TYRYSTOROWY ŁĄCZNIK REGULATORA MOCY
Transkrypt
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