Energoelektronika jest działem elektrotechniki zajmującym się zastosowaniem układów przekształtnikowych. Swoim zakresem obejmuje tematykę powiązaną z aplikacją, konstrukcją, obliczaniem, modelowaniem oraz symulacją elementów i układów energoelektronicznych. Układy energoelektroniczne znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki – w napędzie elektrycznym, elektroenergetyce (np. przy niekonwencjonalnych źródłach energii), elektrotermii, spawalnictwie, elektronice (zasilacze impulsowe), zasilaniu awaryjnym i gwarantowanym, urządzeniach AGD, a nawet we wzmacniaczach audio największej mocy [1]. Dział ten ciągle się rozwija, tworzone są nowe aplikacje wykorzystujące rozmaite techniki sterowania. Dokładna analiza działania tych układów wymaga prowadzenia obliczeń i symulacji komputerowych. W trzynastej części kursu zaprezentowane zostanie kilka podstawowych układów energoelektronicznych. Mogą one stanowić punkt wyjściowy do samodzielnego modelowania bardziej skomplikowanych układów.
prostowniki 1-fazowe
Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda. Tak zbudowany układ zapewnia prostowanie jednopołówkowe, które cechuje się bardzo dużymi tętnieniami napięcia wyjściowego. Energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu, przez drugą połowę okresu źródło pozostaje nieobciążone. Stosowanie takiego układu wprowadza dużą niesymetrię w sieci zasilającej. Ten prostownik jest bardzo rzadko stosowany w praktyce.
W układach 1-fazowych najczęściej stosuje się prostowniki dwupołówkowe. Umożliwiają one pełne wykorzystanie energii dostarczanej przez źródło. Najbardziej rozpowszechniony jest tzw. mostek Graetza. Jest on zbudowany z czterech diod prostowniczych. Cechuje się mniejszymi tętnieniami napięcia wyjściowego niż to jest w przypadku układu jednopołówkowego. Na rysunku 1. przedstawiono schemat układu prostownika 1-fazowego zbudowanego w układzie Graetza. Stworzenie tego układu nie powinno być problemem na tym etapie kursu. Poprawne przeprowadzenie obliczeń wymaga zdefiniowania następujących parametrów:
D1, D2, D3, D4 – elementy Diode Type 11 z grupy SWITCHES, Vig=1, Ihold=0,
Tdeion=0, CLOSED=0 (bardzo ważny parametr – wartość zero niezbędna jest do prowadzenia obliczeń w dziedzinie czasu),
U1 – element AC Type 14 z grupy SOURCES, Amplitude=326, f=50, Pha=-90,
A1=0, TStart=0, TStop=1000.
Inne niezbędne parametry do przeprowadzenia obliczeń: R=1000, delta=1E-5, Tmax=0.1.
Na rysunku 2. przedstawiono przebieg napięcia na obciążeniu, zaś na rysunku 3. przebieg prądu płynącego przez diody D1 i D4 modelowanego prostownika. (Uwaga! Niewłaściwe zdefiniowanie parametrów diod D1-4 uniemożliwi przeprowadzenie obliczeń!)
Wszystkie prostowniki mogą być używane jako prostowniki sterowane. Wymaga to zamiany diod prostowniczych na tyrystory. Oczywiście muszą być one załączane za pomocą odpowiednich układów analogowych bądź cyfrowych. Prostowniki sterowane stosowane są wszędzie tam, gdzie wymagana jest płynna regulacja napięcia wyjściowego. Pośrednio uzyskuje się w ten sposób możliwość sterowania prądem płynącym przez obciążenie, mocą urządzeń, prędkością silników itp. [2].
Rysunek 4. przedstawia schemat najprostszego 1-fazowego, jednopołówkowego prostownika sterowanego zamodelowanego w EMTP. Układ sterujący pracą tyrystora T został zrealizowany przy wykorzystaniu elementów TACS. Źródłem sygnału zegarowego (taktującego) jest element Pulse-23 z grupy TACS Source. Generuje on ciąg impulsów prostokątnych z częstotliwością 50 Hz. Impulsy podawane są na element Pulse Delay z grupy TACS Devices, który opóźnia impulsy o zadany czas – odpowiednik kąta przesunięcia impulsu wyzwalającego tyrystor. Dalej sygnał podawany jest na bramkę tyrystora T – element Valve (Type 11) z grupy Switches. W zależności od kąta wysterowania, uzyskujemy różne przebiegi napięcia na wyjściu (rys. 5.). Samodzielne stworzenie schematu układu nie powinno również w tym przypadku sprawić użytkownikowi problemów. Poprawne przeprowadzenie obliczeń wymaga zdefiniowania następujących parametrów:
Ut1 – element Pulse-23 z grupy TACS Source: Ampl=100, T=0.02 (okres generowanych impulsów), Width=0.001 (czas trwania impulsu – jego szerokość), T_start=0, T_stop=1000,
54 – element Pulse-23 z grupy TACS Source: Type=98, T_on=0, delay=0.005 (opóźnienie), T_off=0,
T – element Valve (Type 11) z grupy Switches: Vig=1, Ihold=0, Tdeion=0, CLOSED=0, GIFU=0.
Pozostałe parametry, które nie zostały wymienione, powinny być identyczne jak w przypadku prostownika 1-fazowego prezentowanego wcześniej.
