Выбор тиристоров

3.8.1. РАСЧЕТ ТИРИСТОРОВ

Основным параметров, по которому осуществляется выбор тиристоров для преобразователей, работающих на частотах 5÷1000 Гц, является предельно допустимый средний ток, протекающий через прибор в открытом состоянии I_ос.ср. Этот ток для унифицированных низкочастотных тиристоров серии Т, определяется на заводах – изготовителях экспериментально в классификационной однополупериодной схеме выпрямителя при работе на активную нагрузку при α=0. Следовательно, I_ос.ср – это постоянная составляющая однополупериодной волны синусоидального тока.

При этом за номинальное значение принимают такой ток I_ос.ср, который разогревает полупроводниковую структуру прибора до предельной рабочей температуры T_Птах при определённых условиях охлаждения. Значение I_ос.ср, определенное при принудительном

охлаждении с номинальными скоростью и температурой охлаждающего воздуха, указывается в обозначении тиристора

Первая задача, которую решает разработчик при выборе тиристоров – определяет условия их охлаждения.

По действующим нормативным документам при проектировании тиристорных выпрямителей, подключаемых к промышленным сетям, рекомендуется применение принудительного охлаждения тиристоров при выходной мощности преобразователя P_d ≥250 кВт при напряжениях U_d ≥200 В. Для низковольтных выпрямительных установок принудительное охлаждение принудительное охлаждение применяется при 1_dH ≥1200÷1500 A.

При меньших мощностях (токах) применяется естественное охлаждение тиристоров. Радиаторы (охладители), на которых закрепляются тиристоры, охлаждаются естественными восходящими конвекционными потоками без принудительного обдува. На основе данных рекомендаций осуществляется выбор условий охлаждения тиристоров в проектируемой установке. В ТП, подключаемых к промышленным сетям рекомендуется использовать унифицированные низкочастотные тиристоры серии Т.

Рассчитаем максимальное значение среднего тока, протекающего через тиристор в проектируемом преобразователе:

где: К₁₁ и К₁₂ - коэффициенты запаса по току, физический смысл и рекомендуемые численные значения которых приведены в п. 3.5. и в п. 3.6., а значения коэффициента по току даны в п. 3.2.. Долее по данным справочной таблицы из методического указания подбираем тиристор и тип охладителя, исходя из условия I_ос.ср≥I_vсрmax. Причём ближайшее значение I_ос.ср выбирается из столбца при соответствующих условиях охлаждения.

При работе выбранного тиристора в реальном преобразователе условия его работы, как правило, отличаются от классифицированных. Эти отличия касаются формы и длительности тока, протекающего через тиристор и температуры охлаждающей среды. Воспользуемся выражением для определения среднего допустимого тока.

где:

Т_Пmax – допустимая рабочая температура полупроводниковой структуры (для унифицированных тиристоров принимают равной 125°С);

Т_с – температура охлаждающей среды (температура воздуха при классификационных испытаниях принимается равной 40 °С);

R_Т(П-С) – полное установившееся тепловое сопротивление «переход-среда» для выбранного типа радиатора (охладителя) и при принятых условиях охлаждения;

– коэффициент тока (для однополупериодного тока синусоидальной формы

ТС

в классификационной схеме К_ф = — = 1,57);

U₀ – пороговое напряжение тиристора;

r_дин – динамическое сопротивление тиристора в открытом состоянии;

Используя выражение (22) для классификационной схемы, можно определить значения R_Т(П-С) для выбранного охладителя.

Для определения I_{ос ср} в реальных условиях эксплуатации вновь используем выражение (22),поставив в него рассчитанное по выражению (23) значение R_Т(П-С) и новые значения К_ф и

T_{П max}.

Если ТС особо техническим заданием не оговаривается, а преобразователь предназначен для работы в цеховых условиях для средней полосы России, то в летний период температура охлаждающего воздуха под кожухом преобразователя может достигать

Т_Стax = 50÷55°С.

Зависимость К_ф = f (λ) представлена в таблице 2.

В паспортных данных тиристоров не указывается конкретные значения параметров тиристора по напряжению. Задача их выбора решается проектировщиком.

Основными параметрами, определяющими способность тиристора выдерживать приложенное напряжение являются:

· U_ЗСП (V_DRM) – допустимое повторяющееся импульсное напряжение между анодом

и катодом в закрытом состоянии;

· U_ОБРП (V_RRM) – повторяющееся допустимое импульсное напряжение в обратном направлении.

Унифицированные низкочастотные тиристоры выпускаются равными значениями этих параметров U_ЗСП = U_OБРП . Тиристоры могут иметь U_ЗСП в пределах от 100 до 2000 В с дискретными значениями параметра через 100 В. Значение U_ЗСП в сотнях вольт называется классом тиристора по напряжению. Тиристоры могут иметь класс от 1^го до 20^ти. С повышением класса стоимость прибора возрастает. Следовательно, избыточный запас при выборе тиристора по напряжению экономически неоправдан. К тиристору в условиях эксплуатации прикладывается:

1. рабочее напряжение с амплитудой U_ртaх;

2. периодические импульсные напряжения с амплитудой U _mmax;

3. непериодические напряжения с амплитудой U_{неп max};

Каждый из этих перенапряжений не должно превышать соответствующий показатель тиристора.

Максимально возможная амплитуда рабочего напряжения:

где:

K_H1; K_α; K_R; K_vU – определены в п. 3.5.

Определив U_{р max} можно рассчитать основной параметр тиристора по напряжению, используя выражения:

где: [...] - означает целую часть числа, заключённого в скобки, а K_ЗН - коэффициент соотношения рабочего и периодических напряжений, равный 0,6.

Выходная мощность проектируемого преобразователя при номинальной нагрузке

двигателя составит при рабочем номинальном напряжении

U_dH =U_ЯН = 154B.

Максимальное значение среднего тока через тиристор составит

I_{v cp max} = K₁₁ ∙ K₁₂ ∙ K_vi ∙ I_ЯН = 1,15 ∙ 1,02 ∙ 1/3 ∙ 858 = 335,48 А.

В соответствии с 1_жср > 335,48 А в графе допустимых средних токов при

принудительном охлаждении выбираем значение 1_{ос ср} = 400 А, которое является основным

токовым параметром тиристора Т133-400 при использовании серийного охладителя 0143-150 и при номинальных условиях охлаждения (скорость потока воздуха V = 12 м/с, температура

охлаждающего воздуха Т_с - 40°С).

3.8.2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ТИРИСТОРА Т133-400

§ Максимально допустимый средний ток в классификационной схеме

I_{ос ср max} = (I_TAVM) = 400 A;

§ Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии I_{ос уд} = (I_{TSM (10)}) = 10 кА, при

t_П = (t_i) = 10 мс и T_Пmax = 125°С;

§ Критическая скорость нарастания анодного тока

§ Критическая скорость нарастания анодного напряжения: в зкрытом состоянии

при U_{з ср} = 0,67U_ЗСП и T_П = 125°C по группам:

Таблица 3

Группа	-	4	5
	В / мкс	200

• Пороговое напряжение в открытом состоянии U₀ = (U_T(TO)) ≤ 1,1 B;
• Максимальная температура перехода при отсутствии перегрузок Т_{П max} = (T_Jm) = 125°С;

§ Динамическое сопротивление в открытом состоянии r_дин = (r_T) ≤ 0,57 10^-3 Ом;

§ Время включения t_вкл = (t_dt) ≤ 25 мин;

§ Время выключения t_выкл = (t_dt) ≤ 500 мин при T_П = 125°С;

§ Отпирающее напряжение управления t_{y от} = (t_GT) ≤ 3,5 B при T_П = 25°С и U_ЗС = 12 В;

§ Ток удержания в открытом состоянии I_зсп =(I_PRM) ≤ 30 мА;

§ Повторяющийся импульсный обратный ток I_обрп = (I_RRM) = 30 мА;

• Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

U_зсп = (U_PRM) = (U_RRM) = 400÷1600 B;

На основании полученных данных рассчитаем полное сопротивление «переход-среда»:

Для проектируемого преобразователя продолжительность открытого состояния тиристоров в режиме непрерывного тока составляет Тогда по таблице 2. имеем К_ф = 1,73. Принимаем предельно возможную температуру охлаждающего воздуха для цеховых условий Т_с равной 50°С. Определяем значение 1_{ос ср} для тиристора Т133-400 при изменённых условиях эксплуатации:

I_{oc cp} = 346 A; I_{oc cp max} = 400 A

Полученное значение удовлетворяет неравенству 1_жср < I_occpmsx, что подтверждает правильность выбора тиристора по току.

Максимально возможная амплитуда периодического напряжения в трёхфазной нулевой

схеме составит:

U_{p max} = K_H1 ∙ K_H2 ∙ K_α ∙ K_R ∙ K_vU ∙ U_ЯН = 1,15∙1,1∙1,05∙1,05∙2π/3∙154=449,8 В

Тогда имеем:

Значит выбираем тиристор 7-ого класса по напряжению с параметрами:

U_зснп = 1,12U_СЗП = 951,6;

U_СЗП = 849,6;

U_ЗСР = 0,6U_ЗСП = 509,76

Часть II. РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

4. РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ ТРЁХФАЗНОЙ НУЛЕВОЙ СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

4.1. РАСЧЁТНОЕ ЗАДАНИЕ

Рассчитать наработку до отказа трёхфазной нулевой схемы выпрямителя, работающего на обмотку возбуждения двигателя постоянного тока (рис. 3). Напряжение сети переменного тока 380/220 В, напряжение сети постоянного тока 11 _dH =15/?, номинальное значение тока

обмотки возбуждения 1 _т = 858/4. Условия эксплуатации - внутрицеховые; считать что