Azionamento elettrico a tiristori

Nell'industria sono ampiamente utilizzati attuatori con valvole a semiconduttore controllate - tiristori. I tiristori sono prodotti per correnti fino a centinaia di ampere, per tensioni fino a 1000 volt o più. Si distinguono per l'elevata efficienza, le dimensioni relativamente ridotte, l'elevata velocità e la capacità di lavorare in un'ampia gamma di temperature ambiente (da -60 a +60 ° C).

Il tiristore non è un dispositivo completamente controllabile, che viene acceso applicando il potenziale corrispondente all'elettrodo di controllo, e viene spento solo mediante interruzione forzata del circuito di corrente a causa della tensione di interruzione, la sua transizione naturale attraverso lo zero o la fornitura di uno smorzamento tensione di segno opposto. Modificando la temporizzazione dell'alimentazione della tensione di comando (il suo ritardo), è possibile regolare il valore medio della tensione raddrizzata e quindi la velocità del motore.

Il valore medio della tensione rettificata in assenza di regolazione è determinato principalmente dal circuito di commutazione del convertitore a tiristori. I circuiti dei trasduttori sono divisi in due classi: zero-pull e bridged.

Nelle installazioni di media e alta potenza vengono utilizzati principalmente circuiti convertitori a ponte, principalmente per due motivi:

• meno tensione su ciascuno dei tiristori,

• assenza di una componente di corrente costante che scorre negli avvolgimenti del trasformatore.

I circuiti del convertitore possono anche differire nel numero di fasi: da uno nelle installazioni a bassa potenza a 12-24 nei potenti convertitori.

Tutte le varianti dei convertitori a tiristori insieme a proprietà positive, come bassa inerzia, mancanza di elementi rotanti, dimensioni più piccole (rispetto ai convertitori elettromeccanici), presentano una serie di svantaggi:

1. Connessione fisica alla rete: tutte le fluttuazioni di tensione nella rete vengono trasmesse direttamente al sistema di azionamento e il carico aumenta, gli assi del motore vengono immediatamente trasferiti alla rete e provocano shock di corrente.

2. Basso fattore di potenza durante la regolazione della tensione verso il basso.

3. Generazione di armoniche superiori, carico sulla rete elettrica.

Le caratteristiche meccaniche di un motore azionato da un convertitore a tiristori sono determinate dalla tensione applicata all'armatura e dalla natura della sua variazione con il carico, ovvero dalle caratteristiche esterne del convertitore e dai parametri del convertitore e del motore.

Il dispositivo e il principio di funzionamento del tiristore

Un tiristore (Fig. 1, a) è un semiconduttore di silicio a quattro strati con due giunzioni pn e una giunzione n-p. L'entità della corrente Azpassando attraverso il tiristore sotto l'azione della tensione anodica Ua dipende dalla corrente Azdurante il controllo che passa attraverso l'elettrodo di controllo sotto l'azione della tensione di controllo Uy.

Se non c'è corrente di controllo (Azy = 0), allora all'aumentare della tensione U, la corrente A nel circuito dell'utente P aumenterà, rimanendo comunque un valore molto piccolo (Fig. 1, b).

Riso. 1. Schema a blocchi (a), caratteristica corrente-tensione (b) e costruzione (c) del tiristore

In questo momento, la giunzione n-p accesa nella direzione non conduttiva ha un'elevata resistenza. Ad un certo valore Ua1 della tensione anodica, chiamata tensione di apertura, accensione o commutazione, si verifica una rottura a valanga dello strato di blocco, la cui resistenza diventa piccola e l'intensità della corrente aumenta fino a un valore determinato secondo la legge di Ohm dalla resistenza Rp dell'utente P.

All'aumentare della corrente I, la tensione Ua diminuisce. La corrente Iu, alla quale la tensione Ua raggiunge il valore più basso, è chiamata corrente I con correzione.

Il tiristore si chiude quando la tensione Ua viene rimossa o quando il suo segno cambia. La corrente nominale I del tiristore è il valore medio più grande della corrente che scorre nella direzione in avanti che non provoca un surriscaldamento inaccettabile.

La tensione nominale Un è chiamata la massima tensione di ampiezza consentita alla quale è garantita l'affidabilità data del dispositivo.

La caduta di tensione ΔNon creata dalla corrente nominale è chiamata caduta di tensione nominale (di solito ΔUn = 1 — 2 V).

Il valore dell'intensità di corrente Ic della correzione oscilla entro i limiti di 0,1 - 0,4 A a una tensione Uc 6 - 8 V.

Il tiristore si apre in modo affidabile con una durata dell'impulso di 20 - 30 μs. L'intervallo tra gli impulsi non deve essere inferiore a 100 μs. Quando la tensione Ua scende a zero, il tiristore si spegne.

Il design esterno del tiristore è mostrato in fig.1, v… A base di rame 1 struttura a quattro strati di silicio sedicesimo 2 con coda filettata, con potenza negativa 3 e controllo di 4 uscite. La struttura in silicio è protetta da un alloggiamento metallico cilindrico 5. L'isolatore è fissato nell'alloggiamento 6. Una filettatura nella base 1 viene utilizzata per installare un tiristore e per collegare la sorgente di tensione dell'anodo al polo positivo.

All'aumentare della tensione Ua, la corrente di controllo richiesta per aprire il tiristore diminuisce (vedi Fig. 1, b). La corrente di apertura del comando è proporzionale alla tensione di apertura del comando uyo.

Se Uа cambia secondo la legge sinusoidale (Fig. 2), la tensione richiesta e l'apertura 0 possono essere rappresentate da una linea tratteggiata. Se la tensione di controllo applicata Uy1 è costante e il suo valore è inferiore al valore minimo della tensione uuo, il tiristore non si apre.

Se la tensione di controllo viene aumentata al valore Uy2, il tiristore si aprirà non appena la tensione Uy2 diventa maggiore della tensione uyo. Modificando il valore u, è possibile modificare l'angolo di apertura del tiristore nell'intervallo da 0 a 90°.

Riso. 2. Controllo del tiristore

Per aprire il tiristore ad angoli superiori a 90 °, viene utilizzata una tensione di controllo variabile uy, che cambia, ad esempio, in modo sinusoidale. Ad una tensione corrispondente all'intersezione dell'onda sinusoidale di questa tensione con la curva tratteggiata uuo = f (ωt), il Tiristor si apre.

Spostando la sinusoide uyo orizzontalmente a destra o sinistra, è possibile modificare l'angolo ωt0 di apertura del tiristore. Questo controllo dell'angolo di apertura è chiamato orizzontale. Viene eseguito utilizzando speciali interruttori di fase.

Spostando verticalmente la stessa onda sinusoidale verso l'alto o verso il basso, è anche possibile modificare l'angolo di apertura. Tale gestione è chiamata verticale. In questo caso, con il controllo della tensione variabile tyy, aggiungi algebricamente una tensione costante, ad esempio la tensione Uy1... L'angolo di apertura viene regolato modificando l'ampiezza di questa tensione.

Una volta aperto, il tiristore rimane aperto fino alla fine del semiperiodo positivo e la tensione di controllo non ne pregiudica il funzionamento. Ciò consente anche di applicare il controllo degli impulsi applicando periodicamente impulsi di tensione di controllo positivi al momento giusto (Fig. 2 in basso). Ciò aumenta la chiarezza del controllo.

Modificando l'angolo di apertura del tiristore in un modo o nell'altro, è possibile applicare all'utente impulsi di tensione di forme diverse. Questo modifica il valore della tensione media ai terminali dell'utente.

Vari dispositivi vengono utilizzati per controllare i tiristori. Nello schema riportato in fig. 3, la tensione di rete AC è applicata all'avvolgimento primario del trasformatore Tp1.

Riso. 3. Circuito di controllo del tiristore

Un raddrizzatore a onda intera B è incluso nel circuito secondario di questo trasformatore.1, B2, B3, B4 con un'induttanza significativa L nel circuito CC. La pratica corrente d'onda è praticamente eliminata. Ma una tale corrente continua può essere ottenuta solo mediante rettifica a onda intera di una corrente alternata avente la forma mostrata in Fig. 4, un.

Pertanto, in questo caso, il raddrizzatore B1, B2, B3, B4 (vedi Fig. 3) è un convertitore sotto forma di corrente alternata. In questo schema, i condensatori C1 e C2 si alternano in serie con impulsi di corrente rettangolari (Fig. 4, a).In questo caso, sulle piastre dei condensatori C1 e C2 (Fig. 4, b), si forma una tensione trasversale a dente di sega, applicata alle basi dei transistor T1 e T2 (vedi Fig. 3).

Questa tensione è chiamata tensione di riferimento. La tensione continua Uy agisce anche nel circuito principale di ciascun transistor. Quando la tensione della sega è zero, la tensione Uy crea potenziali positivi alle basi di entrambi i transistor. Ogni transistor si apre con una corrente di base a un potenziale di base negativo.

Ciò accade quando i valori negativi della tensione di riferimento della sega risultano essere maggiori di Uy (Fig. 4, b). Questa condizione è soddisfatta a seconda del valore di Uy a diversi valori dell'angolo di fase. In questo caso, il transistor si apre per diversi periodi di tempo, a seconda dell'entità della tensione Uy.

Riso. 4. Diagrammi delle tensioni di controllo del tiristore

Quando l'uno o l'altro transistor si apre, un impulso di corrente rettangolare passa attraverso l'avvolgimento primario del trasformatore Tr2 o Tr3 (vedi Fig. 3). Quando passa il fronte anteriore di questo impulso, si verifica un impulso di tensione nell'avvolgimento secondario, che viene applicato all'elettrodo di controllo del tiristore.

Quando la parte posteriore dell'impulso di corrente passa attraverso l'avvolgimento secondario, si verifica un impulso di tensione di polarità opposta. Questo impulso è chiuso da un diodo a semiconduttore che bypassa l'avvolgimento secondario e non è applicato al tiristore.

Quando i tiristori sono controllati (vedi Fig. 3) con due trasformatori, vengono generati due impulsi, sfasati di 180 °.

Sistemi di controllo motore a tiristori

Nei sistemi di controllo a tiristori per motori CC, viene utilizzata una variazione della tensione di armatura CC del motore per controllarne la velocità. In questi casi vengono solitamente utilizzati schemi di rettifica multifase.

Nella fig. 5, e il diagramma più semplice di questo tipo è mostrato con una linea continua. In questo circuito, ciascuno dei tiristori T1, T2, T3 è collegato in serie con l'avvolgimento secondario del trasformatore e l'armatura del motore; NS. eccetera. c. gli avvolgimenti secondari sono sfasati. Pertanto, gli impulsi di tensione sfasati l'uno rispetto all'altro vengono applicati all'armatura del motore durante il controllo dell'angolo di apertura dei tiristori.

Riso. 5. Circuiti di azionamento del tiristore

In un circuito polifase, correnti intermittenti e continue possono passare attraverso l'armatura del motore, a seconda dell'angolo di accensione selezionato dei tiristori. Un azionamento elettrico reversibile (Fig. 5, a, l'intero circuito) utilizza due serie di tiristori: T1, T2, T3 e T4, T5, T6.

Aprendo i tiristori di un certo gruppo, cambiano la direzione della corrente nell'armatura del motore elettrico e, di conseguenza, la direzione della sua rotazione.

L'inversione del motore può essere ottenuta anche modificando la direzione della corrente nell'avvolgimento di campo del motore. Tale inversione viene utilizzata nei casi in cui non è richiesta un'elevata velocità perché l'avvolgimento di campo ha un'induttanza molto elevata rispetto all'avvolgimento dell'indotto. Tale corsa inversa viene spesso utilizzata per gli azionamenti a tiristori del movimento principale delle macchine per il taglio dei metalli.

Il secondo gruppo di tiristori consente inoltre di eseguire modalità di frenatura che richiedono un cambiamento di direzione della corrente nell'indotto del motore elettrico.I tiristori nei circuiti di azionamento in esame vengono utilizzati per accendere e spegnere il motore, nonché per limitare le correnti di avviamento e frenatura, eliminando la necessità di utilizzare contattori, nonché reostati di avviamento e frenatura.

Nei circuiti di pilotaggio a tiristori CC, i trasformatori di potenza sono indesiderabili, poiché aumentano le dimensioni e il costo dell'installazione, quindi spesso utilizzano il circuito mostrato in Fig. 5 B.

In questo circuito l'accensione del tiristore è comandata dalla centralina BU1. È collegato a una rete di corrente trifase, fornendo così alimentazione e facendo corrispondere le fasi degli impulsi di controllo con la tensione anodica dei tiristori.

Un azionamento a tiristori di solito utilizza il feedback della velocità del motore. In questo caso vengono utilizzati un generatore tachimetrico T e un amplificatore a transistor intermedio UT. Viene utilizzato anche il feedback via e-mail. eccetera. c.motore elettrico, realizzato per azione simultanea di retroazione negativa sulla tensione e positiva sulla corrente di armatura.

Per regolare la corrente di eccitazione, viene utilizzato un tiristore T7 con un'unità di controllo BU2. A semicicli negativi della tensione anodica, quando il tiristore T7 non passa corrente, la corrente nell'OVD continua a fluire a causa di e. eccetera. c.autoinduzione, chiusura attraverso la valvola di by-pass B1.

Azionamenti elettrici a tiristori con controllo dell'ampiezza dell'impulso

Negli azionamenti a tiristori considerati, il motore è alimentato da impulsi di tensione con una frequenza di 50 Hz. Per aumentare la velocità di risposta, si consiglia di aumentare la frequenza degli impulsi.Ciò si ottiene negli azionamenti a tiristori con controllo dell'ampiezza dell'impulso, in cui impulsi CC rettangolari di durata variabile (latitudine) con una frequenza fino a 2-5 kHz passano attraverso l'armatura del motore. Oltre alla risposta ad alta velocità, tale controllo fornisce ampi intervalli di controllo della velocità del motore e prestazioni energetiche più elevate.

Con il controllo dell'ampiezza dell'impulso, il motore è alimentato da un raddrizzatore non controllato e il tiristore collegato in serie con l'armatura viene periodicamente chiuso e aperto. In questo caso, gli impulsi CC passano attraverso il circuito di armatura del motore. Una variazione della durata (latitudine) di questi impulsi comporta una variazione della velocità di rotazione del motore elettrico.

Poiché in questo caso il tiristore funziona a tensione costante, vengono utilizzati circuiti speciali per chiuderlo. Uno dei più semplici schemi di controllo dell'ampiezza dell'impulso è mostrato in Fig. 6.

Riso. 6. Azionamento elettrico a tiristori con controllo dell'ampiezza dell'impulso

In questo circuito, il tiristore Tr viene spento quando viene acceso il tiristore di smorzamento Tr. Quando questo tiristore si apre, il condensatore carico C si scarica a acceleratore Dr1, creando un significativo e. eccetera. c.In questo caso, ai capi dell'induttanza appare una tensione maggiore della tensione U del raddrizzatore e diretta verso di essa.

Attraverso un raddrizzatore e un diodo shunt D1, questa tensione viene applicata al tiristore Tr e ne provoca lo spegnimento. Quando il tiristore viene spento, il condensatore C viene nuovamente caricato alla tensione di commutazione Uc > U.

A causa della maggiore frequenza degli impulsi di corrente e dell'inerzia dell'armatura del motore, la natura degli impulsi dell'alimentazione non si riflette praticamente nella scorrevolezza della rotazione del motore. I tiristori Tr e Tr sono aperti da uno speciale circuito di sfasamento che consente di modificare l'ampiezza dell'impulso.

L'industria elettrica produce varie modifiche di azionamenti di potenza CC a tiristori completamente regolati. Tra questi ci sono azionamenti con gamme di controllo della velocità 1:20; 1:200; 1: 2000 variando la tensione, azionamenti irreversibili e reversibili, con e senza frenatura elettrica. Il controllo viene effettuato mediante dispositivi a impulsi di fase a transistor. Gli azionamenti utilizzano un feedback negativo sul numero di giri del motore e sul contatore elettrico, ecc. con

I vantaggi degli azionamenti a tiristori sono le elevate caratteristiche energetiche, le dimensioni e il peso ridotti, l'assenza di qualsiasi macchinario rotante diverso da un motore elettrico, l'elevata velocità e la costante disponibilità al lavoro.Il principale svantaggio degli azionamenti a tiristori è il loro costo ancora elevato, che supera significativamente il costo degli azionamenti con una macchina elettrica e amplificatori magnetici.

Attualmente, c'è una tendenza costante verso la sostituzione diffusa degli azionamenti CC a tiristori con azionamenti CA a frequenza variabile.