Thyristor elektrisk drivning

Inom industrin används ställdon med kontrollerade halvledarventiler - tyristorer - i stor utsträckning. Tyristorer tillverkas för strömmar upp till hundratals ampere, för spänningar upp till 1000 volt eller mer. De kännetecknas av hög effektivitet, relativt liten storlek, hög hastighet och förmågan att arbeta i ett brett spektrum av omgivande temperaturer (från -60 till +60 ° C).

Tyristorn är inte en helt kontrollerbar anordning, som slås på genom att applicera motsvarande potential på styrelektroden och stängs av endast genom påtvingat avbrott av strömkretsen på grund av avbrottsspänning, dess naturliga övergång genom noll eller matning av en dämpning spänning av motsatt tecken. Genom att ändra tidpunkten för tillförseln av styrspänningen (dess fördröjning) kan du justera medelvärdet för den likriktade spänningen och därmed motorns hastighet.

Medelvärdet för den likriktade spänningen i frånvaro av reglering bestäms huvudsakligen av tyristoromvandlarens omkopplingskrets. Givarkretsar är indelade i två klasser: nolldrag och bryggade.

I medel- och högeffektsinstallationer används huvudsakligen bryggomvandlarkretsar, vilket huvudsakligen av två skäl:

• mindre spänning på var och en av tyristorerna,

• frånvaro av en konstant strömkomponent som flyter genom transformatorlindningarna.

Omvandlarkretsar kan också skilja sig åt i antalet faser: från en i lågeffektsinstallationer till 12 — 24 i kraftfulla omvandlare.

Alla varianter av tyristoromvandlare tillsammans med positiva egenskaper, såsom låg tröghet, brist på roterande element, mindre (jämfört med elektromekaniska omvandlare) i storlek, har ett antal nackdelar:

1. Hård anslutning till nätverket: alla spänningsfluktuationer i nätverket överförs direkt till drivsystemet och belastningen ökar, motoraxlarna överförs omedelbart till nätverket och orsakar strömchocker.

2. Låg effektfaktor vid nedjustering av spänningen.

3. Generering av högre övertoner, belastning på elnätet.

Mekaniska egenskaper hos en motor som drivs av en tyristoromvandlare bestäms av spänningen som appliceras på ankaret och arten av dess förändring med belastningen, det vill säga omvandlarens yttre egenskaper och omvandlarens och motorns parametrar.

Enheten och principen för driften av tyristorn

En tyristor (fig. 1, a) är en fyrskiktig kiselhalvledare med två pn-övergångar och en n-p-övergång. Storleken på strömmen Az som passerar genom tyristorn under inverkan av anodspänningen Ua beror på strömmen Az under styrningen som passerar genom styrelektroden under inverkan av styrspänningen Uy.

Om det inte finns någon styrström (Azy = 0), kommer strömmen A i användarens P krets att öka när spänningen U ökar, men förblir ett mycket litet värde (fig. 1, b).

Ris. 1. Blockschema (a), ström-spänningskarakteristik (b) och tyristorns konstruktion (c)

Vid denna tidpunkt har n-p-övergången påslagen i den icke-ledande riktningen ett högt motstånd. Vid ett visst värde Ua1 av anodspänningen, kallad öppnings-, tändnings- eller kopplingsspänning, sker ett lavinbrott av spärrskiktet, dess motstånd blir litet och strömstyrkan ökar till ett värde som bestäms i enlighet med Ohms lag av resistansen Rp. av användaren P.

När strömmen Iу ökar, minskar spänningen Ua. Strömmen Iu, vid vilken spänningen Ua når det lägsta värdet, kallas ström I med korrigering.

Tyristorn stänger när spänningen Ua tas bort eller när dess tecken ändras. Tyristorns märkström I är det största medelvärdet av strömmen som flyter i framåtriktningen som inte orsakar oacceptabel överhettning.

Nominell spänning Un kallas den högsta tillåtna amplitudspänningen vid vilken enhetens givna tillförlitlighet säkerställs.

Spänningsfallet ΔOskapat av den nominella strömmen kallas det nominella spänningsfallet (vanligtvis ΔUn = 1 — 2 V).

Värdet på strömstyrkan Ic för korrigeringen fluktuerar inom gränserna 0,1 - 0,4 A vid en spänning Uc 6 - 8 V.

Tyristorn öppnar tillförlitligt med en pulslängd på 20 — 30 μs. Intervallet mellan pulserna bör inte vara mindre än 100 μs. När spänningen Ua sjunker till noll stängs tyristorn av.

Den yttre designen av tyristorn visas i fig.1, v... Kopparbaserad 1 sextonde kiselfyralagerstruktur 2 med gängad svans, med negativ effekt 3 och kontroll av 4 utgångar. Kiselstrukturen skyddas av ett cylindriskt metallhus 5. Isolatorn är fixerad i huset 6. En gänga i basen 1 används för att installera en tyristor och för att ansluta anodspänningskällan till den positiva polen.

När spänningen Ua ökar, minskar den styrström som krävs för att öppna tyristorn (se fig. 1, b). Styröppningsströmmen är proportionell mot styröppningsspänningen uyo.

Om Uа ändras enligt den sinusformade lagen (Fig. 2), kan den erforderliga spänningen och 0-öppningen avbildas med en streckad linje. Om den pålagda styrspänningen Uy1 är konstant och dess värde är under minimivärdet för spänningen uuo, öppnar inte tyristorn.

Om styrspänningen höjs till värdet Uy2 öppnas tyristorn så snart spänningen Uy2 blir större än spänningen uyo. Genom att ändra uу-värdet kan du ändra tyristorns öppningsvinkel i området från 0 till 90°.

Ris. 2. Tyristorkontroll

För att öppna tyristorn i vinklar över 90 ° används en variabel styrspänning uy, som ändras till exempel sinusformigt. Vid en spänning som motsvarar skärningspunkten mellan sinusvågen för denna spänning och den prickade kurvan uuo = f (ωt), öppnas Tiristorn.

Genom att flytta sinusformade uyo horisontellt till höger eller vänster kan du ändra vinkeln ωt0 öppning av tyristorn. Denna öppningsvinkelkontroll kallas horisontell. Det utförs med hjälp av speciella fasbrytare.

Genom att flytta samma sinusvåg vertikalt uppåt eller nedåt kan du också ändra öppningsvinkeln. Sådan förvaltning kallas vertikal. I detta fall, med variabel spänningsstyrning tyy, lägg till en konstant spänning algebraiskt, till exempel spänningen Uy1... Öppningsvinkeln justeras genom att ändra storleken på denna spänning.

När den väl har öppnats förblir tyristorn öppen till slutet av den positiva halvcykeln och styrspänningen påverkar inte dess funktion. Detta gör det också möjligt att tillämpa pulsstyrning genom att periodiskt applicera positiva styrspänningspulser vid rätt tidpunkt (fig. 2 längst ner). Detta ökar klarheten i kontrollen.

Genom att ändra tyristorns öppningsvinkel på ett eller annat sätt kan spänningspulser av olika former appliceras på användaren. Detta ändrar värdet på medelspänningen vid användarens terminaler.

Olika enheter används för att styra tyristorer. I schemat som visas i fig. 3, appliceras AC-nätspänningen på transformatorns Tp1 primärlindning.

Ris. 3. Styrkrets för tyristor

En helvågslikriktare B ingår i denna transformators sekundärkrets.1, B2, B3, B4 med en signifikant induktans L i DC-kretsen. Den praktiska vågströmmen är praktiskt taget eliminerad. Men en sådan likström kan endast erhållas genom helvågslikriktning av en växelström med den form som visas i fig. 4, a.

Således är i detta fall likriktaren B1, B2, B3, B4 (se fig. 3) en omvandlare i form av växelström. I detta schema alternerar kondensatorerna Cl och C2 i serie med rektangulära strömpulser (fig. 4, a).I detta fall, på plattorna på kondensatorerna Cl och C2 (fig. 4, b), bildas en tvärgående sågtandsspänning, applicerad på baserna av transistorerna T1 och T2 (se fig. 3).

Denna spänning kallas referensspänningen. Likspänningen Uy verkar också i huvudkretsen för varje transistor. När sågspänningen är noll skapar spänningen Uy positiva potentialer vid basen av båda transistorerna. Varje transistor öppnar med en basström vid en negativ baspotential.

Detta händer när de negativa värdena för sågreferensspänningen visar sig vara större än Uy (fig. 4, b). Detta villkor är uppfyllt beroende på värdet på Uy vid olika värden på fasvinkeln. I detta fall öppnar transistorn under olika tidsperioder, beroende på storleken på spänningen Uy.

Ris. 4. Diagram över styrspänningar för tyristor

När den ena eller andra transistorn öppnar passerar en rektangulär strömpuls genom primärlindningen på transformatorn Tr2 eller Tr3 (se fig. 3). När framkanten av denna puls passerar, uppstår en spänningspuls i sekundärlindningen, som appliceras på tyristorns styrelektrod.

När baksidan av strömpulsen passerar genom sekundärlindningen uppstår en spänningspuls med motsatt polaritet. Denna puls stängs av en halvledardiod som förbikopplar sekundärlindningen och inte appliceras på tyristorn.

När tyristorerna styrs (se fig. 3) med två transformatorer genereras två pulser, fasförskjutna med 180°.

Tyristormotorstyrsystem

I tyristorstyrsystem för likströmsmotorer används en förändring av motorns likströmsankarspänning för att styra dess hastighet. I dessa fall används vanligtvis flerfaslikriktade system.

I fig. 5, och det enklaste diagrammet av detta slag visas med heldragen linje. I denna krets är var och en av tyristorerna T1, T2, T3 ansluten i serie med transformatorns sekundärlindning och motorankaret; NS. etc. c. sekundärlindningarna är ur fas. Därför appliceras spänningspulser som är fasförskjutna i förhållande till varandra på motorankaret vid styrning av tyristorernas öppningsvinkel.

Ris. 5. Tyristordrivkretsar

I en flerfaskrets kan intermittenta och kontinuerliga strömmar passera genom motorns ankare, beroende på tyristorernas valda tändvinkel. En reversibel elektrisk drivning (Fig. 5, a, hela kretsen) använder två uppsättningar tyristorer: T1, T2, T3 och T4, T5, T6.

Genom att öppna tyristorerna i en viss grupp ändrar de strömriktningen i ankaret på den elektriska motorn och följaktligen riktningen för dess rotation.

Reversering av motorn kan också uppnås genom att ändra riktningen på strömmen i motorns fältlindning. En sådan omvändning används i de fall där hög hastighet inte krävs eftersom fältlindningen har en mycket hög induktans jämfört med ankarlindningen. Ett sådant omvänt slag används ofta för tyristordrivningar av huvudrörelsen hos metallskärmaskiner.

Den andra uppsättningen tyristorer gör det också möjligt att utföra bromsningslägen som kräver en förändring av strömriktningen i ankaret på den elektriska motorn.Tyristorer i de aktuella drivkretsarna används för att slå på och stänga av motorn, samt för att begränsa start- och bromsströmmarna, vilket eliminerar behovet av att använda kontaktorer, såväl som start- och bromsreostater.

I DC-tyristordrivkretsar är krafttransformatorer oönskade. De ökar storleken och kostnaden för installationen, så de använder ofta kretsen som visas i fig. 5 B.

I denna krets styrs tändningen av tyristorn av styrenheten BU1. Den är ansluten till ett trefasströmnät, vilket ger ström och matchar styrpulsernas faser med tyristorernas anodspänning.

En tyristordrift använder vanligtvis motorhastighetsåterkoppling. I detta fall används en tachogenerator T och en mellantransistorförstärkare UT. E-postfeedback används också. etc. c. Elmotor, realiserad genom samtidig verkan av negativ återkoppling på spänning och positiv återkoppling på ankarström.

För att justera excitationsströmmen används en tyristor T7 med en styrenhet BU2. Vid negativa halvcykler av anodspänningen, när tyristorn T7 inte passerar ström, fortsätter strömmen i OVD:n att flyta på grund av t.ex. etc. c. självinduktion, stängning genom bypassventilen B1.

Thyristor elektriska drivenheter med pulsbreddskontroll

I de övervägda tyristordrifterna drivs motorn av spänningspulser med en frekvens på 50 Hz. För att öka svarshastigheten rekommenderas att öka pulsfrekvensen.Detta uppnås i tyristordrifter med pulsbreddskontroll, där rektangulära DC-pulser av varierande varaktighet (latitud) med en frekvens på upp till 2-5 kHz passerar genom motorankaret. Förutom höghastighetsrespons ger sådan styrning stora motorvarvtalsregleringsområden och högre energiprestanda.

Med pulsbreddskontroll drivs motorn av en okontrollerad likriktare, och tyristorn kopplad i serie med ankaret stängs och öppnas periodiskt. I detta fall passerar DC-pulserna genom motorns ankarkrets. En förändring av varaktigheten (latitud) för dessa pulser resulterar i en förändring av elmotorns rotationshastighet.

Eftersom tyristorn i detta fall arbetar med konstant spänning, används speciella kretsar för att stänga den. Ett av de enklaste pulsbreddskontrollschemana visas i fig. 6.

Ris. 6. Tyristor elektrisk drivning med pulsbreddskontroll

I denna krets stängs tyristorn Tr av när dämpningstyristorn Tr slås på. När denna tyristor öppnas laddas den laddade kondensatorn C ur till strypa Dr1, vilket skapar ett betydande e. etc. c. I detta fall uppstår en spänning i ändarna av choken, som är större än spänningen U på likriktaren och riktad mot den.

Genom en likriktare och shuntdiod D1 läggs denna spänning på tyristorn Tr och får den att stängas av. När tyristorn stängs av laddas kondensatorn C igen till kopplingsspänningen Uc > U.

På grund av den ökade frekvensen av strömpulser och motorarmaturens tröghet återspeglas strömförsörjningens pulskaraktär praktiskt taget inte i motorrotationens jämnhet. Tyristorerna Tr och Tr öppnas av en speciell fasförskjutningskrets som gör att pulsbredden kan ändras.

Den elektriska industrin producerar olika modifieringar av fullt reglerade tyristor DC-drivenheter. Bland dem finns drivningar med 1:20 hastighetskontrollområden; 1:200; 1: 2000 genom att ändra spänningen, irreversibla och reversibla drivningar, med och utan elektrisk broms. Styrningen utförs med hjälp av transistorfaspulsanordningar. Drivsystem använder negativ återkoppling på motorvarvtal och e. ​​räknare etc. med

Fördelarna med tyristordrifter är höga energiegenskaper, liten storlek och vikt, frånvaron av något roterande maskineri förutom en elmotor, hög hastighet och konstant beredskap för arbete.Den största nackdelen med tyristordrivningar är deras fortfarande höga kostnad, som avsevärt överstiger kostnaden för drivningar med en elektrisk maskin och magnetiska förstärkare.

För närvarande finns det en stadig trend mot utbredd ersättning av tyristor DC-frekvensomriktare med frekvensomriktare med variabel frekvens.