§ 43. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С ДРОССЕЛЯМИ НАСЫЩЕНИЯ И УПРАВЛЯЕМЫМИ ВЕНТИЛЯМИ (ТИРИСТОРАМИ)
Серьезным недостатком асинхронных двигателей является ограниченная возможность регулирования их скорости вращения.
Использование в системах управления асинхронными электродвигателями дросселей насыщения позволяет улучшить условия регулирования их скорости вращения, обеспечить в определенном диапазоне плавность регулирования.
Дроссель насыщения представляет собой статический электромагнитный аппарат. Он состоит из рабочей обмотки, включаемой в сеть переменного тока, подмагничивающей обмотки постоянного тока и ферромагнитного трехстержневого сердечника (рис. 74). С целью исключения индуктивного влияния рабочей обмотки на подмагничивающую, рабочую обмотку выполняют в виде двух катушек, включаемых так, чтобы их магнитные потоки имели противоположное направление и результирующий поток в сердечнике был равен нулю. Катушки рабочей обмотки размещаются на крайних стержнях сердечника, а подмагничивающая обмотка — на его среднем стержне.
Рис. 74. Схема дросселя насыщения
Рис. 75. Схема включения дросселя насыщения в цепь обмотки статора асинхронного двигателя
Подмагничивающая обмотка питается от постороннего источника постоянного тока. Величина тока регулируется реостатом.
Реактивное сопротивление рабочей обмотки зависит от степени насыщения стали сердечника. По мере насыщения стали уменьшается ее магнитная проницаемость, а значит, и реактивное сопротивление рабочей обмотки и, соответственно, увеличивается ток в цепи нагрузки
Степень насыщения стали сердечника регулируется подмагничивающей обмоткой.
Усиление подмагничивающего действия обмотки (тока в ней) сопровождается увеличением степени насыщения стали, и наоборот. При отсутствии тока подмагничивания магнитная проницаемость сердечника, а значит, и реактивное сопротивление рабочей обмотки будут наибольшими.
При включении дросселя насыщения в цепь обмотки статора асинхронного двигателя (рис. 75, а) можно, меняя величину тока подмагничивания, изменять напряжение, подводимое к двигателю, л тем воздействовать на скорость его вращения.
Так как при неизменном вращающем моменте электродвигателя скольжение обратно пропорционально квадрату напряжения 
то с уменьшением подводимого к двигателю напряжения снижается и его скорость вращения.
Дроссельное регулирование скорости вращения электродвигателей с короткозамкнутым ротором ограничено небольшими пределами 1:2,5. Кроме того, с целью сохранения перегрузочной способности регулируемых двигателей приходится идти на завышение их номинальной мощности.
В схемах с дроссельным регулированием целесообразно применять асинхронные электродвигатели повышенного скольжения серий АС и АОС.
У асинхронного двигателя с контактными кольцами (фазным ротором), допускающего включение в цепь его фазного ротора дополнительного резистора (рис. 75,б), пределы регулирования скорости несколько больше (1:6; 1:10), чем у двигателей с короткозамкнутым ротором.
В судовых системах переменного тока для управления двигателями постоянного тока применяют управляемые кремниевые вентили-тиристоры, представляющие собой четырехслойный полупроводник с чередующимися р—п проводимостями (система р—п — р—п с тремя электронно-дырочными переходами) (рис. 76). Условное графическое обозначение тиристора и схема полупроводниковой структуры даны на рис. 76, а. Буквами А, К и У обозначены выводы тиристора — анод, катод, управляющий электрод.
Тиристор может находиться в трех устойчивых положениях: закрытом при положительном потенциале на аноде, закрытом при отрицательном потенциале на аноде и открытом при положительном потенциале yа аноде (после поступления отпирающего импульса на управляющий электрод). Предположим, что на управляющий электрод сигнал не подан (Iу=0), а напряжение между анодом и катодом не превышает пробивного напряжения Unp, тогда при положительном напряжении на аноде к переходам П1 и П3 будет приложено прямое напряжение, а к переходу П2— обратное. Тиристор будет иметь большое сопротивление как в прямом, так и в обратном направлении, т. е. будет закрыт.
При отрицательном потенциале па аноде прямое напряжение будет приложено к переходу П2, а обратное — к переходам П1 и П3 (рис. 76,б), соединенным последовательно. Через тиристор и по внешней цепи будет проходить небольшой обратный ток Iоб. Тиристор по-прежнему будет закрыт.
Рис. 76. Тиристор:
а — условное графическое обозначение; б — схема полупроводниковой структуры тиристора
Для открытия тиристора необходимо приложить между управляющим электродом и катодом некоторое напряжение, порядка 4—6 В, с положительным потенциалом на управляющем электроде. Подача управляющего сигнала 1у по мере его возрастания вызывает уменьшение пробивного напряжения Uпр, становящегося при некотором значении Iу минимальным. В этом случае тиристор в прямом направлении открыт, а в обратном закрыт.
После того как тиристор откроется, управляющий электрод больше не будет влиять на его работу.
Вентиль выключается подачей на анод отрицательного (обратного) напряжения или уменьшением протекающего через него тока до значения, меньшего величины удерживающего тока.
Основным свойством управляемого вентиля является возможность получения регулируемой величины среднего выпрямленного напряжения U0 и тока I0 путем задержки момента его отпирания. Управление заключается в том, что момент подачи управляющего импульса-сигнала смещается относительно фазы анодного напряжения с запозданием на угол отпирания а, что и задерживает открывание тиристора. Время отпирания не превышает 5—10 мкс, а восстановление запирающих свойств после пропускания тока — 10—25 мкс.
Промышленность выпускает управляемые силовые вентили- тиристоры серий Т и ТВ на номинальные токи от 10 до 500 А и номинальные напряжения от 100 до 1000 В и лавинные серий ТЛ и ПТЛ на номинальные токи 100, 150, 200 и 50, 100, 150, 200 А и номинальные напряжения от 300 до 1000 В и от 200 до 800 В.
Тиристорное управление применяют в электроприводах как постоянного, так и переменного тока. Тиристоры позволяют создать управляемые преобразователи для питания двигателей постоянного тока, обеспечивающие механические характеристики, аналогичные получаемым при системе Г—Д.
Рис. 77. Принципиальная схема тиристорного управления двигателем постоянного тока
Принципиальная схема нереверсивного тиристорного привода изображена на рис. 77. Основными элементами ее являются; электродвигатель постоянного тока с обмоткой независимого возбуждения ОНВ, силовой трансформатор ТС, регулируемый тиристорный преобразователь, состоящий из шести тиристоров Т1—Т6, блок управления БУ, универсальный автоматический выключатель АВ, дроссель Др, сопротивление динамического торможения RT и контакт тормозного контактора КТ. Тиристоры включены по мостовой схеме, что обеспечивает высокое значение среднего выпрямленного напряжения, более низкое обратное напряжение па каждом вентиле и малые коэффициенты пульсации. Блок управления позволяет менять угол отпирания а в диапазоне от нуля до значения, близкого к 180°.
Импульсы сигнала управления открывают последовательно тиристоры со сдвигом фаз на 120°. Изменение угла открывания от 0 до 180° позволяет плавно регулировать напряжение, подводимое к двигателю, от верхнего его значения до нуля.
Тиристорные схемы применяют также и при управлении асинхронными двигателями, чаще всего для регулирования скорости вращения их путем изменения частоты напряжения, подводимого к двигателю.
К основным достоинствам тиристорных электроприводов относятся:
возможность с помощью маломощных сигналов от бесконтактных аппаратов получить любые заданные режимы работы двигателей;
высокая надежность и экономичность в работе, постоянная готовность к действию, большой срок службы;
малое падение напряжения (l-2 В) в проводящем состоянии (у ионных преобразователей 12—20 В), следовательно, выше к. п. д., чем у ионных приборов, и значительно меньшее, чем у них время восстановления управляемости вентиля;
высокая механическая прочность, стойкость к вибрациям, ударам и сотрясениям, а также колебаниям температур в диапазоне от —60 до +130°С;
компактность, малая масса и малые габариты.
