К вопросу проектирования силового блока тиристорных преобразователей и коммутаторов.

Е. М. Зоркий, генеральный директор, канд. техн. наук, ezorkin@yandex.ru,

С. А. Швеи, зам. директора, канд. техн. наук,

Фирма "ВЕМ"

 

         Основной частью тиристорных преобразователей и коммутаторов является силовой блок; в большинстве случаев силовые тиристоры в каждой фазе включены по встречно-параллельной схеме. Для обеспечения реверсивного управления приводным двигателем предусматривают включение двух дополнительных пар тиристоров, меняющих последовательность чередования фаз при питании обмоток приводного электродвигателя (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Нереверсивное исполнение силового блока.

 

         По выполняемым функциям силовой блок должен обеспечивать коммутацию питающего напряжения, выдерживать токи короткого замыкания, иметь все виды защит, предусмотренных правилами устройств (ПТЭиБ), иметь защиту от токов короткого замыкания, перенапряжений при питании нагрузки, обеспечивать механический разрыв силовой цепи и другие виды защит, предусмотренных техническим заданием, соответствовать условиям эксплуатации. Техническому заданию должны соответствовать величины: номинальный ток Iн, номинальное напряжение Uн, допустимые ударные токи Iуд, критическая скорость нарастания приложенного к нагрузке напряжения dU/dt, критическая скорость изменения тока нагрузки di/dt [1].

Рис. 2. Реверсивное исполнение силового блока.

 

         Кроме того, конструкция силового блока должна отличаться технологичностью, экономичностью и эргономичностью, соответствовать механическим требованиям, выдерживать ударные нагрузки, иметь достаточную механическую прочность и др.

Силовой блок в общем виде должен содержать: силовой узел, узел защиты от внешних перенапряжений, узел защиты от токов короткого за¬мыкания, узел защиты от превышения dU/dt, узел защиты от несимметрии выходного напряжения [ 1]. Блок-схема представлена на рис. 3.

         В основе проектирования силового блока лежит выбор силовых полупроводниковых приборов, который производится как по электрическим и механическим, так и по конструктивным параметрам. Что касается конструкции силового блока, то она определяется конструкцией силовых полупроводниковых приборов, в частности - тиристоров, которые выпускаются трёх видов: штыревые, таблеточные и модульные. Существует огромное многообразие конструктивных исполнений устройств управления, но все они должны соответствовать техническому заданию, определяющему их электрические и механические параметры. Конструкция устройств в защищенном исполнении предопределяет использование естественного охлаждения силовых полупроводниковых элементов - тиристоров с охладителями, вынесенными за пределы внутреннего объёма или образованными стенками корпуса преобразователя или коммутатора. Вынесение охладителей силовых полупроводниковых приборов требует их электрической изоляции.

Рис. 3. Блок-схема силового блока.

1- узел защиты от внешних перенапряжений; 2 – узел защиты от токов короткого замыкания;

3 – силовой узел; 4 – узел защиты от скорости нарастания du/dt.

 

         В случае применения штыревых тиристоров из-за громоздкости их электрической изоляции между охладителем и корпусом усложняется конструкция силового узла, увеличиваются объём, вес и стоимость всего силового блока.

         Таблеточные и модульные тиристоры имеют в этом отношении решающее преимущество: таблеточные тиристоры могут устанавливаться на охладитель через электроизолирующие прокладки или плёнки, а модульные имеют внутреннюю электрическую изоляцию от поверхности, контактирующей с радиатором.

         С учётом особенностей конструктивного исполнения силовых полупроводниковых приборов предпочтение следует отдать модульным полупроводниковым приборам (тиристорам), и лишь при невозможности их применения по электрическим или другим показателям следует рассматривать другой тип полупроводниковых приборов (тиристоров).

 

Рис. 4. Защита силового блока автоматическим выключателем.

 

         Необходимо иметь в виду, что из электрических параметров полупроводниковых приборов (например, тиристоров), кроме допустимого среднего тока, одним из основных параметров является допустимый ударный ток: он определяет степень сложности узла защиты от короткого замыкания. По рекомендациям института "Тяжпромэлектропроект" (ТПЭП) тиристорные преобразователи и коммутаторы должны выдерживать токи, равные 100Iн, но не более 10,0 кА. Однако на практике это условие не всегда выполняется [2], т. е. Iуд / Iн < 100.

Поэтому при выборе тиристоров по току короткого замыкания можно идти двумя путями:

1) ограничивать ток короткого замыкания до величины допустимого ударного тока тиристора (блок-схема представлена на рис. 4);

2) применять тиристоры с допустимым ударным током, но заведомо завышенным средним током по отношению к номинальному току преобразователя или коммутатора (блок-схема на рис. 5).

Рис. 5. Блок-схема силового блока с комбинированной механической и электрической защитой.

 

         Применение токоограничительных реакторов или активных сопротивлений увеличивает массу, габариты и стоимость силового блока преобразователя или коммутаторов. Поэтому целесообразно производить выбор тиристоров по допустимому ударному току без дополнительного ограничения токов короткого замыкания. Поскольку при этом завышаются параметры по номинальному току, размеры охладителей должны быть меньше размеров типовых охладителей, которые определяют из условия: Рт < Рох, где Рт - мощность потерь в преобразователе; Рох - мощность рассеиваемая охладителем. Мощность Pт определяют по формуле Pт=Uт(то) ITRMSrт I2TRMS, где Uт(то) - пороговое напряжение (апроксимация вольт-амперной характеристики прибора в открытом состоянии U = Uт(то) + irт; ITRMS - действующее значение тока в открытом состоянии за весь период, определяется из условия ITRMS Iнк, где к =Iуср/Iнк коэффициент схемы силового модуля; Iуср - средний ток через тиристор, для схемы силового модуля типа тиристор-тиристор (Т-Т)к = 0,45. В этом случае размер радиаторов определяется из соотношения S = 40 Рт, где S - площадь одной стороны пластины, см2.

         После выбора охладителя необходимо определить допустимую температуру корпуса тиристоров Тс, поскольку она будет отличаться от номинальной: Тс = Tj - PRihjc, где Tj - температура перехода; Rihjc - тепловое сопротивление "переход - корпус".

         По напряжению силовые тиристоры выбираются исходя из условия [U] ≤ Uр, где Uр - допустимое амплитудное значение напряжения синусоидальной формы, прикладываемое к силовому прибору в обратном направлении; [U] - напряжение, прикладываемое к тиристору в схеме в обратном (прямом) направлении. [U] определяют по формуле [U] = U20и] Кнс Кмn-1, где U20 - фазное напряжение на двигателе; Kи - коэффициент допустимого разбаланса напряжений, при одном последовательном включении вентиля Ки = 1; Кнс - коэффициент увеличения напряжения в сети; Км - коэффициент амплитуды напряжения (для синусоиды Км =); - число последовательно включённых полупроводниковых вентилей.

Рис. 6. Узел защиты от защиты от скорости нарастания напряжения.

 

         Для реверсивного исполнения преобразователя или коммутатора напряжение [U] следует увеличить примерно в два раза, так как максимальное значение ЭДС ротора Ep, прикладываемое в бестоковую паузу к силовому тиристору, может быть равно напряжению сети ≈Uc. Для защиты от самопроизвольного включения тиристоров от эффекта превышения (скорости изменения) du/dt используется следующая схема (рис. 6), когда параллельно тиристорам включены цепочка активного сопротивления и конденсатор, последовательно соединённые между собой. Значение du/dt определяется из выражения du/dt = 0,67Ecp/τ, где τ - постоянная времени тиристора; средняя энергия потерь в тиристоре

Еср = Еос + Евкл + Евыкл

где Еср - энергия в тиристоре в активном состоянии; Евкл и Евыкл - энергия потерь при включении и отключении тиристоров; Еос - энергия в тиристоре в активном состоянии.

         В принципе, учитывая малое время включения и выключения тиристоров по сравнению с временем работы в открытом состоянии, энергиями Евкл и Евыкл можно пренебречь - τ = Rc.

         Для практической эксплуатации рекомендовано выбирать значение активного сопротивления в пределах R = 0,4 ÷ 1 Ом, а ёмкость в пределах 0,2 ÷ 0,6 мкрФ.

Рис. 7. Узел защиты от внешних перенапряжений.

 

         Защита от внешних перенапряжений осуществляется с помощью варисторов, которые замыкают на себя внешнее поле перенапряжения (рис. 7). Широкое применение получила схема со следующими параметрами: варисторов RU типа 2Н2-2В820, конденсаторы напряжением 500 В и ёмкостью 1,0 мкФ ± 10 %.

 

Выводы:

1.      Проектирование силового блока тиристорных коммутаторов для электроприводов водонапорных насосов следует начинать с выбора тиристоров по ударному току.

2.      Наиболее целесообразна конструкция из модульных или таблеточных тиристоров, расположенных на групповом охладителе, являющемся несущей конструкцией.

3.      Поскольку тиристоры, как правило, не загружены по номинальному току, то необходим пересчёт их допустимой температуры нагрева.

4.      В качестве защитных узлов по перенапряжению и du/dt целесообразно применять уже разработанные и апробированные схемные решения.

 

Список литературы:

1.      Григорьев О. П. и др. Тиристоры. Справочник. Москва. Радио и связь, 1990.

2.      Черепанов В. П. Тиристоры и их зарубежные аналоги: каталог (справочник) РадиоСофт. Т. 1, 2. М., 2002.