Wykład z energoelektroniki dla ii roku studiów dziennych - sem. iv

Głównym zadaniem energoelektroniki jest regulacja i przetwarzanie z jednej postaci energii elektrycznej do drugiej. Istnieją cztery możliwe rodzaje przekształtników (układów zamieniających postacie energii):

• Prostowniki - zamiana napięcia zmiennego (AC) na stałe (DC) - ang. rectifier

• Falowniki - odwrotnie tzn. DC -> AC - ang. inverter

• Przekształtniki prądu zmiennego - AC -> AC (o innych parametrach) - ang. Cycloconverter, cycloinverter

• Przekształtniki prądu stałego - DC -> DC - ang. chopper

Dodatkowowo można wyróżnić łączniki prądu zmiennego i stałego

Energoelektronika jest dziedziną łączacą wiedzę z elektroniki, elektrotechniki i automatyki. Jak wskazywałaby nazwa (ang. power electronics) powinna zajmować się dużymi mocami. Jednak obecnie, jak wyżej zostało napisane, zajmuje się ogólnie przetwarzaniem mocy - niezależnie od jej wartości.

Urządzenia energoelektroniczne mają dwa zadania. Podstawowym jest przetwarzanie energii elektrycznej (napięcia, prądu, częstotliwości). Drugim jest łączenie obwodów elektrycznych (łączniki prądu przemiennego, stałego - elektroniczne styczniki).
Oczywiście chcielibyśmy, aby procesy te wykonywane były bez strat energii (w rzeczywistości przy jak najmniejszych stratach).

Z tego też względu w energoelektronice elementy mogą być tylko w dwóch stanach: załączonym lub wyłączonym. Gdy element jest wyłączony występuje na nim duże napięcie natomiast prąd teoretycznie nie płynie (P=UI=0 - w praktyce prąd jest niewielki). W stanie włączenia przez element przepływa zazwyczaj prąd o dużej wartości natomiast spadek napięcia w praktyce jest niewielki (teoretycznie zero - i dla dużych napięć rzędu 500V, spadek napięcia rzędu 2V jest pomijalny) - P=UI=~0.
Widać wyraźnie, że wszelkie stany pośrednie, kiedy na elemencie występują niepomijalne wartości napięcia i prądu łącza się z wydzielaniem dużych mocy (stratami) - które mogą grozić przegrzaniem i uszkodzeniem.

Krótkie porównanie ...

Dioda (mocy)

Podstawy

Działanie "zwykłej" diody jest bardzo proste - przewodzi ona prąd tylko w jednym kierunku.

Kiedy dioda przewodzi (potencjał anody -a jest większy od potencjału katody) występuje na niej spadek napięcia - ok.~1V. Również w kierunku zaporowym (odwrotnie spolaryzowana dioda - wyższy potencjał katody) teoretycznie prąd nie powinien płynąć, jednak pojawia się znikomo mały prąd wsteczny. Napięcie na diodzie w tym stanie jest równe napięciu zasilania. Przy dużych napięciach rzędu 100, 200 i więcej V - napięcie na diodzie podczas przewodzenia jest pomijalne.

Wyznaczmy teraz charakterystykę prądowo-napięciową (statyczną) diody.
Będziemy przykładać różne napięcia (regulowane źródło zasilania) i zmierzymy odpowiadające im prądy (nie obchodzi nas zachowanie prądu pomiędzy poszczególnymi punktami - czyli zmiany dynamiczne, interesują nas tylko wartości ustalone - stąd nazwa ch-ka statyczna). Otrzymamy w ten sposób następującą charakterystykę:

Słowniczek indeksów: F,D - (forward,direct) w kierunku przewodzenia np.:UF R - (reverse) ÷ zaporowym; występuje samotnie lub na pierwszej pozycji np.:URWM R - (repeatable) powtarzalne; występuje na drugim miejscu np.:URRM M - (maximum) dopuszczalne W - (work) robocze, podczas pracy S - (single) pojedyncze tzn. niepowtarzalne np.:URSM (TO) - (treshold) próg zatrzaśnięcia (BR) - (breakdown) przebicie! (OV) - (overload) przeciążenie RMS - (real mean square) wartość skuteczna AV - (avarage) wartość średnia

Dioda zaczyna przewodzić po przekroczeniu napięcia progowego (ok. 1V dla diod mocy i 0,6V dla małych diod elektronicznych krzemowych). Dalsze zwiększanie napięcia wywołuje bardzo niewielkie zmiany prądu. W kierunku zaporowym (zaworowym) napięcie rzędu setek woltów wywołuje prąd pomijalny (kilka mA w diodach mocy). Przekroczenie granicznej wartości napięcia wstecznego powoduje gwałtowny wzrost prądu wstecznego. Powoduje to lokalne przyrosty temperatury (200..250°C) w wyniku których, najczęściej dochodzi do uszkodzenia ("spalenia") elementu. Tę część charakterystyki można wyznaczyć tylko raz! :
Obok charakterystyki widać podręczny słowniczek najczęściej używanych indeksów. Teraz przyjrzyjmy się poszczególnym parametrom diody.
Prąd graniczny - I_FAVM (I_F(AV)M) - określa maksymalną wartość ciągłego obciążenia prądowego. Jest on podawany przez producentów dla wartości średniej prądu o kształcie półsinusoidy (patrz dalej) 50Hz w określonych warunkach chłodzenia. Może być też podana wartość skuteczna - I_F(RMS)M.
Przykładowa ch-ka:

Napięcie wsteczne:

• powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne - U_RRM - nie można go przekroczyć przy pracy okresowej (można przekroczyć jego wartość impulsowo na krótki czas)

• niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne - U_RSM - nie można przekroczyć w żadnych warunkach.

Obie wartości podawane są dla określonego zakresu temperatur.

Przeciążalność prądowa - I_F(OV) - podawana w postaci wykresu wartości prądów od czasu ich trwania. Przykładowy wykres:

Z powyższego przykładu wynika, że możemy obciążyć diodę przez 0,1s prądem nawet 2kA.

Tyrystory ...

Wstęp

Dynistor, tyrystor

Dynistor

Ma on strukturę czterowarstwową analogiczną do tyrystora (patrz niżej), ale bez wyprowadzonej bramki.

Jak widać na powyższym rysunku składa się on z aż trzech złącz p-n (dioda 1), n-p (dioda 2) i znów p-n (dioda 3). Aby dynistor mógł przewodzić potencjał na anodzie musi być większe od potencjału katody (mamy już spolaryzowane dwie diody w kierunku przewodzenia - 1 i 2 - stan blokowania). Ale załączenie dynistora następuje dopiero po gwałtownym wzroście napięcia pomiędzy anodą a katodą - du/dt(przewodzenie) lub przez przekroczenie napięcia włączenia. Jeśli potencjały są odwrotne tzn. katody większy od anody to dynistor jest w stanie zaporowym. Charakterystyka jest analogiczna jak dla tyrystora tylko, że tu nie włączamy go kiedy chcemy ... załącza się sam.

Tyrystor (klasyczny, prostownikowy - SCR z ang. silicon controlled rectifier)

Tyrystor możemy załączyć impulsem bramkowym, ale tylko, gdy jest prawidłowo spolaryzowany (anoda:+ katoda:-). Oczywiście może załączyć się także jak dynistor przy dużych du/dt - skokach napięcia między anodą a katodą. Jednak takiego załączania unikamy (w końcu chcemy sterować). Metoda przekroczenia napięcia przełączenia (w dynistorze napięcie włączenia) jest niedopuszczalna - może nastąpić trwałe uszkodzenie elementu!

Załączenie tyrystora jak wcześniej wspomniałem następuje przy odpowiedniej polaryzacji i podaniu dodatniego względem katody impulsu bramkowego. Im mniejsze jest napięcie między anodą a katodą, tym większy musi być prąd bramki. Wyłączenie tyrystora następuje przy obniżeniu napięcia anoda-katoda lub spadku wartości przepływającego prądu poniżej I_H - prądu podtrzymania.

Jeśli znasz tranzystory bipolarne to może ten schemat zastępczy pomoże zrozumieć Ci zasadę działania:

W stanie spoczynkowym oba tranzystory są zatkane (nie przewodzą). Po wciśnięciu przycisku pojawi się prąd bazy - otworzy się tranzystor npn. Prąd jego kolektora spowoduje otwarcie tranzystora pnp. Z kolei prąd kolektora pnp popłynie do bazy npn - podtrzymując jego otwarcie, po puszczeniu przycisku.
Wystarczy by podać nawet krótki impuls na bramkę, aby otworzyć element na stałe. Układ będzie przewodził aż do zaniku lub zmiany polaryzacji napięcia zasilającego.

Diak, triak

Diak jest symetrycznym dynistorem, czyli może przewodzić w obu kierunkach. Analogicznie triak jest symetrycznym tyrystorem.

Triak

Uproszczoną strukturę blokową przedstawia poniższy rysunek.

Działanie triaka jest analogiczne do przeciwsobnego połączenia dwóch tyrystorów (SCR) - patrz poniższy rysunek.

Na rysunku bramki tyrystorów pokazane są oddzielnie dla każdego tyrystora. Triak posiada tylko jedną bramkę - włączenie następuje niezależnie od polaryzacji (w przeciwieństwie do tyrystora, który może być załączony tylko, jeśli potencjał anody jest większy od potencjału katody).
Triak działa w obu kierunkach polaryzacji i zachowuje się jak tyrystor w dodatniej części swojej charakterystyki (stan blokowania bądź przewodzenia) - charakterystyka triaka jest symetryczną względem początku układu charakterystyką tyrystora:

Zakresy pracy triaka

Są cztery podstawowe zakresy pracy. Przedstawia je poniższy rysunek:

Najczęściej triaki pracują w ćwiartce I i III (QI, QIII), gdzie zasilanie bramki ma tą samą polaryzację co końcówka robocza (MT). Optymalna czułość bramki wynikająca ze struktury wewnętrznej triaków przypada właśnie na QI i QIII.
Jeżeli jednak praca w tych zakresach nie jest możliwa, kolejnym korzystnym zakresem pracy są ćwiartki QII i QIII (bramka jest zasilana ujemnymi impulsami).

Zazwyczaj czułość bramki jest w przybliżeniu taka sama w QI i QII jednak w QII czułość prądu załączania jest niższa. Dlatego też, trudno jest załączyć triaki w ćwiartce QII kiedy prąd końcówki roboczej (głównej z ang. main terminal MT) ma małą wartość.

Czułość bramki jest najniższa w ćwiartce QIV, dlatego należy unikać pracy w np. QI i QIV.

Diak

Konstrukcja diaka przypomina tranzystor NPN (bez wyprowadzenia bazy).

Struktura analogiczna do tranzystora bipolarnego zapewnia wysoką impedancję w stanie blokowania, aż do punktu napięcia przebicia (V_BO) powyżej którego, element wchodzi w obszar tzw. ujemnej rezystancji tzn. wraz ze wzrostem prądu maleje napięcie na nim.

Właściwości diaka można wykorzystać do zbudowania sterowania prostego układu regulacji fazowej.

Po przekroczeniu nastawianego na rezystancji napięcia przełączenia diaka włącza się triak i przez odbiornik przepływa prąd. W ten sposób regulujemy średnią wartość mocy (prądu, napięcia) dostarczanej do odbiornika.

Aplikacja przy użyciu elementów produkowanych przez Teccor Electronics:

Metody załączania tyrystorów (SCR, a także dynistor, diak i triak)

Są trzy metody załączenia (włączenia - ogólnie rzecz biorąc wprowadzenia w stan przewodzenia) tyrystorów i triaków (w tym dwie ostatnie dotyczą również dynistorów i diaków):

• Podanie impulsu bramkowego

• Przyrost napięcia dv/dt

• Przekroczenie napięcia blokowania

Poniżej krótko zostaną opisane wszystkie powyższe metody.

Podanie impulsu bramkowego

Należy zadbać aby wartości napięcia i prądu impulsu podawanego na bramkę przekraczały wartości katalogowe I_GT oraz V_GT.
Dla tyrystorów SCR impuls musi być dodatni względem katody. Natomiast jeśli chodzi o triaki impuls może być zarówno dodatni jak i ujemny, ale obie polaryzacje mają różne wymagania dotyczące wartości I_GT oraz V_GT.
Jak już powyżej zostało zaznaczone metoda ta odnosi się tylko do tyrystorów SCR i triaków z prostej przyczyny, że diaki i dynistory nie posiadają bramki.

Przyrost napięcia dv/dt

Załączenie następuje pod wpływem szybko narastającego napięcia pomiędzy anodą i katodą w przypadku tyrystora SCR, czy pomiędzy zaciskami głównymi triaka czy diaka. Pomiędzy poszczególnymi złączami PN istnieją (wynikające z natury konstrukcji) pojemności złączowe. Poniższy rysunek przedstawia elementy sterowane bramką wraz z pojemnościami złączowymi.

Kiedy gwałtownie przyłożymy napięcie do złącza PN popłynie prąd ładowania o wartości:

i =

Kiedy
osiągnie wartość większą od I_GT następuje załączenie. Ta metoda załączenia nie powoduje uszkodzenia elementu o ile nagły wzrost prądu ma ograniczoną wartość (di/dt).

Generalnie gdy istnieje możliwość takiego niekontrolowanego załączenia (poprzez szybki wzrost napięcia) stosujemy układy odciążające (z ang. snubber network).

Przekroczenie napięcia blokowania - napięcie przełączenia

Jest metodą załączania diaków i dynistorów. Zdecydowanie natomiast nie jest zalecaną metodą załączania tyrystorów SCR i triaków.

W przypadku SCR i triaków prąd upływu (w przypadku przekroczenia napięcia przełączania - z ang. breakover) wzrasta aż przekroczy wartość prądu bramki wymaganego do załączenia elementu w małym punkcie struktury. Kiedy nastąpi załączenie prąd w pierwszej chwili przepływa tylko przez małą powierzchnię (wskutek nierównomiernego załączenia całej struktury). Powoduje to miejscowe nagrzewanie się elementu i może spowodować stopienie się w tym miejscu struktury, a w konsekwencji lawinowo postępującego zjawiska do uszkodzenia elementu, jeśli narastanie prądu (di/dt) nie jest dostatecznie ograniczone.

Diaki stosowane typowo w układach regulacji fazowej mają podstawowe zabezpieczenie przed powyższym zjawiskiem (narastaniem prądu powyżej napięcia przełączenia) tak długo jak pojemność kondensatora (w układzie) nie jest zbyt duża.
W innych przypadkach konieczne jest ograniczanie prądu.

Sterowanie prostownikami tyrystorowymi

prostowniki sterowane

Ogólnie przekształtniki podzielić można na:

• Prostowniki (AC-DC)

• Przekształtniki prądu stałego (DC-DC)

• Falowniki (DC-AC)

• Przekształtniki prądu przemiennego (AC-AC)

Sterowanie przekształtnikami tyrystorowymi przedstawię na przykładzie prostowników (oczywiście sterowanych).

Schemat blokowy przekształtnika

Napięcie wyjściowe w układzie możemy wyrazić zależnością: 

gdzie 'alfa' - kąt przesunięcia od punktu naturalnej komutacji.

Prostowniki sterowane

Najprostszym rozwiązaniem jest następujący układ prostownika jednopulsowego (jednofazowego):

Tyrystor jest polaryzowany w kierunku przewodzenia w czasie dodatniej półfali napięcia zasilania, jeśli więc doprowadzimy impuls bramkowy w zakresie 0° ¸ 180° to przejdzie on w stan przewodzenia. Prąd odbiornika musi być większy od prądu wyłączenia (prąd podtrzymania I_H) tyrystora. Kąt załączania może być regulowany tylko w zakresie 0°, 180° (0 - ∏).

Wady tej pozbawiony jest już prostownik dwupulsowy (mostkowy, dwupołówkowy):

Dodatnia półfala napięcia E polaryzuje w kierunku przewodzenia parę tyrystorów T2 i T4. W czasie ujemnej T1 i T3. Tak więc impulsy bramkowe par tyrystorów powinny być przesunięte o 180° ('Π').

W układach trójfazowych z dostępnym przewodem zerowym stosujemy układy trójpulsowe (gwiazdowe):

Impulsy bramkowe są przesunięte o 
. Kąt załączania tyrystorów 
jest związany z kątem opóźnienia wysterowania a zależnością: 
.

W układach trójfazowych bez dostępnego przewodu zerowego lub w przypadku, kiedy moc zasilanego przez przekształtnik odbiornika przekracza dopuszczalne obciążenie przewodu neutralnego stosuje się prostowniki sześciopulsowe:

Układ sześciopulsowy można traktować jako połączenie szeregowe dwóch prostowników trójpulsowych, utworzonych przez tyrystory o połączonych katodach (grupa katodowa T1, T3, T5) i o połączonych anodach (grupa anodowa T4, T6, T2). Średnie napięcie wyjściowe takiego układu jest sumą napięć dwóch mostków trójpulsowych.
Podczas pracy (przy przewodzeniu ciągłym) zawsze jeden tyrystor grupy katodowej i jeden tyrystor grupy anodowej znajduje się w stanie przewodzenia. Tyrystory grupy katodowej przewodzą przy dodatnich półfalach napięć fazowych, natomiast grupy anodowej - w czasie ujemnych. Co 
(60°) następuje zmiana konfiguracji, natomiast każdy z tyrystorów przewodzi przez 
(120°).

Impulsy bramkowe obu grup przesunięte są o 'pi' (180°).
Kąty opóźnienia a wysterowania tyrystorów liczone są od punktów wyznaczonych zrównaniem się wartości chwilowych kolejnych napięć fazowych lub przewodowych (punkty naturalnej komutacji).

Aby wykryć moment, w którym należy wysterować (podać impuls sterujący) na odpowiedni tyrystor można w zakresie regulacji generować przebieg piłokształtny. Poziom napięcia opowiadać będzie aktualnym kącie („położeniu” na sinusoidzie). Zakres sterowania tyrystorów prostownika mostkowego sześciopulsowego wynosi 
.

Poniższy rysunek przedstawia poniższą ideę:

Liniowy przebieg napięcia można uzyskać poprzez ładowanie kondensatora stałym prądem.
Dążymy do uzyskania poniższej zależności:

Powyższą ideę realizuje blok w sterowniku zwany synchronizatorem.

Aspekty sterowania - podsumowanie

Z powyższych przykładów wynika, że bardzo istotna jest synchronizacja z przebiegiem sieci (przełączanym) tak, aby impulsy bramkowe podawane były w ściśle określonych chwilach. W przeciwnym przypadku nie będziemy mogli skutecznie sterować naszym przekształtnikiem.

Prosty detektor przejścia napięcia sieci przez zero.

Rolę ogranicznika prądu pełni reaktancja kondensatora (100nF do 2,2µF). Rezystor R1 ogranicza prąd w momencie włączenia do bezpiecznej wartości, kiedy to kondensator stanowi zwarcie (kilkaset Ω). R2 (ok. 1 MΩ) rozładowuje kondensator. Dioda D1 zabezpiecza LED przed uszkodzeniem w czasie, gdy jest spolaryzowana zaporowo (ujemna połówka napięcia).

W układach trójfazowych do synchronizacji można użyć dodatkowy mostek diodowy. Komparator wykrywa stan przewodzenia konkretnej diody i steruje kluczem zwierającym liniowo ładowany kondensator. W ten sposób otrzymujemy przedstawiony powyżej przebieg piłokształtny. Układów takich i oczywiście przebiegów w przypadku prostownika mostkowego (6.pulsowego) musi być sześć (dla każdego zaworu).

Impuls sterujący tyrystor (SCR) powinien mieć odpowiednie właściwości:
Czas trwania impulsów sterujących dostosowany jest do rodzaju przekształtnika, warunków pracy zaworów i stromości narastania prądu anodowego. Dla zapewnienia poprawnej pracy w wielu przypadkach wynosi on 100, 500µs a nawet kilka milisekund.

Przedstawiony przebieg jest typowy dla tyrystorów dużych, w których w celu szybkiego rozprzestrzenienia się przewodzenia na całą powierzchnię pastylki krzemowej, w pierwszych kilkudziesięciu mikrosekundach występuje pik prądu. Wartość szczytowa określana przez najmniejszą wartość impulsu, powinna być odpowiednio duża, aby przełączać tyrystor niezawodnie w najniższej temperaturze złącza - uwzględniając dopuszczalne straty w obwodzie bramki. W przypadku przekształtnika mostkowego sześciopulsowego układ sterowania impulsów bramkowych tyrystorów musi zapewnić (szczególnie przy pracy impulsowej) jednoczesne załączanie w grupie katodowej i anodowej. Wynika stąd, że każdy z tyrystorów powinien otrzymywać impulsy bramkowe o szerokości większej niż odpowiadająca kątowi 60°, bądź też dwa impulsy przesunięte o 60°.
Moment załączenia uzyskuje się przez porównanie napięcia sterującego Uster z napięciem synchronizującym Usynchro.

Co sprowadza się do liniowej zależności:

gdzie k - współczynnik zależny od połączenia układu. Aby tyrystor mógł przewodzić nie wystarczy, by był odpowiednio spolaryzowany i wysterowany, ale również prąd odbiornika musi być większy od prądu podtrzymania I_H tyrystora. Nie zależy to bezpośrednio od układu sterującego, lecz należy o tym pamiętać.

Ponieważ chciałem naświetlić podstawowe problemy sterowania, przedstawione tu przypadki dotyczą wyłącznie dla odbiorników czysto rezystancyjnych. Pominąłem również indukcyjności od strony sieci (transformatory, dławiki). Wszelkie indukcyjności w układach przeciwstawiają się nagłym zmianom prądu, co powoduje dłuższe wymuszone przewodzenie tyrystorów (komutacja prądu). Sterowniki tyrystorów są wykonywane w technice analogowej lub cyfrowej w różnorodnych rozwiązaniach układowych. Bywają budowane jako zespoły złożone z elementów dyskretnych (tu znaczy pojedynczych) albo też jako specjalizowane układy scalone. Coraz częściej funkcje sterowników pełnią systemy mikroprocesorowe, które wykonują również dodatkowe zadania: diagnostyka, sygnalizacja itp.

Prostownik trójfazowy gwiazdowy

Schemat ideowy

Rysunek 1. Prostownik trójpulsowy sterowany

Praca prostownika wymaga dostępnego przewodu neutralnego. Może on być zasilany poprzez dławiki sieciowe lub bezpośrednio z linii. Ponadto przez przewód neutralny będzie przepływał prąd stały, co nie zawsze jest dopuszczalne.

Praca prostownikowa - przebiegi

Rysunek 2. Przebiegi czasowe napięć w prostowniku z rys. 1 (dla  = 15°, odbiornik typu R - przewodzenie ciągłe)

 (alfa) - kąt opóźnienia wysterowania tyrystorów, mierzony od punktu naturalnej komutacji (przecięcie się sinusoidalnych przebiegów napięć, zasilających prostownik);  (beta ß) - kąt wyprzedzenia wysterowania tyrystorów, stosowany

Prostownik trójfazowy mostkowy

Schemat, praca, sterowanie

Układ sześciopulsowy można traktować jako połączenie szeregowe dwóch prostowników trójpulsowych, utworzonych przez tyrystory o połączonych katodach (grupa katodowa - T1, T3, T5) i o połączonych anodach (grupa anodowa - T4, T6, T2). Numery tyrystorów wskazują kolejność załączania (1 i 2, 2 i 3, itd). Sposób numerowania łatwo zapamiętać wg następującej reguły: "górne" numerujemy nieparzyście, a "dolne" tak, aby róznica względem numeru "górnego" wynosiła 3.
Podczas pracy (przy przewodzeniu ciągłym - zawsze płynie prąd) zawsze jeden tyrystor grupy katodowej i jeden tyrystor grupy anodowej znajduje się w stanie przewodzenia. Tyrystory grupy katodowej przewodzą przy dodatnich półfalach napięć fazowych, natomiast grupy anodowej - w czasie ujemnych. Poniżej przedstawiony jest przebieg dla odbiornika czysto rezystancyjnego, tyrystory wysterowane są w punktach naturalnej komutacji (pracują jak diody).

Kąty opóźnienia  wysterowania tyrystorów liczone są od punktów wyznaczonych zrównaniem się wartości chwilowych kolejnych napięć fazowych lub przewodowych (punkty naturalnej komutacji).
Zakres sterowania tyrystorów prostownika mostkowego sześciopulsowego wynosi
.

Napięcie wyjściowe jest odpowiednią wartością napięć międzyfazowych (przewodowych):

Co
(60°) następuje zmiana konfiguracji, natomiast każdy z tyrystorów przewodzi przez
(120°).

Na sześciu wyjściach sterownika otrzymujemy przebiegi przesunięte o 60°. Nasuwa się pytanie do którego wyjścia należy podłączyć dany tyrystor - wyznaczeniu tego służy:

Fazowanie

Można przeprowadzić je w dwojaki sposób. W obu przypadkach w pierwszym etapie fazujemy układ tyrystorów połączonych w gwiazdę.

W pierwszej metodzie korzystając z faktu iż katody tyrystorów jednej grupy są połączone traktujemy je jako połączenie gwiazdowe (druga grupa - anodowa - pozostaje nie podłączona).
Odbiornik, na którym będziemy przeprowadzać fazowanie, wpinamy między połączone katody a przewód zerowy źródła napięcia (transformatora). Jeśli takiego przewodu nie ma należy wytworzyć sztuczne zero poprzez połączenie trzech jednakowych rezystorów z każdą z faz.
Fazowanie przeprowadzamy dla napięcia sterującego równego zero.

Na odbiorniku przy prawidłowym podłączeniu impulsów sterujących powinnyśmy uzyskać następujący przebieg:

Mając już dobrane impulsy sterujące łatwo fazować pozostałe trzy. Sposób ten nazywamy metodą dwóch gwiazd.

Można też zamienić tyrystory jednej grupy na diody i fazować znów tylko trzy elementy.

Podobnie jak poprzednio napięcie sterujące wynosi zero. Kąt opóźnienia wysterowania od punktów naturalnej komutacji poszczególnych tyrystorów  wynosi 90°. Powinnyśmy dążyć do przebiegu:

W obu przypadkach na pełnym mostku powinnyśmy uzyskać (U_S=0; =90°) przebieg:

Uwagi

Kiedy przez obciążenie płynie prąd ciągły (tzn. nigdy nie zanika do zera - w omawianym prostowniku sześciopulsowym przy obciążeniu rezystancyjnym prąd wyprostowany ma charakter ciągły w zakresie kątów
) podawanie "drugich" impulsów nie ma znaczenia. Po prostu tyrystor nie wymaga ponownego włączenia.
Natomiast brak tych impulsów przy prądach nieciągłych (impulsowych) powoduje wyłączanie tyrystorów i całkowitą utratę sterowalności! - nie mamy możliwości włączenia tyrystorów, należy ponownie wystartować układ.

Wyprzedzenie zapłonu (impulsów załączania - bramkowych - tyrystora) przed punkty naturalnej komutacji powoduje, że tyrystory załączane są "drugimi" impulsami - oczywiście otrzymujemy inną wartość napięcia wyjściowego od pożądanego lub nawet utratę sterowalności. Dlatego istotne jest, aby ograniczać fazę impulsów bramkowych.

Trójfazowy tyrystorowy sterownik mocy

Wstęp

W układach zasilających zachodzi czasami potrzeba regulacji mocy czynnej dostarczanej do odbiornika. Przykładem jest zasilanie układów grzejnych czy oświetlenie o regulowanej jasności. Układy regulacji mocy stosowane są również do rozruchu silników indukcyjnych tzw. soft - start.

Trójfazowy tyrystorowy sterownik mocy

Regulacji mocy dostarczanej do odbiornika dokonujemy poprzez zmianę skutecznej wartości prądu przez niego przepływającego. W roli kluczy stosujemy łączniki półprzewodnikowe ze względu na dużą liczbę przełączeń.

Jak widać na powyższym schemacie występują tu trzy pary tyrystorów. Po krótkim zastanowieniu można odnaleźć analogię powyższego schematu do prostownika mostkowego. Po "przesunięciu" łączników na drugą stronę odbiornika otrzymujemy układ prostownika ze zwartą stroną stałoprądową.

W praktyce jako regulatora mocy możemy więc zastosować zwykły prostownik mostkowy wraz ze sterownikiem. Warunkiem takiego ułatwienia jest nieskojarzony odbiornik trójfazowy (muszą być dostępne dwa zaciski każdej fazy).

Napięcie na wybranej fazie odbiornika może być:

• równe zeru - nie przewodzi żaden z tyrystorów włączonych szeregowo w fazie;

• równe połowie napięcia międzyfazowego - przewodzi jeden z tyrystorów rozpatrywanej fazy oraz któryś z pozostałych dwóch faz;

• równe napięciu fazowemu - przewodzą tyrystory we wszystkich trzech fazach.

Poniższy rysunek przedstawia napięcia zasilania: fazowe i międzyfazowe (U_AB). Punkt naturalnej komutacji wypada na przecięciu się (zrównaniu) napięć fazowych. Od tego punktu przyjęło się mierzyć kąt wysterowania (załączenia łączników)  (alfa). W naszych pomiarach na oscyloskopie wygodniej będzie posługiwać się katem załączenia
łączników, który liczony jest od przejścia napięcia przez zero.

Zaznaczony na rysunku punkt naturalnej komutacji odpowiada kątowi
;
dla napięcia fazowego oraz
dla napięcia międzyfazowego.

Zakres sterowania

W pracy prostownikowej górna granica zakresu sterowania wynosi
.

Aby określić minimalny kąt wysterowania rozważmy odbiornik o kącie przesunięcia fazowego  (fi).

Nie jesteśmy w stanie wywołać przepływu prądu wcześniej niż wynika to z kąta  (fi).

Dla odbiornika o charakterze idealnej indukcyjności (
) minimalny kąt wysterowania będzie wynosił 60°. Ogólnie:
. Kąt
jest to kąt odpowiadający punktowi naturalnej komutacji.

Dla obciążenia rezystancyjnego
teoretycznie
, lecz sterowniki prostowników mostkowych dopuszczają
. Z tego względu nie wykorzystujemy tu pełnego zakresu regulacji.

Zakres regulacji:
.

Przedziały pracy

Przebieg napięcia i prądu dla
, odbiornik rezystancyjny.

W (1) pierwszych 30° przewodzenia przebieg prądu pokrywa się z wartością napięcia fazowego - przewodzą tyrystory we wszystkich trzech fazach (1,6,5). W drugich 30° (2) prąd zmienia się zgodnie z napięciem międzyfazowym - przewodzą tyrystory w dwóch fazach (1,6, przestał przewodzić tyrystor w fazie C). Przedział (3) jest analogiczny do pierwszego (1) - do przewodzenia wchodzi drugi tyrystor fazy C - znów włączone są wszystkie fazy itd.

W zależności od kąta wysterowania  (alfa) bądź
rozróżniamy trzy przedziały pracy:

1. 
   - w każdym półokresie napięcia wyjściowego przewodzą tyrystory dwóch lub trzech faz (przewodzenie pod wpływem zarówno napięć fazowych jak i międzyfazowych). Przebiegi przedstawione są powyżej (dla
   ).

2. 
   - prąd płynie jednocześnie tylko w dwóch fazach (przewodzenie pod wpływem napięć międzyfazowych). Prąd odbiornika ma charakter ciągły.

3. 
   - prąd płynie jednocześnie tylko przez dwie fazy odbiornika lub nie płynie w ogóle (prąd jest przerywany - tyrystory podobnie jak w prostowniku muszą otrzymywać dwa krótkie impulsy bramkowe przesunięte o
   ).

Wady sterownika mocy

Odkształcony przebieg prądu przy regulacji mocy powoduje powstawanie wyższych harmonicznych. Podobnie jak w prostownikach są to: 5, 7, 11, 13 ... Układy te jednak generują mniej harmonicznych od układów prostowników ze względu na łagodniejsze narastanie / opadanie prądu.

Drugą wadą jest pobór mocy biernej przez sterownik.

Nawet dla kąta (alfa) =0 (
) występuje przesunięcie pomiędzy podstawową harmoniczną prądu i napięcia, co powoduje, że z punktu widzenia sieci odbiornik jest typu RL. Tylko dla kątów
przebieg prądu pokrywa się z napięciem.

Przykład zastosowania

Układ rozruchu silnika indukcyjnego (soft - start)

Podczas rozruchu silnika występują duże udary prądu.
Stosując regulator można znacznie ograniczyć prąd rozruchu (2-3 krotnie). Stopniowo regulując kąt załączenia
regulujemy prąd obciążenia.
Poniższa charakterystyka przedstawia zmiany napięcia na odbiorniku i mocy czynnej do niego dostarczanej w zależności od kąta wysterowania.

Przekształtnik z przerywaczem tranzystorowym

Przekształtnik impulsowy

Jak sama nazwa wskazuje służy on do przekształcania, przetwarzania prądu stałego na prąd stały lecz o innej regulowanej wartości średniej napięcia. Stałe napięcie wejściowe przekształcane jest na ciąg impulsów prostokątnych o stałej amplitudzie. Regulacji wartości napięcia wyjściowego możemy dokonać w dwojaki sposób. Po pierwsze poprzez zmianę czasu trwania impulsów napięciowych przy stałej ich częstotliwości (regulacja współczynnika wypełnienia - z ang. Pulse Width Modulation PWM). Drugi sposób polega na odwróceniu ról tzn. zmianę częstotliwości przy stałym czasie trwania każdego pojedynczego impulsu.

Schemat przerywacza tranzystorowego

Rysunek przedstawia podstawowy układ pracy przerywacza tranzystorowego. Tranzystor bipolarny mocy pracuje tu jako klucz (załączony - wyłączony), stany pośrednie w tym zastosowaniu nie są wykorzystywane. Sterowany jest przebiegiem prostokątnym o odpowiednich parametrach (częstotliwość, współczynnik wypełnienia) tak, aby uzyskać pożądane napięcie na odbiorniku. Dioda połączona równolegle do odbiornika służy do zapewnienia drogi dla prądu w momencie wyłączenia klucza. Zapobiega to wymuszonemu prądowi przewodzenia tranzystora czy powstawaniem przepięć, które są groźne dla klucza (przebicie). Zasadniczo stosowana jest tutaj dioda szybka, choć układ pomiarowy umożliwiał również włączenie diody prostowniczej. Indukcyjność L_Z reprezentuje impedancję obwodów zasilania. Układ pomiarowy umożliwiał jej zwarcie w ten sposób mogliśmy przeanalizować wpływ poszczególnych elementów na pracę układu - o czym dalej.

Regulacja poprzez zmianę częstotliwości

Szkic charakterystyk:

Przy niskiej częstotliwości przełączania występuje duża wartość składowej zmiennej (pulsacje napięcia, prądu I).

Regulacja poprzez zmianę współczynnika wypełnienia

Przykładowe charakterystyki:

Mała składowa zmienna występuje przy niskich i wysokich częstotliwościach przełączania. Maksimum występuje przy współczynniku wypełnienia równym 50%.

Wyboru odpowiedniego (ze względu na tętnienia) sposobu regulacji dokonujemy zależnie od potrzeb.

Komutacja

Przełączanie prądu obciążenia pomiędzy diodą a tranzystorem i na odwrót ...

Przełączanie (komutacja) tranzystor - dioda.

Suma prądów cały czas jest stała i równa prądowi odbiornika:

W tym przypadku przyrost prądu w przybliżeniu wynosił:

Czas opóźnienia wynosił: 1,82s. Komutacja szybka (tzn. z zastosowaniem diody szybkiej połączonej równolegle do odbiornika oraz przy włączeniu indukcyjności L_z) trwała ok.: 2,04s.

Komutacja dioda - tranzystor.

Tu analogicznie jak poprzednio suma prądów jest stała.

Opis	Czas komutacji [s]	Przetężenie [% prądu roboczego]
D - dioda prostownicza LZ - zwarte	4,15	200
D - prostownicza z dławikiem LZ	8,25	100
Komutacja szybka: D - dioda szybka z dławikiem LZ	3,40	30

Przy zastosowaniu zwykłej diody prostowniczej (wolnej) przetężenia prądu sięgają 200% prądu roboczego. Dlatego w praktyce w tym miejscu nigdy w tym miejscu nie stosuje się zwykłych diod.

Zabezpieczenie klucza

W powyższym układzie bez zastosowania diody Zenera DZ napięcie na kluczu (tranzystorze) z pominięciem wpływu L_Z sięga 25% napięcia roboczego na tranzystorze. Natomiast uwzględnienie L_Z powiększa tę wartość do 200%.

Konieczne byłoby wtedy zastosowanie klucza (tranzystora) z 3 krotnym zapasem napięciowym. Jest to bardzo kosztowne, ale przetężenie zależy również od wartości prądu. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie wyżej wymienionej diody Zenera. Jest to również element stosunkowo drogi, wobec czego stosuje się inne metody ograniczania przetężenia (elementy progowe).

Przemiennik tyryPrzemiennik tyrystorowy do nagrzewania indukcyjnego

W przemienniku do zasilania indukcyjnych urządzeń grzejnych wyróżniamy kilka bloków podstawowych przedstawionych poniżej.
Układ grzejny na schemacie zaznaczony jest jako R0, L0 (schemat zastępczy).

Prostownik sterowany

W pierwszym bloku przemienne napięcie sieci jest prostowane (przekształcane w prąd jednokierunkowy) za pomocą trójfazowego sterowanego prostownika 6-pulsowego.

Układ zasilany jest poprzez transformator. Odbiornik reprezentowany jest przez połączenie Ro, Lo. Układ sześciopulsowy można traktować jako połączenie szeregowe dwóch prostowników trójpulsowych, utworzonych przez tyrystory o połączonych katodach (grupa katodowa T1, T2, T3) i o połączonych anodach (grupa anodowa T3, T4, T5). Podczas pracy (przy przewodzeniu ciągłym) zawsze jeden tyrystor grupy katodowej i jeden tyrystor grupy anodowej znajduje się w stanie przewodzenia. Tyrystory grupy katodowej przewodzą przy dodatnich półfalach napięć fazowych, natomiast grupy anodowej - w czasie ujemnych. Co
(60°) następuje zmiana konfiguracji, natomiast każdy z tyrystorów przewodzi przez
(120°).

W przypadku odbiornika o dużej indukcyjności niezbędne jest zastosowanie diody rozładowczej D0. Przejmuje ona przewodzenie, gdy napięcie zasilające maleje do zera. Likwiduje ona w ten sposób widoczne na rysunku powyżej ujemne napięcia, pojawiające się na wskutek wymuszonego przez cewkę prądu przewodzenia. Napięcia te obniżają wartość skuteczną napięcia wyjściowego, ponadto przy bardzo dużych indukcyjnościach może zostać zakłócona praca mostka.

Do wytworzenia napięcia zasilającego dla nagrzewnicy służy drugi zasadniczy blok:

Falownik równoległy prądu

Na wejściu umieszczony jest dławik Ld o dużej indukcyjności, dzięki czemu prąd pobierany z prostownika ma stałą wartość. Tyrystory T1, T3 są włączane na przemian z T2, T4.
Podczas, gdy przewodzą tyrystory T1, T3 kondensator Cr zostaje naładowany tak jak zaznaczono na rysunku powyżej. Kiedy załączymy drugą parę tyrystorów (T2, T4) dodatnie napięcie z kondensatora pojawia się na katodzie T1 oraz ujemne na anodzie T3. Wskutek tej skokowej zmiany napięcia anodowego na ujemne tyrystory T1, T3 zostają niemal natychmiastowo wyłączone. Analogicznie dzieje się przy odwrotnej zamianie pary przewodzących tyrystorów.
Czasami by ograniczyć skoki prądów w chwilach przełączania stosuje się dodatkowe indukcyjności L_k włączone szeregowo z tyrystorami lub w gałęzi poprzecznej mostka (szeregowo z układem Ro, Lo, Cr). Rolę tych indukcyjności spełniać mogą również przewody łączeniowe.
Okazuje się jednak, że wskutek dużej indukcyjności Ld po włączeniu zasilania prąd narasta powoli, na kondensatorze Cr napięcie jest zbyt małe, aby prawidłowo przebiegła komutacja (przełączenia tyrystorów). Samoczynny rozruch jest niemożliwy. Dlatego konieczne jest zastosowanie układu pomocniczego:

Układ rozruchowy

Przy rozruchu załączane są na przemian T5, T3 oraz T6, T2. Pozostałe dwa pozostają wyłączone. Na kondensatorze rozruchowym występuje napięcie odpowiednio duże umożliwiające prawidłową komutację drugiej pary tyrystorów. Kiedy napięcia i prądy wzrosną do nominalnych wartości następuje zamiana pomiędzy wyłączonymi dotychczas tyrystorami z tyrystorami rozruchowymi, które pozostają wyłączone przy dalszej pracy, podobnie kondensator Cs.

prostownik tyrystorowy do nagrzewania indukcyjnego

W przemienniku do zasilania indukcyjnych urządzeń grzejnych wyróżniamy kilka bloków podstawowych przedstawionych poniżej.
Układ grzejny na schemacie zaznaczony jest jako R0, L0 (schemat zastępczy).

Prostownik sterowany

W pierwszym bloku przemienne napięcie sieci jest prostowane (przekształcane w prąd jednokierunkowy) za pomocą trójfazowego sterowanego prostownika 6-pulsowego.

Układ zasilany jest poprzez transformator. Odbiornik reprezentowany jest przez połączenie Ro, Lo. Układ sześciopulsowy można traktować jako połączenie szeregowe dwóch prostowników trójpulsowych, utworzonych przez tyrystory o połączonych katodach (grupa katodowa T1, T2, T3) i o połączonych anodach (grupa anodowa T3, T4, T5). Podczas pracy (przy przewodzeniu ciągłym) zawsze jeden tyrystor grupy katodowej i jeden tyrystor grupy anodowej znajduje się w stanie przewodzenia. Tyrystory grupy katodowej przewodzą przy dodatnich półfalach napięć fazowych, natomiast grupy anodowej - w czasie ujemnych. Co
(60°) następuje zmiana konfiguracji, natomiast każdy z tyrystorów przewodzi przez
(120°).

W przypadku odbiornika o dużej indukcyjności niezbędne jest zastosowanie diody rozładowczej D0. Przejmuje ona przewodzenie, gdy napięcie zasilające maleje do zera. Likwiduje ona w ten sposób widoczne na rysunku powyżej ujemne napięcia, pojawiające się na wskutek wymuszonego przez cewkę prądu przewodzenia. Napięcia te obniżają wartość skuteczną napięcia wyjściowego, ponadto przy bardzo dużych indukcyjnościach może zostać zakłócona praca mostka.

Do wytworzenia napięcia zasilającego dla nagrzewnicy służy drugi zasadniczy blok:

Falownik równoległy prądu

Na wejściu umieszczony jest dławik Ld o dużej indukcyjności, dzięki czemu prąd pobierany z prostownika ma stałą wartość. Tyrystory T1, T3 są włączane na przemian z T2, T4.
Podczas, gdy przewodzą tyrystory T1, T3 kondensator Cr zostaje naładowany tak jak zaznaczono na rysunku powyżej. Kiedy załączymy drugą parę tyrystorów (T2, T4) dodatnie napięcie z kondensatora pojawia się na katodzie T1 oraz ujemne na anodzie T3. Wskutek tej skokowej zmiany napięcia anodowego na ujemne tyrystory T1, T3 zostają niemal natychmiastowo wyłączone. Analogicznie dzieje się przy odwrotnej zamianie pary przewodzących tyrystorów.
Czasami by ograniczyć skoki prądów w chwilach przełączania stosuje się dodatkowe indukcyjności L_k włączone szeregowo z tyrystorami lub w gałęzi poprzecznej mostka (szeregowo z układem Ro, Lo, Cr). Rolę tych indukcyjności spełniać mogą również przewody łączeniowe.
Okazuje się jednak, że wskutek dużej indukcyjności Ld po włączeniu zasilania prąd narasta powoli, na kondensatorze Cr napięcie jest zbyt małe, aby prawidłowo przebiegła komutacja (przełączenia tyrystorów). Samoczynny rozruch jest niemożliwy. Dlatego konieczne jest zastosowanie układu pomocniczego:

Układ rozruchowy

Przy rozruchu załączane są na przemian T5, T3 oraz T6, T2. Pozostałe dwa pozostają wyłączone. Na kondensatorze rozruchowym występuje napięcie odpowiednio duże umożliwiające prawidłową komutację drugiej pary tyrystorów. Kiedy napięcia i prądy wzrosną do nominalnych wartości następuje zamiana pomiędzy wyłączonymi dotychczas tyrystorami z tyrystorami rozruchowymi, które pozostają wyłączone przy dalszej pracy, podobnie kondensator Cs.

Wykaz ważniejszych oznaczeń

Parametry statyczne
PG(AV) (Average Gate Power Dissipation)	Średnia moc rozpraszana w bramce	jest to wartość mocy rozpraszanej (traconej) w obwodzie bramka - końcówka robocza MT1 (lub katoda) średnio za okres przebiegu.
IBO (Breakover Current)	Prąd przełączenia/załączenia	prąd główny (roboczy) w momencie (punkcie) przełączenia pod wpływem przekroczenia napięcia blokowanego (wartości VBO). Analogicznie VBO (Breakover Voltage) - napięcie przełączenia.
IGT (Gate Trigger Current)	Prąd bramki (w stanie ustalonym)	Minimalna wartość prądu bramki wymagana do podtrzymania przewodzenia elementu Analogicznie napięcie UGT
IH (Holding Current)	Prąd podtrzymania przewodzenia zaworu	Minimalna wartość prądu głównego elementu niezbędna do utrzymania go w stanie przewodzenia
IL (Latching Current)	Prąd załączenia	Minimalny prąd główny (roboczy) wymagany do podtrzymania stanu przewodzenia zaworu zaraz po przełączeniu ze stanu blokowania i zaniku sygnału wyzwalającego (np. bramkowego)
IT, UT On-State Current, On-State Voltage	Prąd/Napięcie tyrystora w kierunku przewodzenia	Prąd/Napięcie główn(y/e) tyrystora w stanie przewodzenia
PGM Peak Gate Power Dissipation	Maksymalna moc rozproszenia bramki	Maksymalna moc która może być rozproszona w obwodzie bramka - MT1 (lub katoda) w określonym czasie
* wartości chwilowe oznacza się małymi literami np. iT, uT

Parametry dynamiczne
tq (Circuit-Commutated Turn-Off Time)	Czas odzyskiwania właściwości zaworowych	przedział czasu pomiędzy chwilą kiedy prąd główny zmalał do zera (po przełączeniu napięcia) a momentem kiedy tyrystor jest zdolny blokować napięcie znamionowe bez załączania się (samoitnego)
^di/dt Critical Rate-of-Rise of On-State Current (di/dt)	Stromość przyrostu prądu w czasie	Maksymalna wartość przyrostu prądu, jaką element może wytrzymać bez uszkodzenia
tgt (Gate-Controlled Turn-On Time)	Czas odpowiedzi na impuls bramkowy	Przedział czasu od określonego punktu na początku impulsu bramkowego do momentu kiedy prąd (napięcie) osiągnie wartość ustaloną (w trakcie załączania/wyłączanie zaworu)

32

---