1.3 Силовые полупроводниковые вентили в цепях управления электроприводом

Рассмотренные выше электромагнитные реле и магнитные пускатели давно и надежно удерживают позиции одних из самых распространенных элементов в устройствах промышленной автоматизации. Но во многих случаях они уже не в состоянии удовлетворять возрастающим требованиям, в первую очередь по быстродействию, которые предъявляются к коммутирующим элементам в современных и вновь разрабатываемых устройствах автоматизации. И дело не в прихоти разработчиков, желающих “блеснуть” применением новых, “модных” элементов и добивающихся в рекламных целях высоких, но никому не нужных характеристик устройств. Высокое быстродействие, способность с большой частотой замыкать и размыкать электрические цепи, позволяет очень эффективно (практически без потери энергии) и в больших пределах управлять мощностью тока потребителя. Необходимость в плавном регулировании током в цепи может потребоваться, к примеру, при управлении скоростью вращения двигателей (особенно в транспорте), мощностью нагревателей или электродного прогрева бетона, режимом электродуговой и контактной сварки, режимом установок индукционного нагрева, осветительными установками и др.

Современная технология полупроводников предоставляет такие возможности. Основой полупроводниковых коммутирующих элементов является кристалл полупроводникового материала (обычно кремния – Si ), в котором на стадии изготовления кристалла формируются слои со строго дозируемым содержанием других, легирующих элементов. Образовавшаяся многослойная структура обладает свойством изменять степень своей электропроводности в широких пределах: практически от непроводящего состояния (изолятор), до высокой проводимости, причем переход из одного состояния в другое может происходить за счет внешнего воздействия слабым электрическим током или потоком светового или инфракрасного излучения. Речь идет о транзисторных и тиристорных вентилях.

В устройствах управления мощными потребителями энергии обычно используются тиристорные вентили (тиристоры). Тиристорные вентили, кроме управления средним значением тока в цепи, могут одновременно производить преобразование переменного тока в постоянный, т.е. выполнять функцию управляемого выпрямителя. Современные вентили могут коммутировать токи до нескольких тысяч ампер при напряжении до 10 киловольт и выше, с частотой до нескольких тысяч герц. В отличие от тиристорных вентилей, которые коммутируют ток только одного направления, существуют ещё и так называемые симисторы – симметричные тиристоры, которые позволяют управлять током и в прямом и в обратном направлениях, например, при управлении цепями двигателей переменного тока.

На рис. 15,а приведен пример схемы тиристорного управления электрическим двигателем постоянного тока. Цепь двигателя М питается от источника переменного напряжения U_п, тиристорный вентиль VS1 используется как управляемый выпрямитель. Управление средней величиной тока i_ср в цепи двигателя производится изменением соотношения времени замкнутого t_з и разомкнутого t_p состояния вентиля, путем изменения момента подачи импульса управления U_у в цепи управляющего электрода.

На графике 1 (см. рис. 15,б.) представлена временная диаграмма переменного напряжения источника питания. На графике 2 показана последовательность импульсов управления в цепи управляющего электрода тиристорного вентиля. В момент появления управляющего импульса тиристор переходит в проводящее состояние и сохраняет это состояние и после исчезновения сигнала управления до того момента, пока ток в цепи вентиля (и двигателя) не упадет до нуля.

Таким образом, чем позже после появления положительного значения напряжения питания будет поступать импульс управления, тем меньше времени в течение положительного полупериода напряжения питания тиристор будет находиться в проводящем состоянии, и тем меньшим будет среднее значение тока в цепи. Образно говоря, тиристор позволяет «вырезать» из синусоиды питающего напряжения U_п фрагменты любой длительности U_м. Чем больше временной интрвал , тем большим будет напряжение приложенное к обмоткам двигателя и тем большим будет ток в его цепи. На графике 3 показана временная диаграмма импульсов напряжения на двигателе. Пунктирной линией показано усредненное за несколько периодов значение тока.

Рис.15.Тиристорное управление приводом.

а - схема управления двигателем; б - временные

диаграммы напряжений и токов в схеме.

Представленную схему (рис. 15,а.) можно условно представить в виде рис. 16. При подаче импульса управления, срабатывает реле К и остается во включенном состоянии за счет блокирующего контакта 2 до момента падения тока в цепи двигателя до нулевого значения. Импульс управления необходимо подавать в течение каждого положительного полупериода напряжения питания.

Рис. 16 ‑ «Эквивалентная» схема тиристорного управления двигателем

Диоды VD1 VD2 выполняют функцию развязки цепей, т.е. не позволяют напряжению питания цепи двигателя Uп попасть в цепь управления.

Разумеется, эта эквивалентная схема является лишь моделью, позволяющей разобраться в функционировании схемы управления, а не реальной схемой тиристорного устройства управления двигателем; физически внутреннее устройство тиристора не содержит ни контактов, ни катушек электромагнитов.

Для сравнения приведем некоторые характеристики э/м реле и тиристорного вентиля. Типовые, средние значения временных параметров срабатывания для реле следующие: максимальная частота срабатывания 1  5 Гц, минимальное время срабатывания – 10^-2  10^-1 сек., число срабатываний за период эксплуатации – 10⁵  10⁶ . Для тиристорного вентиля: максимальная частота срабатываний – 10³  10⁴ Гц, минимальное время срабатывания – 10^-5  10^-4 сек, число срабатываний не ограничено. Приведенные параметры показывают, что даже на промышленной частоте 50 Гц, электромагнитные реле не в состоянии обеспечить нормальное функционирование по схеме рис. 15 в режиме управления мощностью тока.

Как видно из приведенных выше диаграмм (рис. 15,б.), схема формирования импульсов управления должна отслеживать моменты нулевого значения напряжения питания и формировать кратковременные импульсы тока через определенные интервалы времени. А это значит, что и схема формирования должна быть быстродействующей. Реальные устройства выполняются на основе полупроводниковой технологии, а в последние годы – микроэлектронной технологии, где вся схема, состоящая из многих десятков и даже тысяч элементов, выполнены вместе с соединениями на общем кристалле полупроводника.

Кроме возможности управления мощностью тока потребителя, силовые полупроводниковые вентили позволяют производить и управление частотой переменного тока, замыкая и размыкая с соответствующей частотой силовые цепи. В этом случае вентили работают в качестве инверторов – устройств преобразования постоянного тока в переменный. Это открывает возможность бесступенчатого (плавного) управления частотой вращения асинхронных и синхронных двигателей переменного тока без необходимости коммутации секций их обмоток.

При всех достоинствах рассмотренных элементов, им присущи и некоторые недостатки: полупроводники очень чувствительны даже к кратковременным перегрузкам по напряжению и току. Это заставляет разработчиков предусматривать специальные меры их защиты, что заметно усложняет и удорожает устройства. Во-вторых, ремонт таких устройств требует от персонала на порядок более высокой квалификации, вплоть до инженерной, и использования специальной приборной техники. Неосторожное и неквалифицированное “вторжение” к полупроводниковым элементам может мгновенно привести к фатальным (для полупроводников) результатам. Такие, бытовавшие в прошлом «традиционные» приемы проверки электрических цепей с помощью лампы или даже «на искру» могут приводить к серьезным повреждениям полупроводниковых устройств, вплоть до их полной неремонтопригодности. И, в тоже время, при соблюдении условий эксплуатации и требований современной технологии обслуживания и ремонта, полупроводниковые устройства автоматики могут надежно работать десятилетиями. Это подтверждается лучшими образцами отечественной и зарубежной техники.

Заканчивая тему вентильного управления электрической мощностью, коснемся вопроса экономии электроэнергии. Знакомясь с изложенным выше материалом, может сложиться мнение, что управление током достигается чрезвычайно сложным и, разумеется, дорогим способом. Ведь, казалось бы, достаточно в цепь двигателя или другого потребителя включить регулируемый реостат и цель достигнута. Да, она будет достигнута, но при этом, за такую простоту придется заплатить (а точнее платить постоянно), т.к. значительная часть потребляемой из сети мощности будет выделять в виде тепла в самом реостате. Наихудший случай будет иметь место, когда потребителю будет поступать половина от максимальной мощности тока, т.к. точно такая же половина будет рассеиваться в виде тепла реостатом. А вентиль может иметь либо бесконечно большое сопротивление (R_Т= ), когда тиристор заперт, либо, когда он открыт, – почти нулевое сопротивление (R_Т  0) , и в том и в другом случаях мощность выделяемая на нем P_Т будет незначительной: в первом случае (P_Т = u²/R_Т ≈0), во втором случае (P_Т=i²R_Т ≈0).

Что касается сложности таких устройств, то это понятие относительное. Что вчера казалось сложным, сегодня выглядит привычным и простым. Развитие и совершенствование технологии полупроводников привели к значительному опережению в развитии их “интеллектуальных” качеств в сравнении со стоимостью, это в полной мере касается и устройств управления промышленными приводами и другими мощными потребителями энергии.