Тиристорно електрическо задвижване

В промишлеността задвижванията с контролирани полупроводникови клапани — тиристори — са широко използвани. Тиристорите се произвеждат за токове до стотици ампера, за напрежения до 1000 волта или повече. Те се отличават с висока ефективност, относително малък размер, висока скорост и способност да работят в широк диапазон от температури на околната среда (от -60 до +60 ° C).

Тиристорът не е напълно управляемо устройство, която се включва чрез прилагане на съответния потенциал към управляващия електрод, и се изключва само чрез принудително прекъсване на токовата верига поради прекъсване напрежение, естествения му преход през нула или захранване на демпфиращо напрежение противоположен знак. Променяйки момента на подаване на управляващото напрежение (неговото забавяне), можете да регулирате средната стойност на коригираното напрежение и по този начин скоростта на двигателя.

Средната стойност на коригираното напрежение при липса на регулиране се определя главно от превключващата верига на тиристорния преобразувател. Преобразувателните вериги са разделени на два класа: с нула изтегляне и настилка.

В инсталации със средна и висока мощност се използват предимно мостови преобразувателни схеми, които главно поради две причини:

• по -малко напрежение на всеки от тиристорите,

• липса на постоянен компонент ток, протичащ през намотките на трансформатора.

Преобразувателните вериги също могат да се различават по броя на фазите: от една в инсталациите ниска мощност до 12 — 24 в мощни преобразуватели.

Всички варианти на тиристорни преобразуватели заедно с положителни свойства, като ниска инерция, липса на въртящи се елементи, по -малки (в сравнение с електромеханичните конвертори) по размер, имат редица недостатъци:

1. Твърда връзка с мрежата: всички колебания на напрежението в мрежата се предават директно към задвижващата система и натоварването се увеличава осите на двигателя незабавно се прехвърлят към мрежата и причиняват токови удари.

2. Нисък коефициент на мощност при регулиране на напрежението надолу.

3. Генериране на по -високи хармоници, натоварване на захранващата мрежа.

Механични характеристики на двигател, задвижван от тиристор преобразувател, се определя от напрежението, приложено към котвата, и естеството на промяната му с натоварването, тоест външната характеристика преобразувател и параметрите на преобразувателя и двигателя.

Устройството и принципът на действие на тиристора

Тиристор (фиг. 1, а) е четирислоен силициев полупроводник с два pn-прехода и един н-p-преход. Величината на тока Азпреминаването през тиристора под действието на анодното напрежение Ua зависи от тока Азпри управлението, преминаващо през управляващия електрод под действието на управляващото напрежение Uy.

Ако няма управляващ ток (Азy = 0), след това с увеличаване на напрежението Uи тока Аз във веригата на потребителя P ще се увеличи, оставайки обаче много малка стойност (фиг. 1, б).

Ориз. 1. Блокова схема (а), характеристика на токово напрежение (б) и конструкция (в) на тиристора

По това време n-p преходът, включен в непроводящата посока, има високо съпротивление. При определена стойност Ua1 на напрежението на анода, наречено напрежение на отваряне, запалване или превключване, настъпва лавинен срив на блокиращия слой.Съпротивлението му става малко и силата на тока се увеличава до стойност, определена в съответствие със закона на Ом от съпротивлението Rp на потребителя P.

С увеличаване на тока Iу, напрежението Ua намалява. Токът Iу, при който напрежението Ua достига най -ниската стойност, се нарича ток Iс коригиране.

Тиристорът се затваря, когато напрежението Ua бъде премахнато или когато неговият знак се промени. Номиналният ток I на тиристора е най -голямата средна стойност на тока, протичащ в посока напред, което не причинява неприемливо прегряване.

Номинално напрежение Uн се нарича най -високото допустимо амплитудно напрежение, при което се осигурява дадената надеждност на устройството.

Спад на волтажа ΔUнсъздаден от номиналния ток се нарича номинален спад на напрежението (обикновено ΔUn = 1 — 2 Б).

Величината на силата на тока Ic на коригирането се колебае в границите 0,1 — 0,4 A при напрежение Uc 6 — 8 V.

Тиристорът надеждно се отваря с продължителност на импулса 20 — 30 μs. Интервалът между импулсите не трябва да бъде по -малък от 100 μs. Когато напрежението Ua спадне до нула, тиристорът се изключва.

Външният дизайн на тиристора е показан на фиг. 1, v… На медна основа 1 шестнадесета силиконова четирислойна структура 2 с резбова опашка, с отрицателна сила 3 и управление на 4 изхода. Силиконовата конструкция е защитена от цилиндричен метален корпус 5. Изолаторът е фиксиран в корпуса 6. Резба в основата 1 използва се за инсталиране на тиристор и за свързване на източника на анодно напрежение към положителния полюс.

С увеличаване на напрежението Ua, управляващият ток, необходим за отваряне на тиристора, намалява (виж фиг. 1, б). Контролният ток на отваряне е пропорционален на управляващото напрежение на отваряне uyo.

Ако Uа промени според синусоидалния закон (фиг. 2), тогава необходимото напрежение и 0 отваряне могат да бъдат изобразени с пунктирана линия. Ако приложеното управляващо напрежение Uy1 постоянен и стойността му е под минималната стойност на напрежението uуо, тогава тиристорът не се отваря.

Ако управляващото напрежение се увеличи до стойността Uy2, тиристорът ще се отвори веднага щом напрежението Uy2 стане по -голямо от напрежението uyo. Променяйки стойността uу, можете да промените ъгъла на отваряне на тиристора в диапазона от 0 до 90О.

Ориз. 2. Тиристорно управление

За отваряне на тиристора под ъгли над 90 ° се използва променливо управляващо напрежение uy, което се променя например синусоидално. При напрежение, съответстващо на пресечната точка на синусоидата на това напрежение с пунктирана крива uуо = f (ωt), Tиристорът се отваря.

Чрез преместване на синусоидата uyo хоризонтално надясно или наляво, можете да промените ъгъла ωt0 отваряне на тиристора. Този контрол на ъгъла на отваряне се нарича хоризонтален. Извършва се с помощта на специални превключватели на фази.

Чрез преместване на същата синусоида вертикално нагоре или надолу, можете също да промените ъгъла на отваряне. Такова управление се нарича вертикално. В този случай с управление на променливо напрежение тиy добавете постоянно напрежение алгебрично, например напрежението Uy1… Ъгълът на отваряне се регулира чрез промяна на величината на това напрежение.

След отваряне тиристорът остава отворен до края на положителния полупериод и управляващото напрежение не влияе върху работата му. Това също така прави възможно прилагането на импулсно управление, като периодично се подават положителни импулси на управляващо напрежение в точното време (фиг. 2 на дъното). Това увеличава яснотата на контрола.

Чрез промяна на ъгъла на отваряне на тиристора по един или друг начин, към потребителя могат да се приложат импулси на напрежение с различна форма. Това променя стойността на средното напрежение на клемите на потребителя.

За управление на тиристори се използват различни устройства. В схемата, показана на фиг. 3, променливотоковото мрежово напрежение се прилага към първичната намотка на трансформатора Tp1.

Ориз. 3. Верига за управление на тиристор

Пълно вълнов токоизправител В е включен във вторичната верига на този трансформатор.1, В2, В3, B4 със значителна индуктивност L в DC веригата. Практическият ток на вълната е практически елиминиран. Но такъв постоянен ток може да се получи само чрез пълно вълново коригиране на променлив ток, имащ формата, показана на фиг. 4, а.

По този начин в този случай токоизправителят В1, В2, ВЗ, В4 (виж фиг. 3) е преобразувател под формата на променлив ток. При тази схема кондензаторите C1 и C2 се редуват последователно с правоъгълни токови импулси (фиг. 4, а). В този случай върху плочите на кондензаторите С1 и С2 (фиг. 4, б) се формира напречно трионно напрежение, приложено към основите на транзисторите Т1 и Т2 (виж фиг. 3).

Това напрежение се нарича еталонно напрежение. DC напрежението Uy също действа в основната верига на всеки транзистор. Когато напрежението на трион е нула, напрежението Uy създава положителни потенциали в основите на двата транзистора. Всеки транзистор се отваря с базов ток при отрицателен базов потенциал.

Това се случва, когато отрицателните стойности на референтното напрежение на трион се окажат по -големи от Uy (фиг. 4, б). Това условие е изпълнено в зависимост от стойността на Uy при различни стойности на фазовия ъгъл. В този случай транзисторът се отваря за различни периоди от време, в зависимост от величината на напрежението Uy.

Ориз. 4. Диаграми на управляващите напрежения на тиристора

Когато един или другият транзистор се отвори, правоъгълен токов импулс преминава през първичната намотка на трансформатора Tr2 или Tr3 (виж фиг. 3). Когато предният ръб на този импулс премине, във вторичната намотка възниква импулс на напрежение, който се прилага към управляващия електрод на тиристора.

Когато задната част на токовия импулс преминава през вторичната намотка, възниква импулс на напрежение с противоположна полярност. Този импулс се затваря от полупроводников диод, който заобикаля вторичната намотка и не се прилага към тиристора.

Когато тиристорите се управляват (виж фиг. 3) с два трансформатора, се генерират два импулса, фазово изместени на 180 °.

Системи за управление на тиристорни двигатели

В тиристорните системи за управление на DC двигатели се използва промяна в постояннотоковото напрежение на котвата на двигателя за контрол на скоростта му. В тези случаи обикновено се използват многофазни схеми за коригиране.

На фиг. 5, а най -простата диаграма от този вид е показана с плътна линия. В тази верига всеки от тиристорите T1, T2, T3 е свързан последователно с вторичната намотка на трансформатора и котвата на електродвигателя; NS. и т.н. с. вторичните намотки са извън фаза. Следователно, импулси на напрежение, които са фазово изместени един спрямо друг, се прилагат към котвата на двигателя при управление на ъгъла на отваряне на тиристорите.

Ориз. 5. Тиристорни задвижващи вериги

В многофазна верига периодични и непрекъснати токове могат да преминават през котвата на двигателя, в зависимост от избрания ъгъл на запалване на тиристорите. Реверсивно електрическо задвижване (фиг. 5, а, цялата верига) използва два комплекта тиристори: T1, T2, T3 и T4, T5, T6.

Чрез отваряне на тиристорите от определена група те променят посоката на тока в котвата на електродвигателя и съответно посоката на неговото въртене.

Обръщането на двигателя може да се постигне и чрез промяна на посоката на тока в полевата намотка на електродвигателя. Такъв обратен ход се използва в случаите, когато не се изисква висока скорост, тъй като намотката за възбуждане има много висока индуктивност в сравнение с намотката на котвата. Такъв обратен ход често се използва за тиристорни задвижвания на основното движение на металорежещи машини.

Вторият комплект тиристори също дава възможност за извършване на спирачни режими, изискващи промяна в посоката на тока в котвата на електрическия мотор. Тиристорите в разглежданите задвижващи вериги се използват за включване и изключване на двигателя, както и за ограничаване на пусковия и спирачния ток, премахвайки необходимостта от използване на контактори, както и пускови и спирачни реостати.

В тиристорни задвижващи вериги с постоянен ток силовите трансформатори са нежелателни.Те увеличават размера и цената на инсталацията, така че често използват схемата, показана на фиг. 5 Б.

В тази верига запалването на тиристора се управлява от блока за управление BU1. Той е свързан към трифазна токова мрежа, като по този начин осигурява мощност и съответства на фазите на управляващите импулси с анодното напрежение на тиристорите.

При тиристорно задвижване обикновено се използва обратна връзка за скоростта на електродвигателя. В този случай се използват тахогенератор Т и междинен транзисторен усилвател UT. Използва се и обратна връзка по имейл. и т.н. с. електродвигател, осъществявано чрез едновременно действие на отрицателна обратна връзка по напрежение и положителна обратна връзка върху тока на котвата.

За регулиране на тока на възбуждане се използва тиристор T7 с контролен блок BU2. При отрицателни полупериоди на анодното напрежение, когато тиристорът T7 не пропуска ток, токът в OVD продължава да тече поради e. и т.н. с. самоиндукция, затваряща се през байпасния вентил В1.

Тиристорни електрически задвижвания с контрол на ширината на импулса

В разглежданите тиристорни задвижвания двигателят се захранва от импулси на напрежение с честота 50 Hz. За да се увеличи скоростта на реакция, препоръчително е да се увеличи честотата на импулсите. Това се постига в тиристорни задвижвания с управление по ширина на импулса, където правоъгълни DC импулси с различна продължителност (географска ширина) с честота до 2-5 kHz преминават през котвата на двигателя. В допълнение към високоскоростната реакция, такова управление осигурява големи диапазони на управление на скоростта на електродвигателя и по-високи енергийни характеристики.

С управление по ширина на импулса, двигателят се захранва от неконтролиран токоизправител, а тиристорът, свързан последователно с котвата, периодично се затваря и отваря. В този случай DC импулсите преминават през веригата на котвата на двигателя. Промяната в продължителността (географската ширина) на тези импулси води до промяна в скоростта на въртене на електродвигателя.

Тъй като в този случай тиристорът работи при постоянно напрежение, се използват специални вериги за затварянето му. Една от най-простите схеми за управление на ширината на импулса е показана на фиг. 6.

Ориз. 6. Тиристорно електрическо задвижване с контрол на ширината на импулса

В тази схема тиристорът Tr се изключва, когато демпфиращият тиристор Tr е включен. Когато този тиристор се отвори, зареденият кондензатор С се разрежда до дросел Dr1, създавайки значителен e. и т.н. с. В този случай в краищата на дросела се появява напрежение, което е по -голямо от напрежението U на токоизправителя и насочено към него.

Чрез токоизправител и шунтиращ диод D1 това напрежение се подава към тиристора Tr и го кара да се изключи. Когато тиристорът е изключен, кондензаторът C се зарежда отново до превключващото напрежение Uc> U.

Поради повишената честота на токовите импулси и инерцията на котвата на двигателя, импулсният характер на захранването практически не се отразява в гладкостта на въртенето на двигателя. Тиристорите Tr и Tr се отварят чрез специална верига за фазово изместване, която позволява промяна на ширината на импулса.

Електрическата промишленост произвежда различни модификации на напълно регулирани тиристорни DC задвижвания с мощност. Сред тях има задвижвания с диапазони за контрол на скоростта 1:20; 1: 200; 1: 2000 чрез промяна на напрежението, необратими и реверсивни задвижвания, със и без електрическо спиране. Управлението се осъществява чрез транзисторни фазово-импулсни устройства. Задвижванията използват отрицателни обратни връзки по отношение на оборотите на двигателя и брояча на е. и т.н. с.

Предимствата на тиристорните задвижвания са високите енергийни характеристики, малките размери и тегло, отсъствието на каквито и да било въртящи се машини, различни от електродвигател, висока скорост и постоянна готовност за работа.Основният недостатък на тиристорните задвижвания е тяхната все още висока цена, която значително надвишава цената на задвижванията с електрическа машина и магнитни усилватели.

Понастоящем има постоянна тенденция за широко разпространена подмяна на тиристорни DC задвижвания с променливотокови задвижвания с променлива честота.