Jednofázové a třífázové polovodičové spínací přístroje

Transkript

1 Jednofázové a třífázové polovodičové spínací přístroje Použité spínací elementy tyristory triaky GTO tyristory Zapínání dle potřeby aplikace Vypínání buď v přirozené nule proudu nebo s nucenou komutací Aplikace: Střídavé spínače pro všeobecné použití Jisticí přístroje s možností omezení zkratového proudu 1

2 A1M14 SP2 Základní systematika v označování topologie výkonového spínacího obvodu s diodami a tyristory U- doplňková informace (zapojení uzlu zátěže) 2

3 Jednofázové spínače Základní zapojení spínacího obvodu a jeho číselná klasifikace Nejčastější aplikace z hlediska Výkonových ztrát a složitosti řízení Pro výkonové obvody 120 Pro řídicí obvody 114 3

4 Třífázové spínače Základní zapojení spínacího obvodu a jeho číselná klasifikace Nejčastější aplikace 340-YF či 340-DS v softstartérech asynchronních motorů 4

5 330-YS Třífázové spínače Základní zapojení spínacího obvodu a jeho číselná klasifikace 5

6 Třífázové spínače Základní zapojení spínacího obvodu a jeho číselná klasifikace Nejčastější aplikace 360-YF-N jako univerzální třípólový výkonový spínač 6

7 Aplikace bezkontaktních spínačů z hlediska bezpečnosti Bezkontaktní spínače musí mít z důvodů bezpečné oddělitelnosti od napájecí sítě předřazen kontaktní spínací přístroj (např. jistič nebo motorový spouštěč). Důvodem jsou nezanedbatelné zbytkové proudy polovodičových součástek spínače. Polovodičové spínače nezajišťují bezpečné oddělení spínaného obvodu od napájecí sítě. 7

8 Základní požadavky na řídicí obvody tyristorových a triakových spínačů Úkol zapínacích obvodů: generování impulsů ig (t) s následujícími vlastnostmi: a) Dostatečná strmost nárůstu řídicího impulsu dig (t)/dt b) Zajištění minimální doby trvání zapínacího impulsu t ig - dle spínacích vlastností tyristoru a druhu zátěže (cca 100 µs 1 ms) (R. RL, či L) - Ovšem výkonová ztráta řídicího přechodu G-K tyristoru PGAV < PGAV max (viz katalog) Problém R-L zátěží s proměnným cos φ IH vratný proud (klesne-li propustný proud iv při pomalém poklesu pod IH, tyristor vypíná a vrací se do blokovacího stavu) IL přídržný proud (velikost Iv, které musí být dosaženo do ukončení řídicího impulsu, aby tyristor dále vedl) 8

9 Řešení problému R-L zátěží s proměnným cos φ Zde musí být ig Zde může být ig Vysoká strmost rychlé sepnutí Aby nedocházelo k přerušování vedení proudu mezi jednotlivými půlperiodami proudu, musí být fázování, tvar a šířka spouštěcích impulsů vhodně nastaveny Možná řešení: a) Hladinový impuls : + bezpečně sepne - roste výkonová ztráta řídicího přechodu PGAV b) Optimalizovaný tvar řídicího impulsu Udržovací proud (pro případ náhodného poklesu iv) Časování při průchodu iv nulou IGT Zapínací proud tyristoru 9

10 c) Opakovaný impuls (řádka impulsů) Kladem je: Nižší PGAV, snazší obvodové řešení, Možnost galvanického oddělení říd. obvodu (transformátor), Následné tvarování impulsů Generování řádky impulsů pro více tyristorů (více sekundárních vinutí na transformátoru) Transformátor má díky vyšší pracovní frekvenci malý počet závitů vinutí a je konstrukčně malý a lehký Základní rozdělení zapínacích obvodů 1. Závislé 2. Nezávislé Ad 1.) - jsou napájeny ze zdroje spínaného výkonového obvodu Jejich klady: jednoduchost, snadná synchronizace generovaných impulsů (automatická). Jejich nedostatkem je prodleva v sepnutí na začátku půlperiody. 10

11 Příklad zapínání odporové zátěže Prodleva na začátku zapínacího cyklu, vyvolaná malým napětím pro napájení řídicího obvodu. Nejprve musí u(t) dosáhnout takové velikosti, aby bylo možné vygenerovat ig větší než IGT a tím vyvolat sepnutí tyristoru. Pro třífázové varianty spínačů musí být každá spínaná fáze vybavena spínačem s vlastním řídicím obvodem. NEZÁVISLÉ ZAPÍNACÍ OBVODY Používají zdroje energie nezávislé na spínaném výkonovém obvodu. Pro přenos zapínacích impulsů s potřebou galvanického oddělení se používají transformátory. Základní transformátorová rovnice: Ui = 4 kt Bmax SFe N f (ind. napětí;činitel tvaru napětí, max. mag. indukce v jádře, průřez jádra, počet závitů, pracovní kmitočet) 11

12 Náhradní schéma transformátoru pro přenos řídicích impulsů i1 i2 Co znamená + u1? Definice kladné polarity Často platí: u R, u Lσ << u v pak Ale: 12

13 Z rovnice plyne, že transformátor kopíruje na sekundární straně vstupní napětí. Obecné průběhy, NE jen sinusové. Polaritu napětí indukovaného v sekundárním vinutí určuje SMYSL vinutí (vzájemná orientace vinutí primáru a sekundáru). Proto se začátky vinutí stejného smyslu označují tečkou (popřípadě u proudových a napěťových měřicích transformátorů se vývody vinutí označují písmeny viz. poznatky z předmětu Měření.) 13

14 Jednoduché obvody pro zapínání a fázové řízení triaků a tyristorů Jednoduchý zapínací obvod (závislý) řízený kontaktním spínačem (např. kontakt relé). Řídicí obvod tyristoru a triaku upravený pro řízení z externího nezávislého obvodu 14

15 Princip činnosti fázovacího obvodu pro řízení tyristoru -závislý řídicí obvod Nejjednodušší varianta obvodu pro fázové řízení tyristoru s fázovacím RC členem a/ schéma řídicího obvodu b/ průběhy napětí na kondenzátoru. Kondenzátor C je během záporné půlperiody přes D2 (tyristor polarizován v inverzním směru- tedy nevede) nabíjen na maximální hodnotu záporného napětí proti katodě. Během poklesu napětí od záporného maxima je C přes odpor R vybíjen pomaleji, než je pokles napětí sítě směrem k nule. Po změně polarity napětí sítě je C přebíjen na + proti katodě, až dosáhne úrovně UGT a tyristor sepne. Rychlost přebíjení je řízena reostatem R. Dioda D1 chrání řídicí přechod G-K tyristoru před napěťovým průrazem při namáhání v závěrném směru. 15

16 Speciální součástky pro řízení BS Dioda se dvěma bázemi (UJT Unijunction tranzistor) Náhradní zapojení UJT se dvěma komplementárními tranzistory. R1, R2 slouží jako napěťový dělič pro tranzistor T1. T1 je tranzistor typu PNP, T2 typu NPN pro vyšší kolektorové proudy (BC337, KF508) 16

17 Jednoduché obvody fázového řízení tyristorů s UJT tranzistory 17

18 18

19 DIAK Diak je třívrstvá spínací součástka PNP. Vlastnosti diaku nejsou závislé na polaritě působícího napětí a proto nejsou vývody od sebe odlišeny. Spínací napětí je závislé na vlastnostech PN přechodů a nedá se měnit (dáno výrobou). V-A charakteristika je symetrická. Při dosažení spínacího napětí UBO se odpor diaku prudce zmenší. 19

20 Obvod fázového řízení triaku s diakem Použitelné jen pro velmi nenáročné aplikace ve spotřební elektronice 20

21 Integrované obvody pro fázové řízení triaků a tyristorů Historický typ TESLA - MAA 436 generoval dvoupolaritní výstupní impuls přímo z napájecího napětí. Představoval tedy generátor, závislý na okamžité hodnotě napájecího napětí. V současné době se dodávají IO s charakterem nezávislého řídicího obvodu Jsou napájeny usměrněným a vyfiltrovaným napětím Generují jednopolaritní řídicí impulsy konstantní velikosti (nezávisle na nastaveném úhlu řízení). Ze sítě si berou vzorek synchronizačního napětí Jsou vybaveny monitorovacím obvodem pro sledování velikosti napětí na řízené součástce Jako typický představitel těchto obvodů je vybrán TCA

22 Blokové schéma vnitřní struktury IO TCA

23 Typické průběhy napětí na klíčových vývodech IO TCA

24 V14,15 V Uz Aplikační zapojení pro fázové řízení triaku s IO TCA 785 (laboratorní přípravek) V10 V5 COM V Ur 24

25 Aplikační zapojení TCA 785 pro fázové řízení antiparalelních tyristorů s využitím impulsních vazebních transformátorů 25

26 Konec 4. části 26