Tiristorski električni pogon

V industriji se pogosto uporabljajo pogoni s krmiljenimi polprevodniškimi ventili - tiristorji. Tiristorji so izdelani za tokove do sto amperov, za napetosti do 1000 voltov ali več. Odlikuje jih visoka učinkovitost, relativno majhna velikost, visoka hitrost in sposobnost delovanja v širokem razponu temperatur okolja (od -60 do +60 ° C).

Tiristor ni popolnoma krmiljena naprava, ki se vklopi z uporabo ustreznega potenciala na krmilni elektrodi in se izklopi le s prisilno prekinitvijo tokovnega tokokroga zaradi prekinitvene napetosti, njenega naravnega prehoda skozi nič ali napajanja dušenja napetost nasprotnega predznaka. S spreminjanjem časa napajanja krmilne napetosti (njene zakasnitve) lahko prilagodite povprečno vrednost popravljene napetosti in s tem hitrost motorja.

Povprečno vrednost popravljene napetosti v odsotnosti regulacije v glavnem določa preklopno vezje tiristorskega pretvornika. Pretvorniška vezja so razdeljena v dva razreda: ničelna in premoščena.

V inštalacijah srednje in velike moči se uporabljajo predvsem mostična pretvorniška vezja, predvsem iz dveh razlogov:

• manjša napetost na vsakem od tiristorjev,

• odsotnost konstantne komponente toka, ki teče skozi navitja transformatorja.

Pretvorniška vezja se lahko razlikujejo tudi po številu faz: od ene v napravah z nizko porabo energije do 12-24 v močnih pretvornikih.

Vse različice tiristorskih pretvornikov skupaj s pozitivnimi lastnostmi, kot so nizka vztrajnost, pomanjkanje vrtljivih elementov, manjše (v primerjavi z elektromehanskimi pretvorniki) velikosti, imajo številne pomanjkljivosti:

1. Trda povezava z omrežjem: vsa nihanja napetosti v omrežju se prenašajo neposredno na pogonski sistem in obremenitev se poveča, osi motorja se takoj prenesejo v omrežje in povzročajo tokovne sunke.

2. Nizek faktor moči pri prilagajanju napetosti navzdol.

3. Generiranje višjih harmonikov, obremenitev električnega omrežja.

Mehanske lastnosti motorja, ki ga poganja tiristorski pretvornik, so določene z napetostjo, ki se uporablja za armaturo, in naravo njene spremembe z obremenitvijo, to je zunanjimi značilnostmi pretvornika in parametri pretvornika in motorja.

Naprava in princip delovanja tiristorja

Tiristor (slika 1, a) je štirislojni silicijev polprevodnik z dvema pn-stikoma in enim n-p-stikom. Velikost toka Az, ki poteka skozi tiristor pod delovanjem anodne napetosti Ua, je odvisna od toka Az med krmiljenjem, ki poteka skozi krmilno elektrodo pod delovanjem krmilne napetosti Uy.

Če ni krmilnega toka (Azy = 0), se bo s povečanjem napetosti U tok A v tokokrogu uporabnika P povečal, vendar bo ostal zelo majhna vrednost (slika 1, b).

riž. 1. Blokovni diagram (a), tokovno-napetostna karakteristika (b) in konstrukcija (c) tiristorja

V tem času ima n-p spoj, vklopljen v neprevodni smeri, velik upor. Pri določeni vrednosti anodne napetosti Ua1, ki jo imenujemo odpiralna, vžigalna ali preklopna napetost, pride do plazovite razgradnje blokirne plasti.Njegova upornost postane majhna in jakost toka se poveča na vrednost, določeno v skladu z Ohmovim zakonom z uporom Rp uporabnika P.

Z naraščanjem toka Iу se napetost Ua zmanjšuje. Tok Iu, pri katerem napetost Ua doseže najnižjo vrednost, imenujemo tok I s popravkom.

Tiristor se zapre, ko se napetost Ua odstrani ali ko se spremeni njen znak. Nazivni tok I tiristorja je največja povprečna vrednost toka, ki teče v smeri naprej, ki ne povzroča nesprejemljivega pregrevanja.

Nazivna napetost Un se imenuje najvišja dovoljena amplitudna napetost, pri kateri je zagotovljena določena zanesljivost naprave.

Padec napetosti ΔUn, ki ga ustvari nazivni tok, se imenuje nazivni padec napetosti (običajno ΔUn = 1 - 2 V).

Vrednost trenutne jakosti Ic popravka niha v mejah 0,1-0,4 A pri napetosti Uc 6-8 V.

Tiristor se zanesljivo odpre s trajanjem impulza 20-30 μs. Interval med impulzi ne sme biti krajši od 100 μs. Ko napetost Ua pade na nič, se tiristor izklopi.

Zunanja zasnova tiristorja je prikazana na sl.1, v… 1 šestnajstina silicijeve štirislojne strukture na osnovi bakra 2 z navojnim repom, z negativno močjo 3 in krmiljenjem 4 izhodov. Silicijeva konstrukcija je zaščitena s cilindričnim kovinskim ohišjem 5. Izolator je pritrjen v ohišju 6. Navoj v podnožju 1 služi za vgradnjo tiristorja in za povezavo vira anodne napetosti s pozitivnim polom.

Ko se napetost Ua poveča, se krmilni tok, potreben za odpiranje tiristorja, zmanjša (glej sliko 1, b). Regulacijski odpiralni tok je sorazmeren regulacijski odpiralni napetosti uyo.

Če se Uа spreminja po sinusnem zakonu (slika 2), potem lahko zahtevano napetost in odprtino 0 prikažemo s pikčasto črto. Če je uporabljena krmilna napetost Uy1 konstantna in je njena vrednost pod minimalno vrednostjo napetosti uuo, se tiristor ne odpre.

Če krmilno napetost povečamo na vrednost Uy2, se bo tiristor odprl takoj, ko napetost Uy2 postane večja od napetosti uyo. S spreminjanjem vrednosti uu lahko spremenite kot odpiranja tiristorja v območju od 0 do 90 °.

riž. 2. Krmiljenje tiristorja

Za odpiranje tiristorja pod kotom nad 90 ° se uporablja spremenljiva krmilna napetost uy, ki se spreminja na primer sinusno. Pri napetosti, ki ustreza presečišču sinusnega vala te napetosti s pikčasto krivuljo uuo = f (ωt), se tiristor odpre.

S premikanjem sinusoide uyo vodoravno v desno ali levo lahko spremenite kot ωt0 odprtine tiristorja. To krmiljenje kota odpiranja se imenuje vodoravno. Izvaja se s posebnimi faznimi stikali.

S premikanjem istega sinusnega vala navpično navzgor ali navzdol lahko spremenite tudi kot odpiranja. Takšno upravljanje imenujemo vertikalno. V tem primeru s krmiljenjem spremenljive napetosti tyy dodamo konstantno napetost algebraično, na primer napetost Uy1 ... Odpiralni kot se prilagaja s spreminjanjem velikosti te napetosti.

Po odprtju ostane tiristor odprt do konca pozitivnega polcikla in krmilna napetost ne vpliva na njegovo delovanje. To prav tako omogoča uporabo krmiljenja impulzov z občasnim dovajanjem impulzov pozitivne krmilne napetosti ob pravem času (slika 2 spodaj). To poveča jasnost nadzora.

S spreminjanjem kota odpiranja tiristorja na tak ali drugačen način lahko uporabniku dovajamo napetostne impulze različnih oblik. S tem se spremeni vrednost povprečne napetosti na uporabniških sponkah.

Za krmiljenje tiristorjev se uporabljajo različne naprave. V shemi, prikazani na sl. 3 se na primarno navitje transformatorja Tp1 napaja izmenična omrežna napetost.

riž. 3. Tiristorsko krmilno vezje

V sekundarni tokokrog tega transformatorja je vključen polnovalni usmernik B.1, B2, B3, B4 s pomembno induktivnostjo L v enosmernem tokokrogu. Praktični valovni tok je praktično odpravljen. Toda takšen enosmerni tok je mogoče dobiti le s polnovalnim usmerjanjem izmeničnega toka, ki ima obliko, prikazano na sl. 4, a.

Tako je v tem primeru usmernik B1, B2, B3, B4 (glej sliko 3) pretvornik v obliki izmeničnega toka. V tej shemi se kondenzatorja C1 in C2 izmenjujeta zaporedno s pravokotnimi tokovnimi impulzi (slika 4, a).V tem primeru se na ploščah kondenzatorjev C1 in C2 (sl. 4, b) oblikuje prečna žagasta napetost, ki se nanaša na baze tranzistorjev T1 in T2 (glej sl. 3).

Ta napetost se imenuje referenčna napetost. Enosmerna napetost Uy deluje tudi v glavnem vezju vsakega tranzistorja. Ko je napetost žage enaka nič, napetost Uy ustvarja pozitivne potenciale na bazah obeh tranzistorjev. Vsak tranzistor se odpre z baznim tokom pri negativnem baznem potencialu.

To se zgodi, ko se negativne vrednosti referenčne napetosti žage izkažejo za večje od Uy (slika 4, b). Ta pogoj je izpolnjen glede na vrednost Uy pri različnih vrednostih faznega kota. V tem primeru se tranzistor odpre za različna časovna obdobja, odvisno od velikosti napetosti Uy.

riž. 4. Diagrami tiristorskih krmilnih napetosti

Ko se odpre eden ali drugi tranzistor, pravokotni tokovni impulz prehaja skozi primarno navitje transformatorja Tr2 ali Tr3 (glej sliko 3). Ko preide vodilni rob tega impulza, se v sekundarnem navitju pojavi napetostni impulz, ki se nanaša na krmilno elektrodo tiristorja.

Ko zadnja stran tokovnega impulza prehaja skozi sekundarno navitje, se pojavi napetostni impulz nasprotne polarnosti. Ta impulz je zaprt s polprevodniško diodo, ki obide sekundarno navitje in se ne nanaša na tiristor.

Ko so tiristorji krmiljeni (glej sliko 3) z dvema transformatorjema, se ustvarita dva impulza, fazno premaknjena za 180 °.

Krmilni sistemi tiristorskih motorjev

V tiristorskih krmilnih sistemih za enosmerne motorje se za krmiljenje njegove hitrosti uporablja sprememba enosmerne armaturne napetosti motorja. V teh primerih se običajno uporabljajo večfazne rektifikacijske sheme.

Na sl. 5, najenostavnejši diagram te vrste pa je prikazan s polno črto. V tem vezju je vsak od tiristorjev T1, T2, T3 zaporedno povezan s sekundarnim navitjem transformatorja in armaturo motorja; NS. itd. c) sekundarna navitja niso v fazi. Zato se med krmiljenjem kota odpiranja tiristorjev na armaturo motorja dovajajo napetostni impulzi, ki so fazno zamaknjeni drug glede na drugega.

riž. 5. Tiristorska pogonska vezja

V polifaznem tokokrogu lahko skozi armaturo motorja prehajajo občasni in trajni tokovi, odvisno od izbranega kota vžiga tiristorjev. Reverzibilni električni pogon (slika 5, a, celotno vezje) uporablja dva niza tiristorjev: T1, T2, T3 in T4, T5, T6.

Z odpiranjem tiristorjev določene skupine spremenijo smer toka v armaturi elektromotorja in s tem smer njegovega vrtenja.

Obračanje motorja je mogoče doseči tudi s spremembo smeri toka v navitju motorja. Takšen obrat se uporablja v primerih, ko visoka hitrost ni potrebna, ker ima navitje polja zelo visoko induktivnost v primerjavi z navitjem armature. Tak vzvratni hod se pogosto uporablja za tiristorske pogone glavnega gibanja strojev za rezanje kovin.

Drugi sklop tiristorjev omogoča tudi izvajanje zavornih načinov, ki zahtevajo spremembo smeri toka v armaturi elektromotorja.Tiristorji v obravnavanih pogonskih tokokrogih se uporabljajo za vklop in izklop motorja ter za omejevanje zagonskih in zavornih tokov, kar odpravlja potrebo po uporabi kontaktorjev, pa tudi zagonskih in zavornih reostatov.

V enosmernih tiristorskih pogonskih tokokrogih so močnostni transformatorji nezaželeni.Povečujejo velikost in ceno napeljave, zato pogosto uporabljajo vezje, prikazano na sl. 5 B.

V tem vezju vžig tiristorja nadzira krmilna enota BU1. Priključen je na trifazno tokovno omrežje, s čimer zagotavlja moč in usklajuje faze krmilnih impulzov z anodno napetostjo tiristorjev.

Tiristorski pogon običajno uporablja povratno informacijo o hitrosti motorja. V tem primeru se uporabljata tahogenerator T in vmesni tranzistorski ojačevalnik UT. Uporabljajo se tudi povratne informacije po e-pošti. itd. c) elektromotor, realiziran s hkratnim delovanjem negativne povratne zveze na napetost in pozitivne povratne zveze na armaturni tok.

Za nastavitev vzbujalnega toka se uporablja tiristor T7 s krmilno enoto BU2. Pri negativnih polciklih anodne napetosti, ko tiristor T7 ne prepušča toka, tok v OVD še naprej teče zaradi e. itd. c) samoindukcija, zapiranje skozi obvodni ventil B1.

Tiristorski električni pogoni z regulacijo širine impulza

V obravnavanih tiristorskih pogonih se motor napaja z napetostnimi impulzi s frekvenco 50 Hz. Za povečanje hitrosti odziva je priporočljivo povečati frekvenco impulza.To dosežemo v tiristorskih pogonih s krmiljenjem širine impulza, kjer skozi armaturo motorja prehajajo pravokotni enosmerni impulzi različnega trajanja (širine) s frekvenco do 2-5 kHz. Poleg hitrega odziva takšno krmiljenje zagotavlja velika območja krmiljenja hitrosti motorja in večjo energijsko učinkovitost.

Pri krmiljenju širine impulza se motor napaja iz nekontroliranega usmernika, tiristor, ki je zaporedno povezan z armaturo, pa se občasno zapira in odpira. V tem primeru enosmerni impulzi prehajajo skozi armaturno vezje motorja. Sprememba trajanja (širine) teh impulzov povzroči spremembo hitrosti vrtenja elektromotorja.

Ker v tem primeru tiristor deluje pri konstantni napetosti, se za njegovo zapiranje uporabljajo posebna vezja. Ena najpreprostejših shem krmiljenja širine impulza je prikazana na sl. 6.

riž. 6. Tiristorski električni pogon s krmiljenjem širine impulza

V tem vezju se tiristor Tr izklopi, ko je vklopljen dušilni tiristor Tr. Ko se ta tiristor odpre, se napolnjeni kondenzator C izprazni plin Dr1, ki ustvarja pomemben e. itd. c) V tem primeru se na koncih dušilke pojavi napetost, ki je večja od napetosti U usmernika in je usmerjena proti njej.

Preko usmernika in shunt diode D1 se ta napetost prenese na tiristor Tr in povzroči, da se izklopi. Ko je tiristor izklopljen, se kondenzator C ponovno napolni do preklopne napetosti Uc > U.

Zaradi povečane frekvence tokovnih impulzov in vztrajnosti armature motorja se impulzna narava napajanja praktično ne odraža v gladkosti vrtenja motorja. Tiristorja Tr in Tr se odpirata s posebnim faznim zamikom, ki omogoča spreminjanje širine impulza.

Elektroindustrija proizvaja različne modifikacije popolnoma reguliranih tiristorskih enosmernih pogonov. Med njimi so pogoni z območji regulacije hitrosti 1:20; 1: 200; 1: 2000 s spreminjanjem napetosti, ireverzibilni in reverzibilni pogoni, z in brez električnega zaviranja. Krmiljenje se izvaja s pomočjo tranzistorskih fazno-impulznih naprav. Pogoni uporabljajo negativno povratno informacijo o vrtljajih motorja in števcu e. itd. z

Prednosti tiristorskih pogonov so visoke energijske lastnosti, majhnost in teža, odsotnost kakršnih koli vrtljivih strojev razen elektromotorja, visoka hitrost in stalna pripravljenost za delo.Glavna slabost tiristorskih pogonov je še vedno visoka cena, ki bistveno presega stroški pogonov z električnim strojem in magnetnimi ojačevalci.

Trenutno obstaja stalen trend k široki zamenjavi tiristorskih enosmernih pogonov z AC pogoni s spremenljivo frekvenco.