Другой причиной появления постоянной перегрузки управляемых полупроводниковых приборов, соединенных параллельно, может служить разброс времен включения элементов или моментов поступления управляющих сигналов. Асимметрия времен включения может быть уменьшена при использовании управляющих импульсов с крутыми фронтами и большими амплитудами. Одновременность приложения управляющих сигналов может быть обеспечена, например, применением общего генератора управляющих импульсов.

Остающаяся асимметрия времен включения не вызывает вредного перегрева, если скорость нарастания тока dildt в полупроводниковом приборе, который включается первым, ограничивается так, что при максимальном разбросе времен включения она остается ниже определенного предела. Это могут обеспечивать делители тока, показанные на рис. 6.1,6 -г.

Появление кратковременного сверхтока обычно вызывается КЗ на стороне нагрузки или преобразователе. КЗ внутри преобразователя может быть вызвано также в результате пробоя или пропуска включения полупроводникового вентиля. Нарастание тока в цепи КЗ ограничивается демпфирующими реакторами, а ток КЗ отключается при помощи быстродействующих выключателей постоянного тока и предохранителей до того момента, когда может произойти повреждение силовых полупроводниковых приборов.

Включение управляемых силовых полупроводниковых приборов (тиристоров, симметричных полупроводниковых тиристоров и т. д.) может привести к быстрому нарастанию тока (высокому значению di/dt), особенно если момент включения совпадает с большим значением прямого напряжения. Поскольку скорость увеличения проводящего поперечного сечения тиристора во включающемся полупроводниковом приборе ограничена, местная плотность тока и сопутствующий ей местный нагрев могут сохраняться в допустимых пределах только благодаря ограничению скорости нарастания тока до значений, нормированных изготовителем. Поэтому индуктивность контура, замыкаемого полупроводниковым прибором, который начинает проводить ток (т. е. индуктивность контура коммутации в преобразователях с естественной или принудительной коммутацией или индуктивность цепи, через которую включается нагрузка на пре-

образоЁатбле), не должна снижаться ниЖё Предела, определенного этим условием. У большинства преобразователей требуемая индуктивность обеспечивается в первую очередь элементами главной схемы (индуктивностью рассеяния трансформаторов и индуктивностью реакторов, ограничивающих ток КЗ), так что никакой другой индуктивности не требуется.

В соответствии с предписаниями стандарта DIN в каталогах на полупроводниковые приборы указывается

критическая скорость нарастания тока -j при следующих условиях:

температура кристалла - максимально допустимая;

амплитуда нарастающего тока не превышает трехкратного номинального тока;

прямое напряжение вентиля Unp непосредственно перед включением не превышает 67% повторяющегося прямого напряжения;

частота повторения включений 50 Гц;

управляющий импульс удовлетворяет условиям по скорости нарастания тока, амплитуды и длительности, указанным для данного вентиля в каталоге.

Если скорость нарастания тока не превышает критического значения, то до какого-то данного уровня напряжения повреждение полупроводникового прибора произойти не может. Однако если непосредственно перед включением тиристора приложенное к нему прямое напряжение превышает этот уровень (обычно он устанавливается равным 600 В), то допустимое в эксплуатации значение di/dt должно быть ниже критического значения. Связь этого напряжения с коэффициентом снижения di/dt дается в каталогах; для тиристоров, о которых идет речь в рассматриваемых ниже задачах, она показана графически на рис. 6.2 [39].

Защита от перенапряжений. В оборудовании силовой электроники правильная работа и защита элементов требуют, чтобы повышения напряжения на силовых полупроводниковых приборах (амплитуды напряжения) и скорости нарастания прямого напряжения (du/dt) поддерживались в нормируемых пределах. Защита по напряжению, таким образом, может быть подразделена на защиту от перенапряжений и на защиту от чрезмерных скоростей нарастания прямого напряжения. Некоторые перенапряжения повторяются периодически, на-

пример коммутационные перенапряжения, обуслоблен-ные накоплением зарядов в полупроводниковых элементах или неравномерностью распределения напряжения по элементам на последовательно соединенных силовых полупроводниковых приборах. Другие перенапряжения

0,3 0,S 0,7 О, Б 0,5

о,г

О 0,г 0, 0,0 0,8 1,0 1,2 1,4- 1,6 1,8 кВ

Рис. 6.2. Зависимость максимально допустимого отношения скорости нарастания тока тиристора dijdt к критическому значению di/dt от прямого напряжения на тиристоре непосредственно перед включением.

возникают случайно: грозовые или коммутационные перенапряжения в сетях, перенапряжения вследствие отключения тока намагничивания при отключении трансформатора, перенапряжения, вызванные срабатыванием предохранителей или отключением выключателей, внут-

Риа 6.3. Определение параметров силовых полупроводниковых приборов по напряжению.

ренним КЗ или перегрузкой преобразователя. Перенапряжения б диоде могут возникнуть только в обратном направлении, в то время как в управляемом полупроводниковом приборе они могут возникнуть в обоих направлениях. В каталогах номинальные напряжения нормируются следующим образом [39, 40]: обратное повторяющееся напряжение Уобр.п -это максимально допу-220

стимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к тиристору или диоду в обратном направлении; прямое повторяющееся напряжение (Упр.п - это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к тиристору в прямом направлении; неповторяющиеся напряжения

t06p.Hen и [/iip.Hen - ЭТО МЗКСИМалЬНО ДОПуСТИМЫб МГНО-

венные значения любого напряжения, нерегулярно прикладываемого к полупроводниковому прибору соответственно в обратном и прямом направлениях.

Перечисленные параметры пояснены на рис. 6.3.

Скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре также не должна превышать значений, нормированных изготовителем, так как в противном случае емкостные токи, появляющиеся в р-п-переходах, могут при-

Рис. 6.4. Диаграмма прямого напряжения при определении критического значения dujdt.

Рис. 6.5. Форма кривой напряжения встречно-параллельно соединенных тиристоров.

вести к самопроизвольному включению тиристора. Сравнительно медленное включение может привести к большим потерям при включении и повреждению вентиля. Поэтому в каталогах приводится также максимально допустимая скорость нарастания прямого напряжения

Критическое значение du\dt обычно дается для экспоненциально-нарастающей волны напряжения, показанной на рис. 6.4. На рисунке видно, что начальная, максимальная скорость нарастания напряжения может быть больше в 1/0,632 раза критического значения du\4t при условии, что наибольшее мгновенное значение прямого запирающего напряжения пр на вентиле не превышает в конце нарастания 0,67 t/np.n. На практике оговаривается, что начальная скорость нарастания du/dt должна быть ниже критического значения. Опыт показал, что в этом случае не возникает случайных включе-

НИИ, даже если прямое напряжение Па бёнмлё находится в пределах между 0,67 Unp.n и 1,0 t/np.n-

В некоторых схемах (например, в прерывателях переменного тока на тиристорах) резкое прекращение обратного тока одного тиристора приводит к росту напряжения в прямом направлении на другом тиристоре со скоростью, превышающей критическое значение (рис. 6.5). Однако это явление не вызывает самопроизвольного включения, если возрастающее напряжение не превыша-

Рис. 6.6. Типичные схемы защиты преобразователей от сетевых перенапряжений и перенапряжений при отключении трансформатора.

а) JJC-цепочки. соединенные в треугольники; б) JC-цепочки со вспомогательным выпрямителем; е) селеновые ограничители перенапряжений, соединенные

в звезду.

ет определенного значения. Это значение нормируется в более подробных каталогах или справочниках некоторых фирм изготовителей (например, фирм Siemens и ВВС) [41]. Если такое значение не указывается, оно может быть принято между 20 и 50 В.

В качестве защиты от перенапряжений, возникающих в сетях, и перенапряжений, возникающих вследствие отключения преобразовательного трансформатора, обычно используют RC-Komypu, присоединенные на вентильной стороне трансформатора (рис. 6.6,с), RC-коту-ры, присоединенные через вспомогательный вьшрямитель . (рис. 6.6,6) или селеновый ограничитель перенапряжения (рис. 6.6,е). Если преобразователь присоединен непосредственно к сети, без трансформатора, эти защитные элементы должны быть присоединены к главной схеме через дополнительную индуктивность [5, 8].

Из-за наличия емкостных связей между обмотками почти все междуфазное напряжение может появиться на вторичных выводах питающего трансформатора, присо-

единяемого к сети. Если трансформатор имеет большой коэффициент трансформации, это может привести к опасным перенапряжениям. Этого можно избежать при помощи шунтирования вторичных выводов трансформатора конденсаторами с емкостями, превышающими емкости обмоток (рис. 6.7), а также введения заземленного экрана между сетевой и вентильной обмотками трансформатора [2].

rv>~u.----j-

+ -о

Рис. 6.7. Схема защиты от перенапряжений при отключении трансформатора с высоким коэффициентом трансформации.

В качестве защиты от коммутационных перенапряжений, возникающих вследствие накопления зарядов в полупроводниковых приборах, используются /?С-цепочки, соединенные параллельно с полупроводниковыми приборами (рис. 6.8). При включении управляемого полу-

л

Рис. 6.8. Схема защиты RC цепочкой от перенапряжений, обусловленных накоплением заряда в полупроводниковом приборе.

Л

Рис. 6.9. Схемы защиты от перенапряжений последовательно соединенных силовых полупроводниковых приборов. а) делительная /JC-цепочка; б) делительная цепочка нз селеновых ограничителей перенапряжений.

проводникового прибора разрядный ток заряженного конденсатора С вызывает местные потери в полупроводниковом приборе. Изготовители обычно указывают либо минимальное значение R, необходимое для поддержания разрядного тока в допустимых пределах, либо макси-

мально допустимое значение броска разрядного тока [41,42].

Если эти данные не нормированы, допускается выбирать сопротивление R в омах численно равным от 0,02 до 0,1 наибольшего прямого напряжения на вентиле в вольтах и максимальное значение разрядного тока конденсатора от 10 до 50 А для коммутационных конденсаторов обычного типа, присоединенных к тиристорам с допустимым средним значением тока не менее 50 А. Нижние значения сопротивлений и верхние значения бросков тока относятся к высокочастотным тиристорам.

В установившемся режиме различия в вольт-амперных характеристиках приводят к неравномерному делению напряжения по последовательно соединенным силовым полупроводниковым приборам. В переходном состоянии деление напряжения может быть неравномерным даже при одинаковых вольт-амперных характеристиках. Асимметрия вызывается разницей в запасенных зарядах при выключении полупроводниковых вентилей и разбросом времени включения при включении управляемых вентилей. Защита от перенапряжений последовательно соединенных вентилей может осуществляться с помощью RC-тпочек, как показано на рис. 6.9,а, или селеновых ограничителей перенапряжений, как показано на рис. 6.9,6 [5, 8]. В схеме, показанной на рис. 6.9,а, омический делитель работает в установившемся режиме, а делитель с /?С-цепочкой осуществляет деление напряжения во время переходных процессов (поскольку схема коммутации содержит и индуктивность). 7?С-цепочки одновременно служат для ограничения скорости нарастания прямого напряжения. Селеновый ограничитель перенапряжений, показанный на рис. 6.9,6, ограничивает перенапряжения как в установившемся режиме, так и при переходных процессах.

В преобразователях с естественной коммутацией, работающих в режиме прерывистой проводимости, RC-ne-почки, присоединенные параллельно полупроводниковым приборам, недостаточно демпфируют перенапряжения, так как после окончания интервала проводимости в цепь переходного процесса оказывается включенным высокоиндуктивный сглаживающий реактор. Возникающие вследствие этого перенапряжения могут быть снижены, например, при помощи 7?С-цепочки, присоединенной к выводам преобразователя и образующей вместе со

сглаживающим реактором цепь с хорошим демпфированием (рис. 6.10).

Определение параметров элементов и С аналитическим способом в принципе не представляет трудностей, но требует довольно сложных вычислений. Поэтому, для того чтобы упростить вычисление параметров, были подготовлены графики, максимально облегчающие расчеты [2, 5, 8р. Эти графики приведены ниже.

Графики, представленные на рис. 6.11, помогают определить параметры НС-цепочки, показанной иа рис. 6.8 и служащей для демп-

--Rd

Ed\,

о,г

Рис. 6.10. Присоединение RC-цепочки к выводам постоянного тока преобразователя с естественной коммутацией с целью защиты от перенапряжений в режиме прерывистой проводимости.

Рис. 6.11. Диаграммы для расчета /?С-цепочек, защищающих от. коммутационных перенапряжений. Зависимости минимальной относительной емкости и допустимого диапазона относительных сопротивлений от коэффициента перенапряжений.

фирования коммутационных перенапряжений. С использованием этих графиков параметры могут быть определены следующим образом.

Зная номинальное обратное повторяющееся напряжение вентиля и коэффициент запаса Ъ, можно определить допустимое обратное напряжение:

обр.п g

Зная максимальное мгновенное значение обратного напряжения t/обр без учета перенапряжения, можно определить коэффициент перенапряжения:

На рис. 6.11 в зависимости от этого коэффициента даются в относительных единицах наименьшее значение емкости С*мин и наименьшее 7?*мин и наибольшее 7?*макс значения сопротивления. Для значений dijut при коммутации и тока, протекавшего до коммутации, по характеристике полупроводникового прибора (взятой из каталога) можно определить накопленный заряд Q.

Для расчетного значения индуктивности контура коммутации и расчетные значения емкости С и сопротивления R можно выразить следующим образом:

Г' г*

t> мин-НИН [/gp,

(6.3)

2Q-===K==: aKo F 2Q~ (6.4)

Соотношения между индуктивностью L на фазу, сопротивлением резистора R, емкостью С конденсатора и расчетными значениями L, R, С для различных преобразователей приведены в табл. 6.1,

Таблица 6.1

Соотношения между фактическими (L, R, С) и расчетными {и, R, С) значениями индуктивности коммутации, сопротивле-

ния и емкости демпфирующей цепи

Тип преобразователя

При определении численного значения R сопротивления резистора следует помнить, что при включении тиристоров ток разряда конденсатора ограничивается этим резистором.

На рис. 6.12 показаны графики для определения параметров RC-кошура, обеспечивающих защиту от перенапряжений при отключении ненагруженного трансформатора (см. рис. 6.6).

Отключение трансформатора - процесс не периодический, поэтому допустимое напряжение на полупровод-

йиковых приборах определяется номинальным неповторяющимся напряжением. Коэффищ1ент перенапряжения при коэффициенте запаса

доп

будет равен:

и

(6.5)

(6.6)

По значению k с помощью диаграмм на рис. 6.12 определяются в относительных единицах емкость, а также максимальрюе и минимальное значения сопротивления. Максимальная энергия магнитного поля, запасенная в трансформаторе, может быть вычислена с помощью уравнения (6.7а) для однофазных трансформаторов и уравнения (6.76) -для трехфазных:

1,0 %ч- 1,8 г,г 2,0

Рис 6.12. Диаграммы для расчета /?С-цепочек, защищающих от перенапряжений при отключении трансформатора.

W -J-jp

(J. макс 2 V- PV- макс

р ц-иакс Р

(6.7а)

W =-4-LP

[J. макс 4 V- PV- макс

ру- макс Р

(6.76)

Минимальная емкость демпфирующего конденсатора для однофазной схемы равна:

у. макс /~>

(6.8)

Допустимый диапазон сопротивления для однофазной схемы

(6.9)

sjiMaKC цмакс

В трехфазных преобразователях емкость каждого конденсатора при соединении демпфирующих элементов в треугольник равна 0,67 значения, полученного по формуле (6.8), а активное сопротивление должно быть увеличено в полтора раза по сравнению со значением, полученным по формуле (6.9).