§2.2 Выравнивание токов при параллельном соединении вентилей

При параллельном соединении вентилей необходимо обеспечивать равномерное распределение прямого тока в статических и переходных режимах.

Используется два пути выравнивания тока:

1. Подбор вентилей одного типа с одинаковыми характеристиками

Это можно сделать с помощью специальных комплексов АДИП 1,2,3 (автоматизированный диагностический измерительный прибор)

2. Принудительное деление тока с помощью специальных электротехнических устройств.

§ 2.2.1 Подбор вентилей одного типа с одинаковыми характеристиками

При параллельном соединении вентилей из-за неизбежного разброса их ВАХ приходится брать более мощные вентили по току из-за неравномерности распределения токов по параллельным ветвям вентилей. При этом происходит недоиспользование нагрузочной способности преобразователя, что ухудшает его экономические показатели.

Недоиспользование нагрузочной способности измеряется в % и определяется по формуле:

(2.1)

где I – результирующий прямой ток параллельного соединения

а – число параллельных приборов

I_max – максимально допустимый ток одного прибора

Из (2.1) получим максимально допустимый ток прибора при заданной неравномерности деления тока

(2.2)

Обычно принимают недоиспользование нагрузочной способности не более 10%. При этом в тяговых преобразователях применяют способ подбора приборов с разбросом напряжения не более 0,02В.

Чем меньше допустимый процент снижения нагрузочной способности, тем дороже преобразователь, потому что подбор вентилей с одинаковыми характеристиками очень трудоемок.

В то же время увеличение процента недоиспользования нагрузочной способности приводит к неоправданному завышению мощности вентилей при групповом соединении.

§2.2.2 Принудительное деление тока

Если разброс значений тока не должен быть больше 10%, то необходимо использовать внешние делители тока. Они бывают:

1. Активные делители тока

2. Индуктивные делители тока

Рисунок 2.3 Применение активных делителей тока

Активные делители тока очень эффективны. В схеме за распределение тока отвечают резисторы R₁ и R_2. Причем они одинаковы R₁ = R_2. Их сопротивление берут таким, чтобы оно было значительно больше, чем сопротивление вентилей в открытом состоянии. Таким образом, сопротивление вентилей уже не будет влиять на распределение токов по параллельным ветвям. Однако при этом на резисторах R₁ и R₂ происходят значительные потери мощности.

Пусть задано недоиспользование нагрузочной способности х=10%. Тогда необходимо использование активных делителей тока R₁ и R₂ при этом пусть ток I_F= 190А, тогда с учетом х ток I_F1 = 100А, а ток I_F2 = 90А. Также на вентилях происходят потери напряжения:

На первом вентиле потери напряжения U_F1 = 1,6В, а U_F2 = 1,7В. Диоды соединены параллельно, поэтому напряжения на них одинаковы, и поэтому можем записать:

Учтем, что R₁=R₂ и тогда можно вывести из этого выражения, что сопротивление резистора R=0,01Ом.

Определим тогда мощность потерь на резисторах R₁ и R₂ :

Это очень большие потери мощности, которые абсолютно недопустимы. Поэтому в мощных преобразователях применяют индуктивные делители тока.

В качестве индуктивного делителя тока используют дроссель. Он представляет собой тороидальный магнитопровод, сквозь окно которого пропущены токоведущие шины таким образом, чтобы магнитодвижущие силы, создаваемые токами I_F1, а также I_F2 действовали встречно. Для этого обмотки дросселя наматываются встречно (см.рис. 2.4).

Рисунок 2.4

МДС - способность электрического тока создавать магнитное поле. Она обозначается буквой F и равна силе тока, протекающего через проводник, т.е. F=I , измеряется в Амперах. МДС катушки равна произведению тока, протекающего через катушку на количество витков. В соответствии с этим, токи I_F1 и I_F2 будут создавать в тороидальном магнитопроводе магнитные потоки Ф1 и Ф2.

Направление этих магнитных потоков надо определить по второму правилу правой руки:

Если обхватить катушку ладонью правой руки, направив 4 пальца по току в витках ,то отставленный большой палец укажет направление магнитных линий в магнитопроводе.

Таким образом Ф1 будет направлен по часовой стрелке, а Ф2 против часовой стрелки, т.е. навстречу друг другу. Если ток I_F1 = I_F2 , то будут равны и магнитные потоки Ф1=Ф2 и они взаимно уничтожаются, поэтому в схеме остается только активное сопротивление, которое очень мало.

Если же токи диодов неравны, например, I_F1 > I_F2, то тогда не происходит взаимное уничтожение Ф1 и Ф2 и в магнитопроводе остается некомпенсированный магнитный поток Ф. Он будет пронизывать все обмотки дросселя и в каждой из них проводить ЭДС самоиндукции. Направление этой ЭДС самоиндукции определяется по правилу Ленца:

Индуктированная ЭДС имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей появление ЭДС, т.е. противодействует изменению магнитного потока.

В соответствии с этим определим направление ЭДС на схеме:

1) Т.к. ток I_F1 > I_F2 , то и магнитный поток Ф1 > Ф2

2) Результирующий магнитный поток Ф направлен также, как и Ф1 (т.е. Ф1 как бы задавил своей силой магнитный поток Ф2)

3) Таким образом, в магнитопроводе остается магнитный поток Ф, направленный по часовой стрелке и он воздействует на левую и правую катушки.

Под действием Ф в левой катушке появляется ЭДС е1. Она направлена так, чтобы мешать причине появления ЭДС. А ЭДС появилась из-за роста тока I_F1. Поэтому ЭДС е1 направлена так, чтобы мешать росту I_F1

4)Магнитный поток Ф также действует и на правую катушку и в ней появляется ЭДС е2.

При этом е2 будет направлена согласно с током I_F2, т.е. будет усиливать этот ток.

4. В итоге I_F1 ослабляется, а I_F2 усиливается, и они примерно выравниваются.

Таким образом, происходит почти полное выравнивание токов в параллельных ветвях: там, где ток растет – дроссель его ослабляет, одновременно усиливая более слабый ток в соседней параллельной ветви.

Достоинство индуктивных делителей тока – низкие потери энергии, если токи равны, потому что в схеме остается только очень малое активное сопротивление.

Если нужно параллельно соединить больше двух вентилей, то это можно сделать разными способами, т.е. подключить индуктивные делители по разным схемам, например, по замкнутой кольцевой схеме.

Замкнутая кольцевая схема

Принцип работы делителей в этой схеме такой же, как описано выше. В итоге баланс токов не превышает 10%