MIKROPROCESOROWY STEROWNIK TYRYSTOROWY

DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.95.0008

__________________________________________

* Politechnika Poznańska

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 urządze- nia.

SŁOWA KLUCZOWE: sterownik tyrystorowy, układ mikroprocesorowy, sterowanie fazowe, sterowanie grupowe.

1. WSTĘP

Regulacja mocy urządzeń elektrycznych, skrócenie czasów załączania, po- wodują, że w układach zasilających o częstotliwości zwłaszcza sieciowej zacho- dzi potrzeba stosowania elementów półprzewodnikowych umożliwiających pre- cyzyjniejsze dostarczanie energii. Takimi przyrządami pozwalającymi na załą- czanie i wyłączanie odbiorników o dużych mocach znamionowych, przy względnie niskich stratach własnych, są tyrystory. Tyrystor jest łącznikiem jed- nokierunkowym i jego stosowanie w obwodach prądu przemiennego wymaga połączenia dwóch tyrystorów w układzie odwrotnie równoległym lub zmodyfi- kowanych struktur stanowiących nowe przyrządy dwukierunkowe, jakimi są np.

triaki. Oprócz klasycznych łączników prądu przemiennego pozwalających do- zować energię elektryczną w sposób ciągły przyrządy te stosowane są w pro- stownikach sterowanych i falownikach (przemiennikach częstotliwości).

Celem artykułu jest opisanie działania urządzenia pozwalającego w sposób uniwersalny sterować tyrystorem lub grupą tyrystorów w połączeniu z jednocze- snym załączaniem stycznika dużej mocy.

2. STEROWNIK PRĄDU PRZEMIENNEGO Z TYRYSTOREM

rami temperatury do dozowania energii elektrycznej urządzeń elektrotermicz- nych [1].

Rys. 1. Sterowanie grupą tyrystorów

Element sterowany, jakim są dwa tyrystory, jest regulatorem mocy dokony- wanej 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 synchroni- zowanymi z napięciem sieci zasilającej. Wyróżnia je możliwość sterowania:

‒ fazowo, tzn. z regulowanym opóźnieniem względem momentu przejścia na- pięcia sieci przez zero - polega to na powtarzalnym wprowadzaniu tyrysto- rów 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 okre- sów) 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 we- dług wewnętrznego zegara, generowaniu impulsu lub serii impulsów bramko- wych.

3. OPIS URZĄDZENIA

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 HD44780. Zastosowanie wyświetlacza umożliwia zbudowanie czytelnego „menu” i łatwą komunikację z użytkownikiem.

Zespół przycisków dołączony do wejść procesora pozwala na zmianę usta- wień i wybór programu sterującego.

Złącze programowania ISP umożliwia komunikację z procesorem, wprowa- dzanie 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 wyj- ściowy. Poprzez taką budowę na wyjściu transoptora otrzymujemy impuls - szpilkę - o bardzo krótkim czasie trwania dla każdego przejścia przez zero. Tran- soptory są szeroko stosowane w przemyśle, a ich niewątpliwą zaletą jest w prosty sposób rozdzielenia napięcia sieciowego od napięcia stałego 5VDC wykorzysty- wanego do zasilania elektroniki [2].

Człon wykonawczy sterowania tyrystorami został zbudowany w oparciu o optotriaki serii MOC3021. Optoizolacja zapewnia oddzielenie obwodów wyso- kiego napięcia przemiennego od obwodów prądu stałego. Obudowa optotriaków jest izolowana, dzięki czemu można wykorzystać jeden wspólny radiator. Zasto- sowany 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 sinu- soidy (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

3. 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

Działanie urządzenia polega na wykonywaniu przez mikrokontroler Atmega8 wybranego trybu pracy. Zmiany trybów pracy można dokonać za pomocą przy- cisków sterujących i wyświetlacza LCD.

W przypadku wykrycia na wejściu transoptora PC814 zera w sieci przemien- nej, 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 sy- gnału sieciowego, a także jest podstawą do wyznaczania kąta zapłonu tyrystora.

Moduł wykonawczy zbudowany w oparciu o układy MOC3021 łączy ste- rownik mikroprocesorowy z blokiem tyrystorów. Sterowanie takim modułem polega na podaniu stanu wysokiego na anodę diody wewnątrz optotriaka co po- woduje 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 szpil- kowe wywołują przerwanie na wejściu mikrokontrolera INT0 i INT1 [3]. Poja- wienie się impulsu wyznacza moment przejścia przez zero i synchronizację z siecią. Chcąc sterować mocą urządzeń załączamy tyrystor z pewnym opóźnie- niem. Czas zwłoki wynika z żądanej mocy na wyjściu. Gdybyśmy chcieli uzy- skać 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 żarów- ka. Uzyskujemy wówczas płynne zaświecanie żarówki, a w momencie wyłącze-

nia, jej płynne przygaszanie. Szybkość zapalania i gaszenia można ustalić pro- gramowo.

Rys. 6. Zasada sterownia poziomem mocy

5. WNIOSKI

Sterownik mikroprocesorowy poddano testom praktycznym podczas pracy przy napięciu sieciowym i obciążeniu rezystancyjnym. Wykorzystano dwa iden- tyczne tyrystory firmy UNITRA typ TR51 – 80 – 13 o parametrach [4]:

‒ UDRM = 1300 V – powtarzalne szczytowe napięcie przewodzenia,

‒ IT = 80 A – prąd przewodzenia,

‒ ITSM = 1260 A – niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia,

‒ I²t = 7,9 x 10³ A²s – parametr przeciążeniowy (całka Joule’a)

‒ IGT = 150 mA – prąd bramki przełączający,

‒ UGT = 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. Urzą- dzenie zasilane jest z transformatora separującego 1:1, a następie poprzez zestyk łącznika SW przyłączenie do sieci. Wyzwalanie tyrystorów i załączanie styczni- ka następuje z układu mikroprocesorowego. Rezystor R ma za zadanie ograni- czyć prąd sieciowy do wartości około 105A.

Rysu. 7. Badany układ praktyczny

Na rysunku 8 przedstawiono oscylogram z praktycznej próby. Symulacja po- legała 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 sku- teczna wartość prądu wynosiła około 102 A. Ponieważ znamionowa wartość prądu przewodzących tyrystorów TR51 – 80 – 13 wynosi 80 A dlatego równole- gle zostaje załączony stycznik SV7, który przejmuje przewodzie po czasie załą- czenia około 30 ms.

Połączenie układu półprzewodnikowego i stycznikowego zaowocowało zbu- dowaniem urządzenia, które umożliwia załączenie odbiornika w czasie kilku µs

przez układ tyrystorów, a następnie po upływie zwłoki załączania stycznika na przejęcie przez niego przewodzenia.

Rysunek 9 przedstawia pomiar czasu odpowiedzi tyrystorów na impuls wy- zwalający. Z oscylogramu widać, że czas w którym tyrystor zaczyna przewodzić wynosi 10µs. W roli urządzenia wyzwalającego zastosowano zewnętrzny przy- cisk 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

http://www.freewebs.com/eltermia/elektroen_lab/2cw.pdf.

[2] Raabe Z., Moduł wykonawczy dużej mocy na triakach, Elektronika dla wszystkich, październik 1997, str. 51–53.

[3] Kardaś M., Mikrokontrolery AVR Język C – podstawy programowania, Szczecin 2013.

[4] Katalog tyrystorów firmy UNITRA, Zakładowy Ośrodek Informacji Naukowej Technicznej i Ekonomicznej.

[5] Nota katalogowa stycznika SV7

http://www.oram.lodz.pl/www.stycznikiprozniowe.pl/new_www/images/Oferta/SV

%207.pdf.

THYRISTOR MICROPROCESSOR CONTROLLER

The article describes the principle of operation of the thyristor microprocessor con- troller. 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: 06.02.2018, revised: 12.03.2018)