POLOVODČOVÉ SMĚŇOVAČE rčeno pro poslchače bakalářských stijních prograů FS Obsah: Úvo Neřízené polovoičové sěrňovače v jenocestné (zlové) zapojení Jenofázové jenoplsní jenocestné (zlové) sěrňovače sěrňovač s oporovo zátěží sěrňovač s C zátěží. sěrňovač s L zátěží. Jenofázové voplsní jenocestné (zlové) sěrňovače Třífázové trojplsní jenocestné (zlové) sěrňovače. Třífázové šestiplsní jenocestné (zlové) sěrňovače. Neřízené polovoičové sěrňovače v vocestné (ůstkové) zapojení Jenofázové voplsní vocestné (ůstkové) sěrňovače Třífázové šestiplsní vocestné (ůstkové) sěrňovače.
4. Úvo Jená se o rh výkonového polovoičového ěniče požívaného k přeěně stříavého pro na stejnosěrný (ac/c). Tento o rh provozní jenotky elektronické výkonové přeěny sestávající z náslejících bloků: Napájecí zroj (-fázová stříavá napájecí síť- popř. transforátor) Vlastní blok sěrňovače obsahjící výkonové polovoičové sočástky (VPS) Zátěž sestávající z kobinace zapojení prvků obvo,l,c popř i s protinapětí i Paraetry a varianty zapojení těchto bloků ovlivňjí provozní vlastnosti sěrňovačů. P Jenokvarantový Napájecí zroj,, Blok sěrňovače, Zátěž (,L.C, i ) Vstpní, ac strana sěrňovače vokvarantový Obr. 1 Sestava polovoičového sěrňovače P Výstpní, c strana sěrňovače Výkla různých variant sěrňovačů be ále prováěn za přepoklaů: ealizovaného napájecího zroje ealizovaných polovoičových ventilů (sočástek), tj. nevažování jejich vnitřního opor ealizovaných spojovacích voičů a alších částí (nevažování jejich paraetrů). ozělení sěrňovačů je ožno provést na záklaě různých kritérií (hleisek) Pole rh napájecího zroje (počt fází): - jenofázové (=1), - třifázové, (=3) - -fázové Pole charakter výstpních (stejnosěrných) veličin: - neřízené, osazené neřiitelnýi polovoičovýi spínacíi sočástkai - ioai; - řízené, osazené řiitelnýi polovoičovýi sočástkai (tyristory, tranzistory) ; které pole způsob provoz (sěr tok energtie-výkon) ále ělíe na: - jenokvarantové (energie je přenášena poze ze zroje o zátěže) ; - vokvarantové (energie je přenášena ze zroje o zátěže a naopak, schopnost reverzace výstpního napětí zěno říícího úhl) Pole počt plzů (počet kotací z jené větve na jino běhe jené perioy): - jenoplzní, voplzní, trojplzní, šestiplzní, vanácti a víceplzní (q=1,, ) Pole zapojení ěniče (spořáání jeho výkonového obvo) z hleiska tvar pro na vstpní straně(svorkách) blok sěrňovače Jenocestné (pro na vstpních svorkách je jenosěrný) Dvocestné (pro na vstpních svorkách je obosěrný) Pole zapojení zroje a jenotlivých VPS zlové (všechny VPS a napěťové zroje jso jení shoný póle spojeny o zl Můstkové (vnější svorky stejné polarity jso společné a výstpní, střey skpiny jso vstpní) sěrněné napětí Průběh okažité honoty sěrněného napětí se vyznačje stříavo složko nasperponovano na jeho stření honot. Při vlastní sěrnění stříavé vstpní veličiny vybírá sěrňovač jen rčito část jeho křivky tak, aby výstpní napětí přiváěné na zátěž bylo stejnosěrné. Z hleiska zvlnění výstpního c napětí vychází
příznivě sěrnění vícefázového vstpního napětí, ky jso z jenotlivých fází vybírány ze sinsového průběh jen části a to v oblasti axia. Stření honot sěrněného napětí naprázno o je ožno rčit pro vo a víceplzní zapojení (q ) le vztah q = sin, (1) q ke.. efektivní honota napájecího napětí sěrňovače (na vstpních svorkách s výjiko zlových zapojení, ke se jená o fázovo honot napětí) sěrněný pro Okažitá honota sěrněného pro je označována i. Průběh i je án průběhe sěrněného napětí a zátěží. Obecná zátěž ůže obsahovat opor, inkčnost L, kapacit C popř. protinapětí i. sěrněný pro be zvlněný a pok v průběh perioy vstpního napětí neosáhne nlové honoty nazývá se jako nepřeršovaný (spojitý). Neřízené polovoičové sěrňovače v jenocestné (zlové) zapojení 1 L V1 V V Obecný q-plsní sěrňovač v zlové zapojení je tvořen q větvei s iniálně jeno polovoičovo sočástko. V přípaě q >1 jso všechny VPS shoný póle spojeny a vzniká tak katoový nebo anoový zel. Kažá větev sěrňovače je napájena jeno fází - fázového stříavého zroje (viz obr.). Pro tento rh spojení platí, že q=, (počet plzů je roven počt fází zroje) Příavné jéno zlová je ovozeno o toho, že těchto zapojení je zátěž připojena ezi zel vícefázového zroje a zel kato (ano) VPS. Zroj je tey tvořen -fázovo sostavo stříavých napětí, vzájeně posntých o úhel /.Běžně se požívá toto spojení pro = a 3. Většího počt fází lze osáhnot vhoný spojení seknárních vintí napájecího transforátor.charakteristické pro toto zapojení je, že pro na stříavé straně sěrňovače prochází jen jení sěre. Obr. q-plsní sěrňovač v jenosěrné (zlové) VPS, V Jenofázové jenoplsní jenocestné (zlové) sěrňovače V i v v a) obvoové schéa zapojení b) náhraní schéa zapojení obr.. Jenoplzní sěrňovač s oporovo zátěží. Je to nejjenošší zapojení sěrňovače, ky v sérii se zátěží je zapojena jena výkonová polovoičová sočástka VPS. V přípaě neřízeného proveení sěrňovače je jako VPS požito ioy ozn. V (ventil), která je propstná (voivá, sepntá) v příé sěr a blokjící (nevoivá, vypntá) ve zpětné sěr. Obvo je napájen z jenofázového stříavého zroje (sít nebo transforátor) s haronický napětí = sin ( ω t). Provozní vlastnosti sěrňovače jso závislé na paraetrech zátěže. Činná (čistě oporová ) zátěž Obvo jenoplsního sěrňovače ůžee popsat Kirchhoffovýi rovnicei:
i = i v, + = v, () = i. VPS (ioa), pracje ve vo stavech a) VPS v propstné stav je sepnta, =, i v >, osazení o rovnic () ostanee při i v ( ω t) = sin ( t) = = sin ω, = = t ( ω ) sin (3) ke je efektivní honota stříavého napětí napájecího zroje, t be pro ioy roven nle i v = i =, ω = 1 b) VPS v závěrné stav je vypnta, i v =, v <, osazení o rovnice (1) ostanee v =, ( ω t) = sin ( ω ) < = = sin t (4) V 18 36 54 3 ω.t 7 4 Obr. 3. Průběhy veličin jenoplsního neřízeného sěrňovače s oporovo zátěží. Dioa v propstné stav je sepnta, á prakticky téěř nlový opor, takže napětí zroje se objeví na zátěži. Stejný průběh á také pro protékající ioo v příé sěr. Při pokles pro na nl se ioa ostane o závěrného stav, tey vypíná, její opor se stává nesrovnatelně větší než opor zátěže. Napětí zroje se objevje na ioě, ktero polarizje v závěrné sěr. Stření honot stejnosěrného (sěrněného) napětí naprázno (při ozn.ω.t = θ) 1 = av = () () = () = = = sin θ θ cos θ, 45 [ ] (4) Potřebné stříavé napětí (efektivní honota) ntné k osažení (stření honoty) = =, Obvoe be protékat plzjící přeršovaný stejnosěrný pro i jehož stření honota 1 1 = av = = = =, 318 (6) (7)
Veličiny na vstpní straně sěrňovače: Efektivní honot pro - L: L 1 = sin 57 Zánlivý výkon S () θ () θ = = = 1, = 5 P L = = P = 3, Špičkové závěrné napětí na ioě (ntné pro její napěťové ienzování): = = = (1) M = 3, 14 Vstpní pro (jenž je v toto přípaě zátěže úěrný i výstpní c napětí) jenoplsního neřízeného sěrňovače á neharonický průběh, který lze rozložit ve Forierov řa haronických složek n (např. pro ané zapojení je n =,1,,4.) (8) (9) i 1 = + cos... 3 15 ( ω t) + cos( ω t) cos( 4 ω t) obsahjících: stejnosěrno (nlovo) složk, záklaní (prvo) haronicko o aplitě,5 = 1,57, (n=1) rho haronicko o aplitě,1 =,67, (n=) čtvrto haronicko o aplitě,43 =,15. (n=4) Činitel zvlnění sěrněného c pro : q i = ax in = = = 157, (n=) (11) (1) Činná zátěž s konenzátore na výstpní straně K vyhlazení plzjícího průběh sěrněného napětí se požívá konenzátor C, který je zapojen na výstpní straně sěrňovače tj. paralelně k oporové zátěži (obr. 4). V i v i v i c 1 C i=i V i =i 1 15 5 3 35 4 45 5 a) Náhraní schéa zapojení b) Časové průběhy veličin Obr. 4. Jenoplsní sěrňovač s C zátěží. Ventil V je polarizován v propstné sěr, je-li okažitá honota napětí zroje > ioa je polarizována v závěrné sěr, tey v okažik ozn boe 1 začne téci ventile pro i v. Pok je ventil sepnt, pot se na zátěži objeví napětí zroje. Za vrchole klané půlvlny napětí zroje je < a konenzátor se začne vybíjet o opor s. průběhe pole exponenciály Sočasně s poklese napětí klesá i celkový pro tekocí opore. V okažik, ky konenzátor oává celý pro o opor C [s] i = i, pro ventile i V
klesl k nle a ventil vypnl. Obvo C je oělen o napájecího zroje. ozíle okažitých honot napětí na konenzátor a napětí zroje je polovoičová ioa polarizována ve zpětné (závěrné) sěr. Při opětovné nárůst napětí zroje o klaných honot oje k splnění poínky > a ventil opět sepne. Z obr.4 je zřejé vyhlazení průběh sěrněného napětí, které be tí lepší, čí větší be časová konstanta zátěže τ, která je rovna sočin.c. Dioa vee pro kratší interval než, jak je to v přípaě oporové zátěže bez konenzátor. Pro oebíraný z napájecí sítě je značně neharonický (á tvar strého iplz), obsahje velké nožství haronických složek, které negativně ovlivňjí kvalit napájecího napětí. nktivní zátěž Jenoplsní sěrňovač se zátěží tvořeno reálno cívko (v náhraní schéat sériové spojení opor a inkčnosti, L ) je znázorněn na obr. 5. v V L L Obr. 5. Jenoplsní neřízený sěrňovač s, L zátěží. = Z i t sin τ ( ω t ϕ) + e sinψ, Při analýze obvo lze opět vyjít ze záklaních rovnic () s tí, že v obvo je inkčnost na které je napětí L i L. t = ( 13) Při sepnté ventil V lze obvo popsat iferenciální rovnicí i + i L. t = ( 14) jejíž řešení obržíe časový průběh pro ve tvar i ( 15) ke Z je výslená ipeance ze sériového zapojení opor a inkčnosti, τ časová konstanta obvo, τ = L/ ψ = arctgω τ. V interval o nly po úhel ψ pro tekocí obvoe roste, tlivka se nabíjí ze zroje elektroagneticko energií, násleně se tlivka vybíjí o opor (získano elektroagneticko energii přeá). Dioa vypíná vžy při pokles pro i k nle tj. v okažicích t 1, t,.. i i L 3 ω.t 3 a) v přípaě enší inkčnosti b ) v přípaě velké inkčnosti Obr. Časové průběhy veličin v přípaě, L zátěže Pro teče obvoe elší ob než při čistě oporové zátěži a á charakter přeršovaného pro. Průběhy obvoových veličin jso závislé na časové konstantě obvo τ = L /. Se vzrůste inkčnosti a tí
i časové konstanty se zvětšjí honoty úhl ψ a pro se více vyhlazje. Stření honota výstpního napětí je rovněž závislá na časové konstantě obvo. Doba veení pro při záporných honotách napětí snižje jeho stření honot.
Jenofázové voplsní jenocestné (zlové) sěrňovače Tento rh zapojení sěrňovače se často požívá pro alé výkony a alá napětí. V1 i v v 1 1 V v i i v 1 i 1 V V i v 1 i v ω.t Obr. 8. Obvoové a náhraní schéa vojplsního zlového sěrňovače. Obr. 9.Průběhy obvoových veličin vojplsního zlového sěrňovače. Dvojplsní zlový sěrňovač je v praxi napájen z jenofázového transforátor, jehož seknární vintí je opatřeno stření vývoe (obočko). Tento vývo je připojen k jeno přívo zátěže. Drhý přívo zátěže je připojen k zl polovoičových sočástek (io). Stření vývo výstpního vintí transforátor tvoří zel vo fázových napětí 1 = sin( ω t), = sin( ω t ) = 1 (16) ke je efektivní honota výstpního napětí transforátor, tj. napětí jené poloviny výstpního vintí. Průběhy obvoových veličin pro přípa čistě oporové zátěže jso znázorněny na obr.8. sěrněné napětí je obalovo křivko klaných půlvln napětí 1 ;., a v průběh jené perioy napájecího napětí vytváří va plsy ot název voplsní sěrňovač. Stření honota sěrněného napětí 1 = sin ke = 1 + =. () θ () θ == =, 9 =, 45 (17) Potřebné stříavé napětí jenoho seknárního vintí transforátor Špičkové závěrné napětí : M Stření honota sěrněného pro:, (18) = = = 8 = 3. 14 =,, (19) = = 1, 11 (), Činitel zvlnění sěrněného c pro : q i = ax in Veličiny na vstpní straně sěrňovače: = = =, 786 4 (1)
Ve voplsní zlové sěrňovači prochází pro kažo polovino seknárního vintí transforátor jen po ob jené poloviny perioy. Poto efektivní honota veeného pro při čistě oporové zátěži je L 1 = sin 78 4 () θ () θ = = =, () Zánlivý výkon seknárního vintí transforátor S = ve = = v = 1, 75 4 4 Třífázový trojplzní jenocestný (zlový) sěrňovač. (3) Schéa zapojení trojplsního zlového sěrňovače je znázorněno na obr. 1. Trojplsní zlový sěrňovač je v praxi napájen z trojfázového transforátor, jehož priární (vstpní) vintí ůže být zapojeno bď o hvězy nebo o trojúhelníka, kežto seknární (výstpní) vintí je vžy zapojeno o hvězy (se stření vývoe-zle). Poto napájecí napětí sěrňovače tvoří trojfázovo soěrno sostav s vzájený fázový posne /3. Obecně rčje napětí n-té fáze -fázového napájecího zroje výraz n = ω t ( n 1) sin (4) Klané honoty napětí vytvářejí v příslšné větvi pro v příé sěr polovoičové sočástky. Pro jenochost je násleně proveen rozbor pro oporovo zátěž. V sepnté (voivé) stav je vžy ta ioa, která je připojena k fázové napětí s největší okažito honoto. V1 i v1 1 v V i v v V3 i v3 3 1 3 v i i a) schéa zapojení b) průběhy veličin Obr. 1 Trojplzní sěrňovač Průběh sěrněného napětí je obalovo křivko klaných půlvln fázových napětí 1,, 3. V průběh jené perioy napájecího napětí vytváří tří plsy, ot název trojplsní sěrňovač. Stření honota sěrněného napětí 5 6 3 3 6 = sin 17 6 Stření honota sěrněného pro () θ () θ = = 1,, 117, = = =, 87 Proy jenotlivých io ají tvar sinsových úseků šířky 1 o. Stření honota pro ioy a tey i fázového pro napájecího transforátor je ax (6) (5)
Vav 1 6 = = =, 39 3 (7) Činitel zvlnění sěrněného c pro : = ( 1, 5) = =, 3, 87 ax in q i (8) Špičkové závěrné napětí na ioě je rovno aplitě srženého napětí M = 3 =, 45 (9) Třífázový šestiplsní zlový sěrňovač. Tohoto rh sěrňovače lze osáhnot vojicí trojplzních sěrňovačů, z nichž jenotlivá napájecí napětí jso vzájeně posnta o třicet stpňů. Tohoto posn lze osáhnot např. poocí transforátor s hoinový úhle 6 stpňů ( hoiny), napájejícího jeen sěrňovač. Hoinový úhel je závislý na zapojení priárního a seknárního vintí.např. Dz. Napětí v kažé fázi seknárního vintí je posnto o aný úhel vůči napětí téže fáze priárního vintí. 1,,3 1 3 Dz D Z 4,5,6 3 1 6 4 5 i i 6 a ) Obvoové schéa b ) Náhraní schéa c ) Průběhy veličin Obr. 11 Šestiplzní zlové zapojení / 3 6 3 3 = sin () θ () θ = = = 135, = 779, S (3) / 3 Stření honota pro ioy a tey i fázového pro napájecího transforátor je 1 6 Vav = = =, 19 (31) 6 4 (7) Činitel zvlnění sěrněného c pro : ax in ( 1, 866) q i = = =, 7 (3) 135, Špičkové závěrné napětí na ioě je větší než je aplita srženého napětí M 3 =, 45 (33)
Neřízené polovoičové sěrňovače v ůstkové zapojení sěrňovač v ůstkové zapojení je v postatě seriové spojení vo zlových sěrňovačů. Na vstpní svorky vo zlových sěrňovačů zapojených s opačno polarito ventilů, je přiváěno společné napájecí napětí. Prakticky se požívají jen jenofázová a trojfázová proveení sěrňovačů. Jenofázový voplzní vocestný (ůstkový) sěrňovač i 1 1 i 1 V3 V1 V3,4 V1, V4 V V3 i i i i v 1 i v ω.t a ) Obvoové schéa b ) Náhraní schéa c ) Průběhy veličin Obr. 1 Šestiplzní zlové zapojení Vstpní pro i 1 v jenotlivých voičích be procházet oběa sěry a pro oporovo zátěž be úěrný napájecí napětí. Pro v obvo sěrňovače be procházet vžy to vojicí ventilů, na kterých je klané napětí. Kažá vojice ventilů povee za ob jené perioy pro v interval 18 o Stření honota sěrněného napětí naprázno 1 = sin () θ () θ = =, 9 (34) Průběhy výstpních veličin a i jso obobné jako v přípaě zlového proveení (obr.9 ). Napětí na jenotlivých ventilech V, je ale poloviční. Špičkové závěrné napětí na ioě je rovno aplitě napájecího napětí M = (35) v 1
Trojfázový šestiplzní sěrňovač 1,,3 1 3 V4,5,6 3 V1,,3 V4 V5 V1 V 3 31 1 V6 V3 i i i a ) Obvoové schéa b ) Náhraní schéa c ) Průběhy veličin Obr. Šestiplzní zlové zapojení Napětí v jenotlivých fázích působí vžy na vojici polovoičových ventilů, tvořících jen větev sěrňovače. Vstpní pro v jenotlivých fázích be procházet oběa sěry Pro v obvo sěrňovače be procházet vžy to vojicí ventilů, na kterých je největší napětí. Kažý ventil povee za ob jené perioy pro v interval 1 o a vojice v interval 6 o. Stření honota sěrněného napětí naprázno / 3 6 3 = S sin () θ () θ = S = 135, S = 34, (36) f / 3 ke S je efektivní honota srženého napětí napájecí sítě ( S = 1 = 3 = 13 ) f je efektivní honota fázového napětí napájecí sítě ( f = 1 = = 3 ) = 3 1 = = 3 ax in Stejnosěrný činitel zvlnění pro k 7 (37) Pro oebíraný z napájecí sítě je neharonický, obsahje nožství haronických složek, které negativně ovlivňjí kvalit napájecího napětí. Sktečný tvar pro je závislý na paraetrech zátěže. Charakteristický průběh tohoto pro je znázorněn na obr. Konec neřízených sěrňovačú.