Politechnika Krakowska

FALOWNIKI NAPIĘCIA

Falowniki napięcia są to przekształtniki, których zadaniem jest generowanie na wyjściu napięcia

o regulowanej częstotliwości i regulowanej wartości skutecznej. Falowniki napięcia zasilane są ze
źródła napięcia o stałej lub regulowanej wartości (najczęściej prostownik niesterowany).

Rys. 4.1. Schemat blokowy układu z falownikiem napięcia

Kondensator C ( najczęściej o pojemności kilku lub kilkunastu mF) musi być dołączony do
zacisków wejściowych falownika, natomiast dławik L

jest elementem opcjonalnym.

Falowniki napięcia dzieli się na dwie zasadnicze grupy:
•  falowniki generujące na wyjściu napięcie w postaci fali prostokątnej,
•  falowniki z modulacją szerokości impulsów (PWM).
•

Jednofazowy falownik napięcia

Tranzystory wysterowywane są do

Rys. 4.2. Jednofazowy falownik napięcia

przewodzenia parami: T1, T4 oraz T2, T3.

Po wyłączeniu pary tranzystorów T1, T4 prąd
odbiornika zamyka się przez diodę D3,
kondensator C (lub źródło napięcia) oraz przez
diodę D2. Prąd odbiornika zdąża do zera.

Napięcie na odbiorniku ma kształt
przebiegu prostokątnego, natomiast

Rys. 4.3. Napięcie i prąd odbiornika zasilanego przez

jednofazowy falownik napięcia: linia ciągłą –
odbiornik RL, linia przerywana – odbiornik L

kształt prądu zależy od charakteru
odbiornika.

Częstotliwość zmian napięcia oraz
prądu odbiornika reguluje się przez
zmianę częstotliwości załączania par
tranzystorów.

Regulacja wartości skutecznej
napięcia i prądu odbiornika wymaga
(w tym przypadku sterowania
tranzystorów) zmiany wartości
napięcia źródła zasilania.

Trójfazowy falownik napięcia

Rys. 4.4. Trójfazowy falownik napięcia

Jeśli falownik ma generować na
wyjściu napięcie w postaci fali
prostokątnej, to każdy z tranzys-
torów wysterowany jest do
przewodzenia przez pół okresu
pracy falownika.

Załączanie tranzystorów T3 oraz
T5 przesunięte jest względem
załączenia tranzystora T1 odpo-
wiednio o kąt 120

(2/3π) i kąt

240

(4/3π).

Załączanie tranzystorów T2, T4
oraz T6 przesunięte jest względem
załączania tranzystorów T1, T3
oraz T5 o kąt 180

(pół okresu).

Nie mogą być załączone jednocześnie dwa tranzystory w tej samej gałęzi !

Rys. 4.5. Diagram sterowania tranzystorów oraz kształt
napięcia fazowego, napięcia przewodowego oraz prądu

odbiornika RL połączonego w gwiazdę

Przy takim sposobie sterowania
napięcie wyjściowe falownika
(tym samym prąd odbiornika)
charakteryzuję się dużą zawar-
tością wyższych harmonicznych,
co jest cechą niekorzystną tego
typu sterowania tranzystorów.

Wartość skuteczną napięcia
wyjściowego reguluje się przez
zmianę napięcia zasilającego
falownik: w tym przypadku
falownik zasilany jest najczęściej
za pomocą prostownika
sterowanego.

Modulacja szerokości impulsów

(Pulse width modulation - PWM)

Rys. 4.6. Napięcie wyjściowe falownika: a) przy

modulacji jednobiegunowej, b) przy modulacji

dwubiegunowej

Napięcie wyjściowe falownika
ma postać ciągu impulsów
prostokątnych (uni- lub bipolarnych)
o stałej amplitudzie i zmiennej
szerokości trwania impulsów.

Taki kształt napięcia charakteryzuje się
znacznie mniejszą zawartością wyższych
harmonicznych w porównaniu z przebie-
giem napięcia w postaci fali prostokątnej.

Rys. 4.7. Modulacja fali nośnej u

sinusoidalnym przebiegiem

sterującym u

oraz przykładowy kształt napięcia i prądu

odbiornika RL zasilanego przez falownik jednofazowy PWM

Współczynnik modulacji
częstotliwości:

gdzie: f

– częstotliwość

przebiegu piłokształtnego,
(fali nośnej),
f

– częstotliwość przebiegu

sterującego.

Współczynnik modulacji
amplitudy:

gdzie: U

– amplituda sygnału

sterującego, U

– amplituda

sygnału sterującego przy której
szerokość impulsu ma najwięk-
szą wartość.

Sygnał sterujący (najczęściej sinusoidalny) ma taką częstotliwość f

, jaką ma mięć

napięcie wyjściowe falownika. Sinusoidalny sygnał sterujący zastępowany jest często funkcją

cyfrowego). Niekiedy sinusoidalna funkcja sterująca zastępowana jest przebiegiem trapezowym.

schodkową, której obwiednia jest sinusoidą (upraszcza to algorytm obliczeń w układach sterowania

Częstotliwość f

przebiegu piłokształtnego (symetrycznego lub niesymetrycznego)

powinna być co najmniej kilkanaście razy większa od częstotliwości przebiegu sterującego f

Częstotliwość f

wynosi przeciętnie od 1 kHz do kilkunastu kHz.

Amplituda sygnału sterującego może być większa od amplitudy przebiegu

piłokształtnego (wówczas występuje tzw. przemodulowanie).

Regulacja wartości skutecznej napięcia wyjściowego dokonywana jest przez zmianę

amplitudy sygnału sterującego (regulacja w układzie sterowania falownika). Dlatego też
falowniki pracujące z modulacją szerokości impulsów (PWM) zasilane są najczęściej przez
prostowniki niesterowalne (diodowe).

Wyjściowe napięcie przewodowe (w postaci ciągu impulsów) przyjmuje trzy wartości

napięcia: – U

, 0, + U

. Napięcie fazowe odbiornika oprócz wartości –2/3U

, –1/3U

, +1/3U

oraz

-+2/3U

przyjmuje także wartość zero (jest to równoznaczne ze zwarciem zacisków odbiornika).

Metody sterowania w falownikach napięcia

1. Metoda nadążnego kształtowania przebiegu czasowego napięcia wyjściowego

Podstawowa harmoniczna napięcia wyjściowego falownika powinna zmieniać się tak jak zadany
przebieg  napięcia  wyjściowego.  Różnica  między  sygnałem  zadanym  a  sygnałem
odzwierciedlającym  wartość  napięcia  wyjściowego  falownika  wprowadzana  jest  na  wejście
regulatora  PI,  którego  wyjście  steruje  pracą  regulatora  histerezowego.  Sygnał  wyjściowy
regulatora histerezowego steruje pracą tranzystorów danej fazy falownika.

Rys. 4.8. Zasada oraz układ sterowania w metodzie nadążnego kształtowania

przebiegu czasowego napięcia wyjściowego: linia ciągła – rzeczywisty przebieg

napięcia, linia przerywana –przebieg zadany

2. Metoda nadążnego kształtowania przebiegu czasowego prądu odbiornika

Prąd odbiornika może zmieniać się tylko w założonych granicach. Jeśli prąd fazy A

odbiornika osiągnie dolną wartość zadaną i–∆i (rys. 4.9), to następuje załączenie tranzystora T1,
prąd narasta (lub zdąża do zera, jeśli ma wartość ujemną). Gdy prąd osiągnie górną wartość i+∆i,
to następuje wyłączenie tranzystora T1, a do przewodzenia zostaje wysterowany tranzystor T2.
Jeśli prąd ma wartości dodatnie, to prąd po wyłączeniu T1 będzie płynął przez diodę D1;
tranzystor T2, zacznie przewodzić prąd, jeśli zmaleje on do zera i zmieni kierunek.

W tym przypadku sterowania występuje pełna kontrola prądu płynącego przez poszczególne

tranzystory.

Rys. 4.9. Zadane granice zmian prądu odbiornika oraz rzeczywisty

przebieg prądu odbiornika

Rys. 4.10. Sterowanie pracą falownika w metodzie nadążnego

kształtowania przebiegu czasowego prądu odbiornika

3. Metoda sterowania z orientacją wektora pola przy wymuszaniu prądów w odbiorniku

Z uwagi na zależność momentu silnika indukcyjnego od wszystkich prądów odbiornika

nastawianie  momentu  silnika  indukcyjnego  wymaga  realizacji  sterowania  w  oparciu  o  zastępcze
prądy  silnika  w  odpowiednim  układzie  tzw.  współrzędnych  wirujących.  Na  podstawie  pomiaru
wszystkich  trzech  prądów  odbiornika  oraz  dwóch  napięć  przewodowych  wyznaczane  są  żadne
wartości  zastępczych  prądów  silnika,  a  następnie  za  pomocą  odpowiedniej  transformacji  prądy
zastępcze przeliczane są na zadane wartości prądów odbiornika.

Rys. 4.11. Schemat blokowy układu sterowania z orientacją wektora pola przy

wymuszeniu prądów w odbiorniku

Hamowanie silników indukcyjnych zasilanych z falowników napięcia

Podczas hamowania silnika

Rys. 4.13. Układ hamowania silnika indukcyjnego

zasilanego z falownika napięcia

indukcyjnego częstotliwość
pracy falownika jest odpowiednio
zmniejszana względem częstotli-
wości odpowiadającej prędkości
obrotowej silnika indukcyjnego.

Energia oddawania przez silnik
indukcyjny jest wydzielana na
dodatkowym rezystorze R

pomocą odpowiedniego załączania tranzystora T lub oddawana do sieci trójfazowej, ale wówczas
prostownik zasilający falownik musi być prostownikiem tyrystorowym wysterowanym do pracy
malowniczej.