Тиристор: принцип работы, проверка, особенности и характеристики

Тиристор: принцип работы, проверка, особенности и характеристики

В переключательных схемах часто используется тиристор, принцип работы которого напоминает электронный ключ. Он представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий три или несколько взаимодействующих выпрямляющих переходов. Однако тиристор не способен перейти в состояние закрытого типа, поэтому его называют ключом, который является не полностью управляемым.

Устройство и виды полупроводниковых приборов

Прежде чем рассматривать принцип работы тиристоров в цепях, необходимо разобраться с тем, как они устроены, какие виды существуют. Состоят они из четырех последовательно соединенных слоев, которые имеют разный тип проводимости. С внешней стороны есть контакты – анод и катод. Приборы могут обладать двумя управляющими электродами, прикрепленными к внутренним слоям. Изменения состояния удается добиться за счет подачи сигнала непосредственно на проводник.

Различают два основных вида тиристоров:

1. Динисторы представляют собой диодные полупроводниковые приборы. В данном случае открывание осуществляется посредством подачи высокого напряжения между контактами.
2. Тринисторы – это триодные аналоги. Их удается открывать за счет воздействия управляющего тока на электрод.

Процесс запирания может производиться двумя способами. Первый из них подразумевает снижение электрического тока ниже уровня удержания. Вариант применим для всех видов тиристоров. Второй способ заключается в нагнетании запирающего напряжения непосредственно на управляющий контакт. Он используется только для тринисторов запираемого типа.

Возможность обратной проводимости

Рассматривая принцип работы тиристора, следует понимать, что элементы могут быть классифицированы по обратному напряжению.

Всего существует четыре варианта изделий:

1. Обратно-проводящие приборы обладают небольшим обратным напряжением. Оно составляет всего несколько вольт.
2. Элементы, не проводящие напряжение в обратном направлении в закрытом состоянии.
3. Симисторы представляют собой симметричные приборы, которые коммутируют электрические токи в том или ином направлении.
4. Изделия с ненормированным напряжением обратного направления.

Используя симисторы, необходимо помнить, что они функционируют симметрично лишь на первый взгляд. При подаче отрицательного (на анод) и положительного (на управляющий электрод) напряжения они не способны открываться, а в некоторых случаях могут выходить из строя.

В электронике симисторы относят к управляемым тиристорам, принцип работы которых заключается в коммутации цепей переменного тока. При проектировании таких схем, необходимо изучать документацию конкретного изделия, чтобы определить, какие сигналы допустимы. Отдельные виды симисторов могут иметь некоторые ограничения.

Работа в цепи постоянного тока

Если объяснять принцип работы тиристора простым языком, то он заключается во включении полупроводникового прибора посредством подачи импульса электрического тока непосредственно в цепь управления положительной полярности. На продолжительность переходного процесса существенно влияет характер производимой нагрузки, а также другие факторы:

• скорость и амплитуда созданного импульса;
• температура полупроводниковой конструкции;
• передаваемое напряжение;
• ток нагрузки.

В цепи с тиристором при увеличении прямого напряжения не должно фиксироваться завышенных значений скорости нарастания. В противном случае может происходить непреднамеренное включение прибора без подачи сигнала. Однако крутизна производимого импульса не должна быть низкой.

Выключение элементов может происходить естественным или принудительным образом. В первом случае коммутация в системах переменного тока осуществляется в момент падения электрического тока до минимума. Что касается вариантов принудительного выключения, то оно может быть весьма разнообразным:

1. Подключение специализированной цепи с наличием заряженного конденсатора вызывает возникновение разряда на проводящий элемент. Встречный поток снижает ток до нуля, поэтому прибор выключается.
2. Подключение контура, вызывающего колебательный разряд, позволяет пропустить электричество через тиристор на встречу прямому току. При достижении равновесия происходит выключение.
3. Переходный процесс может вызываться при оказании комплексной нагрузки. При наличии определенных параметров возникает колебательный характер, подразумевающий изменение полярности.

Функционирование в цепи переменного тока

Теперь следует рассмотреть принцип работы тиристора в цепи, которая пропускает переменный ток. При его внедрении можно производить включение и отключение электрических сетей с активной нагрузкой, а также осуществлять изменение среднего и текущего значений тока путем регулировки подачи сигнала.

Не новость даже для чайников – принцип работы тиристора заключается в пропускании электричества в одном направлении, поэтому в цепях с переменным током осуществляется встречно-параллельное включение. Значения могут варьироваться путем изменения самого момента подачи на приборы открывающих сигналов. Углы регулируются за счет системы управления.

1. Фазовый метод регулировки с принудительной коммутацией предполагает применение специальных узлов.
2. Широтно-импульсное управление подразумевает отсутствие сигнала в закрытом состоянии и его наличие в открытом положении, когда к нагрузке приложено определенное напряжение.

Режим обратного запирания

Рассказывая о принципе работы триодного тиристора, нельзя не отметить, что оно может работать в разных режимах. При обратном запирании непосредственно к аноду полупроводника приложено отрицательное напряжение по отношению к катодному контакту. Переходы при таком варианте смещены в противоположном направлении.

Существуют факторы, ограничивающие применение подобного режима. Первый из них – это лавинный пробой, а второй – прокол обедненной области. Это объясняется тем, что существенная часть напряжения снижается на одном из переходов. Возникает их смыкание или происходит пробой.

Режим прямого запирания

Принцип работы тиристора в режиме прямого запирания предполагает обратное смещение одного из переходов. Противоположные слои сдвинуты в прямом направлении. Основная часть приложенного напряжения снижается на единичном переходе. Через остальные слои в соприкасающиеся области инжектируются носители, позволяющие уменьшить сопротивление на проводящем элементе. Происходит увеличение проходящего тока. Падение напряжения уменьшается.

Увеличение прямого напряжения приводит к медленному росту электрического тока. В таком режиме полупроводник считается запертым, что связано с повышенным сопротивлением единичного перехода. При некотором показателе напряжения процесс начинает приобретать лавинообразный характер. Прибор переходит во включенное состояние, в нем устанавливается электрический ток, который зависит от источника и сопротивления цепи.

Двухтранзисторная модель

Для объяснения устройства и принципа работы тиристора в режиме прямого запирания применяется двухтранзисторная модель. Данный полупроводниковый прибор можно рассматривать как два совмещенных транзистора с противоположными выводами. Переход в центре используется в качестве коллектора дырок и электронов, которые инжектируются определенными переходами.

Соотношения не изменяются при протекании токов в противоположном направлении. При повышении коэффициента в замкнутой петле происходит лавинообразный процесс, подразумевающий увеличение тока непосредственно через структуру. Электрический ток ограничен лишь сопротивлением наружной цепи.

Чем различаются динисторы и тринисторы

Принципиальных отличий между характеристиками и принципом работы тиристоров нельзя найти. Однако открытие динистора производится при наличии определенного напряжения между двумя основными выводами. Оно зависит от типа используемого устройства. В случае с тринистором напряжение открытия удается снизить принудительным образом. Это можно сделать, если подать импульс электрического тока необходимой величины непосредственно на управляющий электрод. Тринисторы получили наибольшее распространение среди приборов из категории тиристоров.

Основные характеристики

При выборе тиристоров обращают внимание на определенные параметры:

1. Напряжение включения позволяет перевести полупроводниковый прибор в рабочее состояние.
2. Временной интервал задержки запуска и остановки изделия.
3. Уровень обратного тока при максимальном значении обратного напряжения.
4. Показатель общей рассеивающей мощности.
5. Прямое напряжение при предельном токе анода.
6. Пиковый ток электрода, обеспечивающего управление.
7. Обратное напряжение в закрытом состоянии.
8. Максимальный открытый ток в открытом положении.

При выборе тиристора не следует забывать о предназначении прибора. На это непосредственное влияние оказывает временной интервал перехода в открытое или закрытое состояние. Как правило, период включения является более коротким, чем промежуток выключения.

Схемы с применением тиристоров

Тиристорные схемы подразделяются на четыре категории:

1. Пороговые изделия используют возможности перехода полупроводников из одного положения в другое при наличии определенного напряжения. К таковым относятся генераторы колебаний и фазовые регуляторы нагрузки.
2. Силовые ключи отличаются низкой мощностью. Ток рассеивается элементами в переключательных схемах в открытом состоянии. В закрытом положении электричество не пропускается.
3. Коммутация постоянного напряжения вполне возможна при использовании приборов с большой мощностью. Есть несколько способов, позволяющих закрывать незапираемые элементы.
4. Некоторые экспериментальные устройства работают с применением полупроводниковых приборов в переходных режимах, где имеются участки с отрицательным уровнем сопротивления.

В качестве заключения

Чаще всего рассказывают о принципах работы тиристоров для студентов специализированных училищ, которые готовят специалистов в области электротехники. Однако не помешает изучить информацию об устройстве и функционировании универсальных полупроводниковых приборов простым людям, проявляющим интерес к проектированию различных электрических схем.

Тиристорный преобразователь частоты и принцип его работы

Преобразователи частоты в схемах подключения двигателя пользуются большой популярностью и спросом, поскольку позволяют строить стабильные и управляемые системы, которые без таких электронных схем спроектировать и внедрить затруднительно. К таким специфическим применениям, связанным с работой синхронных и асинхронных двигателей, относят:

• необходимость обеспечить плавный, безопасный пуск и остановку электромотора;
• потребность обеспечить необходимый крутящий момент на низких оборотах и при выходе на номинальный режим;
• потребность регулировки частоты вращения ротора в широких пределах;
• создание экономичных систем;
• разработку систем на базе электромоторов с обратной связью, при помощи которой регулируется состояние системы.

Это достаточно сложная задача, учитывая, что мощные электродвигатели, особенно двигатели трехфазного тока, работают при достаточно высоких напряжениях, мощностях и, соответственно, большой силе тока. Поэтому первые регуляторы частоты были созданы на основе тиристоров, которые появились значительно раньше мощных IGBT-транзисторов. Cхемотехника тиристорных регуляторов частоты вращения электромотора достаточно проста и может быть реализована даже без применения сложных контроллеров, интегральных микросхем и микропроцессоров.

В первых разработках частотных преобразователей на тиристорах использовались временные цепи с регулировкой, построенной на базе конденсаторов и резисторов, которые задают собственную частоту колебаний системы.

Особенности тиристоров

Такой радиоэлектронный компонент, как тиристор, можно условно представить как управляемый диод. Когда на управляющий электрод не подается напряжение, тиристор закрыт и не пропускает ток в обоих направлениях. Когда на управляющий электрод подается напряжение, тиристор начинает работать как диод, то есть пропускает ток только в одном направлении. Эта их особенность широко используется в регуляторах мощности электрического тока — диммерах, где тиристор работает в режиме отсечения части полуволны электрического тока и пропускает в нагрузку только часть мощности. Для более плавной регулировки в таких схемах используется два тиристора, включенных навстречу друг другу, чтобы пропускать положительную и отрицательную составляющую переменного тока.

При определенном подборе RC-цепочки возможно создание простого генератора на основе тиристора, который питается от постоянного тока. Эти особенности и стали основой различных схемотехнических решений, которые позволяют получать от сети 220 В и 50 Гц переменный электрический ток, частота которого может изменяться практически от 0 и значительно превышать частоту питающей сети. Более сложные решения позволяют получать от однофазной сети напряжение для питания трехфазных двигателей, а также управлять работой трехфазных моторов, подключенных через такой преобразователь к трехфазной сети.

Необходимо отметить, что несмотря на достаточно старый тип подобных систем управления частотой вращения двигателя, тиристорные преобразователи частоты до сих пор широко применяются, особенно для управления мощной нагрузкой в десятки киловатт. При этом их схемотехническое решение, как правило, значительно дешевле современных систем управления на базе транзисторов с микропроцессорным управлением. Впрочем, современные тиристорные преобразователи частоты также имеют сложное электронное управление, которое обеспечивает:

• согласованность плеч управления напряжением и частотой;
• обратную связь по контролируемому критерию работы системы;
• защиту как самого преобразователем, так и подключенной нагрузки от различных внештатных аварийных ситуаций.

Тем не менее, несмотря на простоту решений схемотехники на тиристорах, преобразователи на их основе имеют ряд недостатков, постепенно вытесняющих их из промышленного использования. К ним относят:

• достаточно объемную элементную базу, которая не позволяет создавать компактные решения;
• необходимость использования дросселей, согласующих трансформаторов (реакторов),которые при больших мощностях нагрузки отличаются значительными габаритами и стоимостью;
• сложности в формировании чистого синусоидального сигнала на выходе тиристорного частотного преобразователя;
• принципы работы тиристора, основанные на отсечении части волны электрического тока. Это приводит к тому, что тиристорный ключ становится источником мощных электромагнитных помех в широком гармоническом спектре, который может влиять на работу оборудования расположенного в непосредственной близости или подключенного к той же питающей сети.

Кроме того, ТПЧ должен быть оборудован хорошо отлаженной схемой управления, поскольку тиристор, в отличие от транзистора, открывается полностью при достижении на управляющем электроде заданного значения напряжения. Как правило, в тиристорных схемах устройств управления частотой используется несколько тиристоров, и синхронность их работы должна быть настроена точно и согласованно, поскольку только в этом случае можно добиться высокого КПД преобразователя и максимальной точности управления нагрузкой.

Рассмотрим особенности нескольких типовых схем работы тиристорных преобразователей частоты.

ТПЧ с непосредственной гальванической связью с сетью питания

Это решение можно назвать одним из наиболее простых в плане реализации принципа управления электродвигателем. Такая схема позволяет генерировать на выходе питающие напряжения с заданной частотой и фазой. Необходимо подчеркнуть, что частота выходного сигнала не может превышать частоту питающего напряжения, поэтому такие системы применяют, в основном, для мощных низкооборотных двигателей.

Схемотехническое решение включает в себя комбинацию тиристорных электронных ключей, которые могут быть:

• управляемыми;
• неуправляемыми;
• включены встречно-параллельно;
• включены по схеме мост;
• подключены перекрестно;
• соединены по нулевым схемам.

Все эти соединения используются в одном ТПЧ с гальванической связью и обеспечивают формирование выходного синусоидального сигнала из фрагментов входного синусоидального сигнала. Эти фрагменты формируются таким образом, чтобы получить сигнал на выходе с требуемой частотой и фазой.

Однако такое внешне простое схемотехническое решением обладает рядом недостатков, к которым можно отнести:

• сложную форму выходного сигнала. Она не синусоидальна, поэтому может приводить к появлению дополнительных вибраций, а также гармонических помех в питающей сети;
• ограниченность в частоте вращения двигателя, которая, как правило, не может превышать номинальную частоту питающей сети;
• сложную схему управления ключами, которая либо требует сложной настройки, либо использования цифровой системы управления, сложности и стоимость которой также достаточно велики.

Вместе с тем, у такого решения есть и преимущества, благодаря которым оно до сих пор используется для управления электромоторами, работающими на невысоких оборотах и в режиме значительной нагрузки. Среди преимуществ этого решения можно назвать:

• стоимость оборудования. Цена такого ТПЧ значительно ниже, чем стоимость частотного преобразователя на транзисторных элементах с аналогичными параметрами мощности нагрузки и диапазона регулирования;
• высокий КПД системы, находящийся в пределах 95%;
• сохранение амплитуды напряжения входной сети на выходе преобразователя;
• возможность работы в рекуперативном режиме, когда двигатель используется в режиме генератора при торможении;
• простую возможность модернизации ТПЧ при увеличении мощности нагрузки путем добавления параллельных тиристорных модулей, при этом мощность теоретически можно наращивать практически до бесконечности.

ТПЧ с выпрямителем и инвертором

Если на выходе преобразователя частоты требуется получить ее значение, которое превышает частоту питающей сети и номинальную частоту работы двигателя, приходится использовать более сложные схемы с выпрямителем и генератором частоты. Схемотехническое решение такого устройства на тиристорах включает следующие ключевые блоки:

• выпрямительный модуль, который также может быть построен на нескольких тиристорах;
• фильтр постоянного тока, задачей которого является сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. В зависимости от модификации преобразователя частоты с двойным преобразованием может использоваться либо дроссельный, либо комбинированный фильтр с катушкой индуктивности и конденсатором;
• генератор выходного напряжения с изменяемой частотой выходного тока;
• схема управления работой преобразователя, которая, как правило, строится на современных цифровых компонентах, в том числе и микропроцессорных.Задача такой схемы – обеспечить стабильность частоты на выходе преобразователя, а также регулировать параметры работы преобразователя по цепям обратной связи и обеспечивать защиту нагрузки и самого устройства от аварийных ситуаций.

По особенностям схемотехники ТПЧ, построенного по такой схеме, различают преобразователи с инвертором тока и инвертором напряжения, область применения которых может отличаться. Инвертор тока характеризуется обеспечением на нагрузке постоянной амплитуды силы тока. При использовании дополнительных схемотехнических решений можно обеспечить возможность рекуперации электроэнергии, что важно при использовании оборудования в системах с частой остановкой и пуском электродвигателя или при необходимости его реверсивной работы.

Преобразователи, построенные по схеме инвертора напряжения, обеспечивают постоянное напряжение на выходе, причем его величина не изменяется при увеличении силы тока, естественно в рамках паспортных характеристик ТПЧ.

К преимуществам таких ТПЧ с двойным преобразованием принято относить:

• широкий диапазон регулировки частоты вращения электромотора. При этом в режиме преобразователя тока пределы регулировки частоты напряжения на выходе составляют от 0 до 125 Герц, а при работе в режиме источника напряжения выходная частота генератора может достигать полутора тысяч Герц;
• выходной сигнал такого ТПЧ с двойным преобразованием максимально приближен к синусоидальному, поэтому создается минимум гармонических помех, обеспечивается работа двигателя в штатном режиме, и не требуется дополнительная синхронизации частоты питающей сети и выходного напряжения;
• число тиристорных ключей в таких преобразователях меньше,чем у ТПЧ с гальванической связью, поэтому устройства этого типа имеют более простую схему управления, следовательно они проще в первичной настройке и ремонте;
• выходной генератор в таких преобразователях нечувствителен к коротким замыканием в нагрузке, которые не приводят к его выходу из строя.

Есть у этой технологии и недостатки, среди которых:

• невозможность подключать ТПЧ инверторного типа к нагрузке, состоящей из группы электромоторов;
• дороговизна компонентов фильтра, включаемого после выпрямителя;
• необходимость использования дополнительной схемотехники для обеспечения рекуперации электроэнергии;
• зависимость фазового сдвига от степени нагрузки на электромотор.

На сегодняшний день ТПЧ с двойным преобразованием является одним из самых популярных и доступных решений и успешно конкурирует с частотными преобразователями на транзисторах.

Также необходимо отметить, что тиристорные системы регулировки частоты вращения электромоторов используются не только на низковольтных схемах питания до 1000 Вольт, но и на высоковольтных, которые могут работать при питающем напряжении до 6 киловольт и выше. Транзисторных аналогов для решения таких производственных задач на сегодняшний день не существует.

Подводя итог, можно сказать, что несмотря на достаточно устаревший тип таких преобразователей и худшие параметры управляемости и качества выходного сигнала по сравнению с транзисторными и преобразователями частоты, ТПЧ всё еще используются, особенно там, где нет необходимости поддерживать высокоточный режим работы электромотора и нужно:

• обеспечить большой крутящий момент на низких оборотах мощных электродвигателей;
• управлять высоковольтными моторами, питание которых превышает 660 Вольт;
• создать оптимальное по стоимости и функциональности решения без переплаты за более современное, но более дорогое оборудование.

Наша компания “IES-drives” предлагает широкий ассортимент оборудования для управления электродвигателями и системами на их основе. Мы предлагаем частотники разных производителей и серий, как универсальные, так и специализированные, в том числе и на тиристорной элементной базе.

Кроме частотных преобразователей мы также предлагаем услуги по подбору оборудования, разработке промышленных систем на его основе, их наладки, обслуживанию и ремонту.

Если вам требуется подобрать оптимальный вариант частотников для решения конкретной производственной задачи, вы всегда можете обратиться за помощью к специалистам нашей компании.

Трехфазный симисторный (тиристорный) регулятор мощности на микроконтроллере

Для включения и отключения нагрузки (ламп накаливания, обмоток реле, электродвигателей и т.п.) зачастую используют тиристоры. Особенность этого вида полупроводниковых приборов и основное их отличие от транзисторов заключается в том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями, без каких-либо промежуточных.

Это состояние «включено», когда сопротивление полупроводникового прибора минимально, и состояние «выключено», когда сопротивление тиристора максимально. В идеале эти сопротивления приближаются к нулю или бесконечности.

Для включения тиристора на его управляющий электрод достаточно хотя бы кратковременно подать управляющее напряжение. Отключить тиристор (запереть) можно кратковременным выключением питания тиристора, сменой полярности питающего напряжения либо уменьшением тока в нагрузке ниже тока удержания тиристора.

Обычно включают и отключают тиристорные коммутаторы двумя кнопками. Значительно меньшее распространение получили однокнопочные схемы управления тиристорами.

Здесь подробно рассмотрены методы однокнопочного управления тиристорными коммутаторами. Принцип работы тиристорных однокнопочных управляющих устройств основан на динамических зарядно-разрядных процессах в цепи управления тиристора [EW 4/01-299].

Схема однокнопочного управления тиристором

На рисунке 1 показана одна из простейших схем однокнопочного управления тиристорным коммутатором. В схеме (здесь и далее) используют кнопки без фиксации положения. В исходном состоянии нормально замкнутые контакты кнопки шунтируют цепь управления тиристором.

Сопротивление тиристора максимально, ток через нагрузку не протекает. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме на рис. 1, рассмотрены на рис. 2.

Для включения тиристора (ON) нажимают на кнопку SB1. При этом нагрузка оказывается подключенной к источнику питания через контакты кнопки SB1, а конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания.

Скорость заряда конденсатора определяется постоянной времени цепи R1C1 (см. диаграмму). После того как кнопку отпустят, конденсатор С1 разряжается на управляющий электрод тиристора. Если напряжение на нем равно или превышает напряжение включения тиристора, тиристор отпирается.

Рис. 1. Принципиальная схема управления тиристором с помощью одной кнопки.

Рис. 2. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме с тиристором.

Отключить нагрузку (OFF) можно кратковременным нажатием на кнопку SB1. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. Поскольку контакты кнопки шунтируют электроды тиристора (анод — катод), это равноценно отключению источника питания тиристора. В результате нагрузка будет отключена.

Следовательно, для включения нагрузки необходимо с большей продолжительностью нажать на управляющую кнопку, для отключения — еще раз кратковременно нажать ту же кнопку.

Выключатели тиристорные

Для коммутации силовых цепей переменного тока используются преимущественно тиристоры. Они способны пропускать большие токи при малом падении напряжения, включаются сравнительно просто подачей на управляющий электрод маломощного импульса управления. При этом их основной недостаток — трудность выключения — в цепях переменного тока не играет роли, так как переменный ток обязательно два раза за период проходит через нуль, что обеспечивает автоматическое выключение тиристора.

Схема однофазного тиристорного коммутирующего элемента приведена на рис. 9.1.9. Импульсы управления формируются из анодных напряжений тиристо­ров. Если на аноде тиристора VS1

положительная полуволна напряжения, то при замыкании контакта
К
через диод
VD1
и резистор
R
пройдет импульс тока управ­ления тиристором
VS1.
В результате тиристор
VS1
включится, анодное напряжение упадет почти до нуля, сигнал управления исчезнет, но тиристор останется в прово­дящем состоянии до конца полупериода, пока анодный ток не пройдет через нуль. В другой полупериод, при противоположной полярности напряжения сети, анало­гично включается тиристор
VS2.
Пока контакт
К
будет замкнут, тиристоры будут автоматически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источни­ка к нагрузке.

Контакторы (пускатели).Тиристорные элементы (рис.9.1.9) являются основой однофазных и трехфазных контакторов. На рис. 9.1.10 в качестве примера изображена схема реверсивного пускателя для асинхронных двигателей. Силовыми коммутирующими элементами являются тиристоры VS1 — VS10,

которые открываются контактами
К11, К12, К13
реле
К1
(вперед) или контактами
К21, К22, К23
реле
К2
(назад). Трансформаторы тока
ТА1
и
ТА2
подают сигнал перегрузки в блок защиты
БЗ,
который, воздействуя на базу транзистора
VT,
снимает питание реле
К1
и
К2
и тем самым отключает пускатель.

Аналогично устроены тиристорные станции управления асинхронными нерегулируемыми электроприводами мощностью до 100 кВт типа ТСУ. Станции выполняют операции пуска, останова, динамического торможения и реверса двигателя.

Использование тиристоров в качестве бесконтактных аппаратов на постоянном токе затруднительно из-за проблемы отключения. Если в цепях

переменного тока тиристоры включаются автоматически при прохождении тока через нуль, то в цепях постоянного тока приходится применять специальные меры по принудительному снижению тока тиристора до нуля, т. е. производить так нарываемую принудительную коммутацию тока тиристора. Существует много разнообразных схем принудительной коммутации. Большинство из них содержит коммутирующие конденсаторы, которые в нужный момент с помощью вспомогательных тиристоров вводятся в цепь основного тиристора и включают

Рис. 9.1.9. Схема однофазного тиристорного коммутирующего элемента

На рис. 9.1.11 изображена одна из схем принудительной коммутации. При подаче управляющего импульса на силовой тиристор VS

включается цепь нагрузки
R
н, (ток через тиристор
i
T равен сумме токов нагрузки
i
Н и через конденсатор
i
С), коммутирующий конденсатор
С
заряжается до напряжения источника
U.
Полярность напряжения
ис
указана на рис. 9.1.11,
а
. Схема готова к отключению, и если в момент
t
1подать управляющий импульс на вспомогательный тиристор
VSB,
то конденсатор С окажется включен ым

Рис. 9.1.10. Схема нереверсивного пускателя

параллельно тиристору VS,

ток нагрузки перейдет с тиристора
VS
на конденсатор
С
и тиристор
VS
выключится. Под действием ЭДС источника конденсатор будет перезаряжаться. Напряжение конденсатора
ис
изменится в процессе перезаряда от —
U
до
+U
(рис. 9.1.11,
б
), а ток
ic
постепенно спадет до нуля. Нагрузка
Rн
окажется отключенной от источника. Если теперь снова в момент
t2
включить нагрузку
Rн
, открыв тиристор
VS,
то опять конденсатор
С
зарядится до напряжения —
U
и схема будет готова к повторному отключению.

Таким образом, отключение тиристора на постоянном токе оказывается сложнее, чем на переменном. Эта проблема решится окончательно лишь после

Рис. 9.1.11. Схема тиристорного выключателя постоянного тока (а

) и диаграмма его работы (
б
)

Рис. 9.1.12. Схема бесконтактного выключателя Рис. 9.1.13. Осциллограмма отключения тока короткого замыкания

создания мощных, полностью управляемых тиристоров, способных запираться при воздействии только на цепь управления.

Выключатели автоматические.На базе тиристорных элементов (см. рис. 9.1.9) выполняются автоматические бесконтактные выключатели серии ВА81 на токи до 1000 А. Они предназначены для защиты электрических установок в сетях напряжением 380/660 В переменного тока частотой 50 — 60 Гц при перегрузках и коротких замыканиях, а также для коммутаций с различной частотой включения. В этих выключателях применяется принудительное выключение тиристоров с помощью схемы принудительной коммутации (рис. 9.1.12). Основной тиристор VS1

серии Т-160 управляется импульсами от генератора повышенной частоты (на рисунке не показан). Выключение тиристора
VS1
производится разрядом конденсатора С через коммутирующий тиристор
VS2.
Последний включается от напряжения коммутирующего конденсатора
С
через маломощный тиристор
VS3,
что обеспечивает снижение мощности схемы управления. Конденсатор С

заряжается от напряжения сети через трансформатор и диод
VD1.
Каждый выключатель состоит из трех силовых блоков с встречно-параллельно включенными основными тиристорами.

Благодаря использованию принудительной коммутации тиристоров защита от коротких замыканий осуществляется с ограничением тока в процессе отключения. На рис. 9.1.13 изображена осциллограмма отключения тока короткого замыкания тиристорным выключателем. Кривая 1

показывает нарастание тока короткого замыкания при отсутствии защиты, а кривая 2 — при отключении тиристорного выключателя схемой принудительной коммутации. Как видно из рисунка, в этом, случае нарастание тока короткого замыкания прерывается и максимальный ток imax составляет не более 0,02 — 0,05 ударного тока короткого замыкания.

Устройства выходные (промежуточные реле).Схемы на рис. 9.1.9 широко используются в качестве коммутирующих устройств цепей управления исполнительных аппаратов (пускатели, контакторы, электромагниты, муфты и т. п.). Примером могут служить устройства выходные бесконтактные типа УВБ-11, которые предназначены для усиления выходных командных сигналов логических устройств и коммутации цепей нагрузки переменного и постоянного тока. Они рассчитаны на коммутацию цепей переменного тока до 6 А и напряжением до 380 В, цепей постоянного тока до 4 А и 220 В.

На рис. 9.1.14 приведена схема усилителя УВБ-11-19-3721, предназначенная для коммутации цепей переменного тока. В качестве коммутирующего элемента используется симистор VS

типа ТС2-25, зашунтированный варистором
R
для защиты . от перенапряжений. Включение симистора осуществляется путем соединения его управляющего электрода с одним из силовых выводов с помощью контакта герконового реле
К.
Это реле одновременно осуществляет и гальваническую развязку входной и выходной цепей. Выключение сеимистора

Рис. 9.1.14. Усилитель УВБ-11-19-3721: а —

условное обозначение;
б
— функциональная схема

при разомкнутом контакте К

происходит самопроизвольно при первом переходе тока нагрузки через нуль. Для того чтобы схема управлялась логическими сигналами от других элементов, предусмотрен согласующий каскад на ИС типа К511ЛИ1, выход которого подключен к обмотке герконового реле
К.
В усилителях, предназначенных для коммутации цепей нагрузки

постоянного тока, эта коммутация осуществляется тиристором, который выключается с помощью схемы принудительной коммутации, т. е. путем разряда на тиристор заряженного заранее конденсатора.

Тиристорный ключ с внешний генератором управляющего сигнала

Схеме двухлолупериодного тиристорного ключа о внешним генератором управляющего сигнала приведена на рис. 4. Из ржоЛ видно, что эта схема собрана на двух встречно-параллельно включенных тиристорах, цепи управления которых через трансформатор ТУ і связаны о внешним генератором импульсов ГИ. Известно много схем ГИ, используемых для управления тиристорами [і, 2>. Среди них в первую очередь можно назвать блокінггенератор, генератор на двухбазовом диоде, преобразователь постоянного напряжения в переменное с трансформаторной обратной связью, генератор на динисторе и т.п. Управляющие импульсы, вырабатываемые этими генераторами, должны иметь:

величину амплитуды и длительности, достаточную для включения тиристора;

частоту следования 2…3 кГц, так как более низкие частоты приводят к заметному "запаздыванию” включения тиристора по отношению к началу полупериода, а более высокие к увеличению потерь на управляющем электроде.

Работа схемы. Для включения тиристорного ключа достаточно подать запускающий ГИ сигнал (замкнуть коммутационное устройство ,5^). При этом на выходе Гй появится периодическая последовательность импульсов повышенной частоты, которвя, трансформируясь в выходных обмотках трансформатора Т1//, создает в свой положительный подупериод ток управления 1у/ тиристора

і а в отрицательный ток управления тиристора 1/5^. Это обеспечивается соответствующим включением выходных обмоток (Ш и П) трансформатора ТУї . Наличие тока управления позволяет открываться тиристору в положительный полупериод питающего напряжения, а тиристору /*$2 в отрицательный. Таким образом, при наличии на ГИ запускающего сигнала встречно-пвраллельно включенные тиристоры и ]/$% последовательно открываются в соответствующие периоды питающего напряжения и в цепи течет ток нагрузки.

Рис. 4. Двухдолулериодный тиристорный ключ о внешним генератором управляющего сигнала

Рис. 5. Тиристорный ключ постоянного тока

Для выключения тиристорного ключа необходимо снять запускающий ГИ сигнал (разомкнуть $4 ). При этом ГИ переходит в ждущий режим, а ток управления тиристоров становится равным нулю и они последовательно ддин за другим закрываются в течение одного полупериода питающего напряжения.

В заключение следует отметить, что даннвя схеме формирования управляющего сигнала обеспечивает электрическую изоляцию между источником управляющего сигнала и нагрузкой без использования промежуточных механичеоких контактов или светового потоке. Это преимущество часто оказывается решающим при выборе схем управления тиристорами.

Тиристорные релейные устройства постоянного токе Тиристорный ключ постоянного тока

Схема тиристорного ключа постоянного тока, приведенная на рис. 5, собрана на тиристорах 1$< и У&1 , резисторах /?*, конденсаторе Ci и диода УД у.

Данная схема может работать в двух режимах:

в режиме обычного ключа постоянного тока;

в режиме двухпозиционного поляризованного переключателя.

Сопротивление 1%4 является нагрузкой, а сопротивление вспомогательным.

Тиристорный ключ включает о я при поступлении на вход п£кл” управляющего, лучне импульсного, сигнала, открывающего тиристор Уб’/ . Через открытый тиристор VSi и нагрузку /? течет ТОК. Одновременно ПО цепи—^реэнстор конденсатор С* —— енод катод тиристора !/*£/—;-"и* течет ток заряда конденсатора С< , который заряжэет его до напряжения, близкого к (Л* , полярностью, указанной на рис. 5 без скобок. В этом состоянии схема может оставаться сколь угодно долго.

Тиристорный ключ выключается при поступлении на вход "Выкл" управляющего сигнала, открывающего вспомогательный тиристор -. Вследствие этого заряженный конденсатор С* включается параллельно тиристору Ч$ , подавая между его анодом и катодом обратное напряжение. Тиристор Ч& 4 мгновенно закрывается и прерывает ток нагрузки при условии, что управляющий 16

сигнал не подавтсд одновременно к управляющим электродам обоих, тиристоров* Тиристор VSz после разряда конденсатора, при достаточно большой величине сопротивления «также закрывается за счет уменьшения его прямого тока до^величины, меньшей (рис, 1,г). Необходимая при этом емкость конденсатора С а определяется соотношением где время выключения тиристора VSi [мке];

2Ч ток нагрузки в момент коммутации;

Un минимальное питающее напряжение.

Причем большее значение относится к активной нагрузке, меньшее к активной-индуктивной.

Во втором режиме оба тиристора являются основными, а оба резистора нагрузкой (Я, sRhi ; R2*^m2)Тиристор JSt после разряда конденсатора С* остается открытым, так как сопротивление Йн2 4< — рт. » • При открытом тиристоре /£ 2 по цепи+“Un —— резистор R4 ——конденсатор С/ -^анод-катод тиристора VSz ——течет ток, перезаряжающий конденсатор Ç-f до напряжения, близкого к Un » полярностью, указанной на рис. 5 в скобквх, что обеспечивает закрытие тиристора JSz ПРИ включении тиристора I/Si.

Данная схема тиристорного ключа является базовой при создании релейных устройств постоянного тока. Для примера рассмотрим некоторые из них.

Реле максимального напряжения

Схема реле максимального постоянного напряжения и его статическая характеристика представлены на рис. 6. Из рис. 6 видно, что данная схема построена на базе тиристорного ключа (рис.5), работающего в режиме обычного ключа постоянного тока. Тиристор VSl является основным, а тиристор М$і вспомогательным.

Цепь управления тиристора собрана на резисторе Д , стабилитроне ЧДІ и диоде ЧДъ , а цепь управления тиристора V$&

на резисторах R2… # $ , диоде УД і, , стабилитронеJj3g , транзисторе VTf , Нагрузка активно-индуктивная, поэтому для уменьшения амчлитуды выбросов напряжения при закрытии тиристора VS, параллельно нагрузке включен шунтирующий диод /Д3 . Напряжение стабилизации стабилитрона ЧД выше напряжения стабилизации стабилитрона VA 5

Срабатывание реле. При величине контролируемого напряжения Ui , равного максимально допустимому значению (Ц*** =■ U<ср) , напряжение на стабилитрона УДі становится равным его напряжению стабилизации. Стабилитрон /Д/ пробивается, и по цепич+‘ ^и —*резистор Я і —^стабилитрон УДІ —*-диод*УЗ-квтод тириотора VSi—«-.-‘‘и»)течет ток управления, открывающий тиристор У$< . Тиристор /St открывается и подает напряжение U< на нагрузку Z и » ПРИ э10м по цепн^+’ип —•резистор Rj —».стабилитрон УД® —резистор £$ —база-эмиттер V Г* —диод —v-’Цтечет ток, устанавливающий транзистор V Г/ в состояние насыщения, вследствие чего тиристор V&2 будет закрыт.

Отпускание реле. При понижении величины контролируемого напряжения до U < напряжение на стабилитроне УД s становится ниже его напряжения стабилизации, транзистор /Ті закрывается, а по цепи ;+■” резистор Pç ■—*резистор Яз УЭ катод тиристора !&z ,Г У і Ї0ЧЄІ Î0K управления, открывающий тиристор Чі>2, • Тиристор VSz 01К” рывается, а тиристор Vi’/ закрывается обратным напряжением конденсатора С . Значения напряжений Ц*Р я U< п зависят от величины напряжения стабилизации соответственно стабилитронов /Д( и . Иногда для дополнительной регулировки этих напряжений используют резисторы Й $ и R

Контактор постоянного тока

Схема контактора постоянного тока приведена не рис. 7. Из рис. 7 видно, что данная схема построена на базе тиристорного ключа (рис. 5), работающего в первом режиме. Основной тиристор VS, управляется магнитоуправляемым контактом КМ / »вспомогательный тиристор VS2 динистором V&3 и стабилитроном VAt • Нагрузка Zн имеет активно-индуктивный характер.

Рис. 7. Контвктор постоянного тока

Рис. 8. Двухпозициояный поляризованный переключатель

В исходном положенії магнитоуправляемый контакт разомкнут. Поэтому лрм подаче напряжения питания после заряда конденсатора С< включается динистор 1/5^ • стабилитрон и, следовательно, тиристор У&2 • При этом

Срабатывает контактор при замыкании

КМи который замыкает цель управления тиристора і

Тнристор І/&і при этом закрывается обратным напряжением, снимаемым с конденсатора С2 .В цепи нагрузки Ен течет ток, а конденсатор С 2 перезаряжается через резистор Я 5 и тиристор 1Л5*< .

Отпускает контактор при размыкании КМ/ , так как при этом вновь открывается тиристор УЗг . а напряжение на конденсаторе С2 закрывает тиристор /3( , и ток в нагрузке прекращается. Конденсатор С4 обеспечивает крутой фронт и достаточную амплитуду управляющего импульса тиристора /£ 2 ПРЯ больном сопротивления

Материал взят из книги Бесконтактные полупроводниковые релейные устройства электроавтоматики (Асмолов Г.И.)