Типовая мощность трансформатора

(мостовая)

(с нулевым выводом)

По результатам расчета выбираем силовой трансформатор, для которого

Выбранный трансформатор имеет такие данные:

Sн, Uвн, Uнн, Ро, Ркз, Uк,

По параметрам трансформатора рассчитываем коэффициент трансформации

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

(мостовая)

(с нулевым выводом)

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

(мостовая)

(с нулевым выводом)

Максимальное напряжение плеча (вентиля)

Среднее значение тока плеча (вентиля)

По току плеча выбираем тип тиристора и ориентировочно их количество в одном плече. Для тиристора типа Т-160 со стандартным охладителем при естественном охлаждении тиристор может быть нагружен током примерно 30- процентным от предельного, при скорости движения охлаждающего воздуха Vc=12 м/с – почти всем предельным током. Кроме того, как будет доказано ниже, для надежной защиты необходимо не догружать тиристоры и включать параллельно не менее трех тиристоров в плече.

По Uпл выбирают рекомендуемое рабочее напряжение тиристора и его класс. Таблица 1.1 (смотреть в предыдущем разделе).

Расчетная мощность первичной и вторичной обмоток трансформатора.

(мостовая)

(с нулевым выводом)

(мостовая)

(с нулевым выводом)

Индуктивное сопротивление рассеяния обмоток трансформатора.

где La-индуктивность рассеяния, приведенная ко вторичной обмотке трансформатора.

3. Выбор допустимых нагрузок вентилей по току.

Основным критерием, определяющим допустимую мощность потерь в вентиле , является максимально допустимая температура полупроводниковой структуры .

(3.1)

где Rт- общее установившееся тепловое сопротивление, определяемое по рис. 14 согласно заданной скорости воздуха при t>1000 c (Rт=0,205, )

согласно параметрам выбранного тиристора

Максимально допустимый ток вентиля Iп при определенной допустимой мощности потерь является функцией формы тока и параметров прямой ветви вольт амперной характеристики в состоянии высокой проводимости.

(3.2)

где Кф- коэффициент формы тока, равный отношению действующего к среднему значению тока, в трехфазном выпрямителе при активно индуктивной нагрузке Кф=1,73

Rд- динамическое сопротивление тиристора Т-250, выбираем из паспортных данных. Rд=

Uo- пороговое напряжение, выбираем из паспортных данных Uo=1,44,В

Если Iпо<Iпл, то необходимо включить параллельно несколько вентилей в одно плечо согласно формуле (3.3) с учетом коэффициента. Так как токи, протекающие через вентили, будут не одинаковыми, то при определении количества вентилей необходимо этот разброс токов учесть с помощью коэффициента Кп.

(3.3)

где nср – ориентировочное количество вентилей, возьмем nср=1

Окончательное количество вентилей определяется по выражению

(3.4)

Среднее значение тока вентиля

Для удобства расчета аварийных токов необходимо соблюдать следующие соотношения:

Vc=0 Ia.ср 0,85 Iпо

Vc=6 м/сI Ia.ср 0,8 Iпо

Vc=12 м/с Ia.ср 0,75 Iпо

Если тиристор в плече, то

Общую мощность потерь в тиристоре можно представить в виде суммы основных и дополнительных потерь

(3.5)

Дополнительные потери складываются из мощности потерь обратного тока и тока утечки, мощности потерь в цепи управления, мощности потерь при включении и выключении. Обычно величина дополнительных потерь составляет не более 2-5% основных потерь и в расчете не учитывается:

Мощность основных потерь является функцией значения и формы прямого тока, параметров прямой ветви вольт-амперной характеристики и может быть рассчитана по формуле

(3.6)

Температура полупроводниковой структуры вентиля в установившемся режиме.

(3.7)

где Qc- температура окружающей среды

4. Групповое соединение вентилей

Если в полупроводниковых преобразователях напряжения и токи превышают рекомендуемые напряжения и предельные токи вентилей, применяют их параллельное и последовательное соединение.

Когда оба тиристора закрыты, через них при последовательном соединении протекают одинаковые обратные токи Iобр и прямые токи утечки Iут. Однако тиристоры имеют разные характеристики и поэтому общее приложенное напряжение делится неравномерно. На тиристоре с более пологой характеристикой возникает большее напряжение.

В динамическом режиме к тиристору с меньшим временем восстановления запирающей способности или большим временем включения кратковременно прикладывается напряжение всей цепи. В этих случаях, если не применять необходимых мер, может произойти пробой тиристора или его переключение при одновременном недоисопльзовании другого тиристора по напряжению.

При протекании токов через два параллельно включенных тиристора на их зажимах создается одинаковое падение напряжения . Время включения тиристоров при последовательном и параллельном включении должно быть как можно меньшим.

Параллельное соединение вентилей.

Количество вентилей в плече определяется по формуле (3.4).

Выравнивание токов в параллельных ветвях путем подбора тиристоров с одинаковыми вольт-амперными характеристиками и одинаковыми временами включения на практике очень сложно. Поэтому наиболее распространенным способом выравнивания токов между параллельно включенными вентилями является применение индуктивных делителей. Обычно они выполняются в виде тороидального витого магнитопровода, сквозь окно которого пропущены две токоведущие шины таким образом, чтобы МДС, создаваемые токами действовали навстречу друг другу и выравнивали токи в вентилях.

На рис4.1 а) и б) изображены схемы индуктивных делителей с магнитной связью (а и б) и без магнитной связи (в). На том же рисунке (а) – схема индуктивных делителей с замкнутой цепью, (б) – с общим витком. Количество параллельных ветвей (вентилей) рассчитывается по формуле (3.4).

При различном изменении токов в вентилях во времени в магнитопроводе возникает намагничивающая сила, которая индуктируется ЭДС, пропорциональная величине небаланса токов, и улучшает их выравнивание, а также способствует открытию тиристора с большим временем включения.

Последовательное соединение вентилей.

При включении вентилей последовательно надо выполнять следующие условия:

1) все вентили должны быть одного класса;

2) величина максимального напряжения, приложенного ко всем вентилям плеча Uпл, должна быть меньше суммы рекомендуемых напряжений Uр этих вентилей в соответствии с формулой (3.4) и учетом коэффициентов

(4.1)

где mop – ориентировочное количество вентилей

В этом случае необходимое количество вентилей

(4.2)

где Uр – рекомендуемое рабочее напряжение тиристора.

Выравнивание напряжения путем подбора вентилей с одинаковыми вольт-амперными характеристиками и временами включения и выключения на практике очень сложно. Для выравнивания напряжений в статическом режиме применяют резисторы Rш рис4.2, величина сопротивления которых определяется по формуле

(4.3)

где Uвm - максимальное обратное напряжение на вентиле.

Принимается согласно ГОСТу величина сопротивления Rш по формуле (3.6).

Мощность резистора

(4.4)

Для выравнивания напряжений в динамическом режиме применяются RвС – цепочки, рис4.3

Величина емкости конденсатора в мкФ рассчитывается в соответствии с выражением

(4.5)

где Кр – коэффициент допустимой неравномерности распределения напряжения (Кр=0,05-0,15);

- наибольшее значение заряда восстановления в обратном направлении тиристора.

Величина определяется по кривым рис4.4, а величина предшествующего прямого тока – формулой

(4.6)

где Км – коэффициент, для активной нагрузки Км=1,77, для активно-индуктивной нагрузки Км=1,73.

При активно-индуктивной нагрузке скорость спада прямого тока определяется из рис4.5. В период коммутации tк изменение тока в вентиле описывается согласно выражению

(4.7)

Угол коммутации определяется

(4.8)

При параллельном включении вентилей Iн делится на число вентилей – n.

Зная угол коммутации, можно определить время коммутации вентилей

(4.9)

где Kt – коэффициент пересчета градусов в мкс (для частоты 50 Гц Kt= ).

Средняя скорость спада прямого тока во время коммутации

При параллельном включении вентилей Iн делится на n.

По результатам расчета выражения (4.5) и согласно ГОСТу выбирают ближайшую величину емкости конденсатора. Номинальное напряжение конденсатора соответствует классу выбранного тиристора.

Для понижения прямого тока тиристора за счет разряда конденсатора последовательно с ним включают демпфирующий резистор, величиной в несколько десятков Ом.

Номинальная мощность резистора определяется согласно формуле

(4.10)

где f – частота питающей сети

Эту цепочку можно использовать и для ограничения скорости нарастания прямого напряжения. Для этого резистор Rд шунтируют диодом VD. Расчет этой цепочки будет рассмотрен ниже.

5. Ограничение скорости нарастания тока и напряжения.

После выбора типа тиристоров и определения их количества в каждом плече выпрямителя необходимо проверить величину скорости нарастания прямого тока при включении тиристора и величину скорости нарастания прямого напряжения на тиристоре до его включения.

Ограничение скорости нарастания прямого тока тиристора.

Необходимость учета этого параметра объясняется тем, что ток включения возникает вокруг управляющего электрода и, если скорость нарастания прямого тока велика, то полупроводниковая структура разрушается за счет большой плотности тока в одном участке.

Скорость нарастания прямого тока тиристора при активно-индуктивной нагрузке определяем из рис5.1.

Пробой полупроводниковой структуры тиристора наступает при большой в начальный момент времени включения, когда прямой ток тиристора возрастает от 0 до Iкр=2-3 А.

Угол, соответствующий нарастанию Iкр, определяется из выражения

(5.1)

где Iкр=3А, согласно приведенным выше условиям.

Время нарастания начального тока

(5.2)

где Кt = - коэффициент пересчета градусов в мкс, для частоты 50 Гц.

Среднее значение скорости нарастания тока Iкр

По среднему значению скорости нарастания тока находится необходимая группа тиристора согласно критической скорости нарастания прямого тока (смотреть в первом разделе). Если больше критической скорости нарастания последней группы тиристора то необходимо принять соответствующие меры. Одним из эффективных способов понижения является применение дросселей насыщения из феррита или пермаллоя с прямоугольной петлей гистерезиса. К дросселям предъявляются следующие требования:

1) минимальное время переключения должно быть равно времени включения тиристора;

2) величина тока в интервале времени задержки нарастания тока равна 2-3А;

3) активное и реактивное сопротивление должно быть минимальным, после того как тиристор включится.

Ограничение скорости нарастания прямого напряжения тиристора.

Для того, чтобы избежать неуправляемого включения тиристоров следует проверять скорость нарастания прямого напряжения.

При действии ЭДС вторичной обмотки трансформатора в интервале от 0 до 30 град. Напряжение на тиристоре изменяется по линейному закону от 0 до 0,5 U2nm.

(5.3)

Скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре

(5.4)

По среднему значению скорости нарастания прямого напряжения находится необходимая группа тиристора согласно критической скорости нарастания прямого напряжения (смотреть первый раздел). Если больше критической скорости нарастания последней группы тиристора, то параллельно тиристору подсоединяют цепочку, состоящую из конденсатора С, резистора Rд и диода VD, рис5.2

В период нарастания прямого напряжения на тиристоре VS, резистор Rд шунтируется диодом VD. В этом случае постоянная времени цепи, состоящая из сопротивлений нагрузки Rн и конденсатора С () определяет скорость нарастания напряжения.

Емкость конденсатора С можно найти из рис5.3. Допустим, что на тиристор подается прямоугольное напряжение величиной U2л.m, то через время, соответствующее постоянной цепи () на конденсаторе напряжение достигнет величины 0,83U2л.m. Если принять, что конденсатор заряжается в течении времени с постоянной скоростью, то скорость изменения напряжения цепи равна

(5.5)

При критической скорости нарастания прямого напряжения постоянная времени цепи равна

(5.6)

Емкость R-C цепочки ограничения скорости нарастания прямого напряжения выбирается из соотношения

(5.7)

При выборе диода VD по току необходимо ориентироваться на худшие условия, т.е. когда тиристор включен. В этом случае можно рассматривать цепочку как однополупериодный выпрямитель с нагрузкой

(5.8)

Среднее значение тока диода выбирается из соотношения

(5.9)

По напряжению диоды выбираются, как и тиристоры.

После выключения тиристора конденсатор С разряжается через резистор Rд, сопротивление которого определяется условиями ограничения выброса разрядного тока конденсатора, равного U/Rд до значения, при котором не превышается допустимое значение рис5.4

(5.10)

Номинальная мощность Rд определяется по формуле

(5.11)

6. Выбор параметров цепи управления тиристоров.

Для включения тиристора на его управляющий электрод подается сигнал определенной амплитуды и длительности. Выбор параметров (напряжения и тока) импульсов управления должен производиться в соответствии с предельными характеристиками управления тиристоров, рис6.1, причем все характеристики изображены для тиристоров типа Т-160. Зона гарантированного включения ограничена верхней (Rу.max) и нижней (Rу.min) входными характеристиками, сверху и справа – значениями отмирающего напряжения Uу.от и отпирающего тока Iу.от, а также линиями допустимого значения напряжения Uу.max, тока Iу.max рис6.2 и максимально допустимой мощностью потерь в цепи управления (кривые 1,2,3,4,5) рис6.2.

Допустимая в импульсе мощность повышается по сравнению с допустимой в цепи управления при постоянном токе. На рис6.2 изображены кривые допустимых мощностей потерь при длительности импульсов управления 10,5,2 мс и 100 мкс.

Характеристики изображенные на рис6.1 и рис6.2 используются для определения параметров выходных каскадов системы управления. К этим параметрам относятся амплитуда напряжения выходного импульса Uг.хх, внутреннее сопротивление генератора импульсов Rг. Линия нагрузки генератора импульсов управления Rг.макс не должна пересекать заштрихованную площадь (Uу.от, Iу.от). С другой стороны, линия нагрузки Rг.мин не должна пересекать линию допустимой мощности потерь в цепи управления для данной длительности импульса и линию допустимых значений напряжения Uу.макс и тока Iуюмакс.

Для линии нагрузки MN рис6.3 длительность управляющих импульсов должна быть не более 2 мс.

Напряжение холостого хода генератора импульсов управления . Ток короткого замыкания

Внутреннее сопротивление генератора импульсов

Длительность импульса управления выбирается такая, чтобы к моменту окончания импульса прямой ток тиристора успел достичь значения, превышающего 2-5 ток удержания тиристора. Угол, соответствующий нарастанию этого тока тиристора равен

(6.1)

где Ian=(2-5)Iуд

Минимальная длительность импульса управления

Обычно для включения тиристоров используют импульсы управления длительностью до несколько десятков микросекунд.

С уменьшением длительности импульса управления граничное значение тока, полученное из диаграммы на рис6.3, необходимо увеличить в соответствии с рис6.4.

Требуемая крутизна нарастания тока управления зависит от схемы выпрямителя и режима работы: рекомендуемая величина – (0,2-2 А/мкс.) В импульсных режимах при групповом соединении тиристоров, а также с большей скоростью нарастания прямого тока крутизну нарастания тока управления нужно выбирать максимальной.

7. Защита тиристорного выпрямителя от аварийных токов.

Относительно малая перегрузочная способность по току и напряжению является единственным недостатком полупроводниковых выпрямителей. Перегрузочная способность по току всего выпрямителя определяется перегрузочной способностью полупроводникового вентиля и зависит от потерь в тиристоре, возникающих при протекании через него прямого тока. Из условия полного использования вентиля, поскольку потери возникают в объеме с очень малой теплоемкостью, следует, что перегрузочная способность полупроводниковых вентилей мала.

Токи, превышающие предельный ток полупроводникового вентиля могут проходить через вентиль по следующим причинам: неправильное распределение общего тока между отдельными вентилями, работающими параллельно; длительное увеличение тока, например, вследствие перегрузки; короткое внутреннее замыкание (пробой или потери выпрямительных свойств у одного из вентилей); короткое внешнее замыкание.

Расчет рабочих перегрузочных характеристик.

Перегрузочной характеристикой полупроводникового прибора является зависимость максимально допустимого тока, протекающего через прибор, от времени его протекания.

Критерием для расчета является максимально допустимая температура полупроводниковой структуры вентиля данного типа, которая не должна превышаться в процессе рабочих перегрузок. Порядок расчета следующий.

Определяется допустимая амплитуда токов для перегрузок тиристоров длительностью 0,01с; 0,1с; 1с 10с; 100с; 300с; 1000с;

Для перегрузки длительностью t1=0.01с допустимая амплитуда токов для перегрузок тиристоров определяется по выражению

(7.1)

где rt1-переходное тепловое сопротивление, соответствующее длительности эквивалентного прямоугольного импульса мощности длительностью 6 мс.

- мощность потерь за счет протекания прямого тока тиристора, рассчитываемая по формуле (3.4)

Qрп – температура структуры тиристора в установившемся режиме при протекании прямого тока тиристора, которая определена в формуле (3.5)

- максимально допустимая температура структуры тиристора, согласно его параметрам ()

Переходные тепловые сопротивления находим по рис7.1 (для различных значений перегрузок).

Находим допустимую амплитуду тока для перегрузки тиристоров длительностью при t2=0.1с

(7.2)

где rt2-переходное тепловое сопротивление при t2=0.1с,;

- переходное тепловое сопротивление за время , мс;

Ом и Ом,

Кс=3,5 – коэффициент скважности импульсов мощности.

Находим допустимую амплитуду тока для перегрузки тиристоров длительностью при t3=1с

(7.3)

где rt3 – переходное тепловое сопротивление при длительности перегрузки тиристоров 1с.

Находим допустимую амплитуду тока для перегрузки тиристоров длительностью при t4=10с

(7.4)

где rt4 – переходное тепловое сопротивление при длительности перегрузки тиристоров 10с.

Находим допустимую амплитуду тока для перегрузки тиристоров длительностью при t5=100с

(7.5)

где rt5 – переходное тепловое сопротивление при длительности перегрузки тиристоров 100с.

Находим допустимую амплитуду тока для перегрузки тиристоров длительностью при t6=300с

(7.6)

где rt6 – переходное тепловое сопротивление при длительности перегрузки тиристоров 300с

Находим допустимую амплитуду тока для перегрузки тиристоров длительностью при t7=1000с

(7.7)

где rt7 – переходное тепловое сопротивление при длительности перегрузки тиристоров 1000c

Последняя точка при длительности перегрузки 1000с соответствует амплитудному значению тока Iпо

Рабочая перегрузочная характеристика изображена на рис7.2

Расчет аварийных перегрузочных характеристик

При перегрузках аварийного характера, т.е при однократном отключении тиристорного выпрямителя во время перегрузок и коротких замыканий допускается однократное превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры в течении небольшого интервала времени.

Аварийные перегрузочные характеристики представляют собой зависимость амплитуды тока перегрузки от длительности перегрузки. Аварийные перегрузочные характеристики применяются при выборе защиты от перегрузок и короткого замыкания тиристорного выпрямителя.

Для расчета аварийны перегрузочных характеристик должна использоваться прямая ветвь вольт-амперной характеристики, снятой при максимальной температуре до значения ударного тока тиристора с прямым максимальным падением напряжения рис7.3. Эти требования вызваны тем, что при больших токах может нарушиться линейность прямых ветвей, вследствие чего использование обычных уравнений этих характеристик приводит к значительным ошибкам.

Расчет характеристики начинается с 20 мс. Первая точка характеристики 10 мс есть значение ударного тока, который задается в справочниках при температурах и рис7.4. Поскольку частота импульсов нагрузки принимается равной 50 Гц, в интервале времени до 100 мс характеристика получается ступенчатой.

Определяем допустимую мощность потерь для 1 импульса тока и времени перегрузки 20 мс, рис7.5

(7.8)

где

Qрп.ав – допустимая температура полупроводниковой структуры тиристора при аварийных перегрузках;

rt1 – значение переходного теплового сопротивления, соответствующее длительности эквивалентного прямоугольного импульса;

Определяем допустимую мощность потерь для 2 импульсов тока и времени перегрузки 40 мс

(7.9)

где rт – значение переходного теплового сопротивления за период r(T+ ) – переходное тепловое сопротивление за время ,

Определяем допустимую мощность потерь для 3 импульсов тока и времени перегрузки 60 мс

(7.10)

где r2т – значение переходного теплового сопротивления за 2 периода

r(2T+ ) – переходное тепловое сопротивление за время 2 ,;

Определяем допустимую мощность потерь для 4 импульса тока и времени перегрузки 80 мс

(7.11)

где r3т – значение переходного теплового сопротивления за 3 периода

r(3T+ ) – переходное тепловое сопротивление за время 3 ,

Определяем допустимую мощность потерь для 5 импульсов тока и времени перегрузки 100 мс

(7.12)

где r4т – значение переходного теплового сопротивления за 3 периода

r(4T+ ) – переходное тепловое сопротивление за время 4 ,

Определяем допустимую мощность потерь для 10 импульсов тока и времени перегрузки 200 мс

(7.13)

где ro2 –значение переходного теплового сопротивления, соответствующие длительности эквивалентного прямоугольного импульса мощности длительностью to=6 мс, интервалу времени to2 =200 мс.

Далее по вольт-амперной характеристике, рис7.3 для каждого значения допустимой мощности потерь , определяют методом последовательного приближения величину аварийного анодного тока тиристора

по формуле

следующим образом.

Находят точку 1 на вольтамперной характеристике, рис7.3 так, чтобы

Когда , то следующую точку 2 на ВАХ берут ниже предыдущей. Если же окажется , то следующую точку 2 на ВАХ брать выше.

Затем опять сравнивают

В случае повторных расхождений расчеты повторяют с соответствующей корректировкой. При таком пересчете понижается разность

Если окажется и , то

Аварийные перегрузочные характеристики строятся так, как показано на рис 7.6.

8. Защита предохранителями

Для защиты полупроводниковых преобразователей от токов короткого замыкания широко применяются плавкие быстродействующие предохранители.

Предохранители характеризуются номинальным напряжением, номинальным током, предельно отключаемым током и тепловым эквивалентом плавления плавкой вставки и полным тепловым эквивалентом отключения предохранителя.

Предохранитель выбирается для напряжения, не меньше номинального той установки, в которой он будет эксплуатироваться ,таблица8.1 и таблица8.2.

Номинальный ток плавкой вставки выбирается по максимальному току нагрузки с учетом возможных эксплуатационных перегрузок и коэффициента запаса не менее 1.2.

Предельно отключаемый предохранителем ток должен быть не меньше максимально возможного в данной схеме ударного тока короткого замыкания.

Полный тепловой эквивалент отключения определяется по формуле.

(8.1)

где i – мгновенное значение тока;

– время отключения, исчисляемое от момента возникновения сверхтока до полного погашения дуги;

- момент возникновения дуги после расплавления плавкой вставки.

Величина интеграла плавления зависит от исходного состояния предохранителя. После прогрева предохранителя номинальным током интеграл плавления понижается на 30-35%. Интеграл дуги зависит от мгновенного значения напряжения в интервале ее горения, индуктивности в отключаемой цепи, тока в момент возникновения дуги.

В таблицах 8.1 и 8.2 приведены основные данные быстродействующих плавких предохранителей.

Условием надежной защиты полупроводниковых вентилей является условие

где - тепловой эквивалент вентиля (смотреть первый раздел справочных данных)

Однако сопоставление допустимого теплового эквивалента отключения предохранителей при условии соответствия номинального тока предохранителя не обеспечивают надежной защиты вентиля, если не приняты специальные меры по повышению надежной защиты. Такими могут быть либо недогрузка вентилей по току, что позволяет использовать предохранители на меньший номинальный ток, либо увеличение числа параллельно включенных вентилей.

При пробое вентиля VS2, рис8.1, аварийный ток протекает через поврежденную (VS2,FU2) ветвь Iпв и неповрежденную (FS4,FS5,FS6,FU4,FU5,FU6) ветвь Iнв. Отключение поврежденной ветви FU2 должно произойти раньше, чем успеют расплавится плавкие вставки предохранителей FU4,FU5,FU6. Условие селективной защиты оценивается согласно следующим неравенствам.

Минимальное число параллельно включенных вентилей, при котором будет обеспечена надежная защита при повреждении одного вентиля.

Так как в результате расчета мы получили приблизительно 1 предохранитель в плече, то это подтверждает, что мы правильно выбрали предохранитель.

Плавкие быстродействующие предохранители являются самыми простыми защитными аппаратами. Полное время отключения тока короткого замыкания составляет единицы миллисекунд.

Автоматические выключатели в данной работе не использованы по следующим причинам: уступают по быстродействию предохранителям; полное время отключения тока короткого замыкания составляет 20-40 мс; создают опасные перенапряжения при резком прерывании аварийного тока.

Защита данной схемы от перенапряжения не требуется по причинам перечисленным выше (так как скорость нарастания тока лежит в допустимых пределах).

6. Расчет токов короткого замыкания

Полное сопротивление короткого замыкания трансформатора

(6.1)