12 Последовательно-параллельное соединение полупроводниковых приборов (п. п. ) – вентилей Силовые ПП применяются в схемах выпрямительных и инверторных преобразователях. На тяговых подстанциях городского, магистрального железнодорожного электрического транспорта применяются 6 -и и 12 -ти пульсовые преобразователи. Каждое плечо преобразователя за период 2π проводит ток iv в течение λv=2π/3 (120°эл), а остальное время 4π/3 (240°эл) между анодом и катодом его прикладывается обратное напряжение uv от вентильных обмоток трансформатора (рис. 12. 1 (а), (б)). При работе преобразователя возможны перегрузки и короткие замыкания, повторяющиеся и неповторяющиеся перенапряжения приводящие к существенному возрастанию прямых токов и обратных напряжений плеча преобразователя. Если значение тока и обратного напряжения плеча преобразователя больше предельно допустимого одним ПП, то применяют их параллельные или последовательные соединения.
Рисунок 12. 1 (а) –Шестипульсовая мостовая схема
Ivmax=kсх∙Id 2π iv uv Uv. П Uv. НП Рис. 12. 1 (б) – Временная диаграмма тока iv и обратного напряжения диодного (тиристорного) плеча многофазного выпрямителя
12. 1 Параллельное соединение п. п. (диодов, тиристоров) 12. 1. 1 Выбор расчетного режима 1. Режима номинальной нагрузки; 2. Режима перегрузки; 3. Режима короткого замыкания (КЗ) 12. 1. 2 Расчет токов диодного (тиристорного) плеча 1. Расчет среднего тока диодного –VD (тиристорного –VS) плеча при Id. H (IИН) (12. 1') Для 6 ПМ и 12 П посл. Ксх=1, тогда 2. Расчет тока VD (VS) плеча при перегрузке (12. 1)
3. Расчет ударного тока VD (VS) плеча в режиме короткого замыкания. (12. 2) где I 2 НУ – номинальное значение тока вентильной обмотки трансформатора, соединенной в «У» ; u. КЗ – напряжение КЗ цепи коммутации, %
12. 1. 3 Расчет токов одного полупроводникового прибора 1. Расчет максимально допустимого среднего прямого тока п. п. (12. 3) где U(TO) – пороговое напряжение п. п. ; k. Ф – коэффициент формы кривой тока диодного (тиристорного) плеча, равный отношению действующего значения тока к среднему; для 6 - и 12 - пульсовых преобразователей равен ; r. T – дифференциальное сопротивление п. п. ; Tjm – максимально допустимая температура п. п. ; Ta – температура охлаждающей среды, зависящая от климатических условий и мест установки преобразователя;
Rthja – полное тепловое сопротивление "переход – охлаждающая среда", зависящее от типа П. П. , охладителя и способа охлаждения. Величину Rthja можно найти по выражению (12. 4) где Rthjc – тепловое сопротивление "переход – корпус"; Rthch – тепловое сопротивление "корпус – поверхность охладителя"; Rthha – тепловое сопротивление " поверхность охладителя – охлаждающая среда". 2. Расчет допустимого среднего тока перегрузки п. п. (12. 5) где Tj – температура p-n перехода при нагреве его током предварительной нагрузки; PF(AV) – мощность потерь в п. п. , обусловленных током предварительной нагрузки; Z(th)tja – переходное тепловое сопротивление "переход – охлаждающая среда"; Z(th)tjc – переходное тепловое сопротивление "переход – корпус".
Температуру Tj, мощность PF(AV) и сопротивление Z(th)tja можно найти из следующих соотношений: (12. 6) (12. 7) (12. 8) где IFAV – ток предварительной нагрузки п. п. Z(th)tch – переходное сопротивление "корпус – поверхность охладителя"; Z(th)tha - переходное сопротивление " поверхность охладителя – окружающая среда" Наиболее тяжелым будет режим с предварительной нагрузкой, равной номинальному току Id. H, т. е. (12. 9) где а 1 – число параллельно соединенных п. п. в плече, определенное по формуле (12. 11) Переходные тепловые сопротивления "переход – корпус", " корпус поверхность охладителя (12. 10)
3. Определение ударного неповторяющегося прямого тока п. п. Ударный неповторяющийся ток IFSM зависит от типа п. п. температуры p-n перехода и длительности импульса тока ti. Ток IFSM задается в справочниках. 12. 1. 4 Расчет числа параллельно соединенных п. п. Число параллельно соединенных п. п. определяется по трем выше рассмотренным режимам. 1. Номинальному току нагрузки (12. 11) 2. Режиму перегрузки (12. 12) 3. Режиму КЗ (12. 13) где Кi – коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение тока между параллельными п. п. В курсовой работе его можно принять равным 0, 9; а'1, а'2, а'3 – числа, округляющие результаты расчета до большего целого. Окончательное число параллельно соединенных п. п. в каждом плече выбирается как наибольшее из трех рассчитанных значений.
12. 2 Последовательное соединение п. п. 12. 2. 1 Выбор расчетных режимов 1. Рабочего режима работы преобразователя; 2. Режима повторяющихся перенапряжений; 3. Режима неповторяющихся перенапряжений. Θ Рисунок 12. 2 - Временная диаграмма напряжения ВО
12. 2. 2 Расчет амплитуд обратных напряжений, прикладываемых к диодному (тиристорному) плечу от вентильных обмоток 1. Расчет амплитуды рабочего обратного напряжения (12. 14') 2. Расчет амплитуды обратных напряжений при повторяющихся перенапряжениях (12. 14) где КП – коэффициент повторяющихся перенапряжений 3. Расчет амплитуды обратного напряжения при неповторяющихся перенапряжений (12. 15) где КНП – коэффициент неповторяющихся перенапряжений 12. 2. 3 Выбор класса п. п. Промышленностью выпускаются п. п. различных классов К. Для того, чтобы в плече преобразователя не применять последовательное соединение п. п. класс п. п. должен быть выбран из следующего условия: (12. 16) При реальном проектировании класс п. п. выбирается наибольший из выпускаемых промышленностью из условия К ≥Крас
12. 2. 4 Определение импульсных обратных напряжений выдерживаемых одним п. п. выбранного класса Для п. п. каждого класса установлены численные значения следующих предельных параметров: URWM – предельное рабочее импульсное обратное напряжение; URRM – предельное повторяющееся импульсное обратное напряжение; URSM – предельное неповторяющееся импульсное обратное напряжение Таблица 12. 1 – Предельно допустимые импульсные обратные напряжения П. П. класса К.
12. 2. 5 Расчет числа последовательно соединенных п. п. Число последовательно соединенных п. п. в плече преобразователя рассчитывается по трем вышеперечисленным режимам: 1. Рабочему режиму (12. 17) 2. Режиму повторяющихся перенапряжений (12. 18) 3. Режиму неповторяющихся перенапряжений (12. 19)
где KU – коэффициент, учитывающий неравномерное распределение обратного напряжения между последовательно соединенными п. п. обычно принимается равным 0, 9; ∆U 1 – возможное увеличение напряжения питающей сети, %; S'1, S'2, S'3 – число округляющее расчет до целого; Окончательное число последовательно включенных вентилей S в плече выбирается из трех рассчитанных значений. 12. 2. 6 Расчет общего числа п. п. преобразователя Общее число п. п. N, которое необходимо для комплектования преобразователя, зависит от числа последовательно и параллельно включенных п. п. в плече и числа диодных (тиристорных) плеч. Оно может быть найдено по следующей формуле: (12. 20) где n – число плеч ВП (для 6 -пульсовых схем n = 6, для 12 -пульсовых схем n = 12).
12. 3 Причины неравномерного распределения обратного напряжения между п. п. 12. 3. 1 Причины неравномерного распределения обратного напряжения между последовательно соединенными п. п. Рисунок 12. 3 – Схемы последовательного соединения диодов (а), тиристоров (б), и графики распределения обратного напряжения (в). Из рис. 12. 3, в видно, что UV 1>URRM и возможен его пробой. После чего напряжение UVП прикладывается к V 2 и вызывает его пробой.
12. 3. 2 Схемы и методы выравнивания распределения обратного напряжения а) б) в) Рисунок 12. 4 - Схемы выравнивания распределения напряжения в статических и динамических режимах при последовательном включении диодов (а) и тиристоров (б, в)
12. 3. 3. Причины неравномерного распределения прямого тока между параллельно соединенными п. п. Рисунок 12. 5 – Схема параллельного соединения диодов (а), тиристоров (б), и графики неравномерности распределения прямого тока (в). Из рис. 12. 5, в видно, что IV 1>IFAVm и возможен его перегрев и тепловой пробой. После чего ток IV потечет через V 2 и вызовет его перегрев и выход из строя
12. 3. 4 Схемы и методы выравнивания распределения прямого тока Рисунок 12. 6 - Схемы выравнивания распределения тока с использованием активных (а) и индуктивных (б) делителей тока.
12. 3. 5 Принцип работы ИД ИД (рис. 12. 6) состоит из магнитопровода и двух обмоток ω1 и ω2 (обычно из 1 -2 витков шин соединяющих V 1 и V 2). Под действием тока Под действием наводится поток Ф 1. наводится поток Ф 2. Результирующий поток Если , то и ИД не влияет на распределение тока Если , то в обмотках ω1, ω2 наводится ЭДС еs направления встречно вызвавшему её току. Поэтому , т. е. уменьшается , т. е. увеличивается.
12. 4 Разработка силовой схемы диодного (тиристорного) плеча. Групповое соединение полупроводниковых приборов. 12. 4. 1 Расчет и выбор устройств выравнивания распределения напряжения Из-за расхождения обратных ветвей вольтамперных характеристик (ВАХ) диодов и тиристоров, а также прямых ветвей ВАХ закрытых тиристоров происходит неравномерное распределение напряжения между последовательно включенными п. п. (рисунок 12. 5). Для выравнивания распределения напряжения в статическом UVMAX и динамическом UVП, UVНП режимах между последовательно включенными п. п. параллельно им включают активные делители напряжения RШ и резисторноемкостные делители цепи RB - CB (рисунки 12. 6). 1. Расчет и выбор резисторов (12. 21) Сопротивление и мощность шунтирующего резистора находится из следующих выражений: (12. 22) где IRRM – повторяющийся импульсный обратный ток п. п. Промышленностью выпускается стандартная шкала номинальных сопротивлений и максимальной мощности резистора. Резисторы выбираются из условия (12. 23)
Сопротивление резисторов RB ориентировочно можно выбрать по формуле (12. 23) Резисторы RB выбираются мощностью 10 -15 Вт. 2. Расчет и выбор конденсаторов Емкость конденсаторов CB определяется по формуле (12. 24) где Qrr – заряд восстановления п. п. Рабочее напряжение, которое должен выдерживать конденсатор СВ определяется из условия (12. 25) • Конденсатор СВ – выбирается из условия, что его номинальная емкость и напряжение больше или равны расчетным (12. 26)
Выравнивание распределения напряжения может быть осуществлено также с помощью лавинных диодов или стабилитронов, включенных параллельно п. п. (рисунок 12. 4, в) Параметры лавинных диодов и стабилитронов выбираются из следующих условий: (12. 27) (12. 28) где UЛ, PRSM – напряжение лавинообразования и ударная мощность обратных потерь выравнивающего лавинного диода; UCT, ICTmax – напряжение стабилизации и максимальный обратный ток стабилитрона.
а) + б) + А К Рисунок 12. 7 - Схемы последовательно-параллельного соединения лавинных (а) и обычных диодов (б)
12. 4. 2 Выбор устройства выравнивания распределения тока тиристорного плеча Одним из наиболее распространенных способов выравнивания тока между параллельно включенными п. п. является применение одновитковых индуктивных делителей тока (ИД) (рисунок 12. 6) Схема включения ИД зависит от числа параллельно работающих п. п. Если их менее шести, то целесообразно применять "замкнутую кольцевую схему включения п. п. " (рисунок 12. 8, а), а при числе параллельных п. п. шести и более – схему включения с "задающим п. п. " (рисунок 12. 8, б) Если выпрямитель собран из диодов, то ИД не применяются. Это объясняется незначительным отклонением суммарных падений напряжений в последовательно работающих п. п.
а) б) Рисунок 12. 8 - Схемы включения ИД тока «замкнутая цепь» (а) и задающим п. п. при последовательно-параллельном соединении.
12. 5 Определение типа разработанного преобразователя Разработка вентильной части преобразователя завершается определением полного условного обозначения по ГОСТ 26284 -84. Для примера рассмотрим обозначение выпрямительного преобразователя В-ТПЕД-3, 15 к-3, 3 к (И-ПТП-2, 4 к-4, 0 к), применяемого в настоящее время на тяговых подстанциях постоянного тока: В – наименование преобразователя (В – выпрямитель, И - инвертор); Т – род тока входной питающей сети (Т – трехфазный, П -постоянный); П – род тока на выходе преобразователя (П – постоянный, Т - трехфазный); Е – способ охлаждения (Е – естественное, П – принудительное воздушное); Д(-) – вид используемых полупроводниковых приборов (ПП) (Д – диод, нет буквы или Т – тиристор); 3, 15 к – номинальный входной (для выпрямителя; 2, 4 к - для инвертора) ток, к. А; 3, 3 к – номинальное выходное (для выпрямителя; 4, 0 к - входное для инвертора) напряжение, к. В.
Скачать презентацию 12 Последовательно-параллельное соединение полупроводниковых приборов п п
12 Последовательно-паралельное соединение полупроводниковых приборов.ppt