Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 72
W starzejącej, kurczącej i aglomeryzującej się Japonii sprzedaż samochodów w 2022 roku spadła do poziomu 54% rekordu z 1990 roku. Japonia uważa że ratunkiem przy starzeniu się społeczeństwa jest automatyzacja i robotyzacja.
Włochy toną. Obecnie mediana wieku we Włoszech wynosi prawie 48 lat. Włochy są obecnie najstarszym państwem Europy i drugim najstarszym na świecie po Japonii. W ciągu najbliższych 17 lat w wiek emerytalny wejdą roczniki liczące obecnie 15 mln ludzi !
W narracje o wielkiej automatyzacji i robotyzacji przestał wierzyć bardzo dobrze stojący technologicznie Tajwan. W ciągu najbliższej dekady chce przyciągnąć 400 tysięcy ludzi, aby wesprzeć swój przemysł. Nie ma zamiaru dłużej czekać na zapowiadaną od 30 lat powszechną robotyzację/automatyzację, która to podobno jest już tuż tuż za rogiem i ma być cudownym lekiem na kurczenie się i starzenie ludności w wieku produkcyjnym.
W technologii i tempie jej wdrażania, podobnie jak w demografii, chyba mamy koniec rozpoczętego w XVIII wieku wielkiego przyśpieszenia !
Była wcześniej okrutna powszechna nędza. Na koniec XVIII wieku w bogatej wtedy Francji umierał co 3 noworodek ! N. Harari: "Przez całe tysiąclecia kapłani, rabini i mufti tłumaczyli, że ludzie nie są w stanie własnymi siłami opanować głodu, zarazy i wojny. Potem pojawili się bankierzy, inwestorzy oraz przemysłowcy - i w ciągu dwustu lat udało im się właśnie to zrobić." Zapomniał o najważniejszych wynalazcach.
Chiny mocno pchnęły do przodu cywilizacje całej biednej Azji. Nawet skonfliktowanych z nimi Indii. Wreszcie w 2022 roku 99% populacji Indii miało dostęp do elektryczności. W 2000 roku było to tylko 59% a nawet w 2010 tylko 76% populacji.
Indie przyciskane przez Zachód zgodziły się na początku 2022 roku zamknąć aż 81 elektrowni węglowych ale z powodu wzrostu zapotrzebowania na energie nie zamkną ale będą remontować i modernizować. OZE zdecydowanie nie załatwiają sprawy.
W 2022 roku wartość indyjskiego eksportu była prawie dziewięć razy mniejsza niż chińskiego dając im 18 miejsce na liście największych światowych eksporterów ale są ósmym największym na świecie eksporterem usług. Indie mają jeden z największych deficytów handlowych w świecie a Chiny największą nadwyżkę.
W łańcuchach wartości dodanej Chiny mają rolę zdecydowanego lidera a Indie zarabiają mało.
Polska najwolniej w UE obniża emisje gazów cieplarnianych w energetyce i tym samym hojnie wspiera inne państwa UE w wysiłkach dekarbonizacyjnych. W 2022 roku na import praw do emisji CO2 wydaliśmy 33 mld zł. To ta zwana luka ETS. To największy deficyt w historii. Polska pula praw przydzielanych rządowi gratis przez KE jest coraz bardziej niewystarczająca i trzeba dokupować prawa do emisji za granicą. To tyle co roczny rachunek za import samochodów do naszego kraju. Polska środki ze sprzedaży uprawnień zamiast zainwestować to przejadła, roztrwoniła i rozkradła. Teraz trzeba płacić za to słony rachunek.
KE zatwierdziła powstanie ETS-2 czyli nowych eko-podatków na paliwa używane do ogrzewania budynków i w transporcie. Nikogo to nie zaskoczyło bo zapowiadano od lat.
Mądre kraje potrafią czerpać korzyści z globalizacji. Nie chcą się izolować. Chcą równoprawnego handlu a nie wojny. Nie chcą obcej kurateli. Kazachstan porzuca cyrylicę !
Zaufanie sprzyja wzrostowi gospodarczemu i obniża koszty transakcyjne przedsięwzięć gospodarczych. W krajach o niskim zaufaniu społecznym strony umowy muszą korzystać z formalnych instytucji i armii prawników aby zabezpieczyć się przed potencjalnym oszustwem drugiej stron. Gdy ryzyko jest duże nie dochodzi do transakcji. Wysoki poziom zaufania u Skandynawów jest wyższy o 40-50 % niż średnia światowa. To "nordyckie złoto". Kraje nordyckie charakteryzują się również niskim poziomem nierówności . "Im jesteś bardziej podobny do innych, tym bardziej możesz im zaufać". Wysoki poziom zaufania jest też silnie skorelowany z satysfakcją z życia i niską korupcją. Zaufanie do siebie mają też Chińczycy ! W tej mierze sytuacja w polskiej neokoloni jest zła.
W tym kontekście działalność Tajnych Współpracowników - konfidentów UB i SB w PRL oraz konfidentów ABW w obecnym para państwie należy ocenić jako bardzo szkodliwą.
Szwajcarska prasa ( luty 2023 ) podała że według odtajnionych archiwów szwajcarskich służb, obecny patriarcha Moskwy Cyryl w latach 70. pracował w Genewie pod pseudonimem Michajłow jako agent KGB. Abp. Sawa też ma agenturalną kartę. Także stąd taka szalona korupcja w Rosji !
W lutym 2023 w pierwszej trójce polityków, którym Polacy najbardziej nie ufają jest minister - oszust Zbigniew Ziobro, któremu nie ufa 67,8 % badanych, co i tak jest o 1,9 % lepszym wynikiem, niż w zeszłym miesiącu. Liderowi Prawa i Sprawiedliwości Jarosławowi Kaczyńskiemu nie ufa 61,3 % ankietowanych. Ostatnie miejsce na tym wstrętnym podium bezwstydu zajmuje Jacek Sasin. Ministrowi aktywów państwowych nie ufa 60,7 % biorących udział w badaniu.
Wielką Korupcje organizuje zgangrenowane państwo. W sensie socjologicznym system Wielkiej Korupcji w kleptokracji cechuje:
-monopol władzy
-uznaniowość decyzji
-brak rozliczalności
-koncentracja nadużyć w elitach gospodarczych i politycznych
-partykularyzm: rozdzielanie różnych zasobów publicznych, stanowisk, pieniędzy, zamówień publicznych w kręgu tych, którzy te elity gospodarcze wspierają
-systemowość to znaczy wbudowywanie tych wszystkich cech w sposób sprawowania władzy
Brak jest wiarygodnych danych o skuteczności systemów przeciwlotniczych ale prawdopodobieństwo zestrzelenia nowoczesną rakietą samolotu F-16 raczej przekracza 95 %.
Czołg, helikopter, samolot, lotniskowiec to bronie przeszłości.
Japonia wycofuje wszystkie swoje helikoptery bojowe. Zastąpią je drony. Brazylijski rząd w lutym 2023 zatopił właśnie lotniskowiec na wodach międzynarodowych. Lotniskowiec Foch kupiono od Francuzów w 2000 roku i dużym kosztem zmodernizowano. W 2005 roku zapalił się. W 2021 roku mieli go złomować Turcy ale "wycofali się". Hasło „lotniskowiec” przestało ich rajcować.
Pierwszym dorosłym samochodem hybrydowym świata była Toyota Prius w 1997 roku !
Toyota od dziesięcioleci przodowała w rozwoju technologii w samochodach, szczególnie EV. Toyota krytykuje teraz planowaną szybką elektryfikację transportu! Zarzuca się jej opieszałość jeśli chodzi o wdrażanie w pełni elektrycznych napędów do swoich aut. Za tym stoi jednak rozsądna filozofia firmy.
Gill Pratt, główny naukowiec Toyoty na Forum w Davos stwierdził, że świat podchodzi w nieprzemyślany sposób do elektromobilności. Producentom pojazdów oraz politykom zarzuca że nie patrzą długoterminowo. Oprócz deficytów kobaltu są jeszcze większe problemy z litem i innymi metalami. Naukowiec przedstawił ogromne problemy światowej gospodarki w kontekście niedoborów litu.
Toyota nie chce ograniczyć elektryfikacji. Koncern chce osiągnąć produkcję 3,5 miliona bateryjnych samochodów elektrycznych rocznie już do 2030 roku.
Toyota uważa, że w wielu regionach świata, gdzie infrastruktura nie jest jeszcze tak rozwinięta i ekologiczna jak w Europie Zachodniej, a ludzie nie mają łatwego dostępu do sieci ładowania, inne warianty elektryfikacji ( napędy hybrydowe ) jeszcze przez pewien czas będą dużo lepsze.
W Rosji masowa propaganda ogłupia społeczeństwo. Wiara we własne kłamstwa prowadzi do klęski. Władze Rosji doszły do wniosku że samooszukiwanie się i fałszowanie statystyki gospodarczej do jednak prosta droga do upadku. Wzrosła produkcja broni i trochę odzieży dla wojska. Reszta spadła na pysk ! Zachodnie sankcje działają powoli ale bardzo skutecznie !
To niegodne i niemoralne transfery - brakuje pieniędzy na psychiatrię dziecięcą, na zajęcia pozalekcyjne, na remonty szkół.
Najlepsi nauczyciele mają duży pozytywny wpływ za całkowite życiowe wynagrodzenia uczniów i studentów. Słabi nauczyciele mają negatywny wpływ.
Przy bardzo wysokich cenach gazu ziemnego w Europie we wrześniu 2022 produkcja mocznika spadła o 78%, azotanów o 53%, amoniaku o 70%. Po spadku cen gazu, produkcja nawozów wzrosła ale brak jest jeszcze danych o ile.
Świadomość sytuacyjna człowieka jest ogromnie ważna. U Mercedesa 1200 inżynierów i naukowców pracuje na tym aby samochód przyszłości sam się prowadził.
Gdy ZSRR uznał się za pokonanego w Zimnej Wojnie i postanowił wycofać z zewnętrznego pasa imperialnego, nomenklatury demoludów przyznały że nie umieją rządzić i teraz kraje zbawiać będą Boscy Inwestorzy z Zachodu. Premier Morawicki powiedział że Polska jest czyjąś zagraniczną własnością.
PKB uległo zwyrodnieniu. Do PKB wpisuje się m.in. wynagrodzenia urzędników. Istoty dwunożne i dwuręczne szwendające się po zabudowie sejmu „tworzą” PKB. Rozsądniej byłoby odejmować od PKB wyłudzone przez nich od podatnika pieniądze ! Jak urzędnicy dostają podwyżkę to PKB rośnie. Wszystkie koszty sektora publicznego to koszta pompujące PKB ! Im niegospodarniej tym większe PKB.
Duży udział Bezpośrednich Inwestycji Zagranicznych w gospodarce ogranicza lub likwiduje suwerenność kraju przyjmującego kapitał. To jest cena jaką płacą kraje peryferyjne za pseudo „modernizację” gospodarek. Duży udział zagranicy w gospodarce uwrażliwia nadmiernie kraj na zewnętrzne impulsy koniunkturalne. W 2021 roku przedsiębiorstwa zagraniczne tworzyły rekordowe 79 % PKB Portugalii ! Na Maderze ( województwo maderiańskie Portugalii ) usłyszeliśmy że dopóki Unia nie zrobiła porządku i sypnęła groszem i nie przybył zachodni kapitał to była straszna bieda i prymitywizm a tam wszystko co jest normalne to faktycznie obcy kapitał nawet jak nazwa na to nie wskazuje. Wszyscy wolą pracować u obcego kapitalisty bo dużo lepiej płaci i lepiej traktuje pracowników. Ludzie ukrywają fakt pracy w rodzimej firmie bo to stygmatyzuje ! W Polsce programiści w swoim CV ukrywają to że pracowali w krajowym Asseco bo to stygmatyzuje !
„Harmoniczne i moc bierna”: Tyrystor energetyczny.
„Sygnały przetwarza się metodami analogowymi i cyfrowymi. ITT wyszedł w 1982 roku przed szereg z zestawem układów do szybkiego cyfrowego przetwarzania sygnałów Video i Audio do odbiornika TVC ale panuje dobrze argumentowany pogląd że będzie coraz więcej cyfrowego przetwarzania sygnałów. Jednocześnie NEC wypuścił pierwszy komercyjny mikroprocesor sygnałowy różniący się od zwykłych procesorów m.in. szybkim jednocyklowym mnożeniem z dodawaniem. Jak dotąd prawo Moore'a sprawdza się doskonale. Zatem mózg systemów raczej będzie cyfrowy.
Na drugim biegunie są mięśnie czyli wykonawcy czy energoelektronika, której perspektywy wyglądają znakomicie.
Pierwsze półprzewodnikowe diody mocy wyprodukowano w 1952 roku. Początkowo metalowo – szklana lub metalowo - ceramiczna obudowa była tańsza od chipa ale wraz z ulepszeniem technologi mikroelektronicznej sytuacja się zmieniła. Późniejsze zastosowanie do diod krzemowych plastikowych obudów umożliwiło obniżenie ceny i prawdziwie masową ich produkcje. Do perfekcji doprowadzono też doskonałe i tanie szklane obudowy dla diod sygnałowych.
Rewolucyjna seria plastikowych sieciowych (czyli w znaczeniu nie szybkich ) diod 1N400X Motoroli zrobiła ogromną karierę. Pod tą lub inną nazwą produkowane są one masowo w całym świecie. Światową karierę zrobiła też identyczna technologicznie mocniejsza seria plastikowych diod 1N540X na prądy 3 A. Mają one prąd zwarciowy aż 180 A. Diody 1N400X i wszystkie inne diody mocy, są rodzaju PIN ( dwie dyfuzje ) dlatego że proste złącze p-n uniemożliwia uzyskanie jednocześnie dużej gęstości prądu i wysokiego napięcia wstecznego. W diodzie PIN słabo domieszkowana środkowa Baza ma z jednej strony mocno domieszkowany zewnętrzny obszar p+ a z drugiej obszar n+. Baza odpowiada za duże napięcie wsteczne a obszary zewnętrzne za małą oporność przewodzenia czyli dużą gęstość prądu. Generalnie im grubsza jest Baza tym większe napięcie wsteczne ale mniejszy maksymalny prąd i większy czas odzyskania zdolności zaworowej Trr. Stosowana jest baza n lub p ale szybkie diody o miękkim wyłączaniu maja bazę typu n. Chip diody 1N400X , jednego z koncernów, waży tylko 93 mikrogramy i przy zakupie powyżej miliona sztuk kosztuje 2 centy z dolara USA za sztukę. Automatyczny montaż tej diody w obudowie jest bardzo wydajny. Szczelny pomysłowy test gotowej diody trwa znacznie mniej niż 0.5 sec a w tym jest czas na umieszczenie diody w uchwycie pomiarowym i czas na usunięcie z niego diody i skierowanie diody wadliwej do odpadów a sprawnej do grupy napięciowej. Szybkość pracy współpracującej wykonawczej mechaniki jest tak duża że trzeba ją obserwować na filmie w zwolnionym tempie. Mierzony jest spadek napięcia na diodzie przy prądzie 30 A a następnie upływ i napięcie przebicia gorącego jeszcze chipa !
Diodę 1N400X można zresztą w zakresie RF użyć jako diody PIN !
Technologia epitaksjalna umożliwia zastosowanie idealnego profilu dyfuzji i wraz z domieszkowaniem złotem lub platyną produkowanie diod Ultra Fast na napięcia do 200 V o czasie odzyskania zdolności zaworowej trr 25 ns a nawet mniejszym. Diody epitaksjalne są jednak dużo droższe ( cena zbliżona do prostego tranzystora mocy o takiej samej powierzchni chipa ) ale w nowoczesnych „gęstych” (chodzi o gęstość mocy na cm3 objętości ) zasilaczach impulsowych i inverterach są one niezastąpione. Udział w całej światowej produkcji diod Fast i Ultra Fast szybko rośnie
Zastosowania energoelektroniki ciągle się rozszerzają. Tabele Westinghouse wzięto z niezbyt aktualnego już katalogu. Część zastosowań wynika tylko i wyłącznie z braku alternatywy dla klucza mocy. Ale na przykład tyrystor do inverterów PWM bardzo słabo się nadaje i stąd niewielka ich popularność. Invertery do serwo silników prądu zmiennego w maszynach CNC i robotach budowane są na wysokonapięciowych tranzystorach jako kluczach.
Gdy się nie ma co się lubi to się lubi co się ma...
Popularyzacji tyrystora służyły udane książki autorstwa pracowników koncernu General Electric.
Tyrystory mocy dość szybko wyparły tyratrony mocy ze sterowników fazowych.
Chip tyrystora o tej samej powierzchnie co diody jest na prąd ca 70% prądu diody. Tyrystor ma też z reguły tylko 70% maksymalnego napięcia blokowania co dioda napięcia wstecznego. Zatem tyrystor ma połowę mocy diody w takiej samej obudowie z chipem tego samego rozmiaru. Tyrystor „szybki” ma zaś zwykle połowę mocy tyrystora standardowego do sterowania fazowego.
Do Sterowników Fazowych używa się „zwykłych” tyrystorów a do Inverterów „szybkich” tyrystorów.
Zmniejszenie czasu wyłączania Tq i czasu odzyskania zdolności zaworowej Tr uzyskuje się dotowaniem złotem i napromieniowaniem oraz „zwieraniem” emitera / emiterów rezystorami. Im wyższe jest maksymalne napięcie tym tyrystor jest wolniejszy - identycznie jak diody. Tyrystory są jednak powolne. W szybszym tyrystorze asymetrycznym ASCR także emiter od strony anody jest zbocznikowany monolitycznym rezystorem. Najszybsze asymetryczne tyrystory produkowano do układów odchylania poziomego H-Out odbiorników TVC. Sprawność tyrystorowego układu H-Out jest jednak znacznie gorsza niż układu tranzystorowego i jest on bardziej skomplikowany co było powodem wyjścia tu tyrystorów z użytku. W tym zastosowanie podobnie jak w każdym inverterze ujawnia się najgorsza wada tyrystora – gwałtowne psucie się jego parametrów wraz z temperaturą.
Gdy damy w systemie H-Out przewymiarowany tyrystor i dobre jego chłodzenie to względnie małe mogą być straty w gasiku RC obniżającym stromość narastania napięcia du/dt na tyrystorze komutacyjnym i straty będą małe i odwrotnie. Czyli niskostratny układ z szybkimi tyrystorami nie może być gorący ! Stąd tak ważne jest bardzo dobre chłodzenie tyrystorów optymalnymi w projekcie radiatorami.
Dla polepszenia tolerancji szybkiego narastania prądu (co jest istotne w Inverterach ) stosowano rozwiniętą bramkę i bramkę dynamiczną. Oba te rozwiązania komplikują ( komplikuje także tyrystor asymetryczny ) technologie produkcji i blokując część powierzchni zmniejszają gęstość prądu czyli w końcu mocno podwyższają cenę mocy tyrystora. Dalszą komplikacją jest fototyrystor z bramką dynamiczną wyzwalany światłem podanym izolującym światłowodem. Fototyrystor wielkiej mocy potrzebuje do wyzwalania impulsu światła o mocy ponad >1000 razy większej ( circa 100 mW ) niż używany do cyfrowej transmisji informacji. Zatem fototyrystor wielkiej mocy to melodia przyszłości po opanowaniu konstrukcji półprzewodnikowych laserów średniej mocy do taniej, masowej produkcji.
Czas narastania prądu załączonego bramką tyrystora i czas opadania prądu wyłączanego bramką tyrystora GTO są podobne jak czasy wysokonapięciowego tranzystora mocy o takim samym napięciu. Ale po szybkiej fazie opadania prąd w wyłączanym GTO następuje mocno stratne powolne przeciąganie prądu w GTO.
Natomiast czas Tq wyłączenia tyrystora jest szokująco długi i rośnie z nominalnym napięciem.
Czasy On/Off tranzystora Mosfet mocy mogą być rzędu 10 ns. Tyrystory są więc szokująco wolne i w dużych jednostkach wysokonapięciowych Tq wynosi 500 us a nawet więcej !
Dużo droższy jest tyrystor wyłączany bramką GTO. Szczególnie trudny jest sterownik dla niego dostarczający potężny wyłączający prąd bramki. Występujące w GTO przeciąganie prądu anodowego powiększa straty dynamiczne i GTO pracują tylko do częstotliwości kilkuset Hz. Szybkość narastania napięcia anodowego przy wyłączaniu musi być ograniczona snubberem RC lub RCD co dalej zwiększa straty mocy w Inverterze.
W popularnej „plastikowej” obudowie TO220 tyrystory ( nie szybkie ) mają prąd do 25 A
a w obudowie TOP3 do 40 A. Europejskie i amerykańskie koncerny mikroelektroniczne nie produkują diod i tyrystorów dużej (>100A, metalowo - ceramiczna obudowa śrubowa a większe obudowa dyskowa oraz moduły w różnych konfiguracjach) mocy pozostawiając to koncernom specjalistycznym jak General Electric, Westinghouse i International Rectifier w USA. Niemiecki Siemens i francuski Thomson są tu częściowymi wyjątkami. Natomiast mikroelektroniczne koncerny Japonii często produkują diody i tyrystory mocy.
Średnica krzemowych krążków z których produkuje się „wafla” układów scalonych lub elementów dyskretnych cały czas rośnie i prądy tyrystorów dalej cały czas rosną. Rosną też napięcia.
Na wykresach dla niewielkiego szybkiego tyrystora BTW30 pokazano:
-Jak szybko maleje krytyczna ( w normach określona eksponencjalna ) stromość narastania napięcia blokowanie w funkcji temperatury
-Jak maleje ta krytyczna stromość narastania napięcia blokowanie w funkcji napięcia przy maksymalnej temperaturze
-Ja rośnie czas wyłączania Tq ze wzrostem prądu i temperatury i malenie napięcia wstecznego.
-Jak rośnie czułość wyzwalania bramką ze wzrostem temperatury
Na kolejnych wykresach pokazano:
-Jak rośnie energia strat na jedno załączenie w funkcji prądu i jego stromości narastania oraz napięcia a po uwzględnieniu częstotliwości dają moc strat
-Jak rośnie energia strat na jedno wyłączenie w funkcji prądu i jego stromości narastania oraz napięcia a po uwzględnieniu częstotliwości dając moc strat
Gdy więc w generatorze impulsu piorunowego do testowania systemów nN użyjemy tyrystora wysokonapięciowego lub kilku połączonych szeregowo to kondensator gromadzący energie rzędu 500 J musi być względnie szybko ładowany i natychmiast rozładowany. Algorytm działania musi wykluczyć trzymanie kondensatora z napięciem.
Ręczny pomiar parametrów statycznych i dynamicznych tyrystorów z użyciem miernika i oscyloskopu oraz wielu ręcznych iteracji jest stosunkowo prosty ale okropnie czasochłonny wymagając m.in. odczytu z oscyloskopu i wielu iteracji. Producenci mikroelektroniki omawiają układy pomiarowe, które w końcu stają się państwowymi normami jak PN. Interesujące rozwiązania przynosi naukowo – techniczna literatura niemiecka podając nawet schematy kompletnych nie - automatycznych przyrządów.
Oczywiście we współczesnej produkcji nie ma 20 minut czasu na zmierzenie parametrów jednego wyprodukowanego tyrystora mocy i dowolności odczytu z ekranu oscyloskopu. Natomiast rozwiązania stosowane w automatycznych i już często skomputeryzowanych systemach są albo patentowane ( bez publikacji treści ) albo jeszcze lepiej nieomawiane jakby w ogóle ich nie było.
Autor opracował względnie prosty system ( docelowo do automatyzacji produkcji ) współpracujący z mikrokomputerkiem ZX Spectrum. Zastosowano w nim własne metody nie publikowane. Może tez pracować bez mikrokomputera mając przy tym zdumiewająco użyteczne właściwości. Można na przykład dydaktycznie tyrystor nagrzewać i na bieżąco automatycznie śledzony jest prąd wyzwalania bramki a nawet prąd podtrzymania !
N.B. Patenty dotyczące wzbogacania uranu oraz broni termo-jądrowej są dalej utajnione i nie publikowane.
Tyrystor wysokonapięciowy musi mieć ukosowane brzegi dysku co odkryła szwedzka ASEA. Ukosowanie i inne konieczne zabiegi zmniejszają jednak efektywną dla prądu powierzchnie chipa.
Moc tyrystora z chipem o średnicy 33 mm rośnie do napięcia blokowania 2000 V a potem spada ! Ale w przedziale napięcia 1500-3000 V moc jest mniejsza od maksymalnej tylko o około 14%.
Moc tyrystora z chipem 44 mm rośnie do napięcia 2000 V i taka pozostaje ze wzrostem napięcia.
Moc tyrystora z chipem 60 mm szybko rośnie do napięcia 1500 V a dalej rośnie coraz wolniej.
Przykładowo tyrystory Westinghouse najmocniejszej standardowej ( mocniejsze są produkowane na zamówienie i nie dla każdego ) rodziny T9G0 ( z dynamiczną bramką i dość dużym krytycznym di/dt i du/dt, średnica chipa średnica chipa 50 mm ) do sterowania fazowego w obudowie dyskowej o średnicy 67 mm do napięcia 1600V mają Iav=1200 A ( Irms=1880 A ), do 2300 V, 1000 A i do 3000 V prąd 800 A. Tyrystory T9G0 są znacznie nowocześniejsze niż kupione w licencji dla Polski.
Polska niepotrzebnie kupiła od Westinghouse licencje na diody i tyrystory mocy ( technologie te opanowano już wcześniej w Czechosłowacji i w ZSRR ) ale nie są produkowane konieczne elementy towarzyszące w systemie energoelektroniki !
Moc specjalnego rezystora snubbera RC do największego tyrystora wysokonapięciowego sięga 500 W. Dla kompaktowości jest on przy okazji chłodzony wodnym radiatorem tyrystora. Niewiele światowych firm produkuje kondensatory SN ( pojemności do 0.68 uF ) do tego snubbera.
Przy szeregowym łączeniu dużej ilości tyrystorów szeregowa pod-grupa tyrystorów ma nasycany dławik zmniejszający straty dynamiczne i poprawiający podział napięcia na kluczach.
Tyrystor jest chłodzony dużym aluminiowym radiatorem powietrznym ( czasem z wymuszoną wentylacją ) a dyskowe jednostki dużej mocy „małym” miedzianym radiatorem wodnym. Oczywiście woda starannie zdejonizowana jest dielektrykiem. Z uwagi na rurki, kolektory, pompy, kaloryfery, zabezpieczenia, monitoring, sensory... chłodzenie wodne jest dobre dla bardzo dużych mocy. Gęstość mocy tyrystorowych kluczy z chłodzeniem wodnym jest duża. Przy szeregowym łączeniu tyrystorów wodny radiator jest jeden wspólny dla A jednego i K drugiego tyrystora. Radiator jest też od razu połączeniem. Producenci tyrystorów mocy oferują też radiatory i akcesoria.
Poziomy szeregowy stos silnych dyskowych tyrystorów i wodnych radiatorów może być na napięcie do 50 KV a szeregowy system na kolejnych izolowanych półkach może osiągać osiągać robocze napięcie blokowania 500 KV ! Woda podawana jest i odbierana z radiatorów plastikowymi rurkami do pionowych teflonowych kolektorów zbiorczych.
Z uwagi na indukcyjność rozproszenia do izolowanego wysterowania bramki tyrystora transformatorek może być użyty do skokowego napięcia roboczego < 3 KV. Z uwagi na duże napięcie czyli duże zakłóceniowe du/dt konieczny jest podwójny ekran między uzwojeniami tego transformatorka bramkowego. Po stronie tyrystora drugi ekran dołączony jest do K tyrystora.
Powyżej tego napięcia trzeba użyć fototyrystorów lub „fototyrystorów” ( nadajnik światła - światłowód – odbiornik światła ) układowych.
W układach energetycznych wysokonapięciowe tyrystory łączy się szeregowo dając co najmniej jeden tyrystor w napięciowym zapasie. Tyrystor dyskowy w obudowie metalowo - ceramicznej po przebiciu dalej bezpiecznie przewodzi prąd. Układ ma zatem redundancje ! Na wypadek awarii wyzwalania bramką tyrystor z efektem lawinowym sam nadążnie załączy się przy szybko rosnącym nadmiernym napięciu blokowania spowodowanym załączeniem sprawnym tyrystorów w gałęzi a tyrystor nielawinowy musi mieć jednokierunkową diodę Zenera między bramką i anodą. Samo - załączenia nadnapięciowym efektem lawinowym nie wolno stosować przy szybkim narastaniu prądu anodowego. Tyrystor o normalnie krytycznej zdolności załączania bramką 200 A/usec załączany lawinowo toleruje stromość tylko 20 A/usec co jednak w układach sterowania fazowego jest zwykle wystarczające. Tylko część nowych zachodnich tyrystorów ma zadeklarowaną zdolność bezpiecznego samo-załączenia przy nadmiernym napięciu anodowym. Te które nie mają zadeklarowanej tej zdolności po nieokreślonej liczbie załączeń mogą ulec uszkodzeniu.
Równolegle do tyrystorów szeregowe dwójniki RC ( dedykowane, specjalne elementy ) zapewniają poprawny dynamiczny podział napięcia między tyrystorami i ograniczają stromość napięcia du/dt po komutacji . Przed przebiciem wstecznym chroni tyrystor warystor mocy.
Elementy takie nie są w Polsce produkowane. Konstrukcja wysokonapięciowego systemu na izolatorach jest dość złożona
W energetycznych zastosowaniach WN i NN można użyć tylko potężnych wysokonapięciowych fototyrystorów z dynamiczną bramką. Izolacja sygnałów bramkowych światłowodem jest doskonała.
Potężne wysokonapięciowe fototyrystory z dynamiczną bramką nie są standardową ofertą handlową.
Niebieską diodę LED SiC odkryto przypadkiem w 1907 roku ale jest sprawność była mizerna. Idee transoptora z diodą LED i fototranzystorem pokazano w Texas Instrument w 1961 roku i po pewnym czasie pojawiły się transoptory, których cena ma malejący trend i obecnie są one całkiem tanie.
Szybkie transoptory o bardzo dużej tolerancji zakłócenia dv/dt są używane do izolowanego sterowania górnych kluczy w mostkach PWM.
Od 1979 roku Hewlett Packard obok transoptorów oferuje nadajniki i odbiorniki z łączem światłowodowym. Nadajnik+światłowód+odbiornik można traktować jako transoptor o ogromnej wytrzymałości izolacji ! Po czasie dołączyły kolejne koncerny i te przyrządy znów nie są drogie. Można ich użyć do drivera bramki tyrystora w układzie dla nN, SN, WN i NN.
Potrzebne jest jednak pomocnicze zasilanie dla drivera bramki. Pomocniczy,obniżający zasilaczyk impulsowy można włączyć w szereg ze snubberem RC dostarczającym prądu zasilania.
Prąd bramki do wyzwolenia tyrystorów rośnie powoli wraz z nominalnym prądem tyrystora.
Im krótszy impuls wyzwalający tym konieczny jest większy prąd bramki ale potrzebny do wyzwolenia tyrystora ładunek bramki Qg maleje wraz ze wzrostem prądu bramki do pewnego jego poziomu, z reguły wysokiego i później ładunek powoli wzrasta ale są to już niespotykanie duże prądy bramki, z reguły większe od dopuszczalnych. Dla tyrystorka 1A najmniejszy ładunek bramki do wyzwolenia przy optymalnym prądzie może być około 1 nC !
Na wykresie pokazano [11] wymagany prąd i ładunek bramki dla quasi szybkiego ( Tq=20 usec ) tyrystora 8 A / 800 V. Słowo szybkość jest kontekstowe. Mały tyrystor sieciowy o napięciu poniżej 800 V ma Tq=35 us ale takie Tq ma też duży szybki tyrystor na napięcie >1600 V.
Dla temperatur dodatnich najmniejszy wyzwalający ładunek bramki zaczyna powoli rosnąc przy czasie impulsu poniżej 0.15 usec ale dla mocno ujemnych temperatur nigdy nie rośnie !
Dla tyrystorów wysokonapięciowych ten czas wynosi około 0.5-1 usec ale minimum jest szerokie i niekrytyczne.
Im szybciej narasta napięcie anodowe blokowania tym mniejszy jest pułap do którego musi ono narosnąć do niechcianego, szkodliwego, zakłóceniowego wyzwolenia tyrystora.
Przy szybkim narastaniu prądu załączanego tyrystora konieczne jest podanie znacznego, szybkiego impulsu bramki do wyzwolenia. Przy mocnym wyzwoleniu spadek dynamicznej mocy / energii strat w tyrystorze jest niewielki ale unika się lokalizacji tej mocy strat i lokalnego, przybramkowego nagrzewania struktury tyrystora.
Lokalizacja strat mocy w obszarze przy-bramkowym daje mocne obniżenie tolerancji zakłóceniowej du/dt i w rezultacie niepożądane załączenie tyrystora owocujące nawet zwarciem.
Lokalizacja strat mocy stoi za drugim przebiciem tranzystora mocy oraz przegrzewaniem uzwojeń transformatora prądami harmonicznych.
Driver bramki tyrystora w wysokonapięciowym stosie gdzie stromość narastania napięcia może sięgnąć 500 KV/usec musi być ekranowany metalową obudową ( duży jest w tym dodatkowy udział wielowarstwowej płyty drukowanej PCB ) bowiem przez malutką pojemność do otoczenia płynie istotny prąd zakłócenia. Szczególnie czułe na zakłócenia są optyczne odbiorniki. Wymagają ekranu.
Tyrystory ( zależnie od obudowy prąd wynosi 2.5 – 4 A ) mające w nazwie 106 a więc C106, MCR106, TIC106, TLS106... mają bardzo dużą czułość wyzwalania bramką prądem <200 uA. Typowo ten prąd wynosi ca 15 uA. Bez bocznikowania rezystorem Rgk bramki maksymalna stromość narastania napięcia jest znikoma. Z rezystorem wynosi tylko 10 V/usec przy Rgk=1 K. Przy podwyższonej temperaturze tyrystor może wyzwolić prąd upływu. Zatem poprawne użycie tych tyrystorów z małym prądem wyzwalania wymaga aktywnego blokowania bramki załączonym tranzystorem bipolarnym lub Mosfet.
Tyrystorów „106” można użyć w łączniku prądu zmiennego załączanym w Zerze napięcia. Bramki tyrystorów 106 muszą być jednak aktywnie blokowane co nie zawsze jest łatwe.
Tolerancja na dynamiczne zakłóceniowe du/dt załączanie tyrystorów szybko spada z temperaturą. Stąd monitoring temperatury radiatorów tyrystorów lub chłodzącej wody jest konieczny.
Czas wyłączenia tyrystora Tq wzrasta z temperaturą. Gdy temperatura tyrystora jest za wysoka tyrystor po wymuszonym układem komutacyjnym wyłączeniu załączy się dynamicznie nawet przy niewielkim du/dt co może powodować zwarcie.
Tolerancje powiększa równoległy dwójnik RC dla bramki. Zamiast rezystora można zastosować termistor NTC.
Gdy tyrystor nie jest avalanche potrzebna jest wysokonapięciowa dioda Zenera do ochronnego / nadążnego wyzwolenia bramki. „Plastikowe” diody do ochrony przepięciowej serii 1.5KEXXX absorbują impuls o mocy 1500 W i czasie 1 ms o energii 1.5 J. Jak na diodę Zenera są to potężne wartości ale warystor średnicy 14 mm ( na 420 Vac ) zajmujący na PCB tyle samo miejsca absorbuje do 90 J energii. Jednak dioda nie zmienia parametrów a życiowa ilość impulsów dla warystora jest ograniczona i parametry jego po potężnych impulsach się zmieniają. Jednak diody rodziny 1.5KE są na maksymalne napięcie 440 V (1.5KE440 ) czyli przy omawianym zastosowaniu mocno za małe co wymagałoby łączenia szeregowego kilku diod. Z drugiej strony szeregowy łańcuch diod dwukierunkowych KC1.5XXX przy napięciu blokowania służyłby do wyzwalania a przy napięciu wstecznym do ochrony tyrystora ! Konieczna byłaby równoległa do G-K tyrystora tania dioda aby bramka nie była przebijana napięciem wstecznym. Jednak zdolność absorpcji energii warystora jest dużo lepsza.
Niedrogie są także plastikowe diody ponad trzykrotnie mocniejsze od diod rodziny 1.5KEXXX tolerujące impuls energii 5 J przez 1 ms.
Diody takie mogą zapewnić równy podział napięć na szeregu połączonych tyrystorów. Natomiast odporność na wyładowanie atmosferyczne musi dać typowy energetyczny warystor umieszczony na poziomie NN
Motorola i Philips a za nimi pozostałe koncerny masowo produkują ( ulepszenie technologi jest rzekomo proste i bez istotnego przyrostu kosztu produkcji ) taniutkie prostownicze diody zwykle i diody szybkie na wyższe napięcia ( ale próg napięcia jest rozwojowo obniżany ) ze zdolnością tolerowania w modzie lawinowym Avalanche sporej mocy wstecznej.
Na wykresie pokazano tolerowaną moc wsteczną diody 1A średniej tolerancji. Biorąc pod uwagę że czas przepięciowego impulsu do wyzwolenia bramki tyrystora jest <1 usec każda dioda z cechą Avalanche ma wystarczająca tolerancje mocy i energii.
Zwraca uwagę potężna przeciążalność prądowa masowych 3A plastikowych diod rodziny 1N540X mających taką samą obudowę jak KE1.5XXX.
Zatem proste, nienowoczesne licencyjne krajowe tyrystory największych mocy można użyć w zastosowaniach energetycznych.
CEMI produkuje transoptory i wykonanie nadajnika - odbiornika do wyzwalania izolującym światłowodem jest dla trywialne.
W transoptorach Motoroli ( liczni naśladowcy ) elementem wyjściowym jest tranzystor, tranzystor wysokonapięciowy o Uceo=400V, tyrystor , triak lub optotriak załączany w „zerze napięcia”, która to strefa „Zero” wynosi bezwzględne 5-20 V, zależnie od egzemplarza. Po początkowym napięciu blokowania optotriaczków 400V ( MOC3040, tania obudowa DIL6 z dwoma niewykorzystanymi pinami ) rozszerzono rodzinę optotriaczków do 600 V i prawdopodobnie kolejny krok będzie do napięcia 800 V. Mają one bardzo dużą zakłóceniową odporność na zakłócenia >1000 V/usec. Optotriaki na napięcie 800V doskonale będą się nadawać do sterowania antyrównoległych tyrystorów mocy dla bez uderzeniowego operowania kondensatorami ( czyli dwójnikami LC ) kompensacji mocy biernej na poziomie nN!
Budowa systemów z tyrystorami mocy wymaga dostępności:
-Radiatorów z akcesoriami montażowymi.
-Kondensatorów i rezystorów mocy do tłumika RC lub RCD
-Dławików ograniczających stromość narastania prądu (czasem)
-Diod lawinowych i warystorów
-Transformatorków bramkowych z odpowiednią izolacją
-Odbiorników optycznych (i nadajników) dla układów na WN i NN z izolacją światłowodem.
-Małych/miniaturowych przekładników prądowych
-Izolowanych sensorów prądu i napięcia stałego
-Wielu innych nowoczesnych elementów
-Reglamentowanych informacji
Zachodni producenci oferują do kompletu do swoich tyrystorów takie elementy.
Tymczasem zakupiona dla Laminy przez Polskę licencja na tyrystory od koncernu Westinghouse zawisnęła w powietrzu i brak jest tych elementów.
General Electric jako promotor tyrystorów wynalazł też i spopularyzował użyteczny ( dla techniki tyrystorowej ) tranzystor jednozłączowy 2N2646 (bardzo popularny, w ZSRR to KT117 ) do prostego sterowania bramek tyrystorów a potem Diak dla triaków.
Energoelektronicznych zastosowań tyrystorów jest cała masa.
Polska jest znaczącym producentem prostych i tanich statków do których i tak kupujemy drogą zachodnią elektronikę a w tym energoelektronikę, której starawy ale cenny przegląd jest w [12].
Samo cięcie i spawanie grubych blach na statki doprowadzi nas do spektakularnego bankructwa. Stocznie są faktycznie wysoko dotowane i zubażają kraj i społeczeństwo. Tylko jednostki skomplikowane i drogie są poszukiwane na światowym rynku.
1.SVC - Static VAR Compensator szybko reguluje w przemyśle pobieraną zmienną moc bierną
-W stalownictwie dla Pieców łukowych ( mocy do 100 MW ) i Lini walcowniczych ( mocy do 30 MW )
-W górnictwie wyciągarki, potężne koparki, przenośniki taśmowe
-Potężne dźwigi, rozdrabniacze, kruszarki...
Układ SVC z reguły operujący na Średnim Napięciu maksymalnie składa się:
I.Załączanego elektromechanicznie dławika
II.Załączanego elektromechanicznie kondensatora z szeregowym dławikiem na 5 harmoniczną
III.Załączanych tyrystorami kondensatorów z szeregowymi dławikami. Thyristor Switched Capacitor (TSC)
IV.Regulowanym fazowo tyrystorami dławikiem pobierającym moc bierną. Thyristor Controlled Reactor (TCR)
Trwałość elektromechanicznych przekaźników, styczników i wyłączników CB jest dużo większa (>10...100 razy) niż ich trwałość elektryczna. Szczególnie kosztowne jest rozłączanie prądów zwarciowych.
Stąd energetyczne dławiki i kondensatory, elektromechanicznie zwykle załącza się i wyłącza tylko raz dziennie a rzadko kilka razy .
Tyrystory TSC załączane są (powinny być ) w zerze napięcia na nich. Kondensatory są powoli rozładowywane równoległymi rezystorami lub szybko nasycającym się dławikami małej mocy (P) z rdzeniem. Można nimi operować często ale wskazane jest załączenie z biegunowością napięcia przeciwną do pozostałego namagnesowania rdzenia dławika aby dławika nie przeciążać nadmiernie. Przy załączeniu w Zerze napięcia proces przejściowy oczywiście zachodzi w obwodzie LC ale jego energia jest mało istotna. Teoretycznie możliwe jest załączenia tyrystorów obwodu LC pod kątem fazowym minimalizującym proces przejściowy ale zachodnia literatura tego tematu nie porusza. Lepiej gdy do układu sterującego podane jest napięcie na tyrystorach a nie napięcie sieciowe bowiem kondensatory z rezystorami rozładowują się powoli. Można łączników tyrystorowych użyć tylko w dwóch fazach. Ilość tyrystorów w trzech łącznikach można zmniejszyć stosując antyrównoległe diody mocy zamiast jednego tyrystora . Trzy tyrystory mogą być połączone od „dołu” dwójników LC w trójkąt.
Płynnie regulowaną kątem wyzwalania moc bierną Q pobierają dławiki TCR w układzie trójfazowym. Może być po jednym a nie jak pokazano po dwa dławiki. Dławiki z rdzeniem są tu nieefektywne ale można zastosować specjalnej konstrukcji transformator o wielkiej indukcyjności rozproszenia z Uz=100 %. Oprócz zalety ciągłej regulacji mocy biernej Q generują one znaczne harmoniczne i stąd konieczne jest załączenie dwójników LC absorbujących harmoniczne. Charakterystyki jedno i trójfazowego fazowego sterowania dla szeregowych dwójników RL oraz spektrum harmonicznych znane są z literatury („Układy energoelektroniczne...”, H.Tunia..., WNT 1982 ) i nie ma tu elementu nowości i potrzeby objaśniania.
Szkodliwość prądu biernego i harmonicznych rośnie z ich kwadratem i stąd użycie TCR nie jest konieczne a może nawet jest niewskazane.
2.Szczęśliwie trwa pokój ale system energetyczny winien być odporny na uszkodzenia linii przesyłowych i stacji elektroenergetycznych przez agresora. Zdarzają się też nierzadkie upadki systemów energetycznych w czasie pokoju. Ponieważ minimum generacji mocy bloku jest wysokie przy nadmiarze generowanej mocy niemożliwej do odbioru blok/i trzeba odstawić a ich powtórne uruchomienie wymaga dużo czasu. Po awaryjnym wyłączeniu reaktora jądrowego, skutkiem zatrucia rdzenia ksenonem, można go włączyć dopiero po 21-25 godzinach. Możliwa może być szyba rekonfiguracja sieci przesyłowej /odłączenie części odbiorców i trzeba zapewnić blokowi / blokom obciążenie na niedługi czas. Kocioł z mniejszą mocą może awaryjnie pracować zasilany rozruchowym mazutem lub gazem ziemnym.
Stalowe oporniki rozruchowe stosuje się w lokomotywach i konstrukcja rezystora sumarycznej ( załączana jedna lub dwie połówki ) mocy 50-200 MW jest prosta. Z wymuszonym silnym chłodzeniem powietrznym rezystor mocy może być stosunkowo niewielki.
Rezystor może być załączony typowym wyłącznikiem ale dopuszczalne są przecież tylko rzadkie operacje i w czasie rekonfiguracji / restauracji systemu jest to poważne ograniczenie. Do momentalnych operacji opornikiem mocy można na poziomie SN użyć potężnych tyrystorów. Na krótkie ( szkodliwe harmoniczne prądu !) okresy czasu możliwa jest nawet płynna fazowa regulacja mocy z uwagi na niewielki prąd w stosunku do nominalnego prądu generatora.
Dynamika konfliktów zbrojnych wskazuje na to że żołnierze i cywile widząc sprawność atakowanego państwa nie ulegają panice i opór obrony może być bardzo silny oraz skuteczny.
Wola walki czyli morale jest czasem ważniejsza niż najbardziej wyrafinowany sprzęt. Jest ona najważniejszym czynnikiem w wojnie. Potężne Stany Zjednoczone nie złamały woli walki Wietkongu oraz Wietnamczyków i musiały się wycofać.
3.Zaletą kolejowej trakcji 25-27.5 KVac jest duża moc ( >12 MVA ) możliwa do pobrania przez pociągi oraz duże odległości zasilających podstacji a przy ograniczonych mocach dystanse do 90 Km ! Faktycznie bywa to trakcja 2 x 25 KV czyli 50 KV ale nie będziemy się w to zagłębiać. Moc 5 MW możliwa do pobrania z ciężkiej trakcji 3.3 KVdc jest najmniej dwukrotnie za mała dla szybkich pociągów a podstacje muszą być gęsto rozmieszczone co jest kosztowne.
W lokomotywie do trakcji 25 KVac z silnikami prądu stałego stosuje się takie same ( bez hamowania odzyskowego ) szeregowe silniki DC jak do lokomotywy z trakcją z napięciem stałym. Transformator obniża napięcie 25 KVac trakcji do właściwego dla silników poziomu. Połączone są szeregowo dwa półsterowane mostki tyrystorowo - diodowe 2T + 2D. Przy jeździe z małą – średnią prędkością wysterowany jest tylko jeden mostek a w drugim przewodzą diody. Przy średnich prędkościach gdy pierwszy mostek jest już w pełni wysterowany rozpoczyna się sterowanie drugiego mostka. System taki pozwala znacznie obniżyć poziom pobieranej mocy biernej i poziom wprowadzanych harmonicznych prądu do trakcji. W pokazanym schemacie lokomotywy zachodniej są dwa niezależne systemy. Gdy jeden ulegnie zwarciowej awarii CB ewentualnie odłączy jego zasilanie i lokomotywa ma pół mocy co pozwala kontynuować jazdę czasem nawet bez wypadnięcia z rozkładu. W radzieckiej lokomotywie szeregowo połączone są trzy mostki 2T+2D co pozwala jeszcze mocniej obniżyć poziom harmonicznych oraz mocy biernej i poszerzyć zakres prędkości jazdy szczególnie przy częstym ruszaniu i małych prędkościach jazdy. W tym przypadku po awarii jednego mostka dysponujemy 2/3 normalnej mocy.
Układ z możliwością zwrotu energii do sieci jest bardziej skomplikowany i mostki są 4T a silniki muszą być bocznikowe z niezależnie regulowanym wzbudzeniem o zmianie znaku prądu, przy zwrocie energii do sieci.
W szybkim pociągu japońskim [7,8] zastosowano napędowe silniki asynchroniczne zasilane z trójfazowego mostka PWM z tyrystorami wyłączalnymi GTO zasilanego napięciem stałym. Moc prądem sinusoidalnym do kondensatora napięcia stałego dostarcza / odbiera mostek jednofazowy z modulacją PWM z tyrystorami wyłączalnymi GTO zasilany napięciem z uzwojenia obniżającego transformatora 25 KVac. Silniki asynchroniczne są lżejsze, znacznie tańsze i bardziej niezawodne niż silniki komutatorowe ale elektronika invertera PWM jest na razie bardzo droga a drogie tyrystory GTO sprawiają kłopoty z niezawodnością.
Kompensacja szeregowa linii jest znana [3,4,5,6] i omawiana od lat. Stopień kompensacji indukcyjności wzdłużnej linii nie przekracza 30-60%. Kompensacja ta obok zalet ma też niestety poważne wady i może być niebezpieczna dla systemu.
Na kolejowej podstacji szeregowa kompensacja kondensatorem znacznej indukcyjności linii trakcji wymaga zastosowania (TCSC) równolegle do kondensatora kompensacji C indukcyjności L z szeregowymi antyrównoległymi tyrystorami do zwalczania ferrorezonansu z transformatorami w lokomotywach.
Częstotliwość rezonansu równoległego pojemności i indukcyjności LC jest większa od 100 Hz. Załączenie tyrystora po szczycie napięcia na kondensatorze powoduje zwiększenie napięcia pierwszej harmonicznej na kondensatorze czyli jest równoznaczne ze zmniejszeniem jego pojemności i zwiększeniem stopnia kompensacji indukcyjności szeregowej linii. Wytwarzane napięcie harmonicznych na kondensatorze jest niewielkie. Takim układem można też sterować rozpływ mocy w sieci przesyłowej.
Ale algorytm sterowania tyrystorów może tez służyć ( a może przede wszystkim ) do zwalczania subharmonicznych i zapobiegać ferrorezonansom.
Ale typowe szeregowe kondensatory kompensacji mocy biernej można lepiej umieścić za uzwojeniami obniżającego transformatora 25 KVac lokomotywy przed mostkami 2T+2D! Kondensatory o mocy biernej 1 MVAr ważą trochę ponad 100 kg.
Na podstacji równoległa kompensacja mocy biernej dwójnikiem LC tłumi też trochę duże harmoniczne prądu poczynając od 3 harmonicznej
Trakcja kolejowa 25 KVac ( lub raczej 2 x 25 KVac ) może być zasilana z transformatora energią wzięta z „równoległej” do torów linii przesyłowej 220 / 400 KV. Moc tej linii NN musi być bardzo duża aby podstacje nie wywoływały szkodliwej asymetrii napięć trójfazowych i zniekształcenia napięć prądami harmonicznymi.
Możliwe jest zastosowanie w podstacji dużej mocy maszyny trojfazowej synchronicznej lub asynchronicznej zasilanej z sieci napędzającej maszynę jednofazową zasilającą trakcje kolejowa napięciem 50 Hz lub 16 2/3 Hz. Sprzęgło między maszynami winno tłumic pulsacje momentu maszyny jednofazowej. Wadą tego rozwiązania jest znaczna cena i słaba sprawność.
W lepszym rozwiązaniu wysokiej technologii stosowany jest inverter trójfazowy dołączony poprzez filtr PWM do linii trójfazowej z tyrystorami GTO i mostek jednofazowy z GTO wytwarzający napięcie jednofazowe dla trakcji. Mostki połączone są napięciem stałym Udc a tam równolegle do kondensatora dołączony jest szeregowy dwójnik LC o częstotliwości rezonansowej 100 lub 33 Hz eliminujący pulsacje mocy od invertera jednofazowego. Przepływ mocy jest dwukierunkowy i hamowanie pociągów może być odzyskowe. Rozwiązanie to jest bardzo kosztowne. Konieczna jest też filtracja napięć trójfazowych i jednofazowego z modulacją PWM.
W diodowym trójfazowym mostku z obciążeniem indukcyjnym diody w grupach anodowej i katodowej przewodzą po 1/3 okresu. Jeśli diody zastąpimy dwukierunkowymi kluczami załączanymi na 1/3 okresu ( tak jak diody) to możliwy jest dwukierunkowy przepływ mocy ale napięcie stałe ( na wyjściu niewielki kondensator a nie dławik ) ma pulsacja taką samą jak mostek diodowy ! Pojemność kondensatorów ( polipropylenowych a nie elektrolitycznych ) na tym napięciu „stałym” musi być niewielka ale wystarczająca do zamknięcia się przez nie pulsacji prądu obciążenia. Pobierany / oddawany prąd trójfazowy ma harmoniczne ale z nimi już można sobie poradzić. Bez obciążenia przez pół czasu 1/3 okresu dioda antyrównoległa klucza ładuje kondensator a następnie GTO (lub inny klucz ) go rozładowuje. GTO nie może być za długo włączony bowiem przez diodę jednego klucza i GTO drugiego nastąpi zwarcie między fazami gdzie początkowo napięcie jest zerowe ale rośnie. Odpada problem stratnych snubberów przy GTO bowiem od strony trzech faz, sieć może mieć kondensatory. Oczywiście połączenia trójfazowego mostka kluczy z kondensatorami po stronie AC i DC muszą być niskoimpedancyjne.
Wadą tego rozwiązania są pulsacje napięcia DC i harmoniczne w prądzie sieciowym.
Łącząc szeregowo dwa takie konwertery zasilane z uzwojeń D i Y transformatora ( chodzi znów o przesuniecie napięć o 30 stopni ) napięcie tętnień na wyjściu mocno spadnie identycznie jak w prostowniku m=12 pulsowym. Mocno spadają też harmoniczne prądu zmiennego. Natomiast nie można konwerterów połączyć równolegle przez dławik wyrównawczy bo są to konwertery VSI a nie CSI !
Natomiast wyjściowy potężny jednofazowy inverter z kłopotliwą modulacją PWM możemy zastąpić szeregowo połączonymi inverterami ( Faktycznie szeregowo są połączone poprzez transformatory co dodatkowo umożliwia uzyskanie wysokiego napięcia. Zasilanie napięciem stałym DC mają wspólne ) dającymi napięcie quasi prostokątne 50 Hz ale z czasem zerowego napięcia w półokresie Idea sumowania napięć prostokątnych dla otrzymania krzywej schodkowej przybliżającej napięcie sinusoidalne jest znana ( źródło pierwotne: Bedford B.D., Hoft R.G., Principles of inverter circuits. New York. John Wiley. 1964. Autorzy byli pracowaniami i popularyzowali tyrystory GE !) od lat. Schodkowa aproksymacja napięcia często ma eliminować harmoniczne o największych amplitudach. Już przy 6 schodkach napięcia wyjściowego quasi sinusoidalnego THD są mniejsze od 7%.
4.Najsilniejsze tyrystory z chłodzeniem wodnym stosowane są w dużych ilościach w systemach HVDC. Kompletne klucze stanowią 20-30% kosztu ( dominuje w tym koszt tyrystorów ) całego obiektu.
Systemy HVDC są ekonomiczne dopiero przy liniach przesyłowych NN długości ponad 500 - 1000 KM. Znacznie mniejsze są straty przesyłu prądu stałego ale wysoki jest koszt inwestycyjny stacji z inverterami. Nie ma jeszcze wyłączników do napięcia stałego NN i w zasadzie linia łączy dwie stacje. W przypadku kabli na dnie morza możliwe jest tylko użycie napięcia stałego z uwagi na ogromną generowaną moc bierna przez pojemność kabla w systemie prądu zmiennego 50/60 Hz.
Invertery bez linii przesyłowej między nimi ( Back to back ) mogą łączyć dwa energetyczne asynchroniczne systemy prądu zmiennego.
Invertery systemów HVDC od strony napięcia zmiennego wyposażone są w rozbudowany i drogi filtr harmonicznych. Mniejszy filtr jest stosowany po stronie napięcia stałego.
We wszystkich inverterach komutowanych naturalnie siecią niebezpiecznym i szkodliwym zjawiskiem jest przy zakłóceniu napięcia trójfazowego przewrót falownika skutkujący dużym prądem pseudo zwarciowym.
Napięcia trójfazowe z uzwojeń D i Y do dwóch szeregowych mostków tyrystorowych invertera można podać poprzez kondensatory szeregowej kompensacji mocy biernej, szczególnie przy długich, „elastycznych” liniach. Czy rozwiązanie takie jest w świecie stosowane nie wiadomo ale przeprowadzone praktyczne przez autora próby w prostym układzie jednofazowym dają poprawne rezultaty. W pracy inverterowej przewrót falownika jest trudniejszy do wywołania i całkowicie bezpieczny. Zatem rozwiązanie jest bardzo dobre.
5.Obecnie linie przesyłowe HVDC łączą tylko dwie stacje co jest poważną wada sieci HVDC. Dowolny kierunek przepływu mocy wynika z biegunowości napięcia na linii przesyłowej. Prąd ma zawsze ten sam znak. Zdolność rozłączania prądu stałego przez wyłączniki jest znikoma. Przekaźnik na 250Vac-10Aac może bezpiecznie przy napięciu 250Vdc rozłączyć prąd zaledwie 100 mAdc.
Wyłącznikiem w sieci HVDC mogą być połączone szeregowo tyrystory wyłączane bramką GTO. Przy wyłączaniu snubbery RDC dają w miarę równy dynamiczny podział napięć na tyrystorach ale konieczne jest zaabsorbowanie energii z indukcyjności linii przez potężne warystory, które jednak do ochrony przez piorunami są produkowane i stosowane.
Tyrystory GTO są z reguły asymetryczne (ale są też wolniejsze symetryczne) i mają przywartą rezystorem anode jak tyrystory ASCR i bardzo duży prąd podtrzymania. Dla małych jednostek jest to 10 % In a dla dużych 3% In. Tak więc przy małym obciążeniu konieczne jest podanie co jakiś czas impulsu do załączenia tyrystora, który się wyłączył . W uwagi na to że tyrystory są na poziomie NN zasilanie drivera bramki jest bardzo skomplikowane. Driver bramki niczym układ CMOS nie może statycznie pobierać żadnej mocy.
Małe moce do naładowania i podtrzymywania napięć na kondensatorach – buforach driverów mogą pochodzić z :
-Transformatora akustycznego z prostownikami
-Ogniw fotowoltaicznych zasilanych w światło laserami poprzez światłowody lub silne kierunkowe oświetlenie hali z przekształtnikiem
-Trwałych (> 10 lat ) baterii lub akumulatorów
Oczywiście podczas akcji On / Off prąd przepływający przez snubber RCD podładowuje kondensatory zasilające driver co pozwala na przykład podtrzymywać podanie impulsów bramki przy małych obciążeniach gdy tyrystor się sam wyłącza.
Zaletą GTO jako wyłącznika jest szybkość operacji i w sytuacji awaryjnej rozłączenie odbędzie się zanim prąd zwarcia istotnie narośnie. Ponieważ tyrystor wysokonapięciowy nie może długo tolerować pełnego napięcia blokowania konieczne jest szeregowe zastosowanie typowego konwencjonalnego wyłącznika NN, który i tak musi być stosowany z uwagi na wymogi bezpieczeństwa. Chwilowy prąd zwarcia linii HVDC wynika z impedancji falowej linii a ustalony jest stabilizowany przez regulator invertera. Nie ma więc w systemie HVDC czegoś takiego jak potężny prąd zwarcia typowy dla linii prądu zmiennego.
Wyłącznik do systemu HVDC można by też wykonać na zwykłych, niewyłączalnych tyrystorach w wymuszoną komutacją ale byłby bardzo skomplikowany i powolny w akcji.
Powolny wyłącznik do systemu HVDC można wykonać na dwóch konwencjonalnych wyłącznikach i potężnym pozystorze PTC ale takowe nie są produkowane.
Tak więc możliwa jest budowa rozbudowanej przesyłowej sieci HVDC z wieloma dostawcami i odbiorcami mocy prądu stałego !
Pozystor PTC w odbiorniku TVC zasila przez chwilę gasnącym prądem sieciowym circa 5 Aac cewkę rozmagnesowującą kineskop. Budowa potężnego pozystora do wyłącznika HVDC jest jak najbardziej możliwa.
Z pozystorem od TVC wykonano testowy układ z dwoma odpowiednio sterowanymi przekaźnikami. Działa całkowicie poprawnie załączając i wyłączając prąd stały.
Mankamentem wyłącznika prądu stałego DC z pozystorem jest konieczność odczekania na ostygnięcie pozystora bowiem z gorącym pozystorem niemożliwie jest wyłączenie a próba spowoduje zniszczenie palącym się łukiem wyłącznika.
6.Moc największych regulowanych tyrystorowych napędów prądu stałego walcarek wynosi 10 MW. Są też inne zastosowania dla potężnych regulowanych napędów.
7.Moc tyrystorowych zasilaczy dla palników plazmowych dochodzi do 7 MW z napięciami 3 - 12 KVdc.
8.Trzeba testować nowo wybudowane linie energetyczne i sprawdzać jakość linii istniejących. Tyrystorami falownika szeregowego podajemy poprzez rezonansowy dławik o dużej dobroci napięcie do „rezonującej” ( jest elementem C obwodu LC falownika) linii SN-WN. Obserwujemy napięcie na linii gdzie doskonale widać ulot ! Ponieważ dławik jest niskostratny to łatwy jest pomiar energii rozpraszanej przez ulot.
Cały system można umieścić na ciężarówce !
Inne zastosowania:
1.Energia podana tyrystorem z silnej baterii kondensatorów ( szczegóły konkretnych urządzeń w [9] do odpowiedniej cewki powietrznej może pożytecznie kształtować materiał w wytworzonym silnym polu magnetycznym co trudno jest wykonać inną metodą. Moc klucza tyrystorowego jest znaczna. Równolegle do kondensatora dana jest dioda aby wydłużyć impuls i zapobiec zmianie znaku napięcia i prądu.
Testowana jest możliwość konstrukcji „działa elektromagnetycznego” w którym pocisk byłby bardzo silnym impulsowym polem magnetycznym rozpędzony do prędkości rzędu 1-2 Km/ sec.
2.Impuls HV podany z tyrystorowego generatora „jonizacji” do nietopliwej elektrody wolframowej w metodzie spawania TIG ( Tungsten Inert Gas, elektroda jest celowa trochę radioaktywna co regulują normy i kolorowe oznaczenie elektrody ) pozwala zajarzyć łuk bez dotykania elektrodą. Bez dotykania trwałość elektrody wolframowej jest wysoka co ma zasadnicze znaczenie dla automatyzacji procesu spawania.
Pojedyncze impulsy HV o gładkich zboczach nie stwarzają wielkiego problemu z zakłóceniami EMC. Gdy iskra nie przeskoczy i łuk się nie zapali ( elektroda jest za daleko od spawanego przedmiotu ) po pierwszym impulsie HV system może podjąć działania korekcyjne. Na przykład zmienić odrobinę dane w programie robota lub CNC.
3.Krótkie impulsy HV podane z tyrystorowego generatora mocy podane do elektrod w sterylizowanym spożywczym płynie podczas wyładowania łukowego zabijają mikroby falą uderzeniową, promieniowaniem UV i chwilowym powstaniem rodników. Ta sterylizacja nie zmienia smaku napoju w przeciwieństwie do pasteryzacji.
4.Wysokonapięciowy tyrystor mocy może podać laserowi impuls energii z kondensatora poprzez formujący kształt impulsu obwód LC. Taki obwód LC stosowany jest od lat czterdziestych (temat jest znany ) do zasilania magnetronów w radarach. Kluczem mocy był wtedy tyratron wodorowy.
5.Wysokonapięciowy tyrystor mocy może szybko zewrzeć (Crowbar) zasilanie chronionego, drogiego urządzenia jak klistron czy potężny zasilacz HV. Zadanie to wykonywał dodatkowo wyzwalany hermetyczny Spark Gap ( ma dodatkową elektrodę do wyzwalania ) ale tyrystor może być szybszy.
6.Tyrystorowy ( szybkie tyrystory ) falownik CSI dużej mocy o średniej częstotliwości szybko nagrzewa w przemyśle obrabiane (na przykład hartowane ) metalowe detale.
7.Moc zgrzewarek oporowych punktowych dochodzi do 1.5 MVA przy prądzie zgrzewania przekraczającym 160 KA. Mniejsza jest moc zgrzewarek z elektrodą – rolką do wykonywania zgrzewanego szwu. Transformator może być załączany do sieci antyrównoległą parą tyrystorów z fazą pozwalającą uniknąć bardzo szkodliwego nasycenia rdzenia transformatora i impulsu prądu. Równolegle z zasilanym transformatorem może być szeregowy dwójnik LC do kompensacji mocy biernej. Kompensacja może być też (taniej ) wspólna dla wielu zgrzewarek.
Tyrystorowy falownik może zasilać średnią częstotliwością 500-1000 Hz względnie mały transformator przenoszony ramieniem robota wykonującego zgrzewanie karoserii samochodu osobowego. Za transformatorem jest dwupołówkowy prostownik z dwoma potężnymi diodami dyskowymi. Transformator i diody są intensywnie chłodzone przepływającą zdemineralizowaną wodą. Prąd tych diod ogranicza moc tych zgrzewarek. Rdzeń transformatora wykonany jest z cieńkich blach walcowanych na zimno lub permalloyów. Koszt robota przemysłowego szybko rośnie z jego udźwigiem a zgrzewarka z inverterem umożliwia w ogóle zgrzewanie z użyciem robota. Robot w tej roli zastępuje 5 pracowników !
Prostsza jest konstrukcja invertera z wysokonapięciowymi tranzystorami mocy ale są one jeszcze drogie.
I tak dalej. Wiele zastosowań wymieniono w cytowanym wcześniej materiale Westinghouse.
Tyrystor jest kluczem pół – kontrolowalnym to znaczy można go bramką załączyć ale wyłączy się dopiero po zaniku prądu anodowego. Wyłączyć bramką można znacznie droższe tyrystory GTO.
Tyrystor jest dobrym kluczem do sterowanego fazowego prostownika ale już nie sterowanego fazowo falownika (inverter tyrystorowy z naturalną komutacją sterujący silnik DC dostarczając mu moc jest prostownikiem a odbierając przy hamowaniu falownikiem ) bowiem przy chwilowym obniżeniu napięcia sieci ( typowe, rutynowe dla sieci energetycznej rozłączenie zwarcia ) może nastąpić w nim przewrót falownika. Jest to najpoważniejsza wada wszystkich tyrystorowych napędów prądu stałego. Chwilowy zanik napięcia powoduje zakłócenie pracy napędów DC i wyzwala przerwę w pracy całej linii produkcyjnej a nierzadko prowadzi do uszkodzenia bezpieczników topikowych chroniących tyrystory i samych tyrystorów. Ograniczenie kąta pracy falownika polepsza bezpieczeństwo pracy ale pogarsza własności całego napędu.
Ogromną zaletą tyrystora jest na tle tranzystora duża gęstość prądu i wielka przeciążalność. Niepowtarzalny prąd zwarciowy tyrystora wynosi 8..30 razy Itav. Tranzystory faktycznie żadnej przeciążalności prądowej kolektora nie mają. Jedna ze struktur tranzystorów mocy ma po selekcji i obudowaniu aż 32 oznaczenia typu. Maksymalny selekcyjny – katalogowy prąd kolektora wynika z mocnego spadku wzmocnienia prądowego danego chipa.
Ponieważ parametry tranzystora psują się wraz z prądem kolektora rzadko prąd szczytowy przekracza 2/3 prądu maksymalnego ciągłego.
Szczęśliwie tyrystory mają wysoką przeciążalność prądową bowiem bez tego większość ich zastosowań nie byłaby możliwa lub sensowa.
Najszybsze tyrystory stosowane były w układach odchylania poziomego H-Out odbiorników TVC. Do niepowodzenia komutacji i zwarcia zasilacza dochodziło tam na skutek wyładowania w kineskopie.
Po stwierdzeniu przeciążenia blokowany był tyrystor za sieciowym mostkiem prostowniczym („bezpiecznik eletroniczny ”) prostownika pojemnościowego a po chwili odblokowany. Czas przerwy musiał wystarczyć na ochłodzenie struktury tyrystora komutacyjnego momentalnie rozgrzanego incydentem zwarciowym i wynosił poniżej 1 sekundy.
Pomysłowy system chroniący, przed zwarciem przy niepowodzeniu komutacji, szybkie tyrystory mocy w inverterach PWM do regulowanego zasilania częstotliwościowego silników asynchronicznych opracowano w General Electric. Jest on powszechnie naśladowany. Temat ten omówiono osobno na przykładzie invertera GE AF3060.
Niemniej tyrystorowe falowniki do silników prądu zmiennego nie zyskały popularności.
Rosnąca temperatura chipa podnosi czas Tq wyłączenia tyrystora i za duża spowoduje niepowodzenie komutacji.
Deklarowany przez producentów niepowtarzalny prąd zwarciowy nie ma pełnej definicji w normach międzynarodowych. Przyjmuje się że nie powinien on w życiu tyrystora powtórzyć się więcej niż 1000 razy.
Duży prąd zwarciowy mają również tyrystory GTO wyłączane bramką ale maksymalny prąd możliwy do rozłączenia bramką Itcrm jest tylko 2-5 razy większy od nominalnego prądu Itav.
W japońskich trakcyjnych inverterach zasilających silniki asynchroniczne 600 KVA stosowane są tyrystory GTO 1000 A / 2500 V.
Symetryczny tyrystor GTO z napięciem wstecznym jak blokowania jest znacznie wolniejszy od asymetrycznego tyrystora GTO ze zwartą anodą ale asymetryczne GTO nie tolerują napięcia wstecznego i do zastosowań VSI muszą pracować z diodą antyrównoległą a w falowniku CSI z diodą szeregową. Tyrystory GTO asymetryczne mają bardzo duży prąd podtrzymania Ihold i stan niskoprądowego załączenia musi być podtrzymywany znacznym prądem bramki ( W największych GTO podtrzymujący Ig+ do 2-5 A. GTO zachowuje się wtedy jak tranzystor NPN o małym wzmocnieniu ) co sprawia ze driver musi mieć zasilacz sporej mocy z transformatorem a to mocno ogranicza napięcie zasilania invertera do poziomu roboczego circa 3 KV. Przy wyższych napięciach trzeba korzystać z prądu płynącego przez kondensator snubbera i bardzo oszczędzać energie.
Na wykresie [10] pokazano charakterystykę wyjściową GTO BTV59 o Itav=15 i i Itcrm=50A. Przy zbyt małych prądach bramki i anody GTO zachowuje się liniowo jak tranzystor NPN co jest niebezpieczne i przy dużych napięciach Uak prowadzi do zniszczenia tyrystora.
Katalogowe tranzystory Power Mosfet produkowane są na napięcia Uds do 1500 V ale można uzyskać większe napięcie oczywiście kosztem zwiększonej oporności załączenia Rdson. Łącząc taki tranzystor z GTO w układ niby „Darlingtona” mamy bez poboru mocy rozwiązany problem podtrzymania przewodzenia GTO przy małych prądach a zarazem Mosfet będzie diodą lawinową Avalanch i awaryjnie włączy bramką GTO. Energia dla pojemności bramki Mosfeta do załączenia systemu jest ( w kontekście systemu ) znikoma. Dostarczenie malutkiej mocy startowej może się odbyć tak jak dla tyrystora w systemach HVDC.
Tyrystory GTO wyzwolone szybkim i silnym impulsem bramkowym ( dla największych GTO forsowany impuls bramkowy ma początkowo 100 A ) tolerują całkiem dużą szybkość narastania prądu załączanego ( niektóre nawet 1000 A / usec ale z reguły dużo mniej ) co ma duże znaczenie w inverterach VSI i pozwala stosować słabą ochronę przed stromością di/dt jak pokazano na schemacie półmostka. Jednak dioda bocznikująca dławik idący do + zasilnia nie może być przypadkowa.
Znakomitym kluczem do drivera bramki GTO są tranzystory Mosfet w obudowie TO220 na napięcie Uds=50 V na prąd ciągły do 50 A a szczytowy do 150 A. Cały driver może być niewielki i umieszczony na PCB bardzo blisko GTO co pozwala minimalizować bardzo szkodliwą indukcyjność połączenia z bramką. Im impuls wyłączający GTO jest szybszy i mocniejszy tym mniejszy jest jego ładunek, podobnie jak z włączaniem. W zasilaczu drivera GTO trzeba użyć kondensatorów elektrolitycznych o bardzo małym ESR ( bo wymagany jest potężny impuls prądu do wyłączenia GTO bramką i silny od małostratnego włączenia) ale takowe są już masowo produkowane do zasilaczy komputerowych i komputerów. Widać tu synergie rozwojową. Mosfety i kondensatory ułatwiają budowę małego wysoce funkcjonalnego drivera, który może być blisko GTO.
Koncern Philips dla swoich bardzo szybkich ( wielkie GTO na duże napięcie są wielokrotnie wolniejsze ) epitaksjalno - planarnych asymetrycznych tyrystorów GTO ( wykresy są dla typu BTS59 w obudowie TOP3 ) podaje wykresy maksymalnej szybkości narastania napięcia anodowego przy wyłączaniu w funkcji wyłączanego prądu i napięcia podanego do bramki. Im większe jest napięcie bramkowe i niższa indukcyjność tym szybsze i mniej stratne jest wyłączenie i mniejszy wymagany snubber. Tylko dla małych prądów dla najnowszych GTO z mocnym sterowaniem bramki snubber napięciowy jest zbędny co brzmi bardzo optymistycznie. Ale przy większych prądach pojemność snubbera silnie rośnie i mocno rosną dynamiczne straty mocy. Ale napięcie bramkowe nie może być za duże bowiem napięcie przebicia bramki jest około 15-20 V. Indukcyjność w obwodzie bramki jest bardzo szkodliwa !
Maksymalna stromość narastania napięcia anodowego du/dt tyrystora GTO w stanie wyłączonym ( identyczna definicja jak zwykłego tyrystora ) zależy od oporności Rgk i ewentualnie ujemnej polaryzacji bramki ( konieczna dla najwyższych napięć ) w stanie gdy nieaktywny driver ze zbyt niskimi napięciami zasilania jeszcze nie podaje ujemnego napięcia bramki. Dla bezpieczeństwa wymagana jest bardzo duża wartość tej stromości rzędu 1000-5000 V / usec lub lepiej. Przy wstecznej polaryzacji bramki napięciem -5V stromość ta przekracza 10 000 V/usec. Wymagana mała oporność Rgk powodowałaby koszmarne straty w stanie operacyjnym drivera i stąd propozycja autora [P] aby do spoczynkowej blokady bramki GTO zastosować normalnie załączony (!) tranzystor JFet odblokowany bramką gdy pojawią się napięcia zasilania drivera i stanie sieon aktywny. W obudowach tranzystorów sygnałowych TO92 są produkowane tranzystory JFet o najmniejszym Rdson=4 Ohm. Cztery takie tranzystory połączone równolegle mają oporność 1 Ohm i przy nieaktywnym driverze pewnie blokują bramkę największego GTO i w momencie podania zasilania mocy tyrystory GTO na pewnie się nie załączą dynamicznie efektem du/dt. Dla średniej wielkości GTO wystarczy jeden taki tranzystor JFet. Generalnie drivery bramek GTO powinny być zasilone jeszcze przed podaniem zasilania mocy.
Przy wyłączaniu stromość narastania napięcia ( i moc impulsu strat w tyrystorze ) jest ograniczana snubberem RCD ( lub dedykowanym systemem ) z drogim kondensatorem energoelektronicznym pojemności 1-10 uF przejmującym na moment potężny prąd wyłączanego GTO.
Teoretycznie duże GTO mogą operować do częstotliwości 1 KHz ale w praktyce jest to do kilkuset a nawet 100 Hz.
Ponieważ włączeniu i wyłączeniu GTO towarzyszą silne impulsy energii minimalne czasy włączenia i wyłączenia nie mogą być skracane bowiem struktura musi odpocząć. O bezpieczeństwo GTO winien dbać system sterowania i dodatkowo sam driver. Gdy czas włączenia był za krótki Driver winien wyłączyć GTO według rozkazu i się zablokować. Próba załączenia GTO po zbyt krótkim czasie wyłączenia powinna być sabotowana a sam Driver też powinien się zablokować.
Driver winien obserwować napięcie na anodzie GTO w czasie załączania i gdy ono w stanie zwarcia za słabo spada momentalnie przerwać wyzwalanie i podać na bramkę napięcie wyłączające i zablokować się.
Koncern Sony w wykonawczym układzie odchylania poziomego H-Out do odbiorników TVC stosował tyrystor GTO typu SG613 ale odszedł od tego rozwiązania bowiem układ z tranzystorem wysokonapięciowym jest trochę prostszy i tańszy a system jest bardziej niezawodny.
Podsumowując temat tyrystora GTO:
-Im wyższe jest katalogowe napięcie tym wolniejszy jest GTO i przyrządy wysokonapięciowe są powolne.
-Indukcyjność obwodu bramki GTO jest krytyczna i ma być jak najmniejsza.
-Po szybkim spadku wyłączanego prądu następuje długie ( circa 10 x Tf ) przeciąganie prądu co skutkuje dużymi stratami dynamicznymi co ogranicza częstotliwość modulacji PWM.
-Kondensator snubbera musi być zwymiarowany na największy prąd jaki wyłączy GTO co skutkuje średnią dużą mocą (nawet gdy wyłączany przez GTO jest mały prąd ) wydzielana w rezystorze snubbera RCD. Bardzo ciekawe i proste rozwiązanie snubbera du/dt i jednocześnie di/dt bez rezystora mocy ale z rekuperacją energii (można ja też stracić rezystorem mocy ) stosują Japończycy. Ale rekuperowaną moc z poziomu napięcia rzędu 5% napięcia zasilania mocy trzeba przetwornicą ( niemałej mocy ) zwrócić do napięcia zasilania mocy. Rozwiązanie to otwiera wiele zastosowań dla GTO !
-Potężny driver do bramki dużego GTO jest bardzo trudny. Sam Driver ma dostarczyć elementarne bezpieczeństwo GTO. Zaawansowane informacje pochodzą tylko od Japończyków. Ratunkiem są równolegle połączone ( tylko dla częśći Off ) tranzystory Power Mosfet w obudowie TO220 na napięcie Uds=50V i potężny prąd. Z uwagi na niska częstotliwość operacji GTO średnia moc strat w nich jest mała i radiatory są zbędne. Philips [10] dla swoich GTO podaje prymitywny testowy Driver i z racji użycia tranzystorów bipolarnych nieprzydatny nawet dla średnich GTO a co dopiero dużych i bardzo dużych. Czas forsowania prądu załączenie bramki wynosi tu 1.5 usec a dla dużych wysokonapięciowych GTO musi on wynosi 5-20 usec.
Z użyciem Mosfetów i kondensatorów o małym ESR Driver może być mały i umieszczony blisko bramki GTO.
Pomysłowe zasilacze do Driverów tyrystorów konwencjonalnych i GTO w układach wysokonapięciowych gdzie nie można użyć transformatorów są wytworem ludzkiego geniuszu
W 1971 roku znane były teoretycznie i w części praktycznie już wszystkie rodzaje tranzystorów...
poza przeoczonym IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor. GE jako pierwszy w świecie ( ale zostały opracowane w Japonii ) w katalogu na 1985 rok oferuje tranzystory mocy IGBT. Sterowane bramką są tak samo wygodnie jak tranzystory Mosfet i przy dużych napięciach Uce gęstość prądu jest dużo większa niż w Mosfecie i tym większa (!) im IGBT jest wolniejszy. Niestety występuje w nich stratne przeciąganie prądu identyczne jak w tyrystorach GTO ! Nawet po udoskonaleniu będą to klucze dynamicznie stratne dla niskich częstotliwości pracy. Ale w dziedzinach dużej mocy częstotliwość przełączania zawsze jest niewielka
Literatura
1.A.G. Milnes, Semiconductor Devices and Integrated Electronics, Van Nostrand Reinhold, 1980.
2.O.L. Harding, P.D. Taylor, and P.J. Frith, "Recent advances in high voltage thyristor design", Fourth International Conference on AC and DC Power Transmission, London, pp. 315-319, 1985.
3.Iliceto, F. and Cinieri, E. (1977) Comparative analysis of series and shunt compensation schemes for AC transmission systems. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS-96 (1), 167–79.
4.Jancke, G., Fahlen, N., Nerf, O. (1975) Series capacitors in power systems. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS-94, 915–25.
5.Ashok Kumar, B.S.A., Parthasawathy, K., Prabhakara, F.S. and Khincha, H.P. (1970) Effectiveness of series capacitors in long distance transmission lines. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS-89 (4), 941–50.
6.Miller, T.J.E. (1982) Reactive Power Control in Electric Systems, John Wiley & Sons, Inc., New York.
7.Akiteru Ueda, Masahiko Ibamoto, Hiroshi Narita (1983). GTO Inverter for AC Traction Drives
IEEE Transactions on Industry Applications Vol. 19
8.Makoto Hashii, Kenji Kousaka, Masahiro Kaimoto (1987). New Approach to a High-Power GTO PWM Inverter for AC Motor Drives IEEE Transactions on Industry Applications Vol 24.
9.„Elektrotechniczeskij sprawocznik”, Energoatomizdat, Moskwa 1982
10.Philips 1987. S02b Thyristors Triacs
11.1978 Motorola. Power Device Data
12.Wyszkowski, S. Energoelektronika na statkach. Wydawnictwo Morskie. Gdańsk 1981.”
Sprawdzenie.
1.W typowej aproksymacji z czasem martwym i inercją I rzędu generalnie czas martwy przemysłowych wymienników ciepła wynosi 1-30 sekund a stała czasowa 5-120 sec. Na wykresie pokazano temperaturę chłodzonego wymiennikiem medium przy zwiększeniu strumienia chłodzącej wody o 33.3% do 100%. Wymiennik ten ma czas czas martwy 3 sec. Na wykresie jest też odpowiedz inercji.
2.Na rysunku pokazano trzy równolegle pracujące wieże chłodnicze. Najlepszy wynik (w tym koszt pompowania ) uzyskamy przy równym podziale strumienia wody na wieże.
Sygnał z sensora całego przepływu FT podano jako zadany ( dodano tez wyjście VPC ) do trzech regulatorów stosunku (!) FFIC. Operują one trzema zaworami.
