umm_425

5 Проект полупроводниковой части выпрямительно-инверторного преобразователя

В данном разделе КР вначале необходимо разработать диодное плечо выпрямителя, и после расчета энергетических параметров 12-пульсового ВП в разделе 6, разработать тиристорное плечо инвертора.

5.1 Параллельное соединение полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров)

5.1.1 Постановка задачи

Число параллельно соединенных диодов (тиристоров) в одном плече выпрямителя (инвертора) определяется для следующих трех расчетных режимов: а) режима номинальной нагрузки; б) режима перегрузки; в) аварийного режима.

Для указанных режимов рассчитываются токи, протекающие по плечу выпрямителя (инвертора), и максимально допустимые предельные токи заданного диода (тиристора).

5.1.2 Расчет токов в плече выпрямителя (инвертора)

5.1.2.1 Расчет среднего тока плеча

Условия работы плеч выпрямителя (инвертора) при номинальном режиме определяются средними значениями токов плеч IV, численные значения которых могут быть рассчитаны по формулам таблицы 2.1 по заданным значениям

IdH (IИH).

5.1.2.2 Расчёт тока плеча при перегрузке

Условиями задания на КР определена работа выпрямителя (инвертора) в течение 10 секунд с перегрузкой в КПЕР раз (таблица 1.1), по сравнению с максимальным током плеча IV MAX .

Значение тока диодного (тиристорного) плеча при перегрузке определяется следующим соотношением

IV ПЕР = КПЕР IV MAX .

(5.1)

30

5.1.2.3 Расчёт ударного тока плеча при аварийном режиме

Выпрямительные и инверторные преобразователи должны выдерживать перегрузки при аварийном режиме.

Таким режимом для диодного выпрямителя является глухое КЗ между его плюсовым и минусовым выводами.

Для инвертора аварийным режимом является его опрокидывание, то есть когда под действием каких-либо причин ЭДС ИП начинает совпадать по направлению с ЭДС контактной сети.

Полный ток аварийного режима состоит из периодической и апериодической составляющих. Амплитуду аварийного тока называют ударным током. Значение ударного тока, протекающего через плечо выпрямителя (инвертора) при аварийном режиме, можно определить по упрощённой формуле

i	= 255	I2HY	,	(5.2)
УД		uK

где I2НY – номинальное значение тока вентильной обмотки трансформатора, соединённой в «Y», для выпрямительного (инверторного) режимов (таблица 4.1);

uК – полное значение напряжения КЗ цепи коммутации, % (таблица 3.1).

5.1.3 Расчёт допустимых токов заданного диода (тиристора)

5.1.3.1 Расчёт максимально допустимого среднего прямого тока

Максимально допустимый средний прямой ток IFAV m одного и того же диода (тиристора) зависит от схемы выпрямителя (инвертора), характера нагрузки, типа охладителя и системы охлаждения. Его величина при заданных условиях определяется по следующей формуле

	U 2	+4 k 2	r		Tjm −Ta	−U	( TO )
	( TO )	Ф	T		Rthja
	IFAV m =						,	(5.3)
		2 k 2		r
			Ф		T

где U(TO) – пороговое напряжение диода (тиристора), В;

kФ – коэффициент формы кривой тока диодного (тиристорного) плеча, равный отношению действующего значения тока к среднему; для 6- и

12-пульсовых преобразователей равен 3 ;

rT – дифференциальное сопротивление диода (тиристора), Ом;

31

Тjm – максимально допустимая температура диода (тиристора), °С;

Та – температура охлаждающей среды, зависящая от климатических условий и места установки выпрямителя (инвертора); в КР можно принять равной +40°С;

Rthja – полное тепловое сопротивление «переход – охлаждающая среда», зависящее от типа диода (тиристора), охладителя и способа охлаждения, °С/Вт.

Величину Rthja можно найти по выражению

Rthja = Rthjc + Rthch + Rthha ,	(5.4)

где Rthjc – тепловое сопротивление «переход – корпус», °С/Вт;

Rthch – тепловое сопротивление «корпус – поверхность охладителя», °С/Вт;

Rthha – тепловое сопротивление «поверхность охладителя – охлаждающая среда», °С/Вт.

Все перечисленные параметры приведены в таблицах А.1, А.2, А.3.

5.1.3.2 Расчёт допустимого среднего тока перегрузки

В процессе эксплуатации преобразователя диоды (тиристоры) могут подвергаться рабочим перегрузкам по току.

Исходными данными для расчёта перегрузок по току являются тип диода (тиристора), тип охладителя, способ и интенсивность охлаждения, форма кривой тока. Допустимая амплитуда тока при длительности перегрузки от 0,1 до 100 сек определяется из выражения

1

2

Tjm

−Tj + PF(AV) Z(th)tja

IF(OV) =

2

r

U(TO) +4

rT

0,3

Z

(th)tja

+0,7

Z

(th)tjc

−U(TO)

, (5.5)

T

где Тj – температура p-n перехода при нагреве его током предварительной нагрузки;

РF(AV) – мощность потерь в диоде (тиристоре), обусловленная током предварительной нагрузки;

Z(th)tja – переходное тепловое сопротивление «переход – охлаждающая среда»;

Z(th)tjс – переходное тепловое сопротивление «переход – корпус».

Температуру Тj, мощность РF(AV) и сопротивление Z(th)tja можно найти из следующих соотношений:

32

		Tj =Ta + PF(AV) Rthja ;						(5.6)
P		=U		I		+ k 2	r I 2
			(TO)		FAV
F(AV)						Ф	T FAV ;	(5.7)
	Z(th)tja		= Z(th)tjc + Z(th)tch + Z(th)tha ,
								(5.8)

где IFAV – ток предварительной нагрузки диода (тиристора);

Z(th)tch – переходное тепловое сопротивление «корпус – поверхность охладителя»;

Z(th)tha – переходное тепловое сопротивление «поверхность охладителя – охлаждающая среда» (таблица А.2).

Наиболее тяжелым будет режим с предварительной нагрузкой, равной номинальному току IdН, т.е.

IFAV	=	IV	,	(5.9)
		a1

где a1 – число параллельно соединенных диодов (тиристоров) в плече, определенное по формуле (5.11).

Переходные тепловые сопротивления «переход – корпус», «корпус – поверхность охладителя» в формуле (5.8) зависят от интенсивности системы охлаждения и длительности перегрузки, но эта зависимость проявляется при времени, близком к 100 с. Поэтому в КР их можно принять равными

Z(th)tjc = Rthjc,

Z(th)ch = Rthch.

(5.10)

В таблице А.2 приведены значения переходных тепловых сопротивлений при заданной в КР длительности перегрузки, равной 10 сек.

5.1.3.3 Определение ударного неповторяющегося прямого тока

Ударный неповторяющийся прямой ток IFSM (IТSM) зависит от типа диода (тиристора), температуры р-n перехода и длительности импульса тока tI.

В таблице А.1 (А.3) приведены значения IFSM (IТSM) при заданной в КР длительности протекания аварийного тока, равной 10 сек.

5.1.4 Расчёт числа параллельно соединённых диодов (тиристоров)

Число параллельно соединенных диодов (тиристоров) определяется по трём режимам (см. п. 5.1.1):

33

а) номинальному

			IV		'
a1	=					+ a1 ;	(5.11)
			KI IFAVm
б) режиму перегрузки
			IV ПEP
a2	=					+a'2 ;	(5.12)
			KI IF(OV)
в) режиму КЗ			iУД
a3	=				+a3' ,		(5.13)
			KI IFSM

где КI – коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение тока между параллельно соединенными диодами (тиристорами), в КР его можно принять равным 0,9;

a1', a2', a3' – числа, округляющие результаты расчета до большего целого.

Окончательно число параллельно соединенных диодов (тиристоров) в ка-

ждом плече авыбирается как наибольшее из трех рассчитанных значений. Результаты расчёта подраздела 5.1 необходимо свести в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 – Расчет числа параллельно соединенных диодов (тиристоров) в плече выпрямителя (инвертора)

Параметр	Значение для выпрямителя (инвертора)
IV, А
IVПЕР, А
IУД, А
Rthja, C˚/Вт
IFAVm (ITAVm), A
Z(th)tja, C˚/Вт
PF(AV)(PT(AV)), Вт
Тj, C˚
IF(OV) (IT(OV)), A
IFSM (ITSM), A
а1, шт.
а2, шт.
а3, шт.
а, шт.

34

5.2Последовательное соединение полупроводниковых приборов (диодов и тиристоров)

5.2.1 Постановка задачи

Число последовательно соединенных диодов (тиристоров) в одном плече выпрямителя (инвертора) определяют для следующих трех расчетных режимов: а) рабочего режима работы; б) режима повторяющихся перенапряжений;

в) режима неповторяющихся перенапряжений.

Для указанных режимов по исходным данным рассчитываются напряжения, прикладываемые к плечу выпрямителя (инвертора) от вентильных обмоток. После этого выбирают класс заданного диода (тиристора), по которому оп-

ределяют его допустимые импульсные обратные напряжения: рабочее URWM, повторяющееся URRM и неповторяющееся URSM.

5.2.2Расчет амплитуд обратных напряжений, прикладываемых

кдиодному (тиристорному) плечу от вентильных обмоток

5.2.2.1 Расчет амплитуды рабочего обратного напряжения

Амплитудное значение рабочего обратного напряжения UVMAX, прикладываемого к плечу в непроводящую часть периода, зависит от схемы и напряжения Ud0 выпрямителя (UИ0(β=0) инвертора). Оно может быть выражено через

Ud0 (UИ0(β=0)) или U2У (U'2У) и найдено по соотношениям, приведённым в таблице 2.1.

5.2.2.2 Расчёт амплитуды повторяющегося перенапряжения

Повторяющиеся (коммутационные) перенапряжения UVП возникают при включении и отключении электрооборудования, а также во время работы выпрямителя (инвертора) при переходе тока с одного плеча на другое.

В КР величину UVП можно определить по формуле

UVП = KП UVMAX ,

(5.14)

где KП – коэффициент повторяющихся перенапряжений (таблица 1.1).

35

5.2.2.3 Расчёт амплитуды неповторяющегося перенапряжения

Неповторяющиеся перенапряжения возникают при грозовых и аварийных явлениях. Для защиты электрооборудования от неповторяющихся перенапряжений используются ограничители перенапряжений.

Численное значение неповторяющихся перенапряжений UVHП, прикладываемых к плечу выпрямителя (инвертора), зависит от пробивного или остающегося напряжения ограничителя перенапряжений, которым защищен преобразователь.

В КР величину UVНП можно определить по формуле

UVHП = KHП UVMAX ,

(5.15)

где КНП – коэффициент неповторяющихся перенапряжений (таблица 1.2).

5.2.3 Выбор класса диода (тиристора)

Промышленностью выпускаются диоды (тиристоры) различных классов. Для того, чтобы в плече не применять их последовательное соединение, класс диода (тиристора) должен быть выбран из следующего условия

K ≥	UVП .			(5.16)
		100

В таблицах А.1 (А.3) приведены классы некоторых диодов (тиристоров), выпускаемых промышленностью.

При реальном проектировании выбирается наибольший, из выпускаемых промышленностью, класс диода (тиристора) близкий к расчетному по (5.16). В КР введено ограничение. Допускается применение диодов (тиристоров) класса не выше:

•K ≤ 20 для преобразователей с UdН < 3,3 кВ;

•K ≤ 25 для преобразователей с UdН = 3,3 кВ;

•K ≤ 30 для преобразователей с UdН > 3,3 кВ.

5.2.4 Определение импульсных обратных напряжений, выдерживаемых одним выбранным диодом (тиристором)

Для диода (тиристора) каждого класса установлены численные значения рабочего импульсного обратного напряжения URWM , повторяющегося импульсного обратного напряжения URRM и неповторяющегося импульсного обратного напряжения URSM, которые прибор может выдержать без повреждений.

В таблице А.4 приведена связь перечисленных параметров с выбранным классом диода (тиристора).

36

5.2.5 Расчёт числа последовательно соединенных диодов (тиристоров)

Число последовательно соединённых диодов (тиристоров) в плече определяется по трем режимам (см. п. 5.2.1):

а) рабочему

U

1

U

VMAX

1

+

100

s

'

=

+ s

;

(5.17)

1

KU URWM

1

б) повторяющихся перенапряжений

		U				1 +	U	1
				VП
							100
										'
s2	=									+ s2 ;	(5.18)
				KU		URRM

в) неповторяющихся перенапряжений

						U	1
	U		VHП	1	+
s						100
	=							+ s'		,	(5.19)
3			KU URSM						3

где KU – коэффициент, учитывающий неравномерное распределение напряжения между последовательно соединёнными диодами (тиристорами), принимаемый обычно равным 0,9;

U1 – возможное увеличение напряжения питающей сети, % (таблица 1.2); s1', s2', s3' – число, округляющее расчет до целого.

Окончательно число последовательно включенных диодов (тиристоров) в

плече s выбирается как наибольшее из трёх рассчитанных значений. Результаты расчета подраздела 5.2 необходимо свести в таблицу 5.2.

37

Таблица 5.2 – Расчет числа последовательно соединенных диодов (тиристоров) в плече выпрямителя (инвертора)

Параметр	Значение для выпрямителя (инвертора)
UVМАХ, В
UVП, В
UVНП, В
URWM, В
URRM, В
URSM, В
s1, шт.
s2, шт.
s3, шт.
s, шт.

5.3Расчет общего числа диодов (тиристоров) выпрямителя (инвертора)

Общее число диодов (тиристоров) NВ (NИ), которое необходимо для комплектования выпрямителя (инвертора), зависит от числа последовательно и параллельно включенных диодов (тиристоров) в плече и числа плеч выпрямителя (инвертора). Оно может быть найдено по следующей формуле

N = n a s ,

(5.20)

где n — число плеч выпрямителя (инвертора) (для 6-пульсовых схем равно 6, для 12-пульсовых – 12).

5.4Разработка силовой схемы диодного (тиристорного) плеча

5.4.1Расчет и выбор устройств выравнивания распределения напряжения

Из-за расхождения обратных ветвей вольтамперных характеристик (ВАХ) диодов (тиристоров), а также прямых ветвей ВАХ закрытых тиристоров происходит неравномерное распределение напряжения между последовательно включенными приборами (рисунок В.1). Это может привести к пробою плеча выпрямителя (инвертора), начиная с диода (тиристора), имеющего наименьший обратный ток.

38

Неравномерное распределение прямого напряжения между закрытыми тиристорами может привести к самопроизвольному переключению их в проводящее направление.

В качестве выравнивающих устройств используют: в статических режимах – активные делители RШ (рисунок В2, В3), в переходных режимах – актив- но-емкостные делители RВ–СВ (RC-цепи) (рисунок В2, В3), емкостные делители С.

Сопротивление и мощность шунтирующего резистора находят из следующих выражений

RШ =	s URRM −UVП	;	PШ ≥		UV2П			,	(5.21)
	(s −1) IRRM a			4	s	2	RШ

где IRRM – повторяющийся импульсный обратный ток (таблицы А.1, А.3).

Емкость конденсаторов СВ определяется по формуле

	CВ ≥		(s −1) Qrr		,	(5.22)
		4	(s URRM −UVП )

где Qrr –заряд восстановления диода (тиристора) (таблицы А.1, А.3).

Рабочее напряжение, которое должен выдерживать конденсатор СВ, определяется из условия

UC ≥1,5 URSM .

(5.23)

Сопротивление резисторов RB ориентировочно можно выбрать по формуле

	RB ≥	80
		a , Ом.		(5.24)

Резисторы RВ выбираются мощностью 10÷15 Вт.

В качестве резисторов RШ, RВ применяют проволочные эмалированные сопротивления типа ПЭ или ПЭВ, технические характеристики которых даны в таблицах Б.1 и Б.2. Емкость СВ комплектуется из конденсаторов, технические характеристики которых приведены в таблице Б.3.

Резистор RШ и RВ выбирается из условий

RH ≥ RШ , PMAX ≥ PШ .

(5.25)

Конденсатор СВ выбирается из условия

39