Tyristori sähkökäyttö

Teollisuudessa käytetään laajalti toimilaitteita ohjatuilla puolijohdeventtiileillä - tyristoreilla. Tyristorit valmistetaan satojen ampeerien virroille, 1000 voltin tai suuremmille jännitteille. Ne erottuvat korkeasta hyötysuhteesta, suhteellisen pienestä koosta, suuresta nopeudesta ja kyvystä työskennellä monenlaisissa ympäristön lämpötiloissa (-60 - +60 ° C).

Tyristori ei ole täysin ohjattava laite, joka kytketään päälle ohjaamalla vastaava potentiaali ohjauselektrodille, ja se sammuu vain virtapiirin pakotetulla katkaisulla keskeytysjännitteen, sen luonnollisen siirtymisen nollasta tai vaimennuksen vuoksi. vastakkaisen merkin jännite. Ohjausjännitteen syöttämisen ajoitusta (sen viivettä) muuttamalla voidaan säätää tasasuunnatun jännitteen keskiarvoa ja siten moottorin nopeutta.

Tasasuunnatun jännitteen keskiarvo ilman säätöä määräytyy pääasiassa tyristorimuuntimen kytkentäpiirin mukaan. Anturipiirit on jaettu kahteen luokkaan: nollaveto- ja siltapiirit.

Keski- ja suuritehoisissa asennuksissa käytetään pääasiassa siltamuunninpiirejä, mikä johtuu pääasiassa kahdesta syystä:

• vähemmän jännitettä jokaisessa tyristoreissa,

• muuntajan käämien läpi virtaavan vakiovirtakomponentin puuttuminen.

Muuntopiirit voivat vaihdella myös vaiheiden lukumäärän suhteen: yhdestä pienitehoisissa asennuksissa 12–24:ään tehokkaissa muuntimissa.

Kaikilla tyristorimuuntimien versioilla sekä positiivisilla ominaisuuksilla, kuten alhainen inertia, pyörivien elementtien puute, kooltaan pienempi (verrattuna sähkömekaanisiin muuntimiin), on useita haittoja:

1. Kova yhteys verkkoon: kaikki verkon jännitteen vaihtelut välittyvät suoraan käyttöjärjestelmään ja kuormitus kasvaa, moottorin akselit siirtyvät välittömästi verkkoon ja aiheuttavat sähköiskuja.

2. Pieni tehokerroin, kun jännitettä säädetään alas.

3. Korkeampien harmonisten syntyminen, sähköverkon kuormitus.

Tyristorimuuntimella käytettävän moottorin mekaaniset ominaisuudet määräytyvät ankkuriin kohdistuvan jännitteen ja sen kuormituksen mukana tapahtuvan muutoksen luonteen eli muuntimen ulkoisten ominaisuuksien sekä muuntimen ja moottorin parametrien perusteella.

Tyristorin laite ja toimintaperiaate

Tyristori (kuva 1, a) on nelikerroksinen piipuolijohde, jossa on kaksi pn-liitosta ja yksi n-p-liitos. Anodijännitteen Ua vaikutuksesta tyristorin läpi kulkevan virran Azsu riippuu virrasta Azkun aikana, joka kulkee ohjauselektrodin läpi ohjausjännitteen Uy vaikutuksesta.

Jos ohjausvirtaa ei ole (Azy = 0), niin jännitteen U kasvaessa virta A käyttäjän P piirissä kasvaa, mutta jää kuitenkin hyvin pieneksi arvoksi (kuva 1, b).

Riisi. 1. Tyristorin lohkokaavio (a), virta-jännite-ominaisuus (b) ja rakenne (c)

Tällä hetkellä johtamattomaan suuntaan kytketyllä n-p-liitoksella on korkea vastus. Tietyllä anodijännitteen arvolla Ua1, jota kutsutaan avaus-, sytytys- tai kytkentäjännitteeksi, tapahtuu sulkukerroksen lumivyöry, jonka resistanssi pienenee ja virran voimakkuus kasvaa Ohmin lain mukaisesti vastuksen Rp määräämään arvoon. käyttäjältä P.

Kun virta Iу kasvaa, jännite Ua pienenee. Virtaa Iu, jolla jännite Ua saavuttaa alimman arvon, kutsutaan virraksi I korjauksella.

Tyristori sulkeutuu, kun jännite Ua poistetaan tai sen etumerkki muuttuu. Tyristorin nimellisvirta I on suurin eteenpäin suuntautuvan virran keskiarvo, joka ei aiheuta liiallista ylikuumenemista.

Nimellisjännitteeksi Un kutsutaan suurinta sallittua amplitudijännitettä, jolla laitteen annettu luotettavuus varmistetaan.

Nimellisvirran aiheuttamaa jännitehäviötä ΔEi, kutsutaan nimellisjännitehäviöksi (yleensä ΔUn = 1 — 2 V).

Korjauksen virranvoimakkuuden Ic arvo vaihtelee 0,1 - 0,4 A rajoissa jännitteellä Uc 6 - 8 V.

Tyristori avautuu luotettavasti pulssin kestolla 20 - 30 μs. Pulssien välinen aika ei saa olla alle 100 μs. Kun jännite Ua putoaa nollaan, tyristori sammuu.

Tyristorin ulkoinen rakenne on esitetty kuvassa.1, v… Kuparipohjainen 1 kuudestoista pii-nelikerroksinen rakenne 2 kierteellä, negatiivisella teholla 3 ja 4 lähdön ohjauksella. Piirakennetta suojaa sylinterimäinen metallikotelo 5. Eristin on kiinnitetty koteloon 6. Pohjassa 1 olevalla kierteellä asennetaan tyristori ja kytketään anodijännitelähde positiiviseen napaan.

Kun jännite Ua kasvaa, tyristorin avaamiseen tarvittava ohjausvirta pienenee (katso kuva 1, b). Ohjauksen avausvirta on verrannollinen ohjauksen avausjännitteeseen uyo.

Jos Uа muuttuu sinimuotoisen lain mukaan (kuva 2), niin vaadittu jännite ja 0-aukko voidaan kuvata katkoviivalla. Jos käytetty ohjausjännite Uy1 on vakio ja sen arvo on alle jännitteen uuo minimiarvon, tyristori ei avaudu.

Jos ohjausjännite nostetaan arvoon Uy2, tyristori avautuu heti, kun jännite Uy2 on suurempi kuin jännite uyo. Muuttamalla uу-arvoa voit muuttaa tyristorin avautumiskulmaa välillä 0 - 90°.

Riisi. 2. Tyristoriohjaus

Tyristorin avaamiseen yli 90° kulmissa käytetään säädettävää ohjausjännitettä uy, joka muuttuu esimerkiksi sinimuotoisesti. Jännitteellä, joka vastaa tämän jännitteen siniaallon ja pistekäyrän uuo = f (ωt) leikkauskohtaa, Tiristor avautuu.

Siirtämällä sinimuotoa uyo vaakasuunnassa oikealle tai vasemmalle, voit muuttaa tyristorin aukon kulmaa ωt0. Tätä avautumiskulman säätöä kutsutaan vaakasuuntaiseksi. Se suoritetaan erityisillä vaihekytkimillä.

Siirtämällä samaa siniaaltoa pystysuunnassa ylös tai alas, voit myös muuttaa avautumiskulmaa. Tällaista hallintaa kutsutaan vertikaaliseksi. Tässä tapauksessa säädettävällä jänniteohjauksella tyy lisää vakiojännite algebrallisesti, esimerkiksi jännite Uy1... Avautumiskulmaa säädetään muuttamalla tämän jännitteen suuruutta.

Kun tyristori on avattu, se pysyy auki positiivisen puolijakson loppuun asti eikä ohjausjännite vaikuta sen toimintaan. Tämä mahdollistaa myös pulssiohjauksen soveltamisen ajoittain positiivisia ohjausjännitepulsseja oikeaan aikaan (kuva 2 alhaalla). Tämä lisää ohjauksen selkeyttä.

Tyristorin avautumiskulmaa tavalla tai toisella muuttamalla käyttäjälle voidaan kohdistaa erimuotoisia jännitepulsseja. Tämä muuttaa keskimääräisen jännitteen arvoa käyttäjän liittimissä.

Tyristoreiden ohjaamiseen käytetään erilaisia ​​laitteita. Kuvan kaaviossa Kuviossa 3 AC-verkkojännite syötetään muuntajan Tp1 ensiökäämiin.

Riisi. 3. Tyristoriohjauspiiri

Täysaaltotasasuuntaaja B sisältyy tämän muuntajan toisiopiiriin.1, B2, B3, B4, jolla on merkittävä induktanssi L tasavirtapiirissä. Käytännön aaltovirta on käytännössä eliminoitu. Mutta tällainen tasavirta voidaan saada vain täysaaltotasasuuntaamalla vaihtovirtaa, jolla on kuvan 1 mukainen muoto. 4, a.

Tässä tapauksessa tasasuuntaaja B1, B2, B3, B4 (katso kuva 3) on siis vaihtovirran muodossa oleva muunnin. Tässä kaaviossa kondensaattorit C1 ja C2 vuorottelevat sarjassa suorakaiteen muotoisten virtapulssien kanssa (kuva 4, a).Tässä tapauksessa kondensaattoreiden C1 ja C2 levyille (kuva 4, b) muodostetaan poikittaissuuntainen sahanhammasjännite, joka syötetään transistorien T1 ja T2 kannaksiin (katso kuva 3).

Tätä jännitettä kutsutaan referenssijännitteeksi. Tasajännite Uy toimii myös jokaisen transistorin pääpiirissä. Kun sahan jännite on nolla, jännite Uy luo positiivisia potentiaalia molempien transistorien kannalle. Jokainen transistori avautuu kantavirralla negatiivisessa kantapotentiaalissa.

Tämä tapahtuu, kun sahan referenssijännitteen negatiiviset arvot osoittautuvat suuremmiksi kuin Uy (kuva 4, b). Tämä ehto täyttyy Uy:n arvosta riippuen vaihekulman eri arvoilla. Tässä tapauksessa transistori avautuu eri ajanjaksoiksi jännitteen Uy suuruudesta riippuen.

Riisi. 4. Tyristorien ohjausjännitteiden kaaviot

Kun toinen tai toinen transistori avautuu, suorakaiteen muotoinen virtapulssi kulkee muuntajan Tr2 tai Tr3 ensiökäämin läpi (katso kuva 3). Kun tämän pulssin etureuna kulkee, toisiokäämissä tapahtuu jännitepulssi, joka syötetään tyristorin ohjauselektrodiin.

Kun virtapulssin takaosa kulkee toisiokäämin läpi, syntyy vastakkaisen napaisuuden omaava jännitepulssi. Tämän pulssin sulkee puolijohdediodi, joka ohittaa toisiokäämin ja jota ei syötetä tyristoriin.

Kun tyristoreita ohjataan (katso kuva 3) kahdella muuntajalla, syntyy kaksi pulssia, jotka on siirretty 180°.

Tyristorimoottorin ohjausjärjestelmät

Tasavirtamoottoreiden tyristoriohjausjärjestelmissä moottorin DC-ankkurijännitteen muutosta käytetään säätämään sen nopeutta. Näissä tapauksissa käytetään yleensä monivaiheisia tasasuuntausmenetelmiä.

Kuvassa 5, ja yksinkertaisin tällainen kaavio on esitetty yhtenäisellä viivalla. Tässä piirissä kukin tyristoreista T1, T2, T3 on kytketty sarjaan muuntajan toisiokäämin ja moottorin ankkurin kanssa; NS. jne. c. toisiokäämit ovat epävaiheessa. Siksi jännitepulsseja, jotka ovat vaihesiirrettyjä suhteessa toisiinsa, johdetaan moottorin ankkuriin ohjattaessa tyristorien avautumiskulmaa.

Riisi. 5. Tyristorikäyttöpiirit

Monivaihepiirissä moottorin ankkurin läpi voivat kulkea jaksottaiset ja jatkuvat virrat riippuen tyristorien valitusta laukaisukulmasta. Käännettävä sähkökäyttö (kuva 5, a, koko piiri) käyttää kahta sarjaa tyristoreita: T1, T2, T3 ja T4, T5, T6.

Avaamalla tietyn ryhmän tyristorit ne muuttavat virran suuntaa sähkömoottorin ankkurissa ja vastaavasti sen pyörimissuuntaa.

Moottorin suunnanvaihto voidaan tehdä myös muuttamalla virran suuntaa moottorin kenttäkäämissä. Tällaista käänteistä käytetään tapauksissa, joissa suurta nopeutta ei vaadita, koska kenttäkäämillä on erittäin korkea induktanssi ankkurikäämiin verrattuna. Tällaista käänteistä iskua käytetään usein metallinleikkauskoneiden pääliikkeen tyristorikäytöissä.

Toinen tyristorisarja mahdollistaa myös jarrutustilojen suorittamisen, jotka edellyttävät virran suunnan muutosta sähkömoottorin ankkurissa.Tarkasteltavana olevissa käyttöpiireissä olevia tyristoreita käytetään moottorin käynnistämiseen ja sammuttamiseen sekä käynnistys- ja jarrutusvirtojen rajoittamiseen, jolloin kontaktorien sekä käynnistys- ja jarrutusreostaattien käyttöä ei tarvita.

Tasavirtatyristorikäyttöpiireissä tehomuuntajat eivät ole toivottavia, koska ne lisäävät asennuksen kokoa ja kustannuksia, joten niissä käytetään usein kuvan 1 mukaista piiriä. 5 B.

Tässä piirissä tyristorin sytytystä ohjaa ohjausyksikkö BU1. Se on kytketty kolmivaiheiseen virtaverkkoon, mikä tuottaa tehoa ja sovittaa ohjauspulssien vaiheet tyristorien anodijännitteeseen.

Tyristorikäyttö käyttää yleensä moottorin nopeuden takaisinkytkentää. Tässä tapauksessa käytetään takogeneraattoria T ja välitransistorivahvistinta UT. Myös sähköpostipalautetta käytetään. jne. c. sähkömoottori, joka toteutetaan samanaikaisesti negatiivisen jännitteen ja ankkurivirran positiivisen takaisinkytkennän vaikutuksesta.

Herätysvirran säätämiseen käytetään tyristoria T7, jossa on ohjausyksikkö BU2. Anodijännitteen negatiivisilla puolijaksoilla, kun tyristori T7 ei kulje läpi virtaa, virta jatkuu OVD:ssä johtuen e. jne. c. itseinduktio, sulkeutuu ohitusventtiilin B1 kautta.

Tyristorisähkökäytöt pulssinleveyden säädöllä

Tarkastetuissa tyristorikäytöissä moottori saa virtaa jännitepulsseista, joiden taajuus on 50 Hz. Vastenopeuden lisäämiseksi on suositeltavaa lisätä pulssitaajuutta.Tämä saavutetaan pulssinleveyssäädöllä varustetuissa tyristorikäytöissä, joissa suorakaiteen muotoiset tasavirtapulssit, joiden kesto (leveysaste) vaihtelevat taajuudella 2-5 kHz, kulkevat moottorin ankkurin läpi. Nopean vasteen lisäksi tällainen ohjaus tarjoaa suuret moottorin nopeuden säätöalueet ja paremman energiatehokkuuden.

Pulssinleveyssäädöllä moottori saa virtaa ohjaamattomasta tasasuuntaajasta, ja ankkurin kanssa sarjaan kytketty tyristori suljetaan ja avataan ajoittain. Tässä tapauksessa DC-pulssit kulkevat moottorin ankkuripiirin läpi. Muutos näiden pulssien kestossa (leveysaste) johtaa muutokseen sähkömoottorin pyörimisnopeudessa.

Koska tässä tapauksessa tyristori toimii vakiojännitteellä, sen sulkemiseen käytetään erityisiä piirejä. Yksi yksinkertaisimmista pulssinleveyden säätömalleista on esitetty kuvassa. 6.

Riisi. 6. Tyristorisähkökäyttö pulssinleveyden säädöllä

Tässä piirissä tyristori Tr kytkeytyy pois päältä, kun vaimennustyristori Tr kytketään päälle. Kun tämä tyristori avautuu, ladattu kondensaattori C purkautuu kaasua Dr1, luomalla merkittävän e. jne. c. Tässä tapauksessa kuristimen päihin ilmestyy jännite, joka on suurempi kuin tasasuuntaajan jännite U ja suunnattu sitä kohti.

Tasasuuntaajan ja shunttidiodin D1 kautta tämä jännite syötetään tyristoriin Tr ja saa sen sammumaan. Kun tyristori sammutetaan, kondensaattori C latautuu uudelleen kytkentäjännitteeseen Uc > U.

Virtapulssien lisääntyneen taajuuden ja moottorin ankkurin hitauden vuoksi teholähteen pulssiluonne ei käytännössä heijastu moottorin pyörimisen tasaisuuteen. Tyristorit Tr ja Tr avataan erityisellä vaiheensiirtopiirillä, joka mahdollistaa pulssin leveyden muuttamisen.

Sähköteollisuus valmistaa erilaisia ​​muunnelmia täysin säädetyistä tyristorisista tasavirtakäytöistä. Niiden joukossa on taajuusmuuttajia, joiden nopeussäätöalue on 1:20; 1: 200; 1: 2000 jännitettä vaihtamalla, irreversiibelit ja käännettävät käytöt, sähköjarrulla ja ilman. Ohjaus suoritetaan transistorin vaihepulssilaitteiden avulla. Taajuusmuuttajat käyttävät negatiivista palautetta moottorin kierrosluvuista ja sähkölaskimesta jne. kanssa

Tyristorikäyttöjen etuja ovat korkeat energiaominaisuudet, pieni koko ja paino, muiden pyörivien koneistojen kuin sähkömoottorin puuttuminen, suuri nopeus ja jatkuva työvalmius Tyristorikäyttöjen suurin haittapuoli on edelleen korkea hinta, joka ylittää huomattavasti sähkökoneella ja magneettivahvistimilla varustettujen taajuusmuuttajien hinta.

Tällä hetkellä on olemassa tasainen suuntaus kohti tyristorien tasavirtakäyttöjen laajaa korvaamista taajuusmuuttajat.