1

Elektronikus

áramkörök

és ipari elektronika

Teljesítményelektronika

© Hajdú Bálint 1999

3. TELJESITMENYELEKTRONIKA /Hajdú Bálint/ 2

3.1. Nagyáramú félvezetők 3

3.1.1. Teljesitménydiódák 3

3-1.2. A diódák villamos jellemzői 4

3.1.3. Teljesitménydiódák veszteségei, hűtése 8

3-1.4. Tirisztorok felépitése és működése 12

3.1.5. Tirisztorok jellemző adatai, jelleg

görbéi 17

3.1.6. A tirisztorok veszteségei 25

3.1.7. Teljesitménydiódák és tirisztorok

szerkezeti felépitése 27

3.1.8. Szimmetrikus tirisztor /triac/ 30

3.2. Áramirányitók 36

3.2.1. Váltakozóáramú szaggatók 37

3.2.2. Egyenirányítók 43

3.2.3. Egyenáramú szaggatók 64

3.2.4. Váltó irányitók /inverterek/ 68

2

3. TELJESITMENYELEKTRONIKA

A teljesitményelektronika, vagy más elnevezéssel

erősáramú elektronika olyan elektronikus kapcsolásokkal,

készülékekkel és berendezésekkel foglalkozik, amelyek a

feszültség, áram, teljesítmény, vagy a felhasználási

terület szempontból az erősáramú elektrotechnika

területére tartoznak. Az elektronikát a régebbi

berendezésekben a gáz vagy higanygőz töltésű,

rácsvezérlésű vagy rácsvezérlés nélküli elektroncsövek,

újabb berendezésekben a félvezető, elsősorban szilícium

alapú diódák és tirisztorok, triac-ok, bizonyos korlátok

között teljesitménytranzisztorok és egyéb félvezetőalapu

alkatrészek képviselik.

A teljesítményelektronika fejlődését ugrásszerűen

meggyorsította a nagy kapcsolási teljesítményű, korszerű

félvezető elemek megjelenése. Ezek lehetővé tették nagyon

sok olyan területen a teljesítmény-elektronikai

berendezések elterjedését, ahol a feladatokat eddig csak

forgógépes átalakítókkal lehetett gazdaságosan megoldani.

Ezenkívül lehetővé tették olyan feladatok megoldását is,

amelyek a hagyományos elektrotechnika eszközeivel és

módszereivel egyáltalán nem voltak megvalósíthatók.

A teljesitményelektronikát gyakran áramirányitás-

technikának, a teljesitményelektronikai berendezéseket

pedig áramirányítóknak nevezik.

Az erősáramú elektronikai kapcsolások, berendezések és

a legfontosabb alkalmazások tárgyalása előtt a

legfontosabb elektronikai építőelemeket, a félvezető

teljesitménydiódát, a tirisztort és a triacot ismertetjük.

3

3.1. Nagyáramú félvezetők

A teljesítményelektronika legfontosabb építőelemei a

különböző félvezető eszközök. A nagyáramú diódák és a

vezérelhető nagy teljesítményű félvezető elemek, a

tirisztorok egyre nagyobb mértékben kiszorítják a

hagyományos forgógépes átalakítókat és higanygőz

töltésű csöveket.

3.1.1. Teljesítménydiódák

Korábbi tanulmányaink során megismertük a különböző

szennyezésű félvezető rétegekből felépülő diódák

szerkezetét és működését. Mint láttuk, a félvezető

diódák aktív része egy tiszta, négyvegyértékű

kristályból - általában szilíciumból -

kivágott néhány tized milliméter vastag lapka, amelynek

felülete a dióda áramától függően, néhány mm2 -től 100-

200 mm2 -

ig terjed. A lapka egyik oldalát igen csekély

mennyiségű három vegyértékű anyaggal, pl. alumíniummal

szennyezik, ezt nevezik P-tipusu, vagy

akceptorszennyezésnek. A másik oldalt pedig öt

vegyértékű anyaggal, pl. antimonnal szennyezik. Ez az

N-tipusu, vagy donorszennyezés. A különböző típusú

szennyezőrétegek határán kialakuló P-N átmenet

rendelkezik a diódákra jellemző egyenirányító

tulajdonsággal; vagyis, hogy a rákapcsolt feszültség

polaritásától függően az áram útjával szemben nyitó-

/kisellenállású/ vagy záróhatást /nagyellenállású/

fejtenek ki.

Az erősáramú elektronikában alkalmazott félvezető

eszközöket ügy kell kialakítani, hogy záróirányban

minél nagyobb feszültséget lehessen rájuk kapcsolni, a

nyitóirányban átfolyó áram viszont ne okozzon

túlságosan nagy feszültségesést. Ez a két feltétel

alapjában véve ellentmond egymásnak. Ha azt akarjuk, hogy

a P-N átmeneten kicsi legyen a nyitóirányú

4

feszültségesés, az egymás melletti P és N rétegeket erősen

szennyezni kell, mert így megnő a félvezető anyag vezetőké-

pessége. Ez viszont azt eredményezi, hogy a záróréteg széles-

sége nagymértékben lecsökken, adott záróirányu feszültségnél

nagy lesz a térerősség és hamar bekövetkezik az átütés.

E két, egymásnak ellentmondó feltételt ügy lehet kielé-

gíteni, hogy két, erősen szennyezett réteg közé gyengén

szennyezett réteget iktatunk. Ezt a közbenső réteget S-

rétegnek nevezzük /3.1. ábra/, melynek szerepét ügy is

felfoghatjuk, mintha szigetelő réteget iktattunk volna a P és

N réteg közé, hogy a zárófeszültség túlnyomó része erre a

rétegre jusson, így csak lényegesen nagyobb külső feszültség

hozhatja létre az átütéshez szükséges térerősséget.

Nyitóirányban a vékony S-tartomány

nem növeli jelentős mértékben az

ellenállást, mert mindkét oldalról

nagy mennyiségben áramlanak be a

töltéshordozók.

3

3.1 ábra

3.1.2 A diódák villamos jellemzői

Záróirányu jellemzők. Ha a diódára záróirányu feszültséget

kapcsolunk, az átmenetben záróréteg alakul ki. A feszültség

hatására a zárórétegben csak akkora áram folyik, amely a hő

hatására létrejövő töltésekkel arányos. A záróirányu áram a

feszültséggel először nő, majd a telítési értéken

állandósul. Ezt a telítési értéket megszabja a hőmérséklet és

az adott hőmérséklethez tartozó kisebbségi töléshordozók

5

száma. Ha a zárófeszültség tovább növekszik, akkor a

kristály belsejében a térerősség olyan nagy lesz, hogy a

mozgó elektronok sebessége elérheti az ionizáláshoz

szükséges értéket. Ezek az ionizációval létrejött

töltéshordozók a záróáramot alig növekvő zárófeszültség

mellett is rohamosan növelik és ezáltal a kristály

szétrobbanhat. Azt a feszültséget, ahol bekövetkezik a

záróáram rohamos növekedése, letörési feszültségnek

nevezzük. A 3.2. ábra a dióda záróirányu jelleggörbéjét

mutatja. Látható, hogy a jelleggörbe hőmérsékletfüggő. A

hőmérséklet növekedésével a záróirányu telítési áram roha-

mosan, a dióda tönkremenetelét előidéző letörési

feszültség kisebb mértékben nő.

A záróáram és a feszültség

szorzataként adódó veszteség nem

oszlik el egyenletesen a kristály

teljes felületén és ez helyi fel-

melegedést előidézve a kristályt

tönkreteszi.

A teljesitménydiódák záró-

irányu igénybevételének jellemzésére rendszerint két

adatot szoktak megadni: a nem ismétlődő

határfeszültséget /URSM/ és azt, amelyik

periodikusan ismétlődhet /URRM/. A diódák nem ismétlődő

záróirányú határfeszültségét semmi körülmények között sem

szabad túllépni.

Ha az üzemi feszültség nagyobb, mint a diódára

megengedett záróirányu feszültség, két vagy több diódát

sorba kell kapcsolni. Ilyenkor a feszültség a záróirányu

áramokkal fordított arányban oszlik meg rajtuk, tehát a

kisebb záróáramú diódára nagyobb feszültség jut és

fordítva. Mivel a záróirányu áram adott diódatípus esetén

is példányonként különböző,

3.2. ábra

6

valamilyen módon gondoskodni kell a diódákon a

feszültség egyenletes elosztásáról. Ezt olyan

párhuzamos ellenállásosztóval lehet biztosítani,

amelyen a záróirányu áramnál nagyságrenddel nagyobb

áram folyik. /3.3. ábra/

Myitóirányu jellemzők. Ha a diódára nyitóirányú

feszültséget /TF/ kapcsolunk és a diódán átfolyó áramot

/IF/ a feszültség függvényében ábrázoljuk, a nyitóirányú

jelleggörbét kapjuk. Mint a 3.4. ábrán látható, a

nyitóirányú áram kb. 0,8 V feszültségig - a

küszöbfeszültségig /UF0/ - kicsi, majd ezt követően

rohamosan no. A diódák nyitóirányú jellemzésére általában

megadják a dinamikus helyettesítő ellenállást, amely

méréssel, vagy a nyitóirányú jelleggörbe alap-

7

Mint a jelleggörbéből látható, a hőmérséklet

növekedésekor az UF0 küszöbfeszültség kissé csökken, a

dinamikus helyettesítő ellenállás viszont kismértékben nő.

Dinamikus jellemzők. A szilíciumdióda működési

módjából következik, hogy ha áramvezetési állapotból

zárási állapotba megy át, akkor a feszültség

irányváltásakor a P-N átmenetben levő töltéshordozóknak ki

kell ürülniük a zárórétegből ahhoz, hogy a dióda

visszanyerhesse záróképességét. Ehhez azonban időre van

szükség. A 3.5. ábrán egy nyitásból zárásba átváltó dióda

áramának lefolyását látjuk az idő függvényében. A

hálózati feszültség megfordulásakor az első pillanatban a

diódán a feszültség polaritása nem fordul meg, mert a

záróréteg rövid ideig kondenzátorként tárolja az ott levő

töltéshordozókat.

3.5. ábra

Rekombináció és a terhelésen történő kisülés után a

záróréteg töltése megszűnik. A záróréteget ilyen módon

elhagyó lyukak és elektronok a nyitóárammal ellentétes,

vagyis záró irányú áramot idéznek elő, amely egy idő múlva

a záróáram állandósult értékére esik vissza. Ez a

folyamat néhány 10µs alatt játszódik le. A

töltéstárolásból adódó záróáram-

8

növekedés csúcsértéke annál nagyobb lesz, minél nagyobb volt

az átkapcsolás előtt a dióda nyitóárama és minél nagyobb az

átkapcsolás sebessége. A záróirányú tehetetlenség a teljesít-

ménydiódák alkalmazását 1...10 kHz frekvenciára korlátozza.

A gyors áramváltozás a dióda áramkörében elhelyezett induk-

tivitásokon a diódákra nézve veszélyes túlfeszültséget okoz-

hat, amely tönkremenetelüket is előidézheti. Ez ellen ügy

védekezhetünk, hogy a diódákkal párhuzamosan kapcsolunk egy

megfelelően méretezett soros RC áramkört.

3.1.3. Teljesitménydiódák veszteségei, hűtése

A félvezető diódákon üzem közben veszteségek keletkeznek,

amelyek melegítik a diódák zárórétegét és amelyek elvezeté-

séről valamilyen módon gondoskodni kell. A zárófeszültség és

záróirányu áram szorzatából adódó veszteség kicsi, a legtöbb

esetben a teljes veszteségnek csupán néhány százaléka. A di-

ódák veszteségének zöme a nyitóirányú áram által okozott fe-

szültségesésből adódik. Nem követünk el nagy hibát, ha a

diódán létrejövő feszültség-esést a küszöbfészültség - szili-

ciumdiódáknál 0,8 V körüli érték - és a dióda dinamikus he-

lyettesitő ellenállásán fellépő feszültségesés összegeként

számítjuk. Periodikus lefolyású áram esetén a nyitóirányú

veszteség átlagértékét az alábbi kifejezés adja:

Az összefüggésből látható, hogy a veszteség egyik része az

áram középértékével /IK/, másik része az áram effektív

értékének a négyzetével arányos.

Egy 150 A-es dióda adatait véve alapul: UF0 = 0,8 V;

Rd = 10-3 Ω. Egyenirányítót t szinuszos áramalaknál, ha az

9

Látható, hogy a veszteség nagyobbik része az áram

középértékével arányos. Névleges árammal történő

terheléskor általában ez teszi ki. az összveszteség 60-8O

%-át. Viszont a névlegesnél nagyobb terhelés esetén, ha az

áram alakja változatlan, a veszteség első része

arányosan, a második része viszont négyzetesen változik,

Például háromszoros terhelés esetén a veszteség:

tehát látható, hogy a nagyobbik részt most már a-z áram

effektív értékétől függő rész adja.

A diódákban a hővé alakuló veszteségi teljesítmény a P—

N átmenetben jön létre, amely a félvezető hőmérsékletét

emeli. A keletkezett veszteség-meleg hővezetés útján távozik

elsősorban a hűt8tönkön keresztül, amelyen a félvezető

szilíciumlapka helyezkedik el /3.6. a/ ábra/. Hogy a

hőleadás jobb legyen, a diódát hűtőlemezre, vagy bordázott

hűtőtestre szerelik /3.6. b/ ábra/, a hűtőtestről a hőt a

környező levegő veszi át. A hűtés javítására mesterséges

légáramlást is szokás alkalmazni. Intenzívebb hűtés érhető

el folyadékhűtésű

- víz, olaj - hütőtestekkel.

A félvezető kristály hőmérséklete addig emelkedik, amig

a felületéről a környezetnek átadott hőteljesitmény /Phő/

pontosan egyenlővé válik a kristályban fejlődő veszteségi

teljesítménnyel /Pv /. Hogy a félvezető veszteségi

teljesítménye

10

Hodrarnlás útja

és melegedése közötti összefüggést egyszerű alakban Ír-

hassuk, fel, bevezetjük a hőellenállás /Rhő/ fogalmát, és az

elektrotechnikában használatos áram és ellenállás

fogalmának megfelelően értelmezzük a hővezetés és hőáram

fogalmát. A 3.7. ábrán az A és B testet összekötjük egy

hővezetővel /fémtesttel/, hogy hőátadás jöjjön közöttük

létre. Ha az A test

11

3.7. ábra

tA hőmérséklete magasabb a B test tB hőmérsékleténél, A-ból

a hővezető közvetítésével hő áramlik B felé. A T idő alatt

átáramló Q hőmennyiség és a T idő hányadosa a hőáram:

A Phő hőáram egyenesen arányos a két test közötti tA-tB

hőmérsékletkülönbséggel és fordítva arányos az A és B kö-

zötti hővezető anyag Rhő hőellenállásával :

A hőellenállást tehát ügy kapjuk meg, hogy a két

test hőmérséklet különbségét elosztjuk a hőárammal.

A teljesítménydiódákkal kapcsolatban az érdekel

bennünket, hogy a környezethez képest mennyire melegszik

fel a félvezetőkristály P-N átmenete, a határréteg. A

kristály és a környezet közötti RhőJK hőellenállást az

Ebből az összefüggésből

12

kifejezés adja, ahol tJ a határréteg hőmérséklete, tK

pedig a környezeti hőmérséklet.

Minthogy egyensúlyi állapotban a leadott Phő hőáram meg-

egyezik: a keletkezett Pv veszteségi teljesítménnyel,

felírhatjuk, hogy az utóbbi elvezetéséhez mekkora

hőellenállású közegre van szükség:

A hőellenállás egysége: °C/W.

Ha a diódát hűtőbordára szerelve használjuk, a

kristály és a környezet közötti hőellenállást két

részellenállásra bonthatjuk fel. Az egyik a határréteg és a

dióda burája /háza/ közötti hőellenállás: RhőJB, az un.

belső hőellenállás. Ezt általában megadják a diódák

katalóguslapjain. A másik, a külső hőellenállás a dióda

tok és a környezet közötti hőellenállás: RhőJB . A teljes

hőellenállásnak ezt a részét tudjuk megfelelő

hűtőfelületekkel és hűtőbordákkal csökkenteni, ezáltal a

dióda által leadható hőteljesítményt növelni.

A teljes hőellenállás a két részellenállás

összegeként számítható:

3.1.4. Tirisztorok felépítése és működése

A teljesítményelektronikában a félvezető diódák mellett

a leggyakrabban előforduló elektronikus eszköz a vezérelt

13

egyenirányítónak Is nevezett tirisztor. Az első tirisztort

1958-ban az Egyesült Államokban a General Electric cég

állította elő és alkalmazta. A tirisztor az erősáramú

elektronikában ugyanolyan forradalmi változásokat idézett

elő, mint a híradástechnikában, egy évtizeddel előbb

előállított tranzisztor.

A tirisztor olyan szilícium alapanyagú félvezető

eszköz, amelyik a diódákhoz hasonlóan egyik irányban zár -

nem vezet áramot -, a másik irányban pedig zár vagy nyit,

attól függően, hogy a vezérlőelektródája vezet-e áramot

vagy nem.

A tirisztorok aktív része a diódákéhoz hasonló

félvezető kristály, amely négy - különböző szennyezettségü

- rétegből épül fel. Az egyes rétegek sorrendje: P1 – N1 -

P2 - N2

/3.8. a/ ábra/. A két szélső /P1 és N2/ réteghez

csatlakozó elektródák képezik a tirisztor anódját és

katódját. A P2 réteghez csatlakozik a harmadik elektróda,

amelyet vezérlő vagy kapu elektródának neveznek és

általában G betűvel jelölnek. Az egyes rétegek

szennyezettsége eltérő, a két szélső réteg erősebben, a

két közbenső gyengébben szennyezett.

Mint a 3.8. b/ ábra mutatja, az egymást követő P - N

átmenetek alapján a tirisztort három, sorbakapcsolt

diódával /D1, D2, D3 / helyettesíthetjük. A D1 dióda anódja

alkotja a tirisztor anódját, a D3 katódja a tirisztor

katódját, a vezérlő elektróda pedig a D2 és D3 közös

anódjához csatlakozik. A tirisztor működését ezek

figyelembevételével az alábbiak szerint magyarázhatjuk,

amikor az anódra,a katódhoz képest negatív feszültséget

kapcsolunk, a középső, J2 jelű átmenet nyitóirányú, a J1

és J3 átmenetek záróirányuak lesznek, így ezek az

áramvezetést az anód és katód között gyakorlatilag

megakadályozzák. Ha pozitív feszültséget adunk a katódhoz

14

képest az anódra, a J1 és J3 átmenetek lesznek

nyitóiráriyuakt de a középső – J2 átmenet - záróirányu

lévén a tirisztor továbbra is zárt /nem vezető/

állapotban marad.

Ebből a lezárt állapotból a tirisztor kétféleképpen

kapcsolható át vezető helyzetbe:

- a pozitív anódfeszültség növelésével,

- a vezérlő elektróda áramának megindításával.

A 3.9. ábrán látható mérőáramkörnek megfelelően csatla-

koztassunk a tirisztor anódjához az R0 védőellenálláson ke-

resztül változtatható feszültségű áramforrást /U0/. A G

kapu-elektródára - ellenálláson át - szintén adjunk

egyenfeszültséget /UG /. A tirisztor első mód szerinti

bekapcsolásához szakítsuk meg a vezérlőelektróda áramkörét

/IG = 0/ és változtassuk az anódfeszültség értékét.

15

3.9. ábra

Miközben az anódfeszültséget 0-tól kiindulva folyamatosan

növeljük, a tirisztoron csak a középső - N1-P2 - átmeneten

kialakuló záróirányu áram folyik keresztül, a tirisztor te

hát gyakorlatilag lezárt állapotban van. Mihelyt azonban a

középső határréteg eléri a letörési feszültséget, az anód-

áram hirtelen megemelkedik, a tirisztor lavinaszerűen át

kapcsol vezető állapotba. Azt az anódfeszültséget ahol ez

a jelenség bekövetkezik, billenési feszültségnek /U/BO//

nevezzük. Ebben a begyújtott állapotban az anódáramot csak

az R0 ellenállás korlátozza. Ha az anódáramot R0 növelésé-

vel vagy az U0 csökkentésével az IH tartóáram értékére

csökkentjük, a tirisztor üzemszerűen az U/BO/ billenési

feszültség túllépésének hatására kapcsoljon be, mert az

tönkreteszi a tirisztort és a kapcsolás működésében is

zavarokat idéz elő.

A tirisztor második módszer szerinti bekapcsolásához

adjunk a vezérlőelektródára a katódhoz képest pozitív fe-

szültséget. Az így kialakuló - P2-N2 átmeneten átfolyó –

IG1 vezérlőáram hatására az N2 rétegből a P2 rétegbe

átáram-

16

ló elektronok egy része bejut az M-P2 átmenetbe 6s

csökkenti ez utóbbi záró hatását. Elegendően nagy

vezérlőáram esetén teljesen megszűnik a középső P-N

átmenet záró hatása és a tirisztor vezetni kezd, tehát

bekapcsol.

Erre akkor kerülhet sor, amikor az anód és katód közötti

feszültség az adott IG1 gyujtóáramhoz tartozó billenési

feszültséget eléri. Minél nagyobb a gyujtóáram, annál kisebb

anód-katód feszültségnél indul meg a tirisztoron

keresztül az áram /3.9. b/ ábra/. Másképpen kifejezve,

adott UD anódfészültségnél meghatározott vezérlőárammal a

tirisztort az áteresztési tartományba billenthetjük. Az

ehhez szükséges vezérlőáram a legtöbb tirisztor esetén

nagyon alacsony érték, mindössze néhány milliamper.

Ezenkívül a vezérlőáramnak csak egészen rövid ideig,

impulzusszerűen kell átfolynia a katód—vezérlőelektróda

átmeneten ahhoz, hogy a tirisztor bekapcsoljon, és a

bekapcsolt állapot a vezérlő impulzus megszűnése után is

fennmarad. Kikapcsoláshoz ismét az IH érték alá kell

csökkenteni a tirisztoron, átfolyó áramot.

Ha a tirisztorra váltakozó feszültséget kapcsolunk

/3.10. ábra/, a vezérlő elektródára adott megfelelő

áramimpulzusokkal azt is elérhetjük, hogy a. bekapcsolt

állapot csak a pozitív félhullámok alatt jöjjön létre

/amíg az anód a katódhoz képest pozitív potenciálon van/.

3.10. ábra

17

3.10. ábra

A nullátmenet pillanatában az áram mindig megszűnik, a

tirisztor visszabillen a zárótartományba és a következő fél-

hullám alatt egy újabb vezérlőimpulzus kapcsolja át a

vezetésnek megfelelő állapotba. A vezérlöimpulzusok

nullátmehethez viszonyított időbeli eltolásával - a

gyújtási szöggel - folyamatosan lehet változtatni a

bekapcsolt pillanatát, vagyis a közepes áramerősséget és a

fogyasztói teljesítményt. A megfelelő időpontban kiadott

gyujtóimpulzusok előállításáról egy külön áramkör, a

gyújtó- vagy vezérlőáramkör gondoskodik.

3.1.5. Tirisztorok jellemző adatai, jelleggörbéi

A tirisztor működése közben három stabil állapotban

lehet: negatív irányban zárt, pozitív irányban zárt és

nyitott /bekapcsolt - áramvezető/ állapotban. Ezeket az

állapotokat szemléletesen tudjuk ábrázolni a feszültség-

áram jelleggörbéken /3.11. ábra/.

18

3.11. ábra

a/ A tirisztor negatív irányban zárt állapota negatív

anód-katód feszültség mellett az 1. számú jelleggörbének

felel meg, a koordinátarendszer III. negyedében. Ebben az

állapotban a tirisztoron csak a záró irányú áram folyik ke-

resztül. A jellemző adatok: U/BR/ letörési feszültség, URSM a

nem ismételhető negatív zárófeszültség csúcsértéke. URRM

az ismételhető negatív zárófeszültség csúcsértéke, valamint

az utóbbi esetben folyó záróirányu áram /IRRM/.

19

b./ A tirisztor pozitív irányban zárt /kikapcsolt/

állapota pozitív anód-katód feszültség mellett alakul ki,

amely a koordinátarendszer I. negyedében látható. /A

jelleggörbe 2. szakasza./ A jellemző adatok itt a következők:

U/BO/ billenési feszültség, UDSM a nem ismételhető pozitív

zárófeszültség csúcsértéke, UDRM , az ismételhető pozitív

zárófeszültség csúcsértéke és az ekkor folyó IDRM záróáram.

.

c./ A bekapcsolt: állapotot az I. negyedben a

jelleggörbe 3. szakasza jelenti., amely az IL bekapcsolási

árammal kezdődik és a feszültség .nagyon kicsiny növelése is

igen nagy áramemelkedést vált ki. Az átmenet a zárt

állapotból a bekapcsolt állapotba a 4. jelleggörbeszakasz

mentén történik. Amikor az anódáram a tartóárain alá

csökken, a tirisztor ismét zárt állapotba kerül, kikapcsol,

tehát megszűnik az anódáram.

A tirisztorok előbbiekben leirt be- és kikapcsolása nem

pillanatszerűen történik, hanem időben lejátszódó folyama-

tok. Ennek az a magyarázata, hogy az egyes

üzemállapotokhoz a töltéshordozók más-más eloszlása

tartozik a kristály belsejében, és a töltéshordozók

eloszlásának, ill. sűrűségének változása meghatározott

időt igényel. Az átmeneti folyamatok közben a tirisztor

áramának és feszültségének lefolyása nagyon fontos a

tirisztoros berendezés üzemeltetése szempontjából. Az

átmeneti folyamatok a tirisztorra igen veszélyes

igénybevételeket jelenthetnek és meghibásodásokat okoz-

hatnak.

Vezérlőárammal történő normális gyújtás esetén az

anódfeszültség és az anódáram jellegzetes időbeli

lefolyását láthatjuk a 3.12. ábrán. A t = 0 időpontban

bekövetkezett

20

3.12. ábra

gyújtóimpulzus hatására tk késési idő után az

anódfészültség gyorsan csökkenni, az anódáram nőni

kezd. Ez a késési idő több körülménytől függ, szokásos

értéke 100...3OO µs között van és nagysága csökken a

vezérlőáram amplitúdójának, a vezérlőáram impulzus

homlokmeredekségének, a tirisztorra kapcsolt

nyitóirányú feszültségének és a kristályhőmérsékletnek a

növekedésével.

A tá átkapcsolási idő alatt az anódáram rohamosan nő

és az anódfeszültség csökken. Ez az idő is csökken a

gyujtóimpulzus amplitúdójának és homlokmeredekségének,

továbbá a hőmérsékletnek a növekedésével. A legnagyobb

befolyása azonban annak van, hogy milyen gyors az

anódáram növekedése. Ha a terhelés induktív jellegű, az

áramnövekedés lassabban következik be, az

anódfészültség viszont gyorsan lecsökken. Ha azonban az

anódáram gyorsan növekszik /pl. ha a terhelés kapacitív

jellegű/, akkor kezdeti gyors csökkenés után az

anódfeszültsóg csökkenése lelassul. Ha

21

az anódáram változása a megengedettnél nagyobb, a kristály

térfogatának egy kis részében nagy veszteség lép fel, ami a

kristályt nagyon felmelegíti, és a tirisztort tönkreteszi.

Ezért a katalógusok előírják az időegységre eső

anódáramváltozás legnagyobb értékét, amely általában

20...200 A/µs között van.

Az árammeredekséget - ha a terhelőkör által

meghatározott érték a tirisztor szempontjából túlságosan

nagy - a tirisztorral sorbakapcsolt fojtótekerccsel

korlátozzák.

A tt az un. szétterjedési idő, amely alatt az

áramvezetés a 2 db P-N átmenet teljes felületére

kiterjed. Ez elsősorban a kristály keresztmetszetétől és

a vezórlőelektróda kialakításától függ.

A gyujtóimpulzusnak - ahhoz, hogy a gyújtás biztosan

bekövetkezzen - általában legalább olyan hosszúnak kell

lennie, mint a teljes bekapcsolási idő. Erősen induktív

terhelés esetén ennél sokkal hosszabb impulzusra van

szükség, mert különben az anódáram nem lépi túl a

tartóáram értékét és a tirisztor nem gyújt be.

A gyujtóimpulzusnak azonban nem csak az időtartama

lényeges, hanem feszültsége ill. árama is. A tirisztor

vezérlőkörének jellemző mennyiségeit a vezérlőelektróda

áram-feszültség jelleggörbéjében adják meg. Ez

tulajdonképpen nem más, mint a vezérlőelektróda-katód

közötti P-N átmenet nyitóirányú jelleggörbéje.

Technológiai okok miatt adott tirisztortipusra

vonatkozóan mind a vezérlőáram-vezérlőfeszültség

jelleggörbék, mind a jelleggörbéken levő

gyűjtóáramértékek erősen szórnak. A gyakorlat az, hogy

egy-egy tirisztortipusra jelleggörbesávban

22

adják meg a vezérlőkör jelleggörbéinek szórási határait és

ebben a /3.13- ábrán vonalkázva/ kijelölik a gyújtóáramok

lehetséges értékeit. A gyújtóáram nagysága erősen

hőmérsékletfüggő. Magasabb hőmérsékleten pl.

l V-os vezérlőfeszültség esetén már kisebb gyújtóáram

elegendő, mint alacsonyabb hőmérsékleten.

Gyártásközbeni válogatással

kijelölik a

gyújtófeszültség, ill.

gyújtóáram felső és alsó

határait /b és a jelű

görbe/. A jelleggörbe-sávban

feltüntettük a megengedhető

maximális vezérlőfeszültség

Uvmax = 6...10 V/, a maxi-

mális vezérlőáram /Ivmax=

= 1...2 A/ és a maximális

átlagos veszteségi telje-

sítmény /PDmax = 0 , 5 . . . l W/

értékét is.

P . értéke a vezetési állapotban 100 %-os bekapcsolási Dmax

időre vonatkozik, ez impulzusvezérlés esetén túlléphető. A

túllépés megengedhető mértékére vagy a jelleggörbébe be-

rajzolják a különböző bekapcsolási időkhöz tartozó veszte-

ség értékét /3.13. ábra/, vagy megadják a disszipációs tel-

jesítmény megengedhető legnagyobb pillanatértékét, ami ál-

talában 5 W-nál kisebb.

A tirisztor vezérlőköri jelleggörbéjében megadják azt a

legkisebb feszültség-, ill. áramértéket, amely értékek által

határolt - az ábrán bevonalkázott - területen kívül eső ve-

zérlőköri munkapontban az átkapcsolás mindig bekövetkezik,

ha az anód-katód között a feszültség nagyobb mint az UT

tar-

ábra 3.13.

23

tófeszültség. A tirisztorok biztos bekapcsolásához a vezérlőkör

feszültségét az áramát /ellenállását/ ügy kell meghatározni, hogy

az áram és feszültség által meghatározott munkapont a

bevonalkázott területen kívül /attól jobbra/ essen, a megengedhető

maximális áram-, feszültség- és teljesítményértékeken pedig belül

legyen /pl. a c egyenes mentén/.

A tirisztor kikapcsolása - mint már említettük - csak az

anódárain megszüntetésével, ill. egy kritikus érték /a tartó-

áram/ alá csökkentésével lehetséges. Amikor a tirisztor ára

ma a kikapcsolás során zérusra csökken, a zárórétegben jelen

levő felesleges töltéshordozók miatt éppen ügy vezető marad,

mint ahogy ezt a diódáknál leírtuk, A 3.14. ábrán bemutatjuk

egy ellenállás terheléssel sorbakapcsolt tirisztor anódára-

mának és anódfeszültségének időbeli változását a kikapcsolás

folyamán, ha feltételezzük, hogy az áramkör tápfeszültsége

a szaggatott vonal szerint változik. Amint a t0 időpontban

az UT tápfeszültség csökkeni kezd, a tirisztoron átfolyó

anódáram az ellenállásterhelés miatt vele együtt csökken. A

t1 időpontban a tápfeszültség negativvá válik és bár ez a

tirisztor szempontjából záró irányt jelent, a töltéshordozók-

kal elárasztott átmenetek miatt az anódáram is megfordul. A

negatív irányú árain kezdi kiüríteni a töltéshordozókat és elő

ször a t2 időpontban az Ua anódfeszültség polaritást vált,

majd t4 időponttól az Ua anódfeszültség gyorsan nő /az UT

tápfeszültség értékéig/ és az Ia anódáram negatív csucsérté-

kéről a t5 időpontig gyorsan lecsökken. Ezzel a tirisztor

visszanyerte záróirányu szigetelőképességét. A t1...t5 idő

tartam a tRf záróirányu szabaddáválási idő. A t5 időpontban

a szabad töltéshordozók még nem tűntek el teljesen, tehát ha

ekkor ismét pozitív feszültséget adnánk a tirisztorra, akkor az a

pozitív anódáramot vezetni tudná. A vezető- /nyitó-/ irányú

záróképességet a tirisztor csak a t6 időpontban nyeri

24

3.14. ábra

vissza. A t1…t6 idő a tf /nyitóirányú/szabadválási idő.

Ha a terhelőkörben induktivitás is van, akkor az Ua anód—

feszültség - a félvezető diódákhoz hasonlóan — a t4 időpont

utáni hirtelen áramcsökkenés következtében a negatív tápfe-

szültségnél sokkal nagyobb csúcsértéket érhet el. A túlfe-

szültség káros hatása ellen a tirisztort is párhuzamosan

kapcsolt RC áramkörrel lehet védeni. Ehhez a gyártó

vállalatok katalógusaikban megadják a tárolt

töltésmennyiséget. A tRf záróirányu szabaddáválási idő

ismerete fontos sorbakapcsolt tirisztorok esetén, mert a

legkisebb szabaddáválási idejű tirisztorra átmenetileg nagy

záróirányu túlfeszültség juthat és átütést is okozhat.

25

A tf szabaddáválási idő szokásos értéke 5...150 µs, A

kisebb értékek /kb. 30 µs-ig/ az un. gyors tirisztorokra

vonatkoznak, amelyek váltóirányító kapcsolásokban és

egyenáramú szaggatókban alkalmazhatók; a nagyobb értékek

az un. hálózati tirisztorok esetében szokásosak,

amelyeknek kikapcsolása után a szabaddáválási időnek

sokszorosa telik el, mielőtt a tirisztor újból

vezetőirányú feszültséget kap.

3.1.6. A__ tirisztorok veszteségei

A tirisztor űzetne csak adott hőmérséklettartományban

biztosított, ezért a terhelhetőséget, a megengedhető

áramértékeket a maximális réteghőmérséklet, ill. a

tirisztor veszteségei szabják meg. Ez utóbbi a következő

összetevőkből áll.

a./ Vezetőirányú veszteség a tirisztor bekapcsolt álla-

potában. A veszteségösszetevők közül ez a legjelentősebb,

és döntően ez határozza meg a tirisztor összes veszteségét.

Mivel bekapcsolt állapotban a tirisztorra jutó feszültség

kicsi /l...2 V/, a veszteséget főként a vezetőirányú áram

szabja meg. A vezetőirányú veszteség nagyságát a

katalógusok az áram középértékének függvényében

diagramban adják meg különböző áramvezetési szögekre

vonatkoztatva /3.15. ábra/, ha a tápfeszültség

frekvenciája 50 Hz. Hasonló jelleggörbében adják meg a

veszteséget, ha az áram lefolyása négyszögimpulzus.

b./ Vezetőirányú veszteség a tirisztor kikapcsolt

állapotában. Ez a veszteségösszetevő általában

elhanyagolható, mert a tirisztorra jutó feszültség több

száz volt is lehet, de a maradékáram uA esetleg mA

nagyságrendű.

26

c./ Záró Irányú veszteség.

Szintén elhanyagolható, ha a

vezérlőkörre nem jut

vezetőirányú feszültség.

Pozitív vezérlőfeszültség

esetén ugyanis jelentősen

megnő a záróirányú áram értéke

és ezzel együtt a záróirányú

veszteség is. A megnövekedett

veszteség miatt nő a

réteghőmérséklet. A kataló-

gusok megadják a pozitív

vezérlőfeszültség miatt

bekövetkező

réteghőmérsékletnövekedést, ill. azt, hogy mennyire kell

csökkenteni a környezeti hőmérsékletet változatlan áramter-

helés esetén.

d./ Vezérlőköri veszteségek. A tirisztor teljes veszte-

sége szempontjából nem jelentősek, azonban soha nem szabad

túllépni a vezérlőkörre megengedhető és a katalógusokban

megadott teljesítmény közepes, ill. pillanatértékét, mert

a vezérlőkör meghibásodhat.

e./ Átkapcsolást /be- és kikapcsolást/ veszteségek. Az

átkapcsolást veszteségeket az áram és feszültség időbeli

változásának ismeretében lehet meghatározni. A kikapcsolást

veszteség általában egy-két nagyságrenddel kisebb, mint a

bekapcsolási veszteség, ezért a gyakorlatban

elhanyagolható. Mivel kisebb kapcsolási frekvencián a

tirisztorok összvesztesége csak a vezetőirányú áramtól

függ, a katalógusok a Tt tokhőmérséklet függvényében

megadják a tirisztor megengedhető áramának középértékét

hálózati vezérlés, ill. négyszögimpulzus alakú áramra,

különböző áramvezetési szög esetén/3.l6. ábra/. A

megengedhető áram értéke természetesen függ a hűtés

3.15. ábra

27

módjától is, ezért a

gyártó vállalatok külön

diagramban tüntetik fel a

természetes, ill. megadott

mesterséges hűtéskor

megengedhető áram

középértékeket.

3.16. ábra

3.l.7. Teljesltménydiódák és tirisztorok

szerkezeti felépítése

Az erősáramú elektronika területén alkalmazott

áramirányító elemek gyakorlatilag kivétel nélkül

szilíciumalapúak. Szerkezetük kiinduló anyaga különleges

technológiával előállított, nagytisztaságú, egykristály

szerkezetű szilíciumrúd, amelynek átmérője az elérendő

áramterhelhetőségtől függően néhány mm-től 40...10O mm-ig

változhat. A szilícium rudat keresztirányban néhány tized

milliméter vastagságú lapkákra szeletelik és annak két

szembenálló felületén hozzák létre a különböző

szennyezésű rétegeket. A P és N típusú rétegek

kialakítása ötvözéssel vagy gáznemű közegből történő

diffúzióval végezhető ügy, hogy pontosan előirt ideig

meghatározott hőmérsékleten tartják.

A tirisztorok gyártástechnológiája csak abban tér el a

diódagyártás technológiájától, hogy váltakozva négy

félvezető réteget kell kialakítani. Ha például N-típusú

szennyezés

28

után erősebben P-típusú szennyezés ért a szilíciumot, a

nagyobb koncentrációjú szennyezés határozza meg a vezetés

jellegét. A 3.17. ábrán egymás mellett mutatjuk be

vázlatosan a diódák és tirisztorok gyártási folyamatát.

•n

Vezérlő elektróda felvitele

Tokozás

3-17. ábra

A szilícium üvegszerűen törékeny és nehezen

forrasztható. A félvezető rétegekhez csatlakozó

áramvezető kontaktusok felviteléhez ezért a felületeit

galvanizálással vagy fémszórással aranyozzák. /Az arany

nem befolyásolja a szilícium, vezetési jellegét, sőt a

kisebbségi töltéshordozók élettartamának csökkentése révén

a tulajdonságok javulnak./ Az így előkészített lapkát lágy

vagy kemény forrasztással molibdén hordozólemezre

rögzítik. A szilíciumlapkát ezt köve-

Csiszolás

Kontaktus felvitele és antimon ln) szennyezés

29

tőén a kerületén csiszolják, hogy az esetleges

szennyeződésektől megszabadítsák. A felületet végül

megfelelő szigetelőképességű és hőálló bevonattal látják

el. Ez a szigetelőréteg igen fontos, hiszen a PN-átmenet

néhány ezer volt zárófeszültsége alig néhány tized

milliméter hosszú szakaszra jut.

Az így kialakított félvezető szerkezetet gondosan

óvni kell a környezet behatásaitól, ezért nemesgázzal

kitöltött tokba helyezik. Az egyik megoldás szerint egyik

oldalát vörösréz bázistönkhöz rögzítik, míg a másik

oldalához nagy keresztmetszetű hajlékony kábel

csatlakozik /3.18. a./ ábra/. A másik megoldás szerint

két vezető lemez közé szorítják a szilíciumlapkát. Ez a

tárcsaszerkezet /3-18. b./ ábra/.

3.18. ábra

30

A főelektródák között kívül is megfelelő szigetelésre van

szükség. Ezt a toksapkába iktatott üveg vagy porcelán szige-

telőszakasz képviseli. A 3.18. a./ ábra szerinti kiviteli

formában a hajlékony kivezetés diódáknál akár anód-, akár

katódkivezetés is lehet. A tirisztoroknak - szerkezeti okból

mindig a katódja a nagy keresztmetszetű hajlékony kivezetés

és emellett található a vezérlőelektróda szigetelt kivezeté-

se. Az egyszerűbb csatlakozási lehetőség érdekében ezen ki-

vül a katódhoz is kapcsolódik egy vékony, hajlékony vezeték,

A bázis tönköt vagy rugós leszorítással, vagy az alján talál-

ható menetes résszel rögzítik a hűtőtestre, amely a szerke-

zetben keletkezett hőt vezeti el. A 3.18. b./ ábra szerinti

tárcsaszerkezetet két hűtőtest közé szokták szorítani. A bá-

zistönkön többnyire egy kis furatot is találunk a bázistönk

hőmérsékletét mérő hőelem befogadására.

3.1.8. Szimmetrikus tirisztor /triac/

Az előző fejezetekben ismertetett tirisztor hátrányos tu-

lajdonsága, hogy az; áramot csak egyik irányban tudja vezet-

ni. Teljesítményelektronikai alkalmazásoknál azonban gyakran

szükség vari arra, hogy az átfolyó áramot mindkét irányban

változtatni tudjuk. Ezt a feladatot látja el a szimmetrikus

tirisztor /rövidítve: szimisztor/, amelyet a külföldi

szakirodalomban triacriak neveznek. Ez az elnevezés a TRIode

AC semiconductor switch /= trióda típusú váltakozó áramú

félvezető kapcsoló/ angol szavak megfelelő kezdőbetűiből

összeállított rövidítés. A továbbiakban: a rövidség kedvéért mi is

ezt az elnevezést használjuk.

31

A triac lényegében abban különbözik a tirisztortól, hogy

pozitív és negatív vezérlőelektróda árammal egyaránt be lehet

gyújtani ás bekapcsolás után mindkét irányban vezeti az

áramot. Az első triacot - miként a tirisztort is - az ameri-

kai General Electric cég hozta forgalomba 1964-ben. Az állandó

fejlesztés eredményeként ma már 0,5-..300 A áram- és 50...

1200 V feszültségtartományban készülnek triacok.

A triac elvi felépítését és áramköri jelölését mutatjuk be

a 3.19. a./ és b./ ábrán. Az A1 és A2 kivezetések a fő-

elektródák, a G pedig a vezérlőelektróda. A váltakozó áramú

működtetés miatt a főelektródákat nem lehet anódnak, ill.

katódnak nevezni, mert ezek a fogalmak magukba foglalják az

áram irányítottságát is. A 3-19- c./ ábra a triac feszültség-

áram jelleggörbéjét tünteti fel.

•

3.19. ábra

. •

A működés és a gyújtási módok tanulmányozása céljából az

A1 főcsatlakozást tekintjük vonatkoztatási pontnak és ehhez

viszonyítjuk a vezérlőelektróda, valamint az A2 feszültségét

és polaritását. A váltakozó áramú táplálás következtében az A2

mindkét előjelű feszültséget felveszi, miközben

32

a G-re egyaránt juttathatunk pozitív és negatív gyujtó-

impulzus okát. Az UA2 főelektróda feszültség és UG vezérlő-

elektróda feszültség polaritásának ezek szerint négyféle

kombinációja lehetséges és ennek megfelelően a triac az

alábbi üzemi állapó tokban működhet:

I. állapot : Az A2 főelektróda az A1-hez viszonyítva pozi-

tív, a vezérlőelektróda árama szintéri pozitív. Ebben az ál-

lapotban a triac mint a szokásos tirisztor működik, a P1-N1-P2-

N2 rétegek aktívak.

II. állapot : Az A2 kivezetés az A1-hez viszonyítva pozi-

tív, a vezórlőelektróda árama negatív. Ebben az állapotban a

triacot ügy tekinthetjük, mint két párhuzamosan kapcsolódó

tirisztort. Az egyik - a felület kisebb részt: kitevő P1-N1-

P2— N2 rétegekből álló segédtirisztor a negatív gyújtóáram

hatására aktivizálódik, majd ezt követően kialakul az A2-A1.

áram, amely kinyitja a nagyobb felületű P1-N1-P2-N2, un.

főtirisztort , tehát a triac az A1-hez képest negatív

polaritásu impulzussal begyújtható.

III. állapot: Az A2 kivezetés az A1-hez viszonyítva ne-

gatív és a vezérlőáram is negatív. Miután a főcsatlakozások

polaritása most megfordul, az N4 réteg tölti be a katód, a

P2 az anód, míg az N3 a vezérlőelektróda funkcióját. Ez

utóbbira most az anódhoz /A1/ képest negatív feszültséget

kapcsolunk. Ebben az állapotban a triacnak közvetett ve-

zérlőelektródája van: a kívülről rákényszerített vezérlő-

áram hatására a P2-N3 átmenet kinyit és elektronokat küld a

P2-N1 átmenetbe, ezáltal beindítja a gyűjtési folyamatot.

Ebben az állapotban a gyújtás feltétele, hogy a negatív IG

vezérlőáram elegendően nagy legyen.

33

IV. állapot: Ilyenkor az A1 főcsatlakozáshoz képest az A2

negatív, a G vezérlése pedig pozitív polaritású, A P2-N2

átmenet nyitóirányú és elektronokat injektál, ezek elérik a P2-

Nl átmenetet, amelyet fokozottabban kinyitnak, A P2-N1-P1-N4

szerkezeten átfolyó áram növekszik és a tirisztor bekapcsol.

A 3.20. ábrán, példaként egy közepes teljesítményű triac

feszültség-áram jelleggörbéjét tüntettük fel a négy, előzők-

ben leirt üzemállapotra. IG = 0 esetén a triac mindkét pola-

ritása főelektróda feszültség esetén zár, de ez nyilván nem

haladhatja meg az U/BO/ billenési feszültséget. A 3.20. a./ ábrán

pozitív polaritású a vezérlőáram, a 3-2O. b./ ábrán pedig

negatív polaritású. Az ábrákból kitűnik, hogy a vezérlés

akkor optimális, ha váltakozó polaritású impulzusokkal

történik; tehát az A2 elektróda pozitív feszültségénél a ve-

zérlőelektródára is pozitív impulzus jut és fordítva.

A triac az áramot mindkét irányban vezeti, ezért nem

kapcsolható ki. ügy, mint a közönséges tirisztor. Ha a

feszültség polaritása megváltozik, a triac ellenkező

irányban bekapcsol. A megbízható kikapcsoláshoz az áramot a

tartóáramnál kisebb értékre kell csökkenteni.

34

35

Ellenőrző kérdések:

1. Mi az S réteg szerepe a teljesitménydiódákban?

"

2. Melyek a teljesitménydiódák záró irányú jellemzői?

3. Melyek a teljesitménydiódák nyitóirányú jellemzői?

4. Milyen dinamikus tulajdonságaik vannak a teljesitmény-

diódáknak?

5. Miből adódnak a teljesitménydiódák veszteségei?

6. Milyen módszerekkel lehet csökkenteni a teljesitmény-

diódák melegedését?

7. Mit nevezünk hőellenállásnak, és mi a mértékegysége?

8. Milyen rétegekből épül fel a tirisztor'?

9. Hogyan hozhatjuk vezető állapotba a tirisztort?

10. Mit nevezünk a tirisztor billenési feszültségének?

11. Hogyan befolyásolja a gyujtóárám értéke a tirisztor

gyújtási viszonyait?

12. Melyek a tirisztor stabil állapotai?

13. Milyen folyamat játszódik le a tirisztorban az át-

kapcsolási idő alatt?

14. Melyek a tirisztor vezérlőköri jellemzői?

15. Milyen folyamat játszódik le a tirisztorban a kikap-

csolás során?

l8. Milyen összetevőkből állnak a tirisztorok veszteségei?

17. Hogyan alakítják ki a teljesítménydiódák és tiriszto-

rok szerkezetét?

18. Miben különbözik a triac a tirisztortól?

19. Milyen vezérlési állapotai vannak a triacnak?

20. Milyen mennyiségeket ábrázolnak a triac jelleggörbéi?

36

3.2. Áramirányítók

A teljesttményelektronika jellegzetes berendezései az

áramirányit ók, amelyek az előző fejezetben megismert

nagyteljesítményű félvezető elemekből épülnek fel. A

diódák, tirisztorok és triac-ok mellett azonban találunk

bennük passzív áramköri elemeket is: ellenállásokat,

kondenzátorokat, transzformátorokat és fojtótekercseket. A

vezérelhető félvezető eszközökhöz vezériőáramkör is

tartozik, amely a megfelelő időpontban a helyes működéshez

szükséges vezérlőjeleket ál-litja elő. A korszerü

vezérlőáramkörök egyebek mellett a tranzisztorokat és

műveleti erősítőket is tartalmaznak.

Az áramirányitó kapcsolások többféle feladatot látnak

el. A váltakozó feszültség egyenfészültseggé való

átalakitását végzik az egyenirányitók, az ellentétes

folyamatot a váltóirányítók. Váltakozó feszültséget eltérő

periódusszámú váltakozó feszültséggé alakítják, át a

frekvenciaátalakitók; azonos periódusszámú, de más effektív

értékű váltakozó feszültséggé a váltakozó áramú szaggatók.

Egyenfészültséget más értékű egyenfészültseggé alakítanak át

az egyenáramú szaggatók és az egyen/egyenfészültség átalakít

ők. A. villamos energia áramirányitókkal történő átalakítási

lehetőségeit szemlélteti a 3.21. ábra.

3.21. ábra

37

3.2.1. Váltakozó áramú szaggatók

A váltakozó áramú szaggatók olyan nagyteljesítményű elekt-

ronikus kapcsolók, amelyekkel váltakozó áramú körben az ener-

giaáramlás megindítható /bekapcsolható/, ill. megszakítható

/kikapcsolható/, vagy az áramló energia értéke folyamatosan

változtatható.

Egyfázisú váltakozó áramú szaggatók

A 3.22. a./ ábrán látható az egyik leggyakoribb ellenál-

lásterhelésü egyfázisú váltakozó áramú szaggató.

Eszerint az R terhelés ellenpárhuzamos tirisztorpáron át

csatlakozik a váltakozó áramú hálózatra. Ha a T1 és T2 ti-

risztorokat a megfelelő pozitív félhullám elején /a nullát-

menetnél/ azonnal gyújtjuk, akkor a terhelés kapcsain a tel-

jes hálózati feszültség megjelenik. Ha viszont a gyújtást a

tápfeszültség nullátmeneteihez képest α1 ill. α2 szöggel

38

késleltetjük, az uR feszültség a 3.22. b./ ábra szerint ala-

kul, effektív .értéke jelentősen csökken. A feszültség effek-

tív értéke jelentősen csökken. A feszültség effektív értéke:

Az áram - az ellenállásterhelés jellegéből következően

hűen követi a feszültséget.

A 3.23. a./ ábra egyfázisú takarékkapcsolásu váltakozó

áramú szaggatókapcsolást mutat. A terhelésre jutó feszültség

az egyfázisú diódás hidkapcsolásu egyenirányító egyenáramú

körébe beiktatott egyetlen tirisztor vezérlésével

változtatható. Az R terhelésen átfolyó áram olyan, mint a

szimmetrikus vezérlésű váltakozó áramú szaggatónál. A pozi-

tív félperiódusban a D1 - Th – D3 - R elemeken, a negatív

félperiódusban pedig az R – D2 - Th – D4 elemeken folyik

áram. A terhelésen átfolyó áram /3.23- b./ ábra/ effektív

értéke:

3.23. a/ ábra

39

Háromfázisú váltakozó áramú szaggatók

A háromfázisú kapcsolásokat három alcsoportba

sorolhatjuk. A 3.24. ábrán a szimmetrikus, teljesen

vezérelt kapcsolásokat mutatjuk be: az a./ nullapont-

kivezetéses, a b./ és c./ ábra pedig nullapont kivezetés

nélküli kapcsolást mutat.

Látható, hogy a nullapont kivezetés nélküli kapcsolás

mind csillagba, mind deltába kapcsolt terhelés

táplálására alkalmas. A nullapont-kivezetéses kapcsolás

előnye, hogy az egyes

tirisztorok feszültség-igénybevétele kisebb.

40

A 3.25. ábra szimmetrikus, un. félig vezérelt

kapcsolást mutat. A terhelés mind csillagba, mind deltába

kapcsolható. E kapcsolás hátránya, hogy a. tirisztorok

feszültség-igénybevétele nagyobb, mint a teljesen

vezérelt kapcsolásban.

A 3.2.6. ábrán két háromfázisú

takarékkapcsolást tüntettünk fel.

Az a./ ábra olyan kapcsolást mu-

tat, amikor két fázisban van csak

vezérelhető kapcsolóelem, míg a

harmadik fázis közvetlenül a. ter-

helésre csatlakozik. A kapcsolás

előnye, hogy felépítéséhez keve-

sebb tirisztor vagy triac, ill.

vezérlőegység szükséges. Hátránya,

hogy a kapcsolóelemek szimmetri-

kus vezérlésekor a terhelés egyes fázisaira jutó

feszültségek, ill. a fázisáramok nem azonos alakúak,

effektív értékük jelentősen eltér. A tirisztorok

aszimmetrikus vezérlésével az egyes fázisok feszültsége

szimmetrikusabba tehető.

a) 3.26. ábra b)

A 3.26. b./ ábra olyan kapcsolást mutat, amelyikben a

csillagpontot három-deltába kapcsolt tirisztorral képeztük

ki. Ez

3.25. ábra

41

a megoldás csak akkor használható, ha a terhelés csillagpont-

ja bontható. A 3.25. ábrán feltüntetett kapcsolással össze-

hasonlítva előnye, hogy a diódák elhagyhatók; hátránya, hogy

tel jós kivezérléskor a tirisztorokon átfolyó áram középérté-

ke 3/2-szer nagyobb. A két kapcsolásban a tirisztorok fe-

szültség-igénybevétele azonos.

Váltakozó áramú szaggatók álkalmazása

A váltakozó áramú szaggatók alkalmazása nagyon

sokrétű. Kontaktor jellegű és vezérelt kapcsolóként

szakaszos üzemben gyakran használjak hevítőberendezésekben

/ellenállás-kemencékben, háztartási fűtő- és

főzőberendezésekben/, pont-és vonalhegesztő

berendezésekben, továbbá egy- és háromfázisú váltakozó

áramú motorok kapcsolására.

A háromfázisú váltakozó áramú szaggatókkal nemcsak a motor

be-, ill. kikapcsolása, hanem forgás-irányváltása is meg-

valósítható. A forgásirányváltoztatásra a 3.27. ábrán mutatunk be

két példát; az a./ ábra egy fázissorrend /forgásirány—/

változtatásra alkalmas teljesen vezérelhető szimmetrikus

kapcsolót, a b./ ábra pedig egy ugyanezen célra alkalmas

takarékkapcsolást mutat.

42

Szabályozott kapcsolóként a váltakozó áramú szaggatókat a

váltakozó feszültségű fogyasztó teljesítményének folyamatos

változtatására használják fényerősség-szabályozó berendezé-

sekben, fűtőberendezésekben, pont- és vonalhegesztő berende-

zésekben, továbbá váltakozó áramú motorok fordulatszám—, ill.

nyomatékváltoztatására.

Az elektronika elterjedésével egyre bővül a váltakozó ára-

mú szaggatók alkalmazási területe is. A 3.28. ábra váltakozó

áramú feszültségstabilizátor elvi működését mutatja. Az a./

ábra szerinti kapcsolásban a hálózat váltakozó feszültsége egy

autótranszformátorra jut, melynek szekunderoldali meg-

csapolásaihoz az R terhelés egy-egy ellenpárhuzamosan kap-

csolt tirisztorpáron át csatlakozik. Ha az S1 kapcsolót kap-

csoljuk be folyamatosan, a kimeneti feszültség u' értékű /b.

ábra/.

.

Aszerint, hogy a kimeneti feszültséget kisebb vagy nagyobb

mértékben akarjuk növelni, egy periódus alatt későbben vagy

korábban bekapcsoljuk az S„ kapcsolót, ezalatt a kimeneti

feszültség u'' értékre növekszik. A tirisztorkapcsolók vezér-

lésekor arra kell ügyelni, hogy a megcsapolások között zárlat

ne keletkezzék.

43

Induktivitást tartalmazó terhelés mellett a terhelés

áramának és a feszültségnek a nullátmenete nem esik

egybe, a feszültség és az áram között fáziseltolás van.

Ez azt eredményezi, hogy a kimeneti feszültség nem lesz

szinusz formájú, ügy szoktuk kifejezni, hogy

felharmonikus összetevőket is tartalmaz. A felharmonikus

tartalmát, vagyis a torzítás mértékét úgy lehet

csökkenteni, hogy több megcsapolást helyezünk el az

autótranszformátoron.

3.2.2. Egyenirányítók

Az egyenirányítók feladata, hogy váltakozó áramú

energiaforrásból egyenáramú energiát állítsanak elő. Az

egyenirányítókat alapjában véve több részegységre lehet

bontani /3.29. ábra/: a tápláló hálózatot legtöbbször

egyenirányító transzformátoron> át kapcsoljuk az

egyenirányító elemekből felépített kapcsolási

elrendezésre. Az egyen irányító transzformátorok

felépítése sok esetben eltér a szokásos hálózati

transzformátorokétól, ezért használjuk az "egyenirányító"

jelzőt. E transzformátorok egyik feladata az, hogy az

adott ipari váltakozó áramú hálózat feszültségét a

szolgáltatandó egyenfeszültséghez illesszék, egyben a két

rendszert egymástól elszigeteljék.

Szűróinduktivltás

3.29. ábra

44

További feladatuk még, hogy az egyenirányító kapcsolás szá-

mára a hálózat fázisszámától eltérő fázisszámú feszültség-

rendszert hozzanak létre.

A tulajdonképpeni egyenirányító kapcsolást az egyenirányitó

elemek alkotják. Ezek lehetnek vezérlés nélküli vagy ve-

zérelhető elemek /diódák, tirisztorok vagy triac-ok/. Maga az

egyenirányító kapcsolás ettől függően vagy vezéreletlen egyén

irányító, amelyben az egyenfeszültség arányos a váltakozó

feszültséggel, vagy vezérelt egyénirányi tó, ez esetben az

egyenfeszültség a váltakozó feszültséggel arányos maximális

értéktől kiindulva folyamatosan csökkenthető.

Az egyenirányítók által szolgáltatott egyenfeszültség -

különösen a vezérelt egyenirányító kapcsolásokban - hullámos.

Ennek csökkentésére az egyenirányítókhoz szűrőegység is tar-

tozik. A szűrőket kondenzátorokból és fojtótekercsekből épí—

tik fel.

Az egyenirányítókat kapcsolási elrendezésük szerint kü-

lönbözőképpen osztályozhatjuk. Megadhatjuk az egyenirányító

fázisszámát, útszámát és ütemszámát, A fázisszám az egyenirá-

nyító transzformátor primer tekercseléséhez csatlakozó válta-

kozó áramú hálózat fázisszáma. Ebből a szempontból tehát az

egyenirányítók egy- vagy háromfázisúak. Az útszám arra vo-

natkozik, hogy az adott kapcsolásban a transzformátor sze-

kunder tekercsében egy- vagy két irányban folyhat áram. Az

egyutas kapcsolásokban egy szekunder tekercshez egyetlen

egyenirányító elem csatlakozik, míg a kétutas kapcsolásokban a

tekercshez csatlakozó, de ellenkező irányban vezető elemek

mindkét irányban lehetővé teszik az áramvezetést.

Az egyenirányító ütemszámát a 3.30. ábra alapján a követ-

kezőképpen értelmezzük:

45

kapcsolásban hullámzik. A

hálózati feszültség egy

periódusára eső hullámok

adják az egyenirányító

kapcsolás p ütemszámát. /Az

ábrán látható esetben

p = 6/.

A legfontosabb

egyenirányí

tó kapcsolások vizsgálatát en-

nek az osztályozásnak az alap- 3.30.ábra

ján végezzük. A vezéreletlen egyenirányító kapcsolások a

működési mód szempontjából a vezérelt egyenirányítók

határesetének tekinthetők, ezért ezeket külön nem

tárgyaljuk.

Egyfázisú, egyutas, együtemű egyenirányító

/1F1U1Ü/

Az egyenirányító kapcsolási rajzát, a kialakuló

feszültség- és áramformákat a 3.31- ábra mutatja. A

terhelést az R ellenállás képviseli.

A T tirisztort a feszültség pozitív nullátmenetéhez

képest α szöggel késleltetve gyújtjuk. A tirisztor

bekapcsolása előtt a terhelésen nem folyik Áram, a

váltakozó feszültség pozitív anódfeszültségként a

tirisztorra jut. A bekapcsolás pillanatában meginduló

áram az

egyenlet szerint a feszültséggel együtt ωt = ¶ szögnél

zérusra csökken. A tirisztor ekkor kikapcsol és negatív

anód-feszültség jut rá az egész negatív félperiódusban.

Az áram

46

3.31. ábra

legközelebb /2 ¶ + α/ szögnél indul meg ismét. Az áramkörben

folyó egyenáramot és a terhelésre jutó egyenfeszültségét

a középérték jellemzi. Ennek nagyságát az u,

feszültséggörbe alatti terület egy teljes periódusra vett

átlagértéke adja. Ebben az esetben

A gyújtás legkorábban akkor következhet be, amikor a

tirisztorra a teljes pozitív félperiódus jut, tehát a

legkisebb gyújtásszög α = 0. Itt indul meg az

áramvezetés akkor is, ha tirisztor helyett dióda van az

áramkörben, tehát az egyenirányító vezéreletlen. Az

egyenfeszültség ekkor a legnagyobb :

Uk0 = ≈ 0,45 USZ

A fenti összefüggések arra az ideális esetre

vonatkoznak, amikor az egyenirányító transzformátor és az

egyenirányító elemek /tirisztor vagy dióda/ járulékos

hatásait /szekunder tekercs ohmos ellenállása, a

tirisztor, ill. dióda vezetőirányú ellenállása stb./

figyelmen kívül hagytuk.

47

Az egyenirányított feszültség értéke akkor csökken nullára,

ha a vezérlési szög α = ¶ értéke nő.

Egyfázisú, egyutas, kétütemű egyenirányító

/1F1U2Ü/

Az egyenirányító11 feszültség hullámosságát az

ütemszám növelésével csökkenthetjük. A 3.32. ábrán

egyfázisú, egyutas, kétütemű egyenirányító kapcsolást

láthatunk. A középleágazá-sos szekunder tekercselésű

transzformátor ellenütemben táplálja a T1 és T2

tirisztorokat, amelyek a közös R terhelésre dolgoznak.

A T1 tirisztor a szekunder feszültség pozitív

félhullámait, a T2 pedig negatív félhullámait kapcsolja

azonos irányban a terhelésre.

3.32. ábra

Ha feltételezzük, hogy az egyenirányító kapcsolás terhe-

lése tisztán ohmos jellegű és a vezérlési szögek mindkét ti-

risztornál azonosak, akkor az egyenáram a tirisztorok azonos

48

időpontban történő bekapcsolásakor indul és a váltakozó

feszültség zérusátmenetekor szűnik meg /3.33. ábra/.

3.33. ábra

Az egyenfeszültség átlagértékét ebben az esetben az uk fe-

szültséggörbe félperiódusra vett átlagértéke szolgáltatja:

Ennek legnagyobb értékét, a zérus vezérlési szöghöz

tartozó egyenfeszültséget - amely egyben a vezéreletlen

/diódás/ egyenirányító egyenfeszültsége -

α = 0 helyettesítéssel kapjuk:

A 3.33. ábra szerint a váltakozó feszültség pozitív

nullátmenetétől a soron következő tirisztor begyújtásáig

egyik tirisztor sem vezet és a terhelés árama zérus.

Ekkor a terhelésen nincs feszültségesés, tehát mindkét

tirisztorra a

49

hozzátartozó transzformátortekercs feszültsége jut. Ha be-

kapcsoljuk azt a tirisztort, amelynek anódján pozitív

feszült-ség van, azon a feszültség gyakorlatilag nullára

csökken, A nem vezető tirisztoron ezért a transzformátor

szekunder tekercseinek összegezett feszültsége jelenik meg.

A 3.33. ábra alapján megállapítható, hogy a vezérlési szög

a 0... ¶ tartományban változhat. Az egyenfeszültség

ebben a tartományban

α növelésekor Uko értékről folyamatosan zérusra csökken.

A 3.34. ábrán bemutatjuk az egyfázisú, kétütemű, hídkap-

csolású /kétutas/ egyenirányítót.

3.34. ábra

Egyenirányító transzformátorra - a feszültségillesztés

vagy esetleges szigetelés szükségességének esetét kivéve -

nincs szükség: ez lényeges eltérés az előző,

középleágazásos kapcsoláshoz képest. A kapcsolás hátránya,

hogy kettő helyett négy tirisztorra van szükség, de a

tirisztorokra jutó feszültség azonos egyenfeszültség esetén

csupán fele a középpontkapcsolásnál fellépő értéknek, mert

elmarad a transzformátor feszültségkétszerező hatása.

Egyéb vonatkozásokban a két kapcsolás egyenértékű, a

terhelésen átfolyó áram és az egyen-irányított feszültség

hasonlóképpen számítható.

50

Háromfázisú, egyutas, háromütemü egyenirányító

/3F1U3Ü/

Ha egyenirányítás utján nagyobb teljesítményt kell

szolgáltatni, többfázisú egyenirányító kapcsolásokat

alkalmaznak. Ezek előnye, hogy az egyenirányítóit

feszültség hullámossága kisebb, ezenkívül a transzformátor

és a segédberendezések kihasználása általában jobb. A

többfázisú egyenirányítás alkalmazása gazdaságossági

szempontból általában kb. l kW egyenáramú teljesítménytől

lép előtérbe,

A továbbiakban - annak érdekében, hogy megismerkedjünk

a kommutáció fogalmával - külön vizsgáljuk a diódákat

tartalmazó egyenirányítótól. A 3.35. ábrán a diódákkal

felépített háromfázisú, egyutas, háromütemű kapcsolást

mutatjuk be. Amint a korábbiakban már említettük, az

egyutas elnevezés arra utal, hogy a transzformátor

szekunder tekercseinek vezetőiben az áram csak egy irányban

folyhat.

Az ábrán látható kapcsoláson a csillagba kapcsolt sze-

kunder tekercsek mindegyikéhez egy-egy dióda csatlakozik,

a diódák másik pontja össze van egymással kötve. Az

egyenáramú oldal polaritása attól függ, hogy az

egyenirányító elemek anódjait vagy katódjait egyesítjük-

e? A 3.35. ábrán bemutatott polaritást akkor kapjuk, ha a

diódák katódját kötjük össze.

51

A kapcsolás működésének megértéséhez a 3.36. ábrán

megrajzoltuk a háromfázisú feszültség jelformáit.

Vizsgáljuk pl. az ω t1 pontban a feszültségviszonyokat.

Mivel ebben az időpillanatban a második fázis feszültsége

a legpozitívabb, az itt elhelyezett dióda vezet, az 1. és

3-fázis diódái pedig zárásra vannak igénybe véve. Mihelyt

azonban egy másik fázis feszültsége eléri, vagy

meghaladja az usz2 értéket /pl. az ω t2 időpontban a 3.

fázis feszültsége/, ez utóbbi fázisban levő egyenirányító

kezd vezetni.

Az újabb dióda áramvezetésbe lépése következtében az

előző diódában megszűnik az áram, vagyis az kikapcsol.

Azt a folyamatot, amikor az áram az egyik diódáról a

másikra csupán a hálózatot tápláló generátorok

feszültségének a hatására terelődik át, természetes, vagy

hálózati kommutácjónak nevezzük.

Mivel az egyes diódák egymást követően vezetnek, és

mindig a 0 ponthoz képest legnagyobb pozitív potenciájú

fázis vezet, az egyenirányítótt feszültséget a

fázisfeszültségek pozitív félhullámai burkoló görbéjének

középértéke adja:

52

Altalánosságban pedig azt mondhatjuk, hogy m fázisú egyen-

irányításnál az egyenirányított feszültség:

Uk =

A fentiekben a vezérlés nélküli háromfázisú egyutas egyen-

irányító kapcsolást mutattuk be. A továbbiakban vizsgálata-

inkat kiterjesztjük arra az esetre, amikor az egyenirányí-

tásra használt elemek /tirisztorok/ áramvezetésének kezdő

időpontját a gyújtó elektródák felhasználásával befolyásolni

tudjuk /3.37. ábra/. A gyújtáskésleltetéshez felhasznált

készüléket a v.k. jelű vezérlőberendezés képviseli, amely a

tirisztorok vezérlő elektródáihoz csatlakozik.

3.37. ábra

Amint a 3.38. ábrán megrajzolt jelformából kitűnik, a

tirisztorok nem abban az időpontban veszik át az áramveze-

tést, amikor anódjuk a közös katódhoz képest pozitívvá válik,

hanem a természetes kommutációs ponthoz viszonyítva α gyújtási szöggel későbben. A 3.38. ábrából az is kitűnik,

hogy a gyújtáskésleltetés alkalmazása következtében az egyen-

53

irányított feszültség középértékének csökkennie kell, mert a

gyújtási szögtől függő nagyságú feszültség-idő /A jelű/

területdarab kiesik. Az egyenfeszültség középértékét ebben az

esetben a vastagon húzott burkológörbe alatt levő feszültség

átlagolásával lehet meghatározni, melynek eredménye:

Hid-egyenirányitó kapcsolások

A háromfázisú hídkapcsolású egyenirányító közepes vagy

nagyobb teljesítményű félvezetős /diódás vagy tirisztoros/

berendezésekben a leggyakrabban használt kapcsolás, mert a

félvezető elemek és a hálózati transzformátor kihasználása

az összes kapcsolás közül ennél a legkedvezőbb. Működését a

legkönyebben ügy érthetjük meg, ha két sorbakapcsolt egyen-

irányítót vizsgálunk. A 3.39. a./ ábra szerint kapcsoljunk

össze két háromfázisú csillagkapcsolású áramkört. A kettő

között az az eltérés, hogy az egyikben az egyenirányító ele-

mek /T1 , T2 , T3/ katódkivezetései, a másikban az anód kive-

zetései közösek /T11, T12, T13/. Ez az eltérés a kapcsolások

működését természetesen nem befolyásolja, csupán annyit je-

lent, hogy míg az első kapcsolásnál például az 1. fázis ter-

54

3.39. ábra

mészetes kommutációs pontja ott van, ahol az u1 feszültség

pozitívabbá válik, mint az előtte levő u3 feszültség,

addig-a második kapcsolásnál az 1. fázis természetes

kommutáció-ja akkor kezdődik, amikor az u1 feszültség az u3

fázisfeszültségnél negatívabbá válik. /A második

kapcsolásnál ugyanis mindig a legnegatívabb feszültséghez

tartozó egyenirányító vezet./

/3.39. b./ ábra/ Az ábrákon a vonalkázott területek az

egyes tirisztorok áramvezetési periódusait jelentik: iT1,

ill. iT11. Folytonos áramvezetést feltételezve látható, hogy a

T11 tirisztor éppen ellenkező félperiódusban vezet, mint az

ugyanazon fázishoz tartozó T1 tirisztor. Ez a felismerés az

alapja annak, hogy a két egyenirányító csoport közös

tekercsről is táplálható, hiszen az áramvezetés ugyanabban

a fázisban időben nem esik egybe. A két kapcsolás tehát a

3.40. ábrának megfelelően összevonható.

Ha a transzformátor fázisfeszültségének effektív értéke

U, az egyes egyenirányító csoportok feszültségei összeadód-

55

3.40. ábra

A hídkapcsolású egyenirá-

nyító áramterlielhetősége ugyanakkora, mint az egyenirányító

csoportoké. Az egyenfészültség kétszeresére növekszik anél-

kül, hogy az egyenirányító elemek igénybevétele növekedne. A

3.41. ábrán a hídkapcsolású áramirányítók szokásos ábrá-

zolási módját láthatjuk. A 3.42. ábrán külön is megrajzoltuk

a terhelésre jutó feszültség változását. Látható, hogy a

váltakozó feszültségnek egy teljes periódusára az egyén-

feszültség hat hulláma esik, vagyis ez a kapcsolás hatütemű

egyénirányító.

•

A hídkapcsolású egyenirányítók transzformátorának szekun-

der tekercselésében kétirányú áram folyik, ezért e kapcsolá-

56

3.42. ábra

í

Az egyenfeszültség hullámosságának csökkentése

Az egyenirányított feszültségnek, illetve áramnak a kapcsolási

módtól függően kisebb-nagyobb hullámossága van. Az, hogy a

hullámosság megengedhető-e vagy sem, a fogyasztó jel-

legétől függ. Ezért gyakran szükségessé válik, hogy a

hullámosságot különböző áramköri elemekkel /kondenzátor,

fojtótekercs, ellenállás/ csökkentsük. Ennek két alapvető

módja van: a szűrés és a simítás. Előfordul ezenkívül a

kettő kombinációja is.

Szűrés. Vezéreletlen égyenirányító kapcsolásokban a fe-

szültség hullámossága csökken, ha a terhelőellenállással

egy kondenzátort kapcsolunk párhuzamosan. Ilyenkor a

hullámosság annál jobban csökken, minél kevésbé terheljük

az egyenirányítót. Erre való tekintettel először a szűrő

kondenzátorral ellátott egyfázisú, egyutas, együtemű

egyenirányító terheletlen állapotát vizsgáljuk /3.43.

ábra/. Bekapcsolás után a feszültség növekedésével

egyidejűleg növekszik a kondenzá-

57

tor töltése is. Ha. a dióda ellenállását elhanyagoljuk, a

töltőáram nem hoz létre .rajta fészültségesést, s így, amíg a

feszültség a bekapcsolást követően növekszik, a kondenzátor

feszültségének pillanat értékei megegyeznek az usz fe-

szültség pillanat értékeivel. A csúcsérték elérése után azonban

a kondenzátor töltése és ezzel együtt az Umax feszültség sem

csökkenhet, mert az egyenirányító elem megakadályozza, hogy a

kisülési áram létrejöhessen. Látható, hogy ebben az Ideális,

és ohmos terhelés nélküli esetben a kondenzátor az első

félperiódusban Umax feszültségre feltöltődik és ezt a

feszültséget a továbbiakban megtartja.

Ha a kondenzátorral az R terhelő ellenállást kapcsoljuk

párhuzamosan. /3.44. ábra/, akkor a viszonyok a következőképpen

változnak meg, a bekapcsolást követően - mint a terhe-

lésmentes esetben - a kondenzátor feszültsége együtt növek-

58

A különbség csupán, az, hogy a dióda nem csupán a

kondenzátor ic töltőáramát, hanem az ellenállás i áramát

is szolgáltatja. Mivel az első csúcsérték eléréséig az

ellenállásra is a szinuszosan változó usz feszültség jut,

ezért eddig

Ez a jelenség minden bekapcsolást követően csupán egy-

szer játszódik le, ezután már az alábbiakban leirt

periodikusan ismétlődő jelenségek következnek. A

csúcsérték elérése után megindul a kondenzátor kisülése

az R ellenálláson keresztül. Ez a folyamat mindaddig

tart, amíg a kondenzátor feszültsége nagyobb az usz

tápfeszültségnél, tehát a 2.44.

b. ábra szerint a t2 időpontig, t1 és t2 között a dióda

záróirányban van igénybe véve. t2 után az egyenirányító

elem vezet és a kondenzátor feszültsége, valamint a

terhelésre jutó uk feszültség is az usz tápfeszültséget

követi egészen addig, amig a csúcsértéket követően

ugyanannál a fázisszögnél /t3/, mint a megelőző

periódusban az RC kör ismét le nem válik a tápegységről.

A szűrés annál jobban csökkenti az egyenirányított fe-

szültség hullámosságát, minél nagyobb a C

szűrőkondenzátor értéke és minél nagyobb az R terhelő

ellenállás, vagyis minél kisebb az ik terhelő áram. Ezt

ügy szoktuk kifejezni, hogy képezzük a τ= RC szorzatot,

az un. időállandót, és ennek kell minél nagyobbnak lenni

a T periódusidőhöz képest. /3.45. ábra/

Szűrőkondenzátor

alkalmazásával az eredetileg

szakaszos vezetés folyamatossá

válik, növekszik a szűrés

nélküli esethez képest az

egyenirányított feszültség és

áram középértéke, tehát az

egyenáramú teljesítmény.

59

Simítás. Erősáramú egyenirányító berendezésekben általá-

nosabb megoldás az, hogy a terheléssel L induktivitású te-

kercset kapcsolunk sorba, mint a 3.46. ábrán látható. A

fojtótekercs hatása abban áll, hogy a váltakozó

feszültségösszetevők nagyrészt annak kapcsain lépnek fel

/uL /, tehát a terhelésre kis részük jut, másrészt viszont

- ideális, kis ohmos ellenállású induktivitást

feltételezve - a tekercs kapcsain csupán minimális

egyenfeszültségesés keletkezik, így az majdnem teljes

egészében a terhelésre jut.

A simító fojtótekercs

sajátossága, hogy simító

hatása, a terhelő áramtól függ.

Ha ugyanis változik a

terhelés, amit azáltal

vehetünk figyelembe, hogy

változik az R terhelő el-

lenállás, akkor egyben megváltozik a simítás inertekét

meghatározó L/R hányados is. Például üresjárásban /R = /

simító hatás nincs, valamennyi harmonikus

feszültségösszetevő csillapítatlanúl megjelenik

a kapcsokon.

.

Egyenirányítók belső feszültségű terheléssel

Az egyenirányító kapcsolások igen gyakran egyenáramú

forgógépeket táplálnak. Ezek olyan feszültségforrással

helyettesíthetők, amelyek UE belső feszültsége a gép

fluxusának és fordulatszámának szorzatával arányos, ezen

kívül ezzel sorbakapcsolt Rd ellenállással és Ld

induktivitással rendelkeznek /3.47. ábra/. Hasonló jellegű

terhelést jelentenek az akkumulátorok is, amelyek belső

feszültsége a töltöttségi állapottól függ, és közel

állandónak tekinthető. Mivel az álta-

60

3.^7- ábra

lánosabb esetet az egyenáramú gép jelenti, változó belső fe-

szültségű terhelésként ezt fogjuk példának tekinteni.

Az egyenáramú gépek ohmos ellenállása viszonylag kicsi,

ezért minden esetben induktivitást kell az egyenirányító és a

gép közé kapcsolni ahhoz, hogy az egyenirányító időben vál-

tozó, és a gép állandó indukált feszültsége közötti különbség

ne hozhasson létre túlságosan nagy áramot. /Áramkorlátozásra

ohmos ellenállást is használhatnánk, azonban ezt a veszteségek

miatt kerülik./ Mint a 3.2.2.2. pontban leírtuk, a kétütemű

kapcsolás által szolgáltatott egyenfeszültség csak a

vezérlési szög koszinuszának függvénye.

Amikor az egyenáramú gép motorként működik, az indukált

feszültség az egyenirányító feszültségével szemben kell, hogy

hasson. E két feszültség különbsége átlagértékben az Rd el-

lenállásra jut, ezért az egyenáram

nagyságú. Ha az Rd ellenállás kicsi - mint ahogy ezt az esetek

legnagyobb részében feltételezhetjük -, az egyenáram lét-

61

rehozásához már kis feszültségkülönbség is elegendő.

Egyébként azt, hogy adott üzemállapotban mekkora egyenáram

folyik, a motor terhelése határozza meg; a motor által

kifejtett nyomaték, amely a terhelőnyomatékkal tart

egyensúlyt, a fluxus és az egyenáram szorzatával arányos.

A továbbiakban tételezzük fel, hogy az Rd ellenállás

elhanyagolhatóan kicsiny. Ezzel a közelítéssel élve

Ebből az összefüggésből az következik, hogy a vezérlési

szögnek ¶ /2-nél nagyobb értéke mellett - mivel a

koszinusz-függvény előjelet vált - az UE indukált

feszültség is előjelet vált. Az egyenáram iránya

természetesen nem változhat meg, hiszen az áramirányító

elemeken az áram csak egy irányban folyhat. Ebben az

üzemállapotban az egyenáramú gépnek változatlan áramirány

mellett fordított irányú feszültséget kell szolgáltatnia,

hiszen nem motorként, hanem generátorként működik. Az

egyenáramú generátor energiája eszerint az egyenirányító

kapcsoláson át a váltakozó áramú hálózatba jut vissza. Az

energiairány megfordulásával működő egyenirányító kapcsolás

ekkor váltóirányító /idegen elnevezéssel inverter/üzemmódban

működik.

A váltóirányitó üzemmód az egyenirányító

kapcsolásoknak meglehetősen kényes üzemállapota. Ugyanis

ha az éppen vezető tirisztor áramát a soron következő

tirisztor nem veszi át akár azért, mert nem gyújtjuk be,

akár azért mert a kommutáció nem zajlik le rendesen, egy

állandóan növekvő zárlati áram alakul ki mindaddig, amíg

valamilyen eszközzel meg nem szakítjuk. Ezt a folyamatot

a váltóirányító üzemmódban billenésnek nevezzük.

62

Egyenirányítók ellenpárhuzamos kapcsolása

Az egyenirányító kapcsolások csak egyirányú áramot

szolgáltathatnak, mert az egyenirányító elemek is csak egy

irányban vezetnek. Amikor a terhelés kétirányú áramot

igényel, két egyenirányító ellenpárhuzamos kapcsolásával

kell a feladatot megoldani. A kapcsolás alapelve a

következő /3.48. ábra/: a terhelésre csatlakozó

egyenirányítók egyike pozitív irányú, másika negatív

irányú egyenáramot szolgáltat.

Ha pozitív irányú egyen-

áramra van szükség, akkor az

I. egyenirányító működik, és

a II. egyenirányító elemei

nem kapnak vezérlést, tehát

abban nem folyik áram. For-

dított irányú áram elérésé-

hez meg kell szüntetni az I.

egyenirányító vezérlését és

3.48. ábra

a II. egyenirányító bekapcsolásakor ellenkező irányú

egyenáram indul. A zavartalan működés érdekében az áram

irányváltását csak akkor lehet megengedni, ha az egyik

egyenirányító csoport már árammentes. Ellenkező esetben

ugyanis, ha az egyik egyenirányító csoportban még áram

folyik amikor a másikat bekapcsoljuk, a két egyenirányító

csoport között zárlat keletkezik.

Ha az egyenirányító egyenáram motort táplál, és gyors

áramirányváltásra van szükség, az irányváltás között szük-

séges szünet, tehát az az állapot, amikor egyik egyenirá-

nyító csoport sem vezet, hátrányt jelent. Ugyanis amíg nem

folyik áram, a motor nyomatéka zérus. Ennek áthidalására az

un. köráramos ellenpárhuzamos egyenirányító kapcsolást al-

kalmazzák.

Ennek lényege, hogy a vezérlési szög megfelelő

megválasztásával elérhető, hogy a két egyenirányító csoport

feszültségének átlagértéke mindig nulla legyen. Ha azonos

nagyságú váltakozó feszültség táplálja a két egyenirányító

csoportot és az egyikben a vezérlési szöget αT-gyel, a

másikban αTT-vel jelöljük, ez a feltétel így írható fel:

63

egyenlőség. Ez azt jelenti, hogy amikor az I.

egyenirányító csoport egyenirányítóként működik, a II.

csoport váltóirányitó üzemű és fordítva. Ha pl. αI = 60°

és αII = 120° , akkor a közös feszültség az Uko -nak 50%-a.

Azt, hogy melyik

áramirányitó fog vezetni, a motor belső feszültsége

határozza meg. Ha a motor UE belső, indukált feszültsége

pl. 45%, akkor az I. áramirányító hajt áramot a motorba,

az teljesítményt vesz fel, nyomatékot fejt ki, a II.

csoport pedig árammentes. Ha UE=0,55 Uko, akkor a

helyzet fordított, a II. inverter üzemű áramirányitó

veszi át a motor negatív áramát, és teljesítményt ad

vissza a hálózatba, a motor fékez.

Ha a két ellenpárhuzamosan kapcsolt egyenirányító

csoportra teljesül is a fenti képletben előirt feltétel,

az csak az egyenfeszültség középértékére vonatkozik. A

pillanatértékek között jelentős eltérés lehet. A

pillanatnyi feszültségeltérések felvételére

fojtótekercset szoktak beépíteni a két egyenirányító

csoport közé. A 3.49. ábrán két háromfázisú, kétutas,

hatütemű egyenirányítóból felépített ellenpárhuzamos

kapcsolás látható a beépített fojtótekercsekkel együtt.

Ez a feltétel akkor teljesíthető, ha minden üzemállapot-

ban fennáll az

64

3.49. ábra

3.2.3. Egyenáramú szaggatók

Az egyenáramú szaggatók olyan áramirányítók, amelyek az

egyenfeszültség folyamatos, minimális veszteséggel történő

átalakítását végzik. Elvi felépítésüket a 3.50. ábra mutat-

ja. Az UB feszültségforrás és az R fogyasztó közé egy K kap-

csolót iktatunk be. Ha a kapcsolót periodikusan be és ki-

kapcsoljuk, a terhelésre jutó feszültség átlagértéke a tb

bekapcsolási idő és a teljes periódusidő /tp/ viszonyától

függ:

3.50. ábra

65

A terhelésre jutó uR feszültség időben nem állandó, az UB

egyenfeszültségű összetevőn kívül váltakozó feszültségű össze-

tevőt is tartalmaz. Ez utóbbi csökkentésére elegendően nagy

induktivitása fojtótekercset kapcsolnak sorba a terheléssel.

/3.51. ábra/.

A kiegészítő D dióda az L

induktivitás áramának biztosit

utat a K kapcsoló nyitásakor.

A kapcsoló bekapcsolásakor a

tápfeszültség a sorbakapcsolt

ellenállásra és induktivitásra

jut. A bekapcsoláskor az iT

áram exponenciálisan nőni

kezd:

3.51. ábra

iT = Io /l – e - / + ITmin ,

ahhol τ = L/R a terhelőkör időállandója, és

I0 = -ITmin, ahhol ITmin a bekapcsolás pil-

lanatában folyó áram /2.51. b./ ábra/. tB idő után a K kap-

csoló megszakít, ekkor a terhelésen folyó áram ITmax értékű.

Ezt követően az áram a D diódán, L induktivitáson és R ter-

helésen keresztül az ITmax értékről exponenciálisan csökken-

/A t időt a kapcsoló megszakításától számítjuk./

A kikapcsolt állapot tk = tp - tb időtartama alatt az áram

éppen ITmin értékre csökken. A terhelésen átfolyó egyenáramot

az ITmin és ITmax középértéke adja /IT/ és ebből a feszültség

66

R ismeretében meghatározható. Szemlélet alapján is egyszerűen

belátható, hogy az árain hullámossága annál kisebb, minél

nagyobb a τ időállandó /tehát a fojtótekercs induk-

tivitása/, vagy minél nagyobb a kapcsolási frekvencia értéke.

Mechanikus kapcsolóval az egyenáramú szaggató csak kis

teljesítményig valósítható meg és élettartama is korláto-

zott, ezért a kapcsolót valamilyen elektronikus kapcsoló-

eszközzel, leggyakrabban tirisztorral helyettesítik.

Egy tirisztor kikapcsolásához, záróképességének vissza-

nyeréséhez a tirisztoron átfolyó áramot a tartóáramnál ki-

sebb értékre kell csökkenteni és - legalább a felszabadulási

időnek megfelelő ideig - ezen a kis értéken kell tartani.

Hálózati kommutációjú áramirányítóknál ezt a hálózat - egyes

esetekben a fogyasztó - váltakozó feszültsége idézi elő.

A példaként bemutatott párhuzamos oltókörben /3.52. áb-

ra/ a K kapcsoló zárásakor a berajzolt polaritással feltöl-

tött C kondenzátor Uk feszültsége a tirisztorral párhuza-

mosan kapcsolódik és a terhelőáram a tirisztorról az oltó-

körre terelődik át. Amikor a kondenzátor árama, a terhelésen

folyó áram értéke alá csökken, áram kezd folyni a D diódánát.

Ha a tirisztor áramát egyenáramú körben akarjuk megszün-

tetni, vagy váltakozó áramú körben olyan időpontban, amikor

a hálózat vagy a fogyasztó váltakozó feszültségének felhasz-

nálásával érhetjük el. Az ilyen oltókörrel működő áramirá-

nyítókat mesterséges kommutációjú, kényszeroltású vagy kény-

szerkommutációs áramirányítóknak nevezzük.

67

A. 3.53. ábrán bemutatott

párhuzamos oltással ellátott

egyenáramú szaggató működését

az alábbiakban követjük végig.

Az egyszerűség kedvéért téte-

lezzük fel, a fogyasztói

áramkörben sima iR egyen-

áram folyik, amiről egyébként az L1 simító fojtótekercs

gondoskodik. Tételezzük fel továbbá azt is, hogy a C

oltókondenzátor az ábrán jelzett pozitív irányhoz képest

ellentétesen fel van töltve az UA tápfeszültségre. A T1

oltása T2 gyújtásával indul a t1 időpontban, amikor az ol-

tókondenzátor pozitív feszültsége rákapcsolódik T1 katód-

jára, T1 tehát zárófeszültséget kap, az áram pedig átte-

relődik T2-re. Amint C a terhelőáram hatására t2 időpontban

0 feszültségre kisült, megszűnik T1-en a záróirányú fe-

szültség. A sikeres oltáshoz tehát t2 – t1 időnek kell el-

telnie és ennek a szabaddáválási időnél hosszabbnak kell

3.53. ábra

68

lennie. t2 után a terhelőáram a T2-n keresztül még

tovább folyik mindaddig, amíg t3 időpontban a D1 dióda

záróirányú feszültsége megszűnik, és a dióda veszi át az

áramot. Ekkor a C kondenzátor pozitív polaritással

feltöltődik az UA táp-

feszültségre és T2 kialszik. Amikor a t4 időpontban T1

újból begyujt és ismét rákapcsolja az UA feszültséget a

terhelésre, a C kondenzátor T1-en, D2-n és L2-n

keresztül kisül és átlendül a negatív polaritású UA-nál

a veszteségek miatt némileg kisebb feszültségű

állapotba, ahol a D dióda miatt megmarad az újabb

oltásig.

3.2.4. Váltóirányítók /inverterek/

A villamos energia felhasználásakor előfordul, hogy az

egyenáramú áramforrásból váltakozó áramot kell

előállítani. Az átalakítás egy lehetséges megoldása, hogy

a rendelkezésre álló egyenáramú áramforrásból egyenáramú

motort táplálunk és ez egy vele mechanikus

tengelykapcsolatban álló váltakozó áramú generátort

működtet. Ez az átalakítás azonban rossz hatásfokú, mert a

villamos energiát más - ebben az esetben mechanikai -

energiává is át kell alakítani.

A vezérelhető félvezető eszközökkel az átalakítás

viszonylag tág frekvenciatartományban megvalósítható,

közbenső energianem beiktatása nélkül. Ez a módszer

előnyösebb a forgógépes átalakításhoz képest, mert nem

tartalmaz mozgó, kopás következtében elhasználódó

alkatrészeket, másrészt csökkenti a többszöri

energiaátalakítással járó veszteségeket.

Egyenfeszültségből kis veszteséggel állítható elő

váltakozó feszültség, ha kapcsolóelemeket alkalmazunk

/3.54. ábra/. Ha a K1 és K2 kapcsoló zárt, akkor az R

terhelésre po-

69

3.54. ábra

zitív irányban kapcsolódik az UB tápfeszültség, a K3 és K4

bekapcsolásával – K1 és K2 kiiktatásakor - a feszültség a

terhelésen ellenkező irányúvá válik. A kapcsolók

periodikus működtetésével a terhelésen, a kapcsolás

frekvenciájának megfelelő frekvenciájú, négyszög alakú

váltakozó feszültség alakul ki.

Ha a kapcsolók helyett vezérelhető félvezető egyenirá-

nyító elemeket, tirisztorokat használunk, a kialakítandó

megoldások fő kérdése - mint az egyenáramú szaggatók

esetén is - a tirisztorok kioltása. A kioltás módja

szerint az in-vertereket három csoportra oszthatjuk.

A természetes kommutációju inverterek, olyan vezérelt

egyenirányítók, amelyek 90° -nál nagyobb vezérlési szöggel

ellenkező irányú feszültséget szolgáltatnak azonos

áramirány mellett, tehát az egyenáramú oldal felől a

váltakozó áramú oldal felé továbbítanak energiát. Ezekben

a kapcsolásokban - amint ez a 3.55. ábrán látható

háromfázisú, egyutas, három-

70

3.55. ábra

ütemű kapcsolásban is

látható - a vezető

tirisztort a soron következő tirisztor bekapcsolása váltja

ki, ugyanakkor a váltakozó tápfeszültség a terhelő áramot

áttereli a soron következő tirisztorra, és a kikapcsolt

tirisztorra negatív anódfeszültségként kapcsolódik. Ez -

az un. természetes kommutáció - csak addig jöhet létre,

amíg a kommutációs feszültség rendelkezésre áll: ideális

esetben a természetes kommutációtól számítva legfeljebb

180° vezérlési szögig.

A mesterséges hálózati kornmutációju inverterek abban

különböznek az előbbiekben vázolt természetes

kommutációju inverterektől, hogy az egyes vezérelt

egyenirányító elemek között a kommutációt olyan időpontban

kényszerítjük ki, amikor azt a váltakozó áramú oldali

feszültség nem tenné lehetővé. A kommutációs feszültséget

azonban most is a váltakozó áramú hálózatból vesszük.

A szabadonfutó inverterek alkotják az inverterek

harmadik csoportját. Ezekben a kapcsolásokban az

átalakító nem csatlakozik meglevő váltakozó áramú

hálózathoz, ezért tetszőleges frekvenciával működhet. Itt

a tirisztorok kioltását az

71

egyenfeszültségű tápforrásból kell megoldani, a tirisztorok

kommutációja tehát csak mesterségesen, ségédárámkőr segít-

ségével valósítható meg, akárcsak az egyenáramú szaggatók-

ban.

Az eddigiek szerint csoportosított inverterkapcsolások

közül az elsővel az egyenirányító kapcsolások tárgyalása-

kor foglalkoztunk. A kapcsolások második csoportját csak

a teljesség kedvéért ismertettük, tekintve, hogy ezeket ma

már alig használják, részletesebb elemzésükre nem térünk

ki. A harmadik csoportba sorolt szabadonfutó invertereket

a következőkben részletesebben tárgyaljuk. Az egyszerűség

kedvéért ezeket a továbbiakban röviden invertereknek

nevezzük.

Egyfázisú inverterek

A legegyszerűbb és legrégibb valtóirányitó kapcsolás a

3.56. ábrán látható. Itt nincsenek külön oltókörök, az

egyik tirisztor gyújtása oltja az előzőleg áramot vezető

másik tirisztort a C oltókondenzátor segítségével. A

továbbiakban feltételezzük, hogy az L sirnitó-fojtótekercs

induktivitása olyan nagy, hogy az IA tápáram teljesen

sima.

Minthogy a kommutálókörben nincs induktivitás, az áram

pillanat szerűen kommutál T1-ről T2-re a t1 időpontban,

amikor a T2 gyujtóimpulzust kap. A t1 időpontban a

transzformátor középmegcsapolása és az l pont közötti

feszültség UA-val, a 2 és l pont közötti feszültség 2 UA -

val egyenlő. Természetesen ugyanez a feszültség van a

kondenzátor kapcsain, tehát UC = 2UA . T2 gyújtásának

pillanatában a 3.56. b. ábrán rajzolt irányú kisütőáram

indul meg T 2 -n és T1 -én keresztül, ez az áram T1 számára

záróirányú áram, tehát a tol t éstárolási

72

idő elmultával T1 árama nullára csökken, így e nagyon rövid

idő után az ic áram csak a transzformátoron át záródhat. Köz-

vétlenül T2 begyujtása után a még csaknem két UA nagyságú UC

negatív feszültségként adódik hozzá a 2 pont 0 feszültségé-

hez, és az l ponton tehát a T1 tirisztor anódján - 2UA fe-

szültség lép fel. A terhelőáram hatására UG csökken, igy a T

tirisztor zárófeszültsége 0-ra csökken. Ha ez a folyamat a

szabáddáválási időnél hosszabb ideig tart, T1 kikapcsolt

állapotban marad.

73

Az ismertetett kapcsolás hátránya, hogy a terhelés

csökkenésekor a kimeneti feszültség erősen no. Ez a

tulajdonság különféle módosításokkal kiküszöbölhető és az

áramkör alkalmassá tehető változó terhelés esetén is

viszonylag állandó kimeneti feszültség szolgáltatására. A

tirisztorokkal ellentétes áramiránnyal beiktatott

visszavezető diódák alkalmazásával meg lehet oldani, hogy

az inverter bármilyen jellegű terhelésre dolgozhat, sőt

az energiairány még megfordítására is alkalmas.

Háromfázisú inverterek

Háromfázisú váltóirányitó előállítható három egyfázisú

inverterből, amelyek egyenáramú táplálása közös, a

kimeneteket pedig megfelelően összekapcsoljuk /3.57.

ábra/. A három egyfázisú invertert azonos frekvenciával,

de egymáshoz képest 120 villamos fok eltolással

vezéreljük. Amikor az Inverter kimenetére csatlakozó

terhelések fázisonként különbözők, ez az inverter

felépítésének legcélszerűbb megoldása. Szimmetrikus

terhelések táplálására - főleg ha a frekvencia

nagymértékű változtatására is szükség van - háromfázisú

váltóirányitokat alkalmaznak.

3.57. ábra

74

A háromfázisú váltó irányítók egyik csoportját azok a kap-

csolások alkotják, amelyek fázisok közötti oltással működ-

nek, tehát az áramot vezető tirisztor oltása annak hatására

következik be, hogy a soron következő fázis tirisztora

gyújt; külön oltótirisztor tehát nincs. E tekintetben ezek

a kapcsolások az egyfázisú kapcsoláshoz hasonlóak, mert az

oltókondenzátor mindkét esetben az egymás után gyújtó ti-

risztorok közé van kapcsolva. Egy ilyen invertert mutat a

3.58. ábra.

A T1 tirisztor oltása a

T3 gyújtásakor következik

be, a közéjük kapcsolt C1

töltésének hatására. Annak

érdekében, hogy ezek a

kondenzátorok a terhelésen

keresztül ne sülhessenek

ki, be van iktatva 3-3

darab záródióda /D11-D16/. A

D21-D26 visszáramdiódák a

terhelőáram és a váltakozó

feszültség közötti

fáziseltolás miatt szük-

ségesek. Az Lk1...Lk3 kö-

zépmegcsapolásu fojtóte-

kercsek a tirisztorok és

a visszáramdiódák szétvá-

lasztására valók.

3-58. ábra

75

Amint T2 begyújt, T6 kialszik, tehát uB = 0 és uAB = uA =

UA/2. Ez az egyszerű meggondolás azonban csak tiszta

ellenállás-terhelés esetén érvényes. Ha a terhelés pl.

induktív, akkor T2 gyújtásakor T6- kialszik ugyan, de Lb a B

fázis áramát még fenntartja, és az a D23 diódán és a T1 -én

keresztül záródik. így, mivel mind az A, mind a B kapocs a

pozitív táppontra van kötve, uAB = 0 mindaddig, amíg a B

fázis terhelőárama meg nem szűnik /3.58. b./ ábra/. A

bemutatott váltóirányitó bármilyen jellegű, terhelésre és az

energiairány megfordítására is alkalmas.

Számos egyéb oltási elrendezés közül a 3.59. ábrán bemu-

tatunk még egy olyan háromfázisú váltóirányitó kapcsolást,

melynél minden egyes hidág külön-külön, a többitől

függetlenül, bármely időpontban oltható.

A T11…T14 tirisztorokból

és a C1 kondenzátorból álló

egyik hidágon

végigkövethetjük az oltás

folyamatát. Vezessen először

a T11 és T12 tirisztor,

ekkor a C1 kondenzátor bal

oldali kapcsa pozitív. Ha

most a T13 és

T14 tirisztorok közül az

egyiket, pl. T13-at

gyújtjuk, T11 azonnal

kialszik, a terhelőáram

átterelődik a C1-re, a C1

feszültsége azonban áramot

indít a C1 -

T12 – Lk1 - D1 - T13 áram-

körben is. Ez az áram nő,

3.59. ábra

76

amíg C1 feszültsége 0-ra csökken, majd Lk1

induktivitásának hatására tovább folyik, amíg C1

ellentétes polaritásúra töltődik fel. Ekkor a T12 és T13 is

kialszik, és ha a terhelés induktív, akkor a terhelőáram

átterelődik a D4 diódára. A. folyamat végén a T11...T14

csoport valamennyi tirisztora árammentes, a terhelőáram a

fáziskésés által meghatározott ideig tovább folyik a Di

diódán, C1 pedig úgy van feltöltve, hogy jobb oldali

kapcsa pozitív. Ha a T11...T14, csoportot újból be akarjuk

kapcsolni, be kell gyújtanunk egyidejűleg a T13 és T14 ,

tirisztort. A tirisztorcsoport újbóli oltása ezután a T11

vagy a T12 tirisztor gyújtásával történhet. A 3.59. ábra

szerinti váltóirányitó ugyancsak alkalmas az

energiaáramlás megfordítására.

Valamennyi ismertetett háromfázisú vált ó irányit óval a

fázissorrend egyszerűen a tirisztorok gyujtási

sorrendjének felcserélésével megfordítható.

Közbensőegyenáramu-körös frekvencia-átalakítók

A kényszerkommutációs váltóirányitók tápláló

egyenfészült- ségét nem csupán akkumulátor vagy más

egyenfészültségű áramforrás, hanem egyenirányító is

szolgáltathatja /3.60. ábra/.

3.60. ábra

77

Az egyenirányítót és a kényszerkommutációs váltóirányítót

együttesen közbenső egyenáramú körös váltóirányyítónak nevezik.

Mind a tápláló hálózat, mind a váltóirányitó lehet egy-vagy

többfázisú, tetszés szerinti kombinációban. Az

egyenirányító lehet vezéreletlen, vagy vezérelt. Az

egyenirányítót és a váltóirányítót a közbenső egyenáramú

körben simítófojtótekerccsel és kondenzátorral

választják el egymástól.

Inverterek alkalmazása

A természetes kommutációjú inverterek alkalmazásának

jellegzetes példája az óriásfészültségű egyenáramú

energiaátvitel. Több száz kilovolt egyenfeszültségű

távvezeték vagy eltérő frekvenciájú hálózatok

összekapcsolását a 3.61. ábra vázlata szerint lehet

megvalósítani. Az energiaáramlás iránya szerint az

egyenirányított váltakozó áramú teljesítményt a másik

váltó- irányító üzemmódban működő egyenirányító a hozzá

tartozó váltakozó áramú rendszerbe továbbítja.

3.61. ábra

A szabadonfutó inverterek egyenfeszültségből

tetszőleges frekvenciájú váltakozó feszültséget képesek

előállítani. Ez a

78

feladat például a járművek váltakozó áramú hálózatának

önálló létrehozásakor, vagy ha biztosítani kell az ipari

hálózat kimaradásakor fontos fogyasztók szünetmentes

áramellátását.

Mint ismert, a villamos energia csak egyenáram

formájában, akkumulátorokban tárolható. A folyamatos

váltakozó áramú energiaellátást eszerint úgy biztosíthatjuk,

hogy a fontos fogyasztókat a 3.62. ábra vázlata szerint a

hálózatról táplált egyenirányító-akkumulátor-inverter

láncon át tápláljuk; ha a hálózati feszültség kimarad, az

inverter az akkumulátortelepről táplálva megszakítás nélkül

továbbra is üzemben marad. A hálózati feszültség

visszatértekor az egyenirányító az akkumulátort feltölti,

ezzel a rendszer ismét készenléti állapotába kerül.

3.62. ábra

79

Ellenőirző kérdések:

1. Milyen feladatokat látnak el az áramirányítók?

2. Mire szolgálnak a váltakozó áramú szaggatók?

3. Hogyan épülnek fel az egyfázisú váltakozó áramú

szaggatók?

4. Hogyan változik a terhelés feszültsége és árama

az egyfázisú váltakozó áramú szaggatóknál?

5. Hogyan működik a takarékkapcsolású egyfázisú vál-

takozó áramú szaggató?

6. Hogyan épülnek fel a háromfázisú váltakozó áramú

szaggatók?

7. Mely területeken alkalmazhatók a váltakozó áramú

szaggatók?

8. Mire szolgálnak és milyen elemekből épülnek fel a

hálózati egyenirányitok?

9. Hogyan osztályozhatjuk az egyenirányító kapcsoláso-

kat?

10. Hogyan épül fel és hogyan működik az

egyfázisú,egyutas, együtemű egyenirányító?

11. Miben tér el az egyfázisú, egyutas, kétütemű egyen-

irányító az egyutastól?

12. Hogyan működik az egyfázisú, hídkapcsolású egyen-

irányító?

13. Hogyan épül fel és hogyan működik a háromfázisú

egyutas, háromütemű egyenirányító?

14. Hogyan működnek a háromfázisú, hidkapcsolású egyen

irányítók?

15. Milyen módszerekkel csökkenthető az egyenirányított

feszültség, ill. áram hullámossága?

16. Mi jellemzi az egyenáramú motorral terhelt egyenirá-

nyítókat?

80

17. Mikor alkalmazunk ellenpárhuzamos kapcsolású

egyenirányítókat és azok hogyan működnek?

18. Mire szolgálnak az egyenáramú szaggatók és mi a

működési elvük alapja?

19. Milyen módszerrel tudjuk egyenáramú áramkörökben

a tirisztort kikapcsolni?

20. Hogyan épül fel és hogyan működik a párhuzamos ol-

tással ellátott egyenáramú szaggató?

21. Milyen elv alapján működnek a váltóirányitók?

22. Hogyan csoportosíthatjuk az invertereket?

23. Hogyan működik az oltókondenzátorral felépített

egyfázisú inverter?

24. Hogyan épülnek fel a háromfázisú inverterek?

25. Hogyan működnek az oltótirisztor nélküli

háromfázisú inverterek?

26. Hogyan épülnek fel a közbensőegyenáramú-körös

frekvencia-átalakítók?

27. Hol alkalmaznak invertéreket?