Energoelektronika
Elektrotechnika III rok
Sterownik mostków tyrystorowych (analogowy)
instrukcja do ćwiczenia
© Katedra Automatyki NapÄ™du i UrzÄ…dzeÅ„ PrzemysÅ‚owych AGH
Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 2
1. WST
P.
Układ generowania i sterowania faza impulsów bramkowych służących do wyzwalania
tyrystorów stanowi ważną i odpowiedzialna część przekształtnika zwaną sterownikiem.
W przemysłowych konstrukcjach przekształtników stosuje się obecnie wiele rozwiązań
układów wyzwalania tyrystorów, znacznie się od siebie różniących. W układach tych można jednak
wyróżnić podzespoły spełniające podobne funkcje w procesie generacji impulsów bramkowych.
Ogólnie można powiedzieć iż zawierają one obwody synchronizacji impulsów bramkowych z
napięciem sieci zasilającej przekształtnik, obwody sterowania fazą i formowania impulsów,
wzmacniacze mocy. Ogólną strukturę sterownika przedstawia rysunek 1.
U syn
UKA
AD PRZESUWANIA
WZMACNIACZ
U ~
IMPULSY
FAZY I FORMOWANIA
MOCY
SYNCHRONIZATOR
BRAMKOWE
IMPULSÓW IMPULSÓW
UKA
AD
U st
BLOKADY
IMPUSÓW
Rys. 1 Ogólna struktura sterownika: U -sieciowe napiecie synchronizujące, U syn -napięcie
synchronizujące sterownik, U st -napięcie sterujące
Rozwiązania techniczne sterowników można podzielić według kilku cech charakterystycznych, a
mianowicie ze względu na:
- kształt napięcia synchronizującego sterownik,
- sposób wyznaczania fazy impulsów bramkowych,
- rodzaj impulsów bramkowych.
2. ZASADY KONSTRUKCJI STEROWNIKÓW.
2.1 Sposoby synchronizacji.
Zadaniem obwodów synchronizacji jest wytworzenie synchronizujących napięć sterownika,
pozostających w zdeterminowanej, stałej fazie w stosunku do sieciowego napięcia
synchronizującego. W praktyce spotyka się dwa rodzaje napięć synchronizujących (Rys. 2):
sinusoidalne i piłokształtne (symetryczne i niesymetryczne).
Jako główną zaletę stosowanie sinusoidalnego napięcia synchronizującego wymienia się
zazwyczaj liniowość charakterystyki statycznej przekształtnika (wartość średnia napięcia
wyjściowego w funkcji napięcia sterującego). Należy jednak zaznaczyć, że dotyczy to wyłącznie
zakresu prądów ciągłych oraz, że samo pojęcie wartości średniej napięcia wyjściowego dla czasów
regulacji porównywalnych z taktem przekształtnika nie oddaje charakteru zjawisk zachodzących w
układzie.
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 3
U sm
U st
0
U st
U pol
4
3
U st
0
Rys.2. Rodzaje napięć synchronizujących: a) sinusoidalne,
b) piłokształtne niesymetryczne, c) piłokształtne symetryczne
Zasadniczą wadą wyżej wymienionego układu jest podatność na zakłócenia sieci zasilającej
(np. odkształcenia napięcia pod wpływem komutacji). Dla ich wyeliminowania niezbędne jest
stosowanie filtrów o wysokich wymaganiach dotyczących symetrii amplitudowej i fazowej. Zmiany
amplitudy i napięcia sieci pociągają za sobą przesunięcie fazy generowanych impulsów,
szczególnie dla małych i dużych kątów wysterowania. Zmusza to do stosowania specjalnych
rozwiązań układów ograniczeń zakresu regulacji fazy impulsów indywidualnych dla
poszczególnych napięć synchronizujących.
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 4
W układach sterowników z piłokształtnym napięciem sterującym konieczne jest stosowanie
członów formujących napięcia synchronizujące. Wykazują one małą wrażliwość na zakłócenia
sieciowego napięcia synchronizującego oraz wahania jego amplitudy. Charakteryzuje się też
liniową zależnością kąta wysterowania od napięcia sterującego, co umożliwia prostą realizację
ograniczenia zakresu zmian fazy impulsów poprzez odpowiednie ograniczenie sygnału sterującego i
przesuwanie charakterystyk statycznych przekształtnika przy pomocy napięcia polaryzującego. Dla
sterowników wykorzystujących niesymetryczne napięcia synchronizujące, które umożliwiają
zmianę fazy impulsów bramkowych w granicach większych niż 2100 elektrycznych, istnieje
możliwość stosowania jednego sześciofazowego zespołu napięć synchronizujących dla wszystkich
sterowników w danym układzie przekształtnika.
Wszystkie wymienione sposoby synchronizacji powodują, że średnia wartość napięcia
wyprostowanego zależy w pewnym stopniu od częstotliwości sieci zasilającej, co może być istotne
w przypadku przekształtników zasilanych z sieci indywidualnych (np. sieci okrętowe, itp.).
2.2 Zasady sterowania fazą impulsów.
W stosowanych obecnie sterownikach wyznaczenie zadanej fazy impulsów uzyskuje się
najczęściej przez porównanie napięcia sterującego lub sumy napięć sterujących z napięciem
synchronizującym. Porównanie to odbywa się zazwyczaj na drodze określenia znaku sumy tych
napięć lub przez szeregowe lub równoległe wprowadzenie sygnałów na wejścia wzmacniacza
operacyjnego lub komparatora (Rys. 3 i 4).
Tr 1
Wy 1
SYNCHRONIZATOR
STEROWNIK 1
1
U st 1
Wy 2
Tr 2
SYNCHRONIZATOR
STEROWNIK 2
2
U st 2
Rys. 3. Zasada sterowania szeregowego
Tr 1 Wy 1
SYNCHRONIZATOR STEROWNIK 1
U st 1
Wy 2
STEROWNIK 2
U st 2
Rys. 4. Zasada sterowania równoległego
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 5
W zależności od zastosowanego sposobu sumowania sygnału sterującego z napięciem
synchronizującym rozróżnia się szeregowe lub równoległe sterowanie fazą impulsów.
Z zasady sterowania szeregowego wynika konieczność stosowania izolowanych od masy
z
ródeł napięć synchronizujących. Dla przekształtników złożonych, sterowanych kilkoma sygnałami
jednocześnie, wymaga to zwielokrotnienia obwodów synchronizacji. Ich liczba musi być co
najmniej równa ilości niezależnie od siebie sterowanych mostków. W układach nawrotnych
prowadzi to do podwojenia niezależnych z
ródeł napięć synchronizujących, bądz
konieczności
przełączania odpowiednich obwodów sterowania. Jest to szczególnie uciążliwe w sterownikach
synchronizowanych napięciem piłokształtnym, które oprócz izolowanych sieciowych napięć
synchronizujących wymaga odrębnych z
ródeł napięć zasilających.
2.3 Rodzaje impulsów wyzwalających.
W stosowanych przemysłowych rozwiązaniach sterowników dla przekształtników
tyrystorowych spotyka się zasadniczo dwa rodzaje impulsów:
- wąskie, o czasie trwania 100  1000 źs,
- szerokie, o czasie trwania równym czasowi przewodzenia zaworów przekształtnika przy
ciągłym prądzie obciążenia.
Podstawową zaletą stosowania wąskich impulsów wyzwalających jest mała wartość średniej
mocy potrzebnej do wysterowania przekształtnika. Upraszcza to znacznie problemy związane z
realizacją stopni mocy i ułatwia formowanie kształtu impulsu bramkowego zalecanego przez
producenta tyrystorów. W przekształtnikach z obciążeniem indukcyjnym o dużej stałej czasowej
mogą jednak wystąpić trudności z załączaniem tyrystorów. W sterownikach tego typu, z wyjątkiem
sterowników przeznaczonych dla prostych układów gwiazdowych, wymagane jest właściwe
kojarzenie impulsów, dla zapewnienia poprawnej pracy przekształtnika (start przekształtnika, praca
przy prądach przerywanych). Impulsy szerokie nie posiadają wyżej wymienionych wad, jednak ich
stosowanie prowadzi do kilkudziesięciokrotnego zwiększenia średniej mocy obwodów sterowania
bramkowego. Liczne problemy realizacyjne stopnia końcowego spowodowały, że praktycznie
stosuje się impulsy szerokie modulowane sygnałem prostokątnym.
2.4 Układy blokowania impulsów wyzwalających.
Układy blokowania impulsów wyzwalających znajdują zastosowanie w sterownikach dla
przekształtników nawrotnych, przeciwrównoległych. Zadaniem układu blokowania impulsów jest
wybór i przełączanie grup impulsów gwarantujące poprawną pracę przekształtnika nawrotnego.
Analiza układu blokady impulsów jest tematem odrębnego ćwiczenia.
3. UKA
AD GENERACJI IMPULSÓW WYZWALAJ
CYCH.
Przedstawiony w niniejszej instrukcji analogowy układ generacji impulsów wyzwalających
dla tyrystorów w przekształtniku trójfazowym, mostkowym. Charakteryzuje się on następującymi
cechami:
- piłokształtnym ,niesymetrycznym napięciem synchronizującym,
- równoległym sterowaniem faza impulsów,
- możliwością realizacji zarówno wąskich jak i szerokich impulsów bramkowych.
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 6
Układ synchronizacji generuje sześć napięć piłokształtnych, każde o szerokości 2400
elektrycznych, przesuniętych względem siebie o 600 el. W połączeniu z zasadą równoległego
sterowania fazą pozwala to na stosowanie jednego centralnego synchronizatora dla całego zespołu
sterowników, ułatwia fazowanie przekształtników niezależnie od grup połączeń transformatorów
zasilających, umożliwia stosowanie wspólnego zespołu zasilaczy dla sterownika i dla układu
automatycznej regulacji. Omawiany system składa się z następujących podzespołów:
- synchronizatora,
- układu sterowania faza impulsów,
- obwodu formowania impulsów
- wzmacniacza końcowego,
- układu transformatora bramkowego tyrystora.
3.1 Synchronizator.
Zadaniem synchronizatora jest wytworzenie sześciu napięć piłokształtnych
niesymetrycznych, służących do synchronizacji pracy sterownika, lub kilku sterowników, z siecią
zasilającą. Można w nim wyróżnić sześć jednakowych kanałów zasilanych napięciami
stabilizowanymi ą15V, oraz obwód synchronizacji zasilany sieciowym napięciem
synchronizujÄ…cym 3 x 12V.
U wy a U wy b
R 1
T 1
1
+15V 2
3 4 5 6
+11V
Z 1
T 4
C
T2
T 3
-10V
Z 2
U syn a U syn b
-15V
D1
R o
We
3*12V
D2
Rys. 5. Schemat ideowy synchronizatora
Napięcie piłokształtne uzyskuje się przez ładowanie kondensatora C stałym prądem w
obwodzie tranzystora T1 oraz okresowe rozładowywanie w obwodzie tranzystora T3. Nachylenie
narastającego zbocza napięcia piłokształtnego zależy od wartości pojemności C i od prądu
ładowania wyznaczonego różnicą dodatniego napięcia zasilania i napięcia wewnętrznego zasilacza
stabilizowanego Z1 oraz wartością rezystancji R1. Zasilacz stabilizowany Z2 ustala początkową
wartość napięć piłokształtnych na poziomie  10V. Do sterowania obwodami rozładowywania
kondensatorów wykorzystano dla kanałów 1, 3, 5 napięcia na diodach D1 (rys. 6a  przebieg 1), a
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 7
dla kanałów 2, 4, 6 odwrócone i wzmocnione w obwodach tranzystorów T5 napięcia na diodach D2
mostka trójfazowego obciążonego rezystancją Ro (rys. 6a  przebieg 2). Dla zwiększenia
obciążalności wyjść synchronizatora zastosowano wtórniki emiterowe.
1 2
U wy [V]
1 2
10
0
-10
3.3 Układ sterowania fazą impulsów.
Zadaniem układu jest określenie fazy impulsów wyzwalających w stosunku do napięć
synchronizujÄ…cych. Schemat ideowy bloku sterowania fazÄ… przedstawiono na rysunku 7.
NAPI
CIA SYNCHRONIZUJ
CE
1 2 3 4 5 6
Up
Ust
Uo
R R R R R R
Q Q Q Q Q Q
S S S S S S
NAPI
CIA WYJÅšCIOWE
Rys. 7. Schemat układu sterowania fazą impulsów
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 8
Zasada działania omawianego układu jest następująca. Napięcia synchronizujące są
podawane na odpowiednie wyjścia komparatorów napięciowych K1 do K6 w kolejności
wynikającej z następstwa faz . Na drugie wejścia podaje się napięcie porównawcze Up będące
sumą napięcia sterowania Ust i napięcia Uo , służącego do wstępnego przesuwania fazy impulsów
w granicach ą300 el. Sumowanie tych napięć odbywa się za pomocą wzmacniacz W.
W momencie , gdy dane napięcie synchronizujące przewyższa napięcie porównawcze Up ,zmienia
się sygnał logiczny wyjścia komparatorów z  1 na  0 . W rezultacie na wyjściu każdego
komparatora otrzymujemy ciąg impulsów prostokątnych o współczynniku wypełnienia zależnym
od wartości napięcia porównawczego (Rys. 8b).
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
4
5
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 9
Sygnały te (z komparatorów) podawane są na wejścia R przerzutników asynchronicznych
typu RS Wartość sygnału logicznego na wejściach S tych przerzutników (rys. 8d) jest uzależniona
od stanów tych wyjść w ten sposób ,że zmiana stanu danego przerzutnika z 1 na 0 sygnałem
komparatora jest możliwa tylko wtedy , gdy wszystkie wyjścia Q są w stanie 1 z wyjątkiem
poprzedniego.
W rezultacie impulsy wyjściowe mogą pojawić się tylko w sekwencji zgodnej z
kolejnością napięć synchronizujących bez względu na zmiany napięcia sterującego. Równocześnie
zmiana stanu wyjścia Q kolejnego przerzutnika powoduje powrót do stanu  1 , wyjścia
przerzutnika poprzedniego. Zatem ciąg impulsów ( 0 ) wyjść przerzutników określa fazę i
pożądany czas przewodzenia zaworów przekształtnika w układzie sześciofazowym gwiazdowym w
funkcji zmian sygnału sterującego (rys. 8c).
3.4 Układ formowania impulsów.
Podzespół formuje ciąg impulsów wyzwalających dla poszczególnych tyrystorów
przekształtnika mostkowego 3-fazowego ,wykorzystując sygnały wyjściowe układu sterowania faza
impulsów . schemat ideowy przedstawia rysunek 9. Na wejścia 1  6 wprowadza się kolejno
sygnały wyjściowe układu sterowania fazą. Każda z bramek B1  B6 tworzy iloczyn logiczny dwu
kolejnych sygnałów wejściowych. W rezultacie na ich wyjściach otrzymuje się impulsy
wyznaczające pożądany czas przewodzenia poszczególnych zaworów układu mostkowego, a zatem
modelujące w sposób logiczny pracę przekształtnika. Ciąg tych impulsów nazwano dalej impulsami
modelujÄ…cymi.
WEJÅšCIA
1 2 3 4 5 6
B1 B2 B3 B4 B5 B6
R C R C
B7 B8
We k
B9
Wy 2
M1 M2
Wy 1
Q Q
We m
We b1
We b2
Wy m
N1 N2 N3 N4 N5 N6
We
f z Wy1
6 1 2 3 4 5
IMPULSY WYZWALAJ
CE
Rys. 9  Schemat ideowy układu formowania impulsów.
Obwód składający się z bramek B7, B8, B9 i uniwibratorów M1, M2 generuje ciąg
impulsów, zwanych dalej impulsami skojarzonymi mostka (Wy1, Wy2), których szerokość
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 10
wyznaczają wartości elementów RC uniwibratorów, a początki są synchroniczne z narastającymi
zboczami impulsów modelujących. Podzespół ma następujące wejścia dodatkowe:
- wejścia kojarzące Wek  pozwalające na wprowadzenia impulsów dodatkowych,
- wejścia modulujące Wem  umożliwiające realizację różnych rodzajów impulsów
wyzwalajÄ…cych,
- wejścia blokad impulsów Web1, Web2.
Różne rodzaje impulsów wyzwalających uzyskuje się w następujący sposób:
- wąskie impulsy uzyskuje się przez wprowadzenie na wejście modulujące Wem impulsów
skojarzonych,
- impulsy szerokie  przez podanie na wejście Wem sygnału stałego  0 ,
- impulsy szerokie modulowane  na wejście modulujące podaje się impulsy prostokątne o
częstotliwości dużo większej od częstotliwości sieci.
Układ umożliwia także formowanie innych nietypowych rodzajów impulsów
wyzwalających. Na rysunkach 10  12 przedstawiono oscylogramy impulsów sterujących na
wyjściu układu formowania impulsów. W kroku następnym są one podawane do wzmacniacza i
poprzez transformatory bramkowe  do tyrystorów.
Rys. 10  Impulsy wąskie (podwójne impulsy przesunięte o 600 el.).
Rys. 11  Oscylogram impulsów szerokich.
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 11
Rys. 12  Impuls szeroki modulowany przebiegiem prostokątnym o dużej częstotliwości.
3.5 Wzmacniacz impulsów bramkowych.
Ostatnim blokiem sterownika, który w zasadzie nie stanowi jego integralnej części logicznej
z rysunku 1, jest wzmacniacz końcowy. Jego zadaniem jest wzmocnienie impulsów wytworzonych
w układzie sterownika do poziomu wymaganego przez producentów tyrystorów. W przypadku
większych mocy, rzędu kilkudziesięciu kilowatów, wymagane są prądy sterujące rzędu
pojedynczych amperów. Tak więc sygnał z układów cyfrowych TTL byłby zbyt słaby do
bezpośredniego wysterowania bramek tyrystorów przekształtnika.
+ 24V
G
K
1:1
20
We
1 uF
Rys. 13  Schemat ideowy wzmacniacza końcowego wraz z transformatorem bramkowym.
Ponadto konieczna jest galwaniczna separacja obwodów sterownika od obwodów siłowych
wysokiego napięcia. Zapewnia to w najprostszym przypadku transformator bramkowy. Jest on
powszechnie stosowany z uwagi na niski koszt, prostotę działania i łatwość wymiany. Jednak jego
cechy fizyczne powodują iż wzmocniony we wzmacniaczu impuls bramkowy ulega deformacji ze
względu na to iż transformator nie przenosi składowej stałej. Szczególnie widoczne jest to na
przykładzie impulsu szerokiego. Na rysunku 14, przedstawiono kształt impulsu szerokiego z
rysunku 10, o czasie trwania 1200 (dla 50Hz jest to 6,67ms) po przejściu przez transformator
bramkowy. Widoczna jest charakterystyczna szpilka prądowa po załączeniu impulsu, i szybkie jego
opadanie, co powoduje iż czas trwania tego impulsu wynosi na bramce tyrystora około 500 źs.
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
STEROWNIK ANALOGOWY MOSTKÓW TYRYSTOROWYCH 12
Rys. 12  Impuls szeroki długi po przejściu przez transformator bramkowy.
Z tego powodu dla utrzymania wyższej wartości średniej impulsu przez dłuży okres stosowna jest
modulacja impulsu przebiegiem prostokątnym o większej częstotliwości, o czym wspomniano w
punkcie 2.3 niniejszej instrukcji.
4. BADANIA LABORATORYJNE UKA
ADU STEROWNIKA.
Badania laboratoryjne układu sterownika polegają na zapoznaniu się z układem sterownika
na stanowisku laboratoryjnym oraz zdjęciu przebiegów napięć i prądów w charakterystycznych
punktach układu. Badane są zarówno przebiegi wejściowe i wyjściowe poszczególnych bloków
sterownika, jak i przebiegi wewnętrzne obrazujące istotę działania kolejnych składników układu.
W drugiej części ćwiczenia należy sprawdzić możliwość uzyskania różnych rodzajów
impulsów sterujących na wyjściu układu formowania impulsów, ich parametry napięciowe,
prądowe i czasowe oraz ich kształt za transformatorem bramkowym. Na tej podstawie można
określić praktyczne właściwości poszczególnych rodzajów impulsów sterujących.
5. LITERATURA.
N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins - Power electronics : converters, applications, and
design, John Wiley & Sons, New York, 1989.
A. Senderski, J. Wyżga, H. Zygmunt, A Żur  Uniwersalny system generacji impulsów
wyzwalających dla tyrystorowych przekształtników prądu stałego, Elektrotechnika, Tom 1, zeszyt
4, 1982, Wydawnictwa AGH, Kraków.
H. Tunia, B. Winiarski  Energoelektronika, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa,
1994.
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006