Belső kényszer kommutáció

A belső kényszer kommutációt olyan áramkörökben alkalmazzák, ahol a K teljesítmény kapcsolót tirisztor felhasználásával valósítják meg, [8], [11], [49], [50]. A fő tirisztor bekapcsolása egy a rácsra adott áram impulzus segítségével történik a rács-katód körben. Azonban a tirisztor csak félig vezérelhető, azaz a rácsáram segítségével csak bekapcsolni, kinyitni lehet. A oltásának, azaz kikapcsolásának vagy lezárásának további feltételei vannak azontúl, hogy a rácsáram csökkenjen nullára: nevezetesen a belső pozitív visszacsatolását csak úgy tudjuk megszüntetni, ha az anód-katód feszültségét is nullára csökkentjük. Ehhez meddő teljesítményre van szükségünk, amit egy energiatároló elemből nyerünk; ez általában egy kondenzátor, amit a tirisztoros kapcsolásokban oltókondenzátornak nevezünk.

Az 5.14. ábra egy jellemző tirisztoros kényszer kommutációs áramkört ismertet, ahol fő tirisztor oltását a C oltókondenzátor és a köré épített segédáramkör kényszeríti ki. A fő tirisztor oltásához vele párhuzamosan kell kapcsolni egy oltóáramkört, mely tartalmazza a C oltókondenzátort, az Ls

oltótekercset és a Ts oltótirisztort.

5.14. ábra. Teljesítmény tirisztor belső kényszer kommutációs oltó áramkörrel kiegészítve egyenáramú szaggatóban

Mivel a legtöbb belső kényszer kommutációs áramkör ugyanazt az oltási stratégiát alkalmazza, a Tp fő tirisztor oltására, ezért kicsit részletesebben tárgyaljuk ezt a folyamatot. Induljunk ki abból az állapotból, amikor a fő tirisztor vezetésben van, és a terhelés felé egy I nem nulla áramot szolgáltat, mely a bemeneti Ud egyenfeszültség-forrásból érkezik. Ha a simító fojtótekercs induktivitása nagy, akkor közel állandónak tekinthetjük az I áramot. Tegyük fel, hogy az átalakítás folyamata állandó kapcsolási frekvencia mellett történik, és TC/T kitöltési tényezőjű vezérlő jellel végezzük. Ebben az esetben a terhelés I áramának nagyságát a kitöltési tényező, Ud egyenfeszültség és az R terhelő

A terhelő köt villamos időállandóját az R terhelő ellenállás, és az L terhelő induktivitás határozza meg:

L

t = R (5.54)

A terhelés L induktivitásáról azt feltételezzük, hogy viszonylag nagy értékű, és ennek következtében a terhelés időállandója is nagy lesz, lényegesen nagyobb, mint a T kapcsolási periódusidő. A nagy időállandó miatt az f = 1/T működési frekvenciával változó kimenő feszültség ellenére a terhelés áram nem tud jelentős mértékben megváltozni (nem tud leesni, mialatt az impulzusszélesség-moduláció kikapcsolt szakaszában van az áramkör), ezért az I értékét a további vizsgálat során állandónak tekintjük.

Az 5.15. ábra mutatja a fő tirisztor zárása (oltása) során lezajló tranziens folyamatot jellemző feszültségek és áramok időbeli alakulását.

5.15. ábra. A fő tirisztor zárása (oltása) során lezajló tranziens folyamat, fent a Ts oltótirisztort bekapcsoló impulzus, középen a feszültségek, alul az áramok időbeli alakulása

Mivel a fő tirisztor vizsgálatunk kezdetén vezet, megalapozott a feltételezés, miszerint a rajta eső feszültség elhanyagolhatóan kicsi, és így az tápforrás Ud feszültsége megjelenik az átalakító kimenetén, a terhelésen. Induljunk ki továbbá abból a feltételezésből, hogy a kondenzátor a t0

időpillanatban, azaz kikapcsoló impulzus érkezésekor uC(t0) = UC1 negatív feszültségre feltöltött állapotban van:

( )

0 1 0

C C

u t =U < (5.55)

Az UC1 abszolút értéke közel van a tápforrás Ud feszültségéhez. Látni fogjuk, hogy célszerű lesz e feszültség értékét minél nagyobbra venni. Vizsgálatunk tehát a t0 időpillanatban kezdődik a fő tirisztor oltási folyamatának indításával az oltótirisztor bekapcsolásával. Megjegyezzük, hogy oltókondenzátor negatív feszültsége a Ts oltótirisztort a Tp fő tirisztoron keresztül, amely éppen vezet, nyitóirányban feszíti elő. A Ts oltótirisztor nyitásával működésbe lép a veszteségek nélkülinek tekintett Ls-C rezgőkör, mégpedig a 0 kezdeti tekercsárammal és UC1 kezdeti kondenzátor feszültséggel. A rezgőkör ω01 sajátfrekvenciája:

124

01 lezárását eredményezve. A korábban említett kezdeti feltételek mellett ennek az áramnak a formáját az alábbi időfüggvény határozza meg:

( ) ( )

1

( )

sin

(

01

(

0

) )

C Ts k m

i t =i t =i t =I

ω

t t− (5.57)

A kommutációs áram szinuszos lesz, amplitúdójának értékét a rezgőkör jellemző alapján írhatjuk fel:

1

Kirchhoff csomóponti törvényét a tirisztorok katódjai közötti pontra felírva megkapjuk a fő tirisztor áramának értékét:

( )

1

( )

Tp k

i t = −I i t (5.59)

Ahogy nő a kommutációs áram, úgy csökken a fő tirisztor árama, mindeközben azonban a terhelésen folyó I áram értékét továbbira változatlannak tekintjük. A t1 időpillanatban a kommutációs áram eléri a terhelés áramának értékét:

( ) (

0

(

0

) )

1 1 sin 1 1

k m

i t = =I I

ω

t −t (5.60)

Amikor a kommutációs áram eléri a terhelés áramát, és így a fő tirisztor árama nullára csökken, olyan helyzet áll elő, melyben a fő tirisztor le tud zárni (a belső pozitív visszacsatolás megszűnik). A megoldása. Hogy van-e megoldás, azt az arkusz szinusz függvény és az operandusa határozzák meg, ugyan az arkusz szinusz függvény csak a –1 és +1 közötti intervallumban értelmezett. Ha az Im értéke kisebb, mint I, akkor az I/Im tört értéke nem lesz 1-nél kisebb, más szavakkal az Im-nek nagyobbnak kell lennie I-nél ahhoz, hogy létre jöhessen a záróirányú kommutáció.

Minél kisebb az I/Im tört értéke, a t1 – t0 idő annál kisebb lesz, azaz a kommutáció annál gyorsabban megy végbe. Kiegészítő részleteket az oltókondenzátor feszültségének vizsgálatával tudunk megállapítani. Az oltókondenzátoron eső feszültség időbeli lefolyását az alábbi időfüggvény formájában írhatjuk fel, felhasználva, hogy kondenzátoron eső feszültség a kondenzátor áramának idő szerint integráljaként írható fel:

125

( ) ( ) ( ( ) )

Látható, hogy az oltókondenzátor feszültsége koszinuszosan változik. A kommutáció végén a kondenzátor feszültsége az alábbi értéket veszi fel:

( )

1 1cos

(

01

(

1 0

) )

C C

u t = −U

ω

t −t (5.63)

A kisülés mérték az alábbi alakban írhatjuk fel:

( )

tirisztor visszatérését. Ebből a megfontolásból a gyakorlatban a tervezés során az km = Im/I arányt 3 és 5 közötti értékre célszerű választani. Az arány megválasztásának függvényében tudjuk kiszámítani a szükséges oltótekercs induktivitásának értékét:

Az (5.57) által meghatározott függvényt deriválva vizsgálhatjuk az oltókondenzátor áramának meredekségét is, a meredekség a kommutáció elején lesz maximális. Ebből, figyelembe véve a felhasznált tirisztor katalógusadatait, megállapíthatjuk az oltótekercs induktivitásának elfogadható minimális értékét:

Az oltótirisztornak nagy árammeredekséget kell elviselnie a begyújtásakor ahhoz, hogy a fő tirisztor záróirányú kommutációja gyors lefolyású legyen. Visszatérve az 5.15. ábra értelmezéséhez, megállapíthatjuk, hogy a t1 időpillanatban, ahol a vizsgálatunkban tartunk, az oltótirisztor átvette a kimenő áram vezetését, a fő tirisztor lezárt, de még nem vált szabaddá (záróirányú visszatérés), ezért a kényszer kommutációs kapcsolási folyamatokat úgy egészében nem tekinthetjük befejezettnek. A kondenzátor kapcsain levő negatív feszültség, ahogy említettük, záróirányban fogja előfeszíteni a fő tirisztort, ami elfogadható, de a kimeneti kör kapcsain levő feszültség nem nulla, mi több, ennek a feszültségnek az értéke nő a t = t1 időpillanatban Ud+uc(t1) értékre és lezárja továbbra is a szabadon futó diódát. A terhelés az oltóköri tirisztoron keresztül most is a bemeneti tápforráshoz csatlakozik.

Egy újabb szakasz következik az áramkör működésében, amikor is az állandó terhelőáram kisüti az oltó kondenzátort és egy ellentétes egyenfeszültségre tölti át. Az áramkör működését ebben az esetben egy differenciálegyenlet írja le, mely mérnöki szempontból nem képez érdeklődést, mivel viszonylag nagy induktivitások miatt a folyamat lassú a kommutációs áramkör működési frekvenciájához viszonyítva, [11]. Következésképpen ahhoz, hogy a tervezés során is jól használható eredményeket kapjunk, elégséges, ha elfogadjuk, hogy ebben a működési szakaszban sem változik az áram jelentősen. A kondenzátor feszültségét a t1 időpillanatban Uc(t1) = Uc2-vel jelölve és állandó áramot feltételezve a differenciális számításokról véges differencia számításokra áttérve kapjuk:

126

( ) ( ) ( ) ( )

2 feszültség változásának összefüggését a kommutációs áramkör működésének ebben a második szakaszban

A kondenzátor kapcsain a feszültség nullává válik a t2 időpillanatban a következő összefüggés szerint:

2

2 1

C UC

t t

= − I + (5.69)

Ahogy nagyon jól látszik az 5.15. ábra középső grafikonján, eddig a pillanatig a fő tirisztor záróirányú előfeszítést kap a kondenzátor negatív feszültségének köszönhetően. Tehát az időintervallum

2

2 1

C UC

t t

− = − I (5.70)

nagyobb kell, hogy legyen, mint a fő tirisztor záróirányú visszatérési ideje. Itt általában egy 1,5-2-es biztonsági koefficienst szokás figyelembe venni. A terhelésen fellépő lehető legnagyobb áramot véve figyelembe egy t2 szabaddá válási idejű tirisztort feltételezve az oltókondenzátor kapacitásának méretezéséhez az alábbi egyenlet használható:

Amennyivel a felhasznált tirisztor gyorsabb és amennyivel a kondenzátor feszültsége nagyobb, annyival a kisebb kapacitású oltóköri kondenzátort alkalmazhatunk. A kondenzátor kapacitása azonban arányosan nő a kommutálni kívánt áram nagyságával. A kapcsoló áramkör előtervezésekor vagy előzetes méretezésekor az (5.71) kifejezésben figyelembe vehetjük, hogy a kondenzátor feszültsége közelítőleg megegyezik a bemeneti kör egyenfeszültségével. A korrekciókat megtehetjük később a funkcionális verifikációs során modellezéssel és szimulációkkal. Kihangsúlyozzuk, hogy az oltó kondenzátorok nem polarizált váltakozó áramú kondenzátorok, általában 20 μF alatti kapacitással. Működési élettartamuk kielégítő, de jelentősen csökken az üzemi feszültség növekedésével, ezért ezt a korlátozást a tervezés során ajánlatos figyelembe venni, mivel a kondenzátor képezi a legérzékenyebb elemet a kényszer kommutációs áramkörben. A t2 időpillanat után kezdődik a kondenzátor pozitív feszültséggel történő feltöltődése. Az (5.68) egyenlet szerint megállapíthatjuk azt a t3 időpillanatot, amikor a kondenzátor feszültsége eléri a bemenő Ud feszültség értékét:

( )

3 1 d C2

t t C U U

= + I − _(5.72)

Ez a folyamat függ a terhelő áramtól, mégpedig amennyivel nagyobb ez az áram annyival gyorsabb a kondenzátor feltöltődése. A t1-t3 időintervallumban a kommutációs kör kimeneti feszültsége zéróra csökken. Az energetikai számításoknál elfogadható, ha azt feltételezzük, hogy a kimeneti feszültség az Ud feszültség középértékén maradt, mintha mesterségesen meghosszabbítottuk volna a bekapcsolási időt. A t3 időpillanatban a szabadon futó dióda D katódja negatívvá válik és kinyit, átvéve az áramot

127

az oltó tirisztor áramköréből, mellyel a tirisztoros kommutátor lezárását véglegesnek tekintjük. Ezzel a kondenzátoros oltással megvalósított kényszer kommutációs áramkör vizsgálatát befejezettnek tekintjük, de néhány lényeges kérdésre azonban még reflektálunk kell. Ilyen például, hogy miként biztosítható a t0 időpillanatban a kondenzátor megfelelő polaritású kezdeti feszültsége? A legegyszerűbb esetben, ahogy azt az 5.14 ábra is mutatja, a fő tirisztorral párhuzamosan egy külső tekercset és diódát kapcsolnak. Amikor kezdődik a kommutátor bekapcsolása, a feszültség – mely most pozitív az oltókondenzátor kapcsain – a fő tirisztoron keresztül működésbe hozza egy félperiódus erejéig az La-C oszcillációs kört, amely félperiódus alatt a kondenzátor átpolarizálódik és felkészül a következő oltási folyamatra. Másodsorban vannak olyan részletek az előbbiekben ismertetett áramkörrel kapcsolatban, melyeket nem tárgyalunk ezen jegyzet keretei között.

Harmadsorban meg kell említeni, hogy a terhelő áram alatt változó időtartammal történő polarizálása az oltó kondenzátornak jelenti az áramkör legfőbb hátrányát. Ennek a hiányosságnak a megszüntetésére valamint a maximális feszültségen történő működtetés érdekében – amely nagyobb, mint az Ud feszültség – több mint tízféle megoldást fejlesztettek ki az évek során, melyek csak a kondenzátor feltöltési módjában különböznek a megfelelő oltási feszültség előállításához. Az áramkörök egyre komplexebbek, a külső tirisztorok száma nő. Az érdeklődők számára, akik gyakorlati megoldásokat is meg akarnak ismerni, nagyon részletes leírások találhatók az [5], [6], [7], [8], [10], [11], [47], [49], [50], [56], [57], [58], [82], [93] irodalmakban.

In document Korszerű teljesítményelektronika (Pldal 123-128)