Защита тиристоров от перенапряжений.

В силовых полупроводниковых преобразователях различают следующие виды перенапряжений:

– внешние перенапряжения, возникающие как со стороны питающей сети, так и со стороны нагрузки;

– внутренние перенапряжения, возникающие при коммутациях в преобразователях;

– перенапряжения, обусловленные эффектом накопления носителей в полупроводниковых приборов при коммутации тока.

a) Для защиты силовых полупроводниковых вентилей от коммутационных перенапряжений в процессе их переключений, а также от коммутаций в цепи нагрузки, параллельно вентилям включают индивидуальные RC – цепочки.

Конденсатор и резистор должны как можно меньшую собственную индуктивность. Для того, чтобы защитная цепочка имела в целом возможно меньшую, она должна быть размещена непосредственно около вентиля.

Произведем расчет параллельной RC – цепочки для защиты прибора от коммутационных перенапряжений, возникающих при переключении тиристоров.

При выходе вентиля из работы на него действует величина линейного напряжения U₂_л. Изобразим расчетную схему (рис.5)

Рис. 6

На схеме L_sΣ = 2L_s_ф.=2*866*10^-4=5, 732*10^-4 – суммарная индуктивность рассеяния двух соседних фаз.

Применяемый тиристор имеет критическую скорость нарастания напряжения, равную (du /dt )_кр. = 100 В/мкс. Выберем ограничение с запасом (du /dt ) = 50 В/мкс. Тогда (*), т.к. мало по сравнению с .

В момент коммутации | U_2m_л | = L(di/dt) (**). Из выражений (*) и (**) выразим величину сопротивления RC – цепочки:

Ом.

Так как в схеме на рис.5 есть два накопителя электромагнитной энергии, то в ней будут возникать колебания напряжения, что нежелательно. Поэтому ограничим выброс коммутационного перенапряжения величиной U_{vs max} = 1.25 U_2m_л, что соответствует коэффициенту демпфирования , где Ом – величина критического сопротивления.

Выразим величину емкости конденсатора в RC – цепочке

Ф.

Подставим числовые данные и определим величины R и С:

;

Мощность резистора определим из выражения

Цепью разряда конденсатора RC – ветви являются резистор и включенный тиристор. Следовательно, вентиль будет испытывать дополнительную токовую нагрузку. Определим величину токовой добавки

Суммарная величина среднего тока через вентиль и добавки при разряде конденсатора не должна превышать допустимого значения I_п.к. = 80 А при заданных условиях охлаждения. Проверим это

I_Σ = 33, 3 + 1, 9 = 35, 150 A. < < [I_п.к.] A.

б) Защита от перенапряжений, возникающих при коммутациях в цепи нагрузки.

Рассмотрим наихудший (с точки зрения нагрузки на полупроводниковый прибор) случай перенапряжения, когда происходит отключение индуктивной нагрузки от работающего преобразователя, и величина э.д.с. самоиндукции складывается с фазным напряжением, действующим на вентиль.

Для того, чтобы использовать уже рассчитанную выше RCA – цепочку для данного вида перенапряжении, выполним проверочный расчет величины (du/DT) при воздействии суммарной э.д.с., равной

Е^пер_Σ = Е₂_m_ф + Е_н._max = ·102 + 100 = 244, 296 B.

Тогда

Следовательно, данная RC – цепочка может служить защитой как от перенапряжений, вызванных коммутациями с вентиля на вентиль, так и в цепи нагрузки.

На основе данных расчета выбираем элементы защитной RC – цепи.

Выбор резистора.

Из справочника выбираем металлооксидный резистор с подавленной реактивностью – тип МОУ:

– резистор имеет номинальное сопротивление R_н. = 150 Ом ( );

– номинальная мощность Р_н =0, 5 Вт;

– ТКС в диапазоне температур от – 60 ˚ С до + 200 ˚ С;

– температура окружающей среды – Т_окр. = ˚ С;

– предельное импульсное напряжение U_и_m = 360 В.

Геометрические размеры: наружный диаметр D = 1, 6 мм, длина L=16, 5 мм, d = 3 мм.

Выбор конденсатора.

Выбираем фторопластовый конденсатор К72 – 11А емкостью С=0, 1мкФ ( ).

Корпус типа ЦИ (Ц – цилиндрический, И – изоляционный).

Параметры:

– номинальное напряжение U_н = 500 В;

– температура окружающей среды – Т_окр. = ˚ С;

– величина тангенса угла потерь – ;

– сопротивление изоляции вывод – вывод R_из. = 20 ГОм

Геометрические размеры: диаметр D = 58 мм, длина L = 78 мм,

длина выводов l = 18 мм.

Так как были выбраны реальные элементы цепи защиты, то необходимо сделать оценку, как изменилась скорость нарастания фронта напряжения – (du /dt) для вариантов защиты а) и б):

Для случая перенапряжения а):

< [(du /dt)_кр. =100

В/мкс].

Δ (du/dt)=68, 652–50=18, 652 В/мкс, т.е. порог ограничения скорости нарастания напряжения при коммутации с вентиля на вентиль увеличился на 18, 652 В/мкс.

для случая перенапряжения по пункту б):

Следовательно, порог ограничения скорости нарастания напряжения при коммутациях в цепи нагрузки повысился на Δ (du/dt)=67, 126-58, 648=8, 478 В/мкс.

в) Защита от перенапряжений, которые попадают в преобразователь из питающей сети, вследствие атмосферных разрядов, процессов переключения в соседних устройствах, например при работе выключателей или перегорании предохранителей, или из-за резонансных явлений, обусловленных наличием гармоник в сетях, склонных к резонансу.

Длительные перенапряжения этого типа опасны не только для преобразователя, но и для других потребителей, для их ограничения необходимо использовать внешние по отношению к преобразователю устройства. Но по ТУ необходимо предусмотреть защиту преобразователя от кратковременных превышений напряжения в сети.

Параллельно каждому комплекту вентилей подсоединим RC – цепочки, объединенные в треугольник. При расчете резисторов такого защитного устройства (ЗУ) будем исходить из условия, что при действии напряжения величиной U_пер._m = 3кВ в течение 1 мкс на резисторе должно выделиться порядка 1 Дж тепла.

Итак,

Следовательно, величину сопротивления резистора ЗУ определим как

Величину емкости конденсатора ЗУ определим, используя выражение, полученное выше (коэффициент демпфирования ξ и значение L_sΣ остаются теми же):

По данным расчета выбираем элементы ЗУ (треугольник из RC – цепочек).

Выбор резистора ЗУ:

Тип резисторов треугольника из RC –цепей выбираем таким же, что и для защиты приборов при внутренних коммутациях, т.е. резистор металлооксидный типа МОУ с параметрами:

– номинальное сопротивление R_н. = 10 Ом ( );