6. Защита от перенапряжений и сверхтоков.

В устройствах и установках силовой электроники полупроводниковые вен­тили (тиристоры, диоды) являются элементами, которые в наибольшей степе­ни чувствительны к перегрузкам по току и напряжению. Так как они явля­ются наиболее ценными компонентами силовых электронных устройств, а методы защиты других обычных элементов (трансформаторов, реакторов и т.д.) не отличаются какими-либо особенностями от общепринятых, то оста­новимся лишь на вопросах защиты полупроводниковых вентилей. Основное внимание при этом уделим вопросам защиты вентилей, используемых в вы­прямителях.

6.1. Защита от перенапряжений.

При разработке защитных мер от перенапряжений необходимо установить причину их появления, их амплитуду и энергию. Амплитуда перенапряжений, возникающих в самом преобразователе или установке, в большинстве случа­ев может быть определена заранее.

Если источник перенапряжений находится вне преобразователя, определить их амплитуду и энергию бывает сложнее или это даже оказывается невоз­можным. При этом можно основывается на данных, которые получают из результатов измерений и статистической обработки.

Основными видами перенапряжений являются:

1. Перенапряжения, которые попадают в преобразователь из питающей сети , они возникают:

а) из-за процессов переключения в соседних устройствах, например, при работе выключателей или перегорании предохранителей;

б) из-за атмосферных разрядов, таких как молния;

в) из-за резонансных явлений, обусловленных наличием гармоник в се­тях, склонных к резонансу.

2. Перенапряжения, которые могут возникать:

а) из-за наличия в вентилях накопленного заряда неосновных носителей при выключении;

б) из-за бросков тока при подключении к сети или отключении транс­форматора преобразователя;

в) при перегорании быстродействующих предохранителей, защищаю­щих полупроводниковые вентили.

3. Перенапряжения, которые попадают в преобразователь из цепи нагрузки, например, возникающие за счет процессов в цепи якоря, или цепи возбужде­ния машины постоянного тока, или за счет быстрого изменения тока при сильно индуктивной нагрузке (питание обмоток электромагнитов, электриче­ская дуга).

6.2. Виды защиты от перенапряжений.

Так как перенапряжения первой группы опасны и для других потребителей, для их ограничения используются внешние по отношению к преобразователю устройства, предусматривающиеся в питающей сети. Перенапряжения с ампли­тудой (1,5÷3)U_{с ном}, где U_{c нoм} – номинальное напряжение сети, могут снижаться с помощью средств, приведенных ниже, что в сочетании с выбором вентилей соответствующего класса по напряжению гарантирует надежный режим экс­плуатации.

Перенапряжения второй группы, обусловленные эффектом накопления за­ряда в вентилях, могу быть ограничены на уровне (1.2÷1.3) U_с,_ном с помощью RC-цепочки, включаемой параллельно каждому тиристору или диоду преобразователя (рис. 6.1).

Конденсатор и резистор должны иметь как можно меньшую собствен­ную индуктивность. Для того, чтобы защитная цепочка имела в целом воз­можно меньшую индуктивность, она должна быть размещена непосредствен­но около вентиля. Емкость конденсатора в защитной цепочке тиристора со­ставляет обычно С=0,1÷2 мкФ. Она часто задается изготовителем вентилей.

Рис. 6.1. Простая RC - цепь

П одобные RC-цепочки вместе с индуктивностью схемы или специально включаемой последовательно с каждым тиристором индуктивностью одно­временно служат для ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt для устранения эффекта самопроизвольного включения тиристора.

Рис. 6.2. Многофункциональная RC – цепь с разделением элементов

Используется также многофункциональная RC-цепь с разделением элемен­тов (рис.6.2). Здесь цепочка R₂C₂ ограничивает перенапряжения, вызываемые эффектом накопления заряда в тиристоре. Сопротивление R₃ много больше, чем R₂ и служит для разряда конденсатора C₂. Цепочка R₁C₁ ограничивает скорость нарастания прямого напряжения du/dt, а диодный мост VD1–VD4 препятствует разряду конденсатора C₁ при включении.

Рис.6.3. Схема поключения защитного устройства ЗУ:

Т – трансформатор преобразователя; П - преобразователь

Перенапряжения 1 и 2 группы могут быть ограничены с помощью об­щего защитного устройства ЗУ, включаемого параллельно входу преобразователя П (рис.6.3). Ограничение достигается за счет совместного действия этого уст­ройства и индуктивности рассеяния преобразовательного трансформатора Тр или последовательно включенного реактора и питающей сети. В качестве простейшего ЗУ применяются RC - цепочки (рис. 6.4 ).

Рис. 6.4. Защитное устройство с RC - цепями

Ч асто в качестве ЗУ используется общая для трех фаз RC-цепочка, вклю­ченная через выпрямитель, который предотвращает быстрый разряд конден­сатора через тиристор при его включении (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Защитное устройство с RC - цепями

Во многих случаях в качестве защитных используются элементы с сильно нелинейной характеристикой. Для лавинных диодов и специальных селеновых ограничителей напряжения, имеющих несимметричную характери­стику, применяется схема ЗУ (рис. 6.7).

Рис.6.6. Вольт-амперная характеристика нелинейных элементов Рис.6.7. Защитное устройство на базе элементов с

для ограничения перенапряжений (несимметричная харак- сильно нелинейными характеристиками

теристика):U₀ – напряжение ограничения

Для симметричных ограничителей напряжения, таких, например, как два встречно включенных лавинных диода, в симметричном кремниевом ограни­чителе напряжения, выполненном в виде единой структуры, или металлоокисидном варисторе применяется следующая схема ЗУ (рис.6.9)

Рис. 6.8. Вольт-амперная характеристика нелинейных Рис. 6.9. Защитное устройство на базе

элементов для ограничения перенапряжений (симмет- элементов с сильно нелинейными

ричная характеристика): U₀-напряжение ограничения характеристиками

Ограничители с нелинейной характеристикой должны рассеивать значи­тельную мощность и иметь резко выраженный излом (угол) на характери­стике при переходе от состояния "а" с высоким сопротивлением к состоянию "в" с небольшим динамическим сопротивлением в режиме ограничения на­пряжения.

Металлооксидные варисторы в значительной степени удовлетворяют этим требованиям. Кроме того, они просты в изготовлении и поэтому часто приме­няются для ограничения перенапряжений (в том числе и вызванных эффектом накопления заряда в вентилях).

Энергия, которая может быть рассеяна при работе подобных устройств за­щиты от перенапряжений, как правило, соизмерима с энергией, запасаемой в трансформаторе преобразователя при холостом ходе.

В неуправляемых выпрямителях с лавинными диодами устройства защиты, как правило, не требуются.

Для предотвращения перенапряжений третьей группы и для уменьшения их вредного действия на полупроводниковые вентили при питании нагрузок со значительной индуктивностью можно использовать добавочные резисторы, неуправляемые шунтирующие нагрузку цепи с диодами или выпрямители по несимметричным мостовым ("полууправляемым") схемам, а при питании индуктивных цепей с реверсом тока - управляемые шунтирующие цепи с тиристорами, включаемыми при появлении соответствующих перенапряжений.