MIKROPROCESOROWY STEROWNIK TYRYSTOROWY

Transkrypt

1 POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 95 Electrical Engineering 2018 DOI /j Karol NOWAK * MIKROPROCESOROWY STEROWNIK TYRYSTOROWY W artykule opisano zasadę działania mikroprocesorowego sterownika tyrystorów. Urządzenie umożliwia sterowanie fazowe, grupowe, a także detekcję zaniku napięcia zasilania. Układ oparty jest na mikroprocesorze Atmega8 wraz z detekcją zera PC814 i układem wykonawczym MOC3021. Opis zawiera praktyczne wykorzystanie urządzenia. SŁOWA KLUCZOWE: sterownik tyrystorowy, układ mikroprocesorowy, sterowanie fazowe, sterowanie grupowe. 1. WSTĘP Regulacja mocy urządzeń elektrycznych, skrócenie czasów załączania, powodują, że w układach zasilających o częstotliwości zwłaszcza sieciowej zachodzi potrzeba stosowania elementów półprzewodnikowych umożliwiających precyzyjniejsze dostarczanie energii. Takimi przyrządami pozwalającymi na załączanie i wyłączanie odbiorników o dużych mocach znamionowych, przy względnie niskich stratach własnych, są tyrystory. Tyrystor jest łącznikiem jednokierunkowym i jego stosowanie w obwodach prądu przemiennego wymaga połączenia dwóch tyrystorów w układzie odwrotnie równoległym lub zmodyfikowanych struktur stanowiących nowe przyrządy dwukierunkowe, jakimi są np. triaki. Oprócz klasycznych łączników prądu przemiennego pozwalających dozować energię elektryczną w sposób ciągły przyrządy te stosowane są w prostownikach sterowanych i falownikach (przemiennikach częstotliwości). Celem artykułu jest opisanie działania urządzenia pozwalającego w sposób uniwersalny sterować tyrystorem lub grupą tyrystorów w połączeniu z jednoczesnym załączaniem stycznika dużej mocy. 2. STEROWNIK PRĄDU PRZEMIENNEGO Z TYRYSTOREM Na rysunku 1 przedstawiono ideę układu sterownika prądu przemiennego wykorzystywanego, jako łącznik. Często, taki łącznik współpracuje z regulato- * Politechnika Poznańska

2 78 Karol Nowak rami temperatury do dozowania energii elektrycznej urządzeń elektrotermicznych [1]. Rys. 1. Sterowanie grupą tyrystorów Element sterowany, jakim są dwa tyrystory, jest regulatorem mocy dokonywanej poprzez zmianę skutecznych wartości napięcia i prądu przy stałej wartości napięcia zasilającego. Łączniki te charakteryzują się stanem przewodzenia i stanem zaporowym. Mogą być wyzwalane impulsami bramkowymi synchronizowanymi z napięciem sieci zasilającej. Wyróżnia je możliwość sterowania: fazowo, tzn. z regulowanym opóźnieniem względem momentu przejścia napięcia sieci przez zero - polega to na powtarzalnym wprowadzaniu tyrystorów w stan przewodzenia w każdej połówce przebiegu sinusoidalnego lub okresowego, grupowo, tzn. w zerze napięcia lecz z opuszczaniem okresów - polega to na tym, że w wybranym powtarzalnym interwale czasu (ustalona liczba okresów) tyrystor przewodzi przez zadaną liczbę połówek okresu sieci. Sterowanie fazowe pozwala regulować wartości skuteczne prądu i napięcia w każdym okresie, a sterowanie grupowe w wybranym interwale czasu. Każdy ze sposobów posiada pewne zalety i wady dostarczania energii do odbiornika. Powyższe sposoby wyzwalania tyrystorów: fazowe i grupowe powinny być synchronizowane napięciem sieci zasilającej. Układy wyzwalania są budowane na zasadzie generowania impulsów bramkowych. Sterowanie cyfrowe polega głównie na detekcji zera napięcia zasilającego i opóźnionym, odliczanym według wewnętrznego zegara, generowaniu impulsu lub serii impulsów bramkowych. 3. OPIS URZĄDZENIA Na rysunku 2 przedstawiono blokowy schemat urządzenia.

3 Mikroprocesorowy sterownik tyrystorowy 79 Rys. 2. Schemat blokowy mikroprocesorowego sterownika tyrystorowego Jednostką sterującą jest 8 bitowy mikroprocesor AVR Atmega8 firmy Atmel. Podstawowe parametry zastosowanego układu: częstotliwość pracy do 16MHz, 8kb pamięci FLASH, 3 liczniki timery (dwa 8-bitowe, jeden 16-bitowy), 3 kanały PWM, zasilanie z zakresu 2.7V-5.5V. Za zasilanie układu odpowiada przetwornica oparta o wydajny układ scalony A8498. Wydajność prądowa przetwornicy wynosi 1A przy tętnieniach napięcia rzędu 10-20mV. Konieczność zastosowania wydajnej przetwornicy związana jest z możliwością sterowania bramkowego kilku tyrystorów jednocześnie. Urządzenie zostało wyposażone w popularny alfanumeryczny wyświetlacz LCD oparty o sterownik HD Zastosowanie wyświetlacza umożliwia zbudowanie czytelnego menu i łatwą komunikację z użytkownikiem. Zespół przycisków dołączony do wejść procesora pozwala na zmianę ustawień i wybór programu sterującego. Złącze programowania ISP umożliwia komunikację z procesorem, wprowadzanie poprawek, a także zmianę oprogramowania na nowszą wersję. Sercem układu detekcji zera jest optoizolator PC814. W swojej strukturze posiada dwie diody LED połączone przeciw swobodnie oraz fototranzystor wyjściowy. Poprzez taką budowę na wyjściu transoptora otrzymujemy impuls - szpilkę - o bardzo krótkim czasie trwania dla każdego przejścia przez zero. Transoptory są szeroko stosowane w przemyśle, a ich niewątpliwą zaletą jest w prosty sposób rozdzielenia napięcia sieciowego od napięcia stałego 5VDC wykorzystywanego do zasilania elektroniki [2].

4 80 Karol Nowak Człon wykonawczy sterowania tyrystorami został zbudowany w oparciu o optotriaki serii MOC3021. Optoizolacja zapewnia oddzielenie obwodów wysokiego napięcia przemiennego od obwodów prądu stałego. Obudowa optotriaków jest izolowana, dzięki czemu można wykorzystać jeden wspólny radiator. Zastosowany optotriak nie posiada wbudowanej detekcji zera, czego efektem jest konieczność stosowania tzw.gasika, tj. układu tłumiącego w podstawowy sposób zakłócenia pojawiające się na wyjściu triaka podczas przełączania. Mikroprocesorowy sterownik tyrystorowy został wyposażony w następujące funkcje: załączenie odbiornika w dowolnej połówce sinusoidy, załączanie odbiornika na zadany odcinek czasu, załączenie odbiornika z zadanym opóźnieniem czasowym, załączanie odbiornika w parzystych / nieparzystych połówkach sinusoidy, załączenia odbiornika w wybranym powtarzalnym interwale czasu (ustalona liczba okresów) - tyrystor przewodzi przez zadaną liczbę połówek okresu sieci sterowanie grupowe, załączenie odbiornika w dowolnym momencie trwania wybranej półfali sinusoidy (regulowany kąt zapłonu tyrystora) sterowanie fazowe, płynne załączanie i wyłączanie odbiornika (soft start / stop), detektor zaniku napięcia zasilania sieciowego, załączanie urządzeń za pomocą dodatkowego triaka BT136 zamontowanego w urządzeniu. Na rysunku 3 przedstawiono rzeczywisty wygląd sterownika. Rys. 3. Prototypowa wersja sterownika

5 Mikroprocesorowy sterownik tyrystorowy ZASADA DZIAŁANIA Na rysunku 4 został przedstawiony schemat ideowy mikroprocesorowego sterownika tyrystorowego. Ze względu na czytelność został podzielony na bloki: procesor AVR Atmega8, wyświetlacz LCD, układ detekcji przejścia przez zero, układ sterowania tyrystorami, zespół klawiszy, złącze programowania ISP. Rys. 4. Schemat ideowy mikroprocesorowego sterownika tyrystorowego

6 82 Karol Nowak Działanie urządzenia polega na wykonywaniu przez mikrokontroler Atmega8 wybranego trybu pracy. Zmiany trybów pracy można dokonać za pomocą przycisków sterujących i wyświetlacza LCD. W przypadku wykrycia na wejściu transoptora PC814 zera w sieci przemiennej, wbudowany tranzystor generuje na swoim wyjściu impuls synchronizujący. Na rysunku 5 przedstawiono przykładowy oscylogram generowany na wyjściu transpotora w momentach przejścia sygnału przez zero. Rys. 5. Przykładowy oscylogram detekcji zera sieci Takie rozwiązanie pozwala na synchronizację sterowania z przebiegiem sygnału sieciowego, a także jest podstawą do wyznaczania kąta zapłonu tyrystora. Moduł wykonawczy zbudowany w oparciu o układy MOC3021 łączy sterownik mikroprocesorowy z blokiem tyrystorów. Sterowanie takim modułem polega na podaniu stanu wysokiego na anodę diody wewnątrz optotriaka co powoduje podanie impulsu na bramkę tyrystora. Ponieważ przejście sygnału przez zero powoduje wyłączenie tyrystora, impuls bramkowy musi być generowany w każdej połówce sygnału sieciowego. Rysunek 6 przedstawia wykresy sterowania poziomem mocy. Impulsy szpilkowe wywołują przerwanie na wejściu mikrokontrolera INT0 i INT1 [3]. Pojawienie się impulsu wyznacza moment przejścia przez zero i synchronizację z siecią. Chcąc sterować mocą urządzeń załączamy tyrystor z pewnym opóźnieniem. Czas zwłoki wynika z żądanej mocy na wyjściu. Gdybyśmy chcieli uzyskać moc na poziomie 80% wówczas tyrystor musi przewodzić przez 8ms. Aby uzyskać przewodzenie przez 8ms należy podać impuls bramkowy po upływie 2ms od momentu przejścia sygnału przez zero. Płynne zwiększanie kąta wysterowania w granicach od 0 do 180% oraz jego zmniejszanie od 180% do 0% jest wykorzystane w układzie SOFT start/stop. Efekt ten jest bardzo dobrze widoczny, gdy elementem odbiorczym jest żarówka. Uzyskujemy wówczas płynne zaświecanie żarówki, a w momencie wyłącze-

7 Mikroprocesorowy sterownik tyrystorowy 83 nia, jej płynne przygaszanie. Szybkość zapalania i gaszenia można ustalić programowo. Rys. 6. Zasada sterownia poziomem mocy 5. WNIOSKI Sterownik mikroprocesorowy poddano testom praktycznym podczas pracy przy napięciu sieciowym i obciążeniu rezystancyjnym. Wykorzystano dwa identyczne tyrystory firmy UNITRA typ TR o parametrach [4]:

8 84 Karol Nowak U DRM = 1300 V powtarzalne szczytowe napięcie przewodzenia, I T = 80 A prąd przewodzenia, I TSM = 1260 A niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia, I 2 t = 7,9 x 10 3 A 2 s parametr przeciążeniowy (całka Joule a) I GT = 150 ma prąd bramki przełączający, U GT = 3 V napięcie bramki przełączające. W roli stycznika zastosowano próżniowy stycznik niskiego napięcia SV7 o parametrach [5]: napięcie łączeniowe 690 V, częstotliwość 50 Hz, znamionowy prąd ciągły 250 A, prąd załączalny 2000 A, prąd wyłączalny 1600 A, napięcie sterowania 220 V DC. Rysunek 7 przedstawia blokową ideę zbudowanego układu testowego. Urządzenie zasilane jest z transformatora separującego 1:1, a następie poprzez zestyk łącznika SW przyłączenie do sieci. Wyzwalanie tyrystorów i załączanie stycznika następuje z układu mikroprocesorowego. Rezystor R ma za zadanie ograniczyć prąd sieciowy do wartości około 105A. Rysu. 7. Badany układ praktyczny Na rysunku 8 przedstawiono oscylogram z praktycznej próby. Symulacja polegała na załączeniu obwodu łącznikiem SW, a następnie wyzwoleniu grupy tyrystorów. Na oscylogramie zarejestrowano przebieg sygnału wyzwalania i odpowiedzi w postaci płynącego prądu. Z rysunku można odczytać, że skuteczna wartość prądu wynosiła około 102 A. Ponieważ znamionowa wartość prądu przewodzących tyrystorów TR wynosi 80 A dlatego równolegle zostaje załączony stycznik SV7, który przejmuje przewodzie po czasie załączenia około 30 ms. Połączenie układu półprzewodnikowego i stycznikowego zaowocowało zbudowaniem urządzenia, które umożliwia załączenie odbiornika w czasie kilku µs

9 Mikroprocesorowy sterownik tyrystorowy 85 przez układ tyrystorów, a następnie po upływie zwłoki załączania stycznika na przejęcie przez niego przewodzenia. Rysunek 9 przedstawia pomiar czasu odpowiedzi tyrystorów na impuls wyzwalający. Z oscylogramu widać, że czas w którym tyrystor zaczyna przewodzić wynosi 10µs. W roli urządzenia wyzwalającego zastosowano zewnętrzny przycisk NO dołączony do jednego z wejść mikroprocesora. Rys. 8. Oscylogram przebiegu sygnału wyzwalającego i odpowiedzi prądu przewodzenia Rys. 9. Oscylogram pomiaru czasu odpowiedzi na wyzwalanie LITERATURA [1] Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych [2] Raabe Z., Moduł wykonawczy dużej mocy na triakach, Elektronika dla wszystkich, październik 1997, str

10 86 Karol Nowak [3] Kardaś M., Mikrokontrolery AVR Język C podstawy programowania, Szczecin [4] Katalog tyrystorów firmy UNITRA, Zakładowy Ośrodek Informacji Naukowej Technicznej i Ekonomicznej. [5] Nota katalogowa stycznika SV7 %207.pdf. THYRISTOR MICROPROCESSOR CONTROLLER The article describes the principle of operation of the thyristor microprocessor controller. The device enables phase and group control, as well as detection of power supply decay. The system is based on the Atmega8 microprocessor with the PC814 and the MOC3021. The description includes the practical use of the device. (Received: , revised: )