2. Проверка по нагреву и уточнение выбора тиристоров

Допустимая нагрузка тиристоров по току оправляется как электрическим режимом его работы, так и условиями охлаждения. При различных схемах выпрямления, углах регулирования и видах нагрузки длительность и форма тока, протекающего через тиристор различна. Преобразователи могут работать в длительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах. Поэтому при одинаковых средних значениях тока потери в вентилях будут различии, что определяет различный нагрев полупроводниковой структуры при одинаковых условиях отвода тепла. Отвод тепла определяется тепловыми параметрами тиристоров и их охладителей, а также температурой окружающей среды. Таким образом, после предварительного выбора типа тиристора необходима его проверка на нагрев.

Пример расчета.

Анодные токи вентилей при перегрузке и в рабочем режиме:

А (2.7)

А

Потери в тиристорах при перегрузке и в рабочем режиме:

Вт (2.8)

Вт

где U_T(TO) – пороговое напряжение;

I_an , I_ap – анодные токи;

r_T – динамическое сопротивление тиристора в открытом состоянии;

K_ф – коэффициент формы анодного тока, K_ф =

Длительность эквивалентного прямоугольного импульса по формуле:

с (2.9)

Максимальная температура перехода при скорости охлаждающего воздуха 6 м/с, определенная по формуле

̊ с (2.10)

Поскольку полученная температура перехода далека от макси­мально допустимой (Т_jm=125°С), то проверим возможность работы тиристора при меньшей скорости охлаждающего воздуха (3 м/с). По расчету Т_j = 107°С следовательно, тиристор может работать при меньшей скорости охлаждающего воздуха. При естественном охлаждении, как показал расчет, тиристор нагревается до недопустимой температуры =139 ̊С приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Результаты расчета

Тj, ̊С
V=0	V=3м/с	V=6м/с
139	107	99,6

3. Проверка тиристоров на токи короткого замыкания и выбор предохранителей

Аварийные режимы в преобразователях, характеризующиеся протеканием больших токов, делятся на внешние аварии, вызванные короткими замыканиями (КЗ) в нагрузке, внутренние аварии, обусловленные повреждениями отдельных вентилей, и опрокидывания инвертора, происходящие из-за неправильного выбора угла управления или нарушения нормальной работы системы управления.

Для защите преобразователей от аварийных режимов применяют защитную аппаратуру - быстродействующие автоматические выключатели и быстродействующие плавкие предохранители.

Для защиты от внешних КЗ и опрокидывании инвертора чаще всего применяют автоматические выключатели, устанавливаемые на стороне переменного и постоянного тока. В рамках практических занятий выбор автоматических выключателей не производится, но на принципиальной схеме их следует показать. Для защиты от внутренних КЗ, вызванных повреждениями вентилей, последовательно с вентилями устанавливают плавкие предохранители. В маломощных установках плавкие предохранители могут устанавливаться также для защиты от внешних КЗ вместо автоматических выключателей.

Наибольшие аварийные токи возникают при внутренних КЗ, поэтому в практических заданиях ограничимся выбором предохранителей, защищающих тиристоры от внутренних КЗ.

При расчете аварийных токов обычно используют относительные единицы, принимая за базу I_m амплитуду установившегося трехфазного тока короткого замыкания:

(2.11)

где К_{C max} учитывает возможное повышение напряжения в сети.

При внутреннем коротком замыкании из-за наличия апериодической составляющей амплитуда тока короткого замыкания (ТКЗ) в первый полупериод может существенно превысить значение I_m. Амплитуда ТКЗ

I _уд= I_*удI_m (2.12)

Тепловое воздействие на вентили преобразователя характеризуется интегралом предельной нагрузки. Аварийный режим должен быть ликвидирован за одну полуволну напряжения сета (0,01с).

Интег­рал предельной нагрузки

W=I_m²W_* (2.13)

В справочных данных на тиристоры (Приложение 2) приво­дятся значения ударного неповторяющегося тока в открытом состоя­нии I_TSM, а по ним может быть определен защитный показатель - значение интеграла от квадрата ударного прямого тока синусоидальной формы за время полупериода напряжения сети:

(2.14)

Эти величины характеризуют перегрузочную способность тиристора при аварийных токах. Для надежной работы тиристоров необходимо, чтобы значения ударного тока I_Тsm и защитного показателя W_Т не превышались ни в каких режимах.

Обычно значения ударного неповторяющегося тока и защитного показателя тиристоров существенно меньше, чем амплитуда ТКЗ I_уд и интеграл предельной нагрузки W. Следовательно, уже при длительности аварийного тока 0,01с тиристоры выйдут из строя. Поэтому быстродействующие плавкие предохранители должны в течение одного полупериода ограничить амплитуду ударного тока и его тепловое воздействие, характеризуемое величиной .

Для обеспечения селективности отключения повреждений характеристики автоматических выключателей и предохранителей в разных цепях должны быть согласованы между собой. Например, при внутренних повреждениях должны срабатывать только предохранители (FU4 - FU21) и не срабатывать (FU1 - FU3 и FU22, FU23), а при внешних не должны срабатывать предохранители (FU4 - FU21) (рисунке 2.1).

При существующих предохранителях при внутренних коротких замыканиях возможно селективное отключение поврежденного вентиля только при числе параллельных вентилей, большем двух. При этом предохранитель в цепи "здорового" вентиля не должен начать плавиться. Чтобы предохранители не сгорели при внешних коротких замыканиях, на стороне постоянного тока ставится быстродействующий автоматический выключатель и реактор, ограничивающий скорость нарастания тока. Иногда ставится только сетевой автоматический выключатель на стороне переменного тока.

Выбор предохранителей по напряжению производится в соответствии с линейным напряжением на вторичной стороне трансформатора по

приложению 3.

Выбор номинального тока плавкой вставки производится в соответствии с действующим значением тока через тиристор при рабочей нагрузке

I_адр= I_ар (2.15)

Плавкая вставка выбирается из условия, что номинальный ток плавкой вставки

I_пл.н > I_адр (2.16)

Если не удается выполнить условие (2.16), то следует перейти на параллельное соединение тиристоров и дальнейшие расчеты вести для случая параллельной работы тиристоров. После завершения расчетов целесообразно было бы вновь проверить тепловой режим тиристоров, перейдя, например, на естественное охлаждение или применить тиристор на меньший предельный ток.

При параллельной работе тиристоров с учетом неравномерного распределения токов, учитываемого коэффициентом К_в, действующее значение тока через тиристор при рабочей нагрузке

(2.17)

Выбор номинального тока плавкой вставки вновь производится с учетом неравенства (2.16). После выбора номинального тока плавкой вставки необходимо проверить по времятоковым характеристикам (Приложение 3), выдержит ли она перегрузки. Действующее значение тока перегрузки, протекающего через тиристор, при одиночном включении

I_адр= I_ар (2.18)

и при параллельной работе

(2.19)

Если предохранитель не выдерживает перегрузки, то плавкая вставка выбирается из условия обеспечения режима перегрузки.

Параметром предохранителя, характеризующим его до образования дуги, является интеграл плавления W_пл определяемый количеством энергии, необходимым для плавкой вставки за время t_пл меньше 10 мс. Значение W_пл характеризует свойство самой плавкой вставки и не зависит от параметров аварийной цепи.

После расплавления предохранителя возникает дуга, через которую продолжает проходить ток, нагревающий неповрежденные вентили. Тепловое воздействие за время горения дуги характеризуется интегралом дуги W_д, зависящим от параметров аварийного контура. Общее тепловое воздействие за время прохождения аварийного тока по цепи с предохранителем и защищаемым вентилем характеризуется полным интегралом отключения W_np и равно сумме интегралов плавления и дуги. В информационных материалах приводятся зависимости W_np от действующего значения первой полуволны ТКЗ в аварийном контуре I_уд.д (Приложение 3):

I_уд.д= I_уд.д / (2.20)

Рисунок 2.1 - Схема трехфазного мостового преобразователя с предохранителями для защиты от внутренних (FU2) и внешних КЗ (FU1; FU3)

Быстродействующие предохранители имеют определенный разброс значений W_пл, W_д, W_np. Поэтому при расчетах используют верхние или нижние значения из допустимой области разброса в зависимости от решаемой задачи.

Важным параметром предохранителя является его токоограничивающая характеристика. Она определяет зависимость предельного тока I_np, ограниченного предохранителем, от действующего значения первой полуволны ТКЗ (Приложение 3). Зная значение I_уд.д по этой характеристике можно определить максимальную амплитуду тока I_np.

Для обеспечения защиты ”здоровых” тиристоров при внутреннем коротком замыкании необходимо выполнение двух условий:

а) максимальная амплитуда аварийного тока через ”здоровый” тиристор, которая ограничивается предохранителем, не должна превышать допустимый ударный ток I_tsm :

I_tsm > I_пр. (2.21)

б) максимально возможный ограниченный предохранителем интеграл тока через любой неповрежденный тиристор должен быть меньше его защитного показателя:

W_Т > W_пр (2.22)

При проверке выполнения условий (2.21) и (2.22) необходимо учитывать количество параллельно включенных вентилей n_в и коэффициент неравномерности распределения токов по вентилям К_в. При этом должны выполняться условия:

(2.23)

(2.24)

При выполнении неравенств (2.21)...(2.24) необходимо иметь запас не менее 1,2.

Пример расчета.

Рассчитываем амплитуду базового тока согласно формуле (2.11)

А

Определяем ударный ТКЗ и интеграл предельной нагрузки. Параметр трансформатора

r_а / х_а = 0,0039 / 0,0121 = 0,322.

I_*уд = 1,2; W_* = 7,4×10^-3, в абсолютных единицах ударный ток и интеграл предельной нагрузки будут равны

I_уд = 1,2×14480 =17376 А;

W = 7,4×10^-3×14480² =1,55×10⁶ А²с.

Находим ударный повторяющийся ток тиристора в открытом состоянии (в соответствии с табл. 2.2) I_tsm=12×10³ А.

Определяем защитный показатель

W_Т = 0,005∙I²_tsm = 0,005×12²×10⁶ = 0,72×10⁶ А²с.

Из сравнения видно, что тиристоры не выдерживают ударный ток: I_tsm < I_уд; W_t < W. Необходима установка предохранителей.

Проведем предварительный выбор предохранителя. Номинальное линейное напряжение на вторичной стороне трансформатора U_2лн = 205 В.

Из данных, приведенных в Приложении 3, видно, что можно выбрать предохранители типа ПН-57 на напряжение 220 В. Действующее значение тока через тиристор при токе I_р

I_адр= I_ар= ∙197 = 341 A.

Наибольший номинальный ток плавких вставок на номинальное напряжение 220В - 250А, поэтому нужно применить параллельное соединение двух тиристоров. При этом

А.

Выбираем предохранитель типа ПП-57-3427 на номинальное напряжение переменного тока 220В, номинальный ток 250А с плавкой вставкой на номинальный ток 250А.

Проверяем плавкую вставку на перегрузку. При перегрузке действующее значение тока через тиристор при параллельном соединении

А.

По времятоковым характеристикам (Приложение 3) плавкая вставка выдерживает эту перегрузку в течение »10 мин., что значительно больше заданного времени (2 с). Можно убедиться, что плавкая вставка на ближайший меньший номинальный ток (160 А) выдержит перегрузку только в течение 0,5 с. Таким образом, выбранная плавкая вставка обеспечивает работу преобразователя при заданных нагрузках.

Проверяем условия защиты тиристора. Действующее значения первой полуволны ТКЗ при внутреннем КЗ равно

I_уд.д= I_уд.д / =17376 / =12306 А.

Затем по характеристикам для интеграла отключения и тока, ограниченного предохранителем (Приложение 3), найдем I_с = I_уд.д и W_пр = 2,8×10⁵ A²c, I_пр = 10 кА.

Тогда

= 5,5×10³ А < 12×10³ А;

= 0,847×10⁵ A²c < 2,8×10⁵ A²c.

Условия защиты выполняются с большим запасом, следовательно, при выходе из строя одного из тиристоров предохранитель обеспечивает защиту остальных.

Теперь можно считать, что тиристоры и предохранители выбраны окончательно.