Střídavá polovodičová zařízení

Schéma a provedení střídavých polovodičových elektrických zařízení jsou určeny účelem, požadavky a provozními podmínkami. Díky širokému uplatnění, které bezkontaktní zařízení nacházejí, existuje široká škála možností jejich implementace. Všechny však lze znázornit zobecněným blokovým diagramem, který ukazuje požadovaný počet funkčních bloků a jejich vzájemné působení.

Obrázek 1 ukazuje blokové schéma střídavého polovodičového zařízení v unipolární konstrukci. Zahrnuje čtyři funkčně kompletní celky.

Základem spínacího zařízení, jeho výkonného orgánu, je napájecí jednotka 1 s prvky přepěťové ochrany (RC-obvod na obr. 1). Lze to provést na bázi pouze řízených ventilů - tyristorů nebo pomocí diod.

Při návrhu zařízení na proud překračující proudové limity jednoho zařízení je nutné je zapojit paralelně.V tomto případě je třeba přijmout speciální opatření k odstranění nerovnoměrného rozložení proudu v jednotlivých zařízeních, které je dáno neshodou jejich proudově-napěťových charakteristik ve vodivém stavu a rozložením doby zapnutí.

Řídicí blok 2 obsahuje zařízení, která vybírají a pamatují povely přicházející z řídicích nebo ochranných orgánů, generují řídicí impulsy s nastavenými parametry, synchronizují příchod těchto impulsů na tyristorové vstupy s okamžiky, kdy proud v zátěži překročí nulu.

Obvod řídicí jednotky se stává mnohem složitějším, pokud má zařízení kromě funkce přepínání okruhů regulovat napětí a proud. V tomto případě je doplněn o fázové regulační zařízení, které zajišťuje posun řídicích impulsů o daný úhel vůči nulovému proudu.

Blok snímačů pro provozní režim zařízení 3 obsahuje měřicí zařízení proudu a napětí, ochranná relé pro různé účely, obvod pro generování logických příkazů a signalizaci spínací polohy zařízení.

Nucené spínací zařízení 4 kombinuje kondenzátorovou banku, její nabíjecí obvod a spínací tyristory. U strojů na střídavý proud je toto zařízení obsaženo pouze v případě, že se používají jako ochrana (jističe).

Výkonová část zařízení může být provedena podle schématu s antiparalelním zapojením tyristorů (viz obrázek 1), na bázi symetrického tyristoru (triaku) (obrázek 2, a) a v různých kombinacích tyristorů a diod (obrázek 2, b a c).

V každém konkrétním případě je třeba při výběru varianty obvodu vzít v úvahu následující faktory: napěťové a proudové parametry vyvíjeného zařízení, počet použitých zařízení, dlouhodobou zatížitelnost a odolnost proti proudovému přetížení, stupeň složitosti manipulace s tyristorem, požadavky na hmotnost a velikost a náklady.

Obrázek 1 – Blokové schéma AC tyristorového zařízení

Obrázek 2 – Napájecí bloky střídavých polovodičových zařízení

Porovnání výkonových bloků na obrázcích 1 a 2 ukazuje, že největší výhody má schéma s antiparalelně zapojenými tyristory, které obsahuje méně zařízení, má menší rozměry, hmotnost, energetické ztráty a náklady.

Tyristory s jednosměrným (jednosměrným) vedením mají oproti triakům vyšší proudové a napěťové parametry a jsou schopny snést výrazně větší proudová přetížení.

Tabletové tyristory mají vyšší tepelný cyklus. Proto lze obvod s triaky doporučit pro spínání proudů, které zpravidla nepřekračují jmenovitý proud jednoho zařízení, tedy když není vyžadováno jejich skupinové zapojení. Všimněte si, že použití triaků pomáhá zjednodušit řídicí systém napájecí jednotky, musí obsahovat výstupní kanál na pól zařízení.

Schémata na obrázku 2, b, c znázorňují možnost konstrukce spínacích zařízení střídavého proudu pomocí diod. Obě schémata se snadno spravují, ale mají nevýhody kvůli použití velkého počtu zařízení.

V obvodu na obr. 2, b, je střídavé napětí zdroje energie převedeno na celovlnné napětí jedné polarity pomocí usměrňovače diodového můstku. Výsledkem je, že pouze jeden tyristor zapojený na výstupu usměrňovacího můstku (v diagonále můstku) bude schopen řídit proud v zátěži během dvou půlcyklů, pokud na začátku každého půlcyklu bude řízení na jeho vstupu jsou přijímány impulsy. Obvod se vypne při nejbližším překročení zatěžovacího proudu nulou po zastavení generování řídicích impulsů.

Je však třeba mít na paměti, že spolehlivé vypínání obvodu je zajištěno pouze při minimální indukčnosti obvodu na straně usměrněného proudu. V opačném případě, i když napětí na konci půlcyklu klesne na nulu, proud bude dále protékat tyristorem, což zabrání jeho vypnutí. Nebezpečí nouzového vypnutí obvodu (bez vypnutí) nastává i při zvýšení frekvence napájecího napětí.

V obvodu na obrázku 2 je zátěž řízena dvěma spolu spojenými tyristory, z nichž každý je ovládán v opačném směru neřízeným ventilem. Protože v takovém zapojení jsou katody tyristorů na stejném potenciálu, umožňuje to použití jednovýstupových nebo dvouvýstupových řídicích pulzních generátorů se společnou zemí.

Schématická schémata takových generátorů jsou značně zjednodušená. Kromě toho jsou tyristory v obvodu, na obrázku 2, c, chráněny proti zpětnému napětí, a proto by měly být vybrány pouze pro propustné napětí.

Pokud jde o rozměry, technické vlastnosti a ekonomické ukazatele, zařízení vyrobená podle schémat znázorněných na obrázku 2, b, c jsou horší než spínací zařízení, jejichž obvody jsou znázorněny na obrázcích 1 c, 2, a. Přesto jsou široce používány v automatizačních a reléových ochranných zařízeních, kde se spínací výkon měří ve stovkách wattů. Zejména je lze použít jako výstupní zařízení tvarovačů impulsů pro ovládání tyristorových bloků výkonnějších zařízení.

Timofeev A.S.