Przyrządy półprzewodnikowe stosowane w energoelektronice

      Elementy energoelektroniczne służą do przekształcania energii elektrycznej i sterowania jej przepływem. Charakteryzują się wysoką sprawnością energetyczną oraz możliwością niemal dowolnego kształtowania postaci energii elektrycznej dla potrzeb różnego rodzaju odbiorników.

W układach energoelektronicznych wykorzystuje się następujące elementy:

 

1) przyrządy półprzewodnikowe:

•         niesterowane (diody elektroenergetyczne),

•         nie w pełni sterowane (tyrystory SCR, fotorezystory, tyrystory niesymetryczne ASCR, tyrystory wstecznie przewodzące RCT,  triaki),

•         w pełni sterowane (tranzystory mocy: bipolarne BJT, z izolowaną bramką IGBT, polowe MOSFET, tyrystory wyłączalne GTO i MCT),

•         moduły mocy, elementy typu "smart".

 Jedno i trójfazowy przekształtnik tyrystorowy (praca prostownikowa i falownikowa, komutacja, oddziaływanie na linię zasilającą)

UKŁADY PROSTOWNIKÓW STEROWANYCH

Tyrystorowy prostownik jednofazowy (rys. 3.7) umożliwia regulację średniej wartości napięcia wyprostowanego U_dα0 poprzez zmianę kąta wysterowania α. Największą wartość napięcia wyprostowanego U_dα0 uzyskuje się, gdy α = 0; prostownik sterowany pracuje wtedy tak samo, jak niesterowany. Średnią wartość napięcia wyjściowego prostownika U_dα0, przy kącie wysterowania α, określa zależność:

U_d = √2 ∙ U_υ0/2π ∙ (1 + cosα)

Przebieg prądu wyjściowego i_d prostownika zależy od indukcyjności obwodu wejściowego L_T oraz dławika wygładzającego L_W. Na rysunku 3.7e pokazano przebieg prądu wyprostowanego, gdy L_W = 0 i L_T = 0; Na rysunku 3.7d widać, że zastosowanie dławika L_W powoduje zmniejszenie wartości szczytowej przedłużenie czasu przepływu prądu w obwodzie wyjściowym prostownika.

Rys. 3.7. Tyrystorowy prostownik jednofazowy jednoimpulsowy: a) schemat układu, b)przebieg napięcia zasilającego, c) przebieg prądu bramki, d) przebieg prądu wyprostowanego i_d w obwodzie z indukcyjnościami L_W i L_T, e) przebieg prądu wyprostowanego, gdy L_W = 0 i L_T = 0

W praktyce najczęściej stosowanym prostownikiem sterowanym jest tyrystorowy prostownik trójfazowy, mostkowy (rys. 3.8). Różni się od mostka diodowego tym, że przejście tyrystorów w stan przewodzenia musi być poprzedzone doprowadzeniem impulsów prądowych i_G, sterujących jednocześnie dwa tyrystory: jeden z grupy katodowej (np. Ty1) i jeden z grupy anodowej (np. Ty5). Na przykład tyrystor Ty1 będzie włączony przy kącie fazowym oznaczonym literą A na osi ωt (rys. 3.8b) razem z tyrystorem Ty6 przy kącie fazowym oznaczonym B. Linią kreskową na rysunku 3.8a zaznaczono drogi przepływu prądu wyprostowanego i_d po włączeniu tyrystora Ty1.

Rys. 3.8. Mostkowy prostownik tyrystorowy: a) schemat funkcjonalny, b) przebiegi napięć fazowych i napięcia wyprostowanego (część zakreskowana) dla dwóch kątów wysterowania α = 30ºel i α = 75ºel, c) prze- biegi prądów bramkowych w tyrystorach Ty1 – Ty6. Kąty wysterowania tyrystorów grupy anodowej i katodowej są identyczne.

Przepływ prądu wyprostowanego i_d wymaga odpowiedniej kolejności załączania poszczególnych tyrystorów Ty1 – Ty6. Aby to zapewnić, do bramki każdego tyrystora należy doprowadzić dwa impulsy w okresie 2π przesunięte o kąt 60°el. Na przebiegach wejściowych napięć fazowych przekształtnika (rys. 3.8b) zaznaczono kąty wysterowania poszczególnych tyrystorów grupy anodowej (Ty4, Ty5 i Ty6) i katodowej (Ty1, Ty2 i Ty3), przy czym pierwsza część wykresu dotyczy przebiegów dla kąta wysterowania α = 30ºel, druga zaś przy kącie α = 75ºel. Zakreskowana powierzchnia odwzorowuje (przy pominięciu zjawiska komutacji) wartość średnią napięcia wyprostowanego U_dα dla danej wartości kąta wysterowania α. Na rysunku 3.9a uwzględniono komutację prądu między tyrystorami zaczynającymi a kończącymi pracę.

Sam proces komutacji w prostownikach przebiega podobnie, jak w prostownikach diodowych, w tym że kąt komutacji μ (w °el) jest zależny od kąta wysterowania α. Podczas komutacji na wyjściu dławików sieciowych różnica napięcia między anodami tyrystorów w obwodzie komutacji jest bliska zeru (pomijając napięcie przewodzenia tyrystorów 2U_T).

Rys. 3.9. Przebiegi występujące w tyrystorowym prostowniku trójfazowym: a) napięć fazowych i napięcia wyprostowanego (część zakreskowana) z uwzględnieniem komutacji, b) prądu płynącego przez tyrystor Ty1, c), d), e) prądów przewodowych, f) prądu wyprostowanego. (Układ połączeń prostownika według rys 3.8a)

Rys. 3.10. Przebiegi występujące w mostku trójfazowym pracującym przy kącie wysterowania α = 75°el, a) napięć fazowych, b) napięcia wyprostowanego (część zakreskowana na rys 3.10a) dla L_W = 0, c) prądu płynącego przez tyrystor Ty1, d) prądu linii zasilającej (w pierwszej fazie), e) prądu wyprostowanego, gdy indukcyjność w obwodzie wyjściowym L_W = 0, f) prądu wyprostowanego, gdy L_W ≠ 0.

Rys. 3.11. Wyznaczanie przesunięcia fazowego dla prostownika trójfazowego mostkowego: a) przebiegi napięć fazowych zasilających, b) przebieg prądu w linii, gdy L_W = ∞, c) przebieg prądu i napięcia fazowego dla pierwszej harmonicznej. (Kąt przesunięcia fazowego prądu względem napięcia φ_1α zależy od kąta wysterowania α = φ_α i kąta komutacji μ, który odpowiada współczynnikowi odkształcenia φ₁)

Układy przekształtników nawrotnych. Trójfazowe tyrystorowe przekształtniki mostkowe pracują w I kwadracie wykresu U_d = f(I_d), przy sterowaniu w zakresie 30-90°el. Przy większych wartościach kąta wysterowania, w zakresie 90-150°el, przekształtnik „przechodzi” do IV kwadratu charakterystyki (rys. 3.1 i 3.15). W kwadracie tym wartość średnia napięcia przekształtnika jest ujemna. Oznacza to, że energia jest odbierana ze źródła prądu stałego i kierowana do sieci.

Rys. 3.13. Zmienność napięcia wyjściowego przekształtnika sterowanego fazowo w funkcji kąta wysterowania α.

Negatywne skutki na linie zasilajaca

Przy wykorzystywaniu przekształtników tyrystorowych należy pamiętać o ich negatywnym
wpływie na sieć zasilającą. Instalując tego typu urządzenie powinno się ograniczyć jego niekorzystne oddziaływanie takie jak komutacyjne załamania napięcia, wyższe harmoniczne oraz moc bierną. Komutacyjne załamania napięcia można ograniczyć przez odpowiedni dobór reaktancji transformatora separującego. Ponadto przekształtniki zwiększają zawartość wyższych harmonicznych w sieci zasilającej. Najpoważniejszym problemem użytkowania przekształtnika jest moc bierna. Moc bierna obciąża sieć zasilającą, co wywołuje dodatkowe koszty (które ponosi ostatecznie odbiorca). Ponieważ moc bierna ma charakter szybkozmienny, nie można jej skompensować za pomocą baterii kondensatorów. Dobierając je bowiem na wartość maksymalną w przypadku spadku mocy pojawi się problem przekompensowania. Może być ono groźne dla urządzeń, ponieważ prowadzi do wzrostu napięcia w sieci, co może być przyczyną przepięć. Dlatego moc bierną powinno się kompensować za pomocą specjalnych nadążnych kompensatorów synchronicznych. Innym sposobem zredukowania poboru mocy biernej jest zastosowanie układów z diodami rozładowczymi.