Тиристорный преобразователь для двигателя постоянного тока: схема работы, функции и способы подключения

Тиристорные преобразователи позволяют подавать на двигатель импульсы электрического тока различной конфигурации. Характеристики и пропускная способность меняются в зависимости от спецификаций системы и самого устройства. В последнее время промышленные системы, приводимые в движение электричеством, все чаще включают в себя тиристорный преобразователь для двигателя постоянного тока. Эти полупроводниковые вентили позволяют осуществлять управление приводом в значительном диапазоне: сила тока может превышать сотни ампер, а напряжение достигает 1000В и выше. При своих повышенных технических показателях тиристорный электропривод отличается компактными габаритными размерами. При этом его быстродействие превышает аналогичные показатели у других систем похожего назначения, а диапазон рабочих температур позволяет эксплуатировать двигатель постоянного тока в окружающей среде от -60 до +60 по Цельсию.

Что такое тиристор

Тиристорная система – это частично управляемая система преобразования напряжения. Общая схема работы предполагает активацию привода в момент подачи потенциала необходимого уровня на управляющий электрод. Чтобы отключить тиристорный преобразователь двигателя постоянного тока, необходимо выполнить принудительный разрыв цепи. Это можно осуществить тремя способами:

• подать гасящее напряжение, имеющее значение, противоположное пусковому импульсу;
• отключить энергоснабжение всего привода;
• провести ток питания через ноль.

Скорость вращения электродвигателя зависит от среднего значения напряжения, уже прошедшего через выпрямитель. Тиристорный электропривод позволяет управлять моментом подачи основного потока выпрямленного напряжения и его задержкой. Регулируя момент подачи, можно осуществлять общее управление двигателем постоянного тока.

Общая классификация

Проведя исследование системы, предполагающей наличие тиристора, можно определить наиболее оптимальную схему включения. От выбранного типа запуска непосредственно зависит средний уровень напряжения, выдаваемого выпрямителем при условии отсутствия вмешательства со стороны оператора. В случаях, когда тиристор применяется для двигателя постоянного тока, используются два класса тиристорных преобразователей – мостовые и оснащенные выходом с нулевым значением. Тиристорный преобразователь мостового типа, как правило, устанавливается в высокомощных системах. Это оптимально в силу того, что каждый такой тиристор может обладать меньшим уровнем напряжения, что позволяет распределить общую нагрузку между несколькими узлами и снизить нагрузку на каждый из них. Кроме того, выпрямленное через мостовой тиристор напряжение не будет иметь постоянную составляющую, что повышает стабильность работы при проходе электрического тока через преобразующие обмотки. Еще одним отличием между разными классами тиристоров является количество фазовых выходов. Оборудование и приборы, имеющие малый уровень энергопотребления, требуют наличия у тиристора всего нескольких фаз. Если преобразователь спроектирован для работы в высоконагруженных комплексах, его конструкция может включать от 12 до 24 фазовых контактов. Вне зависимости от выбранного типа активации и общей конструкции данная категория преобразователей напряжения будет иметь все преимущества использования тиристоров. Сюда входит полное отсутствие вращающихся деталей, которые ускоряют процесс износа и требуют периодической замены. Из этого вытекает другое преимущество – низкая инерционность. Главным отличием от простых электромеханических преобразователей электрического тока является компактность, что положительно влияет на совместимость с устройствами, где мало свободного места. При всех своих преимуществах тиристорный преобразователь имеет ряд недочетов:

• если настройка напряжения проводится в сторону снижения, выходная мощность начинает падать пропорционально уменьшению энергоснабжения;
• при работе преобразователя создаются высшие гармоники, которые сразу попадают в сеть питания всей системы;
• тиристор жестко связан с цепью подачи питания, из-за чего малейший скачок напряжения сразу отзывается в системе. Изменение характеристик подаваемого на двигатель тока создает толчок оси, скачкообразно меняя скорость ее вращения, а это в свою очередь вызывает всплеск тока.

Эксплуатационные показатели электродвигателя, который работает в связке с тиристорным преобразователем, напрямую зависят от уровня напряжения, которое подается на якорь. Также важную роль играет создаваемая приводом нагрузка.

Типовая конструкция и принцип работы

Тиристором называется полупроводник, изготовленный из кремния. Как правило, он состоит из четырех токопроводящих слоев. Сборка проводится на медном основании, которое имеет шесть граней и хвостовик с нарезанной резьбой. Этот элемент дополняется основной структурой, в производстве которой применяется специальный кремний. Четырехслойный пропускной комплекс имеет два выхода – управляющий и отрицательный. Снаружи вся конструкция защищена железным корпусом, имеющим форму цилиндра и оснащенным изоляционным слоем. При помощи резьбы тиристор устанавливается в специальное посадочное место и подключается к плюсовому полюсу цепи питания с анодным напряжением.

Управление работой

Общая схема действия заключается в прохождении через тиристор электричества под действием анодного напряжения. При этом величина напряжения на выходе зависит от показателей управляющего тока, который подается на контрольный электрод. Если подача управляющего тока прервана, анодное напряжение, выходящее к потребителю, начнет расти, при этом сохраняя низкую величину. Когда входящее напряжение нарастает, объем тока, необходимого для открытия тиристора, уменьшается. Между этими показателями наблюдается прямая пропорция, которая прослеживается в любой конструкции тиристорного преобразователя. Применение закона синуса для управления входящим напряжением также позволяет снизить уровень последнего. При этом управляющий ток снижается пропорционально импульсу, необходимому для открытия основного механизма. Сохранение постоянного управляющего напряжения не приводит к открытию тиристора в случае, когда его уровень ниже, чем у импульса управления. Наращивание управляющего напряжения приводит к открытию тиристора при определенных условиях. Для этого необходимо обеспечить превышение показателя управляющего импульса. Используя возможность настройки характеристик управляющего импульса, можно менять угол открытия тиристора в диапазоне от нуля до 90 градусов. В тех случаях, когда необходимо открыть тиристор на больший угол, управляющее напряжение меняется на переменное. В большинстве ситуаций амплитуда тока является синусоидальной. Когда напряжение достигает показателя, равного точке пересечения синусоидой величины управляющего импульса, происходит открытие тиристора. Путем изменения интервала синуоиды в меньшую или большую сторону, также можно настраивать угол открытия пропускного механизма преобразователя. Данный тип управления работой тиристора называется горизонтальным и реализуется благодаря применению устройства под названием фазосмещатель. Обратный вид контроля – вертикальный – предполагает сдвиг синусоиды вверх либо вниз, что также приводит к изменению угла открытия проводника. Чтобы определить конечную величину, необходимую для воздействия на угол, необходимо выполнить вычисление суммы переменного управляющего напряжения и постоянного тока, формирующего синусоиду. Задать конкретный угол, на который необходимо открыть тиристор, возможно путем настройки постоянного напряжения. Как только тиристор открыт на нужный угол, система сохраняет заданное положение, пока не будет окончен положительный полупериод. В этот промежуток времени управляющее напряжение не воздействует на функции проводника. Благодаря этой особенности становится возможным использование импульсного управления. Импульсное управление заключается в подаче периодических волновых воздействий, равных по величине управляющему напряжению и имеющих положительный показатель. Для нормализации работы следует пускать импульсы в четко определенные моменты времени. Такой тип управления позволяет повысить четкость функционирования системы, в составе которой находится тиристорный преобразователь. Путем изменения угла открытия тиристора можно настраивать форму импульсов, передаваемые на прибор-потребитель. Стоит учитывать, что такое управление приводит к изменению средневзвешенного уровня напряжения на зажимах потребляющего энергию устройства или механизма.

Использование трансформатора

Иногда для обеспечения более точного и стабильного управления работой тиристорных преобразователей используются сторонние узлы, например, трансформаторы. В этом случае первичная обмотка последних будет запитана непосредственно от питающей переменной сети. При этом вторичная обмотка будет включать в себя выпрямитель двухполупериодного типа, который обладает повышенным уровнем индуктивности в цепи, где присутствует постоянное напряжение. С этим подходом становится возможным устранение эффекта пульсации тока, выпущенного из выпрямителя. Однако таким свойством обладают только двухполупериодные выпрямители, адаптированные под переменное напряжение. Амплитуда выпрямленного тока также должна соответствовать определенным характеристикам: в данном случае ее форма должна быть пилообразной либо прямоугольной. Поэтому выпрямитель также выполняет функцию преобразования формы переменного напряжения. В процессе работы конденсаторы трансформатора попеременно получают электрический ток сразу двух форм. Прямоугольная амплитуда энергоснабжения наблюдается в заряжающих потоках. Обкладки в свою очередь накапливают пилообразный электрический ток, который впоследствии прикладывается к транзисторным базам. Если присутствует такой тип напряжения, то его классифицируют как опорное. Каждый установленный в трансформаторе транзистор оснащен собственной базой, которая имеет выделенную цепь. В ней действует напряжение постоянного типа, которое приводит к появлению положительных потенциалов на всех транзисторных базах при условии, что пилообразный ток на обкладках конденсаторов равен нулю. При этом открытие транзисторов производится в момент образования на базе отрицательного потенциала. Чтобы был запущен вышеописанный процесс, необходимо увеличить отрицательную величину опорного тока настолько, чтобы она превысила значение управляющего напряжения. Это производится в зависимости от текущего уровня последнего для определенного фазового угла. В этом случае время открытия транзистора будет напрямую зависеть от значения управляющего напряжения. Если один или оба транзистора оказываются открытыми, вторая или третья первичные обмотки трансформаторной установки пропускают через себя импульс прямоугольной формы. В момент прохождения переднего фронта вторичная обмотка формирует объем электрического тока, который выбрасывается непосредственно на электрод тиристора, управляющий его открыванием. Когда волна напряжения проходит и первичная обмотка задета задним фронтом импульса, во вторичной обмотке образуется такой же ток, но обратной полярности. Затем происходит замыкание этого напряжения на полупроводниковым диодом, который непрерывно проводит шунтирование вторичной обмотки трансформатора. В этом случае тиристорный преобразователь бездействует, так как не получает питание. Если необходимо реализовать параллельное подключение тиристорного массива к двум трансформаторам, конфигурация схемы меняется. Для этого выполняется генерация двух импульсов с противоположными фазами, сдвиг которых равен 180 градусам.

Управление электродвигателем при помощи тиристора

Механизмы тиристорного контроля работы электромоторов работают по принципу регулировки уровня напряжения, подаваемого на якорь и сохраняющего постоянную частоту. С помощью этого меняется скорость вращения двигателя. Как правило, реализация такого комплекса производится через многофазное выпрямление электрического тока. Типовая конструкция тиристорной системы управления включает в себя три таких узла, каждый из который последовательно подключен к якорю электродвигателя и вторичной обмоткой трансформаторной установки. При этом электродвижущая сила, генерируемая на последних, имеет сдвинутую фазу. Чтобы это компенсировать, в процессе настройки угла открытия тиристора на якорный комплекс мотора подается несколько пусковых импульсов, которые также смещены по фазе относительно друг друга. В этой схеме якорь двигателя может получать как переменный, так и постоянный ток. Это зависит от того, насколько широко открыт тиристор в момент активации. Если необходимо включить многофазный реверсивный комплекс, конструкция будет включать в себя два тиристорных массива, промаркированных Т1-3 и Т4-6 соответственно. Изменение направления подачи напряжения происходит путем задействования одного из массивов, в результате чего якорь электродвигателя будет вращаться в ту или иную сторону. В качестве альтернативного способа реверса мотора создана схема изменения направления движения электрических импульсов в обмотке возбуждения. Принцип действия будет несколько отличаться; также стоит принимать во внимание снижение коэффициента полезного действия. Это обеспечивает совместимость с двигателями, работающими в ограниченном диапазоне мощности, так как обмотки возбуждения имеют повышенный уровень индуктивности. В этом заключается их отличие от якорных обмоток, где этот показатель значительно ниже. Чаще всего такие приводы используются для приведения в действие станков для резки металла. При помощи дополнительного массива тиристоров оператор электропривода может использовать торможение ротора, осуществив это также при помощи изменения направления электрической энергии. Помимо этого, тиристоры позволяют запускать и останавливать вращение ротора и ограничить интенсивность стартового импульса, который используется также для торможения. Благодаря этому отсутствует необходимость внедрения в электроцепь контакторов и реостатных устройств, регулирующих напряжение цепи в ручном режиме. Применение тиристорного привода регулировки работы двигателя в сети постоянного тока может привести отсутствии выгоды интеграции силовых трансформаторных установок. Причина заключается в существенном увеличении габаритных размеров оборудования, управляемого по такому принципу. Кроме того, увеличивается итоговая стоимость комплектации, сборки и монтажа привода. Поэтому для оптимизации расходов и экономии свободного места часто применяется упрощенная схема. https://www.youtube.com/watch?v=XgWjfilUvVE