Тиристорная техника и применение¶
Тиристорная — относящаяся к тиристорам, полупроводниковым приборам с четырёхслойной структурой p-n-p-n, обладающим свойством бистабильности и способностью переключаться между закрытым (непроводящим) и открытым (проводящим) состояниями. Термин употребляется при описании схем, устройств и систем, построенных на тиристорах: тиристорные преобразователи, тиристорные пускатели, тиристорные регуляторы напряжения, тиристорные возбудители. Тиристорная техника занимает промежуточное положение между слаботочной электроникой управления и силовой электротехникой, поскольку тиристор способен коммутировать токи в сотни и тысячи ампер при напряжении до нескольких киловольт.
¶История
Принцип работы четырёхслойного полупроводникового переключателя был описан в 1950-х годах. В 1956 году американские инженеры Молл, Танебаум, Голди и Холоньяк представили кремниевый управляемый вентиль, ставший прототипом современного тиристора. В СССР разработки в этом направлении велись с конца 1950-х годов; серийное производство тиристоров было освоено на предприятиях электронной промышленности, в том числе в Риге, Саранске и других центрах.
Широкое внедрение тиристорной техники в 1960–1980-е годы было связано с развитием тягового электропривода, преобразовательной техники и систем плавного пуска. Появление запираемых тиристоров (GTO) и позднее тиристоров с интегрированным управлением (IGCT) расширило область применения, а конкуренцию им составили IGBT-транзисторы, потеснившие тиристоры в ряде низковольтных приложений.
¶Классификация
Тиристорные приборы и устройства делят по нескольким признакам.
По способу управления:
- Незапираемые (обычные) тиристоры — закрываются только при снижении тока ниже тока удержания.
- Запираемые (GTO) — выключаются сигналом управления по цепи катода.
- Симметричные (симисторы, триаки) — проводят ток в обоих направлениях.
- Фототиристоры — управляются световым импульсом.
- Тиристоры с интегрированным управлением (IGCT) — комбинация тиристора и схемы управления.
По назначению тиристорные устройства делятся на выпрямительные, инверторные, регуляторы переменного напряжения, коммутаторы и защитные аппараты.
¶Устройство и принцип работы
Тиристор представляет собой четырёхслойную структуру с тремя p-n-переходами и тремя выводами: анодом, катодом и управляющим электродом. В закрытом состоянии прибор блокирует приложенное напряжение. При подаче импульса тока в цепь управления возникает лавинообразный процесс, переводящий тиристор в проводящее состояние; после этого управляющий электрод утрачивает влияние, и прибор остаётся открытым, пока прямой ток превышает ток удержания.
Такая особенность определяет ключевое свойство тиристорной техники: управление включением, но не выключением. Для запирания необходимо либо прервать ток в цепи, либо применить специальные схемы коммутации, либо использовать запираемые приборы.
¶Применение
Тиристорные устройства применяются в следующих областях:
| Область | Примеры устройств |
|---|---|
| Преобразовательная техника | управляемые выпрямители, инверторы, преобразователи частоты |
| Электропривод | тиристорные пускатели, регуляторы скорости |
| Электроэнергетика | устройства компенсации реактивной мощности, вставки постоянного тока |
| Тяговый привод | выпрямители электровозов и электропоездов |
| Бытовая техника | регуляторы мощности, диммеры, симисторные коммутаторы |
| Защита | быстродействующие тиристорные выключатели |
В металлургии тиристорные преобразователи питают мощные электроприводы прокатных станов; на железнодорожном транспорте — тяговые двигатели. В системах электроснабжения тиристорные компенсаторы регулируют реактивную мощность.
¶Преимущества и ограничения
К достоинствам тиристорной техники относят высокий КПД, малые габариты по сравнению с электромеханическими коммутаторами, отсутствие подвижных контактов, быстродействие и возможность коммутации больших токов. Тиристоры выдерживают кратковременные перегрузки по току и обладают высоким напряжением блокировки.
Ограничения связаны с невозможностью произвольного запирания незапираемых приборов, наличием потерь на переключение, генерацией высших гармоник в питающую сеть и необходимостью охлаждения мощных приборов. Кроме того, тиристорные преобразователи создают помехи и требуют фильтров.
¶Тиристорная техника в России
В России выпуск тиристоров и тиристорных преобразователей ведут предприятия электротехнической и электронной промышленности. Тиристорные преобразователи применяются на объектах РЖД, в металлургии, нефтегазовой отрасли и энергетике. Научные разработки в области силовой электроники ведутся в профильных институтах и технических университетах. Развитие направления связано с переходом к полностью управляемым приборам и цифровым системам управления.
¶Смежные направления
Тиристорная техника тесно связана с силовой электроникой, преобразовательной техникой, электроприводом и автоматикой. Её развитие стимулировало создание новых классов полупроводниковых приборов и схем управления, а также методов расчёта электромагнитной совместимости.
Источники: учебники по силовой электронике и преобразовательной технике; технические справочники по полупроводниковым приборам; отраслевые обзоры по тиристорным преобразователям.