Acionamento elétrico do tiristor

Na indústria, os atuadores com válvulas semicondutoras controladas - tiristores - são amplamente utilizados. Os tiristores são fabricados para correntes de até centenas de amperes, para tensões de até 1000 volts ou mais. Eles se distinguem pela alta eficiência, tamanho relativamente pequeno, alta velocidade e capacidade de trabalhar em uma ampla gama de temperaturas ambientes (de -60 a +60 ° C).

O tiristor não é um dispositivo totalmente controlável, que é ligado aplicando o potencial correspondente ao eletrodo de controle e é desligado apenas pela interrupção forçada do circuito de corrente devido à tensão de interrupção, sua transição natural através de zero ou fornecimento de um amortecimento tensão de sinal oposto. Ao alterar o tempo de fornecimento da tensão de controle (seu atraso), você pode ajustar o valor médio da tensão retificada e, portanto, a velocidade do motor.

O valor médio da tensão retificada na ausência de regulação é determinado principalmente pelo circuito de comutação do conversor tiristorizado. Os circuitos do transdutor são divididos em duas classes: zero-pull e em ponte.

Em instalações de média e alta potência, os circuitos conversores de ponte são usados ​​principalmente, principalmente por dois motivos:

• menos tensão em cada um dos tiristores,

• ausência de um componente de corrente constante fluindo através dos enrolamentos do transformador.

Os circuitos conversores também podem diferir no número de fases: de uma em instalações de baixa potência a 12 — 24 em conversores potentes.

Todas as variantes de conversores tiristores, juntamente com propriedades positivas, como baixa inércia, falta de elementos rotativos, tamanho menor (em comparação com conversores eletromecânicos), apresentam várias desvantagens:

1. Conexão difícil à rede: todas as flutuações de tensão na rede são transmitidas diretamente ao sistema de acionamento e a carga aumenta, os eixos do motor são imediatamente transferidos para a rede e causam choques de corrente.

2. Baixo fator de potência ao ajustar a tensão para baixo.

3. Geração de harmônicos mais altos, carga na rede elétrica.

As características mecânicas de um motor acionado por um conversor tiristorizado são determinadas pela tensão aplicada à armadura e a natureza de sua mudança com a carga, ou seja, as características externas do conversor e os parâmetros do conversor e do motor.

O dispositivo e o princípio de operação do tiristor

Um tiristor (Fig. 1, a) é um semicondutor de silício de quatro camadas com duas junções pn e uma junção np. A magnitude da corrente Azpassando pelo tiristor sob a ação da tensão anódica Ua depende da corrente Azdurante o controle passando pelo eletrodo de controle sob a ação da tensão de controle Uy.

Se não houver corrente de controle (Azy = 0), então à medida que a tensão U aumenta, a corrente A no circuito do usuário P aumentará, porém permanecendo um valor muito pequeno (Fig. 1, b).

Arroz. 1. Diagrama de blocos (a), característica corrente-tensão (b) e construção (c) do tiristor

Neste momento, a junção n-p ligada na direção não condutora tem uma alta resistência. Em um determinado valor Ua1 da tensão do ânodo, chamado de tensão de abertura, ignição ou comutação, ocorre uma quebra em avalanche da camada de bloqueio. Sua resistência torna-se pequena e a intensidade da corrente aumenta para um valor determinado de acordo com a lei de Ohm pela resistência Rp do usuário P.

À medida que a corrente Iу aumenta, a tensão Ua diminui. A corrente Iu, na qual a tensão Ua atinge o valor mais baixo, é chamada de corrente I com correção.

O tiristor fecha quando a tensão Ua é removida ou quando seu sinal muda. A corrente nominal I do tiristor é o maior valor médio da corrente que flui na direção direta que não causa superaquecimento inaceitável.

A tensão nominal Un é chamada de tensão de amplitude mais alta permitida na qual a confiabilidade fornecida do dispositivo é garantida.

A queda de tensão ΔNão criada pela corrente nominal é chamada de queda de tensão nominal (geralmente ΔUn = 1 — 2 V).

O valor da intensidade da corrente Ic da correção flutua dentro dos limites de 0,1 — 0,4 A a uma tensão Uc 6 — 8 V.

O tiristor abre de forma confiável com uma duração de pulso de 20 a 30 μs. O intervalo entre os pulsos não deve ser inferior a 100 μs. Quando a tensão Ua cai para zero, o tiristor desliga.

O design externo do tiristor é mostrado na fig.1, v… À base de cobre 1 estrutura de quatro camadas de silício dezesseis 2 com cauda roscada, com potência negativa 3 e controle de 4 saídas. A estrutura de silício é protegida por um invólucro metálico cilíndrico 5. O isolador é fixado no invólucro 6. Uma rosca na base 1 é utilizada para instalar um tiristor e conectar a fonte de tensão anódica ao pólo positivo.

À medida que a tensão Ua aumenta, a corrente de controle necessária para abrir o tiristor diminui (ver Fig. 1, b). A corrente de abertura do comando é proporcional à tensão de abertura do comando uyo.

Se Uà mudar de acordo com a lei senoidal (Fig. 2), então a tensão necessária e a abertura 0 podem ser representadas por uma linha pontilhada. Se a tensão de controle aplicada Uy1 for constante e seu valor estiver abaixo do valor mínimo da tensão uuo, o tiristor não abre.

Se a tensão de controle for aumentada para o valor Uy2, o tiristor abrirá assim que a tensão Uy2 se tornar maior que a tensão uyo. Ao alterar o valor u, você pode alterar o ângulo de abertura do tiristor na faixa de 0 a 90°.

Arroz. 2. Controle do tiristor

Para abrir o tiristor em ângulos acima de 90 °, é usada uma tensão de controle variável uy, que muda, por exemplo, senoidalmente. Em uma tensão correspondente à interseção da onda senoidal dessa tensão com a curva pontilhada uuo = f (ωt), o Tiristor abre.

Ao mover a senóide uyo horizontalmente para a direita ou para a esquerda, você pode alterar o ângulo ωt0 de abertura do tiristor. Este controle do ângulo de abertura é chamado de horizontal. É realizado usando interruptores de fase especiais.

Ao mover a mesma onda senoidal verticalmente para cima ou para baixo, você também pode alterar o ângulo de abertura. Essa gestão é chamada vertical. Nesse caso, com controle de tensão variável tyy, adicione uma tensão constante algebricamente, por exemplo, a tensão Uy1... O ângulo de abertura é ajustado alterando a magnitude dessa tensão.

Uma vez aberto, o tiristor permanece aberto até o final do semiciclo positivo e a tensão de controle não afeta seu funcionamento. Isso também torna possível aplicar o controle de pulso aplicando periodicamente pulsos de tensão de controle positivo no momento certo (Fig. 2 abaixo). Isso aumenta a clareza do controle.

Ao alterar o ângulo de abertura do tiristor de uma forma ou de outra, pulsos de tensão de diferentes formas podem ser aplicados ao usuário. Isso altera o valor da tensão média nos terminais do usuário.

Vários dispositivos são usados ​​para controlar os tiristores. No esquema mostrado na fig. 3, a tensão de rede CA é aplicada ao enrolamento primário do transformador Tp1.

Arroz. 3. Circuito de controle do tiristor

Um retificador de onda completa B está incluído no circuito secundário deste transformador.1, B2, B3, B4 com uma indutância significativa L no circuito DC. A corrente de onda prática é praticamente eliminada. Mas essa corrente contínua só pode ser obtida pela retificação de onda completa de uma corrente alternada com a forma mostrada na Fig. 4, a.

Assim, neste caso, o retificador B1, B2, B3, B4 (ver Fig. 3) é um conversor na forma de corrente alternada. Nesse esquema, os capacitores C1 e C2 se alternam em série com pulsos de corrente retangulares (Fig. 4, a).Nesse caso, nas placas dos capacitores C1 e C2 (Fig. 4, b), é formada uma tensão transversal dente de serra, aplicada às bases dos transistores T1 e T2 (ver Fig. 3).

Essa tensão é chamada de tensão de referência. A tensão DC Uy também atua no circuito principal de cada transistor. Quando a tensão da serra é zero, a tensão Uy cria potenciais positivos nas bases de ambos os transistores. Cada transistor abre com uma corrente de base em um potencial de base negativo.

Isso acontece quando os valores negativos da tensão de referência da serra são maiores que Uy (Fig. 4, b). Esta condição é satisfeita dependendo do valor de Uy em diferentes valores do ângulo de fase. Nesse caso, o transistor abre por diferentes períodos de tempo, dependendo da magnitude da tensão Uy.

Arroz. 4. Diagramas das tensões de controle do tiristor

Quando um ou outro transistor abre, um pulso de corrente retangular passa pelo enrolamento primário do transformador Tr2 ou Tr3 (veja a Fig. 3). Quando a ponta desse pulso passa, um pulso de tensão ocorre no enrolamento secundário, que é aplicado ao eletrodo de controle do tiristor.

Quando a parte de trás do pulso de corrente passa pelo enrolamento secundário, ocorre um pulso de tensão de polaridade oposta. Este pulso é fechado por um diodo semicondutor que contorna o enrolamento secundário e não é aplicado ao tiristor.

Quando os tiristores são controlados (ver Fig. 3) com dois transformadores, são gerados dois pulsos, com deslocamento de fase de 180 °.

Sistemas de controle de motores tiristores

Em sistemas de controle de tiristores para motores DC, uma mudança na tensão DC da armadura do motor é usada para controlar sua velocidade. Nesses casos, geralmente são usados ​​esquemas de retificação multifásica.

Na fig. 5, e o diagrama mais simples desse tipo é mostrado com uma linha contínua. Neste circuito, cada um dos tiristores T1, T2, T3 é conectado em série com o enrolamento secundário do transformador e a armadura do motor; NS. etc. c. os enrolamentos secundários estão fora de fase. Portanto, os pulsos de tensão que são defasados ​​um em relação ao outro são aplicados à armadura do motor ao controlar o ângulo de abertura dos tiristores.

Arroz. 5. Circuitos de acionamento do tiristor

Em um circuito polifásico, correntes intermitentes e contínuas podem passar pela armadura do motor, dependendo do ângulo de disparo selecionado dos tiristores. Um acionamento elétrico reversível (Fig. 5, a, todo o circuito) usa dois conjuntos de tiristores: T1, T2, T3 e T4, T5, T6.

Ao abrir os tiristores de um determinado grupo, eles mudam o sentido da corrente na armadura do motor elétrico e, consequentemente, o sentido de sua rotação.

A reversão do motor também pode ser obtida alterando a direção da corrente no enrolamento de campo do motor. Esse reverso é usado nos casos em que não é necessária alta velocidade porque o enrolamento de campo tem uma indutância muito alta em comparação com o enrolamento da armadura. Esse curso reverso é frequentemente usado para acionamentos de tiristores do movimento principal de máquinas de corte de metal.

O segundo conjunto de tiristores também permite realizar modos de frenagem que requerem uma mudança na direção da corrente na armadura do motor elétrico.Os tiristores nos circuitos de acionamento em questão são utilizados para ligar e desligar o motor, bem como para limitar as correntes de partida e frenagem, dispensando o uso de contatores, bem como reostatos de partida e frenagem.

Em circuitos de acionamento de tiristores CC, os transformadores de potência são indesejáveis. Eles aumentam o tamanho e o custo da instalação, por isso costumam usar o circuito mostrado na Fig. 5 B.

Neste circuito, a ignição do tiristor é controlada pela unidade de controle BU1. Ele é conectado a uma rede de corrente trifásica, fornecendo energia e combinando as fases dos pulsos de controle com a tensão anódica dos tiristores.

Uma unidade de tiristor geralmente usa feedback de velocidade do motor. Neste caso, um tacogerador T e um amplificador transistor intermediário UT são usados. O feedback por e-mail também é usado. etc. c. motor elétrico, realizado pela ação simultânea de realimentação negativa na tensão e realimentação positiva na corrente da armadura.

Para ajustar a corrente de excitação, é usado um tiristor T7 com uma unidade de controle BU2. Em semiciclos negativos da tensão do ânodo, quando o tiristor T7 não passa corrente, a corrente no OVD continua a fluir devido a e. etc. c. auto-indução, fechando através da válvula de derivação B1.

Acionamentos elétricos por tiristores com controle de largura de pulso

Nos acionamentos tiristores considerados, o motor é alimentado por pulsos de tensão com frequência de 50 Hz. Para aumentar a velocidade de resposta, recomenda-se aumentar a frequência de pulso.Isso é obtido em acionamentos tiristores com controle de largura de pulso, onde pulsos CC retangulares de duração variável (latitude) com frequência de até 2-5 kHz passam pela armadura do motor. Além da resposta de alta velocidade, esse controle fornece amplas faixas de controle de velocidade do motor e maior desempenho de energia.

Com controle de largura de pulso, o motor é alimentado por um retificador não controlado, e o tiristor conectado em série com a armadura é periodicamente fechado e aberto. Nesse caso, os pulsos CC passam pelo circuito de armadura do motor. Uma mudança na duração (latitude) desses pulsos resulta em uma mudança na velocidade de rotação do motor elétrico.

Como neste caso o tiristor opera em tensão constante, circuitos especiais são usados ​​para fechá-lo. Um dos esquemas de controle de largura de pulso mais simples é mostrado na Fig. 6.

Arroz. 6. Acionamento elétrico por tiristor com controle de largura de pulso

Neste circuito, o tiristor Tr é desligado quando o tiristor de amortecimento Tr é ligado. Quando este tiristor abre, o capacitor carregado C descarrega para acelerador Dr1, criando um significativo e. etc. c. Nesse caso, surge nas extremidades da bobina uma tensão maior que a tensão U do retificador e direcionada para ela.

Através de um retificador e diodo shunt D1, essa tensão é aplicada ao tiristor Tr e faz com que ele desligue. Quando o tiristor é desligado, o capacitor C é carregado novamente para a tensão de comutação Uc > U.

Devido ao aumento da frequência dos pulsos de corrente e à inércia da armadura do motor, a natureza do pulso da fonte de alimentação praticamente não se reflete na suavidade da rotação do motor. Os tiristores Tr e Tr são abertos por um circuito especial de mudança de fase que permite que a largura do pulso seja alterada.

A indústria elétrica produz várias modificações de acionamentos de energia CC com tiristores totalmente regulados. Entre eles estão drives com faixas de controle de velocidade 1:20; 1: 200; 1:2000 por variação de tensão, acionamentos irreversíveis e reversíveis, com e sem frenagem elétrica. O controle é realizado por meio de dispositivos de pulso de fase do transistor. Os inversores usam feedback negativo na rotação do motor e no contador etc. com

As vantagens dos acionamentos tiristores são características de alta energia, tamanho e peso pequenos, ausência de qualquer outro maquinário rotativo que não seja um motor elétrico, alta velocidade e prontidão constante para o trabalho. A principal desvantagem dos acionamentos tiristores é seu custo ainda alto, que excede significativamente o custo das unidades com uma máquina elétrica e amplificadores magnéticos.

Atualmente, há uma tendência constante para a substituição generalizada de acionamentos de tiristor CC por inversores de freqüência variável.