книги из ГПНТБ / Маринов, И. А. Устройство и эксплуатация преобразовательных подстанций городского электротранспорта учеб. пособие

Ток проходит от стороны кремния, в которую вплавлен алюми­ ний (от анода) к стороне, в которую вплавлен сплав серебра, сурь­ мы и свинца (к катоду).

Герметически закрытый корпус 6, в котором заключен р — п- переход, защищает его от внешних воздействий, особенно от воздей­ ствия влаги или загрязнения, которые могут вызвать поверхност­ ный пробой. Кроме того, металлический корпус обеспечивает хоро-

Рис. 117. Разрез кремниевого вентиля ВК-200 (а) и габаритные размеры венти­

лус, 7 — стеклянный изолятор, 8 — гибкий медный провод

ший отвод тепла, особенно массивное медное основание корпуса 2, которое с помощью резьбы соединяется с охладителем. Обычно ос­ нование 2 является катодом, а гибкий медный провод 8 — анодом. Гибкий медный провод (анод) изолирован от корпуса 6 стеклян­ ным изолятором (спаем) 7.

Вес вентиля ВК-200 с силуминовым охладителем около 1,5 кг. На рис. 118. показан разрез управляемого тиристора. Кроме отличия в структуре вентильного элемента, тиристор конструктив­ но отличается от диода наличием вывода управляющего электрода 6, который выполняется из тонкой медной проволоки и присоединя­ ется внутри к молибденовой пластине 5. Для вывода управляющего электрода наружу имеется :вторая изолированная стальная втул­

ка 7.

У тиристора в отличие от диода основание 15 является анодом, а гибкий вывод 10 — катодом.

На рис. 119 показан разрез вентильного элемента тиристора. Вентили делятся на классы, в зависимости от величины номи­ нального обратного напряжения, и на группы, в зависимости от величины падения напряжения при протекании номинального прямого

тока.

Величины номинальных обрат­ ных напряжений принимают, исходя из следующего:

а) для неуправляемых вентилей серии В (ВК, ВКД, ПВК) равными 50% напряжения загиба обратной ветви вольтамперной характеристи­ ки вентилей при температуре 140° С;

б) для тиристоров серии Т — 60% наименьшей из величин напряжения переключения прямой ветви или на­ пряжения загиба обратной ветви вольтамперной характеристики при температуре 125° С;

в) для лавинных вентилей серии ВЛ и ТЛ — 80% наименьшей из величин лавинообразования обратной ветви вольтамперной ха­ рактеристики или напряжения переключения прямой ветви вольт­ амперной характеристики при температуре 125± 10° С;

г) для симисторов ВКДС — 70% наименьшей из величин напря­ жения переключения при температуре 110° С.

Величины номинальных обратных напряжений в соответствии с классом вентилей, по данным каталога, приведены в табл. 10.

162

Т А Б Л И Ц А 10

Величины номинальных обратных напряжений (в вольтах)

Лавинные диоды изготовляют на номинальные обратные напря­

Величины падения напряжения при номинальном прямом токе (в вольтах)

Группы вентилей Диоды Тиристоры

Указанные в таблице величины являются средними за период при температуре окружающей среды 25° С.

Обычно на корпусе вентиля, кроме обозначения типа и номи­ нального тока, указывается еще класс и группа вентилей, например: ВКДЛ-200-8Б — вентиль кремниевый, диффузионный, лавинный с воздушным охлаждением на 200 а, 8-го класса, группы Б. Кроме того, на корпусе вентиля имеются: условный знак завода-изготови- теля, знак — указывающий проводящее направление и год изготов­ ления. Номер вентиля обычно наносится на наконечник гибкого вывода.

Максимальная допустимая температура нагрева электронно-ды­ рочного перехода в длительном режиме работы для разных венти­ лей приведены в табл. 12. По данным каталога при кратковремен­ ных перегрузках (длительность до 30 сек) допускается несколько более высокая (примерно на 15—20° С) температура, а при аварий-

ных перегрузках длительность до 10 мсек температура р—«-перехо­ да может достигать 300—400° С.

I- Температура окружающего воздуха для кремниевых вентилей с воздушным охлаждением допускается в пределах от —50 до —40° С.

Для воздушного охлаждения вентилей применяют охладители серий МП — медные пластинчатые, М — медные ребристые, А — алюминиевые (из алюминиевых сплавов) ребристые; для водяного

А-4, А-7 и А-10. Активная площадь охлаждения у охладителей М-6 равна 720 см2, у охладителя М-10—1170 см2, у охладителя А-7 — 840 см и у охладителя А-10 — 1950 см2.

Как уже было сказано выше, вентили соединяются с охладителя­ ми при помощи резьбового соединения. Для охладителей из алю­ миниевых сплавов применяются специальные медные контактные пластины, с помощью которых вентиль включается в цепь тока по­ мимо охладителей.

При естественном воздушном охлаждении ребра охладителей доджны располагаться в вертикальной плоскости, при принудитель­ ном охлаждении — параллельно направлению воздушного потока.

Для того чтобы не повредить вентиль и резьбу охладителя при ввертывании вентиля в охладитель и одновременно создать надеж­ ное контактное соединение между вентилем и охладителем, закру­ чивающий момент при ввертывании вентиля в охладитель для охла­ дителей М-6, М-10, А-7 и А-10 должен быть не более 5 кГм.

Скорость охлаждающего воздуха при принудительном воздуш­ ном охлаждении по ГОСТ 10662—63 для кремниевых вентилей на номинальный ток 200 а — 12 м/сек. По последним данным заводаизготовителя скорость охлаждающего воздуха для вентилей на но­ минальный ток 200 а должен быть не менее 5—7 м/сек.

164

Скорость воздуха измеряется анемометром. При отсутствии анемометра скорость воздуха можно измерить при помощи жид­ кости, помещенной в стеклянной трубке диаметром 4—16 мм (рис.

120).

Подсчет скорости воздуха производится по формуле

. - У * * " ,

1 У

где H = hрж, v — скорость воздуха, м/сек; h — разность уровней жидкости, м; рж— удельный вес жидкости, кг/м3;

В процессе работы в полупроводниковом вентиле происходят непрерывные колебания температуры р—я-перехода: нагревание его при протекании тока и остывание при прекращении протекания тока. Непрерывные колебания температуры р—«-перехода приво­ дят в итоге к «старению» вентиля, которое заключается в том, что при частых циклах «нагрев — остывание» припой, с помощью кото­ рого соединяются отдельные внутренние элементы вентиля, кристал­ лизуется и становится хрупким, что может привести к нарушению контакта внутри вентиля, т. е. к обрыву его цепи.

Допустимое число циклов «нагрев — остывание» зависит от ко­ лебания температуры р—«-перехода. Чем меньше колебания темпе­ ратуры, тем больше допускается циклов «нагрев — остывание».

Допустимые величины и продолжительность перегрузок в ава­ рийных режимах для кремниевых вентилей приведены в табл. 13.

Т А Б Л И Ц А 13

Допустимые величины и продолжительность перегрузок (в секундах)

Количество перегрузок в течение 30 мин не должно превышать двух, а интервалы между перегрузками должны быть не менее

5 мин.

Вентили должны выдерживать в течение 10 сек без пробоя ам­ плитудное обратное напряжение, равное полуторному номинально­ му обратному напряжению при рабочей температуре.

165

§ 23. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ

Полупроводниковый выпрямитель в зависимости от принятой схемы выпрямления и от схемы соединения силового трансформато­ ра может быть включен по мостовой или нулевой схеме.

С начала внедрения полупроводниковых выпрямителей промыш­ ленностью был освоен выпуск выпрямительных агрегатов для тяговых подстанций городского электрического транспорта ВАК-1000/600-Н, ВАК-2000/600-Н и ВАК-3000/600-Н. Обозначения типов агрегатов расшифровываются следующим образом: выпрями­ тельный агрегат с выпрямителем на кремниевых вентилях, на но­ минальный выпрямленный ток 1000, 2000 или 3000 а, номинальное выпрямленное напряжение 600 в, работающий по нулевой схеме.

Агрегат состоит из силового трансформатора, выпрямительного блока, шкафа управления, шкафов или панелей защиты и быстро­ действующего катодного выключателя.

Выпрямительные блоки соответственно типам выпрямительных агрегатов обозначаются БВК-1000/600-Н, БВК-2000/600-Н и БВК-3000/600-Н, что означает: блок выпрямительный кремниевый на номинальный выпрямленный ток 1000, 2000 или 3000 а, номи­ нальное выпрямленное напряжение 600 в, работающий по нулевой схеме.

Указанные выпрямительные блоки состоят из нелавинных вен­ тилей.

В 1968 г. промышленность освоила выпуск выпрямительных бло­ ков из лавинных вентилей, поэтому в буквенное обозначение типа выпрямительного агрегата и выпрямительного блока добавляется: буква Л (ВАКЛ и БВКЛ).

Выпрямительные блоки с нелавинными вентилями (БВК) с 1970 г. сняты с производства.

Каждая фаза или плечо выпрямительного блока состоит из вен­ тилей, соединенных параллельно и последовательно.

Параллельное соединение вентилей применяется, когда номи­ нальный ток фазы или плеча превышает номинальный ток отдель­ ных вентилей.

Последовательное соединение вентилей применяется для обес­ печения электрической прочности фазы или плеча в непроводящую часть периода, когда к фазе приложено обратное напряжение.

Число параллельно включенных вентилей в фазе или плече щ определяется из расчета, что ток фазы или плеча / а выпрямителя должен быть меньше суммарного номинального тока параллельна включенных вентилей / н.веНт-

При параллельном включении вентилей ток между ними распре­ деляется неравномерно, что приводит к перегреву и более быстро­ му выходу из строя вентилей, по которым протекает большой ток,.

166

и недостаточному использованию вентилей по току. Неравномер­ ное распределение тока между параллельно включенными вентиля­ ми происходит вследствие того, что вентили практически несколько отличаются друг от друга своими прямыми ветвями вольтамперных характеристик и тепловыми сопротивлениями.

Для выравнивания тока между параллельно включенными вен­ тилями можно применять омические сопротивления, включаемые последовательно с вентилями, или индуктивные делители тока.

Омические сопротивления, включаемые последовательно с вен­ тилями, применяются редко из-за появления дополнительных по­ терь и снижения коэффициента полезного действия выпрямителя.

В установках большой мощности, как правило, применяются ин­ дуктивные делители тока.

На рис. 121 приведена схема индуктивного делителя тока для двух параллельно соединенных вентилей. Делитель состоит из сталь­ ного сердечника, на котором намотаны две одинаковые обмотки, включенные таким образом, что создаваемые ими магнитные потоки противоположны по направлению. При неравенстве тока в парал­ лельных ветвях в сердечнике возникает результирующий магнитный поток, который создает дополнительное падение напряжения в об­ мотке с меньшим током. Этим достигается выравнивание тока в обмотках и в параллельно включенных вентилях. Для выравнивания тока в параллельных вентилях требуется небольшая по величине э. д. с., поэтому обмотки делителя состоят из небольшого количества витков.

На рис. 122 приведена схема индуктивного делителя тока для трех параллельно включенных вентилей. Делитель состоит из трех­ стержневого магнитного сердечника с двумя обмотками на каждом стержне. Каждый из параллельно включенных вентилей подклю­ чается к фазе через две последовательно соединенные обмотки, расположенные на разных стержнях. При увеличении тока в одной

167

параллельной ветви индуктируется дополнительная э. д. с. в других двух ветвях, чем достигается выравнивание тока в обмотках дели­ теля и вентилях. Таким же образом выполняются делители и при большем числе параллельно включенных вентилей.

Число последовательно включенных вентилей в каждом плече или фазе выбирается из расчета, чтобы суммарное номинальное об­ ратное напряжение всех последовательно включенных вентилей бы­ ло бы больше максимального обратного напряжения, приходящего­ ся на плечо или фазу при избранной схеме выпрямления (мостовая или нулевая)

включенных вентилей; п 0бр.макс — максимальное обратное напряже­ ние на фазу или плечо при данной схеме выпрямления; Ки— коэффициет запаса по напряжению, принимаемый равным 1,45—1,8.

Следовательно, число последовательно включенных вентилей п% будет

Иобр.макс т,

П2= ------------- Ки.

Мобр.вент

Число последовательно включенных лавинных вентилей выби­ рается равным

Мобр.макс , ,

п2= ---------------Ь 1.'

Мобр.вент

Для обеспечения равномерного распределения обратного напря­ жения между последовательно соединенными вентилями, параллель­ но вентилям подключается цепочка последовательно соединенных шунтирующих резисторов Rm, имеющих равные по величине сопро­ тивления, которые служат делителем напряжения. Величина сопро­ тивления шунтирующих резисторов Rm выбирается в зависимости от класса и числа последовательно включенных вентилей в преде­ лах 1,5—5 ком.

Неравномерность распределения тока по параллельным ветвям фазы или плеча не должна превышать ±5% среднего измеренного тока в параллельной ветви, а при токе нагрузки выше 100% номи­ нального режима до тока короткого замыкания не должна превы­ шать ±10% . Неравномерность распределения обратных напряже­ ний на вентилях не должна превышать ±10% среднего рабочего обратного напряжения, приходящегося на вентиль.

На рис. 123 приведена схема соединения одной фазы выпрями­ тельного блока БВК-Ю00/600-Н.

Выпрямители БВК с нелавинными вентилями выпускались заво­ дом со шкафами защиты от перенапряжений на стороне перемен­ ного и выпрямленного тока.

Защита от перенапряжения на стороне переменного тока этих выпрямителей состоит из конденсаторов С1 и резисторов R 1, сое­ диненных в звезду или треугольник, которые подключаются через

168

С

У _ В

R

Катодная

шина

предохранители к фазам вторичной обмотки трансформатора (рис. 124). В этой защите применяются конденсаторы КМ-2-3,15 емкостью 7,5—8 мкф, резисторы ПЭ-150, мощностью 150 вт и сопротивлением 5 ом и предохранители ПК-3 с плавкой вставкой на 7,5 а.

Защита от коммутационных перенапряжений со стороны выпрям­ ленного тока осуществляется двумя конденсаторами С2 ИМ-5-150, емкостью 150 мкф, включенными параллельно. Последовательно с ними включаются параллельно два резистора R2 по 5 ом. Конден­ саторы с резисторами включаются между положительным и отри-

Рис. 125. Схема защиты от перенапряжений со стороны вентильной обмотки трансформатора и выпрямленного тока

дательным полюсами выпрямительного агрегата через предохрани­ тель ПК-3 с плавкой вставкой на 50 а.

В результате исследований, проведенных Академией коммуналь­ ного хозяйства, величина перенапряжений на выводах вентильной обмотки ненагруженного трансформатора при включении его масля­ ным выключателем может достигать 5 кв, а при отключении — 15 кв. Эти перенапряжения превышают электрическую прочность включа­ емых последовательно вентилей.

Перенапряжения на шинах распределительного устройства по­ стоянного тока при отключении быстродействующим выключателем токов короткого замыкания на линии не превышают 2 кв, т. е. не превышают электрической прочности последовательной цепи венти­ лей. Но на вентили могут воздействовать перенапряжения, возни­ кающие в результате сложения перенапряжений при отключении токов короткого замыкания в линии быстродействующими выклю­ чателями с перенапряжениями от коммутации тока в самих вен­ тилях.

170