محرك كهربائي الثايرستور

في الصناعة ، يتم استخدام المحركات ذات الصمامات شبه الموصلة الخاضعة للرقابة - الثايرستور - على نطاق واسع. يتم تصنيع الثايرستور لتيارات تصل إلى مئات الأمبيرات ، لجهود تصل إلى 1000 فولت أو أكثر. تتميز بالكفاءة العالية ، الحجم الصغير نسبيًا ، السرعة العالية والقدرة على العمل في نطاق واسع من درجات الحرارة المحيطة (من -60 إلى +60 درجة مئوية).

الثايرستور ليس جهازًا يمكن التحكم فيه بشكل كامل ، يتم تشغيله عن طريق تطبيق الإمكانات المقابلة لقطب التحكم ، ولا يتم إيقاف تشغيله إلا عن طريق الانقطاع القسري للدائرة الحالية بسبب جهد الانقطاع ، أو انتقاله الطبيعي من خلال الصفر أو إمداد التخميد جهد الإشارة المعاكسة. من خلال تغيير توقيت إمداد جهد التحكم (تأخيره) ، يمكنك ضبط متوسط ​​قيمة الجهد المعدل وبالتالي سرعة المحرك.

يتم تحديد متوسط ​​قيمة الجهد المعدل في حالة عدم وجود تنظيم بشكل أساسي بواسطة دائرة التبديل لمحول الثايرستور. تنقسم دوائر محول الطاقة إلى فئتين: صفر سحب وجسور.

في منشآت الطاقة المتوسطة والعالية ، تُستخدم دارات محول الجسر بشكل أساسي ، وذلك لسببين رئيسيين:

• جهد أقل على كل من الثايرستور ،

• عدم وجود مكون تيار ثابت يتدفق عبر لفات المحولات.

يمكن أن تختلف دارات المحول أيضًا في عدد المراحل: من واحدة في التركيبات منخفضة الطاقة إلى 12-24 في المحولات القوية.

جميع المتغيرات من محولات الثايرستور إلى جانب الخصائص الإيجابية ، مثل القصور الذاتي المنخفض ، ونقص العناصر الدوارة ، والأصغر (مقارنة بالمحولات الكهروميكانيكية) في الحجم ، لها عدد من العيوب:

1. الاتصال الثابت بالشبكة: يتم نقل جميع تقلبات الجهد في الشبكة مباشرة إلى نظام القيادة ويزداد الحمل ، ويتم نقل محاور المحرك على الفور إلى الشبكة وتسبب صدمات التيار.

2. عامل الطاقة المنخفض عند ضبط الجهد لأسفل.

3. توليد التوافقيات أعلى ، الحمل على شبكة الطاقة.

يتم تحديد الخصائص الميكانيكية للمحرك الذي يتم تشغيله بواسطة محول الثايرستور من خلال الجهد المطبق على المحرك وطبيعة تغيره مع الحمل ، أي الخصائص الخارجية للمحول ومعلمات المحول والمحرك.

جهاز ومبدأ تشغيل الثايرستور

الثايرستور (الشكل 1 ، أ) هو أشباه موصلات من أربع طبقات من السيليكون مع تقاطعات pn وواحد n-p-junction. يعتمد حجم التيار الذي يمر عبر الثايرستور تحت تأثير جهد الأنود Ua على التيار Azd أثناء مرور التحكم عبر قطب التحكم تحت تأثير جهد التحكم Uy.

إذا لم يكن هناك تيار تحكم (Azy = 0) ، فعند زيادة الجهد U ، سيزداد التيار A في دائرة المستخدم P ، ومع ذلك ، يبقى قيمة صغيرة جدًا (الشكل 1 ، ب).

أرز. 1. مخطط الكتلة (أ) ، خاصية الجهد الحالي (ب) وبناء (ج) للثايرستور

في هذا الوقت ، يكون للوصلة n-p التي تم تشغيلها في الاتجاه غير الموصّل مقاومة عالية. عند قيمة معينة Ua1 من جهد الأنود ، تسمى الفتح أو الإشعال أو تبديل الجهد ، يحدث انهيار جليدي لطبقة الحجب. تصبح مقاومتها صغيرة وتزداد قوة التيار إلى قيمة محددة وفقًا لقانون أوم بواسطة المقاومة Rp المستخدم P.

مع زيادة التيار ، ينخفض ​​الجهد Ua. يُطلق على التيار Iu ، الذي يصل عنده الجهد Ua إلى أدنى قيمة ، التيار I مع التصحيح.

يتم إغلاق الثايرستور عند إزالة الجهد الكهربائي Ua أو عند تغير علامته. التيار المقنن I للثايرستور هو أكبر قيمة متوسطة للتيار المتدفق في الاتجاه الأمامي الذي لا يسبب ارتفاع درجة حرارة غير مقبول.

يُطلق على الجهد الاسمي Un أعلى جهد اتساع مسموح به يتم ضمان الموثوقية المعطاة للجهاز.

يُطلق على انخفاض الجهد Δ الناتج عن التيار الاسمي انخفاض الجهد الاسمي (عادةً ΔUn = 1-2 فولت).

تتقلب قيمة القوة الحالية Ic للتصحيح في حدود 0.1 - 0.4 A عند جهد Uc 6-8 فولت.

يفتح الثايرستور بشكل موثوق مع مدة نبضة تتراوح من 20 إلى 30 ميكرو ثانية. يجب ألا تقل الفترة الفاصلة بين النبضات عن 100 ميكرو ثانية. عندما ينخفض ​​الجهد Ua إلى الصفر ، ينطفئ الثايرستور.

يظهر التصميم الخارجي للثايرستور في الشكل.1 ، v ... هيكل من أربع طبقات سليكونية سادس عشر قائم على النحاس 2 مع ذيل ملولب ، بقوة سالبة 3 وتحكم في 4 مخرجات. هيكل السيليكون محمي بغطاء معدني أسطواني 5. يتم تثبيت العازل في السكن 6. يتم استخدام خيط في القاعدة 1 لتثبيت الثايرستور وتوصيل مصدر جهد الأنود بالقطب الموجب.

مع زيادة الجهد Ua ، ينخفض ​​\ u200b \ u200b تيار التحكم المطلوب لفتح الثايرستور (انظر الشكل 1 ، ب). يتناسب تيار فتح التحكم مع جهد فتح التحكم uyo.

إذا تغير Uа وفقًا للقانون الجيبي (الشكل 2) ، فيمكن تصوير الجهد والفتحة المطلوبة بخط منقط. إذا كان جهد التحكم المطبق Uy1 ثابتًا وكانت قيمته أقل من القيمة الدنيا للجهد uuo ، فلن يفتح الثايرستور.

إذا تم زيادة جهد التحكم إلى القيمة Uy2 ، فسيتم فتح الثايرستور بمجرد أن يصبح الجهد Uy2 أكبر من الجهد uyo. عن طريق تغيير القيمة الخاصة بك ، يمكنك تغيير زاوية فتح الثايرستور في النطاق من 0 إلى 90 درجة.

أرز. 2. التحكم في الثايرستور

لفتح الثايرستور بزاوية أعلى من 90 درجة ، يتم استخدام جهد تحكم متغير uy ، والذي يتغير ، على سبيل المثال ، جيبيًا. عند الجهد المقابل لتقاطع الموجة الجيبية لهذا الجهد مع المنحنى المنقط uuo = f (t) ، يفتح Tiristor.

عن طريق تحريك uyo الجيوب الأنفية أفقيًا إلى اليمين أو اليسار ، يمكنك تغيير الزاوية ωt0 فتحة الثايرستور. يسمى هذا التحكم بزاوية الفتح أفقيًا. يتم تنفيذه باستخدام مفاتيح المرحلة الخاصة.

من خلال تحريك نفس الموجة الجيبية عموديًا لأعلى أو لأسفل ، يمكنك أيضًا تغيير زاوية الفتح. هذه الإدارة تسمى الرأسي. في هذه الحالة ، مع التحكم في الجهد المتغير ، أضف جهدًا ثابتًا جبريًا ، على سبيل المثال ، الجهد Uy1 ... يتم ضبط زاوية الفتح عن طريق تغيير حجم هذا الجهد.

بمجرد الفتح ، يظل الثايرستور مفتوحًا حتى نهاية نصف الدورة الموجبة ولا يؤثر جهد التحكم على تشغيله. هذا يجعل من الممكن أيضًا تطبيق التحكم في النبض من خلال تطبيق نبضات جهد تحكم موجب بشكل دوري في الوقت المناسب (الشكل 2 أسفل). هذا يزيد من وضوح عنصر التحكم.

من خلال تغيير زاوية فتح الثايرستور بطريقة أو بأخرى ، يمكن تطبيق نبضات الجهد بأشكال مختلفة على المستخدم. هذا يغير قيمة متوسط ​​الجهد عند أطراف المستخدم.

تستخدم أجهزة مختلفة للتحكم في الثايرستور. في المخطط الموضح في الشكل. 3 ، يتم تطبيق جهد التيار المتردد على الملف الأولي للمحول Tp1.

أرز. 3. دائرة تحكم الثايرستور

يتم تضمين مقوم الموجة الكاملة B في الدائرة الثانوية لهذا المحول 1 ، B2 ، B3 ، B4 مع محاثة كبيرة L في دائرة التيار المستمر. يتم التخلص عمليًا من تيار الموجة العملي. ولكن لا يمكن الحصول على مثل هذا التيار المباشر إلا عن طريق تصحيح الموجة الكاملة لتيار متناوب بالشكل الموضح في الشكل. 4 ا.

وهكذا ، في هذه الحالة ، المعدل B1 ، B2 ، B3 ، B4 (انظر الشكل 3) هو محول في شكل تيار متردد. في هذا المخطط ، تتناوب المكثفات C1 و C2 على التوالي مع نبضات تيار مستطيلة (الشكل 4 ، أ).في هذه الحالة ، على ألواح المكثفات C1 و C2 (الشكل 4 ، ب) ، يتم تشكيل جهد سن المنشار المستعرض ، يتم تطبيقه على قواعد الترانزستورات T1 و T2 (انظر الشكل 3).

يسمى هذا الجهد الجهد المرجعي. تعمل واجهة المستخدم للجهد المستمر أيضًا في الدائرة الرئيسية لكل ترانزستور. عندما يكون جهد المنشار صفراً ، فإن الجهد Uy يخلق إمكانات موجبة في قواعد كلا الترانزستورات. يفتح كل ترانزستور بتيار قاعدة عند جهد قاعدة سالب.

يحدث هذا عندما تكون القيم السالبة للجهد المرجعي للمنشار أكبر من Uy (الشكل 4 ، ب). يتم استيفاء هذا الشرط اعتمادًا على قيمة Uy بقيم مختلفة لزاوية المرحلة. في هذه الحالة ، يفتح الترانزستور لفترات زمنية مختلفة ، اعتمادًا على حجم الجهد Uy.

أرز. 4. مخططات الفولتية التحكم الثايرستور

عندما يفتح أحد الترانزستور أو الآخر ، تمر نبضة تيار مستطيلة عبر الملف الأولي للمحول Tr2 أو Tr3 (انظر الشكل 3). عندما تمر الحافة الأمامية لهذه النبضة ، تحدث نبضة جهد في الملف الثانوي ، والذي يتم تطبيقه على قطب التحكم في الثايرستور.

عندما يمر الجزء الخلفي من النبضة الحالية عبر الملف الثانوي ، تحدث نبضة جهد ذات قطبية معاكسة. يتم إغلاق هذه النبضة بواسطة صمام ثنائي أشباه الموصلات يتجاوز الملف الثانوي ولا يتم تطبيقه على الثايرستور.

عندما يتم التحكم في الثايرستور (انظر الشكل 3) باستخدام محولين ، يتم إنشاء نبضتين ، ويتم إزاحة الطور بمقدار 180 درجة.

أنظمة التحكم في محرك الثايرستور

في أنظمة التحكم في الثايرستور لمحركات التيار المستمر ، يتم استخدام تغيير في جهد المحرك DC للتحكم في سرعته. في هذه الحالات ، عادة ما يتم استخدام مخططات التصحيح متعدد الأطوار.

في التين. 5 ، وأبسط مخطط من هذا النوع يظهر بخط متصل. في هذه الدائرة ، يتم توصيل كل من الثايرستور T1 ، T2 ، T3 في سلسلة مع الملف الثانوي للمحول والمحرك ؛ NS. إلخ. ج.الملفات الثانوية خارج الطور. لذلك ، يتم تطبيق نبضات الجهد التي يتم تغيير طورها بالنسبة لبعضها البعض على المحرك الحركي عند التحكم في زاوية فتح الثايرستور.

أرز. 5. دارات محرك الثايرستور

في دائرة متعددة الأطوار ، يمكن أن تمر التيارات المتقطعة والمستمرة عبر حديد التسليح للمحرك ، اعتمادًا على زاوية إطلاق النار المختارة للثايرستور. يستخدم محرك كهربائي قابل للانعكاس (الشكل 5 ، أ ، الدائرة بأكملها) مجموعتين من الثايرستور: T1 و T2 و T3 و T4 و T5 و T6.

من خلال فتح الثايرستور لمجموعة معينة ، يغيرون اتجاه التيار في المحرك الكهربائي ، وبالتالي اتجاه دورانه.

يمكن أيضًا تحقيق عكس المحرك عن طريق تغيير اتجاه التيار في الملف الميداني للمحرك. يتم استخدام هذا الاتجاه العكسي في الحالات التي لا تكون فيها السرعة العالية مطلوبة لأن ملف المجال يحتوي على محاثة عالية جدًا مقارنة بملف المحرك. غالبًا ما تستخدم هذه السكتة الدماغية العكسية لمحركات الثايرستور للحركة الرئيسية لآلات قطع المعادن.

تتيح المجموعة الثانية من الثايرستور أيضًا أداء أوضاع الكبح التي تتطلب تغييرًا في اتجاه التيار في المحرك الكهربائي.يتم استخدام الثايرستور في دوائر القيادة قيد الدراسة لتشغيل وإيقاف تشغيل المحرك ، وكذلك للحد من تيارات البدء والفرملة ، مما يلغي الحاجة إلى استخدام الموصلات ، بالإضافة إلى بدء التشغيل والفرملة المتغيرة.

في دوائر محرك الثايرستور DC ، تعتبر محولات الطاقة غير مرغوب فيها ، فهي تزيد من حجم وتكلفة التركيب ، لذلك غالبًا ما تستخدم الدائرة الموضحة في الشكل. 5 ب.

في هذه الدائرة ، يتم التحكم في اشتعال الثايرستور بواسطة وحدة التحكم BU1. وهو متصل بشبكة تيار ثلاثية الطور ، وبالتالي توفير الطاقة ومطابقة مراحل نبضات التحكم مع جهد الأنود للثايرستور.

عادة ما يستخدم محرك الثايرستور ردود فعل سرعة المحرك. في هذه الحالة ، يتم استخدام tachogenerator T ومضخم الترانزستور الوسيط UT. ملاحظات البريد الإلكتروني تستخدم أيضا. إلخ. ج. محرك كهربائي ، يتحقق من خلال العمل المتزامن للتغذية الراجعة السلبية على الجهد وردود الفعل الإيجابية على تيار المحرك.

لضبط تيار الإثارة ، يتم استخدام الثايرستور T7 مع وحدة التحكم BU2. في نصف الدورات السلبية لجهد الأنود ، عندما لا يمرر الثايرستور T7 التيار ، يستمر التيار في OVD في التدفق بسبب e. إلخ. ج - الحث الذاتي ، الإغلاق من خلال الصمام الجانبي B1.

محركات كهربائية الثايرستور مع التحكم في عرض النبض

في محركات الثايرستور المدروسة ، يتم تشغيل المحرك بواسطة نبضات الجهد بتردد 50 هرتز. لزيادة سرعة الاستجابة ، يوصى بزيادة تردد النبض.يتم تحقيق ذلك في محركات الثايرستور مع التحكم في عرض النبضة ، حيث تمر نبضات DC مستطيلة ذات مدة متفاوتة (خطوط العرض) بتردد يصل إلى 2-5 كيلو هرتز عبر المحرك الحركي. بالإضافة إلى الاستجابة عالية السرعة ، يوفر هذا التحكم نطاقات تحكم كبيرة في سرعة المحرك وأداء طاقة أعلى.

من خلال التحكم في عرض النبض ، يتم تشغيل المحرك بواسطة مقوم غير متحكم فيه ، ويتم إغلاق وفتح الثايرستور المتصل في سلسلة مع المحرك بشكل دوري. في هذه الحالة ، تمر نبضات التيار المستمر عبر دائرة المحرك للمحرك. يؤدي التغيير في مدة (خط العرض) لهذه النبضات إلى تغيير في سرعة دوران المحرك الكهربائي.

نظرًا لأن الثايرستور في هذه الحالة يعمل بجهد ثابت ، يتم استخدام دوائر خاصة لإغلاقه. يظهر الشكل 1 من أبسط مخططات التحكم في عرض النبض. 6.

أرز. 6. محرك كهربائي الثايرستور مع التحكم في عرض النبض

في هذه الدائرة ، يتم إيقاف تشغيل الثايرستور Tr عند تشغيل الثايرستور المثبط. عندما يفتح هذا الثايرستور ، يتم تفريغ المكثف المشحون C إلى خنق Dr1 ، مما يؤدي إلى إنشاء رسالة إلكترونية مهمة. إلخ. ج- في هذه الحالة ، يظهر جهد في نهايات الخانق ، وهو أكبر من الفولت U للمقوم والموجه نحوه.

من خلال مقوم وصمام ثنائي D1 ، يتم تطبيق هذا الجهد على الثايرستور Tr ويؤدي إلى إيقاف تشغيله. عندما يتم إيقاف تشغيل الثايرستور ، يتم شحن المكثف C مرة أخرى إلى جهد التبديل Uc> U.

نظرًا لتكرار النبضات الحالية والقصور الذاتي في المحرك الحركي ، فإن الطبيعة النبضية لمصدر الطاقة لا تنعكس عمليًا في نعومة دوران المحرك. يتم فتح الثايرستور Tr و Tr بواسطة دائرة تحول طور خاصة تسمح بتغيير عرض النبض.

تنتج الصناعة الكهربائية تعديلات مختلفة لمحركات طاقة التيار المستمر الثايرستور المنظمة بالكامل. من بينها محركات مع نطاقات التحكم في السرعة 1:20 ؛ 1: 200 1: 2000 عن طريق تغيير محركات الجهد ، التي لا رجعة فيها وقابلة للانعكاس ، مع وبدون فرملة كهربائية. يتم التحكم عن طريق أجهزة النبض الطور الترانزستور. تستخدم محركات الأقراص ردود فعل سلبية على عدد دورات المحرك في الدقيقة والعداد الإلكتروني وما إلى ذلك. مع

مزايا محركات الثايرستور هي خصائص الطاقة العالية ، الحجم الصغير والوزن ، عدم وجود أي آلة دوارة بخلاف المحرك الكهربائي ، السرعة العالية والاستعداد المستمر للعمل. العيب الرئيسي لمحركات الثايرستور هو تكلفتها العالية ، والتي تتجاوز بشكل كبير تكلفة القيادة بآلة كهربائية ومضخمات مغناطيسية.

يوجد حاليًا اتجاه ثابت نحو الاستبدال الواسع لمحركات الثايرستور DC محركات التيار المتردد ذات التردد المتغير.