Определение параметров схем защиты для силовых полупроводниковых приборов проиллюстрировано ниже при решении нескольких задач.

6.2. ЗАДАЧИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ ЗАЩИТЫ

Задача 6.1. Неуправляемый выпрямитель со схемой соединений 1ФШ2П питает нагрузку, состоящую из активного сопротивления (рис. 6.13). Напряжение на нагрузке f7d=60 В, ток /й=2б0 А. Можно считать, что сеть имеет неограниченную мощность при напряжении (/jj=220 В.

Преобразователь должен выдерживать перегрузку /dMaKc= =700 А длительностью I с без повреждения элементов при ycjroBHH, что за перегрузкой следует бестоковая пауза до тех пор, пока элементы не охладятся.

Рис. 6.13. Схема преобразователя со схемой 1Ф1Н2П и диаграммы тока и напряжений.

0,5 (о,ез}1

Рис. 6.14. Прямые вольт-амперные характеристики (сплошные линии) и результирующая двух экстремальных характеристик (пунктирная линия) диодов типа D-250.

/ - минимальная характеристика; 2 - типовая характеристика: 3 - максимальная характеристика.

Для создания преобразователя используются диоды типа D250-[40]. Их технические данные: номинальный ток при установке диода на теплоотводящий радиатор / ном-70 А (естественное охлаждение) и /ном=160 А (принудительное охлаждение при скорости потока воздуха 6 м/с); допустимое обратное повторяющееся напряжение f/o6p.n=400 В. Прямая вольт-амперная характеристика диода

1д.г1акс. don, к А 10,0

10 го W юогоош 1 z 6 ю го wi z в ю го м юо

НС . с , тн

Д. макс, доп, кА

10 го W 100 zoom i г в w го itoi г ¥ о ю го w юо н- ----21-

Рис. 6.15. Перегрузочные характеристики диодов D-250 (допустимые амплитуды полусинусоидального тока); С - относительная предшествующая нагрузка, а) естественное охлаждение, температура окружающей среды 45°С; б) принудительное охлаждение при температуре 35 С.

йрйведена иа рис. 6.14, а его перегрузочные характеристики показаны на рис. 6.15,а, б.

Определить число элементов, необходимое для построения преобразователя при естественном охлаждении и при принудительном.

Какие активные сопротивления нужно включить в ветви параллельно соединенных диодов, чтобы обеспечить надежную работу, если подбор диодов по индивидуальным характеристикам невозможен?

Решение. Характерные кривые токов и напряжений преобразователя показаны на рис. 6.13. Фазное напряжение вентильной обмотки! равно:

f7s = f/rf= 1,11.60=66,6 В.

Наибольшее значение обратного повторяющегося напряжения, проявляющегося на диоде, равно:

обр.макс = 2/2[/s = 2 /Г.66.6 = 188.4 В. Коэффициент запаса

t/o6p.n 400 -С/обр.макс 188,42-Для правильного выбора схемы защиты от перенапряжений достаточен коэффициент запаса в пределах от 1,5 до 2,5 в зависимости от перенапряжений, возникающих в сетях. Поэтому в рассматриваемом случае последовательное соединение диодов не требуется. Среднее значение тока в плече с диодами

/д,ср=/д2ср=/<г/2=260/2=130 А. При перегрузке

/д,ер=/д2ср=700/2=350 А. Естественное воздушное охлаждение. Поскольку /д1ср>/еом, одного диода в плече недостаточно. Число параллельно соединенных диодов должно быть равно:

п>/д1ср ном= 130/70= 1,86,

т. е. /1=2.

Максимальное значение выпрямленного тока /ймакс=Ы1 260/2 = 406 А.

По условию задачи нет возможности подбирать диоды с одинаковыми вольт-амперными характеристиками. Поэтому наихудший возможный вариант - это когда характеристики, двух параллельно соединенных элементов имеют наибольшие различия. В этом случае максимальное значение тока нагрузки при напряжении диодов, равное 0,83 В, разделится между ними на /д11макс=300 А и /д12макс= = 106 А (см. рис. 6.14). Несимметрия определяется как

a = °~g° = 0,956. т. е. 95,6о/с.

Допускаемая несимметрия токов равна:

ном-(Д1Ср /ноч)

Для предупреждения повреждения диодов присоединим последовательно им резисторы, как показано на рис. 6.16. Из допустимой несимметрии токов получим:

/д„ср-=70 А; /д.. акс=1Л172.70.2=219 А;

/д.г ср = 60 А; /д.г акс = 1.11 72.60-2 = 187 А.

По вольт-амперным характеристикам находим падения напря-жения, соответствующие этим токам:

t/д, 15=0,775 В;

г7д12=0,915 В.

По этим значениям определим минимальные значения сопротивлений резисторов. В соответствии с рис. 6.16

[/д11--/д11максЛ=[/д12--/д1£максЛ,

D Д11 Д1г

ди макс д1г макс . ,

0,915--0,775 Pgg gg мОм.

219 - 187

Проверим диоды на перегрузку. До перегрузки ток наиболее нагруженного диода составляет /д1ср=70 А, т. е. относительная предшествующая нагрузка равна:

Для этого случая, как видно из рис. 6.15,а, при длительности перегрузки t-\ с I

диоды могут пропускать без - Р'г

повреждения полусииусоидаль- ij2

иый ток с максимальным зна- Л'

чением /д.макс.доп=700 А.

Наименьшее сопротивление, ко- Рис. 6.16. Резистивиый делитель торое должно быть введено для с одинаковыми резисторами, предотвращения перегрузки,

определяется с учетом допустимой асимметрии следующим образом: д11 ср = ~ д.макс.доп=~ 700 = 224 А;

Id шкс - - 224-Т-б А-

Д1гср- о =Д11ср- 2 -1-

ди макс = д.макс.доп = 700 А;

.макс =1.11 /Г-2-126 = 394 А.

По прямым вольт-амперным характеристикам находим падения напряжения на диодах:

t/ ii=l,14 В;

t/fll2=l,16 В,

1,16-1,14

R 55 700 - 394 = 0,000065 Ом = 0,065 мОм.

Таким образом, для работы при номинальной нагрузке требуется более высокое значение последовательно включенного сопротивления (/?=4,38 мОм). Потери мощности в резисторе

р гг п / Д11 макс 1

°ди макс

при номинальной нагрузке

Рд = -4,38-10-= = 52,3 Вт,

во время перегрузки

700=

Рд<-4,38-10-5 =536

Имея эти данные, можно определить номинальную мощность резистора, используя тепловые характеристики выбранного типа резистора и зная условия отвода тепла в конструкции преобразователя.

Принудительное охлаждение. В этом случае /д1ср</и, следовательно, для постоянной нагрузки достаточно иметь один диод в плече. В случае перегрузки, следующей за периодом работы при номинальной нагрузке (с=1), диоды способны выдерживать в течение 1 с перегрузку полусинусоидальным током с -максимальным значением /д.макс.доп=1100 А (см. рис. 6.15,6), отсюда

/ L г 1122 ос;9 А д.макс.доп .

д1ср- д.)иакс.доп= п -50 f> 2 - аои Л.

Таким образом, и по условию перегрузки достаточно использовать один диод на плечо.

Задача 6.2. Какие резисторы для деления тока должны быть использованы в преобразователе, описанном в задаче 6.1, работающем с естественным охлаждением диодов, если разброс сопротивлений резисторов не менее ±5%?

Решение. Наихудшим является случай, когда резистор с активным сопротивлением 0,95/?ном соединен последовательно с диодом, падение иапряжения иа котором наименьшее, а резистор с активным сопротивлением 1,05/?ном соединен последовательно-с диодом, падение напряжения- на котором наибольшее.

В этом случае уравнение Кирхгофа для контура, образованного парой параллельных ветвей, может быть записано следующим образом'?

лп + дп ыакс0,95/?1-1ом= дха 4 /дхг макс 1.05/?да

н°м-о,95/д„ акс-1.05/д.

0.915 - 0,775 0.95.219- 1,05-187 =00117 Ом=11,7 мОм.

Следовательно, сопротивление должно быть увеличено в 11,7/4,38=2,67 раза. Потери мощности в резисторах увеличиваются в той же пропорции.

При номинальной нагрузке

Рн=139 Вт,

во время перегрузки

Рд<1430 Вт.

Если такие потери не допускаются, например, по условию эффективности работы оборудования, то должно быть соединено параллельно более двух диодов в плече.

Задача 6.3. Какие резисторы для деления тока должны быть применены в преобразователе, описанном в задаче 6.1, работающем при естественном охлаждении, если из четырех имеющихся и испытанных диодов три соответствуют экстремальной прямой характеристике с минимальным падением напряжения, а четвертый - экстремальной прямой характеристике с максимальным падением напряжения?

Решение. Присоединим сначала только один резистор последовательно с тем диодом, который имеет минимальное прямое напряжение (Ди) и находится в одном плече с диодом, имеющим максимальное прямое напряжение (Д12). На рис. 6.17 этому соответствует Rii=0.

Уравнение Кирхгофа для параллельных ветвей будет:

r-W-

Rn 4=3-

Рис. 6.17. Резистивный делитель с неодинаковыми резисторами.

о /д.г-Г/д1. 0.915-0,775 11 - / 91Q

яр-gj-= o.q - =0,00064 Ом= 0,64 мОм.

дп иакс

Проверим, остается ли деление тока удовлетворительным при перегрузке. Условие удовлетворительного деления тока состоит в том, что при перегрузке каждый из токов /дпмакс и /д12маис находится в диапазоне от 394 до 700 А. Воспользовавшись характеристикой на рис. 6.14, получим:

если /д11макс=700 А и /д,2мако==394 А,то[/ =1,14--700-0,б4Х X 10-=1,586 В; t/ i2=l,16 В;

если /д11 а.<с=394 А и /д12мако=700 А, то 1/ди=0.9-1-394-0,64Х Х10-1.156 В; 1/д,2=1,29 В.

Йоск&Льку

1,586>1,16 В и 1,156<1,29 В,

то каждый из токов находится в указанном диапазоне, т. е. деление Тока при перегрузке удовлетворительное.

Таким Образом, сопротивления делителя будут:

1=0,64 мОм;

12=0.

Следует отметить, что если не удовлетворяется Одно из указанных условий, ТО необходимо увеличить и Rw, и Ris на одну и ту же величину AR.

Потери мощности в номинальном режиме работы равны:

219=

-0,6411-5 = 7,64 Вт,

а при перегрузке

700=

0,64.10-5 = 78,5 Вт.

Полученные результаты показывают, что при известных индивидуальных характеристиках диодов можно подбором резисторов для делителей тока повысить эффективность преобразователя в целом. Недостаток решения состоит в .ом, что при необходимости замены

какого-либо одного диода потребуется вновь подбирать резисторы для деления тока. Чтобы замену можно было произвести быстро, в запасе необходимо иметь полный комплект диодов и резисторов плеча.

Задача 6.4. Построить трехфазный мостовой управляемый выпрямитель для питания нагрузки /dH=4000 А. Индуктивность нагрузки может считаться бесконечно большой. Преобразователь должен выдерживать длительные перегрузки, равные 207о. Тиристоры типа Т 302 N [40]. Определить число параллельно соединенных тиристоров. Какие токорас-пределительные резисторы должны быть использованы, если допуск на разброс их номинальных сопротивлений равен ±5%? Какое охлаждение должно быть применено? Прямые характеристики тиристоров приведены на рис. 6.18, характеристики потерь мощности - на рис. 6.19, а характеристики допустимой нагрузки в зависимости от температуры корпуса тиристора - на рис. 6.20. Потери мощности в токораспределительных резисторах не должны превышать потерь мощности в тиристорах.

Решение. Протекающий через нагрузку постоянный ток не содержит высших гармоник, поэтому ток в любой группе параллельно соединенных тиристоров имеет форму прямоугольных импульсов с амплитудой 4000 А и шириной 120°, которые повторяются

Рис. 6.18. Прямые вольт-амперные характеристики тиристора типа Т 302 N в открытом состоянии.

через интервалы, равные 360°. При условии, что система охлаждения поддерживает температуру корпуса тиристора равной или меньшей <к=87°С, допустимое среднее значение тока тиристора, как видно из рис. 6.20, /т.ср=280 А. Из рис. 6.19 следует, что при этом токе потери мощности в тиристоре Рт=470 Вт. Условие удовлетворительной работы системы охлаждения состоит в том, что при удалении тепла, выделяющегося в тиристоре, температура его корпуса не должна превышать <к=87С.

Рис. 6.19. Зависимость потерь мощности в тиристоре типа Т 302 N от среднего значения периодического тока с импульсами прямоугольной формы (параметр - угол проводимости).

600 Вт 500

Ш

о

50 100 150 200 250 300 А

Если система охлаждения не обеспечивает такого режима, должен быть снижен ток в тиристорах и соответственно увеличено число параллельно соединенных тиристоров.

Ток перегрузки равен: /й=1,2/йн=4800 А.

При повышении сопротивлений токораспределительных резисторов деление тока улучшается, но повышаются потери мощности в резисторах, и, таким образом, ухудшается эффективность преобразователя. На практике использование мощных резисторов часто ограничивается из-за сложностей в отводе тепла. В рассматривае-

130 120

Рис. 6.20. Зависимость допустимого среднего значения периодического тока с импульсами прямоугольной формы от температуры корпуса тиристора типа Т 302 N (параметр - угол проводимости

50 100 150 200 250 300 350 /\ т. ср. доп

МОМ случае потери мощности в резисторе не должны превысить общих потерь в тиристоре. Мгновенное значение потерь мощности в тиристоре неизменно в интервале проводимости и равно:

360 360

Л= 120 г= 120 =1410 Вт.

Следует отметить, что общие потери в тиристоре, работающем в преобразователе с естественной коммутацией, практически равны потерям мощности в открытом состоянии. Гипербола, соответствую-

щая потерям 1410 Вт (рис. 6.18), пересекает минимальную вольт-амперную характеристику тиристора в точке с параметрами [/= = 1,43 В. /=985 А.

Допустимое максимальное значение тока тиристора в рассматриваемом случае равно:

мякг -

360 120

/т.ср.доп-=-[2б280 = 840 А,

поэтому для тиристора с минимальной вольт-ампсрпон характеристикой получим рабочую точку с параметрами [/=1,35 В, /=840 А. В соответствии с этим сопротивление резистора при условии, что потери в резисторе ие превышают потерь в тиристоре, должно быть:

.1,35 840

= 1,605.10-5 Ом.

Примем Д=;?пом±ДКпом=1,5 мОм±5%.

Если п тиристоров соединены параллельно, то в наихудшем случае п-1 тиристоров имеют максимальную вольт-амперную характеристику н с ними последовательно соединены резисторы с сопротивлениями 1,05/?ном, а один тиристор, имеющий минимальную характеристику, соединен последовательно с резистором, сопротивление которого равно 0,95i?noM. Даже в этом случае нагрузка этого последнего тиристора не должна превышать допустимой. Исходя из этого условия, можно определить токи тиристоров. От рабочей точки ([/i=l,35 В, /[=840 А) проводим прямую с наклоном 0,95Кном. Ее пересечение с осью абсцисс дает общее напряжение AUo на всех параллельных ветвях.

Проведенная из этой точки прямая с наклоном 1,05Кно м пересекает максимальную характеристику в точке с ординатой /2= =650 А, указывающей ток нагрузки каждого из п-1 тиристоров.

Число параллельно соединяемых тиристоров вычисляется по формуле

/,4-(П-1)/2>/в,

Id-h + [Л 4800-840 +6501

Принимаем п=8.

В

Рис. 6.21. Преобразователь со схемой ЗФ1НЗП с магнитосвязанными индуктивными делителями тока.

Задача 6.5. Управляемый выпрямитель со схемой соединений ЗФШЗП работает на нагрузку, состоящую из резистора с сопротивлением Rd и реактора с индуктивностью Ld=ioo. Ток нагрузки поддерживается регулятором на уровне /d=450 А. Схема имеет по два тиристора типа Т 221 N [40] на фазу, работающих параллельно через магнитосвязанный индуктивный делитель (рис. 6.21). Прямые характеристики тиристоров показаны на рис. 6.22. Система охлаждения позволяет нагружать каждый тиристор периодическим током, имеющим форму трапецие-дальных импульсов шириной 120°-(-у (у - угол коммутации) при среднем значении тока /т.ср=80 А. Определить необходимые параметры делителя.

Решение. При рассмотрении ветви с тиристорами, например, в фазе ), остальная электрическая цепь между точками А и В может быть замещена источником тока с током Ht). Тиристоры можно представить источниками напряжений, равных пороговым напряжениям Utm, 11.102, и динамическими сопротивлениями /?т1, Rit, соответствующими котангенсам углов наклона вольт-амперных характеристик к оси абсцисс (рис. 6.23,а). Источник напряжения С/тм

1,51т.макс 1т.ма,

О

Рис. 6.22. Прямые вольт-амперные характеристики тиристоров типа Т 221 N.

Рис. 6.23. Эквивалентные схемы пары тиристоров, соединенных параллельно через магнитосвязанный индуктивный делитель тока, н диаграммы тока.

может быть исключен. В этом случае в ветвь 2 следует включить источник напряжения Д[/тс=/тс2-Uto\ (рис. 6.23,6). Если два тиристора имеют различные экстремальные характеристики, то из рис. 6.22 получаем:

[/ ,=0,71 В; 1/02=0,96 В; Лт1=к/?т21=0,98 мОм. Таким образом, в рассматриваемом диапазоне ветвь с тиристорами может считаться линейной и поэтому применим принцип наложения.