2.2 Проверка работоспособности тиристора при температуре нагреварабочим током

При f≤200 Гц потери в тиристоре определяются в основном потерями в полупроводниковой структуре в состоянии высокой проводимости

где U_T0 — пороговое напряжение;

r_T— динамическое сопротивление в открытом состоянии;

k_ф — коэффициент формы тока, который для прямоугольной формы тока равен л/3.

Согласно [6]

U_T(T0)= 1.1В;

= 0.25 мОм.

Температура структуры тиристора не должна превышать предельно допустимой

где T_jm =125º С для всех тиристоров;

ψ_T = 0,8 - коэффициент запаса (прил. Б).

Температура не должна превышать Tj≤100 º

где Т_a — температура окружающей среды (40°С).

Для режима неизменной нагрузки

где R_thja - тепловое сопротивление переход-среда( R_thja =0.1°С/Вт)

При циклической нагрузке

где Z_k — значение Z_(th)tja по графической зависимости в момент окончания аппроксимирующего участка t_k (приложение Г);

Z_H — значение Z_(th)tja в момент начала аппроксимирующего участка t_H;

t- текущее время в пределах от t_H до t_k.

Результаты расчета приведены в таблице 2.3

Таблица 2.3 — Результаты расчета

Режим	Неизменной нагрузки	Циклические режимы
IEM1,A	500	750	875	1000	1250
ITAV,A	166,67	250	291,67	333,3	375
PTAV,Bт	204,17	321,87	384,64	449,95	517,97
M	-	0,15	0,125	0,125	0,125
Zth(tn)	-	0,124	0,11	0,095	0,09
Zth(tц)	-	0,14	0,13	0,11	0,11
Zth(tn+tц)	-	0,147	0,134	0,116	0,113
ΔTj,°C	41,5	35,4	39,6	43,6	46,9
Tj,°C	81,5	75,4	79,6	83,6	86,9

2.3 Выбор класса вентиля по напряжению

Максимальное обратное напряжение

где U_EM- наибольшее амплитудное рабочее напряжение, прикладываемое в схеме к эквивалентному вентилю,

n-число последовательно соединенных вентилей в схеме эквивалентного СПП,

k_дн-коэффициент деления напряжения (при n=1, k_дн = 1);

ψ_UW- коэффициент нагрузки (по таблице в приложении Б).

k_с - коэффициент и равен 1,1

Тогда U_RRM≥423.5 В.

Класс тиристора по напряжению 5.

2.4 Выбор и обоснование способа подключения тиристорного преобразо­вателя к питающей сети

Для обеспечения нормального режима работы тиристорногопреобразователя необходимо выбрать такой способ его подключения к питающей сети при котором колебания напряжения от +10% до -15% (согласно ТУ) не были бы аварийными и обеспечивал номинальные параметры на нагрузке(Iн=500А, Uн=220В).

Общепромышленное напряжение низковольтной питающей сети 380В. Ориентировочно определяется напряжение на входе выпрямителя. Задается ориентировочно номинальный угол управления а_н =25 ÷ 30 эл. градусов.

где U_dn- номинальное выпрямленное напряжение;

U_d0- напряжение холостого хода;

ΔU_R- активное падение напряжения;

ΔU_B- падение напряжения в вентилях.

Принимаются Ud0 = 297 B, U2л =220 B.

При колебаниях питающей сети

Диапазон угла регулирования при колебании напряжения сети

Для таблеточных тиристоров угол восстановления запирающих свойств при tвык=250 мкс составит 6,6°. НаходитсяU_2л при а_н = 6,6°.

Из расчетов можно сделать вывод, что необходима специальная питающая сеть. Необходимо подключение понижающего трансформатора с напряжением на вторичной обмотке близким к 220 В.

Схема подключения выпрямителя к питающей сети показана на рис.2.3. Выберем групповой и понижающий трансформатор для питающей сети.

10кВ,50Гц

ТV1 - групповой трансформатор; ТV2 - понижающий трансформатор; Lр - реактор; VS11-16,VS21-26 - реверсивный преобразователь.

Рисунок 2.2 - Схема подключения выпрямителя к питающей сети

2.5 Выбор трансформаторов

Параметры группового трансформатора ТСЗП-2500 10УЗ

I_2фн = 3267 А, P_к.з.= 17500 В,

S_н = 2324 кВА, P_x.x= 5500 Вт,

e_k%=6.1%, I₀ = 1.2%,

U_2л =410 В.

Расчетная мощность трансформатора

где k_n.mp - коэффициент повышения расчетной мощности

трансформатора;

U_d0 - напряжение холостого хода трансформатора.

Согласно ТУ 717.052-79 выбирается трансформатор типа ТСП-160/0,7

узд/д-о

S_тр =143кВА, e_k% = 4.5%,

U_2л =380В, I_xx% = 5.2%,

U_2л=202 В, P_x.x= 795 Вт,

Р_кз = 2400 Вт.

Коэффициент трансформации

k_мр=U₁/U₂ , (2.27)

k_мр= 1,88.

Токи первичной и вторичной обмоток

Так как расчетное значение U_2л отличается от выбранного, необходимо уточнение α_н с учетом всех реактансов.

2.6 Расчет параметров реактора. Ток, протекающий через реактор

Мощность одной фазы трех фаз соответственно

3 МЕТОДИКА ИСЛЕДОВАНИЯ

3.1 Закономерности распределения токов и напряжений при включении тиристора

Схема включения тиристора и переходные процессы при включении тиристором активной нагрузки приведены на рис. 3.1. Включение происходит не мгновенно, так как должны произойти сложные физические процессы, связанные с накоплением носителей зарядов в средних слоях и расширением проводящего канала от управляющего электрода по всему объему. Для количественной оценки процесс включения разбивается на ряд интервалов. Время включения тиристора t_ВКЛ – это время от момента подачи управляющего импульса до момента спада напряжения на тиристоре до 0,1 начального значения (оно составляет несколько микросекунд)

t_ВКЛ = t_З + t_Н, (3.1)

где t_З– время задержки (время от момента подачи управляющего импульса до момента спада напряжения на тиристоре до 0,9 начального значения); t_Н– время нарастания (время изменения напряжения на тиристоре от 0,9 до 0,1 начального значения или нарастания тока от 0,1 до 0,9 установившегося значения).

Однако по истечении времени включения тиристор еще не полностью включается и напряжение на нем продолжает спадать до установившегося значения. Время спада напряжения на тиристоре от 0,1 начального до установившегося значения называется временем установления.

При включении тиристора мгновенная мощность потерь может достигать очень больших значений. Последовательно включенная индуктивная нагрузка L облегчить условия работы тиристора при включении (см. рис. 3.1). Это снизит скорость нарастания анодного тока и уменьшит потери при включении.

Рисунок 3.1- Переходные процессы включения тиристора

3.2 Закономерности распределения токов и напряжений при выключении тиристора

Переходный процесс выключения тиристора состоит из двух этапов:

1) восстановление запирающей способности в обратном направлении;

2) восстановление управляемости в прямом направлении.

На интервале 0 – t₁ тиристор находится во включенном состоянии (анодный ток равен I_УСТ, прямое напряжение равно U_Т). При приложение к тиристору скачком обратного напряжения анодный ток начинает умень-шаться (темп спада ограничивается индуктивностью L) – интервал t₁ – t₂. После спада анодного тока и анодного напряжения до нуля, начинается процесс обратного восстановления в течение времени t_rr. За это время p–n переход, образованный между управляющим электродом и катодом освобождается от заряда избыточных носителей Q_rr (дырок), накопленных в базовом p-слое тиристора. Время обратного восстановления t_rr складывается из двух интервалов

t_rr = t_s + t_f , (3.2)

где t_s– время запаздывания обратного напряжения; t_f – время спада обратного тока.

Заряд, вытекающий из вентиля за время обратного восстановления

Q_rr =Q_s + Q_f , (2.7)

где Q_s, Q_f – заряды, вытекающие из вентиля соответственно за время запаздывания обратного напряжения и за время спада обратного тока.

Таким образом, время обратного восстановления t_rr – это время от перехода прямого тока через нуль до перехода через нуль касательной к уменьшающемуся обратному току (составляет доли или единицы микросекунд).

Однако после этого нельзя подавать прямое напряжение на тиристор, так как заряд избыточных дырок в n-базе достаточно велик и мгновенно приведет к действию регенеративный механизм включения тиристора. Поэтому требуется время на рекомбинацию накопленного заряда дырок в базовом n-слое тиристора. За это время тиристор восстанавливает свою управляющую способность в прямом направлении.

Время выключения (время восстановления запирающей способности тиристора в прямом направлении) t_q – это наименьший интервал времени от момента спада тока до нуля, до момента перехода анодного напряжения через нуль без включения тиристора. Оно составляет 10…500 мкс и ограничивает частотные возможности тиристоров. Если время, предоставленное для выключения тиристора, меньше t_q, то происходит прорыв анодного тока, т.е. включение тиристора без подачи управляющего сигнала (это аварийный режим).

Рисунок 3.1- Переходные процессы выключения тиристора

П-101У4

Мощность, кВт 100

Напряжение, В 220

Номинальная частота об/мин 1500

Максимальная 1800

Кпд 89.5 момент инерции 2.575 кг*м