Accionament elèctric del tiristor

A la indústria, els actuadors amb vàlvules de semiconductors controlats -tiristors- s'utilitzen àmpliament. Els tiristors es fabriquen per a corrents de fins a centenars d'amperes, per a tensions de fins a 1000 volts o més. Es distingeixen per una alta eficiència, mida relativament petita, alta velocitat i la capacitat de treballar en una àmplia gamma de temperatures ambient (de -60 a +60 ° C).

El tiristor no és un dispositiu totalment controlable, que s'encén aplicant el potencial corresponent a l'elèctrode de control, i només s'apaga per la interrupció forçada del circuit de corrent a causa de la tensió d'interrupció, la seva transició natural a zero o el subministrament d'un amortiment. tensió de signe oposat. En canviar el temps de subministrament de la tensió de control (el seu retard), podeu ajustar el valor mitjà de la tensió rectificada i, per tant, la velocitat del motor.

El valor mitjà de la tensió rectificada en absència de regulació està determinat principalment pel circuit de commutació del convertidor de tiristors. Els circuits transductors es divideixen en dues classes: zero-pull i pont.

En instal·lacions de mitjana i alta potència, s'utilitzen principalment circuits convertidors de pont, que principalment per dos motius:

• menys tensió a cadascun dels tiristors,

• absència d'un component de corrent constant que flueix pels bobinatges del transformador.

Els circuits convertidors també poden diferir pel nombre de fases: des d'una en instal·lacions de baixa potència fins a 12-24 en convertidors potents.

Totes les variants de convertidors de tiristors juntament amb propietats positives, com ara baixa inèrcia, manca d'elements giratoris, de mida més petita (en comparació amb els convertidors electromecànics), tenen una sèrie d'inconvenients:

1. Connexió dura a la xarxa: totes les fluctuacions de tensió a la xarxa es transmeten directament al sistema d'accionament i la càrrega augmenta, els eixos del motor es transfereixen immediatament a la xarxa i provoquen xocs de corrent.

2. Factor de potència baix en ajustar la tensió cap avall.

3. Generació d'harmònics superiors, càrrega a la xarxa elèctrica.

Les característiques mecàniques d'un motor accionat per un convertidor de tiristors estan determinades per la tensió aplicada a l'induït i la naturalesa del seu canvi amb la càrrega, és a dir, les característiques externes del convertidor i els paràmetres del convertidor i del motor.

El dispositiu i principi de funcionament del tiristor

Un tiristor (Fig. 1, a) és un semiconductor de silici de quatre capes amb dues unions pn i una unió n-p. La magnitud del corrent Az que passa pel tiristor sota l'acció de la tensió de l'ànode Ua depèn del corrent Az durant el control que passa per l'elèctrode de control sota l'acció de la tensió de control Uy.

Si no hi ha corrent de control (Azy = 0), aleshores a mesura que augmenta la tensió U, el corrent A al circuit de l'usuari P augmentarà, però, sent un valor molt petit (Fig. 1, b).

Arròs. 1. Diagrama de blocs (a), característica de corrent-tensió (b) i construcció (c) del tiristor

En aquest moment, la unió n-p activada en direcció no conductora té una alta resistència. A un determinat valor Ua1 de la tensió de l'ànode, anomenat tensió d'obertura, encesa o commutació, es produeix una ruptura d'allau de la capa de bloqueig, la seva resistència es torna petita i la intensitat del corrent augmenta fins a un valor determinat d'acord amb la llei d'Ohm per la resistència Rp. de l'usuari P.

A mesura que augmenta el corrent Iу, la tensió Ua disminueix. El corrent Iu, al qual la tensió Ua arriba al valor més baix, s'anomena corrent I amb correcció.

El tiristor es tanca quan s'elimina la tensió Ua o quan canvia de signe. El corrent nominal I del tiristor és el valor mitjà més gran del corrent que flueix en la direcció cap endavant que no provoca un sobreescalfament inacceptable.

La tensió nominal Un s'anomena tensió d'amplitud màxima admissible a la qual s'assegura la fiabilitat del dispositiu.

La caiguda de tensió ΔNo creada pel corrent nominal s'anomena caiguda de tensió nominal (normalment ΔUn = 1 — 2 V).

El valor de la intensitat de corrent Ic de la correcció fluctua dins dels límits de 0,1 a 0,4 A a una tensió Uc 6 a 8 V.

El tiristor s'obre de manera fiable amb una durada de pols de 20 a 30 μs. L'interval entre polsos no ha de ser inferior a 100 μs. Quan la tensió Ua baixa a zero, el tiristor s'apaga.

El disseny extern del tiristor es mostra a la fig.1, v... A base de coure 1 estructura de quatre capes de silici setzena 2 amb cua roscada, amb potència negativa 3 i control de 4 sortides. L'estructura de silici està protegida per una carcassa metàl·lica cilíndrica 5. L'aïllant es fixa a la carcassa 6. S'utilitza una rosca a la base 1 per instal·lar un tiristor i per connectar la font de tensió de l'ànode al pol positiu.

A mesura que augmenta la tensió Ua, disminueix el corrent de control necessari per obrir el tiristor (vegeu la figura 1, b). El corrent d'obertura de control és proporcional a la tensió d'obertura de control uyo.

Si Uа canvia segons la llei sinusoïdal (Fig. 2), llavors la tensió requerida i l'obertura 0 es poden representar amb una línia de punts. Si la tensió de control aplicada Uy1 és constant i el seu valor està per sota del valor mínim de la tensió uuo, aleshores el tiristor no s'obre.

Si la tensió de control augmenta fins al valor Uy2, el tiristor s'obrirà tan bon punt la tensió Uy2 sigui superior a la tensió uyo. Si canvieu el valor uу, podeu canviar l'angle d'obertura del tiristor en el rang de 0 a 90 °.

Arròs. 2. Control del tiristor

Per obrir el tiristor en angles superiors a 90 °, s'utilitza una tensió de control variable uy, que canvia, per exemple, de manera sinusoïdal. A una tensió corresponent a la intersecció de l'ona sinusoïdal d'aquesta tensió amb la corba de punts uuo = f (ωt), el tiristor s'obre.

En moure el sinusoide uyo horitzontalment cap a la dreta o l'esquerra, podeu canviar l'angle ωt0 d'obertura del tiristor. Aquest control d'angle d'obertura s'anomena horitzontal. Es realitza mitjançant interruptors de fase especials.

En moure la mateixa ona sinusoïdal verticalment cap amunt o cap avall, també podeu canviar l'angle d'obertura. Aquesta gestió s'anomena vertical. En aquest cas, amb control de tensió variable tyy, afegeix una tensió constant algebraicament, per exemple, la tensió Uy1... L'angle d'obertura s'ajusta canviant la magnitud d'aquesta tensió.

Un cop obert, el tiristor roman obert fins al final del mig cicle positiu i la tensió de control no afecta el seu funcionament. Això també fa possible aplicar el control de polsos aplicant periòdicament polsos de tensió de control positiu en el moment adequat (Fig. 2 inferior). Això augmenta la claredat del control.

En canviar l'angle d'obertura del tiristor d'una manera o altra, es poden aplicar polsos de tensió de diferents formes a l'usuari. Això canvia el valor de la tensió mitjana als terminals de l'usuari.

S'utilitzen diversos dispositius per controlar tiristors. En l'esquema mostrat a la fig. 3, la tensió de xarxa de CA s'aplica al bobinatge primari del transformador Tp1.

Arròs. 3. Circuit de control del tiristor

En el circuit secundari d'aquest transformador s'inclou un rectificador d'ona completa B.1, B2, B3, B4 amb una inductància L significativa al circuit de corrent continu. El pràctic corrent d'ona està pràcticament eliminat. Però aquest corrent continu només es pot obtenir mitjançant la rectificació d'ona completa d'un corrent altern que tingui la forma que es mostra a la Fig. 4, a.

Així, en aquest cas, el rectificador B1, B2, B3, B4 (vegeu la figura 3) és un convertidor en forma de corrent altern. En aquest esquema, els condensadors C1 i C2 s'alternen en sèrie amb polsos de corrent rectangulars (Fig. 4, a).En aquest cas, a les plaques dels condensadors C1 i C2 (Fig. 4, b), es forma una tensió transversal de dents de serra, aplicada a les bases dels transistors T1 i T2 (vegeu Fig. 3).

Aquesta tensió s'anomena tensió de referència. La tensió continua Uy també actua en el circuit principal de cada transistor. Quan la tensió de la serra és zero, la tensió Uy crea potencials positius a les bases dels dos transistors. Cada transistor s'obre amb un corrent de base a un potencial de base negatiu.

Això passa quan els valors negatius de la tensió de referència de la serra resulten ser superiors a Uy (Fig. 4, b). Aquesta condició es compleix en funció del valor de Uy a diferents valors de l'angle de fase. En aquest cas, el transistor s'obre durant diferents períodes de temps, depenent de la magnitud de la tensió Uy.

Arròs. 4. Esquemes de tensions de control de tiristors

Quan s'obre un o l'altre transistor, un pols de corrent rectangular passa pel bobinatge primari del transformador Tr2 o Tr3 (vegeu la figura 3). Quan passa el front davanter d'aquest pols, es produeix un pols de tensió al bobinatge secundari, que s'aplica a l'elèctrode de control del tiristor.

Quan la part posterior del pols de corrent passa pel bobinatge secundari, es produeix un pols de tensió de polaritat oposada. Aquest pols es tanca per un díode semiconductor que passa per alt el bobinatge secundari i no s'aplica al tiristor.

Quan els tiristors es controlen (vegeu la figura 3) amb dos transformadors, es generen dos polsos, desfasats 180 °.

Sistemes de control del motor del tiristor

En els sistemes de control de tiristors per a motors de corrent continu, s'utilitza un canvi en la tensió de l'induït DC del motor per controlar la seva velocitat. En aquests casos s'acostumen a utilitzar esquemes de rectificació multifàsica.

A la fig. 5, i el diagrama més senzill d'aquest tipus es mostra amb una línia sòlida. En aquest circuit, cadascun dels tiristors T1, T2, T3 està connectat en sèrie amb el bobinatge secundari del transformador i l'induït del motor; NS. etc. c) els bobinatges secundaris estan desfasats. Per tant, els polsos de tensió que es desfasen entre si s'apliquen a l'induït del motor quan es controla l'angle d'obertura dels tiristors.

Arròs. 5. Circuits d'accionament de tiristors

En un circuit polifàsic, corrents intermitents i continus poden passar per l'induït del motor, depenent de l'angle d'encesa seleccionat dels tiristors. Un accionament elèctric reversible (Fig. 5, a, tot el circuit) utilitza dos conjunts de tiristors: T1, T2, T3 i T4, T5, T6.

En obrir els tiristors d'un grup determinat, canvien la direcció del corrent a l'armadura del motor elèctric i, en conseqüència, la direcció de la seva rotació.

La inversió del motor també es pot aconseguir canviant la direcció del corrent al bobinatge de camp del motor. Aquest revés s'utilitza en els casos en què no es requereix una gran velocitat perquè el bobinat de camp té una inductància molt alta en comparació amb el bobinat de l'induït. Aquesta carrera inversa s'utilitza sovint per a accionaments de tiristors del moviment principal de les màquines de tall de metall.

El segon conjunt de tiristors també permet realitzar modes de frenada que requereixen un canvi en la direcció del corrent a l'induït del motor elèctric.Els tiristors dels circuits d'accionament considerats s'utilitzen per encendre i apagar el motor, així com per limitar els corrents d'arrencada i frenada, eliminant la necessitat d'utilitzar contactors, així com reòstats d'arrencada i frenada.

En els circuits d'accionament de tiristors de CC, els transformadors de potència no són desitjables, augmenten la mida i el cost de la instal·lació, de manera que sovint utilitzen el circuit que es mostra a la figura. 5 B.

En aquest circuit, l'encesa del tiristor està controlada per la unitat de control BU1. Està connectat a una xarxa de corrent trifàsica, proporcionant així potència i fent coincidir les fases dels polsos de control amb la tensió de l'ànode dels tiristors.

Un accionament de tiristor normalment utilitza retroalimentació de la velocitat del motor. En aquest cas, s'utilitza un tacogenerador T i un amplificador de transistor intermedi UT. També s'utilitzen comentaris per correu electrònic. etc. c. Motor elèctric, realitzat per l'acció simultània de retroalimentació negativa sobre la tensió i retroalimentació positiva sobre el corrent de l'induït.

Per ajustar el corrent d'excitació, s'utilitza un tiristor T7 amb una unitat de control BU2. En semicicles negatius de la tensió de l'ànode, quan el tiristor T7 no passa corrent, el corrent a l'OVD continua fluint a causa de e. etc. c) autoinducció, tancament per la vàlvula de bypass B1.

Accionaments elèctrics de tiristor amb control d'amplada de pols

En els accionaments de tiristors considerats, el motor és alimentat per polsos de tensió amb una freqüència de 50 Hz. Per augmentar la velocitat de resposta, es recomana augmentar la freqüència del pols.Això s'aconsegueix en accionaments de tiristors amb control d'amplada de pols, on els polsos de CC rectangulars de durada variable (latitud) amb una freqüència de fins a 2-5 kHz passen per l'induït del motor. A més de la resposta a alta velocitat, aquest control proporciona grans rangs de control de velocitat del motor i un rendiment energètic superior.

Amb el control d'amplada de pols, el motor és alimentat per un rectificador incontrolat i el tiristor connectat en sèrie amb l'armadura es tanca i obre periòdicament. En aquest cas, els polsos de CC passen pel circuit de l'induït del motor. Un canvi en la durada (latitud) d'aquests polsos provoca un canvi en la velocitat de gir del motor elèctric.

Com que en aquest cas el tiristor funciona a tensió constant, s'utilitzen circuits especials per tancar-lo. A la Fig. 6.

Arròs. 6. Accionament elèctric de tiristors amb control d'amplada de pols

En aquest circuit, el tiristor Tr s'apaga quan s'activa el tiristor amortidor Tr. Quan aquest tiristor s'obre, el condensador carregat C es descarrega accelerador Dr1, creant un significatiu e. etc. c.En aquest cas, apareix una tensió als extrems de la bobina, que és superior a la tensió U del rectificador i dirigida cap a ella.

Mitjançant un rectificador i un díode de derivació D1, aquesta tensió s'aplica al tiristor Tr i fa que s'apagui. Quan s'apaga el tiristor, el condensador C es carrega de nou a la tensió de commutació Uc > U.

A causa de l'augment de la freqüència dels polsos de corrent i la inèrcia de l'armadura del motor, la naturalesa del pols de la font d'alimentació pràcticament no es reflecteix en la suavitat de la rotació del motor. Els tiristors Tr i Tr s'obren mitjançant un circuit especial de canvi de fase que permet canviar l'amplada del pols.

La indústria elèctrica produeix diverses modificacions d'accionaments de corrent continu de tiristors totalment regulats. Entre ells hi ha accionaments amb rangs de control de velocitat 1:20; 1: 200; 1:2000 canviant la tensió, accionaments irreversibles i reversibles, amb i sense frenada elèctrica. El control es realitza mitjançant dispositius de transistors de fase-impuls. Els accionaments utilitzen retroalimentació negativa sobre les rpm del motor i el comptador, etc. amb

Els avantatges dels accionaments de tiristors són les característiques d'alta energia, mida i pes reduïts, l'absència de qualsevol maquinària giratòria que no sigui un motor elèctric, alta velocitat i disponibilitat constant per al treball.El principal desavantatge dels accionaments de tiristor és el seu cost encara elevat, que supera significativament el cost dels accionaments amb una màquina elèctrica i amplificadors magnètics.

Actualment, hi ha una tendència constant cap a la substitució generalitzada de les unitats de CC de tiristors variadors de CA de freqüència.