2.1.3. Силовые полупроводниковые вентили в цепях уп­равления электропитанием

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. 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 величиной тока 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 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 про­изводиться за счет внешнего воздействия слабым электрическим током. 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.

На рис. 2.7. приведен пример схемы управления электрическим двигателем постоянного тока. Цепь двигателя М запитывается от источника переменного напряжения U_n, тиристорный вентиль VS1 используется как управляемый выпрямитель. Управление средней величиной тока i_M в цепи двигателя производится изменением соот­ношения времени замкнутого t₃ и разомкнутого t_р состояния венти­ля, путем изменения момента подачи импульса управления в цепи управляющего электрода.

На графике 1 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.

Рис. 2.7. Тиристорное управление приводом

а – схема управления двигателем;

б – временные диаграммы напряжений и токов в схеме.

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. Чем больше величина t, тем больший ток пропускается через двигатель. На графике 3 показана временная диаграмма импуль­сов тока через двигатель. На графике 4 - усредненное за не­сколько периодов значение тока.

Схему (рис. 2.7.а.) можно условно представить в виде рис. 2.8. 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.

Диоды VD1 VD2 выполняют функцию развязки цепей, т.е. не позволяют напряжению питания цепи двигателя Un 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: частота срабатывания 1-5 Гц, время срабатывания – 10^-2 - 10^-1 сек., число срабатываний - 10⁵- 10⁶. Для тиристорного вентиля: частота срабатываний -10³-10⁴Гц, 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. 2.8 в режиме управления мощностью тока.

Как видно из приведенных выше диаграмм (рис. 2.7.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.

Рис. 2.8. Эквивалентная схема вентильного управления двигателем

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 полной неремонтопригодности. И, в тоже время, при соблюдении условий эксплуатации и требова­ний современной технологии их обслуживания и ремонта, полу­проводниковые устройства автоматики могут надежно работать десятилетиями. Это подтверждается лучшими образцами оте­чественной и импортной техники.

Заканчивая тему вентильного управления электрической мощ­ностью, коснемся вопроса экономии электроэнергии. Знакомясь с изложенным выше материалом, может сложиться мнение, что уп­равление величиной тока 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 мощности тока 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 Р_т (P_т = i²∙R_т ) будет незначительной.

Что касается сложности таких устройств, то это понятие отно­сительное, что вчера казалось сложным, сегодня выглядит привыч­ным и простым. Развитие и совершенствование технологии полу­проводниковой микроэлектроники 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.