Podział elementów energoelektronicznych: a) elementy niesterowane - diody; b) elementy sterowane - 1)elementy niewpełni sterowane (tyrystory SCR -łatwo włączyć, trudno wyłączyć); 2)elementy w pełni sterowne (tyrystory GTO, tranzystory IGBT, MOSFET). Warunki idealnego łącznika: wysokie nap pracy (ok. 3kV); duża jednostkowa obciążalność elementów (co najmniej 3kA); małe straty w czasie załanczania, przewodzenia, wyłanczania; małe wymagania dotyczące układu sterowania; brak konieczności stosowania złożonych urządzeń zabezpieczających; umiarkowana cena. Podstawowy warunek ograniczający dotyczy ograniczenia termicznego, które związane jest z max częstotliwością pracy elementu energoelektronicznego. Dioda półprzewodnikowa. Stany pracy: przewodzenia (Ud>0); nieprzewodzenia (zaporowy) (Ud<0). Przejście ze stanu zaporowego na przewodzenia następuje praktycznie natychmiast. Zmiana stanu pracy ze stanu przewodzenia na zaporowy wymaga skróconego czasu trr. Spowodowane jest to koniecznością likwidacji nośników swobodnych w strukturze półprzewodnikowej. Elementy sterowane. Tyrystor SCR. Stany pracy tyrystora: a)stan zaporowy (UT≤0; iT≤0); b)stan blokowania (UT>0; iT>0 ale iT<iH) c)stan przewodzenia (iT≥iH); iH - prąd podtrzymania. Proces załanczania tyrystora. Załączenie tyrystora następuje przez podanie impulsu prądowego w obwodzie bramki katoda. Impuls ten ma być na tyle duży, aby prąd płynący tyrystora zdążył narosnąć powyżej prądu iH. Tyrystor przechodzi ze stanu przewodzenia do stanu blokowania lub zaporowego jeżeli prąd tyrystora będzie mniejszy od prądu podtrzymania przez odpowiednio długi czas. UT0≈1,1[V]. Prąd tyrystora niemoce narastać zbyt szybko w czasie ponieważ grozi to uszkodzeniem ponieważ grozi to uszkodzeniem tej struktury półprzewodnikowej która znajduje się najbliżej bramki tyrystora. Proces wyłanczania. Wyłancznie tyrystora wymaga podania na tyrystor nap ujemnego. To ujemne nap powoduje przepływ ujemnego impulsu prądu przez tyrystor. Ten ujemny impuls powoduje wymuszoną likwidację nośników swobodnych w skrajnych łączach diodowych w 4-warstwowej konstrukcji tyrystora. Dzieje się to w czasie trr. Jest to pierwszy etap wyłączania. W środkowym złączu diodowym likwidacja nośników swobodnych musi zajść tylko w sposób naturalny, co wymaga większego czasu ttt. Zbyt szybkie narastanie nap tyrystora może spowodować przepływ zbyt dużego prądu przez pasożytniczą pojemność złącza między anodą bramką katodą co maże spowodować przejście tyrystora do stanu przewodzenia (niekontrolowane). Zaleta tyrystorów: przeciążalność prądowa 10xINw10ms. Tyrystor GTO (w pełni sterowany). Jest on wyłanczany i załanczany za pomocą sygnału podawanego na bramke. Tyrystor GTO załanczany jesy podobnie jak zwykły tyrystor SCR. Wyłanczanie tyrystora GTO wymaga w przepływie bramka katoda impulsu prądowego o wartości od 20% do 30% prądu płynącego przez tyrystor. TRIAK - połączenie 2-struktur tyrystorowych w jednej obudowie (tyrystor 2-kierunkowy). Tranzystor IGBT. Dioda zwrotna zabezpiecza tranzystor przed ujemną polazyzajcą oraz uniemożliwia przepływ pradu w kierunku przeciwnym niż przewodzi tranzystor. Właściwości: izolowana bramka; sterowanie napięciowe (układ sterowania małej mocy); duża częstotliwość pracy; czas załanczania o,5 do 2 μs; czas wyłanczania 0,5 do 2μs. IGBT mogą pracować w sposób ciągły tylko w punkcie A - obszar nasycenia, lub w punkcie B - obszar odcięcia. Nigdy nie mogą pracować w punkcie C (obszar między A i B) jest to związane z powstaniem dużych strat w tranzystorze. Tranzystora IGBT pracuje impulsowo. Na skutek istnienia pojemności CGE w obwodzie bramki pojawiają się impulsy prądowe przy zmianach nap sterującego. Straty mocy w tranzystorze. Tranzystorze a) straty przewodzenia. Straty te zależą od: prady tranzystora; spadki napięcia na tranzystorze; starty niezależną od użytkownika. b) straty przełączania. Związane z procesem załanczania lub wyłanczania tranzystora. Straty przełączania zależą od częstotliwości. Straty przełączania zależą od użytkownika, można je zmniejszyć poprzez np. zmniejszenie szybkości narastania prądu w czasie załanczania lub zmniejszenie narastania nap w czasie wyłanczania. Ochrona IGBT przed przepięciami. Od momentu wyłączenia T prąd indukcyjności Lp płynie przez diodę DS. i kondensator CS. Kondensator ładuje się do nap zasilania. Przy ponownym załączeniu T kondensator rozładowuje się poprzez RS i przewodzący tranzystor. Ochrona tranzystorów przeciw przetęrzeniami i zwarciami. Tranzystorów IGBT nie da się chronić za pomocą bezpieczników i wyłączników szybkich. 1) Prąd rzeczywisty porównywany jest z zadanym prądem max. Jeżeli rzeczywisty jest większy od żądanego to układ sterowania musi jak najszybciej zmienić sygnał sterujący tranzystora z dodatniego na ujemny. 2) W wielu wypadkach kontrolowane jest nap UCE w stanie przewodzenia i nap to jest porównywane z zadanym nap UCEmax. Jeżeli wartość nap jest przekroczona to następuje wyłączenia tranzystora. Tranzystory MOSFET. Czasy wyłanczania i załączania są ok. kilku ns; max nap 1kV; max prąd 100A; spadek nap 2do3V jeżeli jest tranzystorem wysokonapięciowym ; spadek nap ok. 0,5V jeżeli jest tranzystorem wysokoprądowym. Łączenie elementów. Równoległe - ze względu na obciążalność prądowa; szeregowe - ze względu na nap pracy. Przy równoległym połączeniu równomierne jest rozłożenia prądu na elementach. Przy łączeniu szeregowym zapewnione jest równomierne rozłożenia nap na elementach. Podział urządzeń energoelektronicznych. 1. Prostowniki AC→DC (Uśr regulowane); 2. Układy regulacji impulsowej nap stałego DC→DC (Uwy regulowane); 3. Regulatory (sterowniki prądu przemiennego) AC→AC (Usk regulowane); 4. Falowniki napięcia DC→AC (f regulowane); 5. Inne układy (przetwornice nap, falowniki prądu, łączniki półprzewodnikowe). Prostowniki - dzielimy na: jednofazowe; wielofazowe (w szczególności 3 fazowe). Prostowniki dzielimy również ze względu na charakter prądu linii zasilających: 1) Układy o połączeniu jednokierunkowym sieci zasilającej z zespołem tyrystorów; 2) Układy o połączeniu dwukierunkowym sieci zasilającej z zespołem tyrystorów. Prostowniki jednofazowe. ϑz - kont załączenia - liczony od chwili przejścia nap zasilającego przez 0 do momentu załączenia tyrystora. ϑg - kont wyłączenia - liczony od momentu przejścia przez 0 do chwili wyłączenia tyrystora. λ - kont przewodzenia - różnica miedzy λ=ϑg-ϑz. Prostownik z diodą zwrotną. Właściwości: nap na odbiorniku nie osiąga wartości ujemnej; wartość średnia napięcia na odbiorniku jest większa niż w przypadku bez diody zwrotnej; Prąd odbiornika na charakter prądu ciągłego. Praca falownicza prostownika sterowanego. Aby przejść z pracy prostowniczej do pracy falowniczej należy: zmienić kierunek nap E na odbiorniku; tak zwiększyć kąt załanczania aby wartość średnia nap UD byłą ujemna. A - poza punktem A nie nastąpi załączenie tyrystora (granica załączenia). Min kont załanczania musi być tak dobrany aby wyłączenie tyrystora nastąpiło przed punktem B. W przeciwnym wypadku (jeżeli prąd zmaleje do zera przed punktem B) nastąpi ciągły niekontrolowany przepływ prądu co powoduje awaryjną pracę układu. Trójfazowy prostownik gwiazdowy. Prąd linii zasilających płynie tylko w jednym kierunku co powoduje, że w poszczególnych sieciach zasilających pojawi się składowa stałą - jest to zjawisko niekorzystne. Trójfazowy prostownik mostkowy. Jednocześnie przewodzą prąd 2 tyrystory. Każdy z tyrystorów przewodzi prąd przez 1/3 okresu. Załanczanie tyrystorów T1, T3, T5 jest przesunięte względem siebie o kąt 120 i 240 (podobnie tyrystorów T2, T4, T6). Załanczanie tyrystorów w tej zasiej gałęzi jest o kont Π. Wahania napięcia znacznie mniejsze niż w gwiazdowym. Prąd linii zasilającej jest pradem dwukierunkowym a jego wartość średnia jest równa 0. Komutacja w układach prostownikowych. Lk - indukcja linii zasilających, transformatorów. Na skutek występowania indukcyjności Lk prąd niemoce skokowa narastać ani skokowa maleć. Komutacja jest to proces związany z przejmowaniem przewodzenia przez poszczególne tyrystory. W czasie komutacji maleje prąd w fazie dotychczas przewodzącej a narasta w fazie w której nastąpiło załączenie tyrystora. Największe wahania prądu występują przy współczynniku tłumienia δ=0,5. Ograniczenie prądu odbiornika poprzez: zwiększenie częstotliwości impulsowania; przez zwiększenie stałej czasowej τ, przez włączenie szeregowo z odbiornikiem szeregowo dławika. Dwustanowa regulacja prądu odbiornika. Jeżeli prąd odbiornika narasta i osiągnie Imax następuje wyłączenie tranzystora. Po wyłączeniu przerywacza prąd maleje i jeżeli osiągnie Imin to nastąpi ponowne włączenie przerywacza. Oddawania napięcia do sieci. Jeżeli przerywacz przewodzi to prąd I0 płynie przez przerywacz i narasta. W okresie nie przewodzenia przerywacza prąd I0 płynie przez diodę Db oraz sieć Uz. W tym okresie następuje oddawanie energii do sieci. Układ pracuje prawidłowo jeżeli w okresie nie przewodzenia przerywacza prąd I0 maleje. Falowniki napięcia są to układy przekształtnikowe, które umożliwiają zamieniać nap stałe na nap zmienne o regulowanej wartości skutecznej i regulowanej częstotliwości. Nap stałe uzyskuje się najczęściej za pomocą prostowników sterowanych i niesterowanych. Falowniki dzielimy na: 1) falowniki o prostokątnej fali nap wyjściowego; 2) falowniki z modulacją szerokości impulsów. Nap tych falowników ma postać ciągu impulsów prostokątnych o stałej amplitudzie i zmiennej szerokości impulsu. Falowniki jednofazowe (tyrystory GTO). W falowniku tym parami przewodzą elementy T1, T2 lub T3, T4. Jeżeli załączone są T1 i T2 to prąd odbiornika narasta aperiodycznie w jednym kierunku, po wyłączeniu T1 i T2 prąd płynie przez diodę D3, Uz i D4 prąd maleje do zera. Następnie załanczana jest para T3 iT4. Prąd odbiornika narasta aperiodycznie w kierunku przeciwnym. Po wyłączeniu T3 i T4 prąd płynie przez diodę D1, Uz i D2. Prąd maleje do zera i na nowo załączone są elementy T1 i T2. Do każdego elementy musi być dołączona dioda w kierunku przeciwnym. Diody umożliwiają swobodny przepływ prądu gdy nieprzewodzą elementy sterowane. Kształt nap na odbiorniku nie zależy od jego rodzaju. Natomiast od rodzaju odbiornika zależy przebieg prądu. Trójfazowe falowniki napięcia. Zasady przełączania elementów. Każdy element przewodzi przez pól okresu. Jednocześnie przewodzą trzy elementy. Element T3 i T5 są załączone z opóźnieniem względem T1 o kont 120 i 240. Zmiana kierunku wirowania silnika indukcyjnego realizowana jest poprzez zmianę kolejności załanczania elementów sterowanych. Aby regulować wartość skuteczną nap wyjściowego należy zmienić nap zasilające falownik. Dlatego falowniki zasilane są poprzez prostowniki sterowane. Nap wyjściowe tych falowników charakteryzuje się dużą zawartością harmonicznych. Falownik z modulacja szerokości impulsu. (PWM)Nap wyjściowe falownika PWM ma postać ciągłych impulsów prostokątnych o tej samej amplitudzie i zmiennej szerokości impulsu. Przebieg sterujący fs o częstotliwości takiej jaką ma sieć nap wyjściowego falownika, porównywany jest z przebiegiem piłokształtnym fn o częstotliwości większej niż piłokształtny. Wartości chwilowe przebiegu sterującego fs są większe od przebiegu piłokształtnego to załanczany jest tranzystor T1. W przeciwnym wypadku tranzystor T1 jest wyłanczany natomiast dla ujemnych wartości sygnału sterującego załączony jest odpowiednio tranzystor T2. W pozostałych dwóch fazach sygnały sterujące fs przesunięte są względem sygnały sterującego fazy pierwszej odpowiednio o kąt 120 i 240. Regulacja wartości skutecznej falownika PWM - następuje w samym falowniku poprzez zmianę amplitudy sygnału sterującego. Falownik PWM może być zasilany poprzez prostownik niesterowalny. Uwagi do falowników. Kondensator w falownikach stosuje się ze względu na to, żeby zbliżyć źródła zasilania do źródła idealnego. Wyższe harmoniczne związane są z wyższymi częstotliwościami co za tym idzie pogorszenie sprawności układu. W układzie falownika PWM kształt prądów falownika może odbiegać od przebiegu sinusoidalnego jeżeli falownik nie zawiera sprzężeń zwrotnych. W układzie sterowania porównywany jest przebieg zadany jeżeli prąd rzeczywisty osiągnie górną wartość zadanego prądu to nastąpi wyłączenie tranzystora T1, prąd maleje i gdy osiągnie dolną wartość to następuje ponowne włączenie tranzystora T1 prąd narasta i po osiągnięciu górnej wartości zadanej następuje ponowne wyłączenie T1. Dla ujemnych wartości zadanego przebiegu prąd załączany lub wyłączany jest tranzystor T2.