Tyristorový elektrický pohon

V priemysle sú široko používané akčné členy s riadenými polovodičovými ventilmi - tyristory. Tyristory sa vyrábajú pre prúdy do stoviek ampérov, pre napätie do 1000 voltov a viac. Vyznačujú sa vysokou účinnosťou, relatívne malými rozmermi, vysokou rýchlosťou a schopnosťou pracovať v širokom rozsahu okolitých teplôt (od -60 do +60 ° C).

Tyristor nie je plne ovládateľné zariadenie, ktoré sa zapína privedením zodpovedajúceho potenciálu na riadiacu elektródu a vypína sa len núteným prerušením prúdového obvodu v dôsledku prerušovacieho napätia, jeho prirodzeného prechodu cez nulu alebo napájaním tlmiča. napätie opačného znamienka. Zmenou časovania napájania riadiaceho napätia (jeho oneskorenia) môžete upraviť priemernú hodnotu usmerneného napätia a tým aj otáčky motora.

Priemernú hodnotu usmerneného napätia pri absencii regulácie určuje hlavne spínací obvod tyristorového meniča. Obvody prevodníkov sú rozdelené do dvoch tried: nulový ťah a premostený.

V inštaláciách so stredným a vysokým výkonom sa používajú hlavne obvody s mostíkovým meničom, a to hlavne z dvoch dôvodov:

• menšie napätie na každom z tyristorov,

• absencia konštantnej zložky prúdu pretekajúcej vinutím transformátora.

Obvody meničov sa môžu líšiť aj počtom fáz: od jednej v inštaláciách s nízkym výkonom po 12 — 24 vo výkonných meničoch.

Všetky varianty tyristorových meničov spolu s pozitívnymi vlastnosťami, ako je nízka zotrvačnosť, nedostatok rotujúcich prvkov, menšie (v porovnaní s elektromechanickými meničmi) vo veľkosti, majú množstvo nevýhod:

1. Pevné pripojenie k sieti: všetky výkyvy napätia v sieti sa prenášajú priamo do systému pohonu a záťaž sa zvyšuje, osi motora sa okamžite prenášajú do siete a spôsobujú prúdové rázy.

2. Nízky účinník pri znižovaní napätia.

3. Generovanie vyšších harmonických, zaťaženie elektrickej siete.

Mechanická charakteristika motora poháňaného tyristorovým meničom je určená napätím aplikovaným na kotvu a povahou jeho zmeny so záťažou, to znamená vonkajšími charakteristikami meniča a parametrami meniča a motora.

Zariadenie a princíp činnosti tyristora

Tyristor (obr. 1, a) je štvorvrstvový kremíkový polovodič s dvoma pn-prechodmi a jedným n-p-prechodom. Veľkosť prúdu Az prechádzajúceho tyristorom pri pôsobení anódového napätia Ua závisí od prúdu Azdpri prechode riadiacou elektródou pri pôsobení riadiaceho napätia Uy.

Ak neexistuje žiadny riadiaci prúd (Azy = 0), potom so zvyšujúcim sa napätím U sa zvýši prúd A v obvode užívateľa P, pričom však zostane veľmi malá hodnota (obr. 1, b).

Ryža. 1. Bloková schéma (a), prúdovo-napäťová charakteristika (b) a konštrukcia (c) tyristora

V tomto čase má n-p prechod zapnutý v nevodivom smere vysoký odpor. Pri určitej hodnote Ua1 anódového napätia, nazývanej otváracie, zapaľovacie alebo spínacie napätie, dochádza k lavínovému rozpadu blokovacej vrstvy, ktorej odpor sa zmenšuje a sila prúdu sa zvyšuje na hodnotu určenú v súlade s Ohmovým zákonom odporom Rp. užívateľa P.

Keď sa prúd Iу zvyšuje, napätie Ua klesá. Prúd Iu, pri ktorom napätie Ua dosiahne najnižšiu hodnotu, sa nazýva prúd I s korekciou.

Tyristor sa zatvára pri odstránení napätia Ua alebo pri zmene jeho znamienka. Menovitý prúd I tyristora je najväčšia priemerná hodnota prúdu tečúceho v priepustnom smere, ktorá nespôsobuje neprijateľné prehriatie.

Menovité napätie Un sa nazýva najvyššie prípustné amplitúdové napätie, pri ktorom je zabezpečená daná spoľahlivosť zariadenia.

Pokles napätia ΔNevytvorený menovitým prúdom sa nazýva menovitý úbytok napätia (zvyčajne ΔUn = 1 — 2 V).

Hodnota prúdovej sily Ic korekcie kolíše v medziach 0,1 — 0,4 A pri napätí Uc 6 — 8 V.

Tyristor sa spoľahlivo otvára s trvaním impulzu 20 — 30 μs. Interval medzi impulzmi by nemal byť menší ako 100 μs. Keď napätie Ua klesne na nulu, tyristor sa vypne.

Vonkajšie prevedenie tyristora je znázornené na obr.1, v… Na báze medi 1 šestnásta kremíková štvorvrstvová štruktúra 2 so závitovým koncom, so záporným výkonom 3 a ovládaním 4 výstupov. Kremíková štruktúra je chránená valcovým kovovým puzdrom 5. Izolátor je upevnený v puzdre 6. Závit v základni 1 slúži na inštaláciu tyristora a na pripojenie zdroja anódového napätia na kladný pól.

So zvyšujúcim sa napätím Ua klesá riadiaci prúd potrebný na otvorenie tyristora (pozri obr. 1, b). Riadiaci otvárací prúd je úmerný riadiacemu otváraciemu napätiu uyo.

Ak sa Uа mení podľa sínusového zákona (obr. 2), potom požadované napätie a otvorenie 0 možno znázorniť bodkovanou čiarou. Ak je privedené riadiace napätie Uy1 konštantné a jeho hodnota je pod minimálnou hodnotou napätia uuo, potom sa tyristor neotvorí.

Ak sa riadiace napätie zvýši na hodnotu Uy2, tyristor sa otvorí, akonáhle bude napätie Uy2 väčšie ako napätie uyo. Zmenou hodnoty uу môžete meniť uhol otvorenia tyristora v rozsahu od 0 do 90°.

Ryža. 2. Tyristorové riadenie

Na otvorenie tyristora v uhloch nad 90 ° sa používa variabilné riadiace napätie uy, ktoré sa mení napríklad sínusovo. Pri napätí zodpovedajúcom priesečníku sínusovej vlny tohto napätia s bodkovanou krivkou uuo = f (ωt) sa tiristor otvorí.

Posunutím sínusoidy uyo vodorovne doprava alebo doľava môžete zmeniť uhol ωt0 otvorenia tyristora. Toto ovládanie uhla otvorenia sa nazýva horizontálne. Vykonáva sa pomocou špeciálnych fázových spínačov.

Pohybom rovnakej sínusoidy vertikálne nahor alebo nadol môžete tiež zmeniť uhol otvorenia. Takéto riadenie sa nazýva vertikálne. V tomto prípade pri premenlivej regulácii napätia tyy pridajte algebraicky konštantné napätie, napríklad napätie Uy1... Uhol otvorenia sa nastavuje zmenou veľkosti tohto napätia.

Po otvorení zostáva tyristor otvorený až do konca kladného polcyklu a riadiace napätie neovplyvňuje jeho činnosť. To tiež umožňuje aplikovať impulzné riadenie periodickým privádzaním impulzov kladného riadiaceho napätia v správnom čase (obr. 2 dole). To zvyšuje prehľadnosť ovládania.

Zmenou uhla otvorenia tyristora tak či onak môžu byť na používateľa aplikované napäťové impulzy rôznych tvarov. Tým sa zmení hodnota priemerného napätia na svorkách užívateľa.

Na ovládanie tyristorov sa používajú rôzne zariadenia. V schéme znázornenej na obr. 3 je na primárne vinutie transformátora Tp1 privedené striedavé sieťové napätie.

Ryža. 3. Obvod riadenia tyristora

V sekundárnom obvode tohto transformátora je zaradený plnovlnný usmerňovač B.1, B2, B3, B4 s výraznou indukčnosťou L v jednosmernom obvode. Praktický vlnový prúd je prakticky eliminovaný. Ale takýto jednosmerný prúd je možné získať iba celovlnnou rektifikáciou striedavého prúdu, ktorý má tvar znázornený na obr. 4, a.

V tomto prípade je teda usmerňovač B1, B2, B3, B4 (pozri obr. 3) menič vo forme striedavého prúdu. V tejto schéme sa kondenzátory C1 a C2 striedajú v sérii s obdĺžnikovými prúdovými impulzmi (obr. 4, a).V tomto prípade sa na doskách kondenzátorov C1 a C2 (obr. 4, b) vytvorí priečne pílovité napätie aplikované na bázy tranzistorov T1 a T2 (pozri obr. 3).

Toto napätie sa nazýva referenčné napätie. Jednosmerné napätie Uy pôsobí aj v hlavnom obvode každého tranzistora. Keď je napätie píly nulové, napätie Uy vytvára kladné potenciály na bázach oboch tranzistorov. Každý tranzistor sa otvára bázovým prúdom pri zápornom bázovom potenciáli.

To sa stane, keď sa ukáže, že záporné hodnoty referenčného napätia píly sú väčšie ako Uy (obr. 4, b). Táto podmienka je splnená v závislosti od hodnoty Uy pri rôznych hodnotách fázového uhla. Tranzistor sa v tomto prípade otvára na rôzne časové obdobia v závislosti od veľkosti napätia Uy.

Ryža. 4. Schémy riadiacich napätí tyristora

Pri otvorení jedného alebo druhého tranzistora prechádza cez primárne vinutie transformátora Tr2 alebo Tr3 obdĺžnikový prúdový impulz (pozri obr. 3). Pri prechode nábežnej hrany tohto impulzu vzniká v sekundárnom vinutí napäťový impulz, ktorý je privedený na riadiacu elektródu tyristora.

Keď zadná strana prúdového impulzu prechádza sekundárnym vinutím, nastáva napäťový impulz opačnej polarity. Tento impulz je uzavretý polovodičovou diódou, ktorá obchádza sekundárne vinutie a nie je aplikovaná na tyristor.

Pri ovládaní tyristorov (pozri obr. 3) pomocou dvoch transformátorov sa generujú dva impulzy, fázovo posunuté o 180°.

Riadiace systémy tyristorových motorov

V tyristorových riadiacich systémoch pre jednosmerné motory sa na riadenie jeho otáčok využíva zmena jednosmerného napätia kotvy motora. V týchto prípadoch sa zvyčajne používajú schémy viacfázového usmerňovania.

Na obr. 5 a najjednoduchší diagram tohto druhu je znázornený plnou čiarou. V tomto obvode je každý z tyristorov T1, T2, T3 zapojený do série so sekundárnym vinutím transformátora a kotvou motora; NS. atď. c) sekundárne vinutia sú mimo fázy. Preto sa pri riadení uhla otvorenia tyristorov na kotvu motora privádzajú napäťové impulzy, ktoré sú navzájom fázovo posunuté.

Ryža. 5. Tyristorové budiace obvody

Vo viacfázovom obvode môžu kotvou motora prechádzať prerušované a trvalé prúdy, v závislosti od zvoleného uhla zapaľovania tyristorov. Reverzibilný elektrický pohon (obr. 5, a, celý obvod) používa dve sady tyristorov: T1, T2, T3 a T4, T5, T6.

Otvorením tyristorov určitej skupiny menia smer prúdu v kotve elektromotora a podľa toho aj smer jeho otáčania.

Reverzáciu motora je možné dosiahnuť aj zmenou smeru prúdu v budiacom vinutí motora. Takýto spätný chod sa používa v prípadoch, keď nie je potrebná vysoká rýchlosť, pretože vinutie poľa má veľmi vysokú indukčnosť v porovnaní s vinutím kotvy. Takýto spätný zdvih sa často používa pre tyristorové pohony hlavného pohybu obrábacích strojov.

Druhá sada tyristorov tiež umožňuje vykonávať brzdné režimy vyžadujúce zmenu smeru prúdu v kotve elektromotora.Tyristory v uvažovaných obvodoch pohonu sa používajú na zapínanie a vypínanie motora, ako aj na obmedzenie rozbehových a brzdných prúdov, čím sa eliminuje potreba použitia stýkačov, ako aj štartovacích a brzdových reostatov.

V obvodoch s jednosmerným tyristorom sú výkonové transformátory nežiaduce , Zvyšujú veľkosť a náklady na inštaláciu, takže často používajú obvod znázornený na obr. 5 B.

V tomto obvode je zapaľovanie tyristora riadené riadiacou jednotkou BU1. Je pripojený k trojfázovej prúdovej sieti, čím zabezpečuje napájanie a zosúlaďuje fázy riadiacich impulzov s anódovým napätím tyristorov.

Tyristorový pohon zvyčajne využíva spätnú väzbu otáčok motora. V tomto prípade sa používa tachogenerátor T a medziľahlý tranzistorový zosilňovač UT. Používa sa aj spätná väzba e-mailom. atď. c) elektromotor, realizovaný súčasným pôsobením negatívnej spätnej väzby na napätie a kladnej spätnej väzby na prúd kotvy.

Na nastavenie budiaceho prúdu slúži tyristor T7 s riadiacou jednotkou BU2. Pri záporných polcykloch anódového napätia, keď tyristorom T7 neprechádza prúd, prúd v OVD tečie ďalej v dôsledku napr. atď. c) samoindukcia, uzatváranie cez obtokový ventil B1.

Tyristorové elektrické pohony s reguláciou šírky impulzu

V uvažovaných tyristorových pohonoch je motor napájaný napäťovými impulzmi s frekvenciou 50 Hz. Na zvýšenie rýchlosti odozvy sa odporúča zvýšiť frekvenciu impulzov.To sa dosahuje pri tyristorových pohonoch s riadením šírky impulzov, kde cez kotvu motora prechádzajú pravouhlé jednosmerné impulzy rôzneho trvania (zemepisnej šírky) s frekvenciou do 2-5 kHz. Okrem vysokorýchlostnej odozvy takéto riadenie poskytuje veľké rozsahy riadenia otáčok motora a vyšší energetický výkon.

Pri riadení šírky impulzov je motor napájaný neriadeným usmerňovačom a tyristor zapojený do série s kotvou sa periodicky zatvára a otvára. V tomto prípade prechádzajú jednosmerné impulzy cez obvod kotvy motora. Zmena trvania (zemepisnej šírky) týchto impulzov má za následok zmenu rýchlosti otáčania elektromotora.

Pretože v tomto prípade tyristor pracuje pri konštantnom napätí, na jeho uzavretie sa používajú špeciálne obvody. Jedna z najjednoduchších schém riadenia šírky impulzu je znázornená na obr. 6.

Ryža. 6. Tyristorový elektrický pohon s reguláciou šírky impulzu

V tomto obvode je tyristor Tr vypnutý, keď je zapnutý tlmiaci tyristor Tr. Keď sa tento tyristor otvorí, nabitý kondenzátor C sa vybije na plyn Dr1, čím vzniká významná e. atď. c) V tomto prípade sa na koncoch tlmivky objaví napätie, ktoré je väčšie ako napätie U usmerňovača a smeruje k nemu.

Cez usmerňovač a bočnú diódu D1 sa toto napätie privedie na tyristor Tr a spôsobí jeho vypnutie. Po vypnutí tyristora sa kondenzátor C opäť nabije na spínacie napätie Uc > U.

V dôsledku zvýšenej frekvencie prúdových impulzov a zotrvačnosti kotvy motora sa impulzný charakter napájacieho zdroja prakticky neprejaví v plynulosti otáčania motora. Tyristory Tr a Tr sú otvárané špeciálnym obvodom fázového posunu, ktorý umožňuje zmenu šírky impulzu.

Elektrotechnický priemysel vyrába rôzne modifikácie plne regulovaných tyristorových jednosmerných pohonov. Medzi nimi sú pohony s rozsahom regulácie rýchlosti 1:20; 1:200; 1: 2000 zmenou napätia, nevratné a reverzibilné pohony, s elektrickým brzdením a bez neho. Riadenie sa vykonáva pomocou tranzistorových fázovo-pulzných zariadení. Pohony používajú negatívnu spätnú väzbu na otáčky motora a počítadlo atď. s

Výhodami tyristorových pohonov sú vysoké energetické charakteristiky, malé rozmery a hmotnosť, absencia akýchkoľvek točivých strojov okrem elektromotora, vysoká rýchlosť a stála pripravenosť na prácu.Hlavnou nevýhodou tyristorových pohonov je ich stále vysoká cena, ktorá výrazne prevyšuje náklady na pohony s elektrickým strojom a magnetickými zosilňovačmi.

V súčasnosti existuje stály trend k rozsiahlej výmene tyristorových jednosmerných pohonov striedavé pohony s premenlivou frekvenciou.