Thyristor elektrische aandrijving

In de industrie worden veel actuatoren met gestuurde halfgeleiderkleppen - thyristors - gebruikt. Thyristors worden vervaardigd voor stromen tot honderden ampères, voor spanningen tot 1000 volt of meer. Ze onderscheiden zich door een hoog rendement, relatief kleine afmetingen, hoge snelheid en het vermogen om te werken bij een breed scala aan omgevingstemperaturen (van -60 tot +60 ° C).

De thyristor is geen volledig regelbaar apparaat, dat wordt ingeschakeld door het overeenkomstige potentiaal op de stuurelektrode aan te leggen, en wordt alleen uitgeschakeld door een geforceerde onderbreking van het stroomcircuit als gevolg van onderbrekingsspanning, zijn natuurlijke overgang door nul of toevoer van een demping spanning van het tegenovergestelde teken. Door de timing van de levering van de stuurspanning te wijzigen (de vertraging), kunt u de gemiddelde waarde van de gelijkgerichte spanning en dus de snelheid van de motor aanpassen.

De gemiddelde waarde van de gelijkgerichte spanning bij afwezigheid van regeling wordt voornamelijk bepaald door het schakelcircuit van de thyristoromvormer. Transducercircuits zijn onderverdeeld in twee klassen: zero-pull en bridged.

In installaties met middelhoog en hoog vermogen worden voornamelijk brugconvertorcircuits gebruikt, voornamelijk om twee redenen:

• minder spanning op elk van de thyristors,

• afwezigheid van een constante stroomcomponent die door de transformatorwikkelingen stroomt.

Convertercircuits kunnen ook verschillen in het aantal fasen: van één in installaties met laag vermogen tot 12 - 24 in krachtige converters.

Alle varianten van thyristoromvormers hebben samen met positieve eigenschappen, zoals lage traagheid, gebrek aan roterende elementen, kleinere (vergeleken met elektromechanische omvormers) een aantal nadelen:

1. Harde verbinding met het netwerk: alle spanningsschommelingen in het netwerk worden direct doorgegeven aan het aandrijfsysteem en de belasting neemt toe, de motorassen worden onmiddellijk overgedragen aan het netwerk en veroorzaken stroomschokken.

2. Lage vermogensfactor bij het verlagen van de spanning.

3. Opwekking van hogere harmonischen, belasting op het elektriciteitsnet.

Mechanische eigenschappen van een motor aangedreven door een thyristor-omzetter worden bepaald door de spanning die op het anker wordt aangelegd en de aard van de verandering ervan met de belasting, dat wil zeggen de externe kenmerken van de omzetter en de parameters van de omzetter en de motor.

Het apparaat en het werkingsprincipe van de thyristor

Een thyristor (fig. 1, a) is een vierlaagse siliciumhalfgeleider met twee pn-overgangen en één n-p-overgang. De grootte van de stroom Az die door de thyristor gaat onder invloed van de anodespanning Ua hangt af van de stroom Az tijdens de besturing die door de stuurelektrode gaat onder invloed van de stuurspanning Uy.

Als er geen stuurstroom is (Azy = 0), zal naarmate de spanning U toeneemt, de stroom A in het circuit van de gebruiker P toenemen, maar blijft een zeer kleine waarde (Fig. 1, b).

Rijst. 1. Blokschema (a), stroom-spanningskarakteristiek (b) en opbouw (c) van de thyristor

Op dit moment heeft de np-overgang ingeschakeld in de niet-geleidende richting een hoge weerstand. Bij een bepaalde waarde Ua1 van de anodespanning, de openings-, ontstekings- of schakelspanning genoemd, treedt een lawinedoorslag van de blokkeerlaag op.De weerstand wordt klein en de stroomsterkte neemt toe tot een waarde die volgens de wet van Ohm wordt bepaald door de weerstand Rp van de gebruiker P.

Naarmate de stroom Iу toeneemt, neemt de spanning Ua af. De stroom Iu, waarbij de spanning Ua de laagste waarde bereikt, wordt met correctie de stroom I genoemd.

De thyristor sluit wanneer de spanning Ua wegvalt of wanneer het teken verandert. De nominale stroom I van de thyristor is de grootste gemiddelde waarde van de stroom die in voorwaartse richting vloeit en die geen onaanvaardbare oververhitting veroorzaakt.

Nominale spanning Un wordt de hoogst toelaatbare amplitudespanning genoemd waarbij de gegeven betrouwbaarheid van het apparaat wordt gegarandeerd.

De spanningsval ΔNiet gecreëerd door de nominale stroom wordt de nominale spanningsval genoemd (meestal ΔUn = 1 - 2 V).

De waarde van de stroomsterkte Ic van de correctie schommelt binnen de grenzen van 0,1...0,4 A bij een spanning Uc van 6...8 V.

De thyristor opent betrouwbaar met een pulsduur van 20 - 30 μs. Het interval tussen pulsen mag niet minder zijn dan 100 μs. Wanneer de spanning Ua tot nul daalt, wordt de thyristor uitgeschakeld.

Het externe ontwerp van de thyristor wordt getoond in Fig.1, v… Op koper gebaseerd 1 zestiende silicium vierlaagse structuur 2 met draadstaart, met negatief vermogen 3 en regeling van 4 uitgangen. De siliciumstructuur wordt beschermd door een cilindrische metalen behuizing 5. De isolator is bevestigd in de behuizing 6. Een schroefdraad in de basis 1 wordt gebruikt om een ​​thyristor te installeren en om de anodespanningsbron aan te sluiten op de positieve pool.

Naarmate de spanning Ua toeneemt, neemt de stuurstroom die nodig is om de thyristor te openen af ​​(zie figuur 1, b). De stuuropeningsstroom is evenredig met de stuuropeningsspanning uyo.

Als Uа verandert volgens de sinusoïdale wet (fig. 2), dan kunnen de vereiste spanning en 0-opening worden weergegeven door een stippellijn. Als de aangelegde stuurspanning Uy1 constant is en de waarde lager is dan de minimumwaarde van de spanning uuo, gaat de thyristor niet open.

Wordt de stuurspanning verhoogd tot de waarde Uy2, dan zal de thyristor openen zodra de spanning Uy2 groter wordt dan de spanning uyo. Door de uу-waarde te wijzigen, kunt u de openingshoek van de thyristor wijzigen in het bereik van 0 tot 90°.

Rijst. 2. Thyristorregeling

Om de thyristor onder hoeken boven 90 ° te openen, wordt een variabele stuurspanning uy gebruikt, die bijvoorbeeld sinusvormig verandert. Bij een spanning die overeenkomt met het snijpunt van de sinusgolf van deze spanning met de gestippelde curve uuo = f (ωt), gaat de Tiristor open.

Door de sinusoïde uyo horizontaal naar rechts of links te bewegen, kunt u de hoek ωt0 opening van de thyristor wijzigen. Deze openingshoekregeling wordt horizontaal genoemd. Het wordt uitgevoerd met behulp van speciale faseschakelaars.

Door dezelfde sinus verticaal omhoog of omlaag te bewegen, kunt u ook de openingshoek wijzigen. Een dergelijk beheer wordt verticaal genoemd. Voeg in dit geval met variabele spanningsregeling tyy algebraïsch een constante spanning toe, bijvoorbeeld de spanning Uy1... De openingshoek wordt aangepast door de grootte van deze spanning te wijzigen.

Eenmaal geopend, blijft de thyristor open tot het einde van de positieve halve cyclus en heeft de stuurspanning geen invloed op de werking ervan. Hierdoor is het ook mogelijk om pulssturing toe te passen door periodiek op het juiste moment positieve stuurspanningspulsen toe te passen (Fig. 2 onder). Dit vergroot de overzichtelijkheid van de besturing.

Door de openingshoek van de thyristor op de een of andere manier te veranderen, kunnen spanningspulsen van verschillende vormen op de gebruiker worden toegepast. Dit verandert de waarde van de gemiddelde spanning op de terminals van de gebruiker.

Er worden verschillende apparaten gebruikt om thyristors te besturen. In het schema getoond in Fig. 3 wordt de AC-netspanning aangelegd op de primaire wikkeling van de transformator Tp1.

Rijst. 3. Thyristor-regelcircuit

In het secundaire circuit van deze transformator is een dubbelfasige gelijkrichter B opgenomen.1, B2, B3, B4 met een aanzienlijke inductantie L in het DC-circuit. De praktische golfstroom is praktisch geëlimineerd. Maar zo'n gelijkstroom kan alleen worden verkregen door dubbelfasige gelijkrichting van een wisselstroom met de vorm zoals getoond in Fig. 4, een.

In dit geval is de gelijkrichter B1, B2, B3, B4 (zie figuur 3) dus een omzetter in de vorm van wisselstroom. In dit schema wisselen condensatoren C1 en C2 elkaar af in serie met rechthoekige stroompulsen (Fig. 4, a).In dit geval wordt op de platen van de condensatoren C1 en C2 (Fig. 4, b) een transversale zaagtandspanning gevormd, toegepast op de bases van de transistoren T1 en T2 (zie Fig. 3).

Deze spanning wordt de referentiespanning genoemd. De gelijkspanning Uy werkt ook in het hoofdcircuit van elke transistor. Wanneer de zaagspanning nul is, creëert de spanning Uy positieve potentialen aan de basis van beide transistoren. Elke transistor opent met een basisstroom bij een negatieve basispotentiaal.

Dit gebeurt wanneer de negatieve waarden van de zaagreferentiespanning groter blijken te zijn dan Uy (Fig. 4, b). Aan deze voorwaarde wordt voldaan afhankelijk van de waarde van Uy bij verschillende waarden van de fasehoek. In dit geval opent de transistor gedurende verschillende tijdsperioden, afhankelijk van de grootte van de spanning Uy.

Rijst. 4. Schema's van thyristorstuurspanningen

Wanneer de ene of de andere transistor opent, gaat een rechthoekige stroompuls door de primaire wikkeling van de transformator Tr2 of Tr3 (zie figuur 3). Wanneer de voorflank van deze puls passeert, ontstaat er een spanningspuls in de secundaire wikkeling, die wordt toegevoerd aan de stuurelektrode van de thyristor.

Wanneer de achterkant van de stroompuls door de secundaire wikkeling gaat, ontstaat er een spanningspuls met tegengestelde polariteit. Deze puls wordt gesloten door een halfgeleiderdiode die de secundaire wikkeling omzeilt en niet wordt toegepast op de thyristor.

Wanneer de thyristors worden aangestuurd (zie Fig. 3) met twee transformatoren, worden twee pulsen gegenereerd, in fase verschoven met 180 °.

Thyristor-motorbesturingssystemen

In thyristorbesturingssystemen voor DC-motoren wordt een verandering in de DC-ankerspanning van de motor gebruikt om de snelheid te regelen. In deze gevallen worden meestal meerfasige rectificatieschema's gebruikt.

In afb. 5, en het eenvoudigste diagram van deze soort is weergegeven met een ononderbroken lijn. In deze schakeling is elk van de thyristors T1, T2, T3 in serie geschakeld met de secundaire wikkeling van de transformator en het motoranker; NS. enz. C. de secundaire wikkelingen zijn uit fase. Daarom worden spanningspulsen die ten opzichte van elkaar in fase zijn verschoven, toegepast op het motoranker bij het regelen van de openingshoek van de thyristors.

Rijst. 5. Thyristor-aandrijfcircuits

In een meerfasig circuit kunnen intermitterende en continue stromen door het anker van de motor gaan, afhankelijk van de geselecteerde ontstekingshoek van de thyristors. Een omkeerbare elektrische aandrijving (Fig. 5, a, het hele circuit) maakt gebruik van twee sets thyristors: T1, T2, T3 en T4, T5, T6.

Door de thyristors van een bepaalde groep te openen, veranderen ze de richting van de stroom in het anker van de elektromotor en daarmee de draairichting.

Het omkeren van de motor kan ook worden bereikt door de richting van de stroom in de veldwikkeling van de motor te veranderen. Zo'n omgekeerde wordt gebruikt in gevallen waar geen hoge snelheid vereist is omdat de veldwikkeling een zeer hoge inductantie heeft in vergelijking met de ankerwikkeling. Zo'n omgekeerde slag wordt vaak gebruikt voor thyristoraandrijvingen van de hoofdbeweging van metaalsnijmachines.

De tweede set thyristors maakt het ook mogelijk om remmodi uit te voeren die een verandering in de richting van de stroom in het anker van de elektromotor vereisen.Thyristors in de beschouwde aandrijfcircuits worden gebruikt om de motor aan en uit te zetten, evenals om de start- en remstromen te beperken, waardoor het gebruik van schakelaars en start- en remweerstanden overbodig wordt.

In DC-thyristoraandrijfcircuits zijn vermogenstransformatoren ongewenst.Ze verhogen de omvang en kosten van de installatie, dus gebruiken ze vaak het circuit getoond in Fig. 5 B.

In dit circuit wordt de ontsteking van de thyristor geregeld door de besturingseenheid BU1. Het is verbonden met een driefasig stroomnetwerk, waardoor het stroom levert en de fasen van de stuurpulsen afstemt op de anodespanning van de thyristors.

Een thyristoraandrijving maakt meestal gebruik van feedback over het motortoerental. In dit geval worden een tachogenerator T en een tussentransistorversterker UT gebruikt. E-mailfeedback wordt ook gebruikt. enz. c) elektromotor, gerealiseerd door gelijktijdige werking van tegenkoppeling op spanning en positieve terugkoppeling op ankerstroom.

Om de bekrachtigingsstroom aan te passen, wordt een thyristor T7 met een besturingseenheid BU2 gebruikt. Bij negatieve halve cycli van de anodespanning, wanneer de thyristor T7 geen stroom doorlaat, blijft de stroom in de OVD stromen als gevolg van e. enz. c) zelfinductie, sluiten door bypassklep B1.

Thyristor elektrische aandrijvingen met pulsbreedteregeling

In de beschouwde thyristoraandrijvingen wordt de motor aangedreven door spanningspulsen met een frequentie van 50 Hz. Om de reactiesnelheid te verhogen, wordt aanbevolen om de pulsfrequentie te verhogen.Dit wordt bereikt in thyristoraandrijvingen met pulsbreedteregeling, waarbij rechthoekige DC-pulsen van verschillende duur (latitude) met een frequentie van maximaal 2-5 kHz door het motoranker gaan. Naast een snelle respons, biedt een dergelijke regeling grote regelbereiken voor motortoerentallen en hogere energieprestaties.

Met pulsbreedteregeling wordt de motor aangedreven door een ongecontroleerde gelijkrichter en wordt de thyristor die in serie is geschakeld met het anker periodiek gesloten en geopend. In dit geval gaan de gelijkstroompulsen door het ankercircuit van de motor. Een verandering in de duur (breedtegraad) van deze pulsen resulteert in een verandering in de rotatiesnelheid van de elektromotor.

Omdat de thyristor in dit geval op een constante spanning werkt, worden speciale circuits gebruikt om deze te sluiten. Een van de eenvoudigste pulsbreedtebesturingsschema's wordt getoond in Fig. 6.

Rijst. 6. Thyristor elektrische aandrijving met pulsbreedteregeling

In deze schakeling wordt de thyristor Tr uitgeschakeld wanneer de dempende thyristor Tr wordt ingeschakeld. Wanneer deze thyristor opent, ontlaadt de geladen condensator C zich tot gas geven Dr1, waardoor een significante e ontstaat. enz. C. In dit geval verschijnt er een spanning aan de uiteinden van de smoorspoel, die groter is dan de spanning U van de gelijkrichter en daarnaartoe wordt geleid.

Via een gelijkrichter en shuntdiode D1 wordt deze spanning aangelegd aan de thyristor Tr en zorgt ervoor dat deze uitschakelt. Bij het uitschakelen van de thyristor wordt de condensator C weer opgeladen tot de schakelspanning Uc > U.

Vanwege de verhoogde frequentie van stroompulsen en de traagheid van het motoranker, wordt de pulsaard van de voeding praktisch niet weerspiegeld in de soepelheid van de motorrotatie. De thyristors Tr en Tr worden geopend door een speciaal faseverschuivingscircuit waarmee de pulsbreedte kan worden gewijzigd.

De elektrische industrie produceert verschillende modificaties van volledig gereguleerde thyristor-gelijkstroomaandrijvingen. Onder hen zijn aandrijvingen met 1:20 snelheidsregelbereiken; 1: 200; 1: 2000 door verandering van de spanning, onomkeerbare en omkeerbare aandrijvingen, met en zonder elektrisch remmen. De besturing wordt uitgevoerd door middel van fasepulstransistors. Aandrijvingen gebruiken negatieve feedback op motortoerental en e.teller etc. met

De voordelen van thyristoraandrijvingen zijn hoge energiekarakteristieken, kleine afmetingen en gewicht, de afwezigheid van andere roterende machines dan een elektromotor, hoge snelheid en constante werkgereedheid.Het belangrijkste nadeel van thyristoraandrijvingen is hun nog steeds hoge kosten, die aanzienlijk hoger zijn dan de kosten van aandrijvingen met een elektrische machine en magnetische versterkers.

Momenteel is er een gestage trend in de richting van wijdverbreide vervanging van thyristor DC-aandrijvingen door frequentieregelaars met variabele frequentie.