Acționare electrică a tiristoarelor

În industrie, actuatoarele cu supape semiconductoare controlate - tiristoare - sunt utilizate pe scară largă. Tiristoarele sunt fabricate pentru curenți de până la sute de amperi, pentru tensiuni de până la 1000 de volți sau mai mult. Se disting prin eficiență ridicată, dimensiuni relativ mici, viteză mare și capacitatea de a lucra într-o gamă largă de temperaturi ambientale (de la -60 la +60 ° C).

Tiristorul nu este un dispozitiv complet controlabil, care este pornit prin aplicarea potențialului corespunzător electrodului de comandă și este oprit numai prin întreruperea forțată a circuitului de curent din cauza tensiunii de întrerupere, trecerea sa naturală prin zero sau alimentarea unei amortizari. tensiune de semn opus. Prin modificarea timpului de alimentare a tensiunii de control (întârzierea acesteia), puteți regla valoarea medie a tensiunii redresate și astfel viteza motorului.

Valoarea medie a tensiunii redresate în absența reglajului este determinată în principal de circuitul de comutare al convertorului tiristor. Circuitele traductoarelor sunt împărțite în două clase: zero-pull și bridged.

În instalațiile de putere medie și mare, se folosesc în principal circuitele convertoare în punte, care în principal din două motive:

• mai puțină tensiune pe fiecare tiristoare,

• absența unei componente de curent constant care curge prin înfășurările transformatorului.

Circuitele convertoare pot diferi și în ceea ce privește numărul de faze: de la una în instalațiile de putere redusă la 12 — 24 în convertoarele puternice.

Toate variantele de convertoare cu tiristoare împreună cu proprietăți pozitive, cum ar fi inerția scăzută, lipsa elementelor rotative, mai mici (comparativ cu convertoarele electromecanice) ca dimensiune, au o serie de dezavantaje:

1. Conexiune rigidă la rețea: toate fluctuațiile de tensiune din rețea sunt transmise direct sistemului de acționare și sarcina crește, axele motorului sunt imediat transferate în rețea și provoacă șocuri de curent.

2. Factor de putere scăzut la reglarea tensiunii în jos.

3. Generarea de armonici superioare, sarcină pe rețeaua electrică.

Caracteristicile mecanice ale unui motor acționat de un convertor cu tiristor sunt determinate de tensiunea aplicată armăturii și de natura modificării acesteia cu sarcina, adică de caracteristicile externe ale convertorului și de parametrii convertorului și ai motorului.

Dispozitivul și principiul de funcționare a tiristorului

Un tiristor (Fig. 1, a) este un semiconductor de siliciu cu patru straturi, cu două joncțiuni pn și o joncțiune n-p. Mărimea curentului Az care trece prin tiristor sub acțiunea tensiunii anodice Ua depinde de curentul Az în timpul controlului care trece prin electrodul de comandă sub acțiunea tensiunii de comandă Uy.

Dacă nu există curent de control (Azy = 0), atunci pe măsură ce tensiunea U crește, curentul A din circuitul utilizatorului P va crește, totuși, rămânând o valoare foarte mică (Fig. 1, b).

Orez. 1. Schema bloc (a), caracteristica curent-tensiune (b) și construcția (c) a tiristorului

În acest moment, joncțiunea n-p pornită în direcția neconductivă are o rezistență ridicată. La o anumită valoare Ua1 a tensiunii anodului, numită tensiune de deschidere, aprindere sau comutare, are loc o ruptură de avalanșă a stratului de blocare.Rezistența acestuia devine mică și puterea curentului crește până la o valoare determinată în conformitate cu legea lui Ohm de rezistența Rp. al utilizatorului P.

Pe măsură ce curentul Iу crește, tensiunea Ua scade. Curentul Iu, la care tensiunea Ua atinge cea mai mică valoare, se numește curent I cu corecție.

Tiristorul se închide la eliminarea tensiunii Ua sau la schimbarea semnului acestuia. Curentul nominal I al tiristorului este cea mai mare valoare medie a curentului care curge în direcția înainte care nu provoacă o supraîncălzire inacceptabilă.

Tensiunea nominală Un se numește tensiunea de amplitudine maximă admisă la care este asigurată fiabilitatea dată a dispozitivului.

Căderea de tensiune ΔNecreată de curentul nominal se numește cădere de tensiune nominală (de obicei ΔUn = 1 — 2 V).

Valoarea intensității curentului Ic a corecției fluctuează în limitele de 0,1 — 0,4 A la o tensiune Uc 6 — 8 V.

Tiristorul se deschide în mod fiabil cu o durată a impulsului de 20 - 30 μs. Intervalul dintre impulsuri nu trebuie să fie mai mic de 100 μs. Când tensiunea Ua scade la zero, tiristorul se oprește.

Designul extern al tiristorului este prezentat în fig.1, v... Structură cu patru straturi de siliciu pe bază de cupru 1 al șaisprezecelea 2 cu coadă filetată, cu putere negativă 3 și control a 4 ieșiri. Structura de siliciu este protejata de o carcasa metalica cilindrica 5. Izolatorul este fixat in carcasa 6. Un filet in baza 1 este folosit pentru a instala un tiristor si pentru a conecta sursa de tensiune anodica la polul pozitiv.

Pe măsură ce tensiunea Ua crește, curentul de control necesar pentru deschiderea tiristorului scade (vezi Fig. 1, b). Curentul de deschidere de comandă este proporțional cu tensiunea de deschidere de comandă uyo.

Dacă Uа se modifică conform legii sinusoidale (Fig. 2), atunci tensiunea necesară și deschiderea 0 pot fi reprezentate printr-o linie punctată. Dacă tensiunea de control aplicată Uy1 este constantă și valoarea acesteia este sub valoarea minimă a tensiunii uuo, atunci tiristorul nu se deschide.

Dacă tensiunea de control este crescută la valoarea Uy2, tiristorul se va deschide imediat ce tensiunea Uy2 devine mai mare decât tensiunea uyo. Prin modificarea valorii uу, puteți modifica unghiul de deschidere al tiristorului în intervalul de la 0 la 90°.

Orez. 2. Control tiristor

Pentru a deschide tiristorul la unghiuri de peste 90 °, se utilizează o tensiune de control variabilă uy, care se modifică, de exemplu, sinusoid. La o tensiune corespunzătoare intersecției undei sinusoidale a acestei tensiuni cu curba punctată uuo = f (ωt), tiristorul se deschide.

Deplasând sinusoidul uyo orizontal la dreapta sau la stânga, puteți modifica unghiul ωt0 de deschidere a tiristorului. Acest control al unghiului de deschidere se numește orizontal. Se realizează folosind comutatoare speciale de fază.

Deplasând aceeași undă sinusoidală vertical în sus sau în jos, puteți modifica și unghiul de deschidere. Un astfel de management se numește vertical. În acest caz, cu controlul tensiunii variabile tyy, adăugați o tensiune constantă algebric, de exemplu, tensiunea Uy1... Unghiul de deschidere este ajustat prin modificarea mărimii acestei tensiuni.

Odată deschis, tiristorul rămâne deschis până la sfârșitul semiciclului pozitiv și tensiunea de control nu îi afectează funcționarea. Acest lucru face, de asemenea, posibilă aplicarea controlului impulsurilor prin aplicarea periodică a impulsurilor de tensiune de control pozitiv la momentul potrivit (Fig. 2 de jos). Acest lucru crește claritatea controlului.

Prin modificarea unghiului de deschidere al tiristorului într-un fel sau altul, utilizatorului se pot aplica impulsuri de tensiune de diferite forme. Aceasta modifică valoarea tensiunii medii la bornele utilizatorului.

Pentru a controla tiristoarele sunt folosite diverse dispozitive. În schema prezentată în fig. 3, tensiunea de rețea de curent alternativ este aplicată înfășurării primare a transformatorului Tp1.

Orez. 3. Circuit de control tiristor

Un redresor cu undă completă B este inclus în circuitul secundar al acestui transformator.1, B2, B3, B4 cu o inductanță L semnificativă în circuitul DC. Curentul de val practic este practic eliminat. Dar un astfel de curent continuu poate fi obținut numai prin redresarea cu undă completă a unui curent alternativ având forma prezentată în Fig. 4, a.

Astfel, în acest caz, redresorul B1, B2, B3, B4 (vezi Fig. 3) este un convertor sub formă de curent alternativ. În această schemă, condensatoarele C1 și C2 alternează în serie cu impulsuri de curent dreptunghiulare (Fig. 4, a).În acest caz, pe plăcile condensatoarelor C1 și C2 (Fig. 4, b), se formează o tensiune transversală din dinte de ferăstrău, aplicată pe bazele tranzistoarelor T1 și T2 (vezi Fig. 3).

Această tensiune se numește tensiune de referință. Tensiunea de curent continuu Uy acţionează şi în circuitul principal al fiecărui tranzistor. Când tensiunea ferăstrăului este zero, tensiunea Uy creează potențiale pozitive la bazele ambelor tranzistoare. Fiecare tranzistor se deschide cu un curent de bază la un potențial de bază negativ.

Acest lucru se întâmplă atunci când valorile negative ale tensiunii de referință a ferăstrăului se dovedesc a fi mai mari decât Uy (Fig. 4, b). Această condiție este îndeplinită în funcție de valoarea lui Uy la diferite valori ale unghiului de fază. În acest caz, tranzistorul se deschide pentru diferite perioade de timp, în funcție de mărimea tensiunii Uy.

Orez. 4. Diagrame ale tensiunilor de control tiristoare

Când unul sau altul tranzistor se deschide, un impuls de curent dreptunghiular trece prin înfășurarea primară a transformatorului Tr2 sau Tr3 (vezi Fig. 3). Când marginea anterioară a acestui impuls trece, apare un impuls de tensiune în înfășurarea secundară, care este aplicat electrodului de control al tiristorului.

Când partea din spate a impulsului de curent trece prin înfășurarea secundară, apare un impuls de tensiune de polaritate opusă. Acest impuls este închis de o diodă semiconductoare care ocolește înfășurarea secundară și nu este aplicată tiristorului.

Când tiristoarele sunt controlate (vezi Fig. 3) cu două transformatoare, sunt generate două impulsuri, defazate cu 180 °.

Sisteme de control al motoarelor tiristoare

În sistemele de control cu ​​tiristoare pentru motoarele de curent continuu, o modificare a tensiunii de armătură de curent continuu a motorului este utilizată pentru a controla viteza acestuia. În aceste cazuri, se folosesc de obicei scheme de rectificare multifazică.

În fig. 5, iar cea mai simplă diagramă de acest fel este prezentată cu o linie continuă. În acest circuit, fiecare dintre tiristoarele T1, T2, T3 este conectat în serie cu înfășurarea secundară a transformatorului și cu armătura motorului; NS. etc. c. înfășurările secundare sunt defazate. Prin urmare, impulsurile de tensiune care sunt defazate unul față de celălalt sunt aplicate armăturii motorului atunci când se controlează unghiul de deschidere al tiristoarelor.

Orez. 5. Circuite de antrenare a tiristoarelor

Într-un circuit polifazat, prin armătura motorului pot trece curenți intermitenți și continui, în funcție de unghiul de aprindere selectat al tiristoarelor. O acționare electrică reversibilă (Fig. 5, a, întregul circuit) utilizează două seturi de tiristoare: T1, T2, T3 și T4, T5, T6.

Prin deschiderea tiristoarelor unui anumit grup, ele schimbă direcția curentului în armătura motorului electric și, în consecință, direcția de rotație a acestuia.

Inversarea motorului poate fi realizată și prin schimbarea direcției curentului în înfășurarea de câmp a motorului. O astfel de inversare este utilizată în cazurile în care nu este necesară o viteză mare deoarece înfășurarea de câmp are o inductanță foarte mare în comparație cu înfășurarea armăturii. O astfel de cursă inversă este adesea folosită pentru antrenările cu tiristoare ale mișcării principale a mașinilor de tăiat metal.

Al doilea set de tiristoare face posibilă, de asemenea, efectuarea unor moduri de frânare care necesită o schimbare a direcției curentului în armătura motorului electric.Tiristoarele din circuitele de acționare luate în considerare sunt utilizate pentru a porni și opri motorul, precum și pentru a limita curenții de pornire și frânare, eliminând necesitatea folosirii contactoarelor, precum și a reostatelor de pornire și frânare.

În circuitele de antrenare a tiristoarelor de curent continuu, transformatoarele de putere sunt nedorite. Ele măresc dimensiunea și costul instalației, așa că folosesc adesea circuitul prezentat în Fig. 5 B.

În acest circuit, aprinderea tiristorului este controlată de unitatea de comandă BU1. Este conectat la o rețea de curent trifazat, oferind astfel putere și potrivirea fazelor impulsurilor de control cu ​​tensiunea anodică a tiristoarelor.

Un dispozitiv de antrenare cu tiristoare utilizează de obicei feedback-ul turației motorului. În acest caz, se utilizează un tahogenerator T și un amplificator cu tranzistor intermediar UT. Feedback-ul prin e-mail este, de asemenea, utilizat. etc. c. motor electric, realizat prin acţiunea simultană a reacţiei negative asupra tensiunii şi reacţiei pozitive asupra curentului de armătură.

Pentru a regla curentul de excitație, se folosește un tiristor T7 cu o unitate de control BU2. La semicicluri negative ale tensiunii anodului, când tiristorul T7 nu trece curent, curentul din OVD continuă să curgă din cauza e. etc. c. autoinducție, închidere prin supapa de bypass B1.

Acționări electrice cu tiristoare cu control al lățimii impulsului

În acționările tiristoare considerate, motorul este alimentat de impulsuri de tensiune cu o frecvență de 50 Hz. Pentru a crește viteza de răspuns, se recomandă creșterea frecvenței pulsului.Acest lucru se realizează în acționările tiristoare cu control al lățimii impulsului, unde impulsurile DC dreptunghiulare de durată variabilă (latitudine) cu o frecvență de până la 2-5 kHz trec prin armătura motorului. Pe lângă răspunsul la viteză mare, un astfel de control oferă intervale mari de control al vitezei motorului și performanță energetică mai mare.

Cu controlul lățimii impulsului, motorul este alimentat de un redresor necontrolat, iar tiristorul conectat în serie cu armătura este periodic închis și deschis. În acest caz, impulsurile DC trec prin circuitul de armătură al motorului. O modificare a duratei (latitudinea) acestor impulsuri are ca rezultat o modificare a vitezei de rotație a motorului electric.

Deoarece în acest caz tiristorul funcționează la tensiune constantă, se folosesc circuite speciale pentru a-l închide. Una dintre cele mai simple scheme de control al lățimii impulsului este prezentată în Fig. 6.

Orez. 6. Acționare electrică cu tiristoare cu control al lățimii impulsului

În acest circuit, tiristorul Tr este oprit atunci când tiristorul de amortizare Tr este pornit. Când acest tiristor se deschide, condensatorul încărcat C se descarcă în regulator Dr1, creând un e. etc. c. În acest caz, la capetele bobinei apare o tensiune mai mare decât tensiunea U a redresorului și îndreptată spre aceasta.

Printr-un redresor și o diodă de șunt D1, această tensiune este aplicată tiristorului Tr și determină oprirea acestuia. Când tiristorul este oprit, condensatorul C este încărcat din nou la tensiunea de comutare Uc > U.

Datorită frecvenței crescute a impulsurilor de curent și a inerției armăturii motorului, natura impulsului sursei de alimentare nu se reflectă practic în netezimea rotației motorului. Tiristoarele Tr și Tr sunt deschise printr-un circuit special de defazare care permite modificarea lățimii impulsului.

Industria electrică produce diverse modificări ale unităților de putere DC cu tiristoare complet reglate. Printre acestea se numără unități cu intervale de control al vitezei 1:20; 1: 200; 1: 2000 prin schimbarea tensiunii, actionari ireversibile si reversibile, cu si fara franare electrica. Controlul se realizează cu ajutorul dispozitivelor de fază-impuls cu tranzistori. Unitățile folosesc feedback negativ la turația motorului și e. contor etc. cu

Avantajele antrenărilor cu tiristoare sunt caracteristicile de înaltă energie, dimensiunile și greutatea reduse, absența oricăror mașini rotative, altele decât un motor electric, viteza mare și disponibilitatea constantă pentru lucru.Principalul dezavantaj al acționărilor cu tiristoare este costul lor încă ridicat, care depășește semnificativ costul unităților cu o mașină electrică și amplificatoare magnetice.

În prezent, există o tendință constantă către înlocuirea pe scară largă a unităților DC cu tiristoare unități de acţionare cu frecvenţă variabilă.