Выбор тиристора по току и напряжению

Выбор и расчет тиристоров.

Средний ток тиристора:

Максимальный ток тиристора:

Максимальное обратное напряжение на тиристоре:

Выбор тиристоров производится в соответствии с параметрами I_vcp и U_vобр, затем тиристоры проверяются на I_доп.ср.

Выбор номинального тока тиристора.

Максимально допустимый средний ток тиристора, указанный в паспортных данных (номинальный ток), определен при так называемых квалификационных условиях (частоте 50 Гц, однополупериодном синусоидальном токе, температура корпуса 85 0 С, угле проводимости 180 0 и т.д.). Реальные условия работы (особенно охлаждение) полупроводниковых приборов в значительной степени отличаются от квалификационных, что затрудняет выбор тиристора по току. Предварительное значение номинального тока в предполагаемых условиях охлаждения определяются по соотношению:

, где

K₀ – коэффициент условий охлаждения тиристора (K₀ = 2…4 при естественном охлаждении тиристоров на стандартных радиаторах), К_iw = 0.5…0,8 – коэффициент запаса по рабочему току, принимаем К₀ = 2, К_iw = 0.65:

Выбор класса тиристора по рабочему напряжению.

Класс тиристора определяется допустимым значением повторяющегося импульсного напряжения , деленным на 100. Напряжение тиристора не должно быть меньше амплитуды рабочего напряжения на тиристоре. Уровень запаса выбирается из условия получения приемлемых параметров устройств ограничения перенапряжений и потерь в них.:

> , где

– коэффициент запаса по рабочему напряжению, =0,5…0,8 выбираем =0,7.

= / 0,7 = 687,89 В.

Выбираем полупроводниковый прибор со значением , наиболее близким к рассчитанному. Выбираем тиристоры типа Т123-200-7.

Охладители предназначены для отвода тепла от полупроводникового прибора и создания приемлемого теплового режима. Выберем охладитель типа О123-100.

Параметры тиристора приведены в таблице 2.

Параметр	Предельно допустимое значение
Средний ток в открытом состоянии, Ivср,А
Действующий ток в открытом состоянии, Iос,А
Повторяющееся импульсное обратное напряжение, Uзс В
Пороговое напряжение U0 , В	1,1
Максимально допустимая температура перехода Тп.мах	125 0 С
Дифференциальное сопротивление Rд , Ом	0,0015
Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии, А/мкс
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии, dUзс/dt , В/мкс
Установившееся тепловое сопротивление переход — среда,°С/Вт	0,08

В нормальном режиме работы температура p-n перехода не должна превышать максимального допустимого значения, для чего необходимо выполнить условие:

Максимально допустимый средний ток тиристора определяется по реальным условиям охлаждения и работы прибора:

где U₀ – пороговое напряжение; R_Д – дифференциальное сопротивление тиристора в открытом состоянии, Ом; Т_П.МАХ – максимально допустимая температура p-n перехода; Т_С – температура окружающей среды; R_Т(П-С) – установившееся тепловое сопротивление переход – среда, Кф – коэффициент формы тока, равный отношению действующего значения тока к среднему.

Так же Кф определяется из графика зависимости от угла управления. Используя шестипульсную схему выпрямления, данный коэффициент определяем по кривой №4. При α=0° Кф=2.65.

Тепловое сопротивление переход-среда определяется суммой тепловых сопротивлений переход — корпус, корпус — охладитель, охладитель — среда

+0,70=0,8

Система параметров тиристора по току и напряжению.

Основными параметрами, характеризующими возможности тиристоров, являются предельно допустимые значения повторяющеюся импульсного обратного напряжения и максимального среднего прямого тока (усредненного по всему периоду для периодических токов).

Кроме предельных параметров, важными параметрами являются:

· прямое напряжение (напряжение на выводах тиристора, обусловленное прямым: током);

· обратный ток (ток через диод яря приложении обратного напряжения);

· время обратного восстановления (параметр, характеризующий и время, восстановления блокирующих свойств тиристора).

Указанные параметры обычно приводятся в техническом паспорте на прибор, а более подробная информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах — в технических условиях на прибор.

При выборе тиристора по условиям предельно допустимого тока следует учитывать эффективность охладителя, совместно с которым используется тиристор.

Иначе говоря, предельное значение тока рассчитывается из условий охлаждения прибора для каждого конкретного тина охладителя.

Кроме этого указывается:

1. Время, включения t_gt тиристора. Это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения анодого напряжения на тиристоре до 10% начального значения при работе тиристора на активную нагрузку.

2. Время выключения t_q тиристора (назывемое также временем восстановления запирающей способности тиристора). Это время oт момента, когда прямой ток становится разным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать (не открываясь) напряжение, прикладываемое в прямом направлении с определенной амплитудой и скоростью нарастания.

3. Критическая скорость нарастания прямого напряжения (du_D/dt)_crit. Это максимально допустимое значение скорости нарастания прямого напряжения при разомкнутой цепи управляющего электрода. При превышении допустимого значения (du_D/dt)_erit происходит самопроизвольное включение тиристора.

4. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (di_T/dt)_crit. Это наибольшее значение скорости нарастания тока в открытом состоянии, которую тиристор может выдержать без повреждения.

5. Ток в закрытом состоянии тиристора I_D. Это анодный ток тиристора в закрытом состоянии.

6. Ток в открытом состоянии тиристора I_H. Это наименьший анодный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом СОСТОЯНИИ.

Ток I_H необходимо учитывать при расчете минимальных нагрузок тиристорных преобразователей. Обычно для мощных тиристоров этот ток равен нескольким сотням миллиампер и зависит от температуры.

Система динамических параметров тиристора.

К динамическим параметрам тиристора относятся:

а) критическая скорость нарастания прямого напряжения (du/dt)crit. Это максимальное допустимое значение скорости нарастания прямого напряжения при разомкнутой цепи управляющего электрод. При превышении допустимого значения (du/dt)crit происходит самопроизвольное включение тиристора;

б) критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (di/dt)crit. Это наибольшее значение скорости нарастания тока в открытом состоянии, которую тиристор может выдержать без повреждения.

в) время переключения является одной из важнейших характеристик тиристора и определяет его быстродействие в схемах. Это складывается их времени включения (отпирания) и времени выключения (запирания).

Тиристоры, структурная схема, двухтранзисторная модель и ВАХ тиристора, условия и характеристики включения.

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

Структурная схема

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц. Конструктивное исполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Выбор тиристоров по току

Принцип действия полупроводниковых преобразователей электрической энергии основан на использовании силовых полупроводниковых приборов, которые делятся на следующие основные виды: диоды, тиристоры, симметричные тиристоры (симмисторы), транзисторы.

Выбор тиристоров осуществляется исходя из максимальной загрузки по току, которой соответствует номинальный режим работы электродвигателя.

Определяем I_Н — номинальный ток нагрузки электродвигателя:

где P_н — номинальная мощность электродвигателя (таблица 1.1), Вт;

U_н — номинальное напряжение на якоре электродвигателя (таблица 1.1), В;

з_н — номинальный КПД двигателя (таблица 1.1).

Подставив значения в формулу (1.1) получаем:

Рассчитаем среднее и действующее значение тока , протекающего через прибор, для режима работы с максимальной загрузкой по току:

Рассчитаем коэффициент формы тока:

Для номинального режима работы , а условия охлаждения соответствуют номинальным если при естественном охлаждении максимальная температура воздуха .

По условию 3.8 [1] предварительно выбираем тип прибора и охладитель по максимальному среднему значению тока :

где — коэффициент запаса, учитывающий отклонение режима работы и условий охлаждения от номинальных, , при улучшении, при ухудшении условий работы и охлаждения по сравнению с номинальными;

— коэффициент запаса по току в рабочем режиме (в отличие от режима перегрузки и аварийного режима), ;

— среднее значение тока, протекающего через тиристор, .

Принимаем и подставляем эти значения в условие 3.8 [1] получаем:

Из справочника [3, с 176] по силовым полупроводниковым приборам предварительно выбираем тиристоры Т 122-25 с типовым охладителем О221-60, с параметрами I_TAV.m = 14 А при естественном охлаждении и Т_а =40°С.

Выбор тиристоров по напряжению

Выбор СПП по напряжению осуществляется по формуле 3.13 [1]:

где — коэффициент запаса по рабочему напряжению, =1,65 … 2;

— максимальное значение рабочего напряжения, прикладываемого к СПП в схеме, ;

— номинальное значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к вентилю в конкретной схеме;

— коэффициент, учитывающий возможность повышения напряжения в сети, .

Примем и подставим полученные значения в выражение 3.13 [1], получим:

Таким образом, для данных тиристоров Т 122-25 с типом охладителя О221-60 =608,1 В, т.е. нужны диоды 7-го класса по напряжению — Т 122-25-7.

Выбор силового трансформатора

При проектировании трехфазной нулевой схемы трансформатор необходим для создания нулевой точки для питания нагрузки. Если U_ЯН=220В, то трансформатор нужен, т.к. получение необходимого напряжения за счет увеличения угла при отсутствии трансформатора приводит к большим пульсациям тока нагрузки.

Находим требуемое значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора по формуле 3.16 [1]:

где E₂ — ЭДС вторичной обмотки трансформатора, рассчитывается по формуле (1.5):

где U_Н — номинальное напряжение нагрузки; U_Н=220В;

k_схе — коэффициент схемы по ЭДС, k_схе=1,17 — трехфазная нулевая схема;

k_C — коэффициент, учитывающий возможность снижения напряжения в сети, k_C=1,1;

k_R — коэффициент, учитывающий падение напряжения на активных сопротивлениях трансформатора, падение напряжения на вентилях и падение напряжения из-за коммутации вентилей, k_R=1,05;

k_б — коэффициент, учитывающий неполное открывания вентилей, для реверсивных выпрямителей k_б=1,2;

Рассчитываем типовую мощность трансформатора по формуле 3.17 [1]:

где k_p — коэффициент, учитывающий превышение типовой мощности над мощностью постоянных составляющих; в нашем случае принимаем, что k_р = 1,345 — для трехфазной нулевой схемы.

Р — мощность постоянных составляющих напряжения и тока выпрямителя:

Находим S_T:

Находим полную мощность трансформатора по формуле 3.18 [1]:

где k_C — коэффициент, учитывающий возможность снижения напряжения в сети, k_C=1,1;

— коэффициент, учитывающий падение напряжения на активных сопротивлениях трансформатора, падение напряжения на вентилях и падение напряжения из-за коммутации вентилей, k_R=1,05;

— коэффициент непрямоугольности тока, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной, ;

S_T — типовая мощность трансформатора, S_T =9,7кВА.

Полученные нами значения подставляем в формулу 3.18 [1]:

Из каталога [1] выбираем трансформатор по соотношениям (3.19 [1]):

Выбираем трансформатор типа ТТ-25 (таблица П1.1 [1]) со следующими техническими данными (таблица 1.2):

Таблица 1.2 — Технические данные трансформатора ТТ-25.

Выбор тиристоров

Расчёт силового модуля

На основании номинальных данных преобразователя необходимо выбрать тиристоры, схему соединения и число вентилей в плече.

Для трехфазной мостовой схемы выпрямления при I_dн=500 А. и _тп = 2,25 выбираются тиристоры серии Т.

Тиристоры серии Т допускают эксплуатацию при температуре окружающей среды от -60° до +55°С с охладителями в соответствии с ТУ-16-729,377-83, с критической скоростью нарастания тока (di/dt) = 320 A/мкc. Время обратного восстановления тиристора не более 40 мкс, падение напряжения в открытом состоянии не более 2,0 В., максимально-допустимый средний ток с охладителем конструкции 0153 находится в пределах (225 640) А. при скорости охлаждающего воздуха соответственно (0 12) м/с.

На основании номинальных данных тиристорного преобразователя выбираем тиристор Т123-500-8-4-УХЛ-2.

Структура обозначения тиристора следующая:

1– порядковый номер модификации конструкции;

2 – обозначение диаметра корпуса;

3 – обозначение конструктивного исполнения корпуса

500 – максимально допустимый средний ток в открытом состоянии, при t_кopnyca=90С;

8 – повторяющееся импульсное напряжение

в закрытом состоянии, 800 В. (класс)

4 – критическая скорость нарастания напряжения в открытом состоянии, не менее 200 В/мкс для 4 гр.;

УХЛ – климатическое исполнение;

2 – категория размещения по ГОСТ 15150-69.

Число параллельно включенных тиристоров в плече определяется

где m=3 – число фаз питающей сети;

I_пр – предельный ток выбранного тиристора;

k₁ = 0,9 – коэффициент, учитывающий неравномерность загрузки параллельно включённых тиристоров;

k₂ = 0,9 – коэффициент, учитывающий неравномерную длительность включения тиристоров;

k₃ = 1 – для принудительного воздушного охлаждения;

I_пр – предельный ток выбранного тиристора;

По результатам расчётов принимается необходимое (целое) число параллельно включенных тиристоров в плече (принимается один тиристор в плече).

Число последовательно включенных тиристоров в плече

где — максимальное обратное напряжение на тиристоре

— коэффициент запаса по напряжению;

В. – номинальное напряжение тиристора (соответствует классу тиристора).

Так как число параллельно и последовательно включенных тиристоров принято равным единице, то нет необходимости в установке индуктивных делителей тока и делителей напряжения

Рисунок 3.2. Вентильная часть реверсивного тиристорного преобразователя, импульсный узел тиристора.

3.4. Расчёт индуктивности и выбор сглаживающего дросселя

Сглаживающий дроссель включается последовательно с якорем двигателя и его индуктивность рассчитывается следующим образом.

Критическая индуктивность силовой цепи из условия сглаживания пульсаций выпрямленного тока.

где

P₁% = 5% принятая величина действующего значения основной гармоники переменной составляющей выпрямленного тока.

Е_dnm — амплитуда основной гармонической выпрямленной ЭДС n-го порядка

Критическая индуктивность силовой цепи из условий ликвидации прерывистого режима на холостом ходу двигателя (принять 10% от , _яхх= ∙10% =0,1∙404,04=40,404 А.).

Индуктивное сопротивление

Из двух значений критической индуктивности выбирается большее, и по уравнению

определяется требуемая индуктивность сглаживающего дросселя L_сд

где β – эмпирический коэффициент, для компенсированных машин β=0,1;

р – число пар полюсов;

U_н, I_н, ω_н – соответственно номинальные значения напряжения, тока, частоты вращения двигателя

Выбирается один сглаживающий дроссель типа ФРОС–500/0,5У3 со следующими техническими данными: А., мГн.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

2.2. Расчет и выбор тиристоров

Тиристоры выбираются по среднему значению тока, протекающему через них и величине обратного напряжения. При этом должен быть обеспечен достаточный запас по току и напряжению.

Среднее значение тока тиристора:

(2.11)

где k_зi = 1,5 – коэффициент запаса по току;

k_ох – коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения силового вентиля. При естественном охлаждении k_ох = 0,35;

–коэффициент, принимаем по [1, табл.1.9], = 0,333.

Максимальная величина обратного напряжения:

(2.12)

где k_зU = 1,8 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети (включая режим холостого хода) и периодические выбросы U_обр, обусловленные процессом коммутации вентилей;

k_Uобр – коэффициент обратного напряжения, равный отношению напряжений U_bmax/U_d0, для мостовой схемы выпрямления k_Uобр=1,045;

U_d0 – наибольшая величина выпрямленного напряжения преобразователя (среднее значение за период). Для трехфазной мостовой схемы выпрямления U_d0 = 2,34 · U_2фн = 2,34 · 238.7= 558,6 В.

Условия выбора тиристоров :

Максимальный средний ток тиристоров открытом состоянии должен быть больше или равен значению ,I_{ос.ср.max}  18.3 А;

Повторяющееся обратное напряжение тиристора должно быть больше или равно значению ,U_обр.п  1051В

Из справочника [3] выбираем марку тиристоров (низкочастотных):

Параметры выбранных тиристоров сводим в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Наименование

Обозначение

Максимальный средний ток в открытом состоянии, А

Повторяющееся импульсное обратное напряжение, В

Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии, А

Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии, В/мкс

Ток удержания, мА

Импульсное напряжение в открытом состоянии, В

Отпирающий постоянный ток управления, мА

Время включения, мкс

Время выключения, мкс

Отпирающее постоянное напряжение, В

2.3. Расчет и выбор уравнительных реакторов

В мостовом преобразователе с совместным управлением присутствуют уравнительные токи.

Для уменьшения уравнительных токов в схему вводят 4 насыщающихся или 2 ненасыщающихся уравнительных реактора. Принимаем для расчета схему с двумя ненасыщающимися уравнительными реакторами.

Определяем индуктивность уравнительных реакторов по формуле [4,стр.133]:

(2.13)

где – коэффициент действующего значения уравнительного тока, принимаем по [4, стр. 158]= 0,62;

–амплитуда фазного напряжения, В

–круговая частота сети,  = 314 ;

–действующее значение уравнительного тока:

А (2.14)

для схемы выбираем 2 ненасыщающихся уравнительных реактора LR1 и LR2 с рассчитанной индуктивностью .

2.4. Расчет и выбор сглаживающих дросселей

Пульсации выпрямленного напряжения приводят к пульсациям выпрямленного тока, которые ухудшают коммутацию электродвигателя и увеличивают его нагрев.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие дроссели.

Определяем индуктивность сглаживающего дросселя по формуле [4, стр. 132]:

(2.15)

где k – кратность гармоники. Так как в симметричной мостовой схеме наибольшую амплитуду имеет первая гармоника, то принимаем =1;

p – количество пульсаций, принимаем по [1, табл. 2.1], p =6;

p_(1)% – допустимое действующее значение основной гармоники тока. Принимаем p_(1)% = 8%;

–амплитудное значение гармонической составляющей выпрямленного напряжения, определяем по [4,стр. 131]:

(2.16)

где – угол управления тиристорами,  = 30;

U_d0 – максимальное среднее значение выпрямленного напряжения,

 – круговая частота сети;

I_dн – номинальный выпрямленный ток преобразователя.

Так как индуктивность выбранного уравнительного реактора больше индуктивности сглаживающего дросселя (>), то отказываемся от установки последнего в силовую цепь преобразователя. Уравнительного реактора будет достаточно для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.