z blis-
kiej zeru do bardzo du¿ej).

Energoelektroniczne ele-

menty mocy s¹ wykorzystywa-
ne do:

n

przekszta³cenia ogólnie

dostêpnej energii napiêcia
przemiennego o sta³ych para-
metrach amplitudy i czêstotli-
woœci, na napiêcie sta³e o re-

n

przekszta³cenia napiê-

cia przemiennego o sta³ych
parametrach na napiêcie prze-
mienne o regulowanych para-
metrach amplitudy i czêstotli-
woœci (AC/AC).

Rozwój technologii wytwa-

rzania elementów energoelek-
tronicznych by³ ograniczany
parametrami granicznymi tych
elementów. Nale¿a³o poszuki-
waæ sterowanych elementów
elektronicznych mocy o war-
toœciach pr¹dów znamiono-
wych wiêkszych od kilkudzie-
siêciu amperów [A] i napiê-
ciach nie mniejszych od kilku-
set Voltów [V].

Mo¿liwoœci technologiczne

pozwala³y na pocz¹tku na wy-
tworzenie tyrystorów jako ste-

lub przemiennego jest mo¿liwe
po zastosowaniu przekszta³tni-
ków, w których elementy ener-
goelektroniczne: diody, tyrysto-
ry i tranzystory pracuj¹ dwus-
tanowo. Tak pracuj¹ce elemen-
ty elektroniczne charakteryzuj¹
siê niewielkimi startami, jakie
wystêpuj¹ na z³¹czach w cza-
sie ich pracy. Moc strat na pra-
cuj¹cych tyrystorach i tranzys-
torach jest zale¿na od wartoœ-
ci pr¹du p³yn¹cego przez z³¹-
cze oraz spadku napiêcia na
przewodz¹cej strukturze. Dla
tyrystorów w szerokim zakresie
zmian ich parametrów znamio-
nowych wartoœci spadku na-
piêæ zawieraj¹ siê w granicach
1,5 V-1,8 V. Oznacza to, ¿e
straty dla tyrystorów mocy wy-
nosz¹ kilkadziesi¹t do kilkuset
W na jeden zawór (tyrystor).
W tranzystorach spadki napiêæ
na przewodz¹cych strukturach
s¹ mniejsze (ok. 1 V). Dopusz-
czalne temperatury pracy z³¹-
czy tranzystorów i tyrystorów
nie przekraczaj¹ 125°C,
a obudowy 80°C.

Efektywne sposoby zmiany

prêdkoœci obrotowej silnika
uzyskuje siê przez regulacjê
wartoœci napiêcia zasilaj¹cego
silnik pr¹du sta³ego, a w wy-
padku silnika pr¹du przemien-
nego przez zmianê amplitudy
i czêstotliwoœci napiêcia zasi-
laj¹cego. Poni¿ej przedstawio-
no struktury regulacji prêdko œ-
ci obrotowej silników elektrycz-
nych pr¹du sta³ego i prze-
miennego z wykorzystaniem
przekszta³tników energoelekt-
ronicznych. Na rysunku 2
przedstawiono schemat ideo-
wo-blokowy uk³adu regulacji
prêdkoœci obrotowej silnika
pr¹du sta³ego z wykorzysta-
niem 3-fazowego przekszta³t-
nika tyrystorowego PS.

Przekszta³tnik PS realizuje

2 funkcje: zamianê ogólnie
dostêpnej energii elektrycznej

Rys. 4 Uk³ad napêdowy z silnikiem

pr¹du sta³ego zasilany

z przekszta³tnika DC/DC

Rys. 5 Oscylogram napiêcia a) i pr¹du b) zasilaj¹cego silnik klatkowy z falownika

Rys. 3 Napiêcie wyjœciowe i pr¹d z tyrystorowego przekszta³tnika zasilaj¹cego

silnik pr¹du sta³ego

rowanych elementów energoe-
lektronicznych o dostatecznych
dla uk³adów du¿ych mocy pa-
rametrach napiêæ i pr¹dów
znamionowych. Wówczas tran-
zystory jako elementy elektro-
niczne w pe³niejszym stopniu
sterowane, posiada³y paramet-
ry graniczne (maksymalne)
znacznie mniejsze ni¿ tyrysto-
ry. Obecnie parametry granicz-
ne dla tyrystorów to wartoœci
pr¹dów znamionowych kilka
[kA] i napiêciach kilka [kV].
Tranzystory osi¹gaj¹ parametry
znamionowe kilkaset [A] przy
napiêciach do 6 kV.

aplikacje

z energoelektronicznymi

przekszta³tnikami

mocy

Wykorzystaniu regulowa-

nych przekszta³tników energo-
elektronicznych towarzysz¹ dwa
cele: umo¿liwiaj¹ optymalne
sterowanie procesami technolo-
gicznymi oraz racjonaln¹ gos-
podarkê energi¹ elektryczn¹.
Bardzo wa¿nymi odbiornikami
energii elektrycznej s¹ napêdy.
Wed³ug szacunków zarówno
w kraju, jak te¿ na œwiecie, na-
pêdy elektryczne zu¿ywaj¹ od
55% do 65% wytworzonej
energii elektrycznej. W znacz-
nej czêœci s¹ to napêdy du-
¿ych i bardzo du¿ych mocy,
stosowane w energetyce, zak-
³adach komunalnych i w wielu
innych dzia³ach przemys³u.
W celu zrealizowania jednego
lub obu wy¿ej wymienionych
zamierzeñ, nale¿y w uk³adach
napêdowych stosowaæ takie
uk³ady zasilania silników elek-
trycznych, aby ich prêdko œ æ
obrotowa by³a regulowana sto-
sownie do wymogów procesu
technologicznego. Sterowanie
prêdkoœci¹ obrotow¹ silnika
elektrycznego pr¹du sta³ego

gulowanej lub sta³ej wartoœci
(AC/DC);

n

przekszta³cenia napiê-

cia sta³ego na napiêcie prze-
mienne o regulowanej amplitu-
dzie i czêstotliwoœci (DC/AC);

n

przekszta³cania napiê-

cia sta³ego o sta³ej wartoœci
na napiêcie sta³e o innej sta-
³ej wartoœci (DC/DC);

9

3/2002

www.elektro.info.pl

napiêcia przemiennego na na-
piêcie sta³e oraz regulacjê
wartoœci œredniej napiêcia sta-
³ego przekszta³tnika, zasilaj¹-
cego silnik pr¹du sta³ego. Ste-
rowanie fazowe tyrystorami
przekszta³tnika pozwala na
zmianê œredniej wartoœci na-
piêcia zasilaj¹cego twornik
maszyny pr¹du sta³ego, przez
co mo¿liwa jest regulacja jego
prêdkoœci obrotowej. Taki spo-
sób sterowania pozwala na
dostosowanie iloœci energii
dostarczonej do silnika zale¿-
nego od aktualnie zapotrzebo-
wanego. Pracuj¹ce w struktu-
rze przekszta³tnika tyrystory
s¹ elementami o niewielkich
startach, przez co proces stero-
wania napêdem jest energo-
oszczêdny. Przekszta³tniki ty-
rystorowe w napêdzie pr¹du
sta³ego s¹ stosowane, je¿eli
napiêciem zasilaj¹cym jest na-
piêcie przemienne. Natomiast
je¿eli napiêciem zasilaj¹cym
uk³ad jest napiêcie sta³e (np.
w trakcji – poci¹gi, tramwaje,
metro), wówczas czêœciej sto-
sowane s¹ tranzystorowe
przekszta³tniki (uk³ad DC/DC)
– w tym przypadku równie¿
z mo¿liwoœci¹ regulacji prêd-
koœci silnika przez zmianê war-
toœci napiêcia zasilaj¹cego uz-
wojenie maszyny pr¹du sta³e-
go. Schemat jednego z rozwi¹-
zañ uk³adu przekszta³tniko-
wego DC/DC przedstawiono na
rysunku 4.

W napêdzie z silnikiem pr¹-

du przemiennego (silniki syn-
chroniczne i asynchroniczne)
s¹ stosowane przekszta³tniki
tyrystorowe oraz tranzystoro-
we. Metoda pozwalaj¹ca na re-
gulacjê prêdkoœci takich silni-
ków polega na zmianie czêsto-
tliwoœci sygna³u zasilaj¹cego
uzwojenie silnika z odpowied-
ni¹ zmian¹ te¿ amplitudy na-
piêcia zasilaj¹cego. Znacz¹cy
rozwój w produkcji tranzysto-

niczne stosowane w uk³adach
mocy to elementy energoelek-
troniczne mog¹ce s³u¿yæ tran-
smisji sygna³ów o znacznych
mocach do MW. Sterowane
elementy energoelektroniczne,
tyrystory i tranzystory, pozwala-
j¹ na rozwój nowych i optyma-
lizacje istniej¹cych technologii.
Stosowanie nowych elementów
energoelektronicznych pozwala
na racjonaln¹ gospodarkê
energetyczn¹ i coraz pow-
szechniejsze wykorzystanie
energooszczêdnych metod
w produkcji, us³ugach i w in-
nych dziedzinach ¿ycia.

q

Tyrystory, których parametry

pr¹dowo-napiêciowe s¹ wy¿-
sze, a czêstotliwoœci graniczne
mniejsze ni¿ tranzystorów,
umo¿liwiaj¹ budowê odmien-
nych struktur falowników.
Schemat takiego przemiennika
czêstotliwoœci z wykorzysta-
niem tyrystorów wy³¹czalnych
typu IGCT przedstawiono na ry-
sunku 8. Rozwój nowych tech-
nologii w wytwarzaniu przyrz¹-
dów pó³przewodnikowych
stwarza w wielu dziedzinach
mo¿liwoœci optymalizacji pro-
cesów produkcyjnych oraz ra-
cjonalne u¿ytkowanie energii
elektrycznej. Elementy elektro-

a)

b)

Rys. 7 Schemat napêdu z silnikiem klatkowym 6kV zasilanym z falownika

wielopoziomowego

rów mocy pozwala na stosowa-
nie tej metody do silników co-
raz wiêkszych mocy.

Stosowane s¹ tranzystory

o czêstotliwoœci pracy (prze-
³¹czeñ ze stanu zablokowania
do stanu przewodzenia i odw-
rotnie) od kilkuset Hz do kilku
i kilkunastu kHz.

Im wiêksza czêstotliwoœæ

prze³¹czeñ tranzystorów, tym
lepsze efekty regulacyjne s¹
uzyskiwane przez regulowany
napêd z silnikiem pr¹du prze-
miennego. Na rysunku 5 przed-
stawiono sygna³y napiêcia a)
i pr¹du b), zasilaj¹cego silnik
pr¹du przemiennego, zasilany
z tranzystorowego przemienni-
ka czêstotliwoœci (falownika)
o regulowanej czêstotliwoœci.

Dla silników niskiego napiê-

cia (<1 kV) uk³ad zasilania
z falownika przedstawiono na
rysunku 6. Stosowane, np.
w energetyce, napêdy bardzo
du¿ych mocy wymagaj¹ zasila-
nia silników o napiêciu prze-
kraczaj¹cym 1 kV. W Polsce
jest bardzo du¿o silników o na-
piêciu znamionowym 6 kV.
Struktury przekszta³tników za-
silaj¹cych takie silniki s¹ od-
mienne od struktur falowników
dla silników zasilanych napiê-
ciem niskim, np. 380 V i 690
V. Graniczne parametry tran-
zystorów stosowanych w prze-
miennikach czêstotliwoœci (fa-
lownikach) wymagaj¹ tworze-
nia innych struktur zasilania sil-
ników pr¹du przemiennego
o napiêciu znamionowym 6 kV.
Aktualnie nie s¹ dostêpne tran-
zystory o znamionowych na-
piêciach pozwalaj¹cych na bu-
dowê falowników o struktu-
rach, takich jak dla silników
niskiego napiêcia 380 V i 690
V. Schemat falownika przysto-
sowanego do zasilania silnika 6
kV przedstawiono na rysunku 7
– a) czteropoziomowego, b)
trójpoziomowego.

Rys. 8 Schemat napêdu silnika asynchronicznego 6 kV zasilanym z falownika

Rys. 6 Schemat uk³adu napêdowego z silnikiem asynchronicznym zasilanym

z falownika