FERYSTER® WSTĘP


WSTĘP - ZASILACZE i TRANSFORMATORY IMPULSOWE

  Powszechnie wiadomo, że energia elektryczna wytwarzana jest w elektrowniach i przesyłana do odbiorców przy pomocy napowietrznych tudzież naziemnych linii energetycznych. Linie przesyłowe pracują w przedziale napięć od 0.4 kV nawet do 750 kV. Niezależnie od tego, czy odbiorcą końcowym jest duży zakład produkcyjny, czy gospodarstwo domowe i pomijając sposób pozyskiwania energii zachodzi potrzeba odpowiedniego dostosowania parametrów napięcia zasilającego takich jak:

  • rodzaj przebiegów AC lub DC,
  • amplituda napięć zasilających,
  • częstotliwość.

  Żądane parametry zasilania uzyskuje się w wyniku zastosowania rozmaitych urządzeń elektroenergetycznych takich jak transformatory, silniki elektryczne, przekształtniki energoelektroniczne itd. W ostatnich latach odnotowano znaczący postęp w dziedzinie produkcji elementów półprzewodnikowych, które stają się coraz mniejsze i bardziej niezawodne. Stosowanie nowych rozwiązań umożliwia ciągłe doskonalenie urządzeń energetycznych. W niniejszej publikacji autor postara się przybliżyć podstawowe właściwości wybranych układów przekształtników energoelektronicznych. W miarę upływu czasu wiadomości będą uzupełniane.

Podstawowe parametry jakości przekształcania energii elektrycznej

  Przebiegi napięć i prądów w sieci energetycznej teoretycznie powinny mieć kształt sinusoidalny, w praktyce jednak są odkształcone. Parametry urządzeń i stopień odkształcenia sygnałów określane są przy pomocy różnych współczynników, w niniejszej sekcji przedstawione zostaną wybrane z nich.
  Podstawowym parametrem opisującym dane urządzenie jest współczynnik sprawności opisany zależnością:

Pwy - moc czynna wyjściowa
Pwe - moc czynna wejściowa




(1.1)

Klasyczne definicje mocy zostały opisane juz w XIX wieku przy założeniu, że prądy i napięcia mają przebiegi sinusoidalne.

P - moc czynna
Q - moc bierna
S - moc pozorna



(1.2)



(1.3)



(1.4)

W rzeczywistości zagadnienia związane z przepływem energii w obwodach elektrycznych obciążonych nieliniowymi odbiornikami, należy mieć na uwadze, są w znacznym stopniu zawiłe. Warto w tym miejscu nadmienić, że dyskusja rozpoczęta przez Steinmetz'a w 1892 roku na temat definicji mocy nie została jednoznacznie zamknięta. Ważnym wkładem w tej materii jest teoria mocy według Czarneckiego, przy pomocy której można wyjaśnić wszystkie zjawiska związane z przepływem energii w obwodzie elektrycznym.

Z powyższych wzorów wynika równanie mocy:


(1.5)

Miarą przesunięcia pomiędzy prądem a napięciem jest współczynnik mocy:




(1.6)

Współczynnik mocy jest równy jedności w przypadku, gdy obciążenie jest czysto rezystancyjne. W praktyce mamy do czynienia z obwodami RLC. Wartość ? zawiera się w przedziale [0 1], w idealnym przypadku równa jest 1. Współczynnik mocy można doprowadzić do jedności w wyniku zastosowania filtrów pasywnych lub aktywnych.

Składowe harmoniczne

  Każdy okresowy przebieg można rozłożyć na szereg funkcji sinusoidalnych o różnej amplitudzie i częstotliwości będącej wielokrotnością częstotliwości podstawowej. Składowe sygnału nazywa się harmonicznymi i oblicza za pomocą przekształcenia Fouriera. Zakładając, że przebieg funkcji f(t) jest okresowy, a okres wynosi T, to można dany przebieg wyrazić za pomocą szeregu Fouriera.


a0 - składowa stała sygnału odkształconego
a1...an - amplitudy kolejnych harmonicznych, większe lub równe zero
01...0n - kąty fazowe kolejnych harmonicznych, zawarte pomiędzy 0 a
ω - częstotliwość podstawowa sygnału odkształconego

(1.7)

Im większa jest wartość współczynnika n, tym większa jest dokładność aproksymacji. Harmoniczna podstawowa ma częstotliwość równą częstotliwości sygnału odkształconego. Częstotliwość pozostałych harmonicznych jest wielokrotnością częstotliwości podstawowej harmonicznej. Na rysunku poniżej przedstawiono przykładowy rozkład przebiegu sinusoidalnego o amplitudzie a i częstotliwości podstawowej 50 Hz, pokazano pierwszą, trzecią oraz piątą harmoniczną.


Rys. 1 Przykładowe przebiegi harmonicznej podstawowej h1, trzeciej i piątej odpowiednio h3 i h5

Amplitudy kolejnych harmonicznych h1, h3 i h5 opisuje się w następujący sposób:

(1.8)

Miarą deformacji dowolnego przebiegu a spowodowanego przez wyższe harmoniczne jest procentowy współczynnik deformacji THD - (Total Harmonic Distortion), wyrażony wzorem:

||An|| - wartość skuteczna n-tej harmonicznej
||A1|| - wartość skuteczna harmonicznej podstawowej



(1.9)

  Przy przebiegach o częstotliwości podstawowej 50 Hz, THD liczy się do 60 harmonicznej, ponieważ następne harmoniczne nie maja dużego wpływu na sygnał.
  Najbardziej znaczącą harmoniczną, która nie znosi się w przewodzie neutralnym jest trzecia harmoniczna. Wartość prądu w przewodzie może znacznie przekraczać wartość prądu fazowego o częstotliwości podstawowej, co w konsekwencji prowadzi do przeciążeń.
  Obciążenia składające się z liniowych elementów biernych takich jak rezystancja, indukcyjność czy pojemność nie generują harmonicznych, ponieważ przy zasilaniu sinusoidalnym prąd płynący przez liniowe obciążenie również jest sinusoidalny, chociaż przesunięty względem napięcia.
  Źródłem harmonicznych w sieci elektroenergetycznej są nieliniowe odbiorniki, takie jak przekształtniki energoelektroniczne, komputery, silniki elektryczne, spawarki itd. Dzieje się tak dlatego, że zawierają one nieliniowe elementy przełączające, tranzystory, tyrystory lub diody.

Sterowanie

  Każde, nawet najbardziej skomplikowane urządzenie jest bezwartościowe bez odpowiedniego układu sterowania. Impulsy sterujące pracą łączników uzyskuje się w różny sposób. Najbardziej popularną metodą jest modulacja szerokości impusów - PWM.
  Impulsy sterujące powstają w wyniku porównania sygnału nośnego z sygnałem modulującym, w przypadku gdy ich różnica jest większa od zera impuls wyjściowy jest dodatni, natomiast gdy różnica jest mniejsza od zera układ generuje ujemny impuls sterujący.
  Schemat ideowy modulatora i sposób przykładowy przebieg impulsów sterujących pokazano na rysunku poniżej.


a)







b)

Rys. 3 a) Schemat ideowy pełnomostkowego prostownika, b) przebiegi prądów i napięć

Regulatory pracują w dwóch konfiguracjach, mianowicie jako układy sterowania otwarte, w których na sterownik nie mają wpływu parametry regulowanego urządzenia oraz na układy regulacji automatycznej połączone z wielkością wyjściową urządzenia za pomocą sprzężenia zwrotnego.

back             next