Urządzenia półprzewodnikowe prądu przemiennego

Schemat ideowy i konstrukcja półprzewodnikowych urządzeń elektrycznych prądu przemiennego są określone przez przeznaczenie, wymagania i warunki pracy. Dzięki szerokiemu zastosowaniu, jakie znajdują urządzenia zbliżeniowe, istnieje wiele możliwości ich wdrożenia. Jednak wszystkie z nich można przedstawić za pomocą uogólnionego schematu blokowego, który pokazuje wymaganą liczbę bloków funkcjonalnych i ich interakcje.

Rysunek 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia półprzewodnikowego prądu przemiennego o konstrukcji jednobiegunowej. Zawiera cztery funkcjonalnie kompletne jednostki.

Zasilacz 1 z elementami ochrony przeciwprzepięciowej (obwód RC na rysunku 1) stanowi podstawę urządzenia przełączającego, jego korpusu wykonawczego. Można to zrobić w oparciu o tylko sterowane zawory - tyrystory lub za pomocą diod.

Projektując urządzenie na prąd przekraczający limity prądowe pojedynczego urządzenia, konieczne jest ich połączenie równoległe.W takim przypadku należy podjąć szczególne działania w celu wyeliminowania nierównomiernego rozkładu prądu w poszczególnych urządzeniach, który wynika z nietożsamości ich charakterystyk prądowo-napięciowych w stanie przewodzenia oraz rozkładu czasu załączenia.

W bloku sterującym 2 znajdują się urządzenia, które wybierają i zapamiętują polecenia pochodzące z układów sterujących lub zabezpieczających, generują impulsy sterujące o zadanych parametrach, synchronizują nadejście tych impulsów na wejścia tyrystorowe z momentami przekroczenia przez zero prądu w obciążeniu.

Obwód jednostki sterującej staje się znacznie bardziej złożony, jeśli urządzenie, oprócz funkcji przełączania obwodów, musi regulować napięcie i prąd. W tym przypadku jest on uzupełniony o urządzenie do kontroli fazy, które zapewnia przesunięcie impulsów sterujących o zadany kąt względem prądu zerowego.

Blok czujników trybu pracy aparatu 3 zawiera przyrządy pomiarowe prądu i napięcia, przekaźniki zabezpieczające do różnych celów, obwód do generowania poleceń logicznych i sygnalizacji położenia przełączenia aparatu.

Wymuszone urządzenie przełączające 4 łączy zespół kondensatorów, jego obwód ładowania i przełączające tyrystory. W maszynach prądu przemiennego to urządzenie jest zawarte tylko wtedy, gdy jest używane jako zabezpieczenie (wyłączniki).

Część zasilająca urządzenia może być wykonana według schematu z przeciwrównoległym połączeniem tyrystorów (patrz rysunek 1), w oparciu o symetryczny tyrystor (triak) (rysunek 2, a) oraz w różnych kombinacjach tyrystorów i diod (rysunek 2, b i c ).

W każdym konkretnym przypadku przy wyborze opcji obwodu należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: parametry napięciowe i prądowe opracowywanego urządzenia, liczbę zastosowanych urządzeń, długotrwałą obciążalność i odporność na przeciążenia prądowe, stopień złożoności obsługi tyrystorów, wymagania dotyczące wagi i rozmiaru oraz koszt.

Rysunek 1 — Schemat blokowy urządzenia tyrystorowego prądu przemiennego

Rysunek 2 — Bloki mocy urządzeń półprzewodnikowych prądu przemiennego

Porównanie bloków mocy przedstawionych na rysunkach 1 i 2 pokazuje, że największe zalety ma schemat z tyrystorami połączonymi antyrównolegle, który zawiera mniej urządzeń, ma mniejsze wymiary, wagę, straty energii i koszt.

W porównaniu do triaków tyrystory o przewodzeniu jednokierunkowym (jednokierunkowym) mają wyższe parametry prądowe i napięciowe oraz są w stanie wytrzymać znacznie większe przeciążenia prądowe.

Tyrystory tabletkowe mają wyższy cykl termiczny. Dlatego obwód wykorzystujący triaki może być zalecany do przełączania prądów, które z reguły nie przekraczają prądu znamionowego pojedynczego urządzenia, to znaczy, gdy nie jest wymagane ich połączenie grupowe. Należy pamiętać, że zastosowanie triaków pomaga uprościć układ sterowania zasilacza, musi on zawierać kanał wyjściowy do bieguna aparatu.

Schematy pokazane na rysunku 2, b, c ilustrują możliwość zaprojektowania urządzeń przełączających prąd przemienny za pomocą diod. Oba schematy są łatwe w zarządzaniu, ale mają wady ze względu na użycie dużej liczby urządzeń.

W obwodzie z rysunku 2, b, napięcie przemienne źródła zasilania jest przekształcane na napięcie pełnookresowe o jednej biegunowości za pomocą diodowego prostownika mostkowego. W rezultacie tylko jeden tyrystor podłączony na wyjściu mostka prostowniczego (w przekątnej mostka) staje się zdolny do sterowania prądem w obciążeniu podczas dwóch półokresów, jeżeli na początku każdego półokresu sterowanie impulsy są odbierane na jego wejściu. Obwód wyłącza się przy najbliższym przejściu przez zero prądu obciążenia po zatrzymaniu generowania impulsów sterujących.

Należy jednak pamiętać, że niezawodne wyzwalanie obwodu jest zapewnione tylko przy minimalnej indukcyjności obwodu po stronie prądu wyprostowanego. W przeciwnym razie, nawet jeśli napięcie spadnie do zera na końcu półcyklu, prąd będzie nadal płynął przez tyrystor, zapobiegając jego wyłączeniu. Niebezpieczeństwo awaryjnego wyłączenia obwodu (bez zadziałania) występuje również przy wzroście częstotliwości napięcia zasilającego.

W obwodzie pokazanym na rysunku 2 obciążenie jest kontrolowane przez dwa połączone ze sobą tyrystory, z których każdy jest sterowany w przeciwnym kierunku przez niesterowany zawór. Ponieważ w takim połączeniu katody tyrystorów są na tym samym potencjale, pozwala to na zastosowanie jedno- lub dwuwyjściowych generatorów impulsów sterujących ze wspólną masą.

Schematyczne schematy takich generatorów są znacznie uproszczone. Ponadto tyrystory w obwodzie, na rysunku 2, c, są chronione przed napięciem wstecznym i dlatego powinny być wybierane tylko dla napięcia przewodzenia.

Pod względem wymiarów, właściwości technicznych i wskaźników ekonomicznych urządzenia wykonane zgodnie ze schematami pokazanymi na ryc. 2, b, c są gorsze od urządzeń przełączających, których obwody pokazano na ryc. 1 c, 2, a. Niemniej jednak są one szeroko stosowane w automatyce i urządzeniach zabezpieczających przekaźniki, w których moc przełączania mierzona jest w setkach watów. W szczególności mogą być stosowane jako urządzenia wyjściowe układów kształtowania impulsów do sterowania blokami tyrystorowymi urządzeń o większej mocy.

Timofiejew A.S.