Мартынов_силаI. А. А. Мартынов силовая электроника
 Скачать 4.22 Mb.
|
|
Вопросы для самоконтроля. Как рассчитать коэффициент передачи управляемого выпрямителя. При какой форме опорного сигнала СИФУ регулировочная характеристика управляемого выпрямителя имеет линейный характера коэффициент передачи постоянный 6.11. Передаточная функция управляемого выпрямителя без учета сглаживающего фильтра вцепи постоянного тока) Управляемый выпрямитель управляется не непрерывно, а дискретно. Интервал между управляющими импульсами является переменной величиной и определяется не только числом фаз управляемого выпрямителя, но и скоростью изменения управляющего сигнала. С учетом сказанного, управляемый выпрямитель, как и любое импульсное устройство, имеет ограниченную полосу пропускания частот управляющего сигнала. Напомним, что тиристоры являются не полностью управляемыми полупроводниковыми приборами, поскольку открытие тиристора происходит в момент подачи импульса управления, а запирание его происходит в моменты спада тока, протекающего через него, до нуля. Нетрудно показать, что приуменьшении напряжения управления продолжительность интервала между соседними импульсами управления увеличивается на некоторую величину ∆λ = α 2 – α 1 , так как за время работы тиристора сигнал управления успевает измениться и вызвать соответствующее увеличение угла регулирования α 2 С другой стороны, увеличение ∆α уменьшает продолжительность λ на величину ∆λ. Выходное напряжение управляемого выпрямителя при этом нарастает с темпом k тп (dU у /dt). При уменьшении у темп снижения выходного напряжения управляемого выпрямителя [k тп (dU у /dt)] будет иметь место только при условии, что скорость изменения сигнала управления (убудет меньше скорости изменения опорного сигнала (оп, те. у | < | оп. Исходя из этого можно сделать важный вывод перевод преобразователя из инверторного режима в выпрямительный режим может осуществляться сколь угодно быстро, а из выпрямительного режима в инверторный – с темпом, не превышающим значение, определяемое частотой сети f c . Теоретически управляемый выпрямитель полностью теряет свою управляемость при частоте сигнала управления больше величины, определяемой произведнием 0,5k т m 2 f с . Практически полоса пропускания управляемого выпрямителя ограничивается частотой питающей сети. В этой полосе частот управляющего сигнала управляемый выпрямитель может рассматриваться как безынерционное звено скоси- нусоидальной зависимостью выходного напряжения от угла регулирования В отличие от силовой части управляемого выпрямителя СИФУ может вносить фазовые сдвиги величины угла регулирования α относительно напряжения управления у. Наличие этого фазового сдвига объясняется инерционностью элементов, входящих в состав СИФУ. Основное влияние здесь оказывает фильтр, который устанавливается на входе СИФУ для повышения помехоустойчивости СИФУ и управляемого выпрямителя в целом. В зависимости от использования, СИФУ, как инерционное звено, обычно приводится к виду апериодического звена первого порядка, или звена с чистым запаздыванием, или к тому и другому вместе. Управляемый выпрямитель с безынерционной СИФУ при отсутствии вцепи управления апериодических звеньев практически эквивалентен звену чистого запаздывания с постоянной времени τ = 1/(2k т m 2 f c ). Передаточная функция управляемого выпрямителя в зоне линейности регулировочной характеристики выпрямителя в целом ) ð W ð k Для выпрямителей, питающихся от общепромышленной сети f c = 50 Гц с инерционной системой управления, имеющей постоянную времени Т с.у > 0,0064 с, или при безынерционной СИФУ, нос задатчиком интенсивности изменения входного сигнала (апериодическим звеном с постоянной времени Т > 0,0064 c), чистое запаздывание учитывать ненужно. Тогда передаточная функция выпрямителя по управляющему воздействию имеет следующий вид: W в (р) = k в /(Т с.у р + 1) или W в (р) = k в /(Т 0 р + 1). В том же случае, когда инерционность управляемого выпрямителя мала по сравнению с инерционностью нагрузки, а частота сигнала управления существенно меньше частоты квантования (равной частоте пульсаций выпрямленного напряжения, те. у << 2k т m 2 ω с , управляемый выпрямитель может быть представлен безынерционным звеном с коэффициентом передачи в, т. е. W в (p) = k в (210) Вопросы для самоконтроля. При каком соотношении параметров СИФУ можно не учитывать чистое запаздывание в передаточной функции управляемого выпрямителя. В каком случае передаточная функция управляемого выпрямителя может быть представлена безынерционным звеном 166 7. ЗАЩИТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ОТ СВЕРХТОКОВ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ Сверхтоки в полупроводниковых преобразователях возникают при аварийных режимах работы. К аварийным режимам работы рассмотренных выше полупроводниковых преобразователей следует отнести внешние короткие замыкания на стороне переменного и постоянного тока нарушения вентильных свойств полупроводниковых вентилей, те. способность вентиля выдерживать обратные напряжения нарушение запирающих свойств полупроводникового вентиля тиристоров) в прямом направлении пропуск включения отдельных полупроводниковых вентилей тиристоров, возникающий в результате нарушения работы СИФУ. В выпрямителях и тиристорных регуляторах первые два вида аварийных режимов приводят к появлению сверхтоков и перена- пряжений во всех силовых элементах. Вторые два вида аварийных режимов в выпрямителях и тиристорных регуляторах вызывают ухудшение формы кривой выходного напряжения, перегрузку отдельных вентилей потоку, что может привести к пробою вентиля В инверторах все четыре вида аварийных режимов приводят к опрокидыванию инвертора – к короткому замыканию цепей постоянного и переменного тока. Наибольшую опасность для нарушения целостности вентиля представляют сверхтоки и перенапряжения [6]. Для предотвращения повреждений элементов преобразователей при аварийных режимах необходимо предусмотреть в них специальные защитные устройства Перенапряжения на вентилях возникают не только в тяжелых аварийных режимах, но ив нормальных (штатных) режимах работы преобразователя. Это объясняется тем, что электрические цепи преобразователей содержат реактивные элементы – дроссели икон- денсаторы, в которых происходят колебания энергии на интервалах коммутации тока с одного вентиля на другой. Вследствие этого на элементах схемы могут возникать значительные коммутационные перенапряжения, представляющие опасность для вентилей и других элементов преобразователя. Поэтому для уменьшения пе- ренапряжений в контурах с вентилями необходимо устанавливать элементы, способные ограничить величину перенапряжения или устранить их вообще Наиболее простыми, дешевыми и надежными элементами для защиты от электромагнитных импульсов являются защитные диоды, металлооксидные варисторы и газовые разрядники [11]. Отметим, что эти элементы имеют различные ВАХ, различное быстродействие, различные возможности по поглощению энергии электромагнитного импульса, определяемые в основном теплоемкостью и предельной температурой полупроводникового элемента. Защитные диоды по принципу действия аналогичны полупроводниковым стабилитронам [11]. Однако они имеют некоторые особенности по сравнению с обычными стабилитронами. Во-первых, большую часть времени они работают в ждущем режиме, те. в допро- бойной области ветви ВАХ. При этом они имеют малые токи утечки и практически не оказывают влияния на работу схемы, в которой они установлены. Обычно этот режим нормируется. В предпробойной области нормируется значение напряжения, при котором обратный ток диода достигает определенной заданной величины например или 10 мА). В области обратимого пробоя защитные диоды имеют крутую ВАХ с малым значением дифференциального сопротивления, что позволяет пропускать через них в течение короткого времени (обычно до 10 мс) весьма большие токи (до сотен ампер. При этом обычно оговаривается максимальное значение импульсной мощности, которую может рассеивать защитный диод при определенных параметрах импульса (обычно ограничивается длительность фронта и длительность импульса. Это говорит о том, что диод может поглотить определенную ограниченную величину энергии (произведение мощности на длительность импульса. Если эта величина по каким-либо причинам превышается, то защитный диод выходит из строя, но он устроен таким образом, что при этом его выводы закорачиваются, что обычно оговаривается фирмой-изготовителем. Это свойство весьма ценно, так как во многих случаях лучше пожертвовать недорогим защитным диодом, чем дорогой аппаратурой, которую он защищает. Защитные диоды имеют весьма высокое быстродействие (до 1 пси пропускают большие токи в импульсе, при этом мощность, рассеиваемая диодом в импульсе, может достигать 1,5 кВт и более. Однако защитные диоды обладают малой теплоемкостью и относительно низкой предельной температурой кристалла, что обусловливает сравнительно небольшую энергию, которую он может поглотить без разрушения. Защитные диоды выпускаются двух видов – однонаправленные и двунаправленные. Однонаправленные используются в обратном направлении в режиме обратного пробоя, а в прямом направлении ведут себя как обычные диоды с малым дифференциальным сопротивлением. Двунаправленные защитные диоды эквивалентны встречному включению двух однонаправленных защитных диодов ив допробойной области имеют большое сопротивление в обоих направлениях. Представляется полезной установка однонаправленного защитного диода на входе преобразователя при питании его от источника постоянного тока. В этом случае он защищает преобразователь от двух неблагоприятных воздействий – перенапряжений и переполюсовки входной сети. Если защитный диод установлен после дросселя входного фильтра, то дроссель будет несколько ограничивать амплитуду тока, протекающего через диод при его срабатывании. При длительном перенапряжении или переполюсовке сетевой предохранитель, установленный на входе преобразователя, далеко не всегда спасает защитный диод от выхода из строя. Все зависит от быстродействия предохранителя. Однако даже при выходе из строя защитного диода необходимо помнить, что в этом случае недорогой защитный диод спасает более дорогой преобразователь. Для защиты цепи нагрузки преобразователя защитный диод устанавливают на выходе преобразователя. В случае отказа цепи обратной связи преобразователя по напряжению, связанного с обрывом этой цепи или с отказом какого-то элемента (например, оптрона, на питаемую преобразователем аппаратуру, содержащую часто очень дорогие компоненты (например, микропроцессоры, может быть подано напряжение, значительно превышающее допустимое, что может привести к выходу из строя всех активных компонентов и конденсаторов. При установке защитного диода в этом случае ток через него резко возрастает, что приводит либо к срабатыванию устройств защиты потоку преобразователя, либо, в крайнем случае, к срабатыванию сетевого предохранителя. Второй элемент, применяемый для защиты полупроводниковых преобразователей и их элементов, – варистор. Варистор – это переменный и нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения. При изготовлении варистора порошкообразный полупроводник, например SiC, запрессовывают вместе со связующим веществом (глиной, жидким стеклом, органическими лаками) в форму и запекают при температуре 1700 С. Уменьшение R с ростом напряжения связано спадением сопротивления между зернами SiC. Это происходит вследствие нелинейного роста тока через р-п-переходы, которые образуются на этих контактах из острых участков зерен в результате автоэлектронной эмиссии. Варистор следует включать параллельно защищаемому устройству или элементу. При возникновении импульса перенапряжения варистор в силу нелинейности своей ВАХ резко уменьшает свое сопротивление до долей ома и шунтирует устройство, защищая его и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически не имеет инерции, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление и прохождение тока через него прекращается. Таким образом, включение варистора параллельно защищаемому устройству не оказывает никакого влияния на работу этого устройства в нормальных условиях, но мгновенно срезает импульсы перенапряжения при их появлении. Металлооксидные варисторы имеют быстродействие несколько хуже защитных диодов (до 25 нс, но пропускают значительно большие импульсные токи и могут поглотить значительно большую энергию – до нескольких десятков джоулей (в зависимости от размеров варистора. Для уменьшения импульсов перенапряжения, возникающих на полупроводниковых вентилях, параллельно вентилю часто подключают защитные цепочки, которые часто называют снаббер- ными цепочками. Перенапряжения в преобразователях могут возникать также вовремя различного рода включений, отключений, переключений в схеме с помощью специальных переключающих устройств, контакторов и реле. Чтобы уменьшить подобные перенапряжения, необходимо обеспечить правильный выбор местоположения переключающих элементов и соответствующую последовательность их переключения, выбор оптимальной скорости прерывания тока, использования специальных разрядников (например, варисторов, уменьшающих величину этих перенапряжений. Сверхтоки приводят к перегрузке вентиля потоку, которая в свою очередь может привести к выходу вентиля из строя. Полупроводниковые структуры вентилей обладают низкой теплоемкостью, поэтому их перегрузочная способность оказывается невысокой. Это объясняется тем, что в процессе изготовления вентилей имеется тенденция к интенсивному использованию р-n-переходапутем повышения плотности тока при усиленном теплоотводе. Перегрузочная способность вентиля определяется предельной температурой нагрева переходов и допустимым числом циклов изменения температуры от предельно допустимой до минимальной величины Температура перехода определяется мощностью потерь и условиями охлаждения, которые в свою очередь зависят от среднего значения тока в вентиле, величины прямого падения напряжения на вентиле, формы тока и теплового сопротивления вентиля. Допустимое число циклов изменения температуры связано сиз- нашиванием полупроводниковой структуры вследствие возникновения механических усилий, стремящихся изменить размеры структуры при перепадах температур. Ввиду низкой теплоемкости и структурного износа от чрезмерного нагрева для полупроводниковых вентилей недопустимы перегрузки потоку, которые могут возникнить при аварийных режимах работы преобразователя. Поэтому каждый полупроводниковый преобразователь должен снабжаться защитой от перегрузок, вызванных сверхтоками. Защита от сверхтоков может осуществляться с помощью различных устройств в зависимости от характера перегрузки. Если перегрузки возникают при наличии в схеме достаточных индуктивных сопротивлений, ограничивающих нарастания тока в течение нескольких периодов сети переменного тока, то необходимая защита может быть выполнена в виде плавких предохранителей и контакторов. При выборе плавкого предохранителя следует помнить, что срабатывание предохранителя происходит от действующего значения протекающего через него тока, а не среднего или мгновенного. Поэтому предохранитель следует выбирать по действующему значению тока. На практике находят применение и самовосстанавливающиеся предохранители (multifuse) – компоненты, предназначенные для защиты электронных и полупроводниковых устройств от перегрузки потоку или от перегрева. Принцип их работы основан на свойстве резко увеличивать свое сопротивление под воздействием проходящего тока или температуры окружающей среды и автоматически восстанавливать свои первоначальные свойства после устранения этих причин. Диапазон рабочих температур от минус 40 до 85 °С. Может быть применена защита, в которой используются запирающие характеристики тиристоров. В последнем случае при установлении обратной связи с нагрузкой управляющий сигнал может быть снят с тиристора, в результате чего тиристор надежно запирается в течение последующего цикла после возникновения аварийного режима. Если сверхток возникает при наличии незначительных индуктивных сопротивлений в схеме (режим глухого короткого замыкания на выходе преобразователя или внутреннего короткого замыкания вследствие пробоя вентиля, в результате чего сверхток достигает максимальной величины в течение одного полупериода, то необходимо применять быстродействующие защитные устройства, способные прервать ток прежде, чем он достигнет опасного значения, те. в течение небольшой доли полупериода напряжения сети переменного тока. Для этой цели применяют быстродействующие электронные устройства защиты или быстродействующие предохранители. Вопросы для самоконтроля. Укажите причины появления сверхтоков и перенапряжений в схемах выпрямления. Укажите возможные способы защиты управляемого выпрямителя от сверхтоков. 3. Укажите возможные способы защиты управляемого выпрямителя от перенапряжений. 4. Сравните по быстродействию плавкие предохранители, само- восстанавливающиеся предохранители и электронную защиту 172 8. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ ПОЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ. Справочные данные по диодам Таблица Диоды лавинные Параметр ДЛ112-10 ДЛ112-16 ДЛ112-25 ДЛ122-32 ДЛ122-40 ДЛ132-50 ДЛ132-63 ДЛ132-80 Максимальное обратное напряжение U в.обр max , В 400–1500 Допустимый средний ток I в.ср , А, 16, 25 32, 40 50, 63, Ударный неповторяющийся ток I уд max , А, 270, 300 440, 550 1100, 1200, Действующее значение прямого тока I в.д , А 15, 25, 39 50, 62 78, 98, Пороговое напряжение ∆U в.пр , В 0,92 0,87 Дифференциальное сопротивление R в.диф , мОм 9,3; 5,7 5,3; 3,85 3,4; 2,6; Время обратного восстановления t обр.восст , мкс 6,3; 6,7 7,1; 7,2 9,3; 9,8; Вероятность безотказной работы зач Тип охладителя 0221-60 0231-80 Таблица Диоды лавинные сильноточные Параметр ДЛ161-200 ДЛ171-320 ДЛ133-500 Максимальное обратное напряжение U в.обр max , В 400–1400 Допустимый средний ток I в.ср , А 320 Ударный неповторяющийся ток I уд max , кА 6,0 8,2 8,0 173 Параметр ДЛ161-200 ДЛ171-320 ДЛ133-500 Действующее значение прямого тока I в.д , А 500 Пороговое напряжение ∆U в.пр , В 0,92 0,87 Дифференциальное сопротивление R в.диф , мОм 0,5 Время обратного восстановления, мкс 25 Вероятность безотказной работы зач Тип охладителя 0181-110 0141-150 Таблица Диоды частотные Параметр ДЧ151-80 ДЧ151-100 ДЧ161-125 ДЧ161-160 ДЧ171-250 ДЧ171-320 Максимальное обратное напряжение U в.обр max , В 500–1400 Допустимый средний прямой ток I в.ср , А 100 125; 160 250; Ударный неповторяющийся ток I уд max , кА 2,7; 3,0 5,0; 5,5 8,8; Действующее значение прямого тока I в.д , А 157 196; 251 393; Пороговое напряжение ∆U в.пр , В 1,06 1,2; 1,05 1,2; Дифференциальное сопротивление R в.диф , мОм 1,7 1,87; 0,86 1,3; Время обратного восстановления, мкс 2,0–3,2 Вероятность безотказной работы зач Тип охладителя 0151-80 0161-80 Окончание табл. 16 174 Таблица18 |