Системы охлаждения силовых вентилей
В диодах и тиристорах имеют место потери мощности, которые приводят к нагреву приборов, поэтому для приборов средней мощности и мощных предусматриваются специальные теплоотводящие устройства (охладители). В преобразователях наибольшее распространение имеют охладители игольчатого, штырькового и ребристого типа. Отвод теплоты от приборов осуществляется тремя видами теплообмена: конвекцией, излучением и теплопроводностью, причем все эти три способа действуют одновременно.
Конвекция происходит при движении охлаждающей среды (газа или жидкости) относительно поверхности тела, причем движение охлаждающей среды может быть естественное за счет разности температур охлаждаемой поверхности и среды и вынужденное.
Тепловой поток с
поверхности площадью
,
равен
,
где
,
- соответственно
температура прибора
в данной точке и среды,
;
- коэффициент теплоотдачи,
Коэффициент теплоотдачи зависит от
способа теплообмена, геометрии прибора
и охладителя, от условий обтекания
поверхности охлаждающей средой. Системы
с естественным охлаждением существенно
проще и надежней, чем системы с
принудительным способом, но при
естественном охлаждении коэффициент
теплоотдачи
,
а при принудительном
,
поэтому в системах с естественным
охлаждением охладители выполняются с
более развитыми поверхностями охлаждения.
Для улучшения условий лучеиспускания
поверхность радиатора окрашивается
(обычно в черный цвет).
Принудительное охлаждение бывает воздушное и жидкостное. Жидкостные системы охлаждения более эффективны, так как жидкости обладают большей теплоемкостью. В качестве жидкостных теплоносителей используют воду, трансформаторное масло, глицерин, этиловый спирт.
Задачей теплового
расчета является определение
- структуры вентильного прибора, так
как основная часть тепловой энергии
выделяется именно в зоне
- структуры.
Отвод теплоты из
зоны тепловыделения к корпусу прибора
осуществляется теплопередачей через
тепловое сопротивление многослойной
стенки, состоящей из кристалла, припоя
и кристаллодержателя. Основная часть
теплового потока, поступившего в корпус,
направляется в охладитель, преодолевая
при этом тепловое сопротивление контакта
между корпусом и охладителем. Небольшая
часть теплового потока рассеивается в
окружающую среду непосредственно с
поверхности корпуса и отводится от зоны
- структуры через гибкий силовой вывод
в окружающую среду. На рис. 3.1,а
приведена тепловая схема замещения
полупроводникового прибора с охладителем.
Внутреннее тепловое
сопротивление
,
отражает тепловое сопротивление
многослойной стенки и связано с мощностью
тепловых потерь
уравнением
,
где
- температура в зоне тепловыделения;
- температура корпуса.
а) б)
Рис. 3.1. Тепловые схемы замещения полупроводникового прибора с охладителем.
Значение
для каждого вида приборов определяется
экспериментально и дается в справочниках.
Тепловое сопротивление
между корпусом прибора и поверхностью
радиатора
зависит от характера
теплоотдачи, качества обработки
поверхностей, физико-механических
свойств материалов и усилий в контакте.
Значение
также определяется экспериментально.
Передача теплоты
от поверхности контакта через радиатор
к охлаждающей среде характеризуется
тепловым сопротивлением
,
тепловым сопротивлением гибкого силового
вывода
и тепловым сопротивлением при передаче
теплоты непосредственно с поверхности
корпуса
.
Теплоотвод непосредственно от корпуса
и через гибкий вывод составляет
расчетного количества теплоты, выделяемой
в
- структуре, поэтому обычно эти составляющие
не учитываются, а эквивалентная схема
соответственно упрощается (рис. 3.1, б).
Принцип работы неуправляемого мостового
диодного выпрямителя на активную нагрузку
Выпрямление переменного тока – преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный ток. Этот вид преобразования получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические электролизные ванны, заряжаемые аккумуляторные батареи, радиотехническая аппаратура и т.д.), другие же потребители имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном токе (регулируемые электродвигатели).
Выпрямителями называются устройства, преобразующие переменный ток в постоянный. Основным элементом выпрямителя является вентиль – нелинейный элемент, обладающий односторонней проводимостью. С помощью вентиля переменный ток преобразуется в пульсирующий, содержащий постоянный ток и гармонические составляющие.
Рис. 4.1. Блок-схема выпрямителя.
1 – стабилизатор переменного тока; 2 – трансформатор; 3 – группа вентилей;
4 – сглаживающий фильтр; 5 – стабилизатор постоянного тока.
Для выделения постоянной составляющей тока применяются сглаживающие фильтры. При непосредственном подключении вентиля к сети переменного тока не всегда обеспечивается заданная величина выпрямленного напряжения. Поэтому вентили подключаются к сети переменного тока через силовой трансформатор, служащий для согласования выходного напряжения выпрямителя с напряжением сети, а в некоторых случаях – для получения нейтральной точки у фазных обмоток и потому является неотъемлемой частью выпрямителя.
Для получения стабильного по величине выпрямленного напряжения в выпрямителях применяют стабилизаторы переменного и постоянного напряжения. Стабилизаторы переменного напряжения включаются в схему перед или после силового трансформатора (до вентиля), а стабилизаторы постоянного напряжения – после сглаживающего фильтра.
На практике часто ограничиваются только одним стабилизатором напряжения – со стороны переменного либо постоянного тока.
В электротехнике применяются различные схемы выпрямителей, которые можно классифицировать следующим образом:
-
однофазные, двухфазные и многофазные – в зависимости от числа первичных и вторичных обмоток силового трансформатора;
-
однополупериодные и двухполупериодные – в зависимости от формы выпрямленного напряжения;
-
схемы выпрямления и схемы умножения – в зависимости от величины выходного напряжения.
Недостатком схем однополупериодного выпрямления является малая величина выпрямленного напряжения. В двухполупериодном выпрямителе поочередно работают вентили I и II, включенные в симметричные полуобмотки силового трансформатора. Так как в каждый полупериод работает один вентиль, то пульсация тока по сравнению с однополупериодной схемой уменьшается (рис.4.2, б).
Мостовая схема обеспечивает двухполупериодное выпрямление, но особым ее преимуществом является возможность применения силового трансформатора без средней точки и значительно меньшие габариты при той же выходной мощности выпрямителя, так как на вторичной обмотке должно действовать напряжение, примерно равное напряжению одной половины вторичной обмотки трансформатора, применяемого в схеме рис.4.2,а.
Среднее значение выпрямленного напряжения составляет также 0,9U2, обратное напряжение на вентиль достигает 1,5U2, максимальный импульс тока 3,5IB . В практике мостовая схема нашла более широкое применение. Схема мостового выпрямителя приведена на рис.4.3. Принцип ее действия иллюстрирован стрелками (сплошными – для первого полупериода, пунктирными – для второго).
Расчет выпрямителя в большинстве случаев проводится из условий обеспечения заданных выпрямленных напряжения и тока. Задаются напряжение и частота питающей сети. Расчет сводится к определению токов и напряжений, необходимых для выбора типа и числа вентилей, а также для электрического расчета трансформатора.
Расчетные формулы
для основных схем выпрямления, отличающихся
способом включения вентилей и
трансформатора при идеальных вентилях
и идеальном трансформаторе
и при чисто активной нагрузке
,
приведены в таблице 4.4.
В двухполупериодных схемах через нагрузку ток протекает в течение обоих полупериодов переменного напряжения. В таких схемах отсутствует поток подмагничивания магнитопровода трансформатора. Помимо мостовой схемы существует тип нулевой схемы – когда выведена средняя точка вторичной обмотки трансформатора, а вентили анодами (или катодами) присоединяются к концам обмотки.
Рис. 4.3. Схемы выпрямления и расчетные формулы при чисто активной нагрузке
Мостовая схема
также применяется и при выпрямлении
трехфазного тока. Во время внекоммутационного
периода ток проводят одновременно два
вентиля: один из катодной группы, другой
– из анодной. При этом из катодной группы
(В1, В3, В5) проводит тот вентиль, потенциал
которого наиболее отрицателен. В мостовой
схеме (которую можно рассматривать, как
две последовательно включенные нулевые
схемы, питающиеся от одних и тех же
вентильных обмоток трансформатора)
напряжение на нагрузке формируется из
отрезков синусоид линейных напряжений.
При этом среднее значение напряжения
на нагрузке
оказывается в 2 раза выше, чем в нулевой
схеме. Обратное напряжение, приложенное
к вентилю, оказывается в 2 раза меньше,
чем в нулевой, при одном и том же напряжении
на нагрузке. Мостовая схема с точки
зрения частоты и пульсации выпрямленного
напряжения обеспечивает режим шестифазного
выпрямителя (m=6).
а) б)
Рис. 4.4.Схемы мостовых выпрямителей: а) однофазная; б) трехфазная.
Если необходимо получить повышенное выпрямленное напряжение при заданном U2 и, в частности, построить выпрямитель с выходным напряжением порядка десятков или сотен киловольт, применяют схемы выпрямления с умножением напряжения и удвоением напряжения. К числу мостовых схем относится двухполупериодная схема удвоения (рис.4.5). В два смежных плеча включаются одинаковые вентили I и II, а в два других – конденсаторы С1=С2.
В первый полупериод напряжения работает вентиль I и заряжает конденсатор С1 (сплошная стрелка). Во второй полупериод работает вентиль II и заряжает конденсатор С2 (пунктирная стрелка). Так как конденсаторы С1 и С2 соединены последовательно и заряжены согласно, то общее напряжение на выходе выпрямителя получается удвоенным. максимальное обратное напряжение на вентиль равно 2,8U2. Схема выгодна для высоковольтного питания маломощных установок. Часто она применяется с целью исключить повышающий трансформатор.
Рис.4.5. Двухполупериодная мостовая схема удвоения.
Мостовые схемы выпрямления с умножением напряжения целесообразно использовать при небольших токах нагрузки. К недостаткам этих схем следует отнести круто падающую нагрузочную характеристику.
Выпрямители средней
и большой мощности обычно имеют в цепи
нагрузки достаточно большое индуктивное
сопротивление
.
Расчетные соотношения для них обычно
приводятся для случая
(неуправляемые выпрямители).
Среднее значение
напряжения на выходе m-фазного
выпрямителя Ud0
при холостом ходе
и при отсутствии регулирования
(рис. 4.6) зависит от m:
где
- действующее значение фазного напряжения.
Рис. 4.6. Временная диаграмма выпрямленного напряжения неуправляемого выпрямителя.
Выпрямитель с неполным числом управляемых вентилей потребляет меньше реактивной мощности от питающей сети, чем обычный полностью управляемый выпрямитель. Однако он требует более тяжелый сглаживающий фильтр, так как частота пульсаций выпрямленного напряжения в 2 раза меньше, чем в обычной трехфазной схеме.
Заключение
В данной работе я рассмотрела основные характеристики электронных полупроводниковых приборов: биполярных транзисторов и тиристоров, их предназначение, особенности их работы и классификации. Приведены вольтамперные характеристики и электрические схемы, рассмотрен принцип работы приборов и уравнения зависимостей.
Данные приборы необходимы для преобразования электрической энергии и обладают высокой чувствительностью к изменению внешних условий – температуры, напряженности электрического и магнитного полей, освещенности, действию ионизирующих излучений и т. д.
В настоящее время полупроводниковые приборы интенсивно внедряются во все области радиоэлектроники. Разработаны и выпускаются крупными сериями полупроводниковые приборы различной мощности и на различные частоты. Применение их позволяет резко сократить габариты и вес аппаратуры, потребление электроэнергии и, главное, повысить надежность и долговечность аппаратуры.
Рассмотрен принцип действия систем охлаждения силовых вентилей и процессы, происходящие в окружающей среде охлаждения.
Последняя глава посвящена изучению принципов работы неуправляемого мостового диодного выпрямителя на активную нагрузку. В стационарных условиях для питания промышленных устройств используется сеть переменного тока. С помощью выпрямителей обеспечивается необходимое напряжение постоянного тока, а с помощью регулирующих и стабилизирующих устройств – величина и стабильность питающего напряжения. Рассмотрены особенности работы мостовых схем выпрямителей и приведены некоторые расчеты электрических величин.
Список используемой литературы:
-
Гусев В. Г., Гусев Ю. М.. «Электроника» ;
-
Тихомирова А. Е., Тихомиров П. А., Ярышев Б. П.. «Основы электротехники и электроники», Издат-во «Недра», Спб, 1968.
-
«Электротехнический справочник» под ред. В. Г. Герасимова. Москва, «Энергоиздат», 1981.
Малов Н. Н., «Курс электроники и радиотехн