PE Falownik PWM AF-3060 GE Archiwum

PE Falownik PWM AF-3060 GE Archiwum

  Tyrystorowe falowniki koncernu GE z modulacją PWM z wymuszoną komutacją rodziny AF-3060 do zasilania silników asynchronicznych mają moc w przedziale 30-500 KW.

Falowniki tyrystorowe mają marną opinie i uchodzą za zawodne. Stąd wynika ich mała popularność. Nigdzie w świecie nie podjęto ich masowej produkcji. Model AF-3060 jest dojrzały i rzekomo w ogóle nie występują w nim problemy z komutacją tyrystorów.

Zajmijmy się wpierw samymi tyrystorami bowiem to wiele wyjaśnia. W falownikach z komutacją wymuszoną są stosowane „szybkie” tyrystory. Słowo „szybkie” to pojęcie umowne w skali czasu elektroniki gdy bramka procesora w technologi CMOS ma czas propagacji poniżej 1 ns a częstotliwość graniczna tranzystorków z Arsenku Galu wynosi kilkadziesiąt GHz. „Szybkie” tyrystory na duże napięcia mają czasy wyłączania tq ponad 100 us a więc są straszliwie powolne.

Tyrystory „szybkie” są domieszkowane złotem lub napromieniowane celem wprowadzenia defektu siatki krystalicznej dla szybkiej rekombinacji.

Tyrystor jest tym droższy im ma bardziej rozwiniętą bramkę.

-W przypadku bramki punktowej tyrystor ma największą gęstość prądu anodowego z jednostki powierzchni i może być wykonany najtańszą technologia. Bocznikowanie bramki rezystorem Rgk czy nawet ujemna polaryzacja bramki celem podniesienia krytycznej stromości narastania napięcia du/dt dają niewiele lub nic. Także forsowanie wyzwalania bramką niewiele daje. Tyrystory mają słabe parametry jeśli chodzi o krytyczną szybkość narastania prądu di/dt i zakłóceniowego, stromościowego załączenia du/dt. Łatwo je poznać w katalogu po małym dopuszczalnym prądzie bramki i stosunkowo dużym napięciu bramki.

-Bramka może być rozwinięta w różnym stopniu. Przy bramce średnio rozwiniętej w tyrystorach GATT ( Gate Assisted Turn off Thyristor ) bocznikowanie bramki lub jej ujemna polaryzacja mocno skracają czas wyłączenia tyrystora i polepszają tolerancje na efekt stromościowy. Złącze bramki G-K zachowuje się jak dioda. Tyrystory tolerują duży prąd bramki.

-Bramka najsilniej jest rozwinięta w tyrystorach GTO wyłączanych bramką. Są one drogie bowiem produkowane tak jak wysokonapięciowe tranzystory mocy

Czas wyłączania tyrystora tq rośnie wraz z temperaturą i jest tym większy im większy jest zmagazynowany w tyrystorze ładunek to znaczy im dłużej on przewodzi i im większy jest przewodzony prąd.

Najszybsze tyrystory asymetryczne ASCR produkowano dla układów odchylania poziomego w odbiornikach TVC. Tyrystory różnych producentów są niemal identyczne w parametrach. Tyrystor BT154 (Itav=5A, 750V) Philipsa ma jako tyrystor komutacyjny czas wyłączania 2.4 us a jako tyrystor wybierania 4.2 us co wynika z tego że czas okresu wybieranie jest znacznie dłuższy niż komutacji i tyrystor zgromadził większy ładunek. Czasy te podano przy polaryzacji bramki napięciem -25V przez opornik 62 Ohm.

Przy wysokiej temperaturze 110C i Vgk=0V krytyczna załączająca stromość napięcia wynosi 200V/us ale przy Vgk=-6V już 1000V/us. Choć nie użyto takiej nazwy są to tyrystory ASCR-GATT.

Przy zakłóceniu procesu komutacji, na przykład wyładowaniu w kineskopie, tyrystor w układzie odchylania zwiera zasilacz sieciowy. Zazwyczaj napięcie zasilania układu odchylania H-out w TVC wynosi 250 Vdc a sumaryczna oporność obwodu zwarcia kondensatorów elektrolitycznych prostownika sieciowego wynosi ponad 1 Ohm. Dlatego jego zdolność zwarciowa wynosi aż 250 A z rozładowującym kondensator impulsem o czasie ca 300 us. Impulsowa pojemność kondensatora elektrolitycznego prostownika jest znacznie mniejsza niż jego pełna „powolna” nisko - częstotliwościowa pojemność i tyrystory przeżywają bez problemu zwarcie. W tym czasie tyrystor elektronicznego sieciowego „bezpiecznika” na kilka okresów napięcia sieciowego odcina prąd ładowania kondensatorów z sieci. W „bezpieczniku” pracuje zwykły tyrystor i gdy już przewodzi to zostanie zablokowany dopiero w następnym półokresie napięcia sieciowego. Zatem ciężkość incydentu zwarciowego w układzie H-Out zależy od kąta napięcia sieciowego gdy ma on miejsce. Ochronny topikowy bezpiecznik sieciowy nie powinien zadziałać. Częstość wyładowań w kineskopie zależy od staranności jego technologii. Przyjmuje się że układ musi przeżyć określoną ilość wyładowań w kineskopie. Gdy tylko pojawiły się niedrogie tranzystory wysokonapięciowe do układów odchylania poziomego tyrystory porzucono.

Philips podaje ze jego tyrystory GTO (de facto traktowane jako GATT ale komutowane obwodem anodowym a nie wyłączane bramką ) mają czas tq poniżej 1 us a więc są niesamowicie szybkie.

Zwykły ( to znaczy nie szybki ale tq=35 us ) tyrystor BT152 Philipsa ma rozwiniętą bramkę co widać ze znacznej dopuszczalnej mocy i prądu podanego do bramki i krytycznej stromości narastania prądu 200 A/us ale przy szybkim i mocnym wyzwoleniu bramki. Z wykresu wynika że czułość wyzwalania rośnie z temperaturą i tak jest niestety z każdym tyrystorem. Bocznikowanie bramki rezystorem 100 Ohm powoduje w całym zakresie temperatur czterokrotne podwyższenie krytycznej stromości napięcia du/dt.

Szybki tyrystor BTW31 Philipsa (Itav=22A) toleruje stromość narastania prądu di/dt=100A/us i to przy prądzie bramki 1A. Oczywiście czułość wyzwalania tyrystora rośnie z temperaturą co skutkuje bardzo mocnym spadkiem odporności na wyzwalanie stromościowe du/dt zwłaszcza przy wysokim napięciu anodowym czyli dużym skoku napięcia. Czas wyłączania tyrystora tq silnie rośnie z temperaturą prądem anodowym i czasem przewodzenia

Straty energii podczas załączania tyrystora rosną wraz ze stromością prądu załączania i co gorsza są zlokalizowane w obszarze bramki co powoduje lokalny wzrost temperatury ze wszystkimi tego negatywnymi efektami.

Podsumowując. Zaburzenie wymuszonej komutacji może zajść przy:

-Przeciążeniu invertera. Impuls prądu komutacji jest z reguły 2-3 raza większy od największego dopuszczalnego prądu obciążenia i wyłączany tyrystor ma podane napięcie wsteczne przez czas dłuższy od tq w warunkach maksymalnego obciążenia

-Zbyt wysokiej temperaturze gdy czas tq znacznie wzrósł zwłaszcza przy dużych prądach. Tyrystor może nie zostać wyłączony lub po wyłączeniu z powodu małej odporności stromościowej du/dt będzie załączony zakłóceniowo.

-Przy zbyt słabym i wolnym wyzwalaniu bramki i dużej stromości załączania prądu di/dt mimo iż temperatura radiatora nie jest wysoka a tylko przegrzane są obszary bramki tyrystora.

Na schemacie pokazano tylko jedną fazę invertera AF-3060 i wspólny trójfazowy prostownik zasilający z filtrami LC. Tyrystory robocze mają antyrównoległe diody. Nie pokazano gasików RC obecnych przy każdym tyrystorze. Konfiguracja McMurraya jest typowa ale indukcyjność obwodów komutacji podzielono i zastosowano nasycane dławiki stromościowe. Uzyskano przez to:

-Marginalizacje strat dynamicznych spowodowanych stromością narastania załączanego prądu przez wszystkie tyrystory tym bardziej że są forsownie wyzwalane.

-Indukcyjność między tyrystorami w obwodzie głównym ogranicza dynamiczny prąd wsteczny wyłączanej diody antyrównoległej co daje spadek maksymalnego jej prądu i bardzo znaczny spadek stromości napięcia du/dt która może zakłóceniowo załączyć równoległy tyrystor.

Przy zakłóconej komutacji tyrystory mogą zewrzeć zasilanie z opłakanych skutkiem. Dlatego też zastosowano obwód awaryjnej komutacji L2+D2,C1'. Przy normalnej pracy dioda D2 nie przewodzi tylko przez pojedynczy % okresu PWM i inwerter jest normalnie zasilany. Przy niechcianym zwarciu indukcyjności szeregowe obu przewodzących tyrystorów plus kondensator C1' dają awaryjną komutacje. Jest ona tym gorsza im mniejsza jest wartość indukcyjności L2 dlatego przy dość dużej wartości L2 zastosowano tak przemyślany układ z diodą neutralizującą działanie dławika w stanie normalnym. Przekładniki prądowe pozwalają zdetekować sytuacje braku komutacji i zapobiec wyzwoleniu drugiego tyrystora półmostka co skutkuje zwarciem zasilania. Zwarcie i komutacje awaryjną detekuje kolejny przekładnik w obwodzie C1'.

Przy zwarciu momentalnie wyłączony jest wejściowy kontaktor podający trójfazowe zasilanie. System przeżyje o ile ograniczony jest prąd zwarcia sieciowego. Lepszym rozwiązaniem byłoby użycie trzech tyrystorów zamiast diod w mostku prostowniczym i ich blokowanie na wzór bezpiecznika elektronicznego w TVC.

N.B. Ochronę nad napięciową wykonuje układ Crowbar zwierający zasilacz. Do ochrony zwarciowej używany jest do zwarcia zasilacza i ochrony obiektu wyzwalany Spark Gap czyli przerwa iskrowa. Przykładowo tak chroni się zasilane wysokim napięciem klistrony mocy, które są okropnie drogie. Trójelektrodowy Spark Gap jest ładnym elementem w obudowie ceramicznej. Wyzwalający impuls na trzecią elektrodę SG podaje się transformatorkiem HV takim jak w lampie błyskowej z prostym układem z tyrystorkiem lub szybko narastający prąd zwarcia może płynąć jednym lub kilkoma zwojami tego transformatorka generując od razu impuls wyzwalający Spark Gap. Żywotność SG podana jest w Culombach płynącego prądu-ładunku a więc maksymalna rozładowana w czasie życia SG energia jest proporcjonalna do zwieranego napięcia. Elektrody SG dla trwałości mogą być wykonane z wolframu. Tolerowany prąd jest ogromny. Oczywiście zasilacz musi tolerować zwarcie.

Przy zwieraniu naładowanego kondensatora elektrolitycznego traci on powoli trwałość.

Inwerter PWM z komutacją wymuszoną ma liczne ograniczenia w sterowaniu co system sterowani musi uwzględniać. Ilość komutacji w półokresie napięcia wyjściowego jest tym mniejsza im wyższa jest częstotliwość napięcia i samo napięcie wyjściowe jako że stosowana jest reguła V/F=const. Pozwala to w pełni wykorzystać napięcie zasilania i możliwości invertera. Pełen zakres częstotliwości podzielono na 8 przedziałów. W przedostatnim przedziale w półokresie są tylko 2 komutacje a później silnik zasilany jest napięciem prostokątnym już bez modulacji PWM. Dwa symetryczne względem szczytu sinusoidy przy kącie Pi/2 przełączenia w półokresie pozwalają przy odpowiednim wyborze kątów dokonać eliminacji 5 i 7 harmonicznej. Eliminacja 3 harmonicznej jest niecelowa jako że triplens ( harmoniczne rzędu 3,6,9,12 .. ) kolejności zerowej nie występują z braku przewodu zerowego N w silniku. Im więcej jest przełączeń w półokresie tym więcej harmonicznych można eliminować odpowiednim doborem kątów.

Układ sterowania wykonano głównie na logicznych układach scalonych i standardowych wzmacniaczach operacyjnych . Podstawowy sygnał zadający częstotliwość ( i oczywiście napięcie ) jest cyfrowy ale istnieje też wejście analogowe.

Analiza schematu układu sterowania jest niecelowa jako że Philips scalił taki generator sygnałów PWM dla inverterów tranzystorowych i tyrystorowych w niedrogim i łatwym w aplikacji układzie VLSI typu HEF4750. W „Tirostornyje pieobrazowatieli czastoty w elektropriwodie, pod redakcją P/C. Sarbatowa, Energia,Moskwa 1980, na stronach 146-151 dano prawie identyczne fragmenty schematu z omówieniem i pomocniczymi wykresami.

Mankamentami inverterów tyrystorowych z wymuszoną komutacją są:

-Niska maksymalna częstotliwość modulacji PWM czyli przełączeń w półokresie napięcia wyjściowego

-Duże straty mocy na rezystorach gasików RC ograniczających szybkość zmian du/dt napięcia na tyrystorach

-Duża ilość gorących dławików przez które płyną bardzo duże impulsowe prądy komutacji i to częściowo niezależnie od wartości prądu wyjściowego dla silnika

-Inwerter jest duży, ciężki i drogi.

-Bez obwodu komutacji awaryjnej i dodatkowych przemyślanych i skoordynowanych zabezpieczeń tyrystory mogą ulec uszkodzeniu przy pierwszym zaburzeniu komutacji i zwarciu zasilania. Nawet jeśli nie ulegną uszkodzeniu to i tak ich parametry się pogarszają co ogranicza żywotność. Układ sterowania winien wznowić pracę po incydencie

-Tyrystory muszą mieć wydajne chłodzenie radiatorami jako że ich parametry wszechstronnie psują się ze wzrostem temperatury grożąc zaburzeniem komutacji. Radiatory są duże i dość ciężkie. Konieczne jest stosowanie wentylatorów a inwerter nie nadaje się do wysokiej temperatury otoczenia.

-W zasadzie tylko koncerny są w stanie opracować i wyprodukować w miarę niezawodne falowniki tyrystorowe. W USA są to General Electric, Westinghouse, Luis Alice. W Niemczech Siemens, w Japonii Toshiba i Mitsubishi. Złą opinie falowniki tyrystorowe zyskały dzięki pierwszym nieudanym wyrobom.