Wielokwadrantowe przekształtniki prądu stałego

Charakterystyki zewnętrzne omawianych do tej pory przekształtników przebiegają tylko w jednym kwadrancie układu współrzędnych I_o, U_o. W przypadku np. maszyny prądu stałego i falownika napięcia lub prądu, czyli odbiorników aktywnych zawierających źródło zdolne do oddawania energii, często zachodzi konieczność przekazywania energii w obu kierunkach pomiędzy źródłem zasilania, a odbiornikiem. Najbardziej uniwersalnym układem jest przekształtnik czterokwadrantowy zwany rewersyjnym. Umożliwia on zmianę zarówno znaku napięcia, jak i kierunku prądu odbiornika (praca w czterech ćwiartkach układu współrzędnych I_o, U_o). Przekształtniki dwukwadrantowe mogą pracować przy stałym znaku napięcia odbiornika i zmieniającym się kierunku prądu odbiornika (pierwsza i druga ćwiartka układu współrzędnych I_o, U_o) lub przy zmieniającym się znaku napięcia i stałym kierunku prądu (ćwiartka pierwsza i czwarta). W przedstawionym schemacie poniżej w przekształtniku dwukwadrantowym przy dodatnim kierunku prądu przewodzi na przemian łącznik T1 i dioda D2, a łącznik T2 i dioda D1 pozostają stale otwarte. W przypadku kierunku ujemnego następuje zamiana ról (T2 i D1 przewodzą, T1 i D2 pozostają otwarte).

Przekształtnik dwukwadrantowy umożliwiający zmianę kierunku prądu odbiornika:
a) schemat układu; b) obszar charakterystyk zewnętrznych

W dwukwadrantowym przekształtniku umożliwiającym zmianę znaku napięcia, dopuszczalne są dwa sposoby sterowania: symetryczne i niesymetryczne.

Przekształtnik dwukwadrantowy umożliwiający zmianę znaku napięcia odbiornika:
a) schemat układu;

b) obszar charakterystyk zewnętrznych;
c) przebiegi czasowe ilustrujące sterowanie symetryczne przekształtnika przy pracy silnikowej i prądnicowej d) maszyny prądu stałego;

e) przebiegi czasowe ilustrujące sterowanie niesymetryczne przekształtnika przy pracy silnikowej i prądnicowej

f) maszyny prądu stałego

Przy sterowaniu symetrycznym zawory sterowane są załączane i wyłączane jednocześnie Przy załączonych łącznikach T1 i T2 (okres t_p) napięcie na odbiorniku wynosi U_d, a prąd odbiornika zwiększa się pod wpływem różnicy napięć U_d - E_o. Po zablokowaniu zaworów T1 i T2 (okres t_w) prąd odbiornika, wskutek występowania indukcyjności L_o, płynie w tym samym kierunku przez diody D1 i D2, ale jego wartość maleje. Napięcie na odbiorniku w tym stanie pracy układu wynosi -U_d. Średnia wartość napięcia odbiornika przy sterowaniu symetrycznym wynosi

U_o = U_d (2 t_p / T_i - 1)

Z powyższej zależności wynika, że wartość średnia napięcia odbiornika U_o jest dodatnia, gdy czas przewodzenia zaworów sterowanych t_p jest większy niż połowa okresu przełączeń T_i. W przeciwnym przypadku napięcie U_o jest ujemne.
W przypadku sterowania niesymetrycznego przy przekazywaniu energii ze źródła zasilania do odbiornika jeden z zaworów sterowanych jest załączony na stałe, a drugi cyklicznie załączany i wyłączany (rys. 2.4.2e). Z kolei pozostawiając jeden z łączników stale otwarty można uzyskać, przy ujemnym napięciu źródłowym odbiornika, pracę w czwartym kwadrancie układu współrzędnych I_o, U_o. Napięcie odbiornika przy sterowaniu niesymetrycznym przyjmuje na przemian wartość dodatnią lub ujemną i zerową.

Na rys. 2.4.3 przedstawiono przekształtnik czterokwadrantowy (rewersyjny), będący połączeniem dwóch przekształtników dwukwadrantowych, z których jeden umożliwia przepływ prądu dodatniego (T1, T4, D2, D3), a drugi ujemnego (T2, T3, D1, D4). Aby uzyskać pracę we wszystkich czterech ćwiartkach układu współrzędnych I_o, U_o stosowane są dwa rodzaje sterowania: symetryczne i niesymetryczne.

Przekształtnik czterokwadrantowy umożliwiający zmianę znaku napięcia i prądu odbiornika:
a) schemat układu;

b) obszar charakterystyk zewnętrznych;
c) przebiegi czasowe ilustrujące sterowanie symetryczne przekształtnika;

d) przebiegi czasowe ilustrujące sterowanie niesymetryczne przekształtnika; e) przebiegi czasowe ilustrujące sterowanie nieregularne przekształtnika

W przypadku sterowania symetrycznego przy dodatnim kierunku prądu odbiornika zawory T1 i T4 (załączane i wyłączane jednocześnie) przewodzą prąd na przemian z diodami D2 i D3. Przy ujemnym kierunku prądu przewodzą na przemian zawory T2 i T3 oraz diody D1 i D4. Średnia wartość napięcia jest określona tą samą zależnością jak dla przekształtnika dwukwadrantowego

U_o = U_d (2 t_p / T_i - 1)

Sterowanie niesymetryczne charakteryzuje się tym, że napięcie wyjściowe przekształtnika ma kształt impulsów prostokątnych o jednakowej biegunowości, w związku z czym tętnienia prądu są dwukrotnie mniejsze niż w przypadku sterowania symetrycznego.
Możliwy jest jeszcze trzeci rodzaj sterowania, tzw. sterowanie nieregularne, umożliwiający pracę tylko w jednym kwadrancie układu współrzędnych I_o, U_o.
Przekształtniki czterokwadrantowe stosuje się wszędzie tam, gdzie potrzebne są układy umożliwiające zmianę kierunku napięcia i prądu odbiornika np. regulacja prędkości kątowej maszyny prądu stałego dla dwóch kierunków wirowania wału.

POWRÓT