5.3. Расчёт количества параллельно включённых вентилей в плече мостового выпрямителя

Количество параллельно соединённых вентилей в плече моста определяется из условий обеспечения допустимых среднего и действующего значений тока через каждый вентиль плеча

_,

где I_dH - номинальное значение выпрямленного тока нагрузки; - максимально допустимый средний ток вентиля по паспорту (этот параметр необходимо взять в табл. 5.1 и 5.2); К_пер - коэффициент, учитывающий перегрузку вентиля в период пуска двигателя постоянного тока электропривода (нагрузка), при котором ток двигателя может превышать номинальный в 1,6 раза, т.е. К_пер =1,6; К_нер- коэффициент, учитывающий неравномерное распределение тока между параллельно включенными вентилями плеча выпрямителя, связанное некоторыми (до ±10%) отклонениями вольт-амперных характеристик вентилей, К_нер.

При расчёте результат округляется до ближайшего большего целого числа.

Для тиристоров также нормируется критическая скорость нарастания прямого тока . Упрощённо величину ^; можно определить, если принять, что ток в процессе коммутации меняется по линейному закону . С учётом того, что и получим . Если , то последовательно с тиристорами нужно установить индуктивное сопротивление (дроссель), которое одновременно будет служить делителем тока при параллельном включении тиристоров в плече моста.

На рис. 5.1 изображена принципиальная схема плеча выпрямителя с и включенных вентилей (диодов - а и тиристоров - б).

6 Расчет условий охлаждения силовых полупроводниковых вентелей выпрямителя

В процессе работы мощных выпрямителей, которые осуществляют питание электродвигателей электроприводов постоянного тока, требуется отводить тепло от силовых вентилей при прохождении по ним тока и обеспечивать их надлежащее охлаждение с целью сохранения надёжной работы выпрямителя.

При расчёте требуется оценить мощность рассеяния тепловой энергии на силовом вентиле, сделать выбор условий отвода тепла и выполнить расчёт параметров охладителя. Для осуществления поставленных задач использованы [3, 4, 7].

Различают четыре основных режима работы силовых полупроводниковых вентилей:

а) статический или длительный режим.

Этот режим имеет место при неизменном или изменяющемся в малых пределах (до 20%) прямом токе (его среднее или действующее значение) через силовой вентиль (диод или тиристор), под действием которого вентиль может нагреться до допустимой температуры за время t_Rt с учётом условий охлаждения. Так при естественном охлаждении время t_Rt ~ 2000 с, а при принудительном охлаждении t_Rt составляет до 600 с в зависимости от скорости обдува воздухом охладителя;

б) повторно-кратковременный режим.

Этот режим имеет место при изменяющемся дискретно от нуля до максимума токе или напряжении с циклической последовательностью. Состояние вентиля определяется значением эквивалентной температуры его полупроводниковой структуры, диапазоном её изменения и числом тепловых переходов. При этом время t_p прохождения тока и время t_n паузы меньше t_Rt;

в) импульсный или кратковременный режим.

Этот режим характеризуется большой скважностью импульсов тока, и нагрев вентиля определяется мгновенным значением температуры его полупроводниковой структуры и локальным перегревом горячих точек. Здесь

t_P< t_Rt и t_n > t_Rt;

г) ждущий режим.

Этот режим имеет место тогда, когда вентиль находится в непроводящем состоянии при приложенном постоянном или переменном напряжении. Нагрев вентиля в данном случае определяется локальным перегревом полупроводниковой структуры током утечки при приложении обратного напряжения к диоду и током закрытого состояния при приложении прямого напряжения к тиристору.

Таким образом, при выборе условий охлаждения необходимо рассчитать тепловые параметры с учётом особенностей режима работы вентиля по мощности потерь, возникающих при прохождения тока и выделяемых в небольшом объёме полупроводниковой структуры вентиля. Кроме этого, необходимо проанализировать прохождение теплового потока через несколько слоев разнородных материалов металлов до выхода его в окружающую среду.

Известно [4], что термоэлектрические процессы определяются не только выделяющейся в вентиле мощностью, но и системой охлаждения.

Анализ теплоэлектрических процессов в системе вентиль-охладитель -окружающая среда основывается на аналогии между уравнениями теплопередачи и законом Ома для электрической цепи [4]. В соответствии с моделями подобия отвод тепла от источника выделяющейся мощности рассматривается как протекание потока этой мощности P_d от более высокого температурного потенциала Tj к более низкому потенциалу Т_а, (AT = Tj-T_a) через сечение теплоотвода S [7]. В результате коэффициент теплопередачи системы К_т, Вт/К-см², определяется соотношением

_.

Для характеристики теплопередающих свойств отдельных участков тепловой цепи введено понятие теплового сопротивления, получаемое из уравнения (6.1)

,

где К_{т уч} - коэффициент теплоотдачи отдельных участков тепловой цепи в окружающую среду.

Для системы вентиль-охладитель-окружающая средатермоэлектрическую эквивалентную схему можно представить в виде разветвлённой цепи прохождения теплового потока от источника выделяемой мощности P_d до окружающей среды с температурой Т_а (рис. 6.1).

Рис. 6.1 Термоэлектрическая эквивалентная схема вентиля с радиатором: P_d – средняя мощность рассеяния на кристалл вентиля; Tj - температурный потенциал перехода кристалл-корпус вентиля; Т_с- температурный потенциал корпуса; T_s- температурный потенциал охладителя; Т_а- температурный потенциал среды; (Т_а - ОК) выравниватель р температурного потенциала к О К; - тепловое сопротивление корпус вентиля-среда; тепловое сопротивление охладитель-среда; - тепловое сопротивление кристалл р вентиля-корпус; - тепловое сопротивление корпус вентиля-охладитель.

Для выбранного типа вентиля при известных параметрах рабочего режима дополнительно необходимо подобрать тип радиатора, его материал, положение вентиля в нём, а также установить требования на условие сборки вентиля с охладителем. Для выполнения этих требований необходимо иметь значения максимально допустимой температуры перехода кристалл вентиля-корпус вентиля, т. е. T_imax (К) и типовые значения теплового сопротивления в установившемся статическом режиме корпус вентиля-охладитель (табл. 6.1).

Если известны указанные выше параметры, то можно определить показатели отдельных элементов эквивалентной схемы. Так, полное эквивалентное тепловое сопротивление между кристаллом вентиля и внешней средой находим из соотношения

_.

Согласно эквивалентной схеме замещения (рис. 6.1) это сопротивление определяется равенством

_.

Таблица 6.1

Типовые значения теплового сопротивления корпус вентиля-охладитель

Тип корпуса	Материал изолирующей прокладки	|	к/Вт
		с селиконовой смазкой	без селиконовой смазки
ТО-3	Без изолирующей прокладки: фторопласт - 4 мкм (тефлон) слюда (50-100 мкм)	0,1 0,7-0,8 0,5-0,7	0,3 1,25-1,45 1,2-1,5
ТО-66	Без изолирующей прокладки: слюда (50-100 мкм) пластик(50-100 мкм)	0,15-0,2 0,6-0,8 0,6-0,8	0,4-0,5 1,5-2,0 1,2-1,4
ТО - 220АВ	Без изолирующей прокладки: слюда (50-100 мкм)	0,3-0,5 2,0-2,5	1,5-2,0 4,0-6,0
TO-3P(L)	Без изолирующей прокладки: слюда (50-100 мкм)	0,1-0,2 0,5-0,7	0,4-1,0 1,2-1,5

Так как обычно температура корпуса Т_с выше температуры Т_а окружающей среды, то можно использовать выражение

,

где можно взять из справочных данных на полупроводниковые приборы [3-6].

В случае малой мощности рассеяния P_d, Вт, когда охладитель практически не нужен (и велико), получим

_.

Если охлаждение вентиля идёт в основном за счёт радиатора, т. е. тепловое сопротивление велико, то получим

_.

Для радиатора в виде плоской прямоугольной пластины с вентилем, расположенным посредине радиатора, при температуре окружающей среды 45 °С и отсутствии рядом других источников тепла площадь поверхности охлаждения [3]

,

где h_s- толщина основания охладителя; K_f - поправочный коэффициент на расположение радиатора в изделии; - коэффициент теплопроводности, Вт/К*см.

Определив S_s по известным параметрам (табл. 6.2), (табл. 6.3), и , можно определить линейные размеры охладителя, считая, что форма радиатора прямоугольная.

Таблица 6.2

Коэффициент теплопроводности λ_т материалов охладителя и прокладок при 350 К

Элемент	Материал	λтВт/к см
Радиатор	Алюминий	2,08
	Медь	3,85
	Латунь	1,1
	Сталь	0,46
Прокладка	Слюда	0,006
	Оксид бериллия	2,1

Таблица 6.3

Значения поправочного коэффициента K_f положения охладителя

и состояния его поверхности

Положение охладителя	Состояние поверхности
	блестящая	черненая
Вертикальное Горизонтальное	0,85 1,0	0,43 0,5

Чтобы увеличить эффективность охлаждения, т.е. уменьшить тепловое сопротивление , используют ребристые радиаторы. Для такого охладителя в зависимости от P_d и по кривым (рис. 6.2) можно выбрать длину радиатора (рис. 6.3) и уточнить влияние обработки поверхности охладителя на его размеры.

Рис. 6.2. Характеристики типового охладителя: а - анодированная поверхность; б - черная матовая поверхность

П ример расчёта параметров охладителя для силового вентиля.

Необходимо выбрать охладитель к тиристору Т-133-320-9 таблеточного типа при работе его в импульсном режиме с длительностью включенного состояния t_p =5с. Коэффициент заполнения =0.1. Пиковое значение мощности рассеяния в импульсе Р_р =1000 Вт. Температура окружающей среды не

б

Рис. 6.3 Зависимость теплового сопротивления охладитель-среда от длины охладителя для черной матовой поверхности

олее

Решение

1. Выберем дополнительные справочные данные для принятого типа тиристора. Максимальное значение среднего тока для открытого состояния I_oc. _ср. max=320 А; импульсное напряжение на вентиле в открытом состоянии U_0CH = 2 В [7], т. е. мощность рассеяния без радиатора не должна превышать P_oc.max _н= 640 Вт. Следовательно, необходим охладитель, поскольку . Конструкция тиристора согласно [6, рис. П.43] предполагает использование радиатора для тиристора таблеточного типа.

Тепловое сопротивление переход-корпус Rj._с в статическом режиме составляет 0,06°с/вт[6; с.86 и 87]. По другим данным в [7, табл. 6] значение и тепловое сопротивление контакта корпус тиристора-охладитель при этом предполагается использование радиатора типа Т1112 с усилием сборки (10000⁺¹⁰⁰°) Н для диаметра контактной поверхности охладителя тиристора 50 мм. Однако согласно конструкции Т133-320-9 этот диаметр - 30 мм. Здесь необходимо отметить, что этот тиристор охлаждается с двух торцевых поверхностей, поэтому будем считать, что данные теплового сопротивления учитывают двустороннее охлаждение.

2. Проверка предельно допустимых типовых значений мощности рассеяния.

Для заданного импульсного режима работы тиристора уточняем значение теплового сопротивления переход-корпус. По кривым [6, рис. 6] находим

Тогда

Допустимое значение пиковой мощности рассеяния определяется по формуле

,

где , согласно [6] .

Тогда

Вт,

т.е. рабочее значение что подтверждает возможность работы тиристора в заданном импульсном режиме.

3. Расчёт тепловых сопротивлений в системе корпус тиристора-охладитель - окружающая среда.

Полное тепловое сопротивление системы

,

где мощность рассеяния в статическом режиме

Вт.

Тогда при получаем

Теперь в соответствии с теплоэлектрической эквивалентной схемой замещения (см. рис. 6.1) определим тепловое сопротивление охладитель-окружающая среда из соотношения

4. Расчёт параметров радиатора.

При выборе параметров радиатора предполагаем его выполненным из алюминия, т.е. = 2,08 Вт/К см (табл. 6.2) с горизонтальным расположением K_f =1(табл. 6.3).

Для упрощённой оценки площади охлаждения радиатора используем формулу (5.8), где под площадью охлаждения S_s понимаем площадь лишь одной половинки радиатора, имеющей тепловой контакт с одной из торцевых сторон тиристора, но при этом тепловое сопротивление охладитель- окружающая среда увеличивается в два раза, т. е.

Таким образом, общая площадь для двух частей радиатора составит 1321,2 см² при толщине основания h _{s =} 16 мм.

Теперь по результатам расчёта можно выбирать типовой охладитель по государственному стандарту.