21. Układy fazowego sterowania przekształtników energoelektronicznych.
21.1 Wiadomości podstawowe
Jednym ze sposobów regulacji wielkości wyjściowych przekształtników o komutacji
sieciowej jest płynna zmiana fazy impulsów bramkowych zaworów, w odniesieniu do
punktów komutacji naturalnej danego przekształtnika (przekształtnika
niesterowanego) [1, 3]. Idea sterowania fazowego polega na generowaniu ciągu
impulsów bramkowych, synchronizowanych przebiegiem napięcia sieci zasilającej z
możliwością płynnej regulacji ich opóz
nienia w stosunku do miejsca przejścia przez
zero przebiegu napięcia synchronizującego. Przy czym napięcia synchronizujące
dobierane są zazwyczaj w taki sposób, aby przejścia przez zero ich przebiegów
pokrywały się z punktami komutacji naturalnej danego przekształtnika. Kąt, liczony
od punktu komutacji naturalnej do chwili wygenerowania impulsu bramkowego
określany jest zwykle kątem opóz
nienia załączenia a� . Takie określenie kąta pozwala
z
na uzyskanie czytelnych zależności określających regulowane wielkości wyjściowe
przekształtnika sterowanego w odniesieniu do tych wielkości występujących w
przekształtniku niesterowanym (a� =0).
z
W układach jednofazowych kąt opóz
nienia załączenia a� liczony jest chwili
z
przejścia przez zero przebiegu napięcia sieciowego, natomiast w układach 3-fazowych
od punktów komutacji naturalnej (swobodnej) występującej w punktach przecięcia się
przebiegów napięć fazowych trójfazowej sieci zasilającej.
Bramkowe załączanie tyrystora SCR wykorzystuje w zasadzie dwa
podstawowe układy:
�� układ sterowania fazowego
�� układ formowania impulsów bramkowych.
Podstawowym zadaniem układu sterowania fazowego jest wygenerowanie
odpowiedniej sekwencji impulsów bramkowych z możliwością regulacji ich fazy. W
analogowych rozwiązaniach tego układu wykorzystuje się zazwyczaj czasowy moduł
opóz
niający z regulowanym płynnie czasem opóz
nienia. Działanie tego modułu
wykorzystuje zazwyczaj komparację dwóch przebiegów: napięcia piłokształtnego
(ładowanie lub rozładowanie kondensatora) synchronizowanego napięciem sieci
zasilającej oraz napięcia stałego o odpowiednio regulowanej wartości. We
współczesnych rozwiązaniach przekształtników stosuje się bądz
specjalizowane
układy scalone bądz
też różnego rodzaju układy mikroprocesorowe, które
programowo generują odpowiednio opóz
niane impulsy bramkowe [30, 31].
Rozwiązania te, kompatybilne ze sterownikami programowalnymi, dają w efekcie
możliwość łatwego sterowania pracą przekształtnika w układach automatyki.
Układ formowania impulsów bramkowych zapewnia odpowiednie parametry
generowanym impulsom bramkowym (kształt, stromość, odpowiednią wartość prądu,
czas trwania) oraz wprowadza separację galwaniczną pomiędzy obwodami słabo- i
silnoprądowymi. Separację galwaniczną realizuje się bądz
za pomocą
transformatorów bramkowych bądz
z wykorzystaniem układów optoelektronicznych.
Te ostatnie charakteryzują się niewrażliwością na zakłócenia elektromagnetyczne
generowane przez przekształtnik.
21.2 Idea sterowania fazowego
Od układów sterowania fazowego wymaga się zachowania dużej dokładności i
stałości fazy generowanych impulsów bramkowych. Dodatkowo wymaga się aby nie był
on podatny na różnego rodzaju zakłócenia elektromagnetyczne jak i na wpływ
odkształconego przez obwody silnoprądowe napięcia sieci zasilającej.
Ideę sterowania fazowego przedstawiono na rys. 21.1.
u(J�)
a�z a�z
i
g
2�p� J�
p� 3�p�
0�
u
gen
a�z u a�z
gen
y
u
od
u
od
x
J�
0
p�
2�p� 3�p�
Rys. 21.1 Idea sterowania fazowego.
Podstawowym sygnałem sterującym w układach komutowanych siecią są napięcia
synchronizujące. Są one tak dobierane, aby przejścia przez zero ich przebiegów
odpowiadały punktom komutacji naturalnej danego przekształtnika. W układach
trójfazowych wykorzystuje się trzy niezależne napięcia synchronizujące przesunięte
względem siebie o 1200 el.
W miejscu przejścia przez zero przebiegu napięcia synchronizującego u(J�) następuje
synchronizacja generatora przebiegu piłokształtnego u . W przykładowym rozwiązaniu
gen
realizuje się ją poprzez impulsowe rozładowanie kondensatora ładowanego prądem
stałym. Każde kolejne przejście przebiegu napięcia synchronizującego u(J�) przez zero
powoduje skokowe zmniejszenie się wartości napięcia u do zera. Porównując
gen
synchronizowany przebieg napięcia u z napięciem stałym u (odniesienia) o
gen od
regulowanej wartości, w każdym półokresie uzyskuje się dwa punkty przecięcia 
oznaczone odpowiednio x i y. Odpowiednia zmiana wartości napięcia u pociąga za sobą
od
zmianę fazy (kąta a� ) punktu x w granicach od 0 do 1800. Natomiast faza punktu y
z
pozostaje praktycznie niezmienna i odpowiada miejscu przejścia przez zero przebiegu
napięcia synchronizującego u(J�). Kąt a� określany jest mianem kąta opóz
nienia
z
załączenia. Zachowanie liniowego charakteru napięcia u daje w efekcie liniową
gen
zależność a� = f(u ). Przykładowy układ takiego generatora przedstawiono na rys. 21.2.
z od
Rys. 21.2 Synchronizowany generator przebiegu piłokształtnego.
Podstawowy element generatora stanowi kondensator C ładowany ze z
ródła
prądowego prądem o niezmiennej wartości. y
ródło prądowe realizowane jest z
wykorzystaniem tranzystora T1. Impulsy synchronizujące - generowane w miejscach
kolejnych przejść przebiegu napięcia synchronizującego u(J�) przez zero  poprzez
tranzystor T2 powodują krótkotrwałe rozładowanie kondensatora C. Prąd ładowania I ma
stałą wartość określoną zależnością 21.1.
Uz
I =� (21.1)
RE
gdzie: U
z- napięcie diody Zenera, R
E- rezystancja emiterowa.
A
adunek elektryczny Q gromadzony w kondensatorze C wynosi:
Q =� I ��t (21.2)
Napięcie na kondensatorze U stanowiące jednocześnie napięcie wyjściowe u
c gen
generatora piłokształtnego wynosi:
Q I ��t Uz
Uc(�t)�=� =� =� ��t (21.3)
C C RE ��C
i jest linową funkcją czasu t.
Schemat blokowy układu fazowego sterowania pokazano na rys. 21.3.
Rys. 21.3 Schemat blokowy układu fazowego sterowania.
Wybrane przebiegi w charakterystycznych punktach układu z rys. 21.3 przedstawiono na
rys. 21.4.
Napięcie przemienne obwodów silnoprądowych przekształtnika  wykorzystane jako
przebieg synchronizujący- doprowadzone jest do transformatora separacyjnego (I). W
bloku II z napięcia synchronizującego zostają odfiltrowane wyższe harmoniczne. Filtr
wprowadza przesunięcie fazowe pierwszej harmonicznej o czym należy pamiętać
określając żądany zakres regulacji fazy impulsów bramkowych. Odfiltrowany sygnał
zostaje doprowadzony do detektora zera (III) w wyniku czego uzyskuje się przebieg
prostokątny U . W bloku IV są generowane impulsy szpilkowe (U ) które synchronizują
3 4
generator przebiegu piłokształtnego (V)  rys. 21.2 i 21.3. Blok VI stanowi komparator K
do którego wejść doprowadzony jest przebieg piłokształtny (U ) z jednej strony, z drugiej
5
zaś strony napięcie odniesienia U . W wyniku porównania obu przebiegów na wyjściu
0
komparatora uzyskuje się przebieg U o zmiennym współczynniku wypełnienia. W fazie
6
ze zboczem narastającym tego przebiegu w bloku VII są generowane i formowane
impulsy bramkowe U o regulowanej szerokości.
7
u (J�)
s
2�p�
J�
p� 3�p�
0�
u
3
J�
p� 2�p�
3�p�
0�
u
4
J�
p� 2�p�
3�p�
0�
u
5
u
5
u
o
u
u o
o
J�
0
p�
3�p�
2�p�
u
6
u
6
a�z
J�
p� 2�p�
3�p�
0�
u
7
i i
i
Gb Ga
Ga
a�z a�z a�z
J�
p� 2�p�
3�p�
0�
Rys. 21.4. Wybrane przebiegi w charakterystycznych punktach układu z rys. 21.3.
Z uwagi na korzystniejsze warunki załączania tyrystorów  paczką impulsów
(multipuls), impulsy U7 mogą zostać wypełnione w bloku VIII impulsami szpilkowymi.
W bloku IX impulsy te  w zależności od znaku półfali napięcia synchronizującego -
zostają rozdzielone na U9a i U9b i skierowane do odrębnych wzmacniaczy (X), których
zadaniem jest zapewnienie im odpowiednich parametrów prądowo-napięciowych.
21.3 Charakterystyka obwodu bramkowego tyrystora.
Pewność załączenia tyrystorów decyduje w znaczącym stopniu o bezawaryjnej pracy
przekształtnika. Określenie optymalnych parametrów impulsów bramkowych wymaga
znajomości charakterystyki i =f(u ) obwodu bramkowego. Dla danego typu tyrystorów
G G
producent podaje obszar ograniczony dwoma skrajnymi charakterystykami 1 i 2 (rys. 21.5),
pomiędzy którymi zawarte są charakterystyki bramkowe wszystkich egzemplarzy danego
typu. Obszar ten ograniczony jest od góry hiperbolą mocy szczytowej P traconej w
FGM
obwodzie bramki, oraz wartościami szczytowymi I i U prądu i napięcia przewodzenia
FGM FGM
bramki. Optymalny dobór parametrów impulsów bramkowych sprowadza się do określenia
współrzędnych punktu przecięcia się nieliniowej charakterystyki bramkowej 3 danego
egzemplarza tyrystora i charakterystyki prądowo-napięciowej 5 danego układu generowania
impulsów. Przy narzuconej zazwyczaj wartości sem E tego układu, poprzez włączenie
w
dodatkowego rezystora R (rys. 21.6c) dobiera się tak wartość prądu zwarcia, aby
d
charakterystyka 5 przecinała się z charakterystyką bramkową 3 w obszarze b pewnych
przełączeń.
Z uwagi na charakter RL obciążenia obwodów silnoprądowych (rys. 21.6a), prądy
narastają z odpowiadającymi im stałymi czasowymi, w wyniku czego zbyt krótki impuls
bramkowy może nie doprowadzić do pewnego załączenia tyrystora, gdyż prąd obciążenia nie
osiągnie w tym czasie wartości podtrzymania I (rys. 21.6b).
L
Rys. 21.5. Przykładowa charakterystyka obwodu bramkowego tyrystora,
gdzie: 1, 2-charakterystyki graniczne, 3- charakterystyka typowa, 4- hiperbola mocy
szczytowej P , 5- prosta obciążenia,
FGM
obszary: a- możliwych przełączeń, b- pewnych przełączeń, c- niemożliwych
przełączeń.
I ; U - wartości szczytowe prądu i napięcia przewodzenia bramki,
FGM FGM
I ; U - wartości prądu i napięcia przełączającego bramki,
GT GT
I ; U - nieprzełączające wartości prądu i napięcia bramki.
GD GD
Rys. 21.6. Wyznaczanie minimalnego czasu trwania impulsu bramkowego
a) zadane obciążenie rezystancyjno-indukcyjne w obwodzie silnoprądowym tyrystora;
b) wykres narastania prądu i =f(t) determinujący minimalną szerokość t impulsu
A i
bramkowego i  gdzie I
G L- prąd podtrzymania załączenia tyrystora
c) schemat zastępczy obwodu bramkowego z dodatkową rezystancją R ustalającą punkt
d
pracy obwodu bramkowego, gdzie: E , R - siła elektromotoryczna i rezystancja
w w
wewnętrzna układu generowania impulsów.
Zbyt krótki czas trwania impulsu bramkowego (rys.21.6 b) nie spowoduje podtrzymania
załączenia tyrystora a w efekcie zmniejszenie się prądu I do zera.
A
Niezbędny czas trwania impulsu bramkowego t określony jest zależnością 21.4.
i
L 1
ti ł� td +� ln (21.4)
IL
R
1-�
I
gdzie: R, L - rezystancja i indukcyjność obciążenia,
I - prąd podtrzymania załączenia tyrystora,
L
I - ustalona wartość prądu po załączeniu,
t - czas opóz
nienia załączenia.
d
W przypadku gdy I /I <0,1 zależność 21.4 upraszcza się do postaci 21.5.
L
L IL
ti ł� td +� �� (21.5)
R I
Przy obciążeniach silnie indukcyjnych czas opóz
nienia załączenia t w zal. 21.4 i 21.5
d
może być pominięty. Minimalny czas trwania impulsu t nie powinien z reguły być
i
mniejszy niż 10m�s. W przypadku gdy zachodzi konieczność zapewnienia długiego czasu
trwania impulsu, należy sprawdzić wartość średnią mocy traconej w obwodzie
bramkowym. Stosowanie systemu  multipuls wydatnie zmniejsza wartość tej mocy
poprawiając jednocześnie warunki załączania tyrystora.