5 TIRISTORSKA STIKALA IN NASTAVLJALNIKI

Transcript

1 Močnostna elektronka 5. Trstorska stkala n nastavljalnk 5 TIISTOSKA STIKALA IN NASTAVLJALNIKI Za vklapljanje n zklapljanje elektrškh tokokrogov lahko namesto mehanskh porabmo td polprevodnška (elektronska) stkala. Za velke zklopne moč prhajajo v poštev predvsem trstorj. Vendar lahko trstor v fnkcj stkala porabmo le v zmenčnh tokokrogh, kjer prehaja zmenčn tok v vsak polperod skoz vrednost nč n omogoča, da se trstor na konc vsake polperode toka avtomatčno sam zklop. Vklapljamo pa trstor seveda s prožlnm mplzom. Če naj bo trstorsko stkalo stalno vklopljeno, moramo trstorj, v vsak polperod vedno znova dovajat prožln mplz preko IKN. Ker pa mora teč v zmenčnem tokokrog tok v obeh smereh, moramo trstorsko stkalo sestavt z dveh protparalelno vezanh trstorjev. Lahko pa porabmo td trac (sl.5.1 n sl.5.2). Za razlko od mehanskh stkal lahko pr polprevodnškh stkalh preko krmlnega mplza zelo natančno zberemo trentek vklopa. To omogoča najboljš vklop n nastavljanje (krmljenje) velkost napetost oz. toka n moč. 5.1 Trstorsko stkalo v zmenčnh tokokrogh Trstorska stkala porabljamo namesto mehanskh stkal za vklapljanje n zklapljanje zmenčnh tokokrogov. Slka 5.1 kaže strezno protparalelno vezavo dveh trstorjev, vkljčno z mplznma transformatorjema n zaščtnm C-členom. Prednost takšnega polprevodnškega stkala v prmerjav z mehanskm so: 1. se ne obrablja, 2. žvljenjska doba je praktčno neomejena, 3. čnek vklopa lahko poljbno zbramo n natančno zvedemo n 4. zklop stkala se zgod vedno v naravnem trentk, ko gre zmenčn tok skoz vrednost nč n n elektrčnega obloka. 72

2 Močnostna elektronka 5. Trstorska stkala n nastavljalnk U A a) T 1 A1 A2 A A1 C T 2 c) A1 b) A2 A2 Slka 5.1: Trstorsko stkalo: (a) protparalelna vezava dveh trstorjev, (b) statčna karakterstka, (c) zmenčn tok Slabost pa so: 1. v prevodn smer mamo padec napetost prblžno 1,5 V, 2. toplotne zgbe, kar zahteva td hlajenje, 3. v zklopljenem stanj teče še vedno nek majhen tok (nverzn tok nekaj ma) n stkalo potencalno (galvansko) ne ločje; če hočemo potencalno ločtev, moramo porabt dodatn mehansk preknjevalnk (npr. ločlno stkalo) n 4. cena je nekolko všja. Čeprav mamo na voljo trstorje za zaporne napetost nekaj kv n za maksmalno dopstne trajne toke prek 1 ka, kar daje fktvno moč prek 1 MVA, smemo zarad varnost v praks zkorstt le majhen del te moč. Slka 5.2 kaže trac v vlog polprevodnškega stkala. Krmljenje je enostavnejše kot pr vezj s sl Vendar zdeljejo zaenkrat trace le za majhne moč n zmorejo drektno vklapljat v omrežje 38 V le toke do največ 1 A. A T 1 A I H U BO A a) b) c) Slka 5.2: Trac kot polprevodnško stkalo v zmenčnem tokokrog: (a) vezje, (b) statčna karakterstka, (c) zmenčn tok 73

3 Močnostna elektronka 5. Trstorska stkala n nastavljalnk Zarad napetostnega padca v prevodn smer povzroča ventlsk tok zgbe prevajanja p T. Vdel smo, da je srednja zgbna moč na trstorj odvsna tako od artmetčne srednje vrednost ventlskega toka, kakor td od njegove efektvne vrednost. Zato moramo pr dmenzonranj trstorskega stkala poštevat td oblko toka. Slka 5.3 kaže potek napetost n tokov pr vklop n zklop tokokroga s trstorskm stkalom. Ker je breme ohmsko-ndktvno, zaostaja tok za napetostjo za elektrčn kot: ϕ = arctg ωl Če hočemo vklapljat tokokrog tako, da ne bo nkakega prehodnega pojava, moramo prpeljat trstorj prožln mplz v trentk, ko naj b tok A1 oz. A2, v staconarnem stanj prehajal skoz vrednost nč (sl.5.3.b). Če pa vklopmo v poljbnem drgem trentk, se pojav neka enosmerna prehodna komponenta toka, k nato v odvsnost od stopnje dšenja zgne v nekaj polperodah. V tem prmer je tok podan z enačbo: ( t) = A 2 2U + ( ωl) 2 sn( ϕ) sn( ϕ) e ( ) ωl ϕ IKN S, S A1 A2 A1 b) VKLOP A2 S S, A1 A2 S LS L IZKLOP a) c) Slka 5.3: Vklapljanje n zklapljanje zmenčnega tokokroga s trstorskm stkalom: (a)vezje, (b) vklop, (c) zklop Tok A je ob vklop sestavljen z dveh delov: z trajnega snsnega toka ter z nekega enosmernega toka, k ma največjo ampltdo v trentk vklopa n nato po eksponecaln fnkcj pada s časovno konstanto τ = L / prot vrednost nč. Kot 74

4 Močnostna elektronka 5. Trstorska stkala n nastavljalnk vdmo, je ta enosmerna komponenta toka nč le ob pogoj, da je sn( -ϕ)=, kar pomen, da moramo vklopt v trentk t =ϕ/ω, torej tedaj, ko začenja trajna snsna komponenta toka z vrednost nč. Fzkalno gledano prhaja do tega pojava zato, ker zarad ndktvnost L tok ob vklop trstorja nkol ne more hpoma poskočt na svojo staconarno vrednost, temveč mora njno začet z vrednost nč. K tem problem se bomo še povrnl. Izklop trstorskega stkala pa dosežemo preprosto tako, da prenehamo trstorja prožt: zatečen tok teče v tst polperod še tako dolgo, dokler naravno ne postane nč. Slka 5.4 kaže trstorsko stkalo za smetrčn trfazn ohmsko-ndktvn porabnk. Enako kot pr enofaznem stkal na sl. 5.3 s przadevamo td sedaj vklapljat trfazno stkalo tako, da se ob vklop ne bo pojavljala enosmerna zravnalna komponenta toka. To dosežemo tako, da prpeljemo prožlna mplza najprej samo dvema fazama hkrat (faz 1 n 2 na sl. 5.4), čez 9 el. pa še faz 3, pr čemer streza ta trentek proženja faze 3 trentk naravnega prehoda staconarnega faznega toka 3 skoz vrednost nč. Izklopmo pa trstorsko stkalo spet tako, da prenehamo trstorjem dovajat prožlne mplze: tok ene faze teče še tako dolgo, dokler ne postane nč n preneha, toka v ostalh dveh fazah pa tečeta še 9 o el. n nato prav tako prenehata teč , VKLOP VKLOP L Slka 5.4: Vklapljanje trfaznega L-porabnka s trstorskm stkal: (a) vezje, (b) potek napetost n tokov 75

5 Močnostna elektronka 5. Trstorska stkala n nastavljalnk 5.2 Vklop ndktvnost s trstorskm stkalom V prejšnjem poglavj smo obravnaval problematko vklopa mešanega ohmskondktvnega bremena (sl. 93). Tokrat analzrajmo podrobenje problemtko vklopa čste ndktvnost L s trstorskm stkalom! L K C, S VKLOP L IZKLOP S C L L L b) S VKLOP IZKLOP a), S c) L Slka 5.5: Vklop ndktvnost s trstorskm stkalom: (a) vezje, (b) vklop brez zravnalnega toka, (c) vklop z zravnalnm tokom V vezj na sl.5.5.a je narsan td vedno prsoten zaščtn C-člen, označena pa je td paraztna kapactvnost C L, k realno obstaja med ovoj dšlke L. V kvazstaconarnem stanj teče v tokokrog snsn tok, k zaostaja za gonlno snsno napetostjo za elektrčn kot 9 o. Le če vklopmo trstorsko stkalo, tj. enega od protparalelnh trstorjev, v trentk, k streza prehod jalovega toka skoz vrednost nč (sl.5.5.b), dobmo vklop brez prehodnega pojava: snsn tok začenja z svoje»naravne«vrednost nč. Ta najgodnejš trentek vklopa ndktvnega bremena streza trentk, ko ma snsna gonlna napetost maksmalno vrednost. Izklop toka pa dosežemo, kot vedno doslej tako, da prenehamo trstorjema dovajat prožlne mplze. Na sl. 5.5.b je z vertkalno šrafro označena napetost s na ventlh: ob vklop dobmo neko kratkotrajno sperponrano srednje frekvenčno nhanje, k se pršteva napetost L na ndktvnost. Njena krožna frekvenca je prblžno 1 L K CK, ampltda pa doseže največ temensko vrednost gonlne snsne napetost 2 U. Td pr zklop (sl.5.5.c) se pojav neko srednje frekvenčno sperponrano nhanje, k se pršteva k napetost s na zklopljenem trstorj. Njena krožna frekvenca je prblžno 1 (L + LK ) C, njeno ampltdo pa dš pornost. 76

6 Močnostna elektronka 5. Trstorska stkala n nastavljalnk 5.3 Trstorsk nastavljalnk za zmenčn tok Možnost, k jo nd trstorsko stkalo da ga lahko s prožlnm mplzom vklopmo v razlčnh trentkh glede na njegovo snsno blokrno napetost, lahko zkorstmo za t.. fazno krmljenje. Slka 5.6 kaže razmere, če je breme ohmsko. S spremnjanjem velkost zakasntve proženja glede na začetek poztvnega oz. negatvnega snsnega polvala gonlne napetost, tj. s spremnjanjem velkost krmlnega kota α, lahko krmlmo (spremnjamo) velkost napetost na bremen n s tem td velkost toka. Napetost na bremen (nešrafran del na sl. 5.6.b) je del (zrez) snsodne gonlne napetost. α IKN S A1 α A2 A1 S A2 Slka 5.6: Krmljenje enofaznega zmenčnega toka s trstorskm nastavljalnkom: a) vezje, b) potek napetost n toka pr ohmskem bremen In ker je breme ohmsko, je take oblke td tok. Krmln kot α lahko spremnjamo od do 18 o el. Pr kot α= n»zreza«n sta napetost na bremen n tok maksmalna. Pr največjem zkrmljenj α=18 o el. po postaneta napetost n tok nč. To kaže td sl. 5.7.a: pr razlčno velkh krmlnh koth α se z snsode»zrezjejo«večj al manjš začetn del polvalov., c), a) b) α Slka 5.7: Potek napetost n tokov v vezj s sl. 5.6.a v odvsnost od razlčno velkh krmlnh kotov α pr razlčnh bremenh: a) ohmsko breme, b) mešano ohmsko-ndktvno breme, c) ndktvno breme, α α 77

7 Močnostna elektronka 5. Trstorska stkala n nastavljalnk azmere se zelo spremenjo, če breme n ohmsko. Na sl. 5.7.b n c so prkazane oblke toka za nekaj razlčnh vrednost krmlnega kota α za mešano ohmsko-ndktvno oz. za čsto ndktvno breme. Pr ndktvnem bremen je tok (t) podan z enačbo: ( t) = 2U ωl π sn 2 π sn α 2 U... efektvna vrednost gonlne snsne napetost ω = 2πf... krožna frekvenca f=1/t... frekvenca gonlne snsne napetost T... peroda gonlne snsne napetost Ta enačba velja za območje krmlnega kota 9 o α 18 o el. Tok (t) je torej sestavljen z snsnega toka, zmanjšanega za nek konstantn del, k je tem večj, čm večj je kot α. Kakor vsak ndktvn tok zaostaja td ta tok za snsno napetostjo za 9 o el., zato je td krmlno območje za krmln kot α takšno. Potemtakem so na sl. 5.7.c narsan tok le»kape«al vrščk neke snsne krvlje. T vrščk postajajo manjš, če se povečje krmln kot α od 9 o prot 18 o el. ne glede na velkost kota α pa so t»ndktvn«tok, kot vdmo, vedno premaknjen glede na snsno napetost U za 9 o el. Med tokovnm vrščk nastopajo breztokovn odsek: tok je preknjevan (trgan). Matematčno bolj zamotane razmere dobmo, če je breme mešano, npr. ohmskondktvno (sl. 5.7 b). Tedaj velja za tok (t) enačba: ( t) = 2 2U + ( ωl) 2 sn ( ) ( ) ( α ωl ϕ sn α ϕ e ) ωl ϕ = arctan Tok (t) n več snsen, nt n del snsode, temveč ga sestavljata neka snsna n enosmerna komponenta, k pada eksponencalno s časovno konstanto: ω = L Slka 5.8 kaže, kako se spremnja efektvna vrednost nesnsnega toka pr ohmskem (cos φ=1) n ndktvnem (cosφ=) bremen v odvsnost od krmlnega kota α. Ponovno vdmo, da je krmlno območje pr ohmskem bremen α 18 o el., pr ndktvnem pa 9 α 18 o el.. 78

8 Močnostna elektronka 5. Trstorska stkala n nastavljalnk I ef I def 1.8 (ndktvno).6 cosϕ=1 cosϕ= α [ ] Slka 5.8: Krmlna karakterstka zmenčnega trstorskega nastavljalnka toka Slka 5.9 kaže velkost efektvne vrednost zhodne napetost na ohmskem oz. ndktvnem bremen v odvsnost od krmlnega kota α. 1.8 U L U S α [ ] Slka 5.9: Krmlna karakterstka zmenčnega trstorskega nastavljalnka s sl.5.6: U L - efektvna vrednost napetost na bremen ( al L) v odvsnost od krmlnega kota α; U S efektvna vrednost gonlne snsne napetost 79

9 Močnostna elektronka 5. Trstorska stkala n nastavljalnk Trfazn trstorsk nastavljalnk Td v trfaznh sstemh lahko porabmo trstorska stkala za krmljenje toka oz. napetost na bremen. Podobno kot pr enofaznem prmer lahko td pr trfaznem analzramo razmere n napšemo strezne enačbe, vendar so razmere precej bolj zamotane n rezltat nepregledn. Slka 5.1 kaže statčno karakterstko za breme. Vdmo, da je krmlno območje pr ohmskem bremen α 15 o el., pr ndktvnem pa 9 α 15 o el. 1 I ef I def.8.6 cosϕ=1 cosϕ= (ndktvno) α [ ] Slka 5.1: Krmlna karakterstka za tok za trfazn nastavljalnk: I ef -efektvna vrednost bremenskega toka, I ef -največja efektvna vrednost bremenskega toka pr krmlnem kot α = (za ohmsko breme) oz. α = 9 o el. (za ndktvno breme). 8

10 Močnostna elektronka 5. Trstorska stkala n nastavljalnk Slka 5.11 kaže krmlno karakterstko za napetost za trfazn trstorsk nastavljalnk. 1.8 U L U S α [ ] Slka 5.11: Krmlna karakterstka za napetost za trfazn trstorsk nastavljalnk v vezav zvezda brez nčlovoda: U L - efektvna vrednost napetost na bremen: U S - efektvna vrednost gonlne snsne napetost 81