Energoelektronika różne pytania

1. Opisz budowę i zasadę działania tyrystorowego regulatora oświetlenia.

Łącznik dwukierunkowy, złożony np. z dwóch tyrystorów połączonych odwrotnie równolegle, zwany regulatorem napięcia przemiennego, można wykorzystać do bezstopniowej regulacji napięcia przemiennego, a więc i do regulacji prądu przemiennego odbiornika.


Rysunek 1. Regulator prądu indukcyjnego z dwoma dławikami: a) schemat układu;
b) przebiegi czasowe napięcia i prądu.

Na rysunku 1 przedstawiono inną wersję regulatora prądu indukcyjnego. Jest to układ z dwoma dławikami o dużej dobroci, włączonymi w gałęzie z tyrystorami połączonymi odwrotnie równolegle. Układ ten ma następujące właściwości:

1. Zakres regulacji kąta załączania wynosi ;
2. W przedziale prąd wyjściowy jest ciągły oraz:
- przy jest sinusoidalnie zmienny,
- przy 0 < 9Z < 7z/2 jest ciągły i nieco odkształcony,
- przy amplituda prądu jest równa połowie amplitudy przy ;
Powyższe właściwości potwierdzają przebiegi czasowe prądów w gałęziach z tyrystorami i prądu odbiornika przedstawione na rys. 1b.

2. Dlaczego przekształtnik nawrotny ma dwie sekcje połączone przeciw równolegle.

Przekształtniki dużej mocy najczęściej buduje się, łącząc szeregowo dwa mostki trójfazowe (sekcje przekształtnika). Połączenie takie jest korzystne ze względu na dobór zaworów (tyrystorów lub diod) - ich klasę napięciową dobiera się do wartości napięcia przewodowego każdej sekcji przekształtnika. Szeregowe połączenie mostków umożliwia uzyskanie większej wartości napięcia i mocy wyjściowej przekształtnika z zastosowaniem przyrządów o niższych napięciach znamionowych.
Sekcje przekształtnika I i II są zasilane zazwyczaj z transformatora trójuzwojeniowego połączonego w układzie trójkąt / trójkąt / gwiazda.
Wartość napięcia wyjściowego przekształtnika wynika z zależności . Praca w II i III kwadrancie jest możliwa, jeżeli przekształtnik ma dwie sekcje (dwa trójfazowe mostki). Każda sekcja przewodzi prąd w jednym kierunku. Podczas przewodzenia prądu w jednej sekcji, tyrystory drugiej sekcji powinny być wyłączone, ponieważ w przeciwnym razie nastąpiłoby zwarcie w układzie. Na rysunku 2 pokazano nawrotny układ napędowy pracujący bez prądów wyrównawczych, a jego charakterystyki statyczne uzyskane przy różnych kątach wysterowania. Podczas pracy sekcji prostownika w zakresie falownikowym bardzo ważną sprawą jest, aby komutacja tyrystora ustępującego z pracy była zakończona, gdy kąt wysterowania , przy czym należy również uwzględnić czas odzyskiwania właściwości zaworowych tyrystora. Gdyby to nie nastąpiło (to znaczy tyrystor nie odzyskałby zdolności zaworowych), tyrystor przeszedłby do pracy prostownikowej.






Rysunek 2. Nawrotny układ napędowy prądu stałego
PSI, PSII - sekcje przekształtnika, M -silnik, PT - prądnica tachometryczna, R(ω) - regulator prędkości, R(II), R(III) - regulatory prądu sekcji PSI i PSII, SI i SII - sterowniki dla obu sekcji, BP - blokada wprowadzająca sekcje PSI i PSII do pracy, Sep - układ z galwaniczną separacją obwodów do przetwarzania sygnału prądu o napięciu 0-60 mV na sygnał o napięciu 0-10 V, Rb- bocznik

3. W jaki sposób zabezpiecza się przekształtnik przed przetężeniem a w jaki sposób przed przepięciem.

Zabezpieczenia przetężeniowe w przekształtnikach powinny spełniać dwa podstawowe warunki:
1. Chronić układ przekształtnika przed możliwością wystąpienia pożaru;
2. Chronić elementy składowe obwodu głównego przekształtnika.

Ochronę przed możliwością wystąpienia pożaru stanowi umieszczony na wejściu przekształtnika wyłącznik zawierający wyzwalacze termiczne lub zwarciowe, albo bezpieczniki umieszczone w fazach linii zasilającej. Zwykle te zabezpieczenia są wystarczające do ochrony elementów energetycznych przed uszkodzeniem. Wyjątek stanowią półprzewodnikowe przyrządy mocy, które są wrażliwe na przetężenie i wymagają dodatkowych zabezpieczeń.
W prostownikach diodowych dużej mocy nie stosuje się dodatkowych zabezpieczeń zwarciowych. Obniża się jednak znacznie prąd zwarcia, stosując transformatory o dużym napięciu zwarcia. Przy zastosowaniu półprzewodnikowych wyłączalnych przyrządów mocy (tranzystory mocy, tyrystory GTO) wprowadza się aktywne metody ochrony polegające na wykorzystaniu zdolności tych przyrządów do samoograniczenia obciążeń prądowych w wyniku odpowiedniego ich wysterowania. W prostownikach i przekształtnikach sterowanych fazowo stosuje się dodatkowe zabezpieczenie diod i tyrystorów przed przetężeniami, w postaci bezpieczników szybkich umieszczonych w gałęziach przekształtnika.
Półprzewodnikowe przyrządy mocy pracujące w układach energoelektronicznych wymagają ochrony przed skutkami krótkotrwałych przetężeń zwarciowych występujących w stanach awaryjnych. Wynika to z małej pojemności cieplnej i niskiej dopuszczalnej temperatury struktury półprzewodnikowej omawianych przyrządów. Do określenia dopuszczalnej przeciążalności prądowej i doboru właściwej ochrony zwarciowej służą wartości maksymalnej odporności przeciążeniowej przyrządów półprzewodnikowych podane przez producentów w postaci wykresu. Przekroczenie dopuszczalnej wartości skutecznej prądu przy określonym czasie jego przepływu, może spowodować uszkodzenie przyrządu półprzewodnikowego, na skutek przegrzania i zniszczenia struktury krzemowej.
Zabezpieczeniom nadprądowym przyrządów półprzewodnikowych stawia się następujące wymagania:
- czas działania zabezpieczeń musi być krótszy od dopuszczalnego czasu trwania przeciążenia wynikającego z charakterystyki przeciążeniowej zabezpieczanego przyrządu półprzewodnikowego;
- impuls energii wydzielonej podczas zwarcia w przyrządzie półprzewodnikowym powinien być mniejszy od impulsu dopuszczalnego dla tego elementu;
- w razie równoległego łączenia przyrządów półprzewodnikowych, należy zmniejszyć dopuszczalną obciążalność tych elementów według zaleceń podawanych w odpowiednich poradnikach;
- gdy występują zwarcia zewnętrzne, zabezpieczenie powinno wyłączyć zespół przekształtnikowy, nie dopuszczając do uszkodzenia w nim przyrządów półprzewodnikowych;
- gdy występują zwarcia wewnętrzne, zabezpieczenia powinny selektywnie wyłączyć uszkodzone elementy układu;
- przepięcia występujące podczas wyłączania prądu przeciążeniowego powinny być mniejsze od maksymalnych dopuszczalnych napięć wstecznych przyrządów półprzewodnikowych.
Gdy wystąpią przeciążenia o czasie trwania dłuższym niż kilkadziesiąt milisekund, wówczas do zabezpieczenia przyrządów półprzewodnikowych stosuje się wyłączniki zawierające wyzwalacze termiczne, elektroniczne czujniki cieplne o dopasowanej charakterystyce czasowo-przeciążeniowej, czujniki termistorowe wmontowane w przyrząd półprzewodnikowy lub w jego radiator. Są również stosowane zabezpieczenia elektroniczne, które po przekroczeniu dopuszczalnej temperatury diody lub tyrystora wyłączają układ, w którym te przyrządy pracują.
Największą trudność stanowi dobór zabezpieczeń przed przeciążeniami o czasie trwania krótszym niż 10 ms. Ten zakres przeciążeń odpowiada stanowi awaryjnego zwarcia, w którym zwykle zachodzi bardzo szybki niekontrolowany wzrost prądu. Do ochrony diod i tyrystorów przed skutkami zwarcia są stosowane bezpieczniki topikowe o charakterystyce odpowiednio dobranej do właściwości przyrządów półprzewodnikowych - są to bezpieczniki szybkie. W celu zapewnienia skutecznej ochrony diody lub tyrystora, charakterystyka czasowo-prądowa bezpiecznika powinna leżeć poniżej krzywej granicznej przeciążalności chronionego przyrządu półprzewodnikowego. Bezpieczniki dla diod i tyrystorów ograniczają w znacznym stopniu nie tylko prąd, lecz i parametr, charakteryzujący dopuszczalny impuls prądu. Wartość tego parametru powinna być mniejsza niż wartość analogicznego parametru określającego odporność diody lub tyrystora na cieplny skutek działania prądu zwarcia.
Do zabezpieczania przyrządów półprzewodnikowych przed zwarciami jest również stosowana blokada bramkowa, która eliminuje impulsy w układzie regulacji przekształtnika występujące podczas zwarcia.

Zabezpieczanie przed przepięciami.

Półprzewodnikowe przyrządy mocy są mało odporne na działanie napięć o dużej wartości szczytowej. Przekroczenie granicznego napięcia wstecznego lub napięcia blokowania, deklarowanych przez producentów przyrządów półprzewodnikowych, nawet w razie bardzo krótkotrwałych przepięć (o czasie rzędu mikrosekund), może spowodować trwałe pogorszenie charakterystyk prądowo-napięciowych lub nieodwracalne uszkodzenie struktury krzemowej. Wynika stąd konieczność założenia dużego marginesu bezpieczeństwa podczas doboru przyrządów półprzewodnikowych i określenia wartości napięcia granicznego. Margines ten zazwyczaj wynosi (1,5 = 2,5) URRM. Dodatkowo, jest konieczne stosowanie specjalnych zabezpieczeń w układach, celem ograniczenia powtarzalnych okresowo oraz chwilowych przepięć do wartości nie przekraczających napięcia dopuszczalnego przyrządu półprzewodnikowego.
Przepięcia w układach energoelektronicznych pojawiają się w podczas nagłego przejścia z jednego ustalonego stanu pracy do drugiego, zarówno w obwodach napięcia przemiennego, jak i napięcia wyprostowanego. W obwodach napięcia przemiennego powodem przepięć są zazwyczaj procesy łączeniowe, wyładowania atmosferyczne lub zakłócenia w pracy transformatora. W obwodach napięcia wyprostowanego, przepięcia powstają wskutek zjawisk łączeniowych i stanów zakłóceniowych w obwodach zasilanych przez przekształtnik. Przepięcia w samym przekształtniku są wywołane zjawiskami komutacji prądów anodowych, a ponadto występują podczas przerywania przepływu prądu zwarciowego przez bezpieczniki szybkie. Powodem przepięć w obwodach prądu przemiennego mogą być wyładowania atmosferyczne. Przepięciowe fale elektromagnetyczne przemieszczają się od miejsca wyładowania do zacisków wejściowych transformatora prostownikowego. Część z nich wytłumia się w linii i uzwojeniu pierwotnym transformatora, część zaś przechodzi na stronę wtórną transformatora oraz na zaciski wejściowe prostownika. Klasyczną ochronę przed przepięciami wywołanymi wyładowaniami atmosferycznymi stanowią odgromniki instalowane po pierwotnej stronie transformatora.
Najgroźniejsze przepięcia występują podczas odłączania zasilania po stronie pierwotnej transformatora przekształtnikowego pracującego w stanie jałowym (bez obciążenia). Również przepięcia o dużej wartości mogą wystąpić podczas łączenia baterii kondensatorów, służącej do zwiększenia (poprawy) współczynnika mocy. Do tłumienia tych przepięć stosuje się filtry złożone z obwodów RC. Obwody te ograniczają stromość narastania przepięcia oraz jego amplitudę. Stosowane zastępczo warystory tłumią przepięcia powyżej określonej amplitudy.
Przepięcia komutacyjne wynikają z fizycznych właściwości przyrządów półprzewodnikowych. Są one bardzo krótkotrwałe (ułamki milisekund). Ochronę przed przepięciami komutacyjnymi stanowią obwody tłumiące RC dołączone równolegle do zacisków diod lub tyrystorów. W przekształtnikach tranzystorowych i układach z tyrystorami wyłączalnymi GTO mamy do czynienia z szybkim wyłączaniem dużych prądów. Wyłączenia takie powodują powstawanie dużych przepięć. W tym wypadku stosuje się specjalne obwody odciążające, których zadaniem jest tłumienie przepięć i ograniczenie wydzielania się strat mocy w przyrządach półprzewodnikowych podczas wyłączania prądu.

4. Jakie są podstawowe rozwiązania konstrukcyjne urządzeń energoelektronicznych (pulpity, szafy).

W każdym urządzeniu energoelektronicznym są dwa zasadnicze rodzaje obwodów: energetyczne i elektroniczne. Do obwodów energetycznych (głównych) oprócz szyn i przewodów łączących należy zaliczyć:
- odpowiednio połączony zestaw półprzewodnikowych przyrządów mocy, wyposażonych w zabezpieczenia przeciwzwarciowe, przeciwprzepięciowe, odciążające i ewentualnie obwody komutacyjne;
- obwód wejściowy, zawierający transformator przekształtnikowy lub dławiki sieciowe, aparaturę łączeniową (styczniki, wyłączniki), zabezpieczenia przeciwzwarciowe i filtry przeciwzakłóceniowe;
- obwody pośredniczące o charakterze napięciowym (kondensatory) lub prądowym (dławiki);
- obwód wyjściowy, zawierający aparaturę łączeniową, filtry wyjściowe, bezpieczniki itp.
Do obwodów elektronicznych zalicza się obwody o małej mocy, przeznaczone do sterowania, sygnalizacji, diagnostyki i pomiarów. Ze względu na odmienną technikę montażu, a także na konieczność galwanicznego odseparowania obwody energetyczne i elektroniczne wykonuje się najczęściej w postaci oddzielnych bloków i podzespołów.
W urządzeniach energoelektronicznych ważną funkcję pełni także system chłodzenia. Konstrukcja urządzeń energoelektronicznych - której częścią jest również obudowa, stanowiąca jednocześnie zabezpieczenie mechaniczne poszczególnych podzespołów przekształtnika - zależy od jego typu, mocy, maksymalnych napięć i prądów, sposobu chłodzenia oraz przeznaczenia i przewidywanych warunków eksploatacji. Mniejsze znaczenie ma natomiast sposób rozwiązania elektronicznych układów sterujących, charakteryzujących się przeważnie małymi rozmiarami. W najczęściej stosowanych przemysłowych urządzeniach energoelektronicznych, można wyróżnić następujące podstawowe rozwiązania konstrukcyjne:
- niezależną jednostkę w postaci wolno stojącej szafy lub kilku szaf, pulpitu, stojaka itp.;
- zwarty blok przeznaczony do zainstalowania w zbiorczej sterowni, rozdzielni, maszynie roboczej lub ścianie (małe i średnie moce).
W przekształtnikach o mocach do ok. 100 kW wszystkie podzespoły są umieszczone we wspólnej obudowie. Przy większych mocach poszczególne podzespoły lub ich zestawy są umieszczane w oddzielnych obudowach (szafach). W wielu urządzeniach są stosowane specjalne rozwiązania konstrukcyjne. W górnictwie np. konieczne są obudowy przeciwwybuchowe oraz konstrukcje przewoźne (wózkowe). Trakcja elektryczna wymaga urządzeń przystosowanych do zainstalowania ich w lokomotywach elektrycznych i wagonach. Urządzenia energoelektroniczne dla przemysłu stoczniowego wymagają natomiast konstrukcji odpornych na wstrząsy i szczególne morskie warunki klimatyczne. W wielu przypadkach podzespoły przekształtników są umieszczane w konstrukcjach innych urządzeń i maszyn roboczych. Dotyczy to również licznej grupy układów przekształtnikowych, stosowanych w sprzęcie powszechnego użytku (gospodarstwa domowego).
Rozmieszczenie podzespołów oraz sposoby wykonania połączeń elektrycznych w ramach całej konstrukcji mają duży wpływ na właściwości urządzenia energoelektronicznego. Szczególnie ważne, ze względu na niezawodność działania urządzenia energoelektronicznego, jest ekranowanie obwodów sterujących od energetycznych. Na niezawodność urządzenia ma wpływ również pewność połączeń. W obwodach głównych przekształtników o średnich i dużych mocach są stosowane połączenia śrubowe. W układach o małych mocach są stosowane zarówno połączenia śrubowe, jak i konektorowe (wtykowe). W obwodach elektronicznych stosuje się połączenia lutowane oraz połączenia za pomocą złączy wielowtykowych. Ważnym czynnikiem, który należy uwzględnić przy projektowaniu urządzenia jest łatwość jego obsługi i napraw. Umożliwiają to obwody sygnalizacji uszkodzeń i diagnostyki, dzięki którym szybko można zlokalizować miejsce i rodzaj uszkodzenia. W skład urządzenia energoelektronicznego wchodzi również konwencjonalna aparatura łączeniowa, niezbędna do załączania i wyłączania urządzenia oraz do połączenia z odbiornikiem. Sprzęgnięta z systemem sterującym spełnia ona również funkcje zabezpieczające, polegające m.in. na wyłączeniu urządzenia po otrzymaniu sygnałów z różnego rodzaju czujników identyfikujących przeciążenia lub stany awaryjne. Do dokonywania przełączeń manewrowych w przekształtnikach są stosowane styczniki lub rozłączniki z bezpiecznikami. Działanie wyłączników i bezpieczników musi być skoordynowane z całym systemem zabezpieczeń nadprądowych przekształtnika. Czasy zadziałania wyłączników instalowanych w obwodach prądu przemiennego wynoszą 10=150 ms, a w obwodach prądu stałego - kilka do kilkunastu milisekund. W większości urządzeń energoelektronicznych styczniki i inne wyłączniki załączają i wysączają przekształtniki w stanach bezprądowych, przy odpowiednim wysterowaniu tych przekształtników. Dzięki temu obciążalność prądową aparatury można dobrać ze względu na maksymalne przeciążenie układu, a nie w zależności od warunków załączania i wyłączania prądów w stanach dynamicznych (np. rozruch silnika, nawrót prędkości itp.). Pozwala to na znaczne obniżenie kosztów tej aparatury i zmniejszenie jej rozmiarów. Jedynie w przypadku prostych struktur przekształtników diodowych, w których przyrządy półprzewodnikowe nie są chronione bezpiecznikami topikowymi, aparatura łączeniowa musi spełniać wymagania związane z wyłączaniem prądów w stanach awaryjnych, np. zwarcia wewnętrznego i zewnętrznego.
Przepisy i zalecenia dotyczące budowy urządzeń energoelektronicznych, zwłaszcza w zakresie ochrony przeciwporażeniowej, koordynacji izolacji i stopni ochrony obudów, wynikają z ogólnych norm odnoszących się do większości urządzeń elektrycznych (PN-93/E-05009, PN-91/E-08109).