Tirisztoros elektromos hajtás

Az iparban széles körben alkalmazzák a vezérelt félvezető szelepekkel - tirisztorokkal - rendelkező aktuátorokat. A tirisztorokat akár több száz amperes áramerősségre, 1000 voltos vagy annál nagyobb feszültségre gyártják. Megkülönböztetik őket a nagy hatékonyság, a viszonylag kis méret, a nagy sebesség és a környezeti hőmérséklet széles tartományában való munkaképesség (-60 és +60 ° C között).

A tirisztor nem teljesen vezérelhető eszköz, amely a megfelelő potenciál vezérlőelektródára történő kapcsolásával kapcsol be, és csak az áramkör kényszerített megszakításával kapcsol ki a megszakítási feszültség, a nulláról való természetes átmenet vagy egy csillapítás miatt. ellenkező előjelű feszültség. A vezérlőfeszültség betáplálásának időzítésének (késleltetésének) változtatásával az egyenirányított feszültség átlagértékét, és ezzel a motor fordulatszámát állíthatja be.

Az egyenirányított feszültség átlagos értékét szabályozás hiányában elsősorban a tirisztoros átalakító kapcsolóáramköre határozza meg. A jelátalakító áramkörök két osztályba sorolhatók: zéró húzású és áthidaló.

Közepes és nagy teljesítményű berendezésekben elsősorban hídkonverter áramköröket használnak, aminek főként két oka van:

• kisebb feszültség az egyes tirisztorokon,

• a transzformátor tekercsén átfolyó állandó áramú komponens hiánya.

Az átalakító áramkörök a fázisok számában is eltérhetnek: egytől az alacsony teljesítményű berendezésekben a 12-24-ig az erős átalakítókban.

A tirisztoros konverterek minden változata pozitív tulajdonságokkal, például alacsony tehetetlenséggel, forgó elemek hiányával, kisebb mérettel (az elektromechanikus konverterekhez képest) számos hátránnyal rendelkezik:

1. Nehéz csatlakozás a hálózathoz: a hálózat összes feszültségingadozása közvetlenül a hajtásrendszerbe kerül, és a terhelés megnő, a motor tengelyei azonnal átkerülnek a hálózatra és áramütéseket okoznak.

2. Alacsony teljesítménytényező a feszültség lefelé állításakor.

3. Magasabb harmonikusok generálása, terhelés az elektromos hálózaton.

A tirisztoros átalakítóval hajtott motor mechanikai jellemzőit az armatúrára adott feszültség és a terhelés hatására bekövetkező változás jellege, azaz a konverter külső jellemzői, valamint a konverter és a motor paraméterei határozzák meg.

A tirisztor készüléke és működési elve

A tirisztor (1. ábra, a) egy négyrétegű szilícium félvezető, két pn átmenettel és egy n-p átmenettel. Az Ua anódfeszültség hatására a tirisztoron áthaladó Az áram nagysága az Uy vezérlőfeszültség hatására a vezérlőelektródán áthaladó Az áramtól függ.

Ha nincs vezérlőáram (Azy = 0), akkor az U feszültség növekedésével a P felhasználó áramkörében az A áram növekszik, de nagyon kis érték marad (1. ábra, b).

Rizs. 1. A tirisztor blokkvázlata (a), áram-feszültség karakterisztikája (b) és felépítése (c)

Ekkor a nem vezető irányban bekapcsolt n-p átmenet nagy ellenállással rendelkezik. Az anódfeszültség egy bizonyos Ua1 értékénél, amelyet nyitó-, gyújtó- vagy kapcsolási feszültségnek neveznek, a blokkolóréteg lavinatörése következik be, ellenállása kicsi lesz, és az áramerősség az Rp ellenállással az Ohm törvénye szerint meghatározott értékre nő. a felhasználó P.

Az Iу áram növekedésével az Ua feszültség csökken. Azt az Iu áramot, amelynél az Ua feszültség eléri a legalacsonyabb értéket, korrekcióval I áramnak nevezzük.

A tirisztor zár, ha az Ua feszültség megszűnik, vagy az előjel megváltozik. A tirisztor I névleges árama az előrefelé folyó áram legnagyobb átlagértéke, amely nem okoz elfogadhatatlan túlmelegedést.

Un névleges feszültségnek nevezzük azt a legnagyobb megengedett amplitúdójú feszültséget, amelynél a készülék adott megbízhatósága biztosított.

A névleges áram által előidézett Δnem feszültségesést névleges feszültségesésnek nevezzük (általában ΔUn = 1 — 2 V).

A korrekció Ic áramerősségének értéke 0,1 — 0,4 A határok között ingadozik Uc 6 — 8 V feszültség mellett.

A tirisztor megbízhatóan nyit 20-30 μs impulzusidővel. Az impulzusok közötti intervallum nem lehet kevesebb 100 μs-nál. Amikor az Ua feszültség nullára csökken, a tirisztor kikapcsol.

A tirisztor külső kialakítása a 2. ábrán látható.1, v… Réz alapú 1 tizenhatodik szilícium négyrétegű szerkezet 2 menetes véggel, 3 negatív teljesítménnyel és 4 kimenet vezérlésével. A szilícium szerkezetet egy hengeres fémház védi 5. A szigetelő a 6 házban van rögzítve. Az 1 alapon lévő menet segítségével egy tirisztort szerelnek be, és csatlakoztatják az anód feszültségforrását a pozitív pólushoz.

Az Ua feszültség növekedésével a tirisztor nyitásához szükséges vezérlőáram csökken (lásd 1. ábra, b). A vezérlő nyitási árama arányos a vezérlő nyitási feszültségével uyo.

Ha Uа a szinuszos törvény szerint változik (2. ábra), akkor a szükséges feszültség és a 0 nyitás szaggatott vonallal ábrázolható. Ha az alkalmazott Uy1 vezérlőfeszültség állandó és értéke az uuo feszültség minimális értéke alatt van, akkor a tirisztor nem nyit ki.

Ha a vezérlőfeszültséget Uy2 értékre növeljük, akkor a tirisztor nyit, amint az Uy2 feszültség nagyobb lesz, mint az uyo feszültség. Az uу érték megváltoztatásával a tirisztor nyitási szöge 0 és 90° között változtatható.

Rizs. 2. Tirisztoros vezérlés

A tirisztor 90 ° feletti szögben történő kinyitásához változó uy vezérlőfeszültséget használnak, amely például szinuszosan változik. E feszültség szinuszhullámának az uuo = f (ωt) pontozott görbével való metszéspontjának megfelelő feszültségnél a Tiristor kinyílik.

Az uyo szinuszos vízszintes jobbra vagy balra mozgatásával megváltoztathatja a tirisztor ωt0 nyitási szögét. Ezt a nyitási szög szabályozást vízszintesnek nevezzük. Ez speciális fáziskapcsolókkal történik.

Ugyanannak a szinuszhullámnak függőleges felfelé vagy lefelé mozgatásával a nyitási szög is módosítható. Az ilyen menedzsmentet vertikálisnak nevezik. Ebben az esetben a tyy változó feszültségszabályozással adjunk hozzá állandó feszültséget algebrailag, például az Uy1 feszültséget... A nyitási szöget ennek a feszültségnek a nagyságának változtatásával állítjuk be.

Nyitás után a tirisztor a pozitív félciklus végéig nyitva marad, és a vezérlőfeszültség nem befolyásolja a működését. Ez lehetővé teszi az impulzusvezérlés alkalmazását is a pozitív vezérlőfeszültség impulzusok időszakos, megfelelő időben történő alkalmazásával (2. ábra alul). Ez növeli a vezérlés tisztaságát.

A tirisztor nyitási szögének ilyen vagy olyan változtatásával különböző formájú feszültségimpulzusok juttathatók a felhasználóra. Ez megváltoztatja az átlagos feszültség értékét a felhasználói terminálokon.

A tirisztorok vezérlésére különféle eszközöket használnak. ábrán látható sémában. A 3. ábrán az AC hálózati feszültség a Tp1 transzformátor primer tekercsére van kapcsolva.

Rizs. 3. Tirisztor vezérlő áramkör

Ennek a transzformátornak a szekunder áramkörében egy teljes hullámú B egyenirányító található.1, B2, B3, B4 jelentős L induktivitással az egyenáramú áramkörben. A gyakorlati hullámáram gyakorlatilag megszűnt. De ilyen egyenáramot csak az ábrán látható formájú váltakozó áram teljes hullámú egyenirányításával lehet elérni. 4, a.

Így ebben az esetben a B1, B2, B3, B4 egyenirányító (lásd a 3. ábrát) váltóáramú átalakító. Ebben a sémában a C1 és C2 kondenzátorok téglalap alakú áramimpulzusokkal váltakoznak (4. ábra, a).Ebben az esetben a C1 és C2 kondenzátorok lemezein (4. ábra, b) keresztirányú fűrészfogú feszültség keletkezik, amelyet a T1 és T2 tranzisztorok alapjaira vezetnek (lásd 3. ábra).

Ezt a feszültséget referenciafeszültségnek nevezzük. Az Uy DC feszültség az egyes tranzisztorok fő áramkörében is működik. Ha a fűrészfeszültség nulla, az Uy feszültség pozitív potenciálokat hoz létre mindkét tranzisztor bázisán. Minden tranzisztor negatív bázispotenciál melletti bázisárammal nyit.

Ez akkor történik, ha a fűrész referenciafeszültségének negatív értékei nagyobbak, mint Uy (4. ábra, b). Ez a feltétel az Uy értékétől függően teljesül a fázisszög különböző értékeinél. Ebben az esetben a tranzisztor az Uy feszültség nagyságától függően különböző ideig nyit.

Rizs. 4. A tirisztoros vezérlőfeszültségek diagramjai

Amikor az egyik vagy a másik tranzisztor kinyílik, téglalap alakú áramimpulzus halad át a Tr2 vagy Tr3 transzformátor primer tekercsén (lásd 3. ábra). Amikor ennek az impulzusnak a bevezető éle áthalad, feszültségimpulzus lép fel a szekunder tekercsben, amelyet a tirisztor vezérlőelektródájára alkalmaznak.

Amikor az áramimpulzus hátulja áthalad a szekunder tekercsen, ellentétes polaritású feszültségimpulzus lép fel. Ezt az impulzust egy félvezető dióda zárja le, amely megkerüli a szekunder tekercset, és nem kerül rá a tirisztorra.

Ha a tirisztorokat két transzformátorral vezérlik (lásd a 3. ábrát), két impulzus keletkezik, 180°-kal eltolva a fázist.

Tirisztoros motorvezérlő rendszerek

Az egyenáramú motorok tirisztoros vezérlőrendszereiben a motor egyenáramú armatúra feszültségének változását használják a motor fordulatszámának szabályozására. Ezekben az esetekben általában többfázisú egyenirányító sémákat alkalmaznak.

ábrán. 5. ábra, és az ilyen jellegű legegyszerűbb diagram egy folytonos vonallal látható. Ebben az áramkörben a T1, T2, T3 tirisztorok mindegyike sorba van kötve a transzformátor szekunder tekercsével és a motor armatúrájával; NS. stb. c) a szekunder tekercsek fázison kívül vannak. Ezért a tirisztorok nyitási szögének szabályozása során egymáshoz képest fáziseltolásos feszültségimpulzusok kerülnek a motor armatúrájára.

Rizs. 5. Tirisztoros meghajtó áramkörök

Többfázisú áramkörben szakaszos és folyamatos áramok haladhatnak át a motor armatúráján, a tirisztorok választott gyújtási szögétől függően. Egy megfordítható elektromos hajtás (5. ábra, a, a teljes áramkör) két tirisztorkészletet használ: T1, T2, T3 és T4, T5, T6.

Egy bizonyos csoport tirisztorainak kinyitásával megváltoztatják az áram irányát az elektromos motor armatúrájában, és ennek megfelelően a forgásirányát.

A motor megfordítása a motor terepi tekercsében lévő áram irányának megváltoztatásával is megvalósítható. Az ilyen megfordítást olyan esetekben alkalmazzák, amikor nincs szükség nagy sebességre, mert a terepi tekercs induktivitása nagyon magas az armatúra tekercséhez képest. Az ilyen fordított löketet gyakran használják a fémvágó gépek fő mozgásának tirisztoros hajtásaihoz.

A tirisztorok második készlete lehetővé teszi olyan fékezési módok végrehajtását is, amelyek megkövetelik az áram irányának megváltoztatását az elektromos motor armatúrájában.A vizsgált meghajtó áramkörökben lévő tirisztorok a motor be- és kikapcsolására, valamint az indító- és fékáram korlátozására szolgálnak, így nincs szükség kontaktorokra, valamint indító- és fékezőreosztátokra.

Az egyenáramú tirisztoros meghajtó áramkörökben nem kívánatosak a teljesítménytranszformátorok, amelyek megnövelik a beépítés méretét és költségét, ezért gyakran használják az ábrán látható áramkört. 5 B.

Ebben az áramkörben a tirisztor gyújtását a BU1 vezérlőegység vezérli. Háromfázisú áramhálózatra csatlakozik, ezáltal tápellátást biztosít és a vezérlőimpulzusok fázisait a tirisztorok anódfeszültségéhez igazítja.

A tirisztoros hajtás általában motorfordulatszám-visszacsatolást használ. Ebben az esetben egy T tachogenerátort és egy UT közbenső tranzisztoros erősítőt használnak. E-mailes visszajelzést is használnak. stb. c) villanymotor, amely a feszültség negatív visszacsatolása és az armatúraáram pozitív visszacsatolása egyidejű működésével valósul meg.

A gerjesztőáram beállításához T7 tirisztort használnak BU2 vezérlőegységgel. Az anódfeszültség negatív félciklusainál, amikor a T7 tirisztor nem engedi át az áramot, az OVD árama tovább folyik e miatt. stb. c) önindukció, zárás a B1 bypass szelepen keresztül.

Tirisztoros elektromos hajtások impulzusszélesség-szabályozással

A vizsgált tirisztoros hajtásoknál a motort 50 Hz frekvenciájú feszültségimpulzusok táplálják. A válaszsebesség növelése érdekében javasolt az impulzusfrekvencia növelése.Ez az impulzusszélesség-szabályozású tirisztoros hajtásoknál érhető el, ahol a motor armatúráján változó időtartamú (szélességi) téglalap alakú egyenáramú impulzusok haladnak át 2-5 kHz-ig. A nagy sebességű reakció mellett az ilyen szabályozás nagy motorfordulatszám-szabályozási tartományokat és nagyobb energiateljesítményt biztosít.

Impulzusszélesség-szabályozás esetén a motort egy szabályozatlan egyenirányító táplálja, és az armatúrával sorba kapcsolt tirisztort időszakosan zárják és nyitják. Ebben az esetben a DC impulzusok áthaladnak a motor armatúra áramkörén. Ezen impulzusok időtartamának (szélességi fokának) változása az elektromos motor forgási sebességének változását eredményezi.

Mivel ebben az esetben a tirisztor állandó feszültséggel működik, speciális áramkörök zárják le. Az egyik legegyszerűbb impulzusszélesség-szabályozási séma az ábrán látható. 6.

Rizs. 6. Tirisztoros elektromos hajtás impulzusszélesség-szabályozással

Ebben az áramkörben a Tr tirisztor kikapcsol, amikor a Tr csillapító tirisztor be van kapcsolva. Amikor ez a tirisztor kinyílik, a feltöltött C kondenzátor kisül gázkar Dr1, jelentős e. stb. c) Ebben az esetben a fojtószelep végein egy feszültség jelenik meg, amely nagyobb, mint az egyenirányító U feszültsége, és arra irányul.

Az egyenirányítón és a D1 söntdiódán keresztül ez a feszültség a Tr tirisztorra kerül, és kikapcsolja. A tirisztor kikapcsolásakor a C kondenzátor újra feltöltődik Uc > U kapcsolási feszültségre.

Az áramimpulzusok megnövekedett gyakorisága és a motor armatúrájának tehetetlensége miatt a tápegység impulzus jellege gyakorlatilag nem tükröződik a motor forgásának egyenletességében. A Tr és Tr tirisztorokat egy speciális fázistoló áramkör nyitja, amely lehetővé teszi az impulzusszélesség megváltoztatását.

Az elektromos ipar a teljesen szabályozott tirisztoros egyenáramú hajtások különféle módosításait gyártja. Ezek között vannak 1:20 sebességszabályozási tartományú meghajtók; 1:200; 1: 2000 a feszültség változtatásával, irreverzibilis és reverzibilis hajtásokkal, elektromos fékkel és anélkül. A vezérlés tranzisztoros fázisimpulzus eszközökkel történik. A hajtások negatív visszacsatolást használnak a motor fordulatszámára és e. számlálójára stb. val vel

A tirisztoros hajtások előnyei a nagy energiajellemzők, a kis méret és tömeg, a villanymotoron kívül más forgó gépezet hiánya, a nagy fordulatszám és az állandó munkakészültség A tirisztoros hajtások fő hátránya a még mindig magas költség, amely jelentősen meghaladja az elektromos géppel és mágneses erősítőkkel ellátott meghajtók költsége.

Jelenleg folyamatos a tendencia a tirisztoros egyenáramú hajtások széles körben történő cseréje felé változtatható frekvenciájú váltóáramú hajtások.