Импульсные режимы в силовой электронике

July 3, 2013 by admin Комментировать »

Пожалуй, дольше всего велись разработки, направленные на использование тиристоров в схемах с короткими импульсами большого тока. Свойство тиристоров защелкиваться в проводящем состоянии не позволяет их выключать при перегрузке, как это можно сделать, например, с IGBTтранзисторами. При использовании в цепях переменного тока тиристоры способны выдержать в системе ток короткого замыкания, достаточный для срабатывания автоматического выключателя, обеспечивающего минимизацию возмущений в системе электроснабжения. В этой главе мы рассмотрим принцип работы импульсных преобразователей большой мощности и особенности их конструирования. Автор имел честь работать над несколькими интересными проектами в этой области.

Защитные приборы

Применительно к большинству коммутационных изделий в спецификациях нормируется их способность работы в импульсных режимах. Так, защитные реле зависимо-замедленного типа имеют способность выдерживать большие токи в течение короткого времени без размыкания цепи. Элементы с мгновенным срабатыванием, конечно, должны быть рассчитаны на больший ток, чем максимально возможный рабочий. Существует множество видов защитных реле зависимо-замедленного типа, в вариантах исполнения на короткое и длительное время. Во всех них отводы от обмотки и задатчик времени срабатывания позволяют осуществлять в широких пределах подстройку времени и тока срабатывания. Например, в одном из типов этих реле, с большим временем срабатывания при заданном токе, контакты останутся замкнутыми в течение 1 с при токе в 5 раз больше заданного, 0.3 с — при токе в 10 раз больше заданного и 0.1 с — при токе в 40 раз больше заданного (в одном и том же положении задатчика времени срабатывания). Справочная документация производителей содержит более подробную информацию по защитным реле.

Выпускается множество плавких предохранителей с самыми разнообразными характеристиками и на почти все случаи жизни — от медленно перегорающих стеклянных до быстродействующих полупроводниковых и предохранителей для защиты трансформаторов и двигателей при напряжении среднего уровня. В технической документации приводятся кривые, связывающие ток и время перегорания предохранителей, а для полупроводниковых предохранителей — пороговый ток срабатывания за долю периода. Как правило, плавкий предохранитель не должен использоваться при среднеквадратичном значении импульсного тока свыше примерно 60% от тока сгорания при данной длительности импульса. Это гарантирует долговечность. Для получения более полной информации следует опять обратиться к справочной документации изготовителя.

Трансформаторы

Обычно трансформаторы в течение непродолжительного времени могут работать с превышением их температурных расчетных значений. Ограничивающим фактором может быть переходной процесс роста температуры, хотя, и намного чаще, раньше начинаются ограничения, накладываемые электромагнитными силами. Трансформаторы могут быть сконструированы с таким креплением обмоток, которое позволяет им выдерживать короткие импульсы тока, по амплитуде превышающие ток, ограниченный температурой, более чем в 15 раз. Например, четыре трансформатора, построенные для ускорителя Алкатор Токамак (Alcator CMOD Tokamak) в Массачусетском технологическом институте, были сконструированы с крестообразными сердечниками, окруженными цилиндрическими сердечниками из катаной стали, с чередующимися первичными и вторичными обмотками с высокопрочными обертками из полиэстерной стеклоткани. Каждый из трансформаторов был рассчитан на 3750 кВА постоянной мощности и 58000 кВА импульсной, при времени нарастания

2               с, длительности импульса 1 с и времени спада до нуля 5 с. Период повторения составлял 20 мин. Эти трансформаторы были введены в строй около 20 лет назад и отработали с тех пор многие тысячи импульсов. Подобные трансформаторы на разные мощности были использованы в источниках питания токамака в Окриджской национальной лаборатории (Oak Ridge

National Laboratories) (с импульсами 300 мс), в «Дженерал Атомик Компании» (General Atomic Company) и в Принстонской лаборатории физики плазмы (Princeton Plasma Physics Laboratory). Большинство из них были сухими, стержневого типа.

Стандартные трансформаторы обычно могут работать в импульсном режиме с нагрузкой, в 3—5 раз большей, чем расчетная нагрузка в непрерывном режиме, при условии, что рабочий цикл выбран так, чтобы средняя мощность не превышала расчетное значение для непрерывного режима эксплуатации. Трансформаторы должны быть сконструированы так, чтобы они выдерживали силы, развивающиеся при случайном коротком замыкании нагрузки, иначе говоря, они должны иметь способность выдать несколько периодов тока, к примеру, в 20 раз большего, чем расчетный. «Ловушка» состоит в том, что без специальных средств защиты и механического крепежа долговечность стандартных трансформаторов в режиме повторяющихся импульсных нагрузок может оказаться очень маленькой. Механические силы пропорциональны квадрату тока, и нет надежного способа определить устойчивость стандартного трансформатора к импульсному режиму работы.

В спецификациях трансформаторов, предназначенных для импульсных режимов работы, должны учитывать сопротивления и индуктивности рассеяния. Импульсные преобразователи обычно работают с большими коммутационными углами из-за высокого рабочего реактанса, присущего трансформаторам, предназначенным для импульсного режима работы. Например, трансформаторы в Массачусетском технологическом институте, упомянутые выше, были рассчитаны на максимальную индуктивность рассеяния 0.02 отн. ед., очень маленькое значение для непрерывного режима работы. Однако в импульсном режиме этот реактанс становится равным 0.02-15 = 0.30 отн. ед. В отсутствие перекрытия при коммутации выходное напряжение E& при полной нагрузке определяется формулой

где Ет — напряжение холостого хода; ХРи — реактанс рассеяния в импульсном режиме.

Падение напряжения на сопротивлении прямо вычитается из выходного напряжения. При внесении в спецификацию очень низкого значения реактанса цена трансформатора возрастает, что обусловлено отклонением его геометрии от оптимальной с экономической точки зрения конструкции. Низкий реактанс требует применения тонких и длинных обмоток, может потребоваться и их чередование. С другой стороны, высокое значение реактанса диктует для получения требуемого напряжения под нагрузкой увеличения напряжения холостого хода. Следовательно, расчетная мощность и цена снова возрастают. Более того, коммутационный угол при ну-

левой фазе запаздывает и полная нагрузка дается как cos(u) = 1 Хри. Если ХРи превышает 0.134 для 12-пульсационного выпрямителя, или 0.5 отн. ед. для 6-пульсационного, коммутационные углы (30 и 60° соответственно) становятся столь большими, что возникает коммутационное перекрытие между фазами и даже большие потери в напряжении. Так как спецификация определяет конечные характеристики и цену трансформатора, прежде чем подписывать документы, следует рассмотреть с поставщиком разные варианты конструкции.

Тиристоры

В гл. 11 были рассмотрены разные аспекты последовательного и параллельного соединения тиристоров. Все это справедливо и для импульсного режима работы, но есть еще ряд особенностей применения тиристоров в этом режиме, связанных с потерями и температурой кристалла. Если кривая зависимости падения напряжения на выбранном тиристоре от тока через него не доходит до требуемых пиковых значений тока, то необходимо проконсультироваться с производителем этих тиристоров относительно их поведения при больших токах. Приемлемая аппроксимация обычно может быть выполнена путем экстраполирования опубликованных в справочной документации кривых, отображающих постоянное падение напряжения и увеличение сопротивления тиристора при увеличении тока, в область больших токов. Когда кривая зависимости напряжения от тока в руках, мгновенные потери можно рассчитать по формуле P = i(t)-v(t) и затем применить тепловое моделирование, описанное в гл. 15. В импульсном режиме потери переключения обычно не существенны, если только рабочий цикл не очень велик.

Работа при больших импульсных токах может потребовать учета значения di/dt при включении тиристора. Это является серьезной проблемой при конструировании рельсовых пушек и других устройств, в которых тиристоры должны выдерживать очень большие токи. Для этих целей были разработаны специальные тиристоры с сильно развитой встречно-гребенчатой конструкцией управляющего электрода, которая обеспечивает очень быстрое включение тиристора и тем самым способствует уменьшению потерь при включении. Хотя вся площадь катода и способна пропускать очень большой ток, тиристор может выйти из строя из-за локализации нагрева в отдельных маленьких участках структуры, стремящихся пропустить весь ток при включении. Встречно-гребенчатая конструкция управляющего электрода используется также в тиристорах с малым временем восстановления, предназначенным для работы на высоких частотах, когда становятся важны потери переключения.

При использовании сборки тиристоров в импульсных режимах возможно еще и возникновение боковых электромагнитных сил, возбуждаемых током, протекающим в смежных тиристорах или шинах. Они могут нарушить однородность тока поперек тиристорной структуры. Как уже было отмечено выше, во всех случаях отклонения условий применения тиристоров от оговоренных в технической документации необходимо проводить консультации с изготовителем тиристоров.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты