АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД В ПРОКАТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

РАБОТА ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Под тиристором обычно понимают управляемые кремниевые - полупроводниковые приборы с р—п—р—л-структурой, имеющие характеристики регенеративных выключателей, в которых состоя­ние проводимости возникает благодаря лавинному возрастанию числа носителей заряда. Такие приборы характеризуются ком­пактностью, отсутствием подвижных частей. Они бесушмны в ра­боте и обладают значительной вибростойкостью и ударостойко­стью.

Основой тиристора является диск с четырьмя чередующимися слоями кремния п (электронная) и р (дырочная) проводимостей. Хрупкие кремневые электронно-дырочные переходы защищены от механических повреждений герметичным кожухом.

Тиристор (рис. 46) имеет три электрода—.анод А, катод К и управляющий электрод УЭ. Для отвода тепла анод выполняется - в виде болта, при помощи которого привинчивается к охладителю (радиатору). Тиристор имеет три р—«-перехода. В направлении от р к п обеспечивается хорошая проводимость тока, а в направле-

Нии от п к р проводимость практически отсутствует. Как видно из рис. 46, а, при прямом направлении тока от анода к катоду запирающим является средний п—р-переход, а при обратном на­правлении тока запирающими являются два «-^-перехода Тири­стор работает как вентиль и проводит ток только в одном напра­влении — от анода к катоду. При этом он, как и РВ, имеет только два состояния: открытое (ток проходит от анода к катоду) и закры­тое (ток практически отсутствует).

На рис. 46, б приведена вольтамперная характеристика тири­стора, на которой можно выделить следующие характерные обла­сти и точки:

1 — область обратного пробоя, характеризующуюся тем, что при изменении полярности напряжения на тиристоре и значении напряжения Uo6 тах наступает пробой тиристора (большой ток при большом сопротивлении тиристора сопровождается большим выделением тепла);

2 — область запертого состояния в обратном направлении. Ток практически отсутствует благодаря двум п—/7-переходам,

3 — область запертого состояния в прямом направлении. Ток практически отсутствует благодаря одному п—р-переходу;

4 — прямое напряжение включения При достижении напряже­ния Unmax тиристор из запертого состояния переходит в состоя­ние высокой проводимости;

5 — прямой анодный ток включения, определяющий момент перехода тиристора в состояние высокой проводимости;

6 — область высокой проводимости тиристора; •

7 — удерживающий ток. Характеризует минимальную вели­чину тока цепи нагрузки, при котором обеспечивается устойчивая работа тиристора в области высокой проводимости Если ток в ти-

ристоре станет меньше удерживающего, то тиристор возвратится в запертое состояние.

Если через управляющий электрод пропустить ток /уэ, то прямое напряжение (Unmax), при котором открывается тиристор, понижается, и при достаточной величине тока /уэ область запер­того состояния в прямом направлении исчезает, и в этом случае вольтамперная характеристика тиристора в I квадранте харак­теризуется только областью высокой проводимости (характери­стика подобна вольтамперной характеристике диода).

Для открытия тиристора при наличии положительного потен­циала на аноде через цепь управляющий электрод—катод необ­ходимо пропустить достаточной величины импульс тока, при котором изменится полярность среднего п—р-перехода. После открытия тиристора запереть последний при помощи управляю­щего электрода нельзя. Для закрытия тиристора необходимо от­ключение от питающего напряжения или изменение полярности его.

При работе тиристора в цепи переменного тока запирание тиристора, как и РВ, осуществляется самой питающей сетью ( в течение отрицательной полуволны напряжения (изменением полярности напряжения в аноде и катоде).

Изменение дреднего выпрямленного напряжения в тиристор­ном преобразователе, как и в УРВ, определяется фазой отпираю­щего импульса относительно фазы питающего анодного напряже­ния.

Таким образом, в тиристорном преобразователе величина'_ выпрямленного напряжения получается аналогично тому, как это происходит в управляемом ртутном выпрямителе в выпрями­тельном и в инверторном режимах. Все режимы работы системы УРВ—Д, уравнения и характеристики, описывающие эти режимы, полностью относятся и к системе ТП—Д.

Тиристоры характеризуются техническими параметрами, ос­новными из которых являются:

1. Номинальное напряжение. Тиристоры характеризуются амплитудными значениями напряжения. Наибольшие максимально допустимые амплитудные напряжения лучших серийных тиристо­ров составляют 1600—2800 В.

При использовании тиристора для питания электроприводов рабочее напряжение для обеспечения надежной работы выбирают обычно не более 50% максимально допустимого. Для обеспечения высоких нагрузок по напряжению применяют последовательное соединение тиристороё.

2. Допустимая скорость нарастания напряжения dU/dt. Если подать на запертый тиристор скачкообразное анодное напряжение, меньшее, чем напряжение включения, то возможно ложное вклю­чение тиристора из-за появления емкостного тока закрытого п—р - перехода. Емкостный ток, протекая через управляющий слой и катод, вызывает то же действие, что и ток управления. Для устра-

нения этого недостатка в мощных тиристорах конструктивно обес­печивается несколько путей для емкостного гока, шунтирующих управляющий переход, что позволяет получить высокие скорости нарастания напряжения В лучших серийных тиристорах макси­мальное значение dU/dt составляет 200—300 В/мкс

3 Номинальный ток Плотность тока, проходящего через ти ристор, ограничивается применяемыми способами теплоотвода При хорошем теплоотводе тиристоры работают при длительной плотности тока до 160 А/см2 Ограничение номинального тока через тиристор возникает из-за трудности получения кремниевых пла­стин с однородной структурой С экономической точки зрения в настоящее время для мощных тиристоров наиболее выгодным является номинальный ток 300—500 А Большие го к и иолу чают применением параллельного соединения тиристоров

4. Дбпустимая скорость нарастания тока dl/dt Физические процессы включения тиристора под действием УЭ характеризу­ются тем, что в первцй момент начинает проводить ток малый участок управляющего перехода, непосредственно примыкающий к УЭ, и только после некоторого времени проводимость распро­страняется на весь управляющий переход Для типовых тири­сторов с номинальным током 250 А необходимо 100 мкс, чтобы начал проводить весь управляющий переход В случае, если ско­рость нарастания тока dl/dt велика, возможно разрушение той части управляющего электрода, которая начинает проводить Во избежание этого ограничивают dl/dt включением дросселей в цепь тиристоров. Для высоковольтных тиристоров специальной конструкции максимальные значения dl/dt достигают до 100 А/мкс

Тиристорные преобразователи для систем регулируемого электропривода имеют следующие преимущества по сравнению с другими преобразователями, которые обеспечили их широкое и быстрое внедрение [14].

1) высокие энергетические показатели, так как при открытом тиристоре падение напряжения на нем составляет примерно 1 В (для ртутных выпрямителей 20 В) Это обеспечивает высокий кпд, который для ТП составляет 0,95—0,98, для РВ 0,80— 0,92 и электромашинного преобразователя 0,75—0,85,

2) малая мощность управления, что позволяет применять стан­дартные логические элементы и интегральные схемы,

3) малые габариты и масса. На 1 кВт преобразованной мощ­ности масса ТП равна 1,5—2 кг, УРВ 2—5 кг, электромашинного преобразователя — 15—20 кг,

4) большой срок службы (более 15000 ч) при общем календар­ном сроке до осмотра и ревизии не менее 5 лет,

5) тиристорный преобразователь практически является без­ынерционным элементом, постоянно готов к работе, не имеет вра­щающихся частей,

6) малые эксплуатационные затраты и простота резервирова­ния.

Основным - йедйстатКОм системы ТН—Д является, как и ё си­стеме УРВ—Д, значительное ухудшение cos ф при глубоком регу­лировании выпрямленного напряжения и сложность обеспече­ния инверторного режима работы.

Построение систем управления тиристорами аналогично по­строению систем сеточного управления РВ- Отличие заключается в том, что тиристор управляется импульсами тока, а УРВ — им­пульсами напряжения (для отпирания тиристора необходимо брать. источники с малым внутренним сопротивлением). При этом для открытия тиристора достаточен кратковременный импульс длительностью, измеряемой микросекундами (длительность им­пульса определяется временем нарастания тока тиристора до величины трка удержания), а для надежной работы РВ необхо­дима длительность импульса отпирающего напряжения, равная времени горения дуги.

На управляющий импульс тиристора накладываются огра­ничения. Например, по напряжению между управляющим элек­тродом и катодом, максимальному отрицательному напряжению между УЭ и катодом, максимальному прямому току УЭ, макси­мально допустимой мощности, выделяемой на управляющем элек­троде.

Обычно мощные ТП собираются из стандартных элементов и для питания электроприводов выпускаются в виде комплекта, включающего все элементы для управления и защиты.