+ О

Следовательно, общее чйсЯо элементов будет равно 18. Максимальное значение тока в селеновых элементах равно максимальному значению тока намагннчива1ния. Максимальное перенапряжение, возникающее при отключении и соответствующее этому току (см. рис. 6.28,я), равно 38,5 В на элемент. Общее перенапряжение равно 9-38,5=346,5 В.

Коэффициент перенапряжения

346,5

А=-Т=--= 1,23 < 2.

Таким образом, ограничители класса D удовлетворяют поставленным требованиям по перенапряжению. Выбранные ограничители перенапряжений могут выдержать нмпульс тока с амплитудой

sv.aкc =2,12 А И длительностью i=500 мс (см. рис. 6.28,6). Этот

промежуток времени достаточно велик для затухания тока намагничивания.

в) Схема защиты показана на рис. 6.30. Допустимый импульсный ток диодов должен превыщать ток намагничивания трансформатора. Применение данной схемы можно считать экономически целесообразным, если используются диоды с номинальным током не выще 2-5% номинального фазного тока в главной выпрямительной схеме. Выберем для рассматриваемого случая диоды типа DA1/600 с допустимым средним значением тока 1 А. Максималыное обратное напряжение в нормальных условиях

работы равно 2 Ua. При отключении трансформатора диоды должны выдерживать двойное напряжение, т. е.

to6p.Hen> 2 ]/2Us = 2 Т^2 -2С0 = 564 В.

Допустимый импульсный ток диодов DA1/600 равен:

/макс = 45 A(i= 10 мс; ©у= 175 °С).

При отключении трансформатора ток разряда конденсатора ограничивается сопротивлением Ri, поэтому

У2и, 12 . 200 R, =s: f-~ = -TH-= 6.35 Ом.

Примем Ri=6,8 Ом.

В этом случае нет необходимости в обеспечении затухания тока намагничивания, так как емкость конденсатора должна быть выбрана такой, чтобы коэффициент перенапряжения на конденсаторе не превысил k=2. Поскольку Ri мало, можно считать, что конденсатор заряжается мгновенно, поглощая энергию

акс=-Г C(U%-U\),

где напряжение на конденсаторе прн нормальной работе Ui =К2 £;,=282 В, а допустимое перенапряжение £/2= 2V2 (7.= 248

Рнс. 6.30. Схема ограничителя перенапряжения с RC-цепойсой, включенной через вспомогательный выпрямитель.

=564 В, отс!Ода

21цмакс 2-0,95

37717= W=282- = 8-02-10- Ф.

Примем С=10 мкФ. Сопротивление i/?2 должно быть выбрано так, чтобы конденсатор мог разряжаться через него в интервале между двумя следующими одно за другим перенапряжениями (в рассматриваемом случае - это два последовательных отключения). Конденсатор практически разрядится до нуля за время, равное пятикратной постоянной времени, т. е. должно быть

Следовательно, ./? < Примем i?2=200 кОм.

Ц,А-мкй

5-10-10-

200-10 Ом.

О

10 W 30 W SO 60 70 во А/МНС

Рис. 6.31. Зависимость запасенного заряда в тиристорах типа T130N от скорости изменения йЦМ отключаемого тока.

Задача 6.9. Управляемый выпрямитель со схемой соединения ЗФ1ЫЗП работает на нагрузку, состоящую из реактора с индуктивностью Ld°o и резистора с сопротивлением JRd. Напряжение вентильной обмотки преобразовательного трансформатора 1/=190 В; индуктив-кость коммутации Ц =0,2 мГн. Наибольшее значение тока нагрузки Id= = 100 А. Рассчитать параметры RC-коп-тура для защиты тиристоров от коммутационных перенапряжений. Применены тиристоры типа Т 130 N/800 [39]. Характеристика запасаемого в тиристорах заряда приведена на рис. 6,31. Допустимое обратное повторяющееся напряжение тарнсторов f/o6p.n=800 В.

Р е ш е н и е. Максимальное обратное напряжение тиристора при нормаль^-ной работе без учета перенапряжений равно:

Рис. 6.32. Эквивалентная схема контура коммутации преобразователя со схемой ЗФШЗП.

f/обр.п = У2Узи^ = /б 190 = 466 В, Допустимый коэффициент перенапряжения

tWn 800 , . TW ~466=1-

Из рис. 6.32 следует, что максимальная скорость изменения тока прн коммутации равна:

Уз У 2 Us >6.190

--2.0,2.10-3=226.10- А/с.

Расчетные значения параметров контура коммутации возьмем из табл. 6.1: L. = 2Ly R=R, С-С. Ток, протекающий через тиристоры перед коммутацией, /й=100 А. Запасенный заряд определяем из рис. 6.31:

Q-55 А-мкс.

Зная коэффициент перенапряжения k, можно найтИ' по графику иа рис. 6.11 иаименьшее требуемое значение емкости', выраженное в относительных единицах, и диапазон сопротивлений (также в относительных единицах): С*мин=0,78, /*макс=1,7, /?*мин=0,84.

Зная эти параметры, можно вычислить расчетные значения параметров элементов контура коммутации:

20 2-55-10- С' н = 1С% =--0,78 = 0,183.10- Ф

и

R*m y -Q-<R<R*Kcy 2Q

.-/2.0,2-10-5.466 i/2-0,2-10-3.466 .

2-55-10- </?-<1,7 У 2-55-10-

34,5 Ом</?<70 Ом.

Б момент включения тиристора ток разряда конденсатора С ограничивается только сопротивлением резистора R, поэтому целесообразно взять большее значение сопротивления.

Принимаем: С=С'=0,2 мкФ и RR=67 Ом.

Максимальное значение тока разряда конденсатора при включении тиристора

UcMVjyjUs 466 /смаке ---R-=g7=6,95 А.

Из § 6.1 следует, что для тиристоров с номинальным током 130 А это значение допустимо,

Задача 6.10. Через однофазный прерыватель со встречно-параллельно включенными тиристорами к сети с напряжением £;ном=220 В и частотой f= =50 Гц присоединен реактор с индуктивностью Lh=12 мГи (рис. 6.33). Применены тиристоры типа Т 50 N/600 с номинальным средним значением тока 50 А. Тиристоры работают при естественном воздушном охлаждении с температурой воздуха во=45°С, при этом допустимое среднее значение тока составляет /ср.до1:=30 А. Повторяющиеся напряжения тиристоров f/np.n=f/oep.n=600 В,

критические значения скоростей нарастания тока и прямого напряжения (А7Л)кр=25 А/мкс, (rfw/rf/) p= =50 В/мкс.

Характеристики запасенного в тиристорах заряда показаны иа рис. 6.34. Отклонения напряжения сети составляют +10%. Коэффициент запаса по напряжению на тиристоре 6=1,3. При расчете реактивным сопротив-лением сети можно пренебречь.

Рис. 6.33. Однофазная схема с встречно-параллельио включенными тиристорами, работающая на индуктивную нагрузку.

I 80 ВО

10 20 30 4-0 SO БО 70 80 A/nffc

Рис. 6.34. Характеристики запасенного заряда в тиристорах типа

Т 50 N.

Рассчитать 31начвния R к С демпфирующей цепочки, присоеди-неиной параллельно тиристорам. Определить потери мощности в резисторе R.

Решение. Допустимое повышение напряжения тиристора fo6p.n 600

с учетом отклонений напряжения сети допустимый коэффициент перенапряжения должен быть равен:

оЗр.доп обр.доп

£/обр

461,5

UlV 2U 1,1 1Г.220 ~

Значения емкости и активного сопротивления в относительных единицах могут быть получены из графиков на рис. 6.11: С*мин = =2,45, /?*ма с=1,3, /?*м„н=0,66.

На тиристорах появляется наибольшее напряжение при углах управления около 90° (когда проводимость из непрерывной становится прерывистой). В этом случае, если напряжение сети составляет 110% номинального значения, максимальное значение тока, протекающего через тиристор,

т.макс- 1 2П.50.12-10-5 -

Наибольшая скорость снижения тока при переходе его через нуль в сторону отрицателыиых значений равна:

I di

- -тг I = (в/т макс = 2и. 50 90,8 А/с = 0,0285 А/мкс.

\ /макс

С запасом можно считать, что ток уменьшается от /<г=/т.макс с постоянной скоростью (dib/dt)макс. Запасенный в тиристоре заряд тогда можно определить по характеристикам иа рис. 6.34

Q=l,5 А-мкс.

Емкость конденсатора

С = С' CV = 2.45 fjo * =

Примем конденсатор с емкостью С=0,05 мкФ. Предельные значения сопротивления могут быть найдены из неравенства

1 V2 -220

, , 10-5.1,1 /2-220

2.1,5-10-<

т. е. 772/? 1520 Ом. В пределах этого диапазона следует выбрать значение сопротивления близким к нижнему пределу, так как это уменьшит скачок прямого напряжения тиристора, включенного встречно-параллельно тиристору, заканчивающему проводить ток. Допустимое значение скачка прямого напряжения для тиристора Т 50 N не нормируется. Однако можно допустить скачок напряжения, равный 40 В. Выберем сопротивление ./?=820 Ом. Кривая прямого напряжения иа тиристоре будет такой, как показано на рис. 6.5. Проверим значения скачка прямого напряжения при вы-бранном значении сопротивления R. Максимальное значение обратного тока отключающегося тиристора равно:

/обр.макс = ymujdf) = V2 . 1,5.0,0285 = 0,292 А.

Сжачок напряжения иа резисторе и равный ему скачок прямого напряжения на тиристоре, включенном встречно-параллельно,

Это напряжение больше допустимого, значив, сопротивление демпфируюш;ей цепи должно быть уменьшено. Его максимальное допустимое значение по условию скачка прямого напряжения равно:

40 40

7;= (Ж = 37 Ом.

Примем R=130 Ом.

Коэффициент перенапряжения не увеличится вследствие уменьшения R при условии, что емкость С будет изменена таким образом, чтобы сохранить неизменным коэффициент затухания цепи RCLs-До изменения R коэффициент затухания был равен:

R л/С 820,/0,05.10- = Т К Т;;=-2- V 12-10-3 = 0,834.

Новое значение емкости, соответствующее ii?=130 Ом, будет равно:

, / 2?\2 / 2-0,834 \ =

C = L f-j = 12.10-М-130-j Ф=1,96мкФ.

Примем С=2 мкФ.

Поскольку параметры цепи такие, что процесс в ней близок к апериодическому, dujdt достигает максимального значения немедленно после скачка напряжения на резисторе:

da\ R 130

37 ) =обр7-=2-220 12-10-3 В/с = 3,71 В/мкс.

L / макс

Это значение ниже допустимого, поэтому ?С-цепочка приемлема и по скорости нарастания прямого напряжения.

Наибольшее напряжение на конденсаторе близко к напряжению сети, т. е.

f/cBl, 1-220=242 В.

Поэтому окончательно выберем конденсатор с номинальной емкостью С=2 мкФ на напряжение 250 В переменного тока.

Когда тиристоры находятся в закрытом состоянии, потери мощности в резисторе R сравнительно малы, так как Xc>R:

PR=PRcR{VaCYR =Рл1(1,1-220-2я-50-2-10-6)2130=3,0 Вт.

Потери имеют максимальное значение вблизи перехода из состояния непрерывной проводимости в состояние прерывистой проводимости, когда включение и выключение тиристоров происходят при напряжениях, близких к наибольшему напряжению сети.

Можно с достаточной степенью приближения считать, что при включении тиристора вся энергия конденсатора рассеивается в резисторе, следовательно

вкл = 0.5Ct/o6p = 0.5.2.10- (1.1 /2 .220)2 0,12 Вт.с.

Колебательный процесс, возникающий при отключении тиристора, блиаок к апериодическому. С достаточной степенью приближения

можно пренебречь энергией, запасенной в йндуктиеностй, так как обратный ток мал как в начале, так и в конце колебательного процесса. В этих условиях энергия, рассенваемая в резисторе, представляет собой разность между энергией, передаваемой из сети, и энергией, запасаемой в конденсаторе:

где Qc - заряд конденсатора. Таким образом,

В рассматриваемом случае

li;jOTKj, = 0,5.2-10- (M-V2-220)2 = 0,12 Вт-с.

Максимальные потери, возникающие в резисторе при прерывистой проводимости, когда включения тиристоров происходят с интервалами в 10 мс, равны:

Двкл+;;агкл. 0,12 + 0,12

да - 10.10-5 10-2 -4 ьт.

Суммарные потери в резисторе ие могут быть больше суммы потерь при закрытых тиристорах и максимальных потерь при коммутации:

PBMaHc<PBi+PB2=3,0-f24=27 Вт.

Выберем резистор с /?=130 Ом и Рл=25 Вт. Для проверки вычислим среднее значение тока, который может протекать через один тиристор:

2 У 2 1,1-220 1

/т.ср = - 2п-50-12.10-5 Т = /ср.доп = зо А.

Это означает, что тиристоры могут работать при естественном воздушном охлаждении с использованием предназначенных для них теплоотзодящих элементов.

Максимальная скорость нарастания прямого тока равна вычисленной выше максимальной скорости нарастаиия обратного тока:

=-()мекс = <()доп =

Таким образом, схема удовлетворяет условиям надежной работы и в этом отношении.

Скачок тока разряда конденсатора при включениях тиристоров равен:

Смакс fo6p l,l./2--220 ...,.,оА смакс = -7Г~ = -R--т = 2.63 < 10 А.

Следовательно, ток разряда конденсатора можно считать безопасным для тиристора.

Задача 6.11. Через однофазный прерыватель с тиристорами, включенными встречно-параллельно, от сети с напряжением г7н=380 В и частотой 50 Гц питается нагрузка, состоящая из резистора с сопротивлением /?н= =6 Ом (рис. 6 35). Используются тиристоры типа Т 50 N/1200 [39] t/o6p.n=I200 В и (du/dt)= =400 В/мкс. Все остальные технические данные такие же, как и у тиристоров типа Т 50 N/600 (см. задачу 6.10). Полное сопротивление сети Х-5,5 мОм, колебания напряжения в сети +10%. Необходим коэффициент запаса по напряжению 6=1,5.

Рассчитать параметры элементов и С, присоединенных параллельно тиристорам, и индуктивность La, включенную последовательно.

Рещение. Так как иагрузка чисто активная, в результате включения тиристора при угле управления а=90° скорость нарастания прямого тока моЖет быть высокой. Эта скорость ограничивается суммой индуктивности сети и индуктивности, последовательно включенной в цепь. Требуемая результирующая индуктивность равна:

Рис. 6.35. Однофазная схема с встречно-параллельно включенными тиристорами, работающая на активную нагрузку.

L + La =

МаксималБНое повторяющееся прямое напряжение, которое может появиться на любом из тиристоров перед включением, равно:

f/nn = Ы V2U =1,1 УТ-ЗВО = 591 <1600 В,

в относительных единицах: 1200

=iSk = 0,492 < 0,67. пр.п

Для этих значений на ооновании графиков на рис. 6.2 получаем

с использованием уравнения (6.11) находим: 591 . 5,5- 10-3

25-10

271-50

= (23,64- 17,51)-10-б = 6,13-10-6 Ги.

Примем La= 10 мкГн (заметим, что для прерывателей, у которых существует опасность возникновения КЗ на выводах. La играет роль также и защиты от КЗ).

Если прерыватель подключается к сети в момент максимума напряжения сети, то в цепи, в которой до этого не проходил ток и которая состоит из La-\-L, С и R+Rn, возникает переходный колебательный процесс. При работе прерывателя резкий обрыв обратного TOifa, обусловленного зарядом Q, запасеиным в тиристорах,

сам по себе приводит к возникновению переходного процесса. Колебания вызываются выделением энергии, запасенной в индуктивности. Так как нагрузка чисто активная, колебаше возникает при переходе напряжения сети через нуль. Энергия этих колебаний мала вследствие малой скорости уменьшения тока.

При расчете </? и С, присоединенных параллельно полупроводниковым приборам, методика, описанная в начале настоящей главы, не может быть иепосредственно применена ни к одному из видов колебаний для рассматриваемого случая.

В первом случае в индуктивности не запасена энергия (что соответствует Qt=0), а во втором случае напряжение сети близко к нулю.

Чтобы ошибка при расчетах была в сторону запаса, можно предположить, что оба таких переходных процесса происходят одновременно. При таком предположении находим следующие зна-ченЕЯ:

обр.п 1200 tnp.Aon = обр.двп- 1 1,5 - °00 В;

f/o6p = Unp = 591 В: обр.доп 800 [/обр 591 а из рис. 6.11

С*м„н=2,7; /?* аке=1,3, ?* н=0,67.

Максимальное значение тока тиристоров и скорость уменьшения тока при отключении равны:

1,1/2-[/ 1,1/2--380 т.макс- j е -so,о

~() =/т.максИ = 98,5.2п50 = 0,031-10 А/с. \ /макс

В соответствии с рис. 6.34 заряд, запасенный в одном тиристо- ре, .приблизительно равен:

Q=l,65 А-мкс.

В соответствии с уравнениями (6.3) и (6.4) значения R я С определяются следующим образом:

20 2-1,65-10-s CS.:C% , = 2,7-g--=15,1 нФ;

,/27751-10- .59Г , /27,51-10--591

б^К -1.65.10- <R + R <l,3y 2-1.65.10-

47</?-f Р„<91,2 Ом

и

4KR<85,2 Ом, Примем С=гз нФ и /?=47 Ом.

Проверим эту схему по скорости нарастания прямого напряжения на тиристорах. При включении в сеть

(du\ \,lV2U

\aV2 -380 К = -2751.10-6 47 = 1010 В/мкс.

В данной схеме отношение наибольшего прямого напряжения на вентиле яепосредствикно перед его включением меньше 67% значения прямого повторяющегося напряжения. Следовательно, в соответствии с рис. 6.4

{du/di)On и=<,) = 1/0,б32(с?и/Л)кр = 400/0,632 = 632,9 В/мкс.

Скорость нарастания прямого напряжения оказывается выше этого значения, и поэтому защита тиристоров должна быть усиле-

и/и макс

О

L+La

30 мс

Рис. 6.36. Форма кривой перенапряжения в сети.

Рис. 6.37. Эквивалентная схема для расчета напряжений на тиристорах при перенапряжении в сети.

на. Увеличим индуктивность до Lo==50 мкГн. С учетом уравнения (6.4) сопротивление также должно быть увеличено, чтобы обеспечить прежнее затухание:

4Yif<+H<9i,2l/U;

73,6</? + /? = 142,8 Ом; 67,6<i?< 136,8 Ом. Примем ?=68 Ом.

Для измененных параметров схемы получаем:

.dt /макс =о)

1 1 У2 380

67,51-10-6 68 = 595,3 < 632,9 В/мкс.

Скачок напряжения на резисторе R при обрыве обратного тока отключающегося тиристора равен:

Uj(0) = R Y2Q-di/dt = 392-1,65-0,031 = 12.48 < 40 В.

Таким образом, выбранные параметры контура защиты обеспечивают безопасные условия работы тиристоров.

Задача 6.12. Проверить, обеспечивают ли элементы La, R и С из задачи 6.11 защиту от перенапряжений, если пик наибольшего перенапряжения в сети равен утроенной амплитуде номинального напряжения сети и имеет форму, показанную на рис. 6.36.