Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego.
TYRYSTOROWY A

CZNIK REGULATORA MOCY
REZYSTANCYJNEGO URZ
DZENIA ELEKTROTERMICZNEGO
Konieczność regulacji mocy urządzeń elektrotermicznych powoduje, \
e w układach
zasilających o częstotliwości zwłaszcza sieciowej zachodzi potrzeba stosowania elementów
półprzewodnikowych umo\
liwiajÄ…cych precyzyjniejsze dostarczanie energii. Takimi
przyrządami pozwalającymi na załączanie i wyłączanie odbiorników o du\
ych mocach
znamionowych, przy względnie niskich stratach własnych, są tyrystory. Tyrystor jest
Å‚Ä…cznikiem jednokierunkowym i jego stosowanie w obwodach prÄ…du przemiennego wymaga
połączenia dwóch tyrystorów w układzie odwrotnie równoległym lub zmodyfikowanych
struktur stanowiÄ…cych nowe przyrzÄ…dy dwukierunkowe jakimi sÄ… triaki, symistory itp.
Zastosowanie tyrystorów i triaków w obwodach energetycznych urządzeń elektrotermicznych
jest powszechne. Oprócz klasycznych łączników prądu przemiennego pozwalających
dozować energię elektryczną w sposób niby ciągły przyrządy te stosowane są w
prostownikach sterowanych i falownikach (przemiennikach częstotliwości).
Na rysunku 1 przedstawiono układ sterownika prądu przemiennego wykorzystywanego
jako łącznika, często współpracującego z regulatorami temperatury, do dozowania energii
elektrycznej urządzeń elektrotermicznych. Ograniczając zakres urządzeń do odbiorników
rezystancyjnych (np. pieców oporowych) zostanie podana zasada regulacji mocy.
a)
b)
Rys. 1. Sterownik prÄ…du przemiennego z tyrystorami (a) i triakiem (b)
Element sterowany jakim są dwa tyrystory w układzie odwrotnie równoległym lub
tyrystor dwukierunkowy (triak) połączony szeregowo z obcią\
eniem jest regulatorem mocy
dokonywanej poprzez zmianę skutecznych wartości napięcia i prądu przy stałej wartości
napięcia zasilającego. A
Ä…czniki te charakteryzujÄ…ce siÄ™ stanem przewodzenia i stanem
zaporowym mogą być wyzwalane impulsami bramkowymi synchronizowanymi z napięciem
sieci zasilajÄ…cej:
 fazowo, tzn. z regulowanym opóz
nieniem względem momentu przejścia napięcia sieci
przez zero,
 grupowo, tzn. w zerze napięcia lecz z opuszczaniem okresów.
Sterowanie fazowe pozwala regulować wartości skuteczne prądu i napięcia w ka\
dym
okresie a sterowanie grupowe w wybranym interwale czasu. Ka\
dy ze sposobów posiada
pewne zalety i wady dostarczania energii do odbiornika. Zostaną one omówione przy analizie
pracy podanych układów, co nastąpi po wcześniejszej przedstawionej charakterystyce
przyrządów półprzewodnikowych  tyrystora i triaka.
1
Tyrystor, nazywany tak\
e diodÄ… sterowanÄ…, jest krzemowym elementem
półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej p-n-p-n (rysunek 2). Elektrody
wyprowadzone od skrajnych warstw tworzÄ… odpowiednio anodÄ™ (A) i katodÄ™ (K). Elektroda
wyprowadzona ze środkowego obszaru typu p nazywa się bramką (B).
Rys. 2. Tyrystor: a) symbol graficzny, b) struktura czterowarstwowa, c) schemat zastępczy jako
analogia dwutranzystorowa
Przy odłączonej bramce, otwarty łącznik W na rysunku 2, tyrystor nie przewodzi prądu
nawet przy dodatniej polaryzacji, tzn. gdy do anody przyłączony jest dodatni biegun z
ródła
napięcia, a do katody ujemny. Stan zablokowania tyrystora związany jest z zaporowym
działaniem bariery potencjału  z , znajdującą się między obszarami n i p, które to tworzą
diodę półprzewodnikową spolaryzowaną zaporowo. Wytworzona bariera potencjału nie
dopuszcza do przepływu nośników elektrycznych między anodą i katodą tyrystora. Zastępcza
rezystancja tyrystora jest bardzo du\
a (rzędu M&!) i w obwodzie zewnętrznym nie ma
przepływu prądu. Wywołanie nawet krótkiego impulsu dodatniego w obwodzie bramki, np.
zamykając na chwilę łącznik W, wprowadza tyrystor w stan przewodzenia. Po wejściu
tyrystora w stan przewodzenia bramka traci własności sterownicze, a zatem otwarcie łącznika
w obwodzie bramki nie przerywa prądu w obwodzie zewnętrznym. Zablokowanie tyrystora
mo\
liwe jest poprzez zmniejszenie prądu anodowego do zera, co następuje zazwyczaj przez
zmianę napięcia anodowego z dodatniego na ujemne. Wprowadzenie tyrystora w stan
przewodzenia impulsem prÄ…du bramki nazywa siÄ™ wyzwalaniem bramkowym i mo\
e być
powtarzane, gdy ponownie pojawi się dodatnie napięcie na tyrystorze. W stanie przewodzenia
spadek napięcia na tyrystorze wynosi około 1V i decyduje o ilości ciepła wydzielanego w
jego strukturze. Sterowniki prÄ…du przemiennego wymagajÄ… u\
ycia dwóch tyrystorów w
układzie odwrotnie równoległym, ze względu na jednokierunkowe przewodzenie tyrystorów.
Triak. Na bazie klasycznej czterowarstwowej struktury p-n-p-n powstały przyrządy
półprzewodnikowe symetryczne o właściwościach dwukierunkowego przepływu prądu.
Tyrystor dwukierunkowy jest przyrządem trójelektrodowym nazywany triakiem. Nazwa jest
skrótem oznaczenia: Triode - AC - Switch. Triak zastępuje dwa tyrystory niesymetryczne
połączone w układzie odwrotnie równoległym i stosowany jest powszechnie jako bezstykowy
Å‚Ä…cznik mocy.
Triak, w odró\
nieniu od tyrystora, wprowadzany jest w stan przewodzenia sygnałem
bramkowym o dodatniej i ujemnej polaryzacji. W celu wyjaśnienia zasady działania triaka
nale\
y zapoznać się ze strukturą wewnętrzną przyrządu, którą przedstawiono na rysunku 3.
Wyprowadzone elektrody zewnętrzne nazywane są anodami: pierwszą i drugą. Anoda
pierwsza jest związana z elektrodą sterującą wykonaną w obszarze typu n, który został
utworzony w procesie technologicznym w warstwie p. Elektroda ta słu\
y do wyzwalania
triaka.
2
b)
a)
Rys. 3. Triak: a) symbol graficzny, b) struktura
Je\
eli do elektrody A1 doprowadzimy ujemny biegun napięcia, a do A2 dodatni to załączenie
triaka nastąpi w analogiczny sposób, jak w konwencjonalnym tyrystorze. Pod wpływem
prądu sterującego złącze  z2 zaczyna przewodzić i odblokowuje strukturę wprowadzając
triak w stan przewodzenia, który trwa tak\
e po zmianie biegunowości napięcia o ile
podawany będzie dalej sygnał sterujący na bramkę. Sygnał ten mo\
e przyjmować
dwukierunkową polaryzację, co przy przemienności napięcia zasilającego prowadzi do
czterech stanów wyzwalania triaka:
Stan I + - Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B
sterowana jest impulsami dodatnimi.
Stan I - - Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B
sterowana jest impulsami ujemnymi.
Stan III + - Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie
impulsami dodatnimi.
Stan III - - Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie
impulsami ujemnymi.
Wa\
ne zalety triaka polegające na blokowaniu napięcie o dowolnej biegunowości,
przewodzeniu prądu w obu kierunkach są osłabione niewielkimi prądami znamionowymi i
stosunkowo małą częstotliwością załączania tych przyrządów półprzewodnikowych.
Sposoby wyzwalania sterowników prądu przemiennego
Oba sposoby wyzwalania tyrystorów: fazowe i grupowe powinny być synchronizowane
napięciem sieci zasilającej. Układy wyzwalania są budowane na zasadzie generowania
impulsów bramkowych wypracowywanych w analogowych lub cyfrowych obwodach.
Podstawą sterowania analogowego jest porównywanie wytworzonego napięcia
piłokształtnego z napięciem zadanym. Impuls wyzwalający jest generowany w momencie
zrównania się wartości napięcia piłokształtnego i napięcia kontrolowanego, czyli zadanego.
Natomiast sterowanie cyfrowe polega głównie na detekcji zera napięcia zasilającego i
opóz
nionym, odliczanym według wewnętrznego zegara, generowaniu impulsu lub serii
impulsów bramkowych.
Sterowanie fazowe polega na powtarzalnym wprowadzaniu tyrystorów w stan przewodzenia
w ka\
dej połówce przebiegu sinusoidalnego lub okresowego. Przebiegi napięcia i mocy
odbiornika w zale\
ności od kąta wyzwalania tyrystorów przedstawiono na rysunku 4.
Przebieg prądu w odbiorniku rezystancyjnym jest analogiczny do przebiegu napięcia.
3
Rys.4. Przebiegi napięcia i mocy na odbiorniku rezystancyjnym przy sterowaniu fazowym
Wartość skuteczna napięcia oraz prądu na odbiorniku rezystancyjnym zale\
y od kÄ…ta
wyzwalania łączników półprzewodnikowych wynosi:
Um -¸z 1
Ä„
Isk (¸z) = Å" + Å"sin(2 Å"¸z) (1)
Ä„ 2 Å"Ä„
2 Å" R
a moc wydzielana w okresie przebiegu elektrycznego
2
P(¸z)= Isk (¸z)Å" R (2)
Mo\
liwości regulacyjne przy sterowaniu fazowym dobrze ilustrują względne zmiany mocy
odbiornika i prądu skutecznego w funkcji kąta wyzwalania przyrządów półprzewodnikowych.
P(¸z ) I(¸z )
Pw(¸z ) = Iw(¸z ) = (3)
P(¸z = 0 ) I(¸z = 0 )
Charakterystyki te przedstawiono na rysunku 5.
Rys. 5. Względne zmiany mocy i prądu odbiornika od kąta wyzwalania tyrystorów
IstotnÄ… wadÄ… sterowania fazowego jest deformacja przebiegu podstawowej harmonicznej.
Odkształcony przebieg napięcia i prądu przy regulacji mocy powoduje powstawanie
4
wy\
szych harmonicznych. Podobnie jak w prostownikach sÄ… to: 3, 5, 7...- nieparzyste
harmoniczne. Wy\
sze harmoniczne sÄ… przyczynÄ… przeobra\
ania obwodów rezystancyjnych w
impedancyjne, co zmniejsza efektywność przekształcania energii elektrycznej w ciepło
u\
ytkowe.
Sterowanie grupowe polega na tym, \
e w wybranym powtarzalnym interwale czasu (ustalona
liczba okresów elektrycznych) tyrystor przewodzi przez zadaną liczbę połówek okresu sieci.
Tyrystor wyzwalany jest zawsze w zerze napięcia sieciowego, czyli konieczna jest detekcja
zmiany kierunku napięcia. Czas przewodzenia i czasu blokowania zale\
y w głównej mierze
od bezwładności odbiornika. Im większe bezwładności przetworników energii, a do takich
zliczane są urządzenia elektrotermiczne, tym szerszy zakres zastosowań sterowania
grupowego (z opuszczaniem cykli).
Przebiegi napięcia i mocy odbiornika przedstawiono na rysunku 6.
Rys.6. Przebiegi napięcia i mocy na odbiorniku rezystancyjnym przy sterowaniu grupowym
Wartość mocy dostarczana do odbiornika rezystancyjnego jest łatwa do wyznaczenia,
gdy\
jest proporcjonalna do liczby przewodzonych okresów lub czasu przewodzenia:
n ta
PÅ›r = Pzn Å" = Pzn Å" (4)
N tc
przy czym: Pzn  moc znamionowa urzÄ…dzenia; n, ta  liczba lub czas przewodzonych
okresów; N, tc  ustalona liczba okresów lub czas powtarzalny.
Sterowanie grupowe nie wprowadza odkształceń podstawowej harmonicznej, przez co unika
siÄ™ wad sterowania fazowego. Nie oznacza to jednak, \
e ten sposób ich nie ma. Częste,
cykliczne załączanie nawet odbiorników rezystancyjnych o du\
ych mocach znamionowych
prowadzi do niekorzystnego obciÄ…\
ania systemu energetycznego.
A. Cel ćwiczenia
A1. Poznanie mo\
liwości zastosowania tyrystora niesymetrycznego i symetrycznego jako
Å‚Ä…cznika prÄ…du przemiennego.
A2. Poznanie metod sterowania (wyzwalania) tyrystorów będących członami wykonawczymi
regulatorów mocy.
A3. Wykorzystanie łącznika prądu przemiennego w obwodach jednofazowych, trójfazowych
w połączeniu gwiazdy bez i z przewodem zerowym, trójkąta.
A4. Ustalenie wpływu odbiornika asymetrycznego na pobór energii elektrycznej z
poszczególnych faz.
5
B. Badania
Badania pracy sterownika prądu przemiennego wykonać w obwodzie jedno- i
trójfazowym. Wszystkie wersje połączeń mo\
na zrealizować w module sterownika prądu
przemiennego, pokazanego na rysunku 7, zawierającego trzy triaki i mikroprocesorowy układ
wyzwalania z nastawnikiem ekranowym ciekłokrystalicznym. Włączanymi odbiornikami
będą rezystancyjne elementy grzejne.
Rys. 7. Moduł sterownika prądu przemiennego
Cztery przyciski obok ekranu umo\
liwiają wybór i zadawanie wartości sterownika.
Przyciski stają się aktywne po włączeniu zasilania odbiornika, czyli identyfikacji zer w sieci.
Obsługa ich jest prosta. W górnym wierszu wyświetlacza ukazuje się instrukcja  metoda: i
przyciskami wybierana jest nazwa  fazy/grupy , która jest zatwierdzana przyciskiem
, co spowoduje przejście do drugiego wierszu wyświetlacza. W drugim wierszu jest
pytanie o moc. W zale\
ności od wybranej metody przy napisie  moc: pojawi się  kat lub
 cykle , które mogÄ… być nastawiane przyciskami odpowiednio w zakresie 180Ú lub
200 cykli. Zatwierdzenie nastaw przyciskiem spowoduje uruchomienie wyzwalania
tyrystorów. Przycisk słu\
y do powrotu z drugiego wiersza do pierwszego.
Szczególną uwagę nale\
y zwrócić na zasadę działania łącznika w obwodzie
jednofazowym. Korzystając z jednego segmentu modułu sterownika połączyć układ
pomiarowy według schematu przedstawionego na rysunku 8. Wybrać metodę sterowania
fazowego i dokonać pomiarów napięć, prądu i mocy w funkcji kąta wyzwalania. Wskazaniom
zmniejszającej się mocy o co 10% powinny odpowiadać kąty wyzwalania: 0, 47, 60.5, 71, 81
90, 99, 108.5,119, 133,180, a napięciu i prądowi kąty: 0, 59, 77, 91, 103, 114, 124, 135, 146,
159, 180. Jeśli przyrządy wskazują inaczej, to oznacza \
e popełniany jest błąd pomiarowy
spowodowany deformacją kształtu przebiegu sinusoidalnego.
6
Rys. 8. Sterownik prÄ…du przemiennego z Å‚Ä…cznikiem tyrystorowym
Sprawdzenie przyrządów pomiarowych nale\
y wykonać tylko w metodzie fazowej.
Metoda grupowa jest metodą całkowicie proporcjonalną (zale\
ność 4), a zbyt długie czasy
odpowiadające opuszczaniu cykli (okresów sieci) powodują wahania wskazań przyrządów.
Po weryfikacji wskazań przyrządów pomiarowych w dalszych badaniach obwodów
trójfazowych mo\
na u\
yć jedynie amperomierzy. A
ącząc odbiornik w gwiazdę według
schematu podanego na rysunku 9 nale\
y zanotować wskazania przyrządów dla ró\
nych kątów
wyzwalania. Badania wykonać dla układu bez i z przewodem zerowym.
Rys. 9. Sterownik prądu przemiennego w obwodzie trójfazowym z odbiornikiem połączonym w
gwiazdÄ™
Porównać wskazania amperomierza w przewodzie zerowym przy sterowaniu fazowym i
grupowym. Do obserwacji przebiegów prądów w poszczególnych fazach i sumarycznego
lepiej posłu\
yć się sondą prądową i oscyloskopem.
7
Analogiczne badania wykonać w obwodzie trójfazowym z odbiornikiem połączonym w
trójkąt zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 10.
Rys. 10. Sterownik prądu przemiennego w obwodzie trójfazowym z odbiornikiem połączonym w
trójkąt
Badania dodatkowe przeprowadzić dla trójfazowego obwodu z niesymetrycznym
odbiornikiem połączonym w gwiazdę.
C. Opracowanie wyników
C1. Przedstawić zale\
ności napięcia, prądu i mocy w funkcji kąta wyzwalania tyrystorów dla
odbiornika jednofazowego.
C2. Scharakteryzować i porównać obie metody sterowania mocą rezystancyjnego urządzenia
grzejnego.
C3. Wykazać wpływ przewodu zerowego w obwodzie trójfazowym z odbiornikiem
połączonym w gwiazdę.
C4. Podać ró\
nicę w sterowaniu mocą obwodu trójfazowego z odbiornikiem połączonym w
trójkąt trójprzewodowo i sześcioprzewodowo.
C5. Wnioski i spostrze\
enia przy wykonywaniu ćwiczenia.
8