Truyền động điện Thyristor

Trong công nghiệp, thiết bị truyền động có van bán dẫn điều khiển - thyristor - được sử dụng rộng rãi. Thyristor được sản xuất cho dòng điện lên đến hàng trăm ampe, cho điện áp lên đến 1000 vôn trở lên. Chúng được phân biệt bởi hiệu quả cao, kích thước tương đối nhỏ, tốc độ cao và khả năng làm việc trong phạm vi nhiệt độ môi trường rộng (từ -60 đến +60 ° C).

Thyristor không phải là một thiết bị có thể điều khiển hoàn toàn, được bật bằng cách đặt điện thế tương ứng vào điện cực điều khiển và chỉ bị tắt khi buộc phải ngắt dòng điện do điện áp gián đoạn, quá trình chuyển đổi tự nhiên của nó qua 0 hoặc cung cấp giảm chấn điện áp trái dấu. Bằng cách thay đổi thời gian cung cấp điện áp điều khiển (độ trễ của nó), bạn có thể điều chỉnh giá trị trung bình của điện áp được chỉnh lưu và do đó, tốc độ của động cơ.

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu trong trường hợp không có quy định chủ yếu được xác định bởi mạch chuyển đổi của bộ biến đổi thyristor. Các mạch chuyển đổi được chia thành hai loại: không kéo và bắc cầu.

Trong cài đặt công suất trung bình và cao, các mạch chuyển đổi cầu chủ yếu được sử dụng, chủ yếu vì hai lý do:

• ít điện áp trên mỗi thyristor,

• không có thành phần dòng điện không đổi chạy qua cuộn dây máy biến áp.

Các mạch chuyển đổi cũng có thể khác nhau về số lượng pha: từ một trong các cài đặt công suất thấp đến 12 - 24 trong các bộ chuyển đổi mạnh mẽ.

Tất cả các biến thể của bộ chuyển đổi thyristor cùng với các đặc tính tích cực, chẳng hạn như quán tính thấp, thiếu các phần tử quay, kích thước nhỏ hơn (so với bộ chuyển đổi cơ điện), có một số nhược điểm:

1. Kết nối cứng với mạng: tất cả các dao động điện áp trong mạng được truyền trực tiếp đến hệ thống truyền động và tải tăng lên, các trục động cơ ngay lập tức được chuyển đến mạng và gây ra các cú sốc hiện tại.

2. Hệ số công suất thấp khi điều chỉnh giảm điện áp.

3. Phát sóng hài bậc cao, phụ tải lên lưới điện.

Các đặc tính cơ học của động cơ được điều khiển bởi bộ chuyển đổi thyristor được xác định bởi điện áp đặt vào phần ứng và bản chất thay đổi của nó với tải, nghĩa là các đặc tính bên ngoài của bộ chuyển đổi và các tham số của bộ chuyển đổi và động cơ.

Thiết bị và nguyên lý hoạt động của thyristor

Thyristor (Hình 1, a) là chất bán dẫn silicon bốn lớp với hai tiếp giáp pn và một tiếp giáp n-p. Độ lớn của dòng điện Az đi qua thyristor dưới tác động của điện áp anot Ua phụ thuộc vào dòng Az trong quá trình điều khiển đi qua điện cực điều khiển dưới tác động của điện áp điều khiển Uy.

Nếu không có dòng điện điều khiển (Azy = 0), thì khi điện áp U tăng, dòng điện A trong mạch của người dùng P sẽ tăng lên, tuy nhiên, vẫn còn một giá trị rất nhỏ (Hình 1, b).

Cơm. 1. Sơ đồ khối (a), đặc tính dòng điện-điện áp (b) và cấu tạo (c) của thyristor

Tại thời điểm này, tiếp giáp n-p bật theo hướng không dẫn điện có điện trở cao. Ở một giá trị nhất định Ua1 của điện áp cực dương, được gọi là điện áp mở, đánh lửa hoặc chuyển mạch, xảy ra sự cố đánh thủng lớp chặn, điện trở của nó trở nên nhỏ và cường độ dòng điện tăng đến một giá trị được xác định theo định luật Ohm bởi điện trở Rp của người dùng P.

Khi cường độ dòng điện Iу tăng thì hiệu điện thế Ua giảm. Dòng điện Iu, tại đó điện áp Ua đạt giá trị thấp nhất, được gọi là dòng điện I có hiệu chỉnh.

Thyristor đóng lại khi mất điện áp Ua hoặc khi dấu của nó thay đổi. Dòng điện định mức I của thyristor là giá trị trung bình lớn nhất của dòng điện chạy theo chiều thuận không gây ra hiện tượng quá nhiệt không chấp nhận được.

Điện áp danh định Un được gọi là điện áp biên độ cho phép cao nhất mà tại đó độ tin cậy nhất định của thiết bị được đảm bảo.

Điện áp rơi ΔKhông được tạo ra bởi dòng điện danh định được gọi là điện áp rơi danh định (thường ΔUn = 1 — 2 V).

Giá trị cường độ dòng điện Ic của hiệu chỉnh dao động trong giới hạn 0,1 — 0,4 A ở điện áp Uc 6 — 8 V.

Thyristor mở một cách đáng tin cậy với thời lượng xung từ 20 — 30 μs. Khoảng cách giữa các xung không được nhỏ hơn 100 μs. Khi điện áp Ua giảm xuống 0, thyristor tắt.

Thiết kế bên ngoài của thyristor được thể hiện trong hình.1, v… Cấu trúc bốn lớp silicon thứ mười sáu dựa trên đồng 1 2 có đuôi ren, với công suất âm 3 và điều khiển 4 đầu ra. Cấu trúc silicon được bảo vệ bởi vỏ kim loại hình trụ 5. Chất cách điện được cố định trong vỏ 6. Một ren trong đế 1 được sử dụng để lắp đặt một thyristor và nối nguồn điện áp anot với cực dương.

Khi điện áp Ua tăng, dòng điện điều khiển cần thiết để mở thyristor giảm (xem Hình 1, b). Dòng mở điều khiển tỷ lệ thuận với điện áp mở điều khiển uyo.

Nếu Uа thay đổi theo quy luật hình sin (Hình 2), thì điện áp cần thiết và độ mở 0 có thể được mô tả bằng một đường chấm chấm. Nếu điện áp điều khiển được áp dụng Uy1 không đổi và giá trị của nó thấp hơn giá trị nhỏ nhất của điện áp uuo, thì thyristor không mở.

Nếu tăng điện áp điều khiển đến giá trị Uy2, thyristor sẽ mở ngay khi điện áp Uy2 trở nên lớn hơn điện áp uyo. Bằng cách thay đổi giá trị uу, bạn có thể thay đổi góc mở của thyristor trong khoảng từ 0 đến 90°.

Cơm. 2. Điều khiển bằng thyristor

Để mở thyristor ở các góc trên 90 °, điện áp điều khiển biến đổi uy được sử dụng, thay đổi theo hình sin chẳng hạn. Tại một điện áp tương ứng với giao điểm của sóng hình sin của điện áp này với đường cong đứt đoạn uuo = f(ωt), Tiristor mở ra.

Bằng cách di chuyển uyo hình sin theo chiều ngang sang phải hoặc trái, bạn có thể thay đổi góc mở ωt0 của thyristor. Điều khiển góc mở này được gọi là ngang. Nó được thực hiện bằng cách sử dụng các công tắc pha đặc biệt.

Bằng cách di chuyển cùng một sóng hình sin theo chiều dọc lên hoặc xuống, bạn cũng có thể thay đổi góc mở. Quản lý như vậy được gọi là theo chiều dọc. Trong trường hợp này, với tyy điều khiển điện áp thay đổi, hãy thêm một điện áp không đổi theo đại số, ví dụ, điện áp Uy1... Góc mở được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lớn của điện áp này.

Sau khi mở, thyristor vẫn mở cho đến khi kết thúc nửa chu kỳ dương và điện áp điều khiển không ảnh hưởng đến hoạt động của nó. Điều này cũng cho phép áp dụng điều khiển xung bằng cách áp định kỳ các xung điện áp điều khiển dương vào đúng thời điểm (Hình 2 dưới cùng). Điều này làm tăng sự rõ ràng của điều khiển.

Bằng cách thay đổi góc mở của thyristor theo cách này hay cách khác, người dùng có thể áp dụng các xung điện áp có hình dạng khác nhau. Điều này thay đổi giá trị của điện áp trung bình tại các thiết bị đầu cuối của người dùng.

Các thiết bị khác nhau được sử dụng để điều khiển thyristor. Trong sơ đồ thể hiện trong hình. 3, điện áp nguồn xoay chiều được đặt vào cuộn sơ cấp của máy biến áp Tp1.

Cơm. 3. Mạch điều khiển thyristor

Một bộ chỉnh lưu toàn sóng B được bao gồm trong mạch thứ cấp của máy biến áp này.1, B2, B3, B4 với độ tự cảm L đáng kể trong mạch điện một chiều. Dòng sóng thực tế thực tế bị loại bỏ. Nhưng dòng điện một chiều như vậy chỉ có thể thu được bằng cách chỉnh lưu toàn sóng của dòng điện xoay chiều có dạng như trong Hình. 4, một.

Do đó, trong trường hợp này, bộ chỉnh lưu B1, B2, B3, B4 (xem Hình 3) là bộ chuyển đổi ở dạng dòng điện xoay chiều. Trong sơ đồ này, các tụ điện C1 và C2 xen kẽ nối tiếp với các xung dòng điện hình chữ nhật (Hình 4, a).Trong trường hợp này, trên các bản của tụ điện C1 và C2 (Hình 4, b), một điện áp răng cưa ngang được hình thành, đặt vào các đế của bóng bán dẫn T1 và T2 (xem Hình 3).

Điện áp này được gọi là điện áp tham chiếu. Điện áp DC Uy cũng hoạt động trong mạch chính của mỗi bóng bán dẫn. Khi điện áp cưa bằng 0, điện áp Uy tạo ra các điện thế dương ở các cực của cả hai bóng bán dẫn. Mỗi bóng bán dẫn mở ra với một dòng điện cơ bản ở điện thế cơ sở âm.

Điều này xảy ra khi các giá trị âm của điện áp tham chiếu của cưa lớn hơn Uy (Hình 4, b). Điều kiện này được đáp ứng tùy thuộc vào giá trị của Uy ở các giá trị khác nhau của góc pha. Trong trường hợp này, bóng bán dẫn mở trong các khoảng thời gian khác nhau, tùy thuộc vào độ lớn của điện áp Uy.

Cơm. 4. Sơ đồ điện áp điều khiển thyristor

Khi một hoặc một bóng bán dẫn khác mở ra, một xung dòng điện hình chữ nhật chạy qua cuộn sơ cấp của máy biến áp Tr2 hoặc Tr3 (xem Hình 3). Khi cạnh đầu của xung này đi qua, một xung điện áp xảy ra trong cuộn thứ cấp, được đặt vào điện cực điều khiển của thyristor.

Khi mặt sau của xung dòng điện đi qua cuộn thứ cấp, một xung điện áp có cực tính ngược lại xảy ra. Xung này được đóng bởi một diode bán dẫn bỏ qua cuộn thứ cấp và không được đưa vào thyristor.

Khi các thyristor được điều khiển (xem Hình 3) bằng hai máy biến áp, hai xung được tạo ra, lệch pha 180 °.

Hệ thống điều khiển động cơ thyristor

Trong các hệ thống điều khiển thyristor cho động cơ DC, sự thay đổi điện áp phần ứng DC của động cơ được sử dụng để điều khiển tốc độ của nó. Trong những trường hợp này, sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha thường được sử dụng.

Trong bộ lễ phục. 5, và sơ đồ đơn giản nhất thuộc loại này được thể hiện bằng một đường liền nét. Trong mạch này, mỗi thyristor T1, T2, T3 được mắc nối tiếp với cuộn thứ cấp của máy biến áp và phần ứng của động cơ; NS. vân vân. c, cuộn thứ cấp lệch pha. Do đó, các xung điện áp lệch pha tương đối với nhau được đưa vào phần ứng động cơ khi điều khiển góc mở của thyristor.

Cơm. 5. Mạch điều khiển thyristor

Trong mạch nhiều pha, dòng điện gián đoạn và liên tục có thể đi qua phần ứng của động cơ, tùy thuộc vào góc kích hoạt đã chọn của thyristor. Một ổ điện đảo ngược (Hình 5, a, toàn bộ mạch) sử dụng hai bộ thyristor: T1, T2, T3 và T4, T5, T6.

Bằng cách mở các thyristor của một nhóm nhất định, chúng thay đổi hướng dòng điện trong phần ứng của động cơ điện và theo đó, hướng quay của nó.

Đảo ngược động cơ cũng có thể đạt được bằng cách thay đổi hướng của dòng điện trong cuộn dây kích từ của động cơ. Sự đảo ngược như vậy được sử dụng trong trường hợp không cần tốc độ cao vì cuộn dây kích từ có điện cảm rất cao so với cuộn dây phần ứng. Hành trình ngược như vậy thường được sử dụng cho truyền động thyristor của chuyển động chính của máy cắt kim loại.

Bộ thyristor thứ hai cũng cho phép thực hiện các chế độ hãm yêu cầu thay đổi hướng dòng điện trong phần ứng của động cơ điện.Thyristor trong các mạch truyền động đang được xem xét được sử dụng để bật và tắt động cơ, cũng như để hạn chế dòng khởi động và dòng hãm, loại bỏ nhu cầu sử dụng công tắc tơ, cũng như biến trở khởi động và hãm.

Trong các mạch điều khiển thyristor DC, máy biến áp nguồn là không mong muốn, chúng làm tăng kích thước và chi phí lắp đặt, vì vậy mạch như trong hình thường được sử dụng. 5 B .

Trong mạch này, việc đánh lửa thyristor được điều khiển bởi bộ điều khiển BU1. Nó được kết nối với mạng dòng điện ba pha, do đó cung cấp năng lượng và khớp các pha của xung điều khiển với điện áp cực dương của thyristor.

Một ổ đĩa thyristor thường sử dụng phản hồi tốc độ động cơ. Trong trường hợp này, một máy phát điện T và một bộ khuếch đại bóng bán dẫn trung gian UT được sử dụng. Phản hồi qua email cũng được sử dụng. vân vân. c. động cơ điện, được thực hiện bằng tác động đồng thời của phản hồi âm về điện áp và phản hồi dương về dòng điện phần ứng.

Để điều chỉnh dòng điện kích thích, một thyristor T7 với bộ điều khiển BU2 được sử dụng. Ở nửa chu kỳ âm của điện áp cực dương, khi dòng điện không chạy qua thyristor T7, dòng điện trong OVD tiếp tục chạy do e. vân vân. c.tự cảm ứng, đóng thông qua van rẽ nhánh B1.

Truyền động điện thyristor với điều khiển độ rộng xung

Trong các ổ thyristor được xem xét, động cơ được cung cấp năng lượng bởi các xung điện áp có tần số 50 Hz. Để tăng tốc độ phản hồi, nên tăng tần số xung.Điều này đạt được trong các ổ thyristor có điều khiển độ rộng xung, trong đó các xung DC hình chữ nhật có thời lượng (vĩ độ) khác nhau với tần số lên tới 2-5 kHz đi qua phần ứng của động cơ. Ngoài đáp ứng tốc độ cao, điều khiển như vậy cung cấp phạm vi điều khiển tốc độ động cơ lớn và hiệu suất năng lượng cao hơn.

Với điều khiển độ rộng xung, động cơ được cung cấp năng lượng bởi bộ chỉnh lưu không điều khiển và thyristor mắc nối tiếp với phần ứng được đóng và mở định kỳ. Trong trường hợp này, các xung DC đi qua mạch phần ứng của động cơ. Sự thay đổi thời lượng (vĩ độ) của các xung này dẫn đến sự thay đổi tốc độ quay của động cơ điện.

Vì trong trường hợp này, thyristor hoạt động ở điện áp không đổi, nên các mạch đặc biệt được sử dụng để đóng nó. Một trong những sơ đồ điều khiển độ rộng xung đơn giản nhất được thể hiện trong hình. 6.

Cơm. 6. Truyền động điện Thyristor điều khiển độ rộng xung

Trong mạch này, thyristor Tr bị tắt khi thyristor giảm chấn Tr được bật. Khi thyristor này mở ra, tụ điện C phóng điện tới van tiết lưu Dr1, tạo ra một e đáng kể. vân vân. c.Trong trường hợp này, ở hai đầu cuộn cảm xuất hiện một điện áp lớn hơn điện áp U của bộ chỉnh lưu và hướng về phía nó.

Thông qua bộ chỉnh lưu và điốt song song D1, điện áp này được đặt vào thyristor Tr và làm cho nó tắt. Khi tắt thyristor, tụ điện C lại được nạp điện đến điện áp chuyển mạch Uc > U.

Do tần số xung dòng điện tăng lên và quán tính của phần ứng động cơ, bản chất xung của nguồn điện thực tế không được phản ánh trong độ trơn của vòng quay động cơ. Các thyristor Tr và Tr được mở bằng một mạch dịch pha đặc biệt cho phép thay đổi độ rộng xung.

Ngành công nghiệp điện tạo ra nhiều sửa đổi khác nhau của các bộ truyền động nguồn DC thyristor được điều chỉnh hoàn toàn. Trong số đó có các ổ đĩa có dải điều khiển tốc độ 1:20; 1:200; 1: 2000 bằng cách thay đổi điện áp, truyền động đảo ngược và đảo ngược, có và không có phanh điện. Việc điều khiển được thực hiện bằng các thiết bị xung pha bóng bán dẫn. Các bộ truyền động sử dụng phản hồi âm trên vòng quay động cơ và bộ đếm điện tử, v.v. với

Ưu điểm của bộ truyền động thyristor là đặc tính năng lượng cao, kích thước và trọng lượng nhỏ, không có bất kỳ máy quay nào ngoài động cơ điện, tốc độ cao và sẵn sàng làm việc liên tục. chi phí của các ổ đĩa với một máy điện và bộ khuếch đại từ tính.

Hiện tại, có một xu hướng ổn định hướng tới việc thay thế rộng rãi các bộ điều khiển DC thyristor bằng ổ đĩa AC biến tần.