Elektronische vermogensschakelaar: de thyristor, hoe werkt deze?

Om hoge elektrische vermogens te schakelen wordt gebruik gemaakt van een elektronische “schakelaar”: de thyristor. Deze pagina geeft meer informatie over wat een thyristor is en hoe deze werkt.

wat is een thyristor?
hoe werkt een thyristor?
wat zijn de voor- en nadelen van een thyristor?
wat voor aanstuurmethodes zijn er voor een thyristor?
hoe koppel ik een procesregeling aan een thyristor?

Wat is een thyristor?

In het kort: een aanstuurbare diode:

Een diode laat stroom alleen in 1 richting door, van de + zijde (anode) naar de – zijde (kathode). Als de polariteit van de spanning op de diode wordt omgekeerd, spert de diode de stroom.
We hebben ook zogenaamde thyristoren, dat zijn stuurbare diodes waarmee hoge stromen ingeschakeld kunnen worden.
In doorlaatrichting kan middels een extra stuursignaal (de zogenaamde gate) worden bepaald op welk tijdsmoment binnen de positieve zijde van de sinusvormige netspanning de stuurbare diode in geleiding moet komen, pas nadat dit stuursignal wordt getriggerd gaat de stroom door de stuurbare diode lopen.
Als daarna de polariteit van de spanning omkeert omdat de sinusvormige netspanning negatief wordt, blokkeert de stuurbare diode automatisch de stroom.

Zo’n stuurbare diode noemen we een thyristor.

Een andere benaming is “silicon controlled rectifier” oftewel SCR. Een diode kan namelijk gebruikt worden als gelijkrichter (de stroom kan er alleen in 1 richting door). Maar omdat de diode bij een thyristor aanstuurbaar is, noemen ze de thyristor ook een regelbare gelijkrichter: een controlled rectifier.

Aanstuurprincipe thyristor

Hier is een filmpje dat het werkingsprincipe van de stuurbare diode (=thyristor), verduidelijkt. In beide voorbeelden wordt gebruik gemaakt van zogenaamde faseaansnijding/phase-angle control.

Door het aanstuursignaal naar de gate van de thyristor te moduleren t.o.v. de tijd in de sinus kan de hoeveelheid stroom door de lamp worden geregeld.

Bron: wikipedia – thyristor
Blauw: open-signaal
Rood: geschakelde spanning

Bron: youtube kanaal: Engineering Technology Simulation Learning Videos

De hele sinus schakelen (ook de negatieve spanning)

Nadeel van slechts 1 schakelende thyristor is dat nu alleen het positieve deel van de sinusvormige netspanning geschakeld kan worden
om ook het negatieve deel van de sinus van de netspanning te kunnen schakelen worden 2 thyristoren antiparallel geschakeld, met de doorlaatrichtingen omgekeerd aan elkaar gekoppeld.
De doorlaatzijde van de ene thyristor (van anode naar kathode) is dus parallel geschakeld aan de sperzijde van de andere thyristor. Dus de anode van de ene thyristor is gekoppeld aan de kathode van de andere parallel geschakelde thyristor: we noemen deze manier van schakelen anti-parallel.
Het moment van inschakelen is voor beide diodes gelijk: dezelfde tijd na de nuldoorgang, hetzij in positieve richting, hetzij in negatieve richting, wordt het triggersignaal om de thyristor te openen geactiveerd.
bij een sinusvormige spanning waarvan de polariteit zowel positief als negatief wordt (het spanningsnet), staat er altijd 1 thyristor in geleiding en de andere thyristor bevindt zich dan in sperrichting.
Zo kan er altijd een stroom lopen door de aangesloten elektrische belasting, ongeacht de polariteit van de aangesloten spanning.

Een andere benaming voor 2 antiparallel gekoppelde thyristoren is de bidirectional controlled thyristor, oftewel BCT.

Voor- en nadelen van een thyristor

Zoals vaak heeft ieder voordeel een nadeel. Hieronder een overzicht:

Voordelen van een thyristor:

elektronische schakelaar zonder slijtage: zeer hoge bedrijfszekerheid en betrouwbaarheid (meer dan 100x de levensduur van een electromagnetisch relais)
stromen en vermogens naar elektrische verwarming kunnen nauwkeurig worden gemoduleerd in zeer kleine stappen
hoge energiedichtheid: hoge stromen schakelen in relatief compacte behuizing

Nadelen van een thyristor:

in sperrichting is altijd sprake van een zeer kleine lekstroom van enkele microamperes (uA), met een voltmeter is deze ook te meten op de sper-uitgang (kathode) van de thyristor. Daar deze stroom echter zeer klein is, levert deze geen vermogen (P=UxI, I is zeer klein dus P ook).
hogere aanschafkosten t.o.v. electromechanisch relais

Door de hoge bedrijfszekerheid en zeer lange levensduur zijn de extra kosten voor een thyristor t.o.v. een electromechanisch relais snel terugverdiend.

Moderne thyristorbehuizing

In het verleden moesten steeds 2 afzonderlijke losse thyristoren in koelblokken worden geschroefd en antiparallel worden geschakeld.
Tegenwoordig worden thyristoren ook geleverd in een complete behuizing waarin al 2 antiparallel geschakelde thryistoren zijn ondergebracht.
Deze modules zijn relatief eenvoudig op een koelblok monteerbaar wat compacte systemen met een hoge energiedichtheid oplevert. Dit bespaart ruimte en kosten.

Hierboven ziet U een geïntegreerde 6 kanaals thyristormodule. Deze worden veelvuldig gebruikt in de heat-treatment/warmtebehandeling industrie.
De module bestaat uit een koelblok met geforceerde koeling (2 ventilatoren)
Op het koelblok zijn 6 stuks antiparallel gechakelde thyristoren geïnstalleerd
Iedere afzonderlijke thyristor kan maximaal 136A / 480Vac schakelen.
Deze module is geschikt voor resistieve/ohmse belastingen.
De thyristoren zijn per kanaal afzonderlijk aanstuurbaar middels een 12-24Vdc signaal welke afkomstig is van een temperatuur regeling of PLC systeem.

Aanstuurmethodes

Door de triggering voor het openen van de thyristor op het juiste moment te doen binnen de netspanning sinus, kan de hoeveelheid vermogen naar de aangesloten last in kleine stapjes worden gedoseerd. Deze vorm van aansturing wordt ook wel faseaansnijding oftewel phase angle control genoemd.
Dit midden in de sinus schakelen middels faseaansnijding veroorzaakt helaas wel harmonischen.
Er kan ook worden gekozen om een bepaald aantal complete sinussen door te laten binnen een bepaalde tijdsduur en daarna een aantal sinussen niet door te laten (zogenaamd “burst firing“), het voordeel hiervan is dat er nagenoeg geen harmonischen worden veroorzaakt.
Er zijn natuurlijk ook andere aanstuurvormen die worden toegepast, maar de hierboven genoemde worden door ons in de meeste moderne applicaties gebruikt.

Faseaansnijding/phase-angle control

omdat de spanning ineens met een puls middenin de sinusvormige netspanning wordt ingeschakeld, gaat direct de stroom door het verwarmingselement lopen en dit veroorzaakt harmonischen van hogere frequenties dan 50Hz (of 60Hz) op de netspanning en blindstroom (powerfactor is ongelijk aan 1.0)
hierdoor wordt bekabeling warm en loopt er in de praktijk meer vermogen dan daadwerkelijk door het verwarmingselement.
ook kan deze (ver)storing andere apparatuur, en zelfs de thyristoraansturing zelf, verstoren.
in het plaatje rechts is in de rode grafiek zichtbaar wat de verstoring met de spanning doet die op de last wordt geschakeld
stromen gaan onnodig op en neer lopen door de last en de thyristor.
Dit levert ook extra hitte in de bekabeling (door skineffect: hogere frequenties lopen aan buitenkant kabel) en thyristor op.

Voordelen:

zeer fijne dosering van het vermogen naar de belasting
naast ohmse resistieve belastingen ook geschikt voor non-lineaire belastingen:
- inductief (primaire zijde transformator)
- MoSi2/Kanthal-Super
- SiC (siliciumcarbide)
- gloeilampen (IR/UV)
gemiddelde stroom naar verwarmingselement/op bekabeling is lager dan maximum (als niet de hele sinus wordt opengestuurd)

Nadelen:

veroorzaakt harmonischen en blindstroom (powerfactor ongelijk aan 1.0) op het spanningsnet: filtering noodzakelijk (kan met transformator en/of condensatorbatterij)

Nuldoorgang schakelen/zero-crossing of burst-firing aansturing (een aantal hele sinussen doorlaten)

Om een goed alternatief te bieden t.o.v. faseaansnijding/phase-angle control zijn diverse andere aanstuurmethodes ontwikkeld, waaronder:

nuldoorgang schakeling/zero-cross: de sinus wordt altijd geschakeld net nadat deze door de nuldoorgang is gegaan, dus bij nagenoeg 0 Vac
burst-firing: is vergelijkbaar met nuldoorgang-schakeling/zero-crossing (ook alleen schakelen in nuldoorgang), alleen worden nu een bepaald aantal sinussen doorgelaten, het aantal is afhankelijk van het gewenste vermogen door de last

Let wel: ook bij deze aanstuurmethode wordt gebruik gemaakt van fase-aansnijding/phase-angle control (op een andere manier is een thyristor namelijk niet aan te sturen)
het moment van schakelen gebeurt echter altijd net na de nuldoorgang van de sinus, zodat op het moment van schakelen de spanning over de thyristor zeer laag is (en de stroom dus ook).
hierdoor ontstaat er nagenoeg geen (ver)storing
wel is meteen de hele sinus opengestuurd en de stroom door het verwarmingselement maximaal!!!
Met deze methode van aansturing is alleen modulatie mogelijk d.m.v. het wel/niet schakelen van hele sinussen over een bepaalde tijdsduur.

Voordelen:

nagenoeg geen harmonischen op het spanningsnet: geen filtering noodzakelijk

Nadelen:

maximum stroom loopt altijd door belasting en bekabeling moet daarvoor zijn uitgelegd
door schokvormige aansturing minder geschikt voor non-lineaire belastingen:
- inductieve lasten: erg hoge inschakelstroom (transformator)
- keramische verwarmingselementen: SiC/siliciumcarbide staven breken sneller

Eenvoudige integratie van thyristoren in proces automatisering middels thyristor units

Om Uw procesbesturing te koppelen met thyristoren zijn compleet geïntegreerde thyristor units ontwikkeld.
Thyristor units zijn aan te sturen met een analoog signaal (4-20mA/0-10Vdc) wat overeenkomt met het gewenste vermogen.
Er zijn versies beschikbaar welke via veldbus interfaces (bijvoorbeeld ProfiNET/DeviceNET/Modbus) kunnen worden aangestuurd voor eenvoudige integratie met SCADA/PLC systemen.
Er zijn versies beschikbaar waarmee de maximale stroom, spanning en/of het vermogen naar het verwarmingselement begrensd kan worden zodat de zekeringen niet per ongeluk doorbranden en de levensduur van verwarmingselementen wordt verlengd.