TYRYSTOROWY ŁĄCZNIK REGULATORA MOCY

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego.
TYRYSTOROWY ŁĄCZNIK REGULATORA MOCY
REZYSTANCYJNEGO URZĄDZENIA ELEKTROTERMICZNEGO
Konieczność regulacji mocy urządzeń elektrotermicznych powoduje, Ŝe w układach
zasilających o częstotliwości zwłaszcza sieciowej zachodzi potrzeba stosowania elementów
półprzewodnikowych umoŜliwiających precyzyjniejsze dostarczanie energii. Takimi
przyrządami pozwalającymi na załączanie i wyłączanie odbiorników o duŜych mocach
znamionowych, przy względnie niskich stratach własnych, są tyrystory. Tyrystor jest
łącznikiem jednokierunkowym i jego stosowanie w obwodach prądu przemiennego wymaga
połączenia dwóch tyrystorów w układzie odwrotnie równoległym lub zmodyfikowanych
struktur stanowiących nowe przyrządy dwukierunkowe jakimi są triaki, symistory itp.
Zastosowanie tyrystorów i triaków w obwodach energetycznych urządzeń elektrotermicznych
jest powszechne. Oprócz klasycznych łączników prądu przemiennego pozwalających
dozować energię elektryczną w sposób niby ciągły przyrządy te stosowane są w
prostownikach sterowanych i falownikach (przemiennikach częstotliwości).
Na rysunku 1 przedstawiono układ sterownika prądu przemiennego wykorzystywanego
jako łącznika, często współpracującego z regulatorami temperatury, do dozowania energii
elektrycznej urządzeń elektrotermicznych. Ograniczając zakres urządzeń do odbiorników
rezystancyjnych (np. pieców oporowych) zostanie podana zasada regulacji mocy.
a)
b)
Rys. 1. Sterownik prądu przemiennego z tyrystorami (a) i triakiem (b)
Element sterowany jakim są dwa tyrystory w układzie odwrotnie równoległym lub
tyrystor dwukierunkowy (triak) połączony szeregowo z obciąŜeniem jest regulatorem mocy
dokonywanej poprzez zmianę skutecznych wartości napięcia i prądu przy stałej wartości
napięcia zasilającego. Łączniki te charakteryzujące się stanem przewodzenia i stanem
zaporowym mogą być wyzwalane impulsami bramkowymi synchronizowanymi z napięciem
sieci zasilającej:
– fazowo, tzn. z regulowanym opóźnieniem względem momentu przejścia napięcia sieci
przez zero,
– grupowo, tzn. w zerze napięcia lecz z opuszczaniem okresów.
Sterowanie fazowe pozwala regulować wartości skuteczne prądu i napięcia w kaŜdym
okresie a sterowanie grupowe w wybranym interwale czasu. KaŜdy ze sposobów posiada
pewne zalety i wady dostarczania energii do odbiornika. Zostaną one omówione przy analizie
pracy podanych układów, co nastąpi po wcześniejszej przedstawionej charakterystyce
przyrządów półprzewodnikowych – tyrystora i triaka.
1
Tyrystor, nazywany takŜe diodą sterowaną, jest krzemowym elementem
półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej p-n-p-n (rysunek 2). Elektrody
wyprowadzone od skrajnych warstw tworzą odpowiednio anodę (A) i katodę (K). Elektroda
wyprowadzona ze środkowego obszaru typu p nazywa się bramką (B).
Rys. 2. Tyrystor: a) symbol graficzny, b) struktura czterowarstwowa, c) schemat zastępczy jako
analogia dwutranzystorowa
Przy odłączonej bramce, otwarty łącznik W na rysunku 2, tyrystor nie przewodzi prądu
nawet przy dodatniej polaryzacji, tzn. gdy do anody przyłączony jest dodatni biegun źródła
napięcia, a do katody ujemny. Stan zablokowania tyrystora związany jest z zaporowym
działaniem bariery potencjału „z”, znajdującą się między obszarami n i p, które to tworzą
diodę półprzewodnikową spolaryzowaną zaporowo. Wytworzona bariera potencjału nie
dopuszcza do przepływu nośników elektrycznych między anodą i katodą tyrystora. Zastępcza
rezystancja tyrystora jest bardzo duŜa (rzędu MΩ) i w obwodzie zewnętrznym nie ma
przepływu prądu. Wywołanie nawet krótkiego impulsu dodatniego w obwodzie bramki, np.
zamykając na chwilę łącznik W, wprowadza tyrystor w stan przewodzenia. Po wejściu
tyrystora w stan przewodzenia bramka traci własności sterownicze, a zatem otwarcie łącznika
w obwodzie bramki nie przerywa prądu w obwodzie zewnętrznym. Zablokowanie tyrystora
moŜliwe jest poprzez zmniejszenie prądu anodowego do zera, co następuje zazwyczaj przez
zmianę napięcia anodowego z dodatniego na ujemne. Wprowadzenie tyrystora w stan
przewodzenia impulsem prądu bramki nazywa się wyzwalaniem bramkowym i moŜe być
powtarzane, gdy ponownie pojawi się dodatnie napięcie na tyrystorze. W stanie przewodzenia
spadek napięcia na tyrystorze wynosi około 1V i decyduje o ilości ciepła wydzielanego w
jego strukturze. Sterowniki prądu przemiennego wymagają uŜycia dwóch tyrystorów w
układzie odwrotnie równoległym, ze względu na jednokierunkowe przewodzenie tyrystorów.
Triak. Na bazie klasycznej czterowarstwowej struktury p-n-p-n powstały przyrządy
półprzewodnikowe symetryczne o właściwościach dwukierunkowego przepływu prądu.
Tyrystor dwukierunkowy jest przyrządem trójelektrodowym nazywany triakiem. Nazwa jest
skrótem oznaczenia: Triode - AC - Switch. Triak zastępuje dwa tyrystory niesymetryczne
połączone w układzie odwrotnie równoległym i stosowany jest powszechnie jako bezstykowy
łącznik mocy.
Triak, w odróŜnieniu od tyrystora, wprowadzany jest w stan przewodzenia sygnałem
bramkowym o dodatniej i ujemnej polaryzacji. W celu wyjaśnienia zasady działania triaka
naleŜy zapoznać się ze strukturą wewnętrzną przyrządu, którą przedstawiono na rysunku 3.
Wyprowadzone elektrody zewnętrzne nazywane są anodami: pierwszą i drugą. Anoda
pierwsza jest związana z elektrodą sterującą wykonaną w obszarze typu n, który został
utworzony w procesie technologicznym w warstwie p. Elektroda ta słuŜy do wyzwalania
triaka.
2
a)
b)
Rys. 3. Triak: a) symbol graficzny, b) struktura
JeŜeli do elektrody A1 doprowadzimy ujemny biegun napięcia, a do A2 dodatni to załączenie
triaka nastąpi w analogiczny sposób, jak w konwencjonalnym tyrystorze. Pod wpływem
prądu sterującego złącze „z2” zaczyna przewodzić i odblokowuje strukturę wprowadzając
triak w stan przewodzenia, który trwa takŜe po zmianie biegunowości napięcia o ile
podawany będzie dalej sygnał sterujący na bramkę. Sygnał ten moŜe przyjmować
dwukierunkową polaryzację, co przy przemienności napięcia zasilającego prowadzi do
czterech stanów wyzwalania triaka:
Stan I +
Stan I −
Stan III +
Stan III −
− Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B
sterowana jest impulsami dodatnimi.
− Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B
sterowana jest impulsami ujemnymi.
− Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie
impulsami dodatnimi.
− Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie
impulsami ujemnymi.
WaŜne zalety triaka polegające na blokowaniu napięcie o dowolnej biegunowości,
przewodzeniu prądu w obu kierunkach są osłabione niewielkimi prądami znamionowymi i
stosunkowo małą częstotliwością załączania tych przyrządów półprzewodnikowych.
Sposoby wyzwalania sterowników prądu przemiennego
Oba sposoby wyzwalania tyrystorów: fazowe i grupowe powinny być synchronizowane
napięciem sieci zasilającej. Układy wyzwalania są budowane na zasadzie generowania
impulsów bramkowych wypracowywanych w analogowych lub cyfrowych obwodach.
Podstawą sterowania analogowego jest porównywanie wytworzonego napięcia
piłokształtnego z napięciem zadanym. Impuls wyzwalający jest generowany w momencie
zrównania się wartości napięcia piłokształtnego i napięcia kontrolowanego, czyli zadanego.
Natomiast sterowanie cyfrowe polega głównie na detekcji zera napięcia zasilającego i
opóźnionym, odliczanym według wewnętrznego zegara, generowaniu impulsu lub serii
impulsów bramkowych.
Sterowanie fazowe polega na powtarzalnym wprowadzaniu tyrystorów w stan przewodzenia
w kaŜdej połówce przebiegu sinusoidalnego lub okresowego. Przebiegi napięcia i mocy
odbiornika w zaleŜności od kąta wyzwalania tyrystorów przedstawiono na rysunku 4.
Przebieg prądu w odbiorniku rezystancyjnym jest analogiczny do przebiegu napięcia.
3
Rys.4. Przebiegi napięcia i mocy na odbiorniku rezystancyjnym przy sterowaniu fazowym
Wartość skuteczna napięcia oraz prądu na odbiorniku rezystancyjnym zaleŜy od kąta
wyzwalania łączników półprzewodnikowych wynosi:
I sk (θz ) =
Um
2⋅R
⋅
1
π − θz
+
⋅ sin (2 ⋅ θz )
π
2 ⋅π
(1)
a moc wydzielana w okresie przebiegu elektrycznego
P(θz ) = I sk2 (θz ) ⋅ R
(2)
MoŜliwości regulacyjne przy sterowaniu fazowym dobrze ilustrują względne zmiany mocy
odbiornika i prądu skutecznego w funkcji kąta wyzwalania przyrządów półprzewodnikowych.
Pw( θz ) =
P( θz )
P( θz = 0 )
Iw( θz ) =
I ( θz )
I ( θz = 0 )
(3)
Charakterystyki te przedstawiono na rysunku 5.
Rys. 5. Względne zmiany mocy i prądu odbiornika od kąta wyzwalania tyrystorów
Istotną wadą sterowania fazowego jest deformacja przebiegu podstawowej harmonicznej.
Odkształcony przebieg napięcia i prądu przy regulacji mocy powoduje powstawanie
4
wyŜszych harmonicznych. Podobnie jak w prostownikach są to: 3, 5, 7...- nieparzyste
harmoniczne. WyŜsze harmoniczne są przyczyną przeobraŜania obwodów rezystancyjnych w
impedancyjne, co zmniejsza efektywność przekształcania energii elektrycznej w ciepło
uŜytkowe.
Sterowanie grupowe polega na tym, Ŝe w wybranym powtarzalnym interwale czasu (ustalona
liczba okresów elektrycznych) tyrystor przewodzi przez zadaną liczbę połówek okresu sieci.
Tyrystor wyzwalany jest zawsze w zerze napięcia sieciowego, czyli konieczna jest detekcja
zmiany kierunku napięcia. Czas przewodzenia i czasu blokowania zaleŜy w głównej mierze
od bezwładności odbiornika. Im większe bezwładności przetworników energii, a do takich
zliczane są urządzenia elektrotermiczne, tym szerszy zakres zastosowań sterowania
grupowego (z opuszczaniem cykli).
Przebiegi napięcia i mocy odbiornika przedstawiono na rysunku 6.
Rys.6. Przebiegi napięcia i mocy na odbiorniku rezystancyjnym przy sterowaniu grupowym
Wartość mocy dostarczana do odbiornika rezystancyjnego jest łatwa do wyznaczenia,
gdyŜ jest proporcjonalna do liczby przewodzonych okresów lub czasu przewodzenia:
Pśr = Pzn ⋅
n
ta
= Pzn ⋅
N
tc
(4)
przy czym: Pzn – moc znamionowa urządzenia; n, ta – liczba lub czas przewodzonych
okresów; N, tc – ustalona liczba okresów lub czas powtarzalny.
Sterowanie grupowe nie wprowadza odkształceń podstawowej harmonicznej, przez co unika
się wad sterowania fazowego. Nie oznacza to jednak, Ŝe ten sposób ich nie ma. Częste,
cykliczne załączanie nawet odbiorników rezystancyjnych o duŜych mocach znamionowych
prowadzi do niekorzystnego obciąŜania systemu energetycznego.
A. Cel ćwiczenia
A1. Poznanie moŜliwości zastosowania tyrystora niesymetrycznego i symetrycznego jako
łącznika prądu przemiennego.
A2. Poznanie metod sterowania (wyzwalania) tyrystorów będących członami wykonawczymi
regulatorów mocy.
A3. Wykorzystanie łącznika prądu przemiennego w obwodach jednofazowych, trójfazowych
w połączeniu gwiazdy bez i z przewodem zerowym, trójkąta.
A4. Ustalenie wpływu odbiornika asymetrycznego na pobór energii elektrycznej z
poszczególnych faz.
5
B. Badania
Badania pracy sterownika prądu przemiennego wykonać w obwodzie jedno- i
trójfazowym. Wszystkie wersje połączeń moŜna zrealizować w module sterownika prądu
przemiennego, pokazanego na rysunku 7, zawierającego trzy triaki i mikroprocesorowy układ
wyzwalania z nastawnikiem ekranowym ciekłokrystalicznym. Włączanymi odbiornikami
będą rezystancyjne elementy grzejne.
Rys. 7. Moduł sterownika prądu przemiennego
Cztery przyciski obok ekranu umoŜliwiają wybór i zadawanie wartości sterownika.
Przyciski stają się aktywne po włączeniu zasilania odbiornika, czyli identyfikacji zer w sieci.
Obsługa ich jest prosta. W górnym wierszu wyświetlacza ukazuje się instrukcja „metoda:” i
przyciskami
wybierana jest nazwa „fazy/grupy”, która jest zatwierdzana przyciskiem
, co spowoduje przejście do drugiego wierszu wyświetlacza. W drugim wierszu jest
pytanie o moc. W zaleŜności od wybranej metody przy napisie „moc:” pojawi się „kat” lub
„cykle”, które mogą być nastawiane przyciskami
odpowiednio w zakresie 180˚ lub
200 cykli. Zatwierdzenie nastaw przyciskiem
spowoduje uruchomienie wyzwalania
tyrystorów. Przycisk
słuŜy do powrotu z drugiego wiersza do pierwszego.
Szczególną uwagę naleŜy zwrócić na zasadę działania łącznika w obwodzie
jednofazowym. Korzystając z jednego segmentu modułu sterownika połączyć układ
pomiarowy według schematu przedstawionego na rysunku 8. Wybrać metodę sterowania
fazowego i dokonać pomiarów napięć, prądu i mocy w funkcji kąta wyzwalania. Wskazaniom
zmniejszającej się mocy o co 10% powinny odpowiadać kąty wyzwalania: 0, 47, 60.5, 71, 81
90, 99, 108.5,119, 133,180, a napięciu i prądowi kąty: 0, 59, 77, 91, 103, 114, 124, 135, 146,
159, 180. Jeśli przyrządy wskazują inaczej, to oznacza Ŝe popełniany jest błąd pomiarowy
spowodowany deformacją kształtu przebiegu sinusoidalnego.
6
Rys. 8. Sterownik prądu przemiennego z łącznikiem tyrystorowym
Sprawdzenie przyrządów pomiarowych naleŜy wykonać tylko w metodzie fazowej.
Metoda grupowa jest metodą całkowicie proporcjonalną (zaleŜność 4), a zbyt długie czasy
odpowiadające opuszczaniu cykli (okresów sieci) powodują wahania wskazań przyrządów.
Po weryfikacji wskazań przyrządów pomiarowych w dalszych badaniach obwodów
trójfazowych moŜna uŜyć jedynie amperomierzy. Łącząc odbiornik w gwiazdę według
schematu podanego na rysunku 9 naleŜy zanotować wskazania przyrządów dla róŜnych kątów
wyzwalania. Badania wykonać dla układu bez i z przewodem zerowym.
Rys. 9. Sterownik prądu przemiennego w obwodzie trójfazowym z odbiornikiem połączonym w
gwiazdę
Porównać wskazania amperomierza w przewodzie zerowym przy sterowaniu fazowym i
grupowym. Do obserwacji przebiegów prądów w poszczególnych fazach i sumarycznego
lepiej posłuŜyć się sondą prądową i oscyloskopem.
7
Analogiczne badania wykonać w obwodzie trójfazowym z odbiornikiem połączonym w
trójkąt zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 10.
Rys. 10. Sterownik prądu przemiennego w obwodzie trójfazowym z odbiornikiem połączonym w
trójkąt
Badania dodatkowe przeprowadzić dla trójfazowego obwodu z niesymetrycznym
odbiornikiem połączonym w gwiazdę.
C. Opracowanie wyników
C1. Przedstawić zaleŜności napięcia, prądu i mocy w funkcji kąta wyzwalania tyrystorów dla
odbiornika jednofazowego.
C2. Scharakteryzować i porównać obie metody sterowania mocą rezystancyjnego urządzenia
grzejnego.
C3. Wykazać wpływ przewodu zerowego w obwodzie trójfazowym z odbiornikiem
połączonym w gwiazdę.
C4. Podać róŜnicę w sterowaniu mocą obwodu trójfazowego z odbiornikiem połączonym w
trójkąt trójprzewodowo i sześcioprzewodowo.
C5. Wnioski i spostrzeŜenia przy wykonywaniu ćwiczenia.
8