Dla sterowania bramkowego dużej liczby połączonych równolegle tyrystorów potrzebne są impulsy prądowe o bardzo dużej mocy chwilowej i bardzo krótkim czasie narastania czoła. Znane dotychczas tranzystory mocy nie są w stanie spełnić obydwu tych warunków równocześnie, gdyż tranzystory dużej mocy, przeznaczone do pracy impulsowej, charakteryzują się dosyć małą częstotliwością graniczną oraz długim czasem załączania (rzędu kilku us). Natomiast wymagania takie można spełnić stosując pomocniczy tyrystor w stopniu końcowym generatora impulsów (rys. 7.10). Wzmacniacz mocy impulsów sterowany jest napięciem wyjściowym wstępnego generatora impulsów GC przez diodę Zenera Dz. Kondensator C jest ładowany przez diodę Dl oraz rezystor 7?1 do napięcia równego amplitudzie napięcia zasilającego U_z.Działanie tego bloku jest następujące: napięcie piłokształtne, wytworzone w~ge^ neratorze PB i przyłączone do wejścia We, jest podawane przez tranzystor T3, diodę D i rezystor RA na wtórnik emiterowy, utworzony z tranzystora TA i rezystora R6~ Jeżeli chwilowa wartość napięcia wejściowego jest mniejsza niż napięcie U₁₀ dziel­nika R9—RIO, to tranzystory T3 i TA są zablokowane, a na wyjście Wy przez re­zystor R6 wprowadzany jest ujemny potencjał pomocniczego źródła napięcia U_z2 i napięcie wyjściowe utrzymuje się na poziomie —U_z2. W chwili, gdy wartość na­pięcia piłokształtnego przekroczy wartość napięcia porównawczego U₁₀, następuje odblokowanie tranzystora T3 i napięcie piłokształtne jest odwzorowywane przez wtórnik emiterowy TA—R6 na wyjściu Wy. Dopóki napięcie wejściowe u_we jest mniej­sze od nastawionego na dzielniku R7—RS napięcia U_s — określającego poziom górnego ograniczenia, to tranzystor Tl jest zablokowany. Potencjał bazy tranzy­stora T2 jest równy potencjałowi jego emitera i tranzystor Tl jest zablokowany.

Do sterowania niezbyt dużej liczby tyrystorów połączonych równolegle bądź szeregowo w poszczególnych gałęziach przekształtnika wystarcza tranzystorowy stopień mocy zapłonnika. Na rys. 7.9 pokazano schemat ideowy jednej fazy tran­zystorowego wzmacniacza mocy impulsów bramkowych GB. Napięciem wejściowym U_we dla wzmacniacza mocy impulsów jest sygnał wyjścio­wy U_wy ze wstępnego generatora impulsów GC. Napięcie to przez diodę Zenera Dzl steruje bazą tranzystora mocy TM. Napięcie wyjściowe U_wy otrzymuje się między dodatnim biegunem źródła zasilania U_z, a kolektorem tranzystora TM. Diody Dl i Dzl służą jako obwód rozładowania energii pola magnetycznego bram­kowego transformatora izolacyjnego po zablokowaniu tranzystora TM. Zastoso­wanie diody Zenera Dzl w obwodzie znacznie skraca czas gaszenia pola magnetycz­nego i umożliwia stosowanie tego zapłonnika również dla podwyższonej częstotli­wości pracy przekształtnika. Diody 7)3 i DA umożliwiają kojarzenie wyjść różnych faz zapłonnika na transformatorze izolacyjnym w celu otrzymania podwójnych impulsów bramkowych do sterowania przekształtnikiem w układzie mostkowym. Generator posiada wejście blokujące impulsy. Sygnałem zadającym blokady jest zamknięcie obwodu pokazanego na rys. 7.9 linią przerywaną. Wówczas obwód bazy tranzystora TM zostaje zwarty z emiterem przez diodę Dl i tranzystor ten pozostaje w stanie zablokowania.

Przykładowe dane techniczne:

napięcie zasilania                                                           +24 V

amplituda napięcia wyjściowego                                      24 V

prąd maksymalny impulsu                                             1,8 A

moc maksymalna impulsu                                              43 W

szerokość impulsu                                       ok. 5° el (300 us)

stromość czoła impulsu                                     ok. 0,25 A/us
częstotliwość graniczna impulsów
przy odpowiednio zmniejszonej szerokości   3000 Hz

Zdolność przeciążeniową charakteryzują  prąd niepowtarzalny szczytowy przewodzenia I_TSM — maksymalna wartość prądu sinusoidalnego przewodzonego jednorazowo przez tyrystor w ciągu 10 ms (jeden półokres). Wartość ta jest zależna od temperatury złącza i maleje z jej wzro­stem. Jest ona podawana najczęściej dla temperatury złącza 35°C i 115°C lub 125 C; graniczna całka cieplna i-iomsMożna dodatkowo zmniejszyć zawartość harmonicznych łącząc jedno z uzwojeń wtórnych w gwiazdę, a drugie w trójkąt. Przekształtnik staje się wówczas układem 12-taktowym. Podobną metodę stosuje się w sieciach zasilających większą liczbą układów tyrystorowych. Przekształtniki wyposaża się wówczas w transformatory z uzwojeniami pierwotnymi połączonymi częściowo w gwiazdę, a częściowo w trójkąt, dzięki czemu w odniesieniu do sieci instalacja zachowuje się jak układ 12-taktowy. Moce znamionowe przekształtników tyrystorowych jednofazowych dwutakto-wych stosowanych w przemyśle nie przekraczają zazwyczaj kilku kilowatów. Ich indywidualne oddziaływanie na sieć zasilającą nie stwarza poważniejszych proble­mów technicznych. Wyjątek stanowią przekształtniki tyrystorowe jednofazowe służące do zasilania silników trakcyjnych prądu stałego, zabudowane bezpośrednio na elektrowozach o mocy do kilku tysięcy kW.

Z powodu niskiej częstotliwości podstawowej składowej zmiennej napięcia wy­prostowanego całkowite wygładzenie prądu wyjściowego przekształtnika dwutakto-wego jest znacznie trudniejsze i wymaga znacznie większego dławika niż w przypadku układów 3- i 6-taktowych. Uwzględnienie falistości prądu wyjściowego utrudnia analizę wpływu przekształtnika na sieć, gdyż określenie dokładnego przebiegu prądu zasilającego jest w ogólnym przypadku złożonym problemem obliczenio­wym, który rozwiązuje się dla konkretnych wartości parametrów przy pomocy maszyny cyfrowej. Natomiast w przypadku całkowitego wygładzenia prądu wyprostowanego można korzystać z ogólnych zależności wyprowadzonych dla układów 3- i 6-taktowych. Wartości skuteczne wyższych harmonicznych prądu pobieranego z sieci oraz war­tości współczynnika harmonicznej podstawowej dla o? = 0 i q — 0 podano w tabl. 5.2. Oczywiście występują tylko harmoniczne nieparzyste. Kąt komutacji przy pełnym wysterowaniu przekształtnika (a = 0) oblicza sięz zależności przedstawiono wpływ diody rozładowczej na przesunięcie krzywych prądu i napięcia zasilającego przy upraszczającym założeniu, że prąd wyprostowany jest całkowicie wygładzony (L = oo) oraz kąt komutacji # = 0. Dzięki temu można przedstawić zależność w sposób przejrzysty. W układzie bez diody rozładowczej tyry­story Tl i T2 przewodzą od chwili, gdy wt = tx do chwili cot = oc+n. Kąt przewo­dzenia wynosi y = n,a kąt przesunięcia podstawowych harmonicznych prądu i na­pięcia ma wartość a. W układzie z diodą rozładowczą gałąź Tl—T2 przewodzi od cot = a do cot~n. Przez pozostałą część półokresu prąd odbiornika obciąża diodę rozładowczą D. Kąt przewodzenia tyrystorów wynosi — % —ot, a kąt przesunięcia podstawowych harmonicznych prądu i napięcia a/2. Uwzględnienie zjawiska komutacji i falistości prądu wyjściowego komplikuje proste zależności przedstawione na, lecz nie zmienia istoty zjawiska. W ukła­dzie z diodą rozładowczą kąt przesunięcia podstawowych harmonicznych prądu i napięcia przy danym stopniu wysterowania przekształtnika jest mniejszy niż w ukła­dzie bez diody

schemat do pomiaru charakterystyk załączania tyry­stora. Kondensator C o pojemności rzędu kilkuset uF jest ładowany przez diodę D i rezystor Rl, w dodatnim półokresie napięcia zasilającego. W następnym pół-okresie tyrystor T zostaje wyzwolony impulsem bramkowym z generatora impulsów GI i rozładowuje kondensator C. Na ekranie synchroskopu obserwuje się przebieg narastania prądu tyrystora oraz jego opóźnienie względem impulsu bramkowego. Przed właściwym pomiarem należy zmierzyć zależności czasowe między impul­sem napięciowym na wyjściu generatora impulsów a prądem bramki, mierzonym przy pomocy rezystora R_G. Szczególną uwagę należy zwrócić na to, aby połączenia obwodu rozładowywania kondensatora były możliwie krótkie i nie tworzyły pętli. Indukcyjność tego obwodu powinna być jak najmniejsza. Bocznik B oraz rezystor R_G, używane do pomiarów prądów powinny być rezystorami bezindukcyjnymi. Układ powyższy umożliwia pomiary czasu opóźnienia, czasu narastania i czasu załączania tyrystorów przy różnych wartościach prądu ustalonego oraz przy różnych parametrach impulsów bramkowych. Generator impulsów powinien wytwarzać impulsy o regulowanej amplitudzie, czasie trwania i regulowanej pochodnej nara­stającego zbocza prądu bramkowego. Jako drugą wielkość obserwowaną przy pomiarach procesu załączania przyj­muje się napięcie na tyrystorze. Napięcie to obserwuje się również na ekranie syn­chroskopu po odpowiednim przełączeniu przewodów pomiarowych.

W układach przekształtnikowych nawrotnych do sterowania prądami wyrów­nawczymi służą indywidualne regulatory i czujniki prądu, oddzielne dla każdego z dwóch przekształtników składających się na układ nawrotny. Wówczas regulator tego przekształtnika, który aktualnie przewodzi prąd obciążenia, służy jako regu­lator prądu obciążenia, a regulator drugiego przekształtnika służy jako regulator prądu wyrównawczego. Najczęściej utrzymuje się prąd wyrównawczy na poziomie wartości minimalnej. W szczególnych przypadkach, w celu uniknięcia pracy napędu w zakresie prądów przerywanych, zadaje się obydwu regulatorom prądu wspólny sygnał napięciowy jako wzorzec prądu wyrównawczego.

W celu całkowitego wyeliminowania prądów wyrównawczych wygasza się im­pulsy bramkowe sterujące tą grupą zaworów w przekształtniku nawrotnym, która aktualnie nie przewodzi prądu obciążenia. Do sterowania procesami wygaszania i załączania impulsów bramkowych wytwarzanych przez zespoły zapłonników służy człon blokady prądów wyrównawczych BW, którego schemat ideowy przedstawiono  Zasada działania członu blokady polega na tym, że jeżeli prąd przekształtnika zmaleje do zera na czas t_B (dłuższy niż czas trwania jednego taktu pracy przekształt­nika), to następuje zablokowanie impulsów dla tej grupy zaworów, która dotych­czas przewodziła prąd i odblokowanie grupy drugiej. Falowniki dostępne są w  sklep z falownikami Jeśli w odblokowanej grupie zaworów pojawi się prąd, to istniejący stan zostaje utrzymany aż do czasu zaniku prądu w tej grupie zaworów. Jeśli z jakichkolwiek przyczyn nie pojawi się prąd w żadnej z obydwu grup przekształtnika (np. gdy sygnał zadający prąd jest równy zero), to człon blokady znajduje się w stanie ciągłego próbkowania z okresem T_p = = 2t„ i kolejnego wygaszania i załączania na przemian obu grup zapłonników. Na wejściach członu blokady znajdują się dwa jednakowe dyskryminatory opóź­niające. W skład jednego wchodzą tranzystory Tl, T2, T3, TA, a w skład drugiego tranzystory T9, TIO, Tli i Tli. Sygnałami wejściowymi U_we są napięcia proporcjo­nalne do prądów w poszczególnych przekształtnikach. Jeżeli sygnał wejściowy, np. U_wel zmaleje do zera, to tranzystory Tl i T2 zostaną zablokowane i konden­sator Cl zacznie się ładować przez rezystory R5 i R6.

Większość urządzeń tyrystorowych — podobnie jak nowoczesna aparatura elektro­niczna innego rodzaju zbudowana z zastosowaniem elementów półprzewodnikowych — nie wymaga podczas normalnej eksploatacji specjalnej konserwacji i opieki. Okresowej kontroli wymagają jedynie wentylatory, filtry powietrza oraz obwody sygnalizacji stanów awaryjnych urządzenia. Pożądane jest również sprawdzenie — w kilkumiesięcznych odstępach — zamocowania tyrystorów w radiatorach oraz oczyszczenie przerw izolacyjnych w przekształtniku z kurzu i brudu. Najwięcej trudności przy eksploatacji i obsłudze urządzeń tyrystorowych sprawia zidentyfiko­wanie uszkodzenia w razie przypadkowej awarii lub określenie źródła zakłócenia powodującego nieprawidłową pracę. Przyczyny oraz umiejscowienie uszkodzenia mogą być bardzo różnorodne i trudne do znalezienia. Podstawowe informacje o źródle defektu lub zakłócenia można uzyskać obserwując przebieg awarii i sposób funkcjo­nowania urządzenia po jej zaistnieniu.

Uszkodzenia występujące w urządzeniach tyrystorowych można podzielić na dwie podstawowe grupy:

—    uszkodzenia lub nieprawidłowe działanie obwodu głównego przekształtnika’;

—    uszkodzenia lub błędne działanie układu sterowania przekształtnika. Uszkodzenia i zakłócenia w obwodzie głównym wiążą się bądź ze zniszczeniem

tyrystora, bądź jego nieprawidłowym funkcjonowaniem. Samo stwierdzenie, że tyry­stor znajdujący się w urządzeniu uległ zniszczeniu, jest z reguły dosyć proste. Wy­starczy za pomocą omomierza sprawdzić rezystancję anoda-katoda. Element uszko­dzony wykazuje rezystancję bliską zeru. Przed pomiarem należy całe urządzenie odłączyć od źródła zasilania.

Bezpośrednie przyczyny zniszczenia tyrystorów, to najczęściej:

—    Przekroczenie dopuszczalnej wartości napięcia blokowania lub wstecznego. Przyczyną może być przyjęcie zbyt małego współczynnika bezpieczeństwa podczas projektowania układu lub uszkodzenie w ochronie przepięciowej, np. przerwa w doprowadzeniu ochronnika.

—    Przekroczenie dopuszczalnej wartości prądu i przegrzanie struktury półprze­wodnikowej. Przyczyną może być zwarcie lub przeciążenie prądowe przy niewłaściwie dobranych środkach ochrony przetężeniowej, jak szybkie bezpieczniki topikowe, wyłączniki zwarciowe, lub błędnie działający układ automatycznego ograniczenia

Określenie typu tyrystora ze względu na dopuszczalną obciążalność prądową stanowi zwykle pierwszy etap doboru. Ponieważ stwierdzenie, czy dany tyrystor może pra­cować w określonych warunkach obciążenia prądowego, wiąże się ze sprawdzeniem nagrzewania się struktury złączowej, mówi się również w tym przypadku o doborze termicznym.

Obciążalność prądowa tyrystora nie może być w danych katalogowych podana w sposób jednoznaczny, np. za pomocą jednego parametru. Z reguły konieczne jest wykonanie obliczeń umożliwiających stwierdzenie, czy wstępnie wybrany z katalogu typ tyrystora przy określonym sposobie chłodzenia odpowiada założonym warun-

rozpływu prądu na wszystkie połączone równolegle tyrystory. Dotyczy to zarówno ustalonego stanu przewodzenia, jak również stanu przejściowego podczas załączania. Zasadniczą przyczyną nierównomierności rozpływu prądu w równolegle połączo­nych elementach jest rozrzut charakterystyk prądowo-napięciowych tyrystorów. Na rysunku 3.7 przedstawiono przebieg charakterystyk dwóch tyrystorów tego samego typu. Spadek napięcia na każdym z równolegle połączonych elementów jest taki sam, natomiast prądy przewodzenia tych elementów mogą znacznie różnić się między sobą. Przedstawione zjawisko jest niepożądane, prowadzi bowiem do niepełnego wyzyskania obciążalności prądowej tyrystorów. Projektując układ prze­kształtnika, w którym stosuje się równoległe łączenie tyrystorów, należy zadbać o to, aby wartość średnia prądu przewodzenia każdego z elementów półprzewodniko­wych nie różniła się o więcej niż 10% od wartości średniej prądu, który powinien przepływać przy równomiernym rozpływie prądu. Istnieje kilka sposobów zapewnie-

Jak wspomniano we wprowadzeniu, sposób wykonania zestawu tyrystorowego zależy od rodzaju układu i związanej z nim liczby tyrystorów. Decydujący wpływ na po­stać konstrukcji i montaż wywierają jednak takie parametry charakterystyczne, jak maksymalne napięcie i maksymalny prąd przepływający przez elementy przekształtnika. Szczególnie istotna jest przy tym wartość maksymalna prądu, gdyż od niej zależą budowa, rozmiary i sposób chłodzenia tyrystorów.

Stosowane rozwiązania konstrukcyjne można podzielić na grupy w zależności od mocy przekształtnika. W przypadku urządzeń małej mocy (nie przekraczającej 1 kW) z reguły wykonuje się przekształtnik wraz z elektronicznym układem steru­jącym jako jeden blok. Jeżeli to możliwe, ze względu na wartość napięć i prądów przekształtnika oraz stopień złożoności obwodu, montuje się małe tyrystory i diody wraz z niewielkimi radiatorami bezpośrednio ńa płycie, która zawiera elektroniczny obwód sterujący. Płyta taka musi mieć oczywiście dostateczną wytrzymałość me­chaniczną, co oznacza, że powinna być wykonana z laminatu o większej grubości niż w przypadku, gdyby zawierała jedynie elektroniczne obwody sterujące. W razie potrzeby płyta z obwodami energoelektronicznymi i elektronicznymi może być za­montowana w metalowej ramie usztywniającej konstrukcję, chroniącej przed uszko­dzeniami i ułatwiającej montaż we wnętrzu szafy sterowniczej, rozdzielni lub obu­dowie maszyny. Budowę tego rodzaju urządzeń tyrystorowych małej mocy przed­stawia przykładowy szkic na rys. 10.1. Jak widać, do doprowadzenia przewodów energetycznych, łączących przekształtnik z linią zasilającą i odbiornikiem, służą listwy z zaciskami śrubowymi. W podobny sposób dołącza się doprowadzenia zew­nętrzne do elektronicznych obwodów sterujących. Jeżeli urządzenie tyrystorowe małej mocy stanowi integralną całość (urządzenie laboratoryjne lub warsztatowe), to płytę montażową z kompletnym układem zamyka się w metalowej obudowie, zawierającej płytę czołową z manipulatorami (przyciskami i pokrętkami) oraz wskaź­nikami. Przykładem takiego rozwiązania jest urządzenie do ładowania akumulatorów.

W przypadku, gdy układ jest szczególnie prosty i zawiera niewielką liczbę ele­mentów, na których występują niewielkie straty mocy, wówczas przekształtnik z elektronicznym obwodem sterującym wykonuje się w postaci hermetycznie zam­kniętego bloku o doprowadzeniach lutowanych lub mocowanych w zaciskach śru­bowych. Inną metodą zabezpieczenia układu przekształtnika przed wpływami zewnętrznymi jest zalanie go żywicą. Typowymi układami, które wykonuje się bądź jako małe integralne moduły montowane we wnętrzu innych urządzeń, bądź w po­staci przenośnych urządzeń, są prostowniki sterowane jednofazowe oraz łączniki i sterowniki napięć przemiennych małej mocy.

W przypadku układów tyrystorowych o mocy kilku kilowatów (l-r-5 kW) i o bardzo złożonej strukturze stosuje się często konstrukcję panelową przekształtnika. Szkic takiej konstrukcji pokazano na rys. 10.3. W metalowej ramie mocuje się płyty, na których znajduje się osobno przekształtnik tyrystorowy oraz elektroniczne obwo­dy sterujące. W części przestrzeni ograniczonej ramą mogą być zamocowane — na specjalnych wspornikach — ciężkie elementy magnetyczne, takie jak transformato­ry czy dławiki. Cały panel jest zwykle instalowany w odpowiednim łożu szafy ste­rowniczej, rozdzielni lub obudowy maszyny, z którą urządzenie tyrystorowe współ­pracuje. Konstrukcja panelowa jest dogodna wówczas, gdy sterownia zawiera szereg jednakowych układów o identycznej konstrukcji. Możliwe jest wtedy szybkie usuwanie awarii przez wyjęcie uszkodzonego panela i zastąpienie go dobrym — re­zerwowym. Charakterystycznym przykładem zastosowania konstrukcji panelowej

Grupa pierwsza składa się z litery T (oznaczenie tyrystora) i następujących po niej dwóch cyfr. Pierwsza z nich oznacza rodzaj obudowy (0 — podstawa śrubowa, 1 — podstawa płaska, 2 — obudowa pastylkowa). Cyfra druga oznacza sposób wykonania elementu.’

Grupa druga, złożona z kilku cyfr, wyraża prąd graniczny tyrystora (maksy­malną dopuszczalną wartość średnią prądu przewodzenia tyrystora I_T(av)m)-

Grupa trzecia zawiera dwie cyfry i oznacza wyrażoną w setkach woltów wartość powtarzalnego szczytowego napięcia wstecznego U_RRM i powtarzalnego szczytowego napięcia blokowania U_DRM, czyli tzw. klasę napięciową tyrystora. W przypadku klasy napięciowej mniejszej niż 10 cyfra oznaczająca klasę jest poprzedzona zerem. maksymalnej temperatury struktury złączowej może posłużyć wzór (2.4), przy czym straty mocy występujące w tym wzorze są to straty średnie. Wpływ impulsowego przebiegu strat mocy na maksymalną temperaturę struktury złączowej jest uwzględ­niony w danych katalogowych przez odpowiednio skorygowaną wartość rezystancji termicznej R_thj__c. Jeżeli z powodu zmiennego obciążenia przekształtnika zmienia się wartość średnich strat mocy w strukturze złączowej, to konieczne jest uwzględ­nienie przejściowych stanów cieplnych. Na rysunku 2.46 przedstawiono przebieg temperatury w strukturze złączowej w przypadku, gdy wydzielające się w niej średnie straty mocy mają przebieg o kształcie impulsu prostokątnego. Wartość maksymalna temperatury T_jAf, która wystąpi w końcu przedziału czasu t_p, zależy od bezwładności cieplnej tyrystora wraz z radiatorem. Wartość temperatury T_jM nie może przekroczyć temperatury dopuszczalnej. Oznacza to, że niezbędna jest znajomość metod wyzna­czania temperatury struktury złączowej w stanach przejściowych. Jedną z metod jest korzystanie z wykresu impedancji termicznej. Wykres taki (rys. 2.47), wyznacza­ny eksperymentalnie przez producenta tyrystorów, umożliwia obliczenie przyrostu temperatury struktury złączowej po czasie t_p przy założeniu, że w tym czasie w struk­turze są wydzielane straty mocy o stałej wartości średniej. Na przykład temperaturę Tj w chwili t₂ (rys. 2.46) oblicza się ze wzoru3 Wyznaczanie temperatury złącza, na podstawie wykresu impedancji termicznej jest możliwe również w przypadku, gdy z powodu ograniczania strat mocy tempera­tura struktury złączowej maleje (rys. 2.48). Korzysta się wówczas z tzw. metody superpozycji. Metoda ta polega na tym, że wartość temperatury w czasie ochładza­nia złącza oblicza się jako sumę dodatniego przyrostu temperatury wywołanego grawerowanie nagrzewaniem złącza w czasie t₃—t_l oraz ujemnego przyrostu, który oblicza się