background image

PROSTOWNIKI 

 Z MODULACJĄ SZEROKOŚCI IMPULSÓW (PWM) 

 

Prostowniki  tyrystorowe  („klasyczne”)  są  to  przekształtniki  pozwalające  zamieniać 

napięcie przemienne na napięcie stałe o regulowanej wartości średniej 

 

 

Rys. 3.1. Trójfazowy prostownik gwiazdowy

Prąd w linii zasilającej jest prądem 

jednokierunkowym, co jest istotną wadą 
prostownika gwiazdowego. Z tego względu 
prostowniki gwiazdowe stosowane są w 
układach małej mocy.

  

  
 
 
 
 
 
 

Prąd w linii zasilającej jest prądem 

dwukierunkowym, którego wartość 
średnia jest równa zeru ! 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

 

Rys. 3.2. Trójfazowy prostownik mostkowy 

 
 

Oddziaływanie prostowników na sieć zasilającą 

 

Prostowniki negatywnie oddziaływają na sieć zasilającą poprzez: 
•  generację wyższych harmonicznych prądów w sieci zasilającej, co powoduje odkształcenie 

napięcia w sieci zasilającej, 

•  pogorszenie tzw. współczynnika mocy. 
 
 
Rysunek 3.3 przedstawia trzy podstawowe układy przekształtników: 

a)  układ trójfazowy, trójpulsowy, gwiazdowy (p = 3); 
b)  układ trójfazowy, sześciopulsowy, mostkowy (p = 6); 
c)  układ jednofazowy, dwupulsowy, mostkowy (p = 2); 

oraz odpowiadające im teoretyczne przebiegi prądów i napięć dla wyżej podanych założeń.  

 
 

 

background image

Prąd pobierany z sieci i

L

 ma w założonych warunkach postać prostokąta.  

a)   

 

 

     b) 

 

 

 

        c) 

 

I

L

U

t

u

i

L

L

I

d

d

I

L

U

0

t

i

L

u

L

I

d

d

I

L

t

u

i

L

L

I

d

d

 

 

Rys. 3.3. Schematy układów tyrystorowych oraz przebiegi napięć i prądów dla 

α

 = 0: 

a)  układ trójfazowy, trójpulsowy, gwiazdowy (p=3);   
b)  układ trójfazowy, sześciopulsowy, mostkowy (p=6);  
c)  układ jednofazowy, dwupulsowy, mostkowy (p=2); 

I

L

 – prąd pobierany z sieci; U

p

 – napięcie międzyprzewodowe; U

L

  – napięcie fazowe 

Przy pełnym wysterowaniu przekształtnika (

α

 = 0) podstawowa harmoniczna prądu w linii 

zasilającej  jest  w  fazie  z  napięciem,  natomiast  gdy 

α

  >  0  następuje  przesunięcie  krzywej 

prądu,  co  powoduje,  że  przekształtnik  staje  się  odbiornikiem  o  charakterze  rezystancyjno  - 
indukcyjnym. 
 
 
 

 

Prostownik PWM z obwodem wyjściowym napięcia stałego 

 

Obwód  główny  prostownika  PWM  (rys.  3.4),  identyczny  z  obwodem  stosowanym  w 

falownikach  napięcia  składa  się  z  trzech  gałęzi,  zawierających  tranzystory  IGBT z diodami 
zwrotnymi.  

 

background image

D1

T1

T2

T3

T4

T5

T6

D2

D3

D4

D5

D6

L

1

P

L

3

P

L

2

P

i

L1

U

U

U

U

U

i

L1

L2

L3

d

C

S1

d

d

U

X1

0

 

Rys. 3.4. Impulsowy przekształtnik sieciowy PWM z obwodem wyjściowym napięcia  stałego 

 
Przy  praktycznie  uzyskiwanej  częstotliwości  łączeń  od  1  do  10  kHz,  na  wejściu 

przekształtnika  od  strony  linii  zasilającej  kształtowana  jest  fala  napięcia  PWM  w  postaci 
ciągu  impulsów  U

S

  (rys.  3.5a).  Amplituda  i  faza  podstawowej  harmonicznej  tego  napięcia 

może być w praktyce zmieniana bezinercyjnie. Dławiki włączone na wejściu przekształtnika 
nadają obwodowi wejściowemu charakter źródła prądu. Wskutek tego przekształtnik posiada 
właściwości podwyższania napięcia. 

a) 

 

U

S

 

i

L

 

b) 

 

U

d

 

i

d

 

Rys.  3.5.  Przykładowe  przebiegi  napięć  i  prądów  w  prostowniku  PWM:  a)  w  obwodzie 
wejściowym; b) w obwodzie wyjściowym napięcia stałego (napięcie – przebieg górny; prąd – 
przebieg dolny) 

 

background image

Wartość prądu w każdej fazy linii zależy od różnicy między napięciem linii U

L

 i napięciem 

wejściowym  prostownika  PWM.  Zmieniając  kąt  fazowy  ψ  i  amplitudę  sygnału  sterującego 
napięcia  U

S

  reguluje  się  pośrednio  fazę  i  amplitudę  prądu  linii.  Tym  samym  podlega 

sterowaniu wartość średnia i znak prądu wyprostowanego  I

d

 i odpowiadająca temu prądowi 

wartość  mocy  czynnej  przepływającej  przez  przekształtnik.  Niezależnie  od  wartości  mocy 
czynnej,  może  być  sterowana  wartość  mocy  biernej  związanej  z  przesunięciem  fazowym 
podstawowej  harmonicznej  prądu  I

L

  w  odniesieniu  do  napięcia  U

L

.  Dzięki  dławikom 

wejściowym, przebieg czasowy prądów linii zasilającej jest dobrze wyfiltrowany (rys. 3.5).  

Na rysunku 3.3 przedstawione są przykładowe przebiegi prądów w poszczególnych fazach 

prostownika PWM. 

 

 

 

Rys. 3.6. Przebiegi czasowe prądów fazowych pobieranych przez prostownik PWM z  

               wyjściowym obwodem napięcia stałego 

 
W  okresie  20 ms  (50  Hz)  wyróżniono  sześć  przedziałów,  w  których  kierunki  prądów  w 
poszczególnych  fazach  nie  ulegają  zmianie  i  stworzono  tabelę,  w  której  zaznaczono 
tranzystory i diody mogące przewodzić prąd w danym przedziale. 
 

Tabela. Elementy przewodzące w poszczególnych przedziałach przedstawionych na rys. 3.6. 

 

 

II 

III 

IV 

VI 

D1

 

 

 

 

 

 

 

D2 

 

 

 

 

 

 

D3 

 

 

 

 

 

 

D4 

 

 

 

 

 

 

D5 

 

 

 

 

 

 

D6 

 

 

 

 

 

 

T1 

 

 

 

 

 

 

T2 

 

 

 

 

 

 

T3 

 

 

 

 

 

 

T4 

 

 

 

 

 

 

T5 

 

 

 

 

 

 

T6 

 

 

 

 

 

 

 

 

W  każdej  chwili  przewodzą  trzy  elementy,  przy  czym  w  danej  gałęzi  może  przewodzić 

tylko  jeden  element  (dioda  lub  tranzystor).  Rysunek  3.7  przedstawia  przykładowych  pięć 
stanów przewodzenia w przedziale I. Na rysunku 3.7a przewodzą tylko diody  (D1, D5, D3). 

 

background image

Stany    układu  zaprezentowane  na    3.7b  oraz  3.7c  stanowią  zwarcie  trójfazowe,  podczas 
którego  do  odbiornika  nie  dopływa  prąd,  a  we  wszystkich  trzech  fazach  prądy  narastają. 
Zanik  prądu  i

d

  dopływającego  do  obwodu  wyjściowego  jest  możliwy  ponieważ  wyjście 

prostownika  ma  charakter  napięciowy  dzięki  obecności  kondensatora  filtrującego  C

d

  (rys. 

3.4). Obciążeniem prostownika jest na przykład szeregowy obwód RL dołączony równolegle 
do  tego  kondensatora.  Podczas  zwarcia  prąd  odbiornika  zamyka  się  przez  kondensator  C

d

Krótkotrwałe zwarcie trójfazowe jest dopuszczalne, ponieważ na wejściu prostownika PWM 
włączone  są  dławiki  L

P

  (rys.  3.4).  Stan  zwarcia  z  rysunku  3.4b  uzyskuje  się  poprzez 

załączenie tranzystora T2 (dioda D5 przestaje przewodzić) podczas gdy przewodzą diody D1 i 
D3 (przedział I). Stan zwarcia z rysunku 3.7c uzyskuje się poprzez załączenie T4 i T6. Prąd 
zamyka się przez diodę D5, natomiast diody D1 i D3 wówczas nie przewodzą. Rysunki 3.7d i 
3.7e prezentują zwarcie dwufazowe.  

 

a) 

 

 

 

 

 

  b) 

D1

T1

T2

T3

T4

T5

T6

D2

D3

D4

D5

D6

i

L1

i

L2

i

L3

i

d

od

b.

      

D1

T1

T2

T3

T4

T5

T6

D2

D3

D4

D5

D6

i

L1

i

L2

i

L3

o

db

.

 

c) 

 

 

 

 

 

  d) 

  

D1

T1

T2

T3

T4

T5

T6

D2

D3

D4

D5

D6

i

L1

i

L2

i

L3

od

b.

      

D1

T1

T2

T3

T4

T5

T6

D2

D3

D4

D5

D6

i

L1

i

L2

i

L3

i

d

od

b.

 

e) 

D1

T1

T2

T3

T4

T5

T6

D2

D3

D4

D5

D6

i

L1

i

L2

i

L3

i

d

od

b.

 

 

Rys. 3.7. Możliwe warianty przewodzenia zaworów w przedziale I

 

 

 

 

background image

Właściwości prostowników PWM 

Równanie dla wartości skutecznych napięcia i prądu wejściowego prostownika PWM (rys. 

3.4) dla jednej fazy jest następujące: 

 

S

X

L

U

U

U

+

=

 

a wykres wskazowy ma postać:  

U

I

L

X

S

U

U

L

Re (y)

Im (jx)

 

Rys. 3.8. Wykres wskazowy napięć w prostowniku PWM 

 

 

Poprzez  zmianę  współczynnika  modulacji  amplitudy  m  i  oraz  kąta  ψ  można  sterować 

zarówno wartością mocy czynnej jak i biernej w obwodzie wejściowym prostownika PWM. 
Wartość napięcia wyprostowanego przy modulacji sinusoidalnej wynosi w przybliżeniu:  

 

ψ

=

sin

3

2

2

m

U

PX

U

L

P

d

 

Wartość kąta φ można wyznaczyć na podstawie zależności: 





=

ψ

ψ

ϕ

sin

cos

3

2

P

L

PX

U

arctg

 

Przy stałej mocy P, i stałej wartości skutecznej napięcia U

L

 kąt 

ϕ

 jest funkcją tylko kąta ψ

Natomiast napięcie U

d

 zależy od współczynnika modulacji m i uzyskuje wartości najmniejsze 

dla  m  =  1.  Dla  ψ  =  90°  napięcie  wyjściowe  osiąga  minimum.  Na  rys.  3.9  przedstawiono 
przykładową zależność napięcia wyjściowego U

d

 od kąta ψ dla kilku wartości współczynnika 

głębokości modulacji m przy stałej, zadanej wartości mocy P.  

0

200

400

600

800

1000

1200

0

15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

[°]

U

[V]

m=1

m=0,8

m=0,6

m=0,4

m=0,2

 

Rys. 3.9. Zależności U

= f(

ψ

) przy stałej mocy P 

 

background image

Prostowniki PWM nie mogą być stosowane jako źródła o regulowanym napięciu od zera w 

górę.  Mogą  pracować  jako  przekształtniki  podwyższające  napięcie  lub  jako  stabilizatory 
napięcia. Rysunki 3.10 i 3.11 przedstawiają przykładowe przebiegi prądów i napięć oraz ich 
widma harmonicznych dla mostkowego prostownika diodowego oraz dla prostownika PWM 

 

a)  
 

 

u’

L1

 

i

L1

 

b) 

0kHz

1kHz

2kHz

3kHz

4kHz

5kHz

1m

10m

0,1

1

10

100

THD = 15,6%

0kHz

1kHz

2kHz

3kHz

4kHz

5kHz

1m

10m

0,1

1

10

100

THD = 23,8%

L

L

 

c) 

 

U

d

 

I

d

 

 

Rys. 3.10. Przebiegi czasowe napięć i prądów wejściowych (a)i wyjściowych (c) oraz widmo 

wyższych harmonicznych (b)mostkowego prostownika diodowego

 

 

 
 

 

background image

 

a) 
 

 

u’

L1

 

i

L1

 

b) 

0kHz

1kHz

2kHz

3kHz

4kHz

5kHz

1m

10m

0,1

1

10

100

THD = 1,08%

0kHz

1kHz

2kHz

3kHz

4kHz

5kHz

1m

10m

0,1

1

10

100

THD = 0,6%

L

L

  

c) 

 

U

d

 

I

d

 

 

Rys. 3.11. Przebiegi czasowe napięć i prądów wejściowych (a) i wyjściowych (c) oraz widmo 

wyższych harmonicznych (b) dla prostownika z obwodem wyjściowym napięcia 

stałego; P = 100kW, U

d

 = 600V, φ = 0° (C

P

 = 100µF, L

P

 = 3mH)