AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA			Imię i Nazwisko : Piotr Bielaska
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
Rok akademicki: 2002/2003		Rok studiów: III			Moduł: A
Kierunek: ELEKTROTECHNIKA					Grupa: 2 Laboratoryjna: 8
Temat: Badanie tyrystorów oraz tranzystorów stosowanych w układach energoelektronicznych					Nr ćwiczenia: C1
Data wykonania: 29.10.2002			Ocena:

Wstęp

Energia elektryczna wytwarzana w dzisiejszych czasach jest przesyłana o napięciu przemiennym. Zdarza się, że należy przekształcić je na napięcie stałe. Służą do tego prostowniki. Z pomocą falowników można odwrócić ten proces. Aby to wszystko był możliwe powstała dziedzina zwana energoelektroniką. Do układów sterowalnych stosowanych w urządzeniach energoelektronicznych należą tranzystory (np. z izolowaną bramką IGBT), tyrystory wyłączalne (np. GTO), tyrystor SCR (nie w pełni sterowalny).

Tyrystor SCR

Tyrystorem SCR można sterować w ograniczonym zakresie. Załączanie impulsem bramki jest możliwe tylko wtedy, gdy napięcie na nim jest w kierunku przewodzenia. Wyłączenie następuje samoczynnie, gdy prąd anodowy spadnie poniżej wartości prądu zwanej prądem podtrzymania. Do istotnych parametrów tyrystora SCR zaliczamy:

- I_TAV - prąd okresowy średni (10÷5000)A

- U_DRM - napięcie graniczne, dla którego powtarzalne jest załączenie tyrystora (100÷9000)V

- t_q - czas wyłączania (po jakim tyrystor po zmianie napięcia na kierunek zaporowy traci

zdolność do przewodzenia) (100÷150)μs

- I_g - prąd impulsu sterującego tyrystor(100÷250)Ma

Ważnym parametrem jest również szybkość zmian napięcia na tyrystorze, zbyt szybki wzrost powoduje samo załączenie.

Przebieg sterowny (sinusoidalny) i sterujący (prostokątny):

Przebiegi napięcia (odrysowane z oscyloskopu) na odbiorniku i tyrystorze:

- przy małym kącie opóźnienia

- po zwiększeniu kąta opóźnienia

Tyrystor GTO

Tyrystor GTO (gate turn off) jest elementem sterowalnym. Ponieważ jego praca wymaga zastosowania wielu dodatkowych urządzeń jego zastosowanie wiąże się z dużym wydatkiem. W rzeczywistości stosuje się wiele takich tyrystorów połączonych równolegle. Aby ich nie uszkodzić należy zapewnić im odpowiednie warunki. Należą do nich:

1. odpowiedni dobór impulsu sterującego - tak aby wszystkie elementy GTO przewodziły jednocześnie (jeśli nie to w tych, które będą przewodzić popłynie zbyt duży prąd i spali je)

2. prąd bramki powinien być rzędu kilku amperów - podtrzymuje to zdolność przewodzenia poszczególnych elementów GTO zapobiegając ich samoczynnemu wyłączeniu

3. przy wyłączeniu prąd impulsu powinien charakteryzować się dużą stromością - pozwoli to na jednoczesne wyłączenie wszystkich elementów GTO. Prąd wyłączający bramki jest zależny od współczynnika G tyrystora, i wynosi
   wartości prądu przewodzenia.

Do wad stosowania tyrystorów GTO należy zapewnienie ochrony przepięciowej przez przyłączony pomiędzy anodę i katodę układ RDC. Wynika to z prądowego sposobu sterowania. Zadaniem wyżej wymienionego układu jest ograniczenie szybkości narastania napięcia blokowania do wartości mniejszej lub równej niż dopuszczalna. Jednocześnie wymaga się ograniczenie tego napięcia do wartości nie większej niż katodowa. Wymusza to jak najkrótsze połączenie układu i tyrystora, zastosowanie kondensatorów bezindukcyjnych i szybkich diod.

Impuls załączający badanego tyrystora:

Powiększony czas trwania impulsu głównego:

Wykresy oraz wyniki pomiarów

Amplituda impulsu wyłączającego Iw [A]	50	55,3	64,6	88	113
Prąd odbiornika It [A]	40	50	80	125	250

Układ przekształtnika impulsowego z wykorzystaniem tyrystora GTO

Tranzystor IGBT

Tranzystor IGBT to tranzystor bipolarny z izolowaną bramką wykonaną w technice scalonej na jednej pastylce krzemu, kombinacją tranzystora bipolarnego i polowego. Tranzystory IGBT produkuje się na napięcia U_CE do 2,4kV, dla których prąd kolektora I_C wynosi nawet 2kA. Zaletą tych układów jest sterowanie napięciem (U_Gon≈10V). Daje to dużą wygodę w użyciu (proste układy sterujące). Tranzystory w energoelektronice stosowane są jako przełączniki, toteż ich wzmocnienie nie osiąga dużych wartości (najczęściej β≈5). Czas załączenia t_on < 0,1μs, a czas wyłączenia t_off <(0,1 ÷ 0,3)μs. Reasumując tranzystor mocy jest dużo szybszy od tyrystora.

Układami pośrednimi są AGTP. Ponieważ są one sterowane napięciowo, więc układy sterujące są proste do wykonania. Drugą ich zaletą jest to, że można je regulować w pełnym zakresie. Niestety są one wykonywane tylko na średnie wartości prądów (ok. 300 - 400 A)

Tranzystory IGBT znalazły szersze zastosowanie niż tranzystory bipolarne mocy. Zadecydowało o tym łatwość sterowania, większa ich obciążalność oraz krótsze czasy przełączeń. Typowe charakterystyki statyczne IGBT są podobne do charakterystyk tranzystorów bipolarnych. W układach energoelektronicznych tranzystor pracuje jako łącznik i dlatego bierze się pod uwagę charakterystykę podającą zależność prądu kolektora
od napięcia kolektor-emiter
i napięcia bramka-emiter
. Zgodnie z rozpatrywanym zakresem zastosowań tranzystor pracuje w zakresie obszaru nasycenia i obszaru odcięcia charakterystyki
.

Do ochrony przed zwarciem służy dioda łącząca sterownik z kolektorem. Przy zbyt dużym
jest odcinany sterownik, aby nie uległ uszkodzeniu.

Impulsowe przekształtniki prądu stałego

W wielu dziedzinach techniki konieczne jest zasilanie obciążeń prądu stałego regulowanym napięciem mniejszej od napięcia nieregulowanego źródła napięcia stałego.

Gdy przerywacz K jest zwarty prąd obciążenia I_d płynie przez źródło i przerywacz. Otwarcie przerywacza powoduje komutację prądu obciążenia na diodę rozładowczą D₀. Średnia wartość napięcia zasilającego obciążenie jest równa średniej wartości napięcia na diodzie rozładowczej. W momentach załączania i rozłączania łącznika prąd przepływający przez źródło ma bardzo dużą stromość, co może powodować powstawanie dużych przepięć na indukcyjnościach wewnętrznych źródła. Niekorzystne są też, powodowane prądem impulsowym, większe straty mocy na rezystancjach źródła niż przy przepływie prądu ciągłego o wartości równej średniej wartości prądu impulsowego. Dlatego między przekształtnik a źródło, do którego przekazywana jest energia, należy zastosować filtr dolnoprzepustowy wygładzający prąd źródła.

Najprostszym filtrem dolnoprzepustowym jest filtr LC typu Γ.

Zasilanie układu realizuje się napięciem niesymetrycznym +15V i -9V. Układ jest odseparowany.

I_G o współczynniku wypełnienia 0,5:

Stan zwarcia:

Badanie oddziaływania przekształtnika na kondensator filtru:

f [Hz]	U [V]
700	2
660	2,5
500	3
300	6
200	8
125	17

Wnioski

Wnioski:

1. Tyrystor SCR - Prosty element, którego sterowanie ograniczone jest do załączania. Wyłączenie realizowane jest samoczynnie przy odpowiednich warunkach, co jest jego wadą. Stosowany w miejsce diody, ponieważ przeciwieństwie do niej można kontrolować moment jego załączania. Używa się go do budowy prostownika.

2. Tyrystor GTO - zaletami tego elementu jest możliwość regulacji momentu załączania i wyłączania. Niestety musi temu towarzyszyć użycie dodatkowych układów, co powoduje komplikacje budowy jak i znaczne zwiększenie ceny. Kolejną wadą jest podatność na uszkodzenia w wyniku nieprawidłowego zadziałania jednej z części układu. Nie można też nie wspomnieć o kłopotliwym sterowaniu tyrystora GTO prądem. Stosowany do budowy przekształtników częstotliwości.

3. Tranzystor IGBT - najprostszy, szybki, sterowany napięciowo (prostota układu sterującego).

AGH EAIiE - Laboratorium energolektroniki

1

3,5A

prąd podtrzymania

149μs

i_G

23A

prąd w obwodzie

i_G

20 μs

---