Hálózat oldali természetes kommutáció

A bemeneti hálózatról történő természetes kommutáció az első olyan módszer, melyet széles körben alkalmaztak a teljesítményelektronikai áramkörökben, [8], [10], [11], [49], [50], [56], [57]. Még ma is nagyon fontos módszer, annak ellenére, hogy az alkalmazásuk leszűkült az évek során a nagy és nagyon nagy teljesítményű átalakítók területére.

A vezérelt tirisztoros egyenirányítók és ciklokonverterek közkedvelt kommutációs típusa. A kommutációhoz szükséges energiát a konverter bemenetén megjelenő váltakozó feszültségű hálózatból nyeri. Ennek a kommutációnak megfelelő reprezentatív áramkört ismertette korábban az 5.4. ábra, ahol az elektromechanikus kommutátorokat teljesítmény tranzisztorok helyettesítik, ahogy az 5.7. ábra megfelelő részein látható.

A kommutációt azon sajátos esetben vizsgáljuk, amikor az áram a háromfázisú hálózat egyik ágáról a másikra kommutál. Evidens, hogy a harmadik fázisra történő kommutáció hasonlóképpen fog lezajlani. Az U1 és U2 feszültségek az (5.12) egyenletnek megfelelők, 120°-os fáziskéséssel közöttük.

Feltételezzük, hogy a simító fojtótekercs egy állandó I áramot biztosít a kimenő áramkörben. Továbbá feltételezzük, hogy a T1 tirisztor vezet és az I áramot az U1 feszültségforrás biztosítja.

Következésképpen a tirisztorok katódjai által formált csomópont és az 1-es csomópont között az egyenirányított U1 feszültség pillanatnyi értékét látjuk. Könnyen belátható az is, hogy a terhelés oldalon az L tekercs után a 2-es és 1-es csomópontok között egy sima egyenfeszültség lesz, mivel az I állandó áram a terhelés ekvivalens ellenállásán át folyik. Az áram kommutálása (átkapcsolása) az első forrás áramköréből a második forrás áramkörére most is az Uk kommutációs feszültség segítségével történik:

( )

2

( )

1

( )

sin

( )

k kmax k

u t =u t −u t =U

ω γ

t− _(5.17)

Ez éppen az U21(t) vonali feszültség, a konverter külső feszültsége, mely természetes úton áll a bemeneten rendelkezésre. Emlékeztetni szeretnénk a tisztelt olvasót, hogy a tirisztorok csak félig vezérelt kapcsolóelemek, melyeknél a vezérlő elektródán megjelenő impulzussal csak a begyújtás

111

idejét tudjuk megadni, a lezáráshoz az eszközön átfolyó áramot a tartóáram értéke alá kell csökkenteni valamilyen úton.

Tehát azt kell megértenünk, hogy a kommutációs feszültség hogyan képes ezt megoldani és állítsunk fel olyan matematikai modellt, mellyel a későbbi eseteket is tudjuk vizsgálni.

5.6. ábra. Bemenő hálózat oldali természetes kommutáció elvi áramköre

A lezajlódó folyamatok jobb megértése érdekében az 5.7. ábra részletezi a speciális tranziens állapotokat. Vegyük észre, hogy az Uk1(t) feszültség csak az A és A’ pontok által meghatározott intervallumban pozitív. Ezeket a pontokat természetes kommutációjú pontoknak nevezzük. Ha a vizsgált áramkörben a tirisztorok helyett diódák lennének, a folyamatok, melyeket vizsgálni kívánunk az A pontban kezdődnének, ekkor ugyanis az 1-es ág tápforrása nagyobb, mint a 2-es ágé. A tirisztorok alkalmazásának éppen az a nagy előnye, hogy a kommutációt az A és A’ pontok között bármikor mi indíthatjuk be. Érdemes azt is megjegyeznünk, hogy a tirisztorok késleltetett begyújtásával – amit fázisszabályozásnak is neveznek – az átalakított energia fluxust is kézben tudjuk tartani.

Tételezzük fel, hogy a T2 tirisztor vezérlő elektródájára a gyújtóimpulzust a t0 időpillanatban adjuk az A ponthoz képest. A természetes kommutációjú A pont és a tirisztorra adott gyújtóimpulzus közötti intervallumot, melyet villamos fokban mérnek, vezérlési szögnek nevezik és α-val jelölik. Ebben a pillanatban a kommutációs feszültség nyitóirányban feszíti elő a T2 tirisztort. A kommutáció elvének leírásakor bemutatott gondolatmenetet követve, mivel mindkét tranzisztor vezet, egy új áramkör lép működésbe, melyet kommutációs áramkörnek nevezünk, és amelyben a folyamatok az alábbi elsőrendű, nem homogén, állandó együtthatós differenciál egyenlet szerint zajlanak le:

( )

^{2 1}

5.7. ábra. Bemenő hálózati külső kommutáció tranziens folyamatának jelleggörbéi

Matematikából tudjuk, hogy a fenti differenciálegyenlet megoldásának három tagja lesz, egy a homogén egyenlet megoldása és kettő a jobb oldalon fellépő perturbációknak (gerjesztéseknek) megfelelő saját egyenlet megoldás komponensek.

( ) ( )

1 1

( )

2

( )

k f f

i t =i t +i t +i t (5.20)

A szabad komponens tag, melyet a homogén egyenlet megoldásából kapjuk az áramra nézve:

( )

melyben az áramkör impedanciáját és fáziskésését az alábbiak mutatják:

( ) ( )

Összegezve a három komponenst – az egy szabad és két saját megoldást – a kommutációs áramra az alábbi összefüggést kapjuk:

113

( ) ( )

¹

Az integrálási állandó meghatározásához feltételezzük, hogy a t0 időpillanatban a kommutációs folyamat kezdetéhez a kommutációs áram nulla:

( )

0 ⁰

(

0

)

¹

Szimpla algebrai átalakításokkal az integrálási állandók értékére kapjuk:

(

0

)

^{1 0}

A kapott eredményeket visszahelyettesítve az (5.26) egyenletbe, megkapjuk a kommutációs áram végleges formáját: modellezések és szimulációs kutatások során, de gyakorlati szempontból túl komplikált formája van, ami miatt érdemes egy sor egyszerűsítést tenni. Első sorban a kommutáció feszültséget vegyük viszonyítási alapul a fázis szempontjából, ami azt jelenti, hogy γk zár. Továbbá a kommutációs ellenállásokat egyforma értékűnek tekinthetjük, illetve el is hanyagolhatjuk a reaktanciákhoz (ω*Lk) képest. A kommutációs induktivitásokat is egyenlőnek tételezzük fel. Ezen feltételezésekkel élve a kommutációs feszültség és a kommutációs áram közti fáziskésés π/2-vé válik. Ebben az esetben a kommutációs áram formája sokkal egyszerűbb formát ölt:

( )

^kmax

(

^cos

( )

^{0 cos}

( ) )

A kommutáció ellenállások elhagyásával a kommutációs áramkör tisztán induktívvá vált, mely csak meddő (reaktív) energiacserét végez a kommutációs feszültségforrással. Éppen ebből a megfontolásból sok szakirodalmi hivatkozásban azt találni, hogy a kommutációhoz szükséges meddő teljesítményforrás a teljesítményelektronikai átalakító bemenetén található. Elektrotechnikából tudjuk, hogy a rövidzárási feszültség úgy van definiálva, mint a névleges üzemre jellemző induktív feszültségesés és az áramkör kapcsain levő névleges feszültség aránya:

N

Az esetek nagy többségében a fenti egyenlet megszorzódik 100-zal és az uSC-t százalékban adják meg.

A mi esetünkben a tápforrás induktivitása éppen a kommutációs induktivitásnak felel meg. Az UKmax

feszültség éppen a vonali feszültség amplitúdója. A teljesen ingadozásmentes I áramot a hálózat biztosítja. Mivel állandó áramoknál (v. négyszög formájú áramoknál) az amplitúdó és a névleges áram megegyezik az INhelyett a kimeneti kör névleges áramával dolgozhatunk IaN. Bevezetve a vezérlési szöget ωt0 helyett az (5.30) egyenletben egy még hasznosabb gyakorlati szempontból is alkalmazható formához jutunk:

A fenti egyenletben kγ a konverterre jellemző együttható, mely a bemeneti körről vett kommutációs energiával működik. A vizsgált áramkör esetében értéke:

2

k_γ = 6 _(5.33)

A kommutáció a t1 időpillanatban ér véget, amikor a kommutációs áram eléri a simítófojtó tekercs áramának értékét.

Ha a kommutáció idejét γ-val jelöljük és villamos szögben mérjük, akkor:

t1

Innen egyszerű átalakításokkal meg tudjuk határozni a kommutációs szög értékét:

arccos cos _sc

Megállapítható, hogy a kommutációs idő a kommutációs feszültség időbeli befolyásától, a tirisztor vezetési szögétől, a kommutált áram nagyságától, a bemeneti áramkör rövidzárási feszültségétől és a konverterre jellemző együttható értékétől függ. megfelelően a maximális vezérlési szögnél van egy kommutálási és egy visszatérési intervallumunk, mielőtt eltűnne a kommutációs feszültség.

Ha ez a feltétel nem teljesül a T1 tirisztor vezetésbe lendülhet nem várt módon. Az (5.30)-(5.38) összefüggések általános érvényűek és jól használhatók a bemenő hálózati kommutációjú egyenirányítók esetében.

A bemenő hálózati oldali külső kommutáció, melyet ebben a fejezetben tárgyaltunk egyszerű működésének, üzembiztonságának köszönhetően gyakran alkalmazásba került a teljesítményelektronikai átalakítók kialakításánál. Csak a kommutációs áramok megengedett maximális vezérlési szög be nem tartásával lehet negatív irányba befolyásolni a kommutációs áramkör működését. A módszernek azonban két hátrányos tulajdonsága is van. Az első, hogy a kialakításának köszönhetően a kommutációs áramkör csak egyféle irányt engedélyez a kimeneti áramkörben és a tápforrásban. A második hátrány, hogy a kommutált áramok alapharmonikusa fáziskésésben van a bemeneti feszültséghez képest és így torzultak. Ez utóbbi és tekintetbe véve, hogy az utóbbi időben az anyagi minőségére vonatkozó kritériumok sokat szigorodtak, nagyon behatárolják azoknak a teljesítményelektronikai átalakítóknak az alkalmazását, melyek külső kommutációt alkalmaznak.

115

In document Korszerű teljesítményelektronika (Pldal 111-116)