Villamosságtan | Felsőoktatás » Hálózati kommutációs áramirányító kapcsolások

3. HÁLÓZATI KOMMUTÁCIÓS ÁRAMIRÁNYÍTÓ KAPCSOLÁSOK 3.1 BEVEZETÉS A hálózati kommutációs áramirányító kapcsolások olyan statikus villamos elemekből felépülő berendezések, amelyekkel energiaátvitel valósítható meg a váltakozó- és egyenfeszültségű hálózatok között, vagy ritkábban két különböző frekvenciájú és feszültségű váltakozóáramú rendszer között. A jegyzetben csak a váltakozó- és egyenfeszültségű hálózatok között alkalmazott hálózati kommutációs áramirányítókat tárgyaljuk Ezen áramirányítókban az energiaáramlás irányától függően egyen- és váltóirányító (inverter) üzemmódról beszélhetünk Egyenirányítás esetén a hatásos energiaáramlás a váltakozótól az egyenáramú hálózat felé irányul, illetve váltóirányítás esetén fordítva. Váltóirányító üzemmódban az egyenfeszültségű oldal is tartalmaz energiaforrást. A hálózati kommutációs áramirányítókban a

váltakozó- és egyenfeszültségű hálózatok közötti energiaátvitel a szokásos esetekben villamos szelep tulajdonságú elemekkel (diódákkal, tirisztorokkal) történik. A vezérelt áramirányító kapcsolások értelem szerűen tirisztorokat tartalmaznak, míg a vezéreletlen áramirányító kapcsolások diódákra épülnek. A vezérelt kapcsolásokban a kimenő feszültség középértéke a tirisztorok gyújtásának késleltetésével változtatható, míg a vezéreletlen körökben erre nincsen mód. Napjainkban nagyobb jelentősége a háromfázisú, elsősorban hídkapcsolású vezérelt áramirányítóknak, illetve kis és közepes teljesítményszinten a diódás egyenirányítóknak van. A diódás egyenirányítókat többnyire a hálózati táplálású összetett teljesítményelektronikai berendezések táplálási oldalán alkalmazzák A kommutáció fogalma alatt egy félvezető áramának kialakulási, átterelődési, illetve megszűnési folyamatait

értjük. A hálózati kommutáció olyan kommutáció, amelyet a hálózati feszültség irányának váltakozása idéz elő. id id T1k T1a T2k T2a 3.1 ábra Az egymással kommutáló tirisztorok (vagy diódák) kapcsolódása a hálózati kommutációs áramirányítókban A tirisztorok vezetésének meghatározása a 3.1 ábrán látható kapcsolási részletek alapján: 3-1 • Ha i d folyamatos és a gyújtás lehetővé teszi: A közös katódú tirisztorok közül mindig a legpozitívabb anódú, illetve a közös anódú tirisztorok közül mindig a legnegatívabb katódú elem vezet. Másik lehetőség, hogy a gyújtások után az öszszes vezető elemet rövidzárnak tekintjük, és a kialakuló kommutációs áramok irányát vizsgáljuk. Természetesen diódáknál nincsen gyújtási feltétel • Ha i d szaggatott, az áramok kialakulására és megszűnésére nincsen hatással a másik félvezető. A hálózati kommutációs vezérelt áramirányítók

egyen oldalán általában periodikusan változó, nem állandó pillanatértékű feszültség jelenik meg. A kimenő áram simítására (szűrésére) a terhelés körének általában soros induktivitást kell tartalmaznia. A kimenő feszültség simítására kondenzátort kell párhuzamosan csatlakoztatni a terheléssel Minden áramirányítót a leggyakrabban előforduló körülmények között vizsgálunk Ennek megfelelően a vezérelt kapcsolások terhelései R, soros R + L, soros R + L + Ub , ahol Ub egyenfeszültség forrás jelképezheti pl egy motor belső feszültségét A vezéreletlen kapcsolások közül csak az egyfázisú diódás hídkapcsolást vizsgáljuk kondenzátoros kimenő feszültség szűréssel . A hálózati kommutációs áramirányító kapcsolások egy lehetséges csoportosítása a következő jellemzőkre épül: • F - betűvel jelölt fázisszám az áramirányító váltakozóáramú oldalára (transzformátor primer oldalára) kapcsolódó

tápfeszültségek fázisszáma, • U - betűvel jelölt útszám az áramirányítót tápláló fázisok (szekunder tekercsek) lehetséges áramirányai, amely 1 vagy 2 lehet, • Ü - betűvel jelölt ütemszám az egyenáramú oldali kimenő feszültség alapharmonikus- és a váltakozóáramú oldal frekvenciájának hányadosa, ahol a zárójeles szövegrészek az áramirányítók hálózati feszültséghez illesztését biztosító úgynevezett áramirányító transzformátorokra utalnak. A vizsgálatok során az áramkörök minden figyelembe vett paraméterét külön jelöljük. Általában ideális, veszteségmentes félvezetőket feltételezünk és elhanyagoljuk az ohmos veszteségeket és a parazita reaktanciákat A tirisztorok (ill. bármely félvezető) feszültség és áram vonatkozási irányait az áramvezető képességük irányában értelmezzük és általában nem jelöljük. 3-2 3.2 EGYFÁZISÚ, KÉTUTAS, KÉTÜTEMŰ HÁLÓZATI KOMMUTÁCIÓS VEZÉRELT

ÁRAMIRÁNYÍTÓ A 3.2 ábrán egy egyfázisú, kétutas, kétütemű hálózati kommutációs vezérelt áramirányító, közismerten hídkapcsolás kapcsolási rajzát láthatjuk (jelölése 1F 2U 2Ü) A fázisszám, illetve az útszám a topológiából következik, az ütemszámra az áramkör analízise ad választ. Az L s helyettesíti az áramirányító váltakozóáramú oldalának induktivitásait, illetve a táplálást az u s feszültségforrás jelképezi Nem lehet figyelmen kívül hagyni L s -t, ha jelentős hatása van a villamos jellemzőkre, vagy a tirisztorok bekapcsolási árammeredekségének vagy a rövidzárlati folyamatoknak a vizsgálata a cél. Ideálisnak tekintjük az áramirányítót, ha nem kell L s hatásával sem számolni Az L s vizsgálatát korlátozzuk arra az esetre, amikor a terhelés is tartalmaz L induktivítást és a két induktivítás aránya: L s << L. A szokásos szimmetrikus vezérlésnél T 1 és T 4 tirisztorokat, illetve π

-fáziseltolással a T 2 és T 3 tirisztokat egyszerre kell gyújtani. id is us T1 T2 Ls ud Terhelés T3 T4 3.2 ábra Egyfázisú, kétutas, kétütemű hálózati kommutációs (1F 2U 2Ü) vezérelt áramirányító kapcsolási rajza Amennyiben egyetlen tirisztor sem vezet, a feszültségek meghatározásához a tirisztorokat egy-egy nagy impedanciával helyettesíthetjük. Ezen impedanciákhoz képest az áramkör többi ohmos vagy induktív eleme gyakorlatilag rövidzárnak tekinthető. Erre az esetre vonatkozó helyettesítési kapcsolás a 33 ábrán látható amennyiben a terhelés belső feszültséget is tartalmaz. Ha a terhelés nem tartalmaz belső feszültséget az Ub rövidzárnak tekinthető. Ebben az esetben, szimmetrikus tirisztoroknál: u T1 = uT4 = us/2, uT2 = uT3 = -us/2. (3.1) 3-3 Ha a terhelés tartalmaz belső feszültséget, a két feszültségforrás hatása öszszeadódik. A felvett vonatkozási irányok szerint Ub hatására a tirisztor

feszültségek Ub /2 értékkel módosulnak: u T1 = uT4 = us/2 - Ub /2, (3.2) uT2 = uT3 = -us/2 - Ub /2. Aszimmetrikus tirisztoroknál értelem szerűen a zárt tirisztorok impedancia-arányai határozzák meg a feszültségeloszlást. uT1 Z1 uT2 Z2 us uT3 Z3 uT4 Ub Z4 3.3 ábra 1F 2U 2Ü vezérelt áramirányító helyettesítése i d = 0 esetben, terhelés soros R + L + U b valamely kombinációja A további vizsgálatoknál az egyszerűség kedvéért tirisztorokat tekintsük szimmetrikusnak! 3.21 Ideális egyfázisú, kétutas, kétütemű hálózati kommutációs vezérelt áramirányító (Ls = 0) A 3.4 ábrán látható ideális egyfázisú, kétutas, kétütemű hálózati kommutációs vezérelt áramirányítóban szimmetrikus vezérlésnél összesen két áramhurok alakulhat ki id J1 is us T1 T2 J2 ud Terhelés T3 T4 3.4 ábra Ideális 1F 2U 2Ü vezérelt áramirányító és a lehetséges áramhurkai (L s = 0) 3-4 A j 1 áramhurokban a kimenő

feszültség megegyezik az u s tápfeszültséggel, azaz ud = us. A j 2 áramhurokban a két feszültség viszonya előjelet vált, azaz ud = -u s A szimmetrikus vezérlés miatt a két hurok π -fáziseltolásal azonos alakú u d feszültséggörbéket kapcsol a kimenetre és ennek megfelelően az áramaik is azonos alakúak lesznek. Az azonosság miatt elegendő csak egyik ütem részletes vizsgálata Az egyes elemek áramai a hurokáramokból meghatározhatók. Amennyiben egy tirisztorpár vezet, L s = 0 esetben a nem vezető tirisztorok feszültségei nem függnek sem Ub -től, sem a tirisztorok szimmetriájától. A vezető tirisztorokat rövidzárnak tekintve, a nem vezető tirisztorokra alábbi feszültségek jutnak: uT1 = uT4 = us, u T2 = uT3 = -u s. (3.3) A tirisztorok α gyújtáskésleltetését általában azon természetes kommutációs pontoktól mérik, ahol ideális kapcsolásnál folyamatos kimenő áram esetén a tirisztorok legkorábban begyújthatók. Ezek a

pontok a (33) összefüggések szerint a tápfeszültség nulla átmenetei. 3.211 Ohmos terhelés A 3.5 ábrán az ohmos terhelésű ideális egyfázisú, kétutas, kétütemű hálózati kommutációs vezérelt áramirányító kapcsolási rajzát és időfüggvényeit láthatjuk Kezdetben, az us pozitív hullámában a kimenő áram nulla és a T 1 és T 4 tirisztorokra ud id is T1 us -u s id T2 α i T1,4 us ud = R∙id ωt α R T3 i T2,3 is us T4 ωt (a) u T1 (b) 3-5 3.5 ábra Ohmos terhelésű, ideális 1F 2U 2Ü vezérelt áramirányító: (a) kapcsolási rajza, (b) időfüggvényei u s/2 vezető irányú feszültség jut. Ezen tirisztorokat az ω t = α pillanatban begyújtjuk és kialakul a j 1 áramhurok. Ezt követően az u s pozitív hullámának hátra lévő részében u d és vele arányosan i d is követi az u s váltakozó feszültség alakját Az ω t = π nél a kimenő árammal együtt a tirisztor áram is megszakad A kimenő áram a T 2 és T 3

tirisztor gyújtásáig nulla marad, majd azt követően kialakul a j 2 áramhurok és kezdetét veszi a következő kimenő áramhullám amely ω t = 2 π -nél ismét nullává válik. A hídkapcsolásban az i s fázisáram a T 1 és T 3 tirisztorok áramainak különbségeként nulla középértékű váltakozóáram. Eltekintve a harmonikus analízistől, szemmel láthatólag az alapharmonikus áram fáziskésése összemérhető az α gyújtáskésleltetéssel, annak ellenére, hogy a terhelés ohmos. Szimmetrikus tirisztorokat feltételezve a T 1 feszültsége: ha egy tirisztor sem vezet u s/2, ha a másik tirisztorpár vezet u s és nulla ha T 1 vezet A kimenő feszültség középértéke a 3.5 ábra alapján: π 1 1 + cosα 2U s sin (ωt )dωt = U do , Ud = πα 2 ∫ (3.4) ahol U do = 2 2 U s ≈ 0.9 ⋅ U s , π (3.5) az Ud elvi maximuma α = 0 esetben. Az Us a tápfeszültség effektív értéke A fenti kifejezéseknek megfelelő Ud /Udo (α) vezérlési

jelleggörbe a 3.6 ábrán látható U d /Udo 1.0 0.5 α π 2 π 3.6 ábra Ohmos terhelésű 1F 2U 2Ü áramirányító vezérlési jelleggörbéje 3-6 A görbe alapján jól követhető, hogy a 0 < α <π gyújtásszög tartományban a kimenő feszültség középértéke a maximumtól nulláig változtatható. Szabályozási szempontból számolni kell azzal, hogy a gyújtáskésleltetés és a kimenő feszültség középértéke közötti kapcsolat a hálózati kommutációs áramirányítóknál általában nemlineáris A kimenő- és a tirisztoráram középértéke: Id = UR Ud , = R R (3.6) Id . 2 (3.7) IT = A szimmetrikus vezetés miatt a tirisztoráram középértéke a kimenő áram középértékének a fele. 3.212 Soros R + L terhelés A 3.7 ábrán egy soros R + L terhelésű ideális egyfázisú, kétutas, kétütemű hálózati kommutációs vezérelt áramirányító kapcsolási rajzát és időfüggvényeit láthatjuk. Szaggatott és folyamatos

kimenő áramú üzemmód egyaránt elérhető az α gyújtásszög és a terhelés hálózati frekvencián értelmezett ϕ fázisszögének viszonyától függően. Mind a két esetben ütemenként váltakozva a j 1 és j 2 áramhurokban π -fáziseltolással két azonos bekapcsolási tranziens zajlik le a gyújtások pillanataitól számítva. A kimenő áram első hullámára vonatkozó differenciálegyenlet a vezetés időtartama alatt: di (3.8) u s = R ⋅ id + L d . dt Mivel di uL = L d , dt az ábrákban az u L mint az us és uR görbék közötti különbség látható. Az u L nagysága minden pillanatban arányos az i d és ezáltal az u R görbe meredekségével. Fordítva, a (3.8) differenciálegyenletből felírható ωt 1 id (ωt ) = u L (ωt )dωt + id (α ) ωL α ∫ (3.9) integrálegyenlet i d értékét adja meg ω t = t pillanatban. Az integrálegyenletből leolvasható, hogy adott intervallumban i d akkor éri el a kezdeti értékét, ha az induktivitás

pozitív és negatív feszültségterületei azonosak A (3.8) differenciálegyenlet megoldása 3-7 (ωt −α ) − 2U s sin (ωt − ϕ ) + Iˆt e ωL / R id (ωt ) = Z (3.10) alakban írható fel. A kifejezés tartalmazza az us feszültségforráshoz rendelhető állandósult összetevőt, illetve az L/R időállandóval csillapodó Iˆt kezdeti értékű tranziens összetevőt A Z a terhelés hálózati frekvencián értelmezett impedanciája id is T1 T2 uL us ud (a) uR T3 ud T4 -u s α uR uL us α ud uR uL ωt ωt α αk -u s id i T1,4 i T2,3 ωt us id i T1,4 i T2,3 ωt is is us us u T1 ωt (b) 3-8 α u T1 ωt (c) 3.7 ábra Soros R + L terhelésű, ideális 1F 2U 2Ü vezérelt áramirányító: (a) kapcsolási rajza, és időfüggvényei (b) szaggatott, (c) folyamatos kimenő áramnál Szaggatott kimenő áramnál az i d ütemenként egy π -nél rövidebb tartamú hullám, tehát a kezdeti értéke a gyújtások pillanatában: i d

(ω t = α ) = 0. Ennek figyelembe vételével (310)-ből az i d első hullámának időfüggvénye: id (ωt ) = 2U s Z (ωt −α )   − ωL / R  . ( ω ϕ ) ( α ϕ ) sin sin t − − − e    (3.11) Ebből az i d (ω t = αk ) = 0 peremfeltétellel, a kialvási szögre vonatkozó összefüggés: αk ω e L/R sin (α k − ϕ ) α ω L e /R = sin (α − ϕ ) , (3.12) amelyből αk iterációval határozható meg. A gyakorlatban a 38 ábrán látható ún kialvási jelleggörbéket használhatjuk αk meghatározására A jelleggörbék az α függvényében ábrázolják αk -t a terhelés különböző cos ϕ = R/Z értékei mellett 3-9 αk 360ο 0.0 340ο cos φ 320 = ο 300ο 0.1 280ο 0.2 0.3 260ο 0.4 0.5 240ο 0.6 0.7 220 ο 0.8 0.9 200ο α 180ο 0 ο 20 ο 40 ο 60 ο 80 ο 100 ο 120 ο 140 ο 160 ο 180 ο 3.8 ábra Soros R + L terhelés, áram impulzus αk kialvási szöge az α gyújtásszög

függvényében szinuszos feszültség bekapcsolási tranziensénél. Paraméter: cos ϕ = R/Z, a terhelés jellemzője Az αH = ϕ határ gyújtásszögnél a (3.11)-ből az i d első hullámának időfüggvé- nye: id (ωt ) = 2U s sin (ωt − ϕ ) , Z (3.13) tehát a tranziens összetevő kiesik és i d ütemenként egy π hosszúságú szinuszos félhullám. Ez egyben a szaggatott-folyamatos vezetés határa is, mivel αk = αH + π Szaggatott kimenő áramnál a kimenő feszültség középértéke a 3.7b ábra alapján: 1 Ud = π αk ∫ α 2U s sin (ωt )dωt = U do ahol Udo a (3.5) szerinti érték 3 - 10 cosα − cosα k , 2 (3.14) Folyamatos kimenő áramnál az i d nem szakad meg a másik tirisztorpár gyújtásáig. A gyújtást követően az aktuális áramhurok ugrásszerűen átveszi az i d áramot a másik huroktól és a tranziens ezzel az i d (ω t = α ) > 0 kezdeti értékkel indul. Állandósult üzemállapotban az ütemidő elteltével az i d

a kezdeti értékére csökken, tehát i d (ω t = α + π ) = i d (ω t = α ). A valóságban a kommutáció nem pillanatszerű, mivel nem lehet eltekinteni a félvezetők valós paramétereitől és a szórási induktivitásoktól sem. A vizsgált egyfázisú kapcsolásoknál abból kell kiindulni, hogy a gyújtásokat követően a kommutáció idejéig az összes tirisztor vezet. Ekkor az u s-T 1 -T 2 , illetve az u s-T 4 -T 3 elemek által alkotott hurkokban olyan köráramok jönnek létre, amelyek az us előjelétől függően egyszerre növelik a begyújtott tirisztorok áramait a kimenő áram szintjére és ugyanezen időtartamban, egyszerre csökkentik nullára a korábban vezető tirisztorok áramait, miközben az i s fázisáram irányt vált. Az áramvezetés időtartamában a differenciálegyenlet megoldásában csak a peremfeltételek térnek el a szaggatott és folyamatos vezetésnél. Az i d (ω t = α + π ) = i d (ω t = α ) peremfeltétel figyelembe vételével

(3.10)-ből az i d első hullámának időfüggvénye: 2U s sin (ωt − ϕ ) − id (ωt ) = Z 2U s ⋅ 2 ⋅ sin (α − ϕ ) − (ωt −α ) Z e ωL / R , −π (3.15) 1 − e ωL / R amelyből az i d minimuma az ω t = α (vagy ω t = α + π) pontban felvett érték: I d min  −π   e ωL / R + 1  2U s sin (α − ϕ ) −π = . Z  ωL / R  −1  e (3.16) Az Id min és az Id középértékből következtethetünk a kimenő áram hullámosságára. A folyamatos vezetésnél a kimenő feszültség középértéke a 3.7c ábra alapján: 1 Ud = π α +π ∫ α 2U s sin (ωt )dωt = U do cos α , (3.17) ahol Udo a (3.5) szerinti érték A kimenő áram hullámossága a terhelés L/R időállandójának növelésével tetszőlegesen kis értékre csökkenthető! Amennyiben π << ω L/R, az i d és a vele arányos mennyiségek állandó pillanatértékűnek tekinthetők! Soros R + L terhelés esetén, egy adott ϕ fázisszögre

vonatkozó Ud /Udo (α) vezérlési jelleggörbe a 3.9 ábrán látható Az ω L/R arány növelésével a folyamatos3 - 11 szaggatott vezetéshez tartozó αH = ϕ gyújtásszög megközelítheti a π/2 értéket, miközben a szaggatott vezetéshez tartozó szakasz egyre laposabbá válik. U d /Udo 1.0 R+L R+L folytonos szaggatott α α H= ϕ π 2 π 3.9 ábra Soros R+L terhelésű, ideális 1F 2U 2Ü áramirányító vezérlési jelleggörbéje Az állandósult esetben a középértékekre felírható feszültség egyenlet, figyelembe véve, hogy periodikus üzemállapotban UL = 0 : Ud = UR + UL = U R , (3.18) amelyből a kimenő áram középértéke: Id = Ud . R (3.19) A szimmetrikus vezetés miatt tirisztoráram középértéke továbbra is a kimenő áram középértékének a fele, tehát érvényes a (3.7) összefüggés 3 - 12 3.213 Soros R + L + Ub terhelés A 3.10 és 311 ábrákon a soros R + L + Ub terhelésű ideális, egyfázisú, kétutas,

kétütemű hálózati kommutációs vezérelt áramirányító kapcsolási rajzát és időfüggvényeit láthatjuk. Szaggatott és folyamatos kimenő áramú-, illetve mind a két esetben egyen- és váltóirányító üzemmód egyaránt létrehozható az α gyújtásszög, az Us/Ub és a terhelés ϕ fázisszögének viszonyától függően. A tirisztorpárok vezetése esetén a Ub -től függetlenül, az u d kimenő feszültség a tápfeszültség, vagy annak fordítottja. Az összes tirisztor zárt állapota esetén a kimenő feszültség ud = Ub . Megszakadt kimenő áramnál (32) értelmében T 1 és T 4 csak akkor gyújtható, ha a tápfeszültség, illetve T 2 és T 3 -nél a negatív tápfeszültség pillanatértéke nagyobb, mint Ub . ud id us is T1 T2 us T4 uR+U b uL uR ud T3 -u s uL ωt α α Ub αk Ub id i T2,3 ωt us /2 - Ub/2 ωt i T1,4 (a) i s us uT1 (b) 3.10 ábra Soros R + L + U b terhelésű, ideális 1F 2U 2Ü vezérelt áramirányító: (a)

kapcsolási rajza, és (b) időfüggvényei szaggatott kimenő áramnál A kimenő áram első hullámára vonatkozó differenciálegyenlet a vezetés időtartama alatt: u s = U b + R ⋅ id + L did . dt (3.20) 3 - 13 Az összefüggésnek megfelelően az ábrákban az uL mint az u s és u R + Ub görbék közötti különbség látható. Az u L nagysága minden pillanatban arányos az i d és ezáltal az u R görbe meredekségével. A soros R + L terheléshez hasonlóan, az i d most is akkor éri el a kezdeti értékét, ha az induktivitás pozitív és negatív feszültségterületei azonosak. A (3.20) differenciálegyenlet megoldása (ωt −α ) − 2U s U sin (ωt − ϕ ) − b + Iˆt e ωL / R Z R id (ωt ) = (3.21) alakban írható fel. A kifejezés (310)-hez képest kibővült a terhelés Ub feszültségforrásához rendelhető állandósult összetevővel A szaggatott és folyamatos kimenő áram időfüggvényeinek felírásához a peremfeltételeket a soros R + L

terhelésnél leírt módon kell figyelembe venni. α ud uR +Ub uL us -u s α α ωt Ub ωt uL uR +U b -u s α us ud id id i T1,4 i T2,3 ωt Ub i T2,3 ωt i T1,4 is is us u T1 γ u T1 ωt ωt us (a) (b) 3.11 ábra Soros R + L + U b terhelésű, ideális 1F 2U 2Ü vezérelt áramirányító időfüggvényei folyamatos vezetésnél: (a) egyenirányító, (b) váltóirányító üzemmódban 3 - 14 Szaggatott kimenő áramnál az αk szintén csak iterációval határozható meg. Az itt érvényes kialvási jelleggörbék α függvényében ábrázolják αk -t a terhelés különböző cos ϕ = R/Z értékei és a feszültségforrások U b 2U s feszültségarányai, mint paraméterek mellett. Ezeket a görbéket a jegyzet nem tartalmazza, mivel a két paraméter miatt nagyon nagy számú görbeseregre van szükség. Helyette számítógépes szimulációt célszerű alkalmazni αk meghatározására A (3.21) időfüggvényből kiindulva analitikusan is

meghatározható a szaggatott-folyamatos vezetés határához tartozó αH gyújtásszög, de a gyakorlatban itt is a szimuláció javasolható. A szaggatott vezetés kimenő feszültség középértéke a 3.10b ábra alapján: 1 Ud = π = U do αk ∫ α  (α − α )  2U s sin (ωt )dωt + U b 1 − k = π   cos α − cos α k  (α − α )  + U b 1 − k , π 2   (3.22) ahol Udo a (3.5) szerinti érték Folyamatos kimenő áramnál a 3.11 ábra görbéin láthatóan az ud kimenő feszültség α gyújtásszöghöz tartozó időfüggvényét Ub nem befolyásolja Ennek megfelelően a kimenő feszültség középértékére a (317) összefüggés most is érvényes Belső feszültséget tartalmazó terhelésnél a kimenő teljesítmény előjelétől függően egyenirányító-, és váltóirányító (inverter) üzemállapot egyaránt elérhető. A kimenő teljesítmény átlaga: T 1 Pd = u d ⋅ id dt , T 0 ∫ (3.23) amelyben, ha i d

állandó pillanatértékű (π << ω L/R), a kifejezés a feszültség és áram középértékeinek szorzatára redukálódik: Pd = Ud ⋅Id . (3.24) Mind a két üzemmódhoz tartozhat szaggatott és folyamatos vezetés. A 310b és 3.11a ábrák időfüggvényeinél szemmel láthatóan a Pd pozitív, tehát egyenirányító, illetve a 3.11b ábrában a Pd negatív, tehát váltóirányító üzemmódot ábrázol Mivel Id csak pozitív lehet, állandó pillanatértékű kimenő áramnál egyértelműen kimondható, hogy az inverterüzem határa pontosan α = π/2. Ezen határ alatt Ud és a kimenő teljesítmény pozitív, illetve felette negatív. 3 - 15 Az állandósult esetben a középértékekre felírható feszültség egyenlet, figyelembe véve, hogy periodikus üzemállapotban UL = 0 : U d = U R + U L + Ub = U R + Ub , (3.25) amelyből a kimenő áram középértéke: Id = U R Ud −Ub = , R R (3.26) A szimmetrikus vezetés miatt tirisztoráram

középértéke továbbra is a kimenő áram középértékének a fele, tehát érvényes a (3.7) összefüggés Soros R + L + Ub terhelésnél, megfelelően nagy L/R időállandó és az Ud -nél alacsonyabb szintű Ub -vel ideális esetben a teljes 0 < α < π vezérlési tartományban biztosítható a folyamatos kimenő áram. Ebben az esetben a (317) összefüggésnek megfelelő Ud /Udo (α) vezérlési jelleggörbe a 3.12 ábrán látható U d /U do 1.0 Egyenirányító üzemmód α π 2 Váltóirányító üzemmód π -1.0 3.12 ábra Soros R + L + U b terhelésű, ideális 1F 2U 2Ü áramirányító vezérlési jelleggörbéje egész tartományban folyamatos kimenő áramnál A 3.11b ábrában láthatjuk, hogy váltóirányító üzemmódban a vezetésből kilépő tirisztorra csak γ = π - α szögtartamig jut záróirányú feszültség Ebből az következik, hogy az α nem érheti el az elméleti π értéket, mivel a nyitóirányú szabaddáválási idő

tartamáig minden körülmények között biztosítani kell a lezáró tirisztorok záróirányú feszültségét. Ezt a γ szögtartamot invertertartaléknak nevezik Inverterüzemű billenésről beszélünk, ha váltóirányító üzemmódban valamelyik tirisztorpár nem tud bekapcsolni és ennek következtében a kimenő áram a 3.13 ábrán láthatóan lengéseken keresztül veszélyesen megnő. Ennek oka lehet meghibásodás, vagy a túl kicsi invertertartalék Utóbbi esetben valamelyik lezáró tirisztorpár még záróképességének elérése előtt ismét nyitóirányú feszültséget kap, és ezt követően már periodikusan visszeveszi a vezetést a másik tirisztorpártól. 3 - 16 Hasonlóak a viszonyok, ha π < α . Ebben az esetben, ha valamelyik tirisztorpár már vezet, a másik párra nem jut nyitó irányú feszültség a gyújtás pillanatában. α=5π/6 α≈π uL ud ωt uR +Ub Ub 3.13 ábra Soros R + L + U b terhelésű, ideális 1F 2U 2Ü vezérelt

áramirányító billenése váltóirányító üzemmódban A billenés után például, ha csak a T 1 és T 4 tirisztorpár vezet, a terhelésre az us tápfeszültség pillanatérték jut, amelynek középértéke nulla. Az állandósult esetben a középértékekre felírható feszültség egyenlet, figyelembe véve, hogy UL = 0: Ud =U R + Ub = 0 . (3.27) Ennek alapján a terhelésen Id = U R −Ub = R R (3.28) középértékű rövidzárási áram alakul ki. Mind soros R + L mind soros R + L + Ub terhelésnél, amennyiben π << ω L/R, az i d állandó pillanatértékű. Ennek megfelelően az i s fázisáram időfüggvénye szabályos négyszög alakú Ebben az állapotban a fázisfeszültség és a fázisáram időfüggvényeit az α gyújtásszög figyelembe vételével a 314a ábra mutatja Szaggatott vonallal a fázisáram i s1 alapharmonikusát is ábrázoltuk. Láthatjuk, hogy az alapharmonikus áram ϕ1 fáziskésése megegyezik az α -val. A harmonikus analízis

elvégzésével a fázisáram i s = Iˆs1 sin (ωt − α ) − Iˆs3 sin[3(ωt − α )] + Iˆs5 sin[5(ωt − α )] − . (3.29) alakban írható fel. Láthatjuk, hogy csak a páratlan sorszámú harmonikusok léteznek, szinuszos függvényekkel felírva váltakozó előjellel. A létező harmonikusok amplitúdója: 4 1 (3.30) Iˆsn = I d . π n A 3.14b ábra a fázisáram harmonikusainak frekvenciaspektrumát mutatja 3 - 17 us is ωt is1 (a) ϕ 1 =α Iˆsn Id 1.2 4 1 Iˆsn = I d , π n 1.0 0.8 n= 1,3,5,. (b) 0.6 0.4 0.2 n 1 3 5 7 9 11 13 15 3.14 ábra ideális 1F 2U 2Ü áramirányító: (a) fázismennyiségei, (b) fázisáram időfüggvényének frekvenciaspektruma állandó pillanatértékű kimenő áram esetén ( π << ω L/R) 3.22 Az Ls hatása az egyfázisú, kétutas, kétütemű hálózati kommutációs vezérelt áramirányítónál A 3.15 ábrán látható egyfázisú hálózati kommutációs vezérelt áramirányító szaggatott kimenő

áramú üzemállapotában, szintén csak egy-egy áramhurok alakulhat ki Ebben az esetben a kimenő áram kialakulásának számításakor L s hozzácsatolható a terheléshez. Szaggatott vezetésnél a tirisztorok továbbra is természetes módon, az áram megszűnése miatt kapcsolnak ki. Folyamatos kimenő áramnál az L s induktivitások hatásaként a tirisztorok árama között nem lehet pillanatszerű a kommutáció. Ezt az időszakot fedésnek nevezzük és a hozzá tartozó villamos szöget a µ fedési szöggel jelöljük A vizsgált egyfázisú kapcsolásban a fedés alatt az összes tirisztor vezető állapotban van, tehát a kimenő feszültség ebben a tartományban nulla. 3 - 18 A lehetséges áramhurkok jelöléseivel, a fedésen kívüli időszakokban továbbra is csak egyetlen hurokban folyik az áram. A fedés időszaka alatt úgy tekinthetjük, hogy mind a két áramhurok egyszerre létezik, és a tényleges áramokat a két hurokáram szuperpoziciója

határozza meg. Ez a lehetőség feltételezi, hogy szimmetrikus kapcsolásban a T 1 és T 4 , illetve a T 2 és T 3 tirisztorok áramai minden pillanatban azonosak, tehát az összes tirisztor árama megegyezik valamelyik hurokárammal. id J1 is T1 us us Ls T2 uL J2 uR ud T3 Fedés alatt a két hurokáram szuperpoziciója! Ub T4 3.15 ábra Soros R + L + U b terhelésű, 1F 2U 2Ü vezérelt áramirányító L s kommutációs induktivitással A vizsgálatot csak soros R + L + Ub terhelésre végezzük el, mivel az eredmények Ub = 0 behelyettesítéssel a soros R + L terhelésű kapcsolásra is alkalmazhatók. További egyszerűsítéssel élve, tételezzük fel, hogy π << ω L/R, tehát a kimenő áram állandó pillanatértékű, megegyezik a középértékével! Mivel a fenti esetben feltételezhetően L s << L arány is igaz, a fedésen kívüli időszakokban, amikor csak egyetlen hurokban folyik az áram, az L s hatása elhanyagolható. Ekkor az áram és

feszültség viszonyok megegyeznek az előző pontban tárgyalt L s=0 esettel A vizsgált állapotra vonatkozó időfüggvényeket a 316 ábra mutatja egyenirányító üzemmódban A váltóirányító üzemmód görbéi analóg módon rajzolhatók fel. Mivel a fedés alatt a gyújtást követően még vezetnek a kilépő tirisztorok, az invertertartalék µ villamos szöggel csökken, azaz γ = π − ( α + µ ) Vizsgáljuk a T 1 és T 4 tirisztorok gyújtását követő kommutációt. A hídkapcsolásban a felépítéséből következik, hogy minden pillanatban a T 1 és T 2 , illetve a T 3 és T 4 tirisztorok áramainak összege a kimenő áram: Id = i T1 + i T2 = i T3 + i T4 = J1 + J2 (3.31) Mivel a fedés alatt a tirisztorok rövidrezárják a kimenetet: u Ls = u s ⇒ ud = 0 . Ls dis = us , dt (3.32) (3.33) 3 - 19 ud uL uR+Ub α µ Ub us ωt –u s α i T1,4 i d =I d i T2,3 is ωt ωt us u T1 ωt 3.16 ábra Az L s hatása az 1F 2U 2Ü vezérelt

áramirányítók időfüggvényeiben, soros R+L+U b terhelés, π << ω L/R A (3.32) differenciálegyenlet szerint a kommutáció alatt i s az us fázisfeszültség pillanatértékének megfelelő sebességgel változik Szimmetrikus tirisztorokat feltételezve a fedés alatt szuperpozicióval felírható, hogy (3.34) is = J1 − J 2 , I d = J1 + J 2 , (3.35) amelyből a hurok-, illetve a tirisztor áramok: is + I d = iT 1 = iT 4 , 2 (3.36) − is + I d = iT 2 = iT 3 . 2 (3.37) J1 = J2 = Láthatjuk, hogy a szimmetrikus tirisztorok áramai fele meredekséggel követik i s változásait, az i T1 , i T4 azonos, ill. az i T2 , i T4 ellenkező előjellel A vizsgált kommutációnál az i s kezdeti értéke, a 316 ábrán láthatóan, a negatív, illetve a végértéke a pozitív kimenő áram A kommutáció végén megszakad T 2 és T 3 árama és a következő kommutációig csak a T 1 és T 4 vezeti a kimenő áramot. 3 - 20 A tirisztorok maximális bekapcsolási

árammeredekségét az L s induktivitás és a kommutáció során a rá jutó u s feszültség legnagyobb pillanatértéke határozza meg. A (332, 336, 337) összefüggések szerint: diT 2U s . = dt max 2 Ls (3.38) A tirisztorok zárlati áramának maximuma terhelésoldali vagy valamely tirisztor zárlata esetén a 3.17a ábrán látható helyettesítő kapcsolás szerint számítható ki. A tápfeszültség nulla átmenetében bekövetkező zárlat esetén a zárlati kör árama a 3.17b ábrának megfelelően alakul A zárlati áram maximuma ekkor: I z max = 2 2U s . ωLs (3.39) is Zárlat us is us Ls ωt (a) (b) 3.17 ábra (a) helyettesítő kapcsolás a tirisztorok zárlati áramának kiszámítására (terhelésoldali vagy valamely tirisztor zárlata esetén), (b) zárlati időfüggvények a legrosszabb esetben Láthatjuk, hogy a valóságos tirisztoroknál elengedhetetlen egy megfelelő szintű kommutációs vagy zárlati áram korlátozó induktivitás megléte. A

gyakorlatban a szükséges L s értékét a tirisztorok kritikus bekapcsolási árammeredeksége és a megengedhető zárlati árama közül a szigorúbb feltétel határozza meg. A kimenő feszültség középértéke a 3.16 ábra alapján: 1 cos α + cos(α + µ ) 2U s sin (ωt )dωt = U do . Ud = π α +µ 2 α +π ∫ (3.40) ahol Udo a (3.5) szerinti érték A képletben szereplő µ fedési szög a 316 ábrából leolvasható peremfeltételek mellett, a (332) differenciál-egyenlet integrálásával állapítható meg Mivel a fedés alatt i s teljes változása 2Id : 2I d = 1 ωLs α +µ ∫ α 2U s sin (ωt )dωt , (3.41) 3 - 21 amelyből cos(α + µ ) = cosα − 2ωLs 2U s ⋅ Id . (3.42) Ezt behelyettesítve (3.40)-be: U d = U do cosα − 2ωLs ⋅ Id . π (3.43) Láthatjuk, hogy a fedés hatására a kimenő feszültség középértékében, egy Id -vel arányos feszültségeséssel is kell számolni. Figyelembe véve, hogy periodikus üzemmódban UL = 0,

tehát UR = R·Id = Ud − Ub , a kimenő áram középértéke: Id = U do cosα − U b 2ωLs R+ π (3.44) A 3.16 ábrán is láthatóan, a tirisztorok fedéssel is azonos áram-idő területeket vezetnek Ennek megfelelően, a tirisztoráram középértéke továbbra is a kimenő áram középértékének a fele, tehát érvényes a (3.7) összefüggés 3 - 22 3.3 HÁROMFÁZISÚ, HÍDKAPCSOLÁSÚ, HÁLÓZATI KOMMUTÁCIÓS VEZÉRELT ÁRAMIRÁNYÍTÓ Egy háromfázisú, hídkapcsolású, hálózati kommutációs vezérelt áramirányító kapcsolási rajza a 3.18 ábrán látható Az u a , u b , u c feszültségforrások és az L s induktivitások az áramirányító váltakozóáramú oldalának helyettesítő elemei A feszültségforrások szimmetrikus háromfázisú rendszert alkotnak A kapcsolás az osztályozás szerint egy háromfázisú, kétutas, hatütemű (3F 2U 6Ü) áramirányító id P ua ub uc ia T1 T3 T5 Ls ud Ls Terhelés Ls T4 T6 T2 N 3.18 ábra

Háromfázisú, hídkapcsolású, hálózati kommutációs vezérelt áramirányító kapcsolási rajza Az áramirányító a váltakozóáramú oldal vonali feszültségeit kapcsolja a kimenetre, időben elosztva olymódon, hogy ott a kívánt középértékű hatütemű egyenfeszültséget hozza létre. Ehhez, leszámítva a kommutációt, egy-egy nem azonos fázishoz tartozó „P” és „N” oldali tirisztornak kell vezetni az energiaáramlás időszakaiban Szimmetrikus vezérlésnél, a kapcsolási rajzon látható sorszámok szerint π/3 fáziseltolással követik egymást a T 1 , T 2 , T 3 . tirisztorok gyújtójelei (319 ábra) 2π π/3 uGT1 uGT2 uGT3 uGT4 uGT5 uGT6 3.19 ábra Háromfázisú, hídkapcsolású, hálózati kommutációs áramirányító vezérlése megismétel gyújtójelekkel 3 - 23 A felépítésből következően egy tirisztornak két egymást követő ütemben kell vezetni. Ehhez szaggatott kimenő áramú üzemmódban az összes tirisztor

gyújtását π/3 szöggel később, - együtt a soron következő tirisztor első gyújtásával -, meg kell ismételni (vagy π/3-nál szélesebb gyújtójelet kell alkalmazni). A vizsgált terhelések R és soros R + L + Ub (a soros R + L terhelést a továbbiakban Ub = 0 határesetnek tekintjük). A tárgyalás egyszerűsítése végett tekintsük a tápforrás csillagpontját 0V potenciálnak és az összes tirisztort szimmetrikusnak! A tirisztorok feszültségei az egyfázisú hídkapcsoláshoz hasonlóan határozhatók meg. Amennyiben egyetlen tirisztor sem vezet, a tirisztorokat most is egy-egy nagy impedanciával-, illetve az áramkör többi passzív elemét rövidzárral helyettesíthetjük. Az erre az esetre vonatkozó helyettesítési kapcsolás a 320 ábrán látható P ua uT1 Z1 uT3 Z3 uT5 uT6 uT2 Z5 ub 0V uc uT4 Z4 Z6 Ub Z2 N 3.20 ábra 3F 2U 6Ü vezérelt áramirányító helyettesítése i d = 0 esetben, terhelés soros R + L + U b valamely kombinációja

Ha a terhelés nem tartalmaz belső feszültséget, a Millmann tétel értelmében a két sín a tápforrások csillagpontjának 0V-os potenciálján van. Ekkor a P sínre kapcsolódó tirisztorokra az anódjukra kapcsolódó fázisfeszültség, illetve az N sínre kapcsolódó tirisztorokra a katódjukra kapcsolódó fázisfeszültség mínusz egyszerese jut nyitó irányban: Például, a közös katódoldalon: a közös anódoldalon: u T1 = ua , illetve (3.45) uT6 = -ub . (3.46) Ha a terhelés tartalmaz belső feszültséget, a felvett vonatkozási irányok szerint Ub hatására a tirisztor feszültségek -Ub /2 értékkel módosulnak: Például, a közös katódoldalon: uT1 = ua - Ub /2, (3.47) a közös anódoldalon: (3.48) u T6 = -ub - Ub /2. Lehetséges, hogy a szaggatott kimenő áramú üzemmódban egyszerre gyújtott tirisztorok közül az egyiken csak a másik tirisztor vezetővé válása közben jelenik a 3 - 24 nyitó irányú feszültség. Ebben az esetben egy

jelentéktelen fáziskésés lesz a két tirisztor feszültség-változásában a bekapcsolás közben A legegyszerűbb a két egyszerre gyújtott kapcsolóelemen együtt nézni a nyitó irányú feszültséget a gyújtási feltételek vizsgálatához Pl a T 1 tirisztor első gyújtásával együtt kell kiadni a T 6 tirisztor megismételt gyújtását (319 ábra) A gyújtás előtt eredőben u T1 + u T6 = ua - u b -Ub = uab -Ub , (3.49) feszültség jut a két elemre, tehát a gyújtásuk akkor hatásos, ha az u ab vonali feszültség nagyobb, mint a terhelés Ub belső feszültsége (vagy nulla Ub nélkül). Aszimmetrikus tirisztoroknál itt is a zárt tirisztorok impedancia-arányai határozzák meg a feszültségeloszlást. 3.31 Ideális, háromfázisú, hídkapcsolású hálózati kommutációs vezérelt áramirányító (Ls=0) A 3.21 ábrán látható ideális, háromfázisú, hídkapcsolású hálózati kommutációs vezérelt áramirányítóban szimmetrikus vezérlésnél

összesen hat áramhurok alakulhat ki. A sorrendben egymás után kialakuló áramhurkokat a 319 ábrán leolvasható vezérlés szerint ütemenként együtt vezető tirisztorok határozzák meg A 321 ábra a T 1 és T 6 tirisztorok vezetésével kialakuló J1,6 áramhurkot szemlélteti. Ekkor a kimenetre az uab = ua - ub vonali feszültség kapcsolódik Az egymást követő ütemekben a tirisztorpárok π/3-fáziseltolással, azonos alakú vonali feszültség szakaszokat kapcsolnak a kimenetre és ennek megfelelően a hurokáramaik is azonos alakúak lesznek. Az azonosság miatt elegendő csak egyik ütem részletes vizsgálata. Az egyes elemek áramai a hurokáramokból meghatározhatók. ia ua id P T1 T3 T5 J1,6 ub 0V ud uc Terhelés T4 T6 T2 N 3.21 ábra Ideális 3F 2U 6Ü vezérelt áramirányító (L s = 0), a T 1 és T 6 tirisztorok vezetésével kialakuló J 1,6 áramhurokkal Amennyiben valamelyik tirisztorpár vezet, L s = 0 esetben a nem vezető tirisztorok

feszültségei nem függnek sem Ub -től, sem a tirisztorok szimmetriájától. 3 - 25 A vezető tirisztorokat rövidzárnak tekintve, a nem vezető tirisztorokra két fázisfeszültség különbsége jut: Például, a közös katódoldalon: u T1 = ua - u b = uab , ha T 3 vezet, (3.50) a közös anódoldalon: u T4 = ub - ua = ubc , ha T 6 vezet. (3.51) A tirisztorok α gyújtáskésleltetését azon természetes kommutációs pontoktól mérik, ahol ideális kapcsolás és folyamatos kimenő áram esetén a tirisztorok legkorábban begyújthatók. Ez a pont egy P sínre kapcsolódó tirisztornál ott van, ahol az anódjára kapcsolódó fázisfeszültség a legpozitívabb, illetve egy N sínre kapcsolódó tirisztornál a legnegatívabb lesz a többi fázishoz képest. 3.311 Ohmos terhelés A 3.22 ábrán egy ohmos terhelésű ideális, háromfázisú, hídkapcsolású hálózati kommutációs vezérelt áramirányító kapcsolási rajzát és időfüggvényeit láthatjuk.

Szaggatott és folyamatos kimenő áramú üzemmód egyaránt elérhető az α gyújtásszögtől függően. A szaggatott kimenő áramhoz tartozó időfüggvények a 3.22b ábrán láthatók Az görbék alapján belátható, hogy ehhez az üzemmódhoz a π/3 < α < 2 π/3 vezérlési tartomány tartozik. Itt i d ütemenként egy-egy π/3 -nál rövidebb szögtartamú hullám A nulla kimenő áramú szakaszokban az u d kimenő feszültség is nulla. A T 1 és T 6 tirisztorokra a gyújtásukat megelőzően u T1 + uT6 = uab vezető irányú feszültség jut Az ω t = α’ = α + π/3 pillanatban a T 1 és T 6 tirisztorokat begyújtjuk és kialakul a j 1,6. áramhurok. Ezt követően az u ab vonali feszültség pozitív hullámának hátra lévő részében ud és vele arányosan i d is követi az uab váltakozó feszültség alakját Az ω t = αk ’ = π -nél a kimenő árammal együtt a tirisztor áramok is megszakadnak. Az i d a soron következő T 2 tirisztor első és a T 1

tirisztor megismételt gyújtásáig nulla marad. Az α’ és αk ’ a kimenetre kapcsolódó vonali feszültségek nulla átmeneteitől mért gyújtás- és kialvási szögek, bevezetésük a számítások miatt célszerű. A 322 ábra szerint a szögek közötti kapcsolat: α‘=α+π/3 αk ‘=αk +π/3 (3.52) A folyamatos kimenő áramhoz tartozó időfüggvények a 3.22c ábrán láthatók Az görbék alapján belátható, hogy ehhez az üzemmódhoz a 0 < α < π/3 vezérlési tartomány tartozik. Itt felváltva kommutál egy-egy tirisztorpár a „P” és az „N” 3 - 26 P ia T1 ua T3 id T5 ub ud = R∙id 0V uc (a) R T4 T6 T2 N α α uP uP ua ub ud uc ua ωt uN uab uc ub uab ωt uN uac uac ud ud id id ωt ωt α’ α’ αk’= π uT1 iT1 iT1 ia= iT1-iT4 ua ia= iT1-iT4 uab uac uac ωt ωt uT1 uab (b) (c) 3.22 ábra Ohmos terhelésű, ideális 3F 2U 6Ü vezérelt áramirányító: (a) kapcsolási rajza, és

időfüggvényei (b) szaggatott, (c) folyamatos kimenő áramnál 3 - 27 sínoldalon, miközben a kommutációval szemközti sínoldalon vezető tirisztor nem változtatja meg állapotát. A T 1 tirisztorra a gyújtását megelőzően uac nyitóirányú vonali feszültség jut, miközben vezet T 5 A gyújtást követő kommutáció alatt a T 1 anódjára jutó magasabb u a és a T 5 anódjára jutó alacsonyabb uc potenciál miatt a két fázis között kialakuló pillanatszerű köráram lezárja a T 5 és nyitja a T 1 tirisztort. A soron következő T 2 tirisztorra a gyújtását megelőzően u bc nyitóirányú vonali feszültség jut, miközben vezet T 6 . A gyújtást követő kommutáció alatt a T 2 katódjára jutó alacsonyabb uc és a T 6 katódjára jutó magasabb u b potenciál miatt a két fázis között kialakuló pillanatszerű köráram lezárja a T 6 és nyitja a T 2 -tirisztort. Az ábrákon a feltüntettük a P és N jelű síneknek a háromfázisú

csillagponthoz mért uP és u N feszültségeit is. Ezen feszültségek háromütemű jelek, mivel a vezérlés sínenként külön-külön háromüteműnek tekinthető Az u d kimenő feszültség az (3.53) ud = uP − uN összefüggés alapján mint az uP és u N közötti metszék is leolvasható. A hídkapcsolásban pl. az i a fázisáram a T 1 és T 4 tirisztorok áramainak különbségeként nulla középértékű váltakozóáram. Szimmetrikus tirisztorokat feltételezve a T 1 feszültsége: ha egy tirisztor sem vezet ua , ha T 3 vezet u ab , ha ha T 5 vezet u ac . A szaggatott kimenő áramú üzemmód kimenő feszültség középértéke a 3.22b ábra alapján: π 6 2 3U s sin (ωt )dωt = U do ⋅ (1 + cosα ) , Ud = 2π α ∫ (3.54) A folyamatos kimenő áramú üzemmód kimenő feszültség középértéke a 3.22c ábra alapján: 6 Ud = 2π ahol α +π / 3 ∫ 2 3U s sin (ωt )dωt = U do ⋅ cosα , (3.55) 3 2 3 U s ≈ 2.34 ⋅ U s , π (3.56) α U do = az

Ud háromfázisú hídkapcsolásra vonatkozó elvi maximuma α = 0 esetben. Az Us a fázisfeszültségek effektív értéke. A fenti kifejezéseknek megfelelő Ud /Udo (α) vezérlési jelleggörbe a 3.23 ábrán látható A görbe alapján jól követhető, hogy a 0 < α < 2 π/3 gyújtásszög tartományban a kimenő feszültség középértéke a maximumtól nulláig változtatható A folyamatos és szaggatott kimenő áram α = π/3 határán a kimenő feszültség a legnagyobb érték 50%-a. 3 - 28 U d /Udo 1.0 R folytonos R 0.5 szaggatott α π 3 π 2 2π 3 3.23 ábra Ohmos terhelésű ideális 3F 2U 6Ü áramirányító vezérlési jelleggörbéje A kimenő- és a tirisztoráram középértéke: Id = UR Ud = R R (3.57) Id 3 (3.58) IT = Az egy oldalon elhelyezkedő tirisztorok szimmetrikus vezetése miatt a tirisztoráram középértéke a kimenő áram középértékének a harmada. 3.312 Soros R + L + Ub terhelés A 3.24 és 325 ábrákon egy soros R

+ L + Ub terhelésű ideális, háromfázisú, hídkapcsolású hálózati kommutációs vezérelt áramirányító kapcsolási rajzát és időfüggvényeit láthatjuk Szaggatott és folyamatos kimenő áramú-, illetve mind a két esetben egyen- és váltóirányító üzemmód egyaránt létrehozható az α gyújtásszög, az Us/Ub és a terhelés ϕ fázisszögének viszonyától függően. A terhelésen ütemenként kialakuló tranziensek az egyfázisú kapcsolásnál leírtakhoz hasonlóan tárgyalhatók, figyelembe véve a rövidebb ütemidőt és a kimenetre kapcsolódó vonali feszültségeket. Az összefüggésekben a vonali feszültségek nulla átmeneteitől mért α’ és αk ’ gyújtás- és kialvási szögeket kell alkalmazni Az ábrákban az uL mint az u s és uR + Ub görbék közötti különbség látható. Az uL nagysága minden pillanatban arányos az i d és ezáltal az u R görbe meredekségével. Az i d ütemenként akkor éri el a kezdeti értékét, ha az

induktivitás pozitív és negatív feszültségterületei azonosak. 3 - 29 A szaggatott kimenő áramú, egyenirányító üzemmódhoz tartozó időfüggvények a 3.24b ábrán láthatók Nincsen akadálya szaggatott kimenő áram mellett a váltóirányító üzemmódnak sem Itt az i d ütemenként egy π/3 -nál rövidebb szögtartamú hullám. A nulla kimenő áramú szakaszokban a kimenő feszültség u d = Ub , illetve szimmetrikus tirisztorok esetén a sínfeszültségek u P = Ub /2, ill. u N = -Ub /2 ia ua α id P uP ua T1 T3 T5 ud uL ub ud ωt uR uc 0V uN Ub T4 T6 uc ub T2 uab N uac ud uL uR + Ub (a) ωt α’ Ub αk’ i T1 id ωt ia=iT1-iT4 uab uac ua-Ub/2 uT1 (b) 3.24 ábra Soros R + L + Ub terhelésű, ideális 3F 2U 6Ü vezérelt áramirányító: (a) kapcsolási rajza, és (b) időfüggvényei szaggatott kimenő áramnál 3 - 30 ωt α ua ud α uP uc ub uab id uc ωt uN uac uL ua ub ωt uP uab u R + Ub Ub

iT1 uN id ωt uac ia= iT1-iT4 iT1 ωt α’ α’ ia= iT1-iT4 ud uL uR + Ub Ub uT1 uab uac uac ωt γ ωt uab uT1 (a) (b) 3.25 ábra Soros R + L + Ub terhelésű, ideális 3F 2U 6Ü vezérelt áramirányító időfüggvényei folyamatos vezetésnél: (a) egyenirányító, (b) váltóirányító üzemmódban A T 1 és T 6 tirisztorokra a gyújtásukat megelőzően u T1 + u T6 = uab - Ub vezető irányú feszültség jut. A T 1 és T 6 tirisztorok ω t = α‘ = α + π/3 pillanatban történő gyújtásával kialakul a j 1,6 áramhurok és mindaddig, amíg a tirisztorok vezetnek, u d megegyezik az uab vonali feszültséggel. Az ω t = αk ‘ -nál a kimenő árammal együtt mind a két vezető tirisztor árama is megszakad Az i d a soron következő T 2 tirisztor első és a T 1 tirisztor megismételt gyújtásáig nulla marad 3 - 31 Belső feszültség nélküli terhelésnél, az egyfázisú hídkapcsolásnál soros R + L terhelésre felírt (3.12) iterációs

formula most érvényes alakja a következő: αk ω e L/ R sin (α k −ϕ ) α ω L e /R = sin (α −ϕ ) . (3.59) Az azonosság miatt a vonali feszültségekhez viszonyított α’ és αk ’ szögekkel továbbra is használhatók a 3.8 ábrán látható kialvási jelleggörbék Belső feszültséget tartalmazó terhelésnél αk és a szaggatott-folyamatos vezetés határához tartozó αH gyújtásszög meghatározására, szintén a számítógépes szimuláció javasolható. A folyamatos kimenő áramú üzemmódhoz tartozó időfüggvények a 3.25 ábrán láthatók egyen- és váltóirányító üzemállapotban Láthatjuk, hogy az u d kimenő feszültség α gyújtásszöghöz tartozó időfüggvényét Ub nem befolyásolja, annak pillanatértéke minden pillanatban a kimenetre kapcsolt vonali feszültség. A kommutációk hasonlóan zajlanak le, mint a folyamatos kimenő áramú ohmos terhelésnél. A szaggatott kimenő áramú üzemmód kimenő feszültség

középértéke a 3.24b ábra alapján: αk  6  π   2 3U s sin (ωt )dωt + U b  − (α k −α ) = Ud = 2π  α 3    ∫ = U do cosα − cosα k  3(α k −α )  + U b 1 − , π 2   (3.60) ahol Udo a (3.56) szerinti érték A folyamatos kimenő áramú üzemmód kimenő feszültség középértéke a terheléstől függetlenül azonosan számítható ki, tehát most is érvényesek (3.55) és (3.56) képletek Állandó pillanatértékű kimenő áramnál az inverterüzem határa, hasonlóan az egyfázisú hídkapcsoláshoz, pontosan α = π/2 Ezen határ alatt Ud és a Pd = Ud ·Id kimenő teljesítmény pozitív, illetve felette negatív. A kimenő áram középértéke (3.26) szerint számítható Az egy oldalon elhelyezkedő tirisztorok szimmetrikus vezetése miatt a tirisztoráram középértéke (358) szerint továbbra is a kimenő áram középértékének a harmada. A fenti kifejezéseknek megfelelő Ud

/Udo (α) vezérlési jelleggörbe soros R + L terhelés és adott αH határszögnél a 3.26a ábrán látható Belső feszültség nélkül a gyújtásszög tartomány: 0 < α <2 π/3. Soros R + L + Ub terhelésnél, megfelelően nagy L/R időállandó és az Ud -nél alacsonyabb szintű Ub -vel ideális esetben itt is a teljes 0 < α < π vezérlési tartományban biztosítható a folyamatos kimenő áram. Ebben az esetben a (3.55) összefüggésnek megfelelő Ud /Udo (α) vezérlési jelleggörbe a 326b ábrán látható. 3 - 32 U d /U do U d /U do 1.0 1.0 R+L folytonos R+L szaggatott Egyenirányító üzemmód α π 2 α π 2 2π 3 αH (a) Váltóirányító üzemmód π (b) -1.0 3.26 ábra Ideális 3F 2U 6Ü vezérelt áramirányító vezérlési jelleggörbéi: (a) soros R + L terhelésnél, (b) soros R + L + U b terhelés és egész tartományban folyamatos kimenő áramnál A 3.25b ábrában láthatjuk, hogy váltóirányító üzemmódban a

vezetésből kilépő tirisztorra az egyfázisú hídkapcsoláshoz hasonlóan, itt is csak γ = π - α szögtartamig jut záróirányú feszültség A γ invertertartalék túl kicsi értéke esetén szintén bekövetkezhet az inverterüzemű billenés, amely üzemállapotban csak egy tirisztorpár vezet, megszakítás nélkül (3.27 ábra) A billenés után például, ha csak a T 1 és T 6 tirisztorpár vezet, a terhelésre az u ab vonali feszültség pillanatérték jut. Az állandósult esetben az egyfázisú hídkapcsoláshoz hasonlóan (328) szerint Id = -Ub /R középértékű áram alakul ki a terhelésen ami veszélyesen nagy lehet. ud uL α≈π ωt α=5π/6 uR +Ub Ub 3.27 ábra Soros R + L + U b terhelésű, ideális 3F 2U 6Ü vezérelt áramirányító billenése váltóirányító üzemmódban 3 - 33 Amennyiben π/3 << ω L/R, az i d állandó pillanatértékű. Ebben az esetben pl az ua fázisfeszültség és az i a fázisáram időfüggvényeit az α

gyújtásszög figyelembe vételével a 3.28a ábra mutatja A fázisáram időfüggvénye szabályos négyszög alakú, 2 π/3 hosszú vezetési és π/3 hosszú árammentes szakaszokkal. Szaggatott vonallal a fázisáram i a1 alapharmonikusát is ábrázoltuk. Láthatjuk, hogy az alapharmonikus ϕ1 fáziskésése az egyfázisú hídkapcsoláshoz hasonlóan, itt is megegyezik az α -val. A harmonikus analízis elvégzésével az i a fázisáram ia = Iˆa1 sin (ωt − α ) − Iˆa 5 sin[5(ωt − α )] + Iˆa 7 sin[7(ωt − α )] − . , (3.61) alakban írható fel. Csak a hárommal nem osztható páratlan sorszámú harmonikusok léteznek, szinuszos függvényekkel felírva váltakozó előjellel. A létező harmonikusok amplitúdója: 2 3 1 (3.62) Iˆan = Id . π n ua ia ωt ia1 (a) ϕ 1 =α Iˆan Id 1.0 2 3 1 Iˆan = Id , π n 0.8 n= 1, 5,7, 11,13,. (b) 0.6 0.4 0.2 n 1 3 5 7 9 11 13 15 3.28 ábra ideális 3F 2U 6Ü áramirányító: (a) fázismennyiségei, (b)

fázisáram időfüggvényének frekvenciaspektruma állandó pillanatértékű kimenő áram esetén ( π/3 << ω L/R) A 3.28b ábra a fázisáram harmonikusainak frekvenciaspektrumát mutatja Láthatjuk, hogy az egyfázisú hídkapcsoláshoz képest kiestek a hárommal osztható harmonikusok, illetve a megmaradók kismértékben csökkentek. 3 - 34 3.32 Az Ls hatása a háromfázisú, hálózati kommutációs vezérelt áramirányítónál A 3.29 ábrán látható háromfázisú hídkapcsolású hálózati kommutációs vezérelt áramirányító szaggatott kimenő áramú üzemállapotában a tirisztorok továbbra is természetes módon, az áram megszűnése miatt kapcsolnak ki és csak egy-egy áramhurok alakulhat ki. Folyamatos kimenő áramnál az L s induktivitások hatásaként a tirisztorok árama között nem lehet pillanatszerű a kommutáció. Csak azt az esetet vizsgáljuk, amikor egyszerre csak egy kommutáció zajlik, tehát a fedés szögtartama rövidebb

π/3-nál. id P ua ub 0V uc ia Ls T3 T5 uL J1,6 uR Ls Ls J5,6 T1 Ub T4 T6 T2 ud A T 1 és T 5 tirisztorok fedése alatt a J 1 ,6 és J 5,6 hurokáramok szuperpoziciója! N 3.29 ábra Soros R + L + U b terhelésű, 3F 2U 6Ü vezérelt áramirányító L s kommutációs induktivitással A lehetséges áramhurkok jelöléseivel, a fedésen kívüli időszakokban továbbra is csak egyetlen hurokban folyik az áram. A fedés időszaka alatt úgy tekinthetjük, hogy két áramhurok egyszerre létezik, és a tényleges áramokat a két hurokáram szuperpoziciója határozza meg. A vizsgálatot szintén csak soros R + L + Ub terhelésre végezzük el és tételezzük fel, hogy π / 3 << ω L/R, tehát a kimenő áram állandó pillanatértékű! Mivel feltételezhetően L s << L, a fedésen kívüli időszakokban, amikor csak egyetlen hurokban folyik az áram, az L s hatása elhanyagolható. Ekkor az áram és feszültség viszonyok megegyeznek az előző pontban

tárgyalt L s= 0 esettel A vizsgált állapotra vonatkozó időfüggvényeket a 3.30 ábra mutatja egyenirányító üzemmódban A váltóirányító üzemmód görbéi analóg módon rajzolhatók fel Mivel a fedés alatt a gyújtást követően még vezet a kilépő tirisztor, az invertertartalék µ villamos szöggel csökken, azaz γ = π − ( α + µ ) . 3 - 35 α ua uP ub uc ωt uN uab uac ud uL uR + Ub Ub µ ωt α’ id iT5 iT1 iT2 ωt ia= iT1-iT4 uab uac ωt uT1 -ub 3.30 ábra Az L s hatása az 3F 2U 6Ü vezérelt áramirányítók időfüggvényeiben, soros R+L+U b terhelés, π /3<< ω L/R Vizsgáljuk a T 1 tirisztor gyújtását követő kommutációt. Ebben az esetben a T 1 tirisztor veszi át az áramot T 5 -től, miközben a T 6 vezetése nem változik. Az áramokra felírható összefüggések: i a = i T1 = J1,6 , i b = i T6 = J1,6 + J5,6 = Id , i c = i T5 = J5,6 , 3 - 36 (3.63) Mivel i d = Id kimenő áram pillanatértéke

állandó: dia dic + =0, dt dt (3.64) tehát az i a és i c fázisáramok nagyságra azonos sebességgel, de ellentétes irányban változnak. A kommutációban résztvevő fázisokra felírható hurokegyenlet: Ls dia di − Ls c = u a − ub = u ab , dt dt (3.65) amelybe behelyettesítve (3.64)-et: Ls dia di u = − Ls c = ab . 2 dt dt (3.66) A fenti egyenlet szerint a kommutáló fázisok L s induktivitásaira a vonali feszültségük fele jut azonos, illetve ellentétes polaritással és az áramaik is ennek megfelelő sebességgel változnak. A kommutáció végén T 1 árama eléri a kimenő áramot miközben megszakad a T 5 árama Ezt következően a T 2 tirisztor gyújtásáig csak a T 1 és T 6 a vezeti a kimenő áramot. A (3.66) kifejezésből az is következik, hogy a kommutáció oldali sín potenciálja, a kommutációban résztvevő fázisok feszültségeinek számtani közepe A vizsgált esetben: u + uc , (3.67) uP = a 2 Ugyanekkor a másik sínre kapcsolódó

fázis L s induktivitásán nem indukálódik feszültség, mivel az állandó pillanatértékű kimenő áramot vezeti. Ebből következik, hogy ennek a sínnek a potenciálja a vizsgált esetben: u N = ub . (3.68) A kimenő feszültség a fenti kommutáció alatt: ud = u P − u N = u a + uc 3 − u b = − ⋅ ub , 2 2 (3.69) a nem kommutáló fázis feszültségének mínusz másfélszerese. Belátható, hogy a kommutáció alatt, az összes nem vezető tirisztororra a kimenő feszültség kapcsolódik záró irányban. Ez abból következik, hogy az összes tirisztor oszlopban vezet egy tirisztor A fenti esetben: uT 3 = uT 4 = uT 2 = 3 ⋅ ub , 2 (3.70) a nem kommutáló fázis feszültségének másfélszerese. 3 - 37 A tirisztorok maximális bekapcsolási árammeredekségét az L s induktivitás és a kommutáció során rá jutó fél vonali feszültség legnagyobb pillanatértéke határozza meg. A (366) összefüggés szerint: diT dt = max 2 3U s . 2 Ls (3.71)

A tirisztorok zárlati áramának maximuma terhelésoldali vagy valamely tirisztor zárlata esetén a 3.17 ábrán látható helyettesítő kapcsolás és időfüggvények szerint számítható ki, ha us helyére a vonali feszültség időfüggvényét, illetve L s helyére 2L s-t helyettesítünk. A tápfeszültség nulla átmenetében bekövetkező zárlati áram maximuma ekkor: I z max = 2 3U s . ωLs (3.72) Tehát a szükséges L s értékét itt is a tirisztor kritikus bekapcsolási árammeredeksége és a megengedhető zárlati árama közül a szigorúbb feltétel határozza meg. A kimenő feszültség középértéke a 3.30 ábra alapján felírható a fedés nélküli kapcsolás α és formálisan α + µ gyújtásszögekhez tartozó kimenő feszültségeinek átlagával A (355, 56) alapján: U d = U do cos α + cos(α + µ ) . 2 (3.73) ahol Udo a (3.56) szerinti érték A képletben szereplő µ fedési szög a 330 ábrából leolvasható peremfeltételek mellett, a

(3.66) differenciál-egyenlet integrálásával állapítható meg A fedés alatt i a teljes változása Id Mivel a T 1 gyújtása az u ab vonali feszülség pozitív nulla átmenetétől számítva α szöggel később kezdődik és α + µ -ig tart: 1 Id = ωLs α +µ ∫ α 2 3U s sin (ωt )dωt , 2 (3.74) 2ωLs ⋅ Id . 2 3U s (3.75) amelyből cos(α + µ ) = cos α − Ezt behelyettesítve (3.73)-ba, és figyelembe véve (356)-ot: U d = U do cos α − 3ωLs ⋅ Id . π (3.76) Láthatjuk, hogy a fedés hatására a kimenő feszültség középértékében, itt is kell számolni egy Id -vel arányos feszültségeséssel. Figyelembe véve, hogy periodikus üzemmódban UR = R·Id = Ud − Ub , a kimenő áram középértéke: 3 - 38 Id = U do cosα − U b 3ωLs R+ π (3.77) A 3.30 ábrán láthatóan, a tirisztorok fedéssel is azonos áram-idő területeket vezetnek Ennek megfelelően, a tirisztoráram középértéke továbbra is a kimenő áram

középértékének a harmada 3.4 HÁROMFÁZISÚ, FÉLIGVEZÉRELT HÁLÓZATI KOMMUTÁCIÓS HÍDKAPCSOLÁS Sok esetben nincs szükség arra, hogy a hálózati kommutációs vezérelhető egyenirányító kapcsolásokban az egyenfeszültség irányát inverter üzemmódban megfordíthassuk. Ilyen megoldás, ha pl a hídkapcsolásban az egyik tirisztor csoportot diódákkal helyettesítjük. Egy háromfázisú, féligvezérelt hálózati kommutációs hídkapcsolás rajzát láthatjuk a 3.31 ábrán Az áramkört csak ideális esetben, tehát L s induktivitások nélkül és állandó pillanatértékű kimenő árammal vizsgáljuk Az előzőeknek megfelelő terhelés pl. soros R + L + Ub , ahol π/3 << ω L/R A táplálás és a tirisztoros oldal vezérlése azonos a háromfázisú hálózati kommutációs vezérelt hídkapcsoláséval, de a tirisztorok jelölése eltérő. A T 1 , T 2 , T 3 tirisztorok gyújtójelei 2π/3 fáziseltolással követik egymást. ia ua id P T1 T2

T3 uL ub 0V Do uR ud uc Ub D1 D2 D3 N 3.31 ábra Soros R + L + U b terhelésű, háromfázisú, féligvezérelt hálózati kommutációs hídkapcsolás rajza, π /3 << ω L/R Az áramirányító az energiaáramlás időszakaiban a váltakozóáramú oldal vonali feszültségeit kapcsolja a kimenetre egy-egy nem azonos fázishoz tartozó tirisz- 3 - 39 toron és diódán keresztül. Adott vezérlésnél a kimenő áram ciklikusan egy-egy szabadonfutó hurokban is záródhat Ekkor egy tirisztor és a vele azonos oszlopban lévő dióda rövidre zárja a kimenetet, tehát nincsen energiaáramlás a váltakozó és egyenfeszültségű oldalak között. Mivel a kimenő áram folyamatos, a tirisztor és a dióda oldal kommutációi ugyanúgy függetlenül zajlanak le, mint a hasonló üzemállapotú teljesen vezérelt hídkapcsolásnál a két tirisztor oldalon. Ennek megfelelően alakulnak a sínfeszültségek is. A különbség mindössze annyi, hogy jelen esetben a

két oldal vezérlése aszimmetrikus A diódás oldalra az összehasonlítás kedvéért úgy is tekinthetünk, mintha ott α = 0 gyújtásszögű tirisztorokat alkalmaznánk. Egyszerűbben, a diódák mindig a legnegatívabb fázisfeszültséget kapcsolják az N jelű sínre A kimenő feszültség továbbra is a két sín potenciáljának különbsége, amely általában háromütemű jel A kimenő feszültség csak akkor hatütemű, ha a tirisztorok gyújtásszöge α = 0. A kimenő feszültség időfüggvénye a vezérléstől függően lehet folyamatos és szaggatott A folyamatos kimenő feszültségű tartományhoz tartozó időfüggvények a 3.32a ábrán láthatók Az görbék alapján belátható, hogy ehhez az üzemmódhoz a 0 < α < π/3 vezérlési tartomány tartozik. Itt mindig egy-egy nem azonos fázishoz tartozó tirisztoron és diódán keresztül záródik az áramkör A szaggatott kimenő feszültségű tartományhoz tartozó időfüggvények a 3.32b ábrán

láthatók Az görbék alapján belátható, hogy ehhez az üzemmódhoz a π/3 < α < π vezérlési tartomány tartozik. Itt egy ütemen belül van olyan szakasz, amikor szintén egy-egy nem azonos fázishoz tartozó tirisztoron és diódán keresztül záródik az áramkör, illetve van olyan szakasz, amikor a kimenetet rövidre zárja egy azonos oszlopban lévő tirisztor és dióda. Ezekben a szakaszokban a két sínfeszültség átfedi egymást. A kimenő feszültség középértékét a két sínfeszültség középértékének különbségével célszerű felírni. Teljesen vezérelt hídkapcsolásnál a sínfeszültség középértékek a (355, 56) -ból: U cos α . (3.78) U P = − U N = d = U do ⋅ 2 2 A féligvezérelt hídkapcsolásnál UP változatlan, de UN -nél α = 0 helyettesítéssel kell számolni. Ezt figyelembe véve a kimenő feszültség középértéke: U d = U P − U N = U do ⋅ ahol Udo a (3.56) szerinti érték 3 - 40 1 + cosα , 2 (3.79) α

α uP ua ua ub uc uN ud uba ud uac uac id iD3 iD1 ωt ωt ia= iT1-iD1 uab iT3 iD2 iT2 iT1 iD3 iD1 ωt ωt ωt ia= iT1-iD1 uac uac uT1 uT1 ωt iDo ωt iT2 iT1 iD2 Ub α’ id u R + Ub uL ωt α’ iT3 ωt uN uL Ub uab uc uP ωt ucb u R + Ub ub tkim ω ωt ωt uab (a) (b) 3.32 ábra Soros R + L + U b (2 π /3<< ω L/R) terhelésű, háromfázisú, féligvezérelt hálózati kommutációs hídkapcsolás időfüggvényei: (a) 0 < α < π /3, (b) π /3 < α < π vezérlési tartomány Láthatjuk, hogy a 0 < α < π vezérlési tartományban ideális esetben a kimenő feszültség Udo -tól nulláig változtatható. A valóságban az α nem közelítheti meg a π felső határt mivel akkor a 3.32b ábrán láthatóan a tirisztorok kíméleti ideje nullára csök- 3 - 41 kenne. Túl kicsi kíméleti idő esetén itt is billenés következhet be (inverter üzemű billenésről itt nem beszélhetünk), amikor is a

tirisztorok közül csak egy vezet, megszakítás nélkül és az egyenfeszültség emiatt hirtelen megnő. A billenés elkerülésére, a leggyakrabban alkalmazott megoldás az ún. Do nulladióda beépítése (lásd szaggatott vonallal a 3.31 ábrán) A nulladióda jól söntöli a szabadon futó tirisztor-dióda oszlopot, mivel a két félvezető küszöbfeszültségei összeadódnak és általában már ez az érték is nagyobb, mint a dióda teljes feszültségesése. A billenés veszélye ezzel megszűnik, mert a korábban vezető tirisztornak van ideje visszanyerni a nyitó irányú záróképességét. Az 332b ábrában a nulladióda által átvett áramterületeket satírozás jelöli 3.4 EGYFÁZISÚ, HÍDKAPCSOLÁSÚ DIÓDÁS EGYENIRÁNYÍTÓ KIMENŐ FESZÜLTSÉG SZŰRÉSSEL A diódás egyenirányítókat többnyire a hálózati táplálású összetett teljesítményelektronikai berendezések táplálási oldalán alkalmazzák egyenfeszültség előállítására. A

vezéreletlen kapcsolások közül csak a 3.33a ábrán látható egyfázisú diódás hídkapcsolást vizsgáljuk kondenzátoros kimenő feszültség szűréssel Mivel egy diódás egyenirányító célja általában valamely berendezés számára egy viszonylag sima egyenfeszültség előállítása, a kimenő oldalra egy megfelelően nagy értékű C d szűrő kapacitás csatlakozik. Az u s feszültségforrás és az L s induktivitás az áramirányító váltakozóáramú oldalának helyettesítő elemei A vizsgálat során tételezzük fel, hogy C d olyan nagy, hogy az u d kimenő feszültség pillanatértéke állandó. Másrészt, a kondenzátor az egyenirányító i D kimenő áramának váltakozó összetevőire nézve rövidzárnak tekinthető, tehát az i D összes váltakozóáramú komponense a kondenzátoron, és egyenáramú összetevője a terhelésen folyik át. Mivel állandósult esetben Ic = 0, id = Id = ID + Ic = I D , (3.80) tehát a terhelés áramának

pillanat- vagy középértéke megegyezik az egyenirányító kimenő áramainak középértékével. Az i D váltakozó összetevője a kondenzátor áramának pillanatértéke: (3.81) ic = iD - I D . Szaggatott egyenirányító áramnál, amely általában a leggyakoribb üzemmód, az u s tápfeszültség nulla átmenetek az egyenirányító árammentes szakaszaira esnek (3.33a ábra időfüggvényei) A diódák feszültségei az egyfázisú vezérelt hídkapcsoláshoz hasonlóan határozhatók meg Amennyiben egyetlen dióda sem vezet, a diódákat most is egy-egy nagy impedanciával-, illetve az induktivitást rövidzárral helyettesíthetjük. A kimenetre csatlakozó kondenzátort feszültségforrásnak kell tekin- 3 - 42 teni. Ebben az esetben alkalmazható a 33 ábrán látható helyettesítési kapcsolás, ahol az ott található Ub kimenő oldali forrás helyén most a kondenzátor Ud feszültsége szerepel. Szimmetrikus diódákat feltételezve diódák feszültségére a

két forrás hatásaként a (32)-vel analóg összefüggéseket kapunk: u D1 = uD4 = us/2 – Ud /2, (3.82) u D2 = uD3 = -us/2 – Ud /2. A fentiek szerint, amint az us tápfeszültség pillanatértéke nagyobbá válik az Ud kimenő feszültségnél, a D1 és D4 diódák vezetni kezdenek. A D2 és D3 diódákra ugyanez negatív tápfeszültséggel igaz. A kialakuló áramhurok áramát a továbbiakban a megszakadásáig a külső körülmények határozzák meg. iD is D1 D2 us id ic uL ud is ud Ls us ωt αo Cd αk D3 (a) D4 -ud Terhelés uL’= ±uL us’=¦ us¦ iD =¦ is¦ id ic Ls ud us’=¦ us¦ iD ωt Cd (b) uL’ ud αo Terhelés αk ic id =Id 3.33 ábra Egyfázisú hídkapcsolású diódás egyenirányító kapcsolási rajza és időfüggvényei szaggatott vezetésnél, kondenzátoros kimenő feszültség szűréssel: (a) eredeti, (b) helyettesítés A 3.33a ábrán látható időfüggvények szerint vezessük be az áramimpulzusok

kezdetéhez és végéhez tartozó αo és αk szögeket A D1 és D4 diódák vezetésével kialakuló első áramhullámra vonatkozó differenciálegyenlet a vezetés időtartama alatt: di (3.83) u s = U d + Ls D . dt Az összefüggésnek megfelelően az ábrában az uL = Ldi d /dt mint az us és Ud görbék közötti különbség látható. Az u L nagysága minden pillanatban arányos az i D mere3 - 43 dekségével. Egy αo -tól αk -ig tartó áramhullámnál az i D akkor éri el a kezdeti értékét, ha az induktivitás pozitív és negatív feszültségterületei azonosak A második ütemben, us negatív hullámában, a D2 és D3 diódák ellentétes polaritással kapcsolják össze a kimenetet a bemenő oldallal. Mivel ekkor u s is az előző félperiódus inverze, a bemenő oldali áram és feszültség jelek is az előző félperiódus inverzei lesznek. A kimenő oldali jelek viszont az előző félperiódust ismétlik A kimenő oldalról nézve a kapcsolást a 3.33b

ábrán látható áramkörrel helyettesíthetjük Itt az áram megszakítást az egyetlen soros dióda is megfelelően modellezi A váltakozó irányú összekapcsolódás miatt a tápfeszültséget az us abszolút értékével kell helyettesíteni. Az eredeti és a helyettesítő kapcsolás tápoldali jelei 3.33b ábra időfüggvényei alapján ütemenként váltakozva megegyeznek az eredetivel, illetve annak inverzei Felhasználási szempontból lényeges, hogy a tápfeszültség Us effektív értéke és az L s induktivitás meghatározza az egyenirányító Ud (Id ) kapcsolatát megadó külső jelleggörbéjét. Adott Ud kimenő feszültségből kiindulva az Id a következő lépésekkel határozható meg (az első i D áramhullám összefüggései alapján): Az áramhullám αo indulási szöge:  U α o = arcsin d  2U s   .   (3.84) A (3.83) differenciálegyenlet alapján az L s-re jutó feszültség időfüggvénye: uL = L di D = 2U s sin (ωt ) −

U d , dt (3.85) amelyből az i D-re felírható integrálegyenlet: i D (ωt ) = ωt 2U s 1 [cos(α o ) − cos(ωt )]+ U d (α o − ωt ). u L dωt = ωLs α ωLs ωLs ∫ (3.86) o Az i D(ω t =αk ) = 0 peremfeltétel figyelembe vételével az 2U S [cos(α o ) − cos(α k )] = U d (α k − α o ) , (3.87) iterációs formulát kapjuk az αk kialvási szög meghatározására. A vezetés határainak ismeretében az i D középértéke amely megegyezik a terhelés áramának a középértékével is: αk 1 ID = Id = i D (ωt )dωt = πα ∫ o 3 - 44 2 2U s U d (α k − α o ) [cos(α o )(α k − α o ) + sin (α o ) − sin (α k )] − . = ωL s π ωL s π 2 (3.88) Adott Us tápfeszültséghez tartozó külső jelleggörbe minőségi képe az L sId függvényében a 3.34 ábrán látható Ud 2Us Szaggatott egyenirányító áram Folytosnos egyenirányító áram Ls I d 3.34 ábra Egyfázisú hídkapcsolású diódás egyenirányító külső

jelleggörbéje, kondenzátoros kimenő feszültség szűrés esetén (U s = áll.) Az ábrában a folyamatos vezetéshez tartozó jelleggörbe szakaszt is ábrázoltuk, amely illeszkedik a másik görbeszakaszhoz. A jelleggörbét számítógépes szimulációval célszerű meghatározni A gyakorlatban számítógépes segítség nélkül esetleg a szélső munkapontok meghatározása is elegendő információval szolgálhat. A ud kimenő feszültségnek az Ud középértéke körüli kis hullámzását feltételezve meghatározható u d tényleges változása. A 334b ábrán bejelöltük a kondenzátor áramának i c = i D - I D nagyságú metszékét Az i c ismeretében felírható a kimenő feszültség változására vonatkozó differenciálegyenlet: Cd du d = ic = i D − I D . dt (3.89) Mivel i D időfüggvényére vonatkozó (3.86) összefüggés túlságosan bonyolult, az ud középérték körüli változásának felrajzolása kézi módszerrel csak minőségileg

lehetséges. A 333b ábra szerinti i c időfüggvény alapján, a (389) differenciális kapcsolat figyelembe vételével az u d változását a 3.35 ábra mutatja Általában minőségi jellemző a kimenő feszültség Δu ki csúcstól-csúcsig megváltozása (vagy annak viszonylagos értéke). A (389) összefüggésnek pl a pozitív i c áramterületre elvégzett integrálja megadja Δu ki értékét. Amennyiben az i c pozitív (vagy negatív) pulzusának területét ΔQ -val jelöljük, az integrálás eredményeként a ∆ u ki = 1 ∆Q . Cd (3.90) összefüggést kapjuk. Mivel i c középértéke nulla, a pozitív és negatív ΔQ területek megegyeznek. 3 - 45 ∆Q ic t ud Ud ∆ ud t 3.35 ábra Egyfázisú hídkapcsolású diódás egyenirányító kimenő feszültség hullámzása szaggatott vezetésnél, kondenzátoros kimenő feszültség szűrés esetén A szaggatott i D vezetéshez képest az L s és/vagy a terhelő áram növelésével eljuthatunk egy olyan

szélsőséges állapotig, amikor i s már folyamatos váltakozó áram, és a diódák váltását csak az i s áram irányváltása diktálja. Egy ilyen állapot számítógépes szimulációval kapott időfüggvényeit követhetjük nyomon a 3.36 ábrában Az i D áramra továbbra is igaz, hogy i D = | i s | Az induktivitásra jutó feszültség a D1 és D4 vezetése során us − u d , illetve a D2 és D3 vezetése során us + u d Mivel ez az üzemmód általában nem a normális működést jellemzi, az analitikus vizsgálatot mellőzzük. uL us iD ud ωt is ωt 3.36 ábra Egyfázisú hídkapcsolású diódás egyenirányító időfüggvényei folyamatos vezetésnél, kondenzátoros kimenő feszültség szűrés esetén 3 - 46