V ' *s макс ш

откуда

_{^ макс-4~}²'¹² ЗГГ^ =°>^{95 ВТ}"^С-

Часть этой энергии рассеивается в дуге, возникающей при от­ключении выключателя, и выделяется в виде потерь в стали транс­форматора. Эти потери трудно определить. При, дальнейших вычис­лениях будем считать, что потерь нет.

а) Допустимый коэффициент перенапряжения k=2. В соответст­вии С рИС. 6.12 С*=0,17, #*макс=3,3, /?*_МИнг=1,7.

Используя уравнения (6.8) и (6.9), получаем следующие пара­метры #С-контуров, присоединенных к выводам вентильной обмот­ки трансформатора:

С_т„ = ^Г^- 0Л7=4.10-. ф = 4 _ыкФ;

и s макс (|/ 2 - 200)²

di макс ^ р р, Us макс

*» МИН / S^A^aA „акС 7 >

15Р. Макс * sp- макс

Т. е.

VT-200 j/T-200

1,7 _2jl2 <f> = 3,3 ._2>12 »

2

и

27</?<441 Ом.

Выберем = 330 Ом. (/;.';....' ..'J

5_тр 10⁴

б) t/_s = 200 B, I_SHOM=-jj "200 ⁵⁼⁵⁰ А. В соответствии с

рис. 6.29 пригодны такие классы по мощности селеновых элементов, характеристики которых расположены справа от точки с координа­тами /_Лном, Us. В рассматриваемом случае подходит класс D. К селеновым элементам прикладывается переменное напряжение, поэто­му должны соединяться последовательно две группы элементов на­встречу одна другой. В соответствии с рис. 6.28 рабочее «напряже­ние на один элемент может быть выбрано равным 32 В. Число эле­ментов в группе должно быть равно:

V2U_S _ У2.2Ю ^n=s~32 32 ⁼⁸'⁸'

т. е. л=9.

Следовательно, общее число элементов будет равно 1б\ Мак­симальное значение тока в селеновых элементах равно максималь­ному значению тока намагничивания. Максимальное перенапряже­ние, возникающее при отключении и соответствующее этому току (см. рис. б.28,я), равно 38,5 В на элемент. Общее перенапряжение равно 9-38,5=346,5 В.

Коэффициент перенапряжения

346,5

£=—7= = 1,23 < 2.

1^2-200

Таким образом, ограничители класса D удовлетворяют постав­ленным требованиям по перенапряжению. Выбранные ограничители перенапряжений могут выдержать импульс тока с амплитудой

'«рмаяс ==2,12 А и длительностью *=500 мс (см. рис. 6.28,6). Этот

промежуток времени достаточно ве­лик для затухания тока намагничи­вания.

в

_{+ О}

о

Рис. 6.30. Схема ограничи­теля перенапряжения с RC-цепоЧкой, включенной через вспомогательный выпрями­тель.

) Схема защиты показана на рис. 6.30. Допустимый импульсный ток диодов должен превышать ток намагничивания трансформатора. Применение данной схемы можно считать экономически целесообраз­ным, если используются диоды с по­минальным током не выше 2—5% номинального фазного тока в главной выпрямительной схеме. Выберем для рассматриваемого случая диоды типа DAI/600 с допустимым средним зна­чением тока 1 А. Максимальное обратное напряжение в нормальных условиях работы равно 2 и_а. При отключении трансформатора диоды должны выдерживать двойное напряжение, т. е.

^обр.неп> 2 V2V_S = 2 -200 -- 564 В. Допустимый импульсный ток диодов DA1/600 равен:

/_макс = 45 Л(<= 10 мс; ©_у=175 °С). При отключении трансформатора ток разряда конденсатора ограничивается сопротивлением Ri, поэтому

Y

6,35 Ом.

%U_B _ V2 -200

45

' макс

Примем Ri=6,8 Ом.

В этом случае нет необходимости в обеспечении затухания тока намагничивания, так как емкость конденсатора должна быть выбрана такой, чтобы коэффициент перенапряжения на конденсато­ре не превысил k=2. Поскольку Ri мало, можно считать, что конденсатор заряжается мгновенно, поглощая энергию

Щ _Макс=-Г C{U%-U\),

где напряжение на конденсаторе при нормальной работе ~V2 £/«=282 В, а допустимое перенапряжение Uz= 2 V2 U_s=*

=564 В, отсюда

2Wy. макс _ 2-0,95 U\ — U*! 564² — 282²"

== 8.02-Ю-⁶ Ф.

Примем С—10 мкФ. Сопротивление \R₂ должно быть выбрано так, чтобы конденсатор мог разряжаться через него в интервале между двумя следующими одно за другим перенапряжениями (в рассматриваемом случае — это два последовательных отключе­ния). Конденсатор практически разрядится до нуля за время, рав­ное пятикратной постоянной времени, т. е. должно быть

5#₅С<10.

Следовательно, R² < g^r= 5. iq. ю-e' Примем /?₂=200 кОм.

О, А-мкс

:200-ю³ Ом.

З

Рис. 6.32. Эквивалентная схема контура коммута­ции преобразователя со схемой ЗФ1НЗП.

адача 6.9. Управляемый выпрямитель со схемой соединения ЗФ1НЗП работает на нагрузку, состоящую из реактора с индуктив­ностью Ld^oo и резистора с сопротивлением Rd. Напряжение вен­тильной обмотки преобразовательного трансформатора с/*=190 В; индуктив­ность коммутации Ц =0,2 мГн. Наи­большее значение тока нагрузки 1*= = 100 А. Рассчитать параметры RC-коп-тура для защиты тиристоров от комму­тационных перенапряжений. Применены тиристоры типа Т 130 N/800 [39]. Ха­рактеристика запасаемого в тиристорах заряда приведена на рис. 6.31. Допусти­мое обратное повторяющееся напряже­ние тиристоров с/_Обр.л = 800 В.

Решение. Максимальное обрат­ное напряжение тиристора при нормаль­ной работе без учета перенапряжений равно:

(Уобр.п = V2 УЗ U_$ = |/б"190 = 466 В, Допустимый коэффициент перенапряжения

, ^обр.п 800

/г<~77 ⁼Ш1 = 1,71.

с/_обр 466

Из рис. 6.32 следует, что максимальная скорость изменения то-ка при коммутации равна:

di_

dt

V?>V2U_S Кб-190

Расчетные значения параметров контура коммутации возьмем из табл. 6.1: V^~2Ly R'=R, С'=С. Ток, протекающий через ти-ристоры перед коммутацией, /д=100 А. Запасенный заряд опреде­ляем из рис. 6.31:

Q=55 А-мке.

Злая коэффициент перенапряжения k, можно найти- по графику на рис. 6.11 наименьшее требуемое значение емкости', выраженное в относительных единицах, и диапазон сопротивлений (также в от­носительных единицах): С*_МИн=0,78, '^*_Макс=1,7, /?*м_Ип=0,84.

Зная эти параметры, можно вычислить расчетные значения па­раметров элементов контура коммутации.:

20 2-55-10-^в

С я——— Г* , == •= 0 78 = 0 183»Ю-⁶ Ф

мин мин— 4gg и, /о— и, 1 оо• 1 и ^

и

мин I/ —2Q—

макс 1у 2Q ¹

т. е.

,-/2.0,2-10-³-466 _Л i/2-0,2.l0-³-466 .

°'⁸⁴Г 2-65-10-' <*<*-7 К 2-бб-Ю-» ' 34,5 Ом </?' < 70 Ом.

В момент включения тиристора ток разряда конденсатора С ограничивается только сопротивлением резистора R, поэтому целе­сообразно взять большее значение сопротивления.

Принимаем: С=С =0,2 мкФ и д=#'=67 Ом.

Максимальное значение тока разряда конденсатора при вклю­чении тиристора

Усх_У2Узи₈ 466 'смакс^!? R 67 ⁼⁼⁶'^{95 А}-

Из § 6.1 следует, что для тиристоров с номинальным током. 130 А это значение допустимо.

Задача 6.10. Через однофазный гферыватель со встречно-параллельно включенными тиристорами к сети с на­пряжением l/_hom=220 В и частотой f= =50 Гц присоединен реактор с индук­тивностью L_H=12 мГн (рис. 6.33). При­менены тиристоры типа Т 50 N/600 с но­минальным средним значением тока 50 А. Тиристоры работают при естественном воздушном охлаждении с температурой воздуха 6о=45°С, при этом допустимое среднее значение тока составляет /ср.доп^ЗО А. Повторяющиеся напряже­ния тиристоров с7_Пр._п=с/_ог,р.п=600 В, критические значения скоростей нараста­ния тока и прямого напряжения (di/dt) _к?=25 А/мкс, (du/dt)_up= =50 В/мкс.

Х

80 А/ппс ■

20 30 ЬО 50 60

арактеристики запасенного в тиристорах заряда показаны на рис. 6.34. Отклонения напряжения сети составляют ±10%. Коэф­фициент запаса по напряжению на тиристоре 6=1,3. При расчете реактивным сопротивлением сети можно пренебречь.

Рис. 6.34. Характеристики запасенного заряда в тиристорах типа

Т 50 N.

Рассчитать значения R и С демпфирующей цепочки, присоеди­ненной параллельно тиристорам. Определить потери мощности в ре­зисторе R.

Решение. Допустимое повышение напряжения тиристора

^обр.П 600

С/обр.доп^-Г-^ТГз^ ^{461,5 В}' С учетом отклонений напряжения сети допустимый коэффи­циент перенапряжения должен быть равен:

^обр.доп _ ^обр.доп 461,5

k==~v^> мПГ и Г и VT. 220 ^{= 1,35}'

Значения емкости и активного сопротивления в относительных единицах могут быть получены из графиков на рис. 6.11: С*_мин= =2,45, #*м_ак_С=1Д Я*мин=0,66.

На тиристорах появляется наибольшее напряжение при углах управления около 90° (когда проводимость из непрерывной стано­вится прерывистой). В этом случае, если напряжение сети состав­ляет 110% номинального значения, максимальное значение тока, протекающего через тиристор,

1,\V2U_H _ \,\У"2-222 /т.макс- _{w£h 2f}..₅₀.₁₂.,₀_₃ = 90,8 А.

Наибольшая скорость снижения тока при переходе его через Нуль в сторону отрицательных значений равна:

\-йГ1 =fo/_T.Maicc = 25T-50.90,8 А/с = 0,0285 А/мкс.

\ /макс

С запасом можно считать, что ток уменьшается от /<г=/т.макс с постоянной скоростью (dib/dt)_MaKc. Запасенный в тиристоре за­ряд тогда можно определить по характеристикам иа рис. 6.34

0=1,5 А-мке.

Емкость конденсатора

С - С» С-_мя ^ = 2,45 ;;-,';^°₂"₂; Ф = 0,02.5 _МкФ.

Примем конденсатор с емкостью С=0,05 мкФ. Предельные значения сопротивления могут быть найдены из •неравенства

Л

5-Ю-³-1,1 УТ-220 2-1,5-Ю-⁶

г. ш / 12-Ю-³-1,1 К2"-220 °'⁶⁶У 2-1,5-10-*

иг)/-

т. е. 772^/^^1520 Ом. В пределах этого диапазона следует вы­брать значение сопротивления близким к нижнему пределу, так как это уменьшит скачок прямого напряжения тиристора, включенного встречно-параллельно тиристору, заканчивающему проводить ток. Допустимое значение скачка прямого напряжения для тиристора Т 50 N не нормируется. Однако можно допустить скачок напря­жения, равный 40 В. Выберем сопротивление R—820 Ом. Кривая прямого напряжения на тиристоре будет такой, как показано на рис. 6.5. Проверим значения скачка прямого напряжения при вы­бранном значении сопротивления R. Максимальное значение обрат­ного тока отключающегося тиристора равно:

/обр.макс = ymdijdf) = j/2-1,5-0,0285 = 0,292 А.

Сжачок напряжения иа резисторе и равный ему скачок прямого напряжения «а тиристоре, включенном встречно-параллельно,

С_л=/обр.маис#=0,292- 820=239,4 В.

Это напряжение больше допустимого, значит, сопротивление демпфирующей цепи должно быть уменьшено. Его максимальное допустимое значение по условию скачка прямого напряжения равно:

^ 40 40 ₇ ^

* обр. макс _и0,292 Примем #=130 Ом.

Коэффициент перенапряжения не увеличится вследствие умень­шения R при условии, что емкость С будет изменена таким образом, чтобы сохранить неизменным коэффициент затухания цепи RCL_a. До изменения R коэффициент затухания был равен:

R -|/*С~ 820 /0,05- Ю-⁶ _Л ^ТГГТК 12-Ю-³ = 0,834.

Новое значение емкости, соответствующее i?=130 Ом, будет равно:

/2£ \² _л „ / 2-0,834 \*

(xj =¹²-¹⁰-³ ( 1зо j ^{ф = 1}'^{96 мкф}-

Примем С=2 мкФ.

Поскольку параметры цепи такие, что процесс в ней близок к апериодическому, du/dt достигает максимального значения немед­ленно после скачка напряжения на. резисторе:

[dit\ R 130

Idt) =^uo6p-jT= UIV 2 -220 ,2.10-8 В/С = 3,71 В/мкс.

\ / макс ^н

Это значение ниже допустимого, поэтому /?С-цепочка приемле­ма и по скорости нарастания прямого напряжения.

Наибольшее напряжение на конденсаторе близко к напряжению сети, т. е.

Ucb>1, 1-220=242 В.

Поэтому окончательно выберем конденсатор с номинальной ем­костью С=2 мкФ на напряжение 250 В переменного тока.

Когда тиристоры находятся в закрытом состоянии, потери мощ­ности в резисторе R сравнительно малы, так как Xc^>R:

P_Rl=P_RCR^(U(x>C)²R =

=Pbi(1,1-220-2ji;-50-2-10-⁶)²130=3,0 Вт.

Потери имеют максимальное значение вблизи перехода из со­стояния непрерывной проводимости в состояние прерывистой про­водимости, когда включение и выключение тиристоров происходят при напряжениях, близких к наибольшему напряжению сети.

Можно с достаточной степенью приближения считать, что при включении тиристора вся энергия конденсатора рассеивается в ре­зисторе, следовательно

W_Rvm = 0,5С^об_р = 0,5-2-10-⁶(1,1 УТ.220)² = 0,12 Вт-с.

Колебательный процесс, возникающий при отключении тиристо­ра, близок к апериодическому. С достаточной степенью приближения

253 можно пренебречь энергией, запасенной в индуктивности, так как обратный ток мал как в начале, так и в конце колебательного процесса. В этих условиях энергия, рассеиваемая в резисторе, пред­ставляет собой разность между энергией, передаваемой из сети, и энергией, запасаемой в конденсаторе:

WR откл = ^ws - W_c = (у/обр - 0,5С?_с£/_обр = 0,SQ_cU_o6p,

где Q_c — заряд конденсатора. Таким образом,

^'лотнл=0_>5С17²обр. В рассматриваемом случае

^Яоткл = °.⁵'²- Ю-⁶ (1.1 У2-2Щ* = 0,12 Вт-с.

Максимальные потери, возникающие в резисторе при прерыви­стой проводимости, когда включения тиристоров происходят с ин­тервалами в 10 мс, равны:

Щвкл + W_Rоткл_ 0,12 + 0,12

НЮ— 1СЮ-³ Ю-² ~^{24 т}"

Суммарные потери в резисторе ше могут быть оольше суммы потерь при закрытых тиристорах и максимальных потерь при ком­мутации:

Рлмакс<Я_Н1 + Р_ля=3,0+24=>27 Вт.

Выберем резистор с а=130 Ом и P_r=25 Вт. Для проверки вычислим среднее значение тока, который может протекать через один тиристор:

2|/Т .1,1-220 1 'т.ср = „ 2^-50-12-Ю-⁸ 2 ^{= 28.9 а} ^ ^/ср-^доп~~

Это означает, что тиристоры могут работать при естественном Воздушном охлаждении с использованием предназначенных для них теплоотводящих элементов.

Максимальная скорость нарастания прямого тока равна вычис­ленной выше максимальной скорости нарастапкия обратного тока:

CSU⁼" =⁰•°^{285 <} Шт'^{25 А/мкс}-

Таким образом, схема удовлетворяет условиям надежной рабо­ты и в этом отношении.

Скачок тока разряда конденсатора при включениях тиристоров равен:

"смакс ^обп...1Л-К2"-220 __

^макс = = ~1Г— 130 - ^{2,63 < 10 А}-

Следовательно, ток разряда конденсатора можно считать безо­пасным для тиристора. 254

Задача 6.11. Через однофазный прерыватель с тиристорами, включен­ными встречно-параллельно, от сети с напряжением t/_H=380 В и частотой 50 Гц питается нагрузка, состоящая из резистора с сопротивлением /?_н= =6 Ом (рис. 6.35). Используются тиристоры типа Т 50 N/1200 [39] с с/пр.п=е/_Обр.п=1200 В и (dufdt)= =400 В/мкс. Все остальные техниче­ские данные такие же, как и у ти­ристоров типа Т 50 N/600 (см. зада­чу 6.10). Полное сопротивление сети Х=5,5 мОм, колебания напряжения в сети +10%. Необходим коэффици­ент запаса по напряжению 6=1,5.

Рассчитать параметры элементов R и С, присоединенных параллель­но тиристорам, и индуктивность L_a, включенную последовательно.

Решение. Так как нагрузка чисто активная, в результате включения тиристора при угле управления а=90° скорость нара­стания прямого тока может быть высокой. Эта скорость ограни­чивается суммой индуктивности сети и иидуктивности, последова­тельно включенной в цепь. Требуемая результирующая индуктив­ность равна:

L -f 1_а =

пр

\ / доп

Максимальное повторяющееся прямое напряжение^ которое мо­жет появиться на любом из тиристоров перед включением, равно:

t/_np=l,lV^r2"L/_H=l,lV^r2-380 = 591 <i600 В,

В относительных единицах:

^пр 591

Т7^Г12б0^=М92<0'⁶⁷-Для этих значений на основании графиков на рис. 6.2 получаем

\ /доп \ /кр

25 А/мкс.

С

L_a =

2я-50

25- 10^е

использованием уравнения (6.11) находим: 591 5,5- Ю-³

-³ = (23,64— 17,51). 10-^е = 6,13-Ю-⁶ Ги.

Примем L_fl = 10 мкГн (заметим, что для прерывателей, у кото­рых существует опасность возникновения КЗ на выводах, L_a играет роль также и защиты от КЗ).

Если прерыватель подключается к сети в момент максимума напряжения сети, то в цепи, в которой до этого не проходил ток и которая состоит из L_a±L, С и R-\-Rn, возникает переходный колебательный процесс. При работе прерывателя резкий обрыв об­ратного то#а, обусловленного зарядом Q, запасенным в тиристорах,

т

сам по себе приводит к возникновению переходного процесса. Ко­лебания вызываются выделением -энергии, запасенной в индуктив­ности. Так как нагрузка чисто активная, колебание возникает при переходе напряжения сети через нуль. Энергия этих колебаний мала вследствие малой скорости уменьшения тока.

При расчете >R и С, присоединенных параллельно полупровод­никовым приборам, методика, описанная в начале настоящей главы, не может быть непосредственно применена ни к одному из видов колебаний для рассматриваемого случая.

В первом случае в индуктивности не запасена энергия (что соответствует Q=0), а во втором случае напряжение сети близко к нулю.

Чтобы ошибка при расчетах была в сторону запаса, можно предположить, что оба таких переходных процесса происходят одновременно. При таком предположении находим следующие зна­чения:

^обр.п _ 1200 ^пр.доп = ^обр.доп = ~~Ё> ""ТТЁГ^^{800 В;}

tfo6_P = tfnp = 591 В;

k

^обр.доп _800 ^k= U_o6p 5Q! = 1-353.

= а из рис. 6.11

С*мин=2,7; Я*макс=1Д <Я*м_Ин=0,67.

Максимальное значение тока тиристоров и скорость уменьшения тока при отключении равны:

1,1У5Ч/_1,1УТ-зао

'т.макс— ^_н g —°ч

-(ж) -=/тмакс«> = 98,5-2*50 = 0,031 -10^е А/с. V ^аг /макс

В соответствии с рис. 6.34 заряд, запасенный в одном тиристо­ре, приблизительно равен:

Q*=l,65 А-мкс.

В соответствии с уравнениями (6.3) и (6.4) значения R и С определяются следующим образом:

2Q 2-1,65-Ю-⁶ _я , , ^С^^С-'7^ = ²'⁷--591 = 15,1 нФ;

,/27,51.16^591 _n , _{n t} „i/27,51-l0-⁶-59l 0.67 j/ -^Т.65-10-⁶ <^ + ^<ЬЗ[/ 2.1.65.10-» '

откуда

47 + 91,2 Ом

и

41 < Я<85,2 Ом.

Примем С=33 нФ и #=47 Ом.

Проверим эту схему по скорости нарастания прямого напря­жения на тиристорах. При включении в сеть

(du\ \aVTu 1,1^2".380

\ж),_жи^Г-Т^ГГ *" 27.5Ы0-. ⁴⁷ = ^{1010 В}/»^с-

В данной схеме отношение наибольшего прямого напряжения на вентиле непосредственно перед его включением меньше 67% зна­чения прямого повторяющегося напряжения. Следовательно, в со­ответствии с рис. 6.4

{du/dt)_ROa (_t==0) = 1/0,632(^и/Л)к_Р = 400/0,632= 632,9 В/мкс.

Скорость нарастания прямого напряжения оказывается выше этого значения, и поэтому защита тиристоров должна быть усиле-

Рис 6.37. Эквивалентная схема для расчета напряжений на тиристорах при перенапряже­нии в сети.

на. Увеличим индуктивность до L_o=50 мкГн. С учетом уравнения (6.4) сопротивление также должно быть увеличено, чтобы обеспе­чить прежнее затухание:

73,6<Д + #„= 142,8 Ом; 67,6 </?< 136,8 Ом. Примем #=68 Ом.

Для измененных параметров схемы получаем: ( du\ 1,1 VY-380

Ымакс^оГ 67,51 -10-е 68 = 595,3 < 632,9 В/мкс.

Скачок напряжения на резисторе R при обрыве обратного тока отключающегося тиристора равен:

U_R(0) = R VW-di/dt = 39 V% 1,65-0,031 = 12,48 < 40 В.

Таким образом, выбранные параметры контура защиты обеспе­чивают безопасные условия работы тиристоров.

Задача 6.12. Проверить, обеспечивают ли элементы £_а, R и С из задачи 6.11 защиту от перенапряжений, если пик наиболь­шего перенапряжения в сети равен утроенной амплитуде номиналь­ного напряжения сети и имеет форму, показанную на рис. 6.36.

17--? 257

Решение. Напряжение на тиристорах будет наибольшим в случае, если перенапряжение появляется в момент максимума си^: нусоидального напряжения сети, когда тиристоры находятся в за­крытом состоянии. В этом случае в начальный момент времени f=0, i=0 и £/с=1,1 ]f 2 1]^. Эквивалентная схема показана на рис. 6.37. Дифференциальные уравнения цепи:

Чтобы обеспечить защиту от перенапряжения, напряжение и_т на тиристорах в переходном процессе должно возрастать с посто­янной времени, гораздо большей, чем длительность перенапряжения

в сети. В этом случае расчет напряже­ния на тиристоре оказывается громозд­ким. Поэтому предпочтительнее найти напряжение w_T на аналоговой или циф­ровой ЭВМ. Схема аналоговой модели цепи, представленной на рис. 6.37, дана на рис. 6.38,д. Передаточные коэффици­енты потенциометров должны быть сле­дующими: A=iV=l/(L I -L_ay_t P₃=l/C; Pi=R-yR_H; P_b=U_c(0); P_c=aV

Кривая перенапряжения в сети, по­казанная на рис. 6.36, описывается уравнением

H(0 = /(/)3cW

['-зм^']

I

+ / (t - 2- Ю- ⁵) 3t7_Ma_KC зЛ?РГ '

и может быть сформирована на аналоговой ЭВМ, например, при помощи схемы, представленной на рис. 6.38_?б.

На рис. 6.39 кривой а показаны результаты расчета напряже­ния тиристора в цепи с параметрами, вычисленными в задаче 6.11. Видно, что напряжение тиристора превышает допустимое значение. Для снижения и_г можно либо увеличить L_a или С, либо умень­шить R. С увеличением индуктивности увеличивается падение на­пряжения от тока нагрузки, это падение напряжения, как правило, не должно превышать 3—5% напряжения сети при номинальной нагрузке. Допуская, что падение напряжения на индуктивности рав­но 4%, имеем:

L_a — — 0,04/? = з^0,04.6 = 0,7645-Ю-³ _Гн> и, следовательно,

L_a=0,7645—0,0175=0,747 мГн.

Пусть L_a=0,75 мГн. Наименьшее значение С, обеспечивающее достаточное затухание, равно 33 нФ, а значение R в этом случае будет в пределах 248,2 Ом<;#-4-Ян^481,6 Ом. Увеличение сопротив­ления вызовет чрезмерное перенапряжение на тиристорах. Поэтому нужно снизить сопротивление R. В этом случае, однако, увеличения перенапряжения, возникающего вследствие обрыва обратного тока тиристоров, можно избежать, если коэффициент затухания остается прежним. Это означает, что емкость конденсатора должна быть обратно пропорциональна квадрату сопротивления. Увеличим емкость до 6=1 мкФ, тогда при условии неизменного затухания диапазон R будет определяться неравенствами

Т" ⁶' 45,1<#<С87,6 Ом.

Выберем #=68 Ом.

Для этих параметров напряжение тиристора U_r представлено кривой Ь иа рис. 6.39. Максимум напряжения £/_т._Макс=1020 В меньше, чем сЛгр.п=с/оер.п=1200 В, т. е. элементы R с измененны­ми параметрами также обеспечивают защиту от перенапряжений в сети.

Задача 6.13. Выходное напряжение управляемого выпрями­теля со схемой соединений 1Ф1Н2П, питаемого от сети с частотой 50 Гц, должно изменяться в диапазоне 0<C^d<220 В. Максималь­ный ток нагрузки /^=100 А.

Нагрузка состоит нз последовательно соединенных резистора с сопротивлением Rd, противо-ЭДС Ed и реактора с индуктивностью Ld^oo. Индуктивность коммутации =0,2 мГн. Применены тири­сторы типа Т 130 N/800 [39]. Определить необходимое число после­довательно соединенных элементов и рассчитать цепь защиты от коммутационных перенапряжений, содержащую: а) #С-цепочки, б), нелинейные селеновые ограничители перенапряжений.

Максимальное отклонение времени протекания обратного тока от среднего значения, вычисленного на основе характеристики запа­сенного заряда, не более ±10% для любого тиристора. Характе­ристика запасенного заряда показана на рис. 6.31. Наибольший об­ратный ток тиристоров /_Обр.макс=30 мА при w_T=c/₀6p.n. Вольт-ам­перные и перегрузочные характеристики селеновых ограничителей

перенапряжений показаны на рнс. 6.28,а, 6. На рис. 6.40 дана зави­симость допустимого импульса потерь энергии в селеном ограничите­ле от длины интервала между импульсами [43]. Перенапряжения, вызванные другими причинами (отключение трансформатора, преры­вистая проводимость), ограничиваются другими элементами защиты до напряжения, в 1,3 раза меньшего обратного повторяющегося на­пряжения.

Р

U(F + Aftttf _220тг -f 100-314.0,2.10-^s

2]A2

ешение. U_d = V~2U, U_R =

Наибольшее обратное напряжение на тиристорах без учета пе­ренапряжений равно:

^обр = 2 V"2V_S = 2 V 2 - 246 = 695 В.

В

и₀

водя коэффициент запаса 6=1,3, установленный с учетом дру­гих перенапряжений, получаем допустимое значение обратного на­пряжения на тиристорах:

сАэбр.п

- = ^2 = 615,4 В.

-'оор.доп — £

Отсюда ясно, что в каждой ветви должно быть соединено по­следовательно по два тиристора. Максимальная скорость нараста­нйя тока при коммутаций равна!

fdi\ 2V"2U_S 2 У¹*- 246 _ _e

Перед коммутацией через тиристоры проходит ток /d=100 А. В соответствии с рис. 6.31 запасенный заряд равен:

Q=64 А-мке.

Время протекания обратного тока

л Г 2Q _-i/2,64-10-⁶ W= V ШЩ-V 1,74.10^е =⁸.С-Ю-^в с.

Максимальное значение обратного тока di

/обр.макс = *обр ^7- = 8,6-10-«. 1,74-10* = 14,95 А.

Максимальное отклонение между временами протекания обрат­ного тока у двух элементов, соединенных последовательно, равно:

Д*об_Р=1,1 -8,6- 10~^в—0,9-8,6-10-⁶=1,72- Ю-⁶ с.

На рис. 6.9,а показана схема с .RC-контурами. Выравнивание стационарного напряжения обеспечивается резисторами <Ri, а вы­равнивание переходного напряжения — элементами R₂ и С.

При расчете переходных процессов, возникающих при коммута­ции, влиянием сравнительно большого сопротивления Ri можно пренебречь.

Если бы распределение напряжения было равномерным, то ко­эффициент перенапряжения при коммутации мог быть равен:

21/рбр.доп J2-615,4 ^k~~ t/обр 695 -¹'⁷⁷'

Однако Вследствие неравномерного распределения обратных напряжений между двумя тиристорами допустимое значение этого коэффициента должно быть меньше.

Примем &=1,6.

Относительные емкость и сопротивления, определяемые из рис. 6.11, в этом случае будут равны:

С*мии— 1J

Я*_ма„с=1,65;

Используя эти значения, можно вычислить расчетные значения параметров элементов цепи коммутации:

^9-64-10-° Г* — —.1 =0,1845- 10~^в ф

С'мин— и_обр ^с мин- 695 ^{1 и}'^{1040 |и 41}

-

2Q

щг~ ****** у 2

В

L_t = 2Z._T=- 20,2-Ю-³ = 0,4-10-³ Ги

рассматриваемом случае L

и, следовательно,

/0,4-Ю-⁸-695 _{п А} ./0,4-10-⁸-695 2-64.10-' *'*<&<У 2-64-10-ь 1.65,

т. е.

37,4 Ом<Я'<77 Ом. После отключения первого из двух последовательно соединен­ных тиристоров

R'=R₂; С'=С,

отсюда

С^О.185-10-⁶ Ф; 37,4 Ом<С#₂<77 Ом. Когда оба тиристора выключены, получаем:

R'=2R₂; С'= i С,

и отсюда

С>0,37-10-⁶ Ф; 18,7 Ом^#₂<38,5 Ом.

С учетом этих двух условий выберем параметры защитных эле­ментов:

С=0,4-10-⁶ Ф; #2=38 Ом.

Максимальное значение разрядного тока конденсатора, возни­кающего при включении тиристора, равно:

_ ^Смакс _695 'Смете— R_z 38 ~ ^{18,3 Л}'

Учитывая, что емкость конденсатора невелика, это значение приемлемо.

Напряжение на конденсаторе, соединенном параллельно с тири­стором, который выключился первым, к моменту, когда другой ти­ристор выключается, равно:

1 обр, макс A fajg I 0,9 ■ 14,95.1,72 -10 -⁰ U_c^z0,9 о,4- Ю-⁶ " = 58 В.

Полное значение перенапряжения будет:

с7_Ма«с=*с7обр=1,6-695=Ш2 В,

отсюда максимальное коммутационное напряжение на тиристоре, который выключается первым, равно:

^макс + ^с __Ш2 + 58 W 1макс "2 2 —

а па втором тиристоре

bW — 112 — 58

"гмакс =2 2 —

Видно, что максимальное значение коммутационного напряже­ния даже на тиристоре, который выключается первым, меньше до­

пустимого £/₀бр.макс=615,4 В. Следовательно, параметры #С-кон-тура выбраны правильно.

Обратная вольт-амперная характеристика примененных тиристо­ров неизвестна. Поэтому резисторы #*, обеспечивающие деление установившегося напряжения, должны быть рассчитаны для наиме­нее благоприятных условий, когда один из тиристоров, соединенных последовательно, имеет максимальный ток в закрытом состоянии, в то время как второй имеет ток в закрытом состоянии, близкий к нулю. В этом случае при отсутствии статического делителя напря­жения практически все обратное напряжение £/₀бр=695 В было бы приложено ко второму тиристору. Это больше допустимого значения, так что делитель необходим. Ток в закрытом состоянии тиристора практически не зависит от напряжения, поэтому тиристоры в за­крытом состоянии могут быть заменены генераторами тока, дающи-ми ток, равный току тиристора в закрытом состоянии. Следователь­но, распределение напряжения в установившемся режиме равно:

^оор, ^зкр.макс Ш: 1 макс ⁼ 2 2 ¹ *

^обр ^зкр.макс ^гмакс = 2 2 ¹*

Ни одно из этих значений не должно превышать оговоренного £/₀бр.доп=615,4 В, отсюда

/ 695\ 2

#, < f 615,4 — -у J -до" = 17,87 кОм.

Примем #i=15 кОм.

Отметим, что если оговаривается максимальное отклонение от симметричного распределения обратного напряжения, то необходи­мое значение \Ri также легко вычислить. Например, если допустимое отклонение равно 4:20%, то 1,2-0,5с/обр^0,5^брЧ-0,5/_3кр._маке#1, что дает #i<^4,63 кОм.

Селеновые ограничители перенапряжений должны быть присо­единены к выводам тиристора, как показано на рис. 6.9,6. Необхо­димость в использовании элементов, соединенных встречно-последо­вательно, возникает вследствие того, что при сх>0 к ограничителям подводится переменное напряжение.

В соответствии с рис. 6.28,а напряжение на одном элементе в рабочей точке не должно превышать 32 В. Таким образом, число элементов в группе равно:

0,5£/_Обр_0,5.б95

я^~-32 зг^-^¹⁰'⁸⁶-

Примем п=15, тогда общее число элементов в одном ограни­чителе будет равно 30.

Вычислим потери энергии в селеновых элементах при коммута­ции. Напряжение на селеновом элементе является нелинейной функ­цией тока (рис. 6.28,а). Потери энергии можно оценить, допуская, что напряжение на элементе постоянно, т. е. в течение всего интер­вала повышения напряжения оно не зависит от тока. Напряжение на контуре селеновых элементов не должно превышать значения

обратного периодического напряжения, допустимого для тиристоров при коммутации, т. е. *

^Бе1<^обр.доп = 615,4 В.

В то же время из рис. 6.28,а видно, что всегда, когда контур селеновых ограничителей пропускает ток, даже если не учитывать падения напряжения на встречно включенных элементах, на контуре будет напряжение

^Бе2 > ^п •³² = ¹⁵'³² = ^{480 В}-

Истинные значения длительности протекания тока через селено­вые элементы и потерь энергии в них будут находиться между край­ними ЗИачеИИЯМИ, ВЫЧИСЛеННЫМИ при t7sei И Use2-

Потери энергии будут больше в контуре селеновых элементов, присоединенных к тому тиристору, который выключается первым, поэтому вычисления должны быть произведены для этого контура. Самые неблагоприятные условия будут при ct^90°, при котором обратное напряжение наибольшее.

Ток в рассматриваемом контуре селеновых ограничителей при выключении первого тиристора равен:

*Se(°) ^ви ^обр.макс= 14,95 А.

При напряжении па ограничителе f/sci—615,4 В ток до выклю­чения второго тиристора (0^^Д£=!,72*10~^в с) определяется по уравнению

Ц<?бр — u_{s е1}

'Se.<'> = 'se(°)+ Щ *-

695 — 615,4 = 14,95+ - 2-2.10-' 14,954-0.2-10^.

В момент выключения второго тиристора ток равен

*Sel (Д*)= Н.95 + 0,2-1,72 = 15,3 А, После выключения второго тиристора (t ^ М)

2e/$ei ^/обр **Sel И = *Sel (АО Щ (' ~ ^Д0 -

*= 15,3— 1,34(г— 1,72-Ю-⁶).

Момент t₀, когда ток прерывается, определяется из условия *sei('.> = °:

г₀-Дг^- p|fjoi =11,42.10^ с, т. е. /₀=13,14- 10~^в с,

Таким образом, потери энергии в группе селеновых элементов, Воспринимающих обратное напряжение при коммутации, равно:

'о

^Sel = ^Sel J О

[t\ 72-10-^e\² 14,95-1,72.10-° +0,2-10^е - - ^; •+

(11,42-Ю-⁶)² 1 + 1,34-10^е £ — = 69,78- Ю-³ Вт-с,

а Потери в одном элементе равны: иЧп 69,78-Ю-³

-|^= j5 =4,65-Ю-⁸ Вт-с.

Приняв теперь напряжение на ограничителе равным £/_8е2 = 480 В, определим:

при 0<2 < Д£

695 — 480

*'sei (*) = И,95+ 2-0,2. Ю-³" ^{t== 14}>⁹⁵~т- 0,538-10⁶ t; при t = М

«Se2 = Н,95 + 0,538-1,72= 15,87 А; при t^At

2-480 — 695

*Ш (0 = 15.87- ₂,_0>2._ш_-₃ {t-1,72.10-«) = 15,87 — 0,6625- 10^е (t — 1,72- 10~^e),

а также

15,87 .

/₀ А/— q g69^. jQe —23,95*10 ⁰ с;

f₀ = 25,67- 10-^G с;

[(1.72-\0-⁰)² 14,95-1,72.10-^в + 0,538-10-е > £ ^ +

(23,95-10-⁶)² + 0,6625.10^е ^ = 104-10-³ Вт-с

W_Se2 104-Ю-³

rg -6,93-Ю-з Вт-с.

Таким образом,

4,65-10-⁸<-^-<6,93-10-^а Вт-с;

13,14<*₀<25,67 мке; 15,3 </_Se < 15,87 А.

контуры селеновых элементов ограничивают также несиммет-рию напряжения, вызываемую токами в закрытом состоянии, в по­лупроводниковых приборах. В наиболее неблагоприятном случае, когда ток в закрытом состоянии близок к нулю в одном тиристоре' и имеет максимальное значение в другом, ток в контуре в интерва­ле, когда происходит ограничение напряжения, будет:

^Se ⁼ *зкп.чакс — 30 мА,

при этом напряжение на селеновом элементе будет около 32 В. Следовательно, если пренебречь падениями напряжения на встречно включенных элементах, то напряжение на контуре не превысит 15-32=480 В, а длительность протекания тока через селеновый эле­мент будет равна:

ъ — 2 arcsin 480/695 *зкр = ----= 5,14-10~³ с.

П

и ^ 16

отери энергии в контуре за период будут равны: №=480-30-10"³-5,14-10-³=74 • 10-» Вт-с, а в одном элементе составят W 74-Ю³

= 4,93-10~³ Вт-с.

Если тиристор, имеющий максимальный ток в закрытом состоя­нии, обладает в то же время наибольшим запасенным зарядом, то тогда общие потери за период в контуре селеновых элементов бу­дут равны:

Г=6,93-10-4-4,93-Ю-³=11,86-10-* Вт-с.

Из рис. 6.40 следует, что для периода 7=1//=20 мс следует Выбрать селеновые элементы типа С, которые допускают потери энергии 12,5-Ю^-3 Вт-с.

Проверим, насколько контур селеновых элементов ограничивает обратное напряжение на тиристоре. При

15.3</_8е:иис< 16.87 А

из рис. 6.8,а находим, что обратное напряжение на одном селено­вом элементе находится в интервале 45—45,5 В. Падение напряже­ния на каждом из встречно включенных элементов может быть принято равным 0,5 В. Следовательно, напряжение иа контуре

15-45-т- 15 0,5 = 682,5<t7_SeMaKC< 15-45,5 +

+ 15-0,5 = 690 В

будет больше, чем £/₀бр.доп«=615,4 В. Поэтому необходимо выбрать селеновые элементы типа В, для которых обратное напряжение на элемент составит 40—40,5 В, т. е.

15-40-f 15-0,5 = 607,5 <U_{Se макс}< 15-40,5 + 15-0,5 = 615 В,

что уже ниже допустимого значения.

Допустимая амплитуда одиночного импульса тока для элемен­тов типа В (рис. 6.28,6) равна 260 А, т. е. гораздо выше тока.^ воз­никающего в рассмотренном случае; таким образом, выбранный тип элемента В удовлетворяет также и по амплитуде тока.

Рис. 6.41. Преобразователь со схемой ЗФ2Н6П с элементами защиты от перенапряжений.

Задача 6.14. Преобра­зователь с естественной комму­тацией со схемой соединений ЗФ2Н6П (рис. 6.41) работает на нагрузку, состоящую из из­меняемой противо-ЭДС Ей, ре­зистора с сопротивлением Rd~ =2,5 Ом и реактора с индук­тивностью L_d=0,5 мГн. Пре­образователь питается через трансформатор с обмотками, соединенными по схеме «звез­да— звезда», от сети 3 x380 В. 50 Гц. Среднее значение вы­прямленного тока может ме­няться от нуля до номиналь­ного значения /<*ном=60 А. Преобразователь работает как в выпрямительном, так и в ин-верторном режиме.

Определить параметры эле­ментов R, С, L, R_da, C_da, Rpl,

Cp,R_P2, включенных для защи­ты полупроводниковых прибо­ров.

Колебания напряжения в сети ±10%, предполагается, что сеть имеет бесконечно большую мощность. Номинальная мощность пре­образовательного трансформатора 20 кВ-А. Его ток намагничивания равен 6% номинального тока. Коэффициент мощности при отсутст­вии нагрузки cos<p=0,l. Относительное значение напряжения КЗ равно 3%. Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки c/_s=100 В. Энергия перенапряжений, возникающих в сети, меньше магнитной энергии, запасенной в трансформаторе.

В схеме использованы тиристоры типа Т 50/600 [39] со следую­щими параметрами: £/_Пр.п=^оср.п=600 В (du/dt) _Нр=400 В-мке, (di/dt) _Кр=25 А-мке. Запасенный заряд может быть определен из характеристики, показанной на рис. 6.31.

Вспомогательный выпрямитель ВВ собран иа диодах типа SiDO 3/600 [40]. Максимальный допустимый импульсный ток дио­дов в течение 10 мс равен /мако=120 А. Наименьший интервал между двумя отключениями трансформатора — не менее 800 мс.

Запас по напряжению должен быть равен 30% (6=1,3).

Решение. Емкость между сетевой и вентильной обмотками трансформатора неизвестна. Однако она, как правило, меньше 0,1 мкФ, и поэтому конденсатор с?ф=1 мкФ будет демпфировать все высокочастотные переходные процессы, возникающие в сети, и перенапряжения, возникающие при включении трансформатора, до уровня, меньшего одной десятой их первоначального значения, что вполне достаточно.

Если от сети отключается ненагружениый трансформатор, то в результате прерывания тока намагничивания возникают перена­

пряжения. В рассматриваемой схеме эти перенапряжения демпфи­руются элементами R_p, С_р, включенными через выпрямитель. Ми­нимальное сопротивление защитного резистора R_p определяется до­пустимым импульсным током диодов вспомогательного выпрямителя:

120

:2,24 Ом.