ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Для выравнивания напряжения на последовательно соединенных закрытых полупроводниковых приборах параллельно каждому из них включается шунтирующий резистор R_ш. Расчет сопротивления R_ш производится из условия, чтобы при наихудшем сочетании вольтамперных характеристик приборов и максимально возможном рабочем напряжении цепи U_{v н} напряжение на любом из них не превышало максимально допустимого значения U_п. Наихудшим является случай когда последовательно соединенных приборов имеет наименьший обратный ток, а остальные - наибольший. Расчетная эквивалентная схема цепи приведена в [2].

Рис-6

В этой схеме тиристоры представлены их обратными сопротивлениями R₀, величины которых можно получить из линеаризированной обратной ветви вольтамперной характеристики. Условно принято, что наименьший обратный ток имеет последний тиристор Vs_m, причем его обратное сопротивление во много раз больше обратного сопротивления остальных. Это допущение дает возможность пренебречь током Vs_m и не показывать его сопротивление на эквивалентной схеме. Из этой схемы напряжение на тиристоре Vs_m

U_{VS m} = (I₀ + I_Ш)R_Ш. (4.1)

Напряжение на каждой из остальных (m-1) тиристоров

U_VS = . (4.2)

Ток I_ш через шунтирующий резистор

I_Ш = . (4.3)

По условию расчета

U_{VS m}£ U_п. (4.4)

Решение системы (4.1) - (4.4) дает

R_Ш . (4.5)

Для расчета сопротивления шунтирующих резисторов последовательно соединенных нелавинных диодов значение I₀ принимается равным максимальному импульсному обратному току. При последовательном соединении тиристоров нужно обеспечить допустимое распределение напряжений и при приложении прямого напряжения к закрытым тиристорам. в тех случаях, когда максимальный импульсный ток тиристора в закрытом состоянии I_эс превышает максимальный импульсный обратный ток I₀, для расчета R_ш должно использоваться значение I_зс.

Шунтирующие резисторы не гарантируют допустимого распределения напряжений на последовательно соединенных приборах при переходных режимах, возникающих в процессе их выключения. При выключении прибора смещение p-n- перехода в обратном направлении происходит за определенное время, в течение которого через прибор протекает обратный ток, постепенно снижающийся до значения, определяемого статической вольтамперной характеристикой. Полный заряд, вытекающий из прибора при переключении его с прямого тока на обратное смещение, называется зарядом восстановления Q_в. Из-за различных значений Q_в у последовательно соединенных приборов нарастание обратных напряжений на них будет происходить, с разными скоростями, что может привести к недопустимым перенапряжениям на приборах с наименьшими Q_в. Для выравнивания скоростей параллельно приборам включаются шунтирующие конденсаторы С_ш. Выражение для расчета емкости С_ш можно получить аналогично выводу формулы (4.5)

С_Ш , (4.6)

где _в - максимально возможная разность значений Q_в

последовательно включенных приборов.

Последовательно с шунтирующим конденсатором включается демпфирующий резистор R_д, ограничивающий максимальный ток перезаряда С_ш. Сопротивление резистора R_д обычно равно 30-50 Ом.

Конденсатор С_ш можно использовать и для ограничения скорости нарастания прямого напряжения на тиристорах до допустимого значения (du_зс/dt)_кр. Наличие резистора R_д повышает du_зс/dt. Поэтому он шунтируется диодом Vd_ш.

Значения I₀, I_зс, Q_в тиристоров приведены в приложении. Все диоды, используемые в курсовом проекте, лавинного типа, на что указывает буква Л в их условных обозначениях. Лавинные диоды допускают кратковременные перегрузки по обратному напряжению и при их последовательном соединении шунтирующие цепи не требуются. Технические условия на лавинные диоды ограничивают частоту их переключений величиной 500 Гц. При рабочей частоте преобразователя, превышающей это значение, нужно использовать быстровосстанавливающиеся (частотные) диоды типа ДЧ с нелавинным характером пробоя и, соответственно, с шунтирующими цепями. В курсовом проекте изменение типа диодов не производится.

Из приведенных на рис. 4 диаграмм i_vs1, i_vs2 , видно, что ток тиристоров изменяется при их включении скачком от нуля до I_н. Такой режим недопустим, он наверняка приведет к отказу тиристора. При подаче управляющего сигнала проводящая зона образуется сначала вблизи управляющего электрода и затем с определенной скоростью распространяется на весь p-n - переход. При высокой скорости нарастания анодного тока на небольшом участке структуры успевает выделиться большая энергия и этот участок недопустимо перегревается. Максимальная скорость нарастания тока, которая не должна превышать в процессе эксплуатации, называется критической скоростью. Нормируемые значения (di/dt)_кр приведены в приложении. Требуемый темп нарастания тока достигается с помощью дросселя L_с, который включается последовательно с тиристором. После включения тиристора напряжение на нем становится равным нулю, а появившаяся в обмотке дросселя э. д. с. самоиндукции становится равной напряжению U, которое было на тиристоре в момент включения (активным сопротивлением обмотки пренебрегаем)

L_c .

Минимальная индуктивность дросселя определяется из условия

(4.7)

Здесь предполагается, что один дроссель включается последовательно с группой, содержащей а_v параллельных цепей тирнисторов.

При использовании тиристоров с высокой критической скоростью нарастания прямого тока, и соответственно , при малых значениях L_c дроссель можно выполнять без магнитопровода. Если же магнитопроовод оказывается необходимым по конструктивным соображениям, то он выполняется из материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Такой дроссель называется дросселем насыщения. Он перемагничивается при практически постоянной напряженности поля, близкой к коэрцетивной силе Н_с. Ток дросселя I при перемагничивании определяется по закону полного тока

I = , (4.8)

где число витков дросселя;

l_ср - средняя длина магнитной линии.

Параметры дросселя выбираются таким образом, чтобы отношение I/a_v было равно 1-2 А, что обеспечивает нормальное развитие процесса включения силового тиристора.

Приложенное к дросселю после включения тиристора напряжение уравновешивается э. д. с., возникающей в его обмотке при изменении магнитного потока

, (4.9)

где Ф = ВS - магнитный поток;

В - индукция;

S - сечение провода.

В соответствии с (4.9) магнитный поток меняется с постоянной скоростью

В процессе перемагничивания магнитный поток изменяется на величину

DФ = DВS = (B_S - B_r)S, (4.10)

где B_S - индукция насыщения;

B_r - остаточная индукция.

Время перемагничивания

t_зад = . (4.11)

После достижения индукции насыщения магнитный поток практически перестает изменяться, напряжение на дросселе становится равным нулю и ток тиристора возрастает до значения тока нагрузки. Таким образом, момент нарастания тока тиристора задерживается относительно момента его включения на время перемагничивания сердечника. Поэтому оно называется временем задержки. Величина t_зад должна составлять 2-3 мкс, в течении которых проводящая зона успевает распространиться на весь p-n- переход тиристора.

Параметры дросселя зависят от величины В. Значительное увеличение В можно получить за счет дополнительной подмагничивающей обмотки дросселя, с помощью которой осуществляется предварительное намагничивание сердечника до назначения - В_s до В_s и В=2В_s.

Наиболее распространенным материалом с прямоугольной петлей гистерезиса является железоникелевый сплав типа 50НП, который выпускается в виде ленты толщиной 0,005 - 0,1 мм. Для этого материала В=0,5 - 1,5 Тл, Н_с=20 - 40 А/м. По известным ,Н_с и U _max приемлемые значения тока перемагни-чивания и времени задержки можно получить, варьируя параметры l_ср,S, . При использовании стандартных ленточных магнитопроводов тороидального типа решение задачи выбора числа витков дросселя становится однозначным. У этих магнитопроводов отношение l_ср/S лежит в пределах 120 - 160 м^-1. Обозначив l_ср/S=k, из (4.8) и (4.11) получаем

(4.12)

В курсовом проекте нужно рассчитать число витков дросселя насыщения при средних значениях параметров, разбросы которых указаны выше. Полученное значение округляется до ближайшего большего целого числа и после этого рассчитывается сечение магнитопровода и средняя длина магнитной линии.