5. Проект вентильной части преобразователя

Вентильная часть преобразователя содержит в себе следующие элементы:

1) полупроводниковые вентили (диоды или тиристоры), соединенные в плечи и секции;

2) охладители для отвода тепла от вентиля в окружающую среду и систему охлаждения;

3) систему управления в тиристорных агрегатах;

4) несущие конструкции и конструктивные узлы.

Заданием на курсовую работу предусмотрен расчет группового соединения вентилей заданного типа. Характеристики остальных элементов вентильных конструкций следует представить в виде описания.

От правильного выбора вентилей и расчета их количества зависят экономичность и надежность преобразователя.

5.1. Выбор вентилей

По принципу действия силовые полупроводниковые вентили делятся на неуправляемые (диоды) и управляемые (обычные тиристоры, запираемые тиристоры – GTO, GCT и IGCT, тиристоры с полевым управлением MCT, биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT). В настоящее время на тяговых подстанциях эксплуатируются преобразователи, созданные на базе диодов и обычных тиристоров. Каждый вид приборов подразделяется на типы по значениям максимально допустимого среднего прямого тока. Приборы одного типа подразделяются на классы по значениям повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии. По конструктивному выполнению виды приборов делятся на подвиды: простые и лавинные, штыревые и таблеточные.

В маркировке вентилей приняты следующие обозначения приборов по видам: Д – диод; ДЛ – диод лавинный; Т – тиристор; ТЛ – тиристор лавинный.

Обозначения подвидов выполняются тремя знаками, следующими за буквенным обозначением: первый знак – порядковый номер модификации; второй – цифра в зависимости от размера шестигранника под ключ для штыревых и диаметра корпуса для таблеточных приборов; третий – цифра в зависимости от конструктивного исполнения корпуса приборов, при этом если корпус прибора выполнен штыревым с гибким выводом, то ставится цифра 1, при штыревом с жестким выводом – 2, при таблеточном исполнении – 3, под запрессов-ку – 4, фланцевый – 5.

После обозначения вида конструкции прибора ставится число, означающее максимально допустимый средний прямой ток. После этого числа через дефис цифрой указывается класс прибора, соответствующий числу сотен вольт повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии. Класс диода и тиристора может быть любым (1 – 16 (включительно) и затем – 18, 20, 22, 24, 28, 32, 36, 40, 44, 50).

Подробное обозначение силовых полупроводниковых приборов приведено в литературе 4, 17.

Пример обозначения лавинного диода таблеточной конструкции на ток 200 А и обратное напряжение 1200 В с импульсным прямым напряжением 1,15 В будет таким:

ДЛ133-200-12-1,15.

Выбор вентиля проводится по следующим критериям:

1) по назначению преобразователя и режиму работы. При неуправляемом выпрямителе необходим диод, при управляемом выпрямителе или инверторе – тиристор. При проектировании выпрямительно-инверторного агрегата можно использовать только тиристоры или выполнять выпрямительную часть на диодах, а инверторную – на тиристорах;

2) по принципу охлаждения. Одни из первых и до сих пор эксплуатируемых преобразователей тяговых подстанций электрифицированных железных дорог (УВКЭ-1, УВКЭ-1М, ПВЭ-3, ПВЭ-3М) имеют принудительное воздушное охлаждение вентилей. Преобразователи (В-ТПЕД, ТПДЕ-Ж), выпускаемые в настоящее время, имеют естественное воздушное охлаждение с применением охладителей на базе тепловых труб.

На данной стадии проектирования следует принять ту или иную систему охлаждения, определить в соответствии с указаниями справочника [17] рекомендуемый охладитель для выбранного вентиля, иначе нет возможности определить тепловые сопротивления вентилей и охладителей;

3) по конструктивному исполнению приборов. Можно выбрать вентили штыревого или таблеточного типа.

В последнее время наибольшее распространение получили лавинные таблеточные вентили прижимной конструкции, значительно облегчающей работу прибора в условиях циклической токовой нагрузки и предотвращающей быстрое разрушение контактных соединений;

4) по допустимому среднему току прибора. Выбор по этому критерию ответственный и трудный. Исходным является значение среднего тока вентильного плеча I_{V ср}, рассчитанное по формуле (9), которое сравнивается с током одного вентиля.

При реальном проектировании конструктор рассчитывает несколько вариантов с различными вентилями и выбирает оптимальный, для студента при выполнении данной курсовой работы главная цель – овладеть методикой расчета, поэтому допустим в какой-то степени субъективный подход.

Нагрузочную способность силовых полупроводниковых приборов характеризует максимально допустимый средний ток – среднее за период значение прямого тока, протекающего через прибор в однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока с углом проводимости 180^о, когда при установившемся тепловом состоянии температура корпуса равна заданному значению, а температура перехода – максимально допустимой.

Использование приборов в конкретной схеме с отличной от 180 продолжительностью проводящего состояния, с иной формой тока и принятой системой охлаждения приведет к изменению значения максимально допустимого среднего прямого тока диода (тиристора) I_FAVm (I_TAVm) по сравнению с приведенным в обозначении данного типа вентиля.

Сравнивая значения допустимого тока одного вентиля с расчетным значением тока вентильного плеча I_V.ср, необходимо иметь в виду сказанное выше.

При выборе вентиля по току следует учитывать, что чем меньше значение допустимого тока I_FAVm (I_TAVm), тем больше число параллельных ветвей в плече, что осложняет наладку и эксплуатацию, ведет к увеличению потерь энергии и т. п. Более десяти вентилей в параллель соединять не рекомендуется.

Если взять вентиль с неоправданно большим током, то может возрасти стоимость преобразователя, а резервные вентили еще больше ее увеличат;

5) по классу прибора. Выбор основан на сравнении максимального напряжения на вентильном плече U_V.max, рассчитанного в подразд. 3.1, с допустимыми напряжениями для выбранного вентиля, определяемыми его классом.

При выборе класса вентиля следует учитывать, что чем меньше класс прибора, тем больше число последовательно соединенных вентилей в плече, что осложняет наладку и эксплуатацию преобразователя, ведет к увеличению потерь энергии и т. п. Если взять вентиль с неоправданно большим классом, то может возрасти стоимость преобразователя, а резервные вентили еще больше ее увеличат.

Для выбранных вентиля с охладителем принимаются из справочных материалов [17], каталогов или из прил. 1 и 2 необходимые для дальнейших расчетов параметры, которые следует представить в табличной форме.