Реферат: Расчет непосредственного преобразователя частоты

--PAGE_BREAK--Преобразователи частоты.
     Различают следующие преобразователи частоты: с промежуточным звеном постоянного тока, непосредственной связью питающей сети и цепи нагрузки (циклоконверторы), промежуточным звеном переменного тока (циклоинверторы).

Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

     Переменное напряжение питающей сети (рис. 1) выпрямляется с помощью управляющего выпрямителя, фильтруется L-C фильтром и подается на автономный инвертор. Функции регулирования частоты выходного напряжения осуществляет инвертор, а напряжения – выпрямитель. Иногда обе функции осуществляет инвертор, а выпрямитель выполняется неуправляемым.

<img width=«744» height=«320» src=«ref-1_450460797-2591.coolpic» v:shapes="_x0000_s1043">

Рис. 1Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.


     Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока позволяют регулировать выходную частоту с помощью системы управляющего инвертора (СУИ) в широком диапазоне как вверх, так и вниз от частоты питающей сети.

     Недостатком преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока является двойное преобразование энергии, что приводит к уменьшению КПД, к увеличению установленной мощности и массы преобразователя. Однако такой тип преобразователя частоты и схема управления им проще, чем преобразователя с непосредственной связью.
     Вентильная часть НПЧ содержит 2m2вентильных групп, гдеm2 – число фаз на выходе преобразователя.Преобразователь частоты с m2-фазным выходом состоит из m2 преобразователей с однофазным выходом, работающих со сдвигом2p/m2 выходной частоты.

     В конкретных установках структурная  схема непосредственного преобразователя частоты может отличатся от описанной, в часности используется безтрансформаторное подключение преобразователя к сети, а вместо сигналов ufиuu на вход фазосмещающего устройства могут быть поданы сигнал задания по току и сигналы обратной связи по выходным параметрам преобразователя. Эти отличия на характер электромагнитных процессов в преобразователе существенно не влияют.

<img width=«568» height=«221» src=«ref-1_450463388-1582.coolpic» v:shapes="_x0000_s1044">
     Преобразователи частоты с непосредственной связью могут выполняться с естественной и принудительной коммутацией.

Рис.3. Трехфазно-однофазный преобразователь частоты с непосредственной связью.

     На рис.3 показана схематрехфазно-однофазного преобразователя частоты с непосредственной связью. Преобразователь состоит из двух трехфазных схем выпрямления, первая из которых присоединена к фазам трансформатора анодами тиристоров VS1 – VS3 (гр.I), а вторая – катодами тиристоров VS4 – VS6(гр.II).

     Положительный полупериод выходного напряжения формируется при поочередной подаче отпирающих импульсов на тиристоры гр.I; отрицательной – при подаче отпирающих импульсов на тиристорыгр.II.

     Открывая поочередно вентили групп I и II, получаем на выходе переменное напряжение с частотой f2. При активной нагрузке выходное напряжение на ней равняется:

<img width=«217» height=«61» src=«ref-1_450464970-502.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">

     m1 – число фаз первичной сети.

     a — угол регулирования выпрямителя.
     Частота выходного напряжения ниже, чем частота питающей сети f1 и при отсутствии паузы между полупериодами будет:
<img width=«92» height=«43» src=«ref-1_450465472-360.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">

     n=0, 1, 2, 3…

     Частота f2регулируется дискретно. Для плавного регулирования частоты преобразователя необходимо вводить паузу tп.включением и выключением Iи II групп тиристоров. Длительность паузы должна быть не меньше времени запирающих свойств вентилей (tп<img width=«13» height=«16» src=«ref-1_450465832-194.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">tо).  При  активно-индуктивной нагрузке длительность паузы определяется временем спадания до нуля тока вентиля, проводившего ток в момент прекращения подачи импульсов на управляющую группу. Тогда выходная частота будет:

<img width=«12» height=«23» src=«ref-1_450466026-169.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">f2=f1*m1*p[p(2n+m1)+jп*m1

     jп– пауза.

     При работе НПЧ на активно-индуктивную нагрузку энергия, накопленная в магнитном поле должна быть возвращена обратно в первичную сеть. Для передачи энергии первичную сеть тиристоры обоих групп переводятся в инверторный режим: первые – при отрицательном, вторые – при положительном напряжении. Перевод групп из выпрямительного режима в инверторный осуществляется системой управления при увеличении угла регулирования aдо значений больших 90 эл. градусов.

Недостатком НПЧ является низкий коэффициент мощности при регулировании выходного напряжения вследствие изменения угла регулирования и несинусоидальной формы кривой выходного напряжения, для улучшения которой должен быть применен фильтр, увеличивающий мощность всего преобразователя.

    продолжение
--PAGE_BREAK--Расчет параметров элементов и их выбор.
  Для выбора элементов схемы выпрямителя определим мощность, которую необходимо получить на нагрузке. По условию необходимо регулировать уровнем напряжения до Uвых.max= 100 B на нагрузке с параметрами: Rн.= 1 Ом и Lн= 5 мГн. Отсюда определяем максимальную величину тока через нагрузку Id max = Ud max / Rн=100 /1= 100 А. Тогда максимальная величина мощности, отдаваемая в нагрузку равна Pmax = Ud max· Id max  = 10 кВ·А.

    Так как схема  относится к семейству нулевых схем преобразователей, то необходимо использование трансформатора с выводом «нулевых» точек от двух вторичных обмоток. Необходимость в использовании трансформатора объясняется еще тем, что преобразователь будет работать в промышленных условиях со стандартным допуском напряжения питания <img width=«45» height=«42» src=«ref-1_450466195-255.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">.

Для выбора основных элементов силовой схемы (трансформатора, тиристоров) управляемого выпрямителя воспользуемся расчетными соотношениями (таб. 1).

Таблица 1.

<img width=«691» height=«316» src=«ref-1_450466450-5333.coolpic» v:shapes="_x0000_s1040">
     Расчетные соотношения для условно-шестифазной схемы выпрямления.


 Примечание: величины в скобках для идеального выпрямителя без потерь.



Выбор
силового трансформатора.
     По таблице 1 определяем расчетную габаритную мощность трансформатора.

Sтр.=1,41 Рd=1,41*10­кВА=14,6 кВА.

     Из справочной литературы выбираем специализированный трансформатор ТСП – 160/0,7 – УХЛ4 (соответствует ТУ 16 – 717.052-79. Изготовитель УЭТМ г. Свердловск). Габаритные размеры: длина – L = 625 мм, ширина – В = 305мм, высота – Н = 385 мм. Полная масса  120 кг.

     Величины потерь в данном трансформаторе:

Рх.х. =140 Вт, Рк.з. = 550 Вт  при Uк.з. = 5,2 %, Iх.х.= 10 %.

Расчет паразитных параметров трансформатора.

     Выбранный трансформатор имеет габаритную мощность Sтр.= 14,6 кВА.

     Найдем габаритную мощность на одну фазу:

Pгаб=Sтр/m=14,6*103/3=4866,667 ВА.

     Схема соединений обмоток   «звезда – звезда», следовательно, U1л=380В  и  U1ф.=220В (в соответствии с заданием).

      Определим ориентировочную величину коэффициента трансформации c учетом колебаний уровня напряжения в промышленных сетях:

ктр.=U1ф./ U2=U1ф./ (0,94Ud)=(220– 220*0,15)/(0.94*100)=1,989

     Номинальный ток в первичной обмотке трансформатора:

I1ном=Pгаб/U1фА=4866,667/220=22,121 А

     Из условий опыта холостого хода определяем:

I1х.х.=0,1*I1ном.= 0,1*22,121 = 2,212 А.

     Полная кажущаяся мощность холостого хода равна

Sх.х.= U1н.*I1х.х.= 220*2,212 = 486,667 ВА.

     Угол сдвига тока относительно напряжения

fхх=arccos(Pхх/3*Sхх)=arccos(140/3*486,667)=84,497о.

     Расчетное активное сопротивление, учитывающее потери на гистерезис и вихревые токи

Rор=Рхх/3*I2хх=140/3*2,2122=9,538 Ом.

     Индуктивное сопротивление намагничивания

Хор=w*Lор=Rор*tgfхх=9,538*tg84,497=99 Ом.

     Расчетная величина индуктивности намагничивания

Lор=Хор/w=99/2*p*50=0,315 Гн.

     По данным опыта короткого замыкания аналогично находим:

Uк.з.= 0,052U1н.= 0,052*220 = 11,44 В;

     Полная кажущаяся мощность короткого замыкания равна

Sк.з.= Uк.з.* I1н.= 11,44*22,121=253,066 ВА;

     Угол сдвига тока относительно напряжения

fкз=arccos(Pкз/3*Sкз)=arccos(550/3*253,066)=43,557о.

     Расчетное активное сопротивление, учитывающее потери в обмотках трансформатора (приведение к вентильной стороне):

RрТР=(R2р+R’1р) = Pкз/3*I2кз*К2тр=550/3*22,1212*1,9892=0,095Ом.

     Расчетная величина индуктивного сопротивления, обусловленного магнитными потоками рассеяния

(ХS2р+Х’S1р)=(R2р+R’1р)tgfкз=0,095tg43,557=0,090 Ом.

     Индуктивность рассеяния:

(LS2р+L’S1р)=(ХS2р+Х’S1р)/w=0,09/314=2,866*10-4Гн.

Итак:

Ro= 9,538 Ом.

Xo= 99 Ом.

Lo= 0,315Гн.

Ls=2,866*10-4 Гн.

Xs=0,09 Ом.

Rтр=0,095 Ом.

    продолжение
--PAGE_BREAK--Схема замещения одной фазы силового трансформатора и ее параметры:
      Выберем Т-образную схему замещения (рис. 3).

<img width=«467» height=«269» src=«ref-1_450471783-2263.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030">

Рис .4 Схема замещения для одной фазы трансформатора.

Rтр=2(R2р+R’1р)=(2*Ркз)/(3*I21Н)=2*550/3*22,1212=0,749 Ом.

Xs=2(R2р+R’1р)tgfкз=0,749*tg43, 577=0,713 Ом.

      Параметры схемы замещения.

  продольная  ветвь:

R1»R’2 =rтр/ 2= 0,749/ 2 = 0,375 Ом;

Xs1»X’s2 = Xs / 2 = 0,713 / 2 = 0,357 Ом.

  поперечная ветвь:

R0 = 4,769 Ом; Xm = 49,5 Ом.

Выбор тиристоров.
Основными параметрами по выбору полупроводникового прибора для данного преобразователя являются: 

–     предельный средний ток тиристора при соответствующей температуре;

–     действующее значение тока через прибор;

–     повторяющееся напряжение;

–     критическая скорость нарастания прямого тока;

–      критическая скорость нарастания прямого напряжения и др.

 С использованием таблицы 1 определяем величины токов и напряжений, которые будут действовать на управляемые вентили в данной схеме преобразователя:

    среднее значение тока через вентиль

IB= = 0,333*Id = 0,333*100 = 33,3 A;

    максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентилю

Um обр.= 2,3Ud = 2,3*100 = 230 B;

     величина  действующего значения тока тиристора 

IB = 0,55*Id = 0,55*100 = 55A;

     Максимальная величина тока вентиля ImB = 0.5Id = 50 A.

     Выбираем по справочной литературе тиристор типа ТО142–80, который имеет следующие предельно допустимые параметры:

     повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

Uзсп=600 – 1200 В;

     повторяющееся импульсное обратное напряжение  

Um обр.=600 – 1200В;

     максимально допустимый средний прямой ток в открытом состоянии  при f=50Гц, b=180o, Tk=70oC

 Iп.к.=80 А;

     максимальное действующее значение тока

 IBмакс = 125 A;

     обратный ток и ток утечки при повторяющемся напряжении  и температуре структуры 125 ˚С 

Iобр.<  50 мА;

     критическая скорость нарастания прямого тока

(di/dt)кр.= 100 А/мкс;

     критическая скорость нарастания прямого напряжения

(dU/dt)кр=100В/мкс.

     ударный ток при длительности 10 мс и температуре структуры 100 ˚С

Iуд.= 1350 А.

     динамическое сопротивление

rдин.= 3,7*10 – 3  Ом.

     отпирающий импульсный ток управления при Uзс=12 В

<150 мА.

     тепловое сопротивление переход –  корпус < 0,24 оС/Вт.

     температура перехода: Тп= -40оС – +100оС.

          Данный тиристор относится к разряду оптронных (оптотиристор). Кремниевый диффузионный типа p-n-p-n. Два полупроводниковых элемента: кремниевый фототиристор и арсенид галлиевый излучающий диод объединены в одну конструкцию. Предназначен для применения в помехоустойчивых системах автоматики и в цепях постоянного и переменного тока преобразователей электроэнергии. Выпускаются в металлостеклянном корпусе штыревой конструкции с жёсткими силовыми выводами. Анодом является основание. Масса мене 49 грамм.

          Указания по монтажу: Чистота обработки контактной поверхности охладителя не хуже 2.5. Время пайки выводов управления паяльником мощностью 50-60 Вт при температуре припоя 220оС не должно превышать 5с. Закручивающий момент не более 10 Н*м.

     Для данного тиристора выбираем охладитель типа О241-80. Крутящий момент не более 10 Н*м.

     Аппроксимируем ВАХ данного тиристора линейной функцией, используя справочные данные.

<img width=«188» height=«36» src=«ref-1_450474046-420.coolpic» v:shapes="_x0000_i1031"> , где

     ΔU0= 1,1 B – прямое падение напряжения при токе Iп.к.;

     Тогда аппроксимирующее выражение примет вид:

ΔU = 1,1 + 3,7*10 – 3· i     B

    продолжение
--PAGE_BREAK--Расчет потерь мощности в управляемых вентилях.
     Для расчета потерь мощности в вентилях необходимо знать действующий и средний токи через вентили. Мы их нашли ранее:

IB= = 33,3А, IB = 55 А.

     Определяем потери мощности на одном вентиле.

DPВ1=DU*IВ=+ rдин.*I2В=1,1*33,3+3,7*10-3*552=47,823 Вт.

     Тогда потери мощности на вентилях всех групп равны

ΔРВ = 2m*ΔPB1 = 2*3*47,823 =286,935 Вт.

Определение предельного тока через полупроводниковую структуру прибора для установившихся режимов работы.
     Предельный ток прибора в установившемся режиме работы при заданных условиях охлаждения рассчитывается по формуле

<img width=«293» height=«95» src=«ref-1_450474466-775.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032">  , где

     [Θpn] – максимально допустимая температура полупроводниковой структуры ,

     [Θс] – заданная температура окружающей среды .

     В соответствии с заданием преобразователь работает в климатических условиях У3 по ГОСТ 15543-70. (Климат умеренный. Преобразователь работает в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха, и воздействия песка и пыли существенно ниже, чем на открытом воздухе. Токр.ср. = -40 оС – +40 оС, DT=40oC/8часов.)

     RT – общее установившееся тепловое сопротивление (при условии охлаждения). С выбранным охладителем типа О241-80  для данного тиристора Rт=Rп-к+Rкпо-ос=0,24+0,24=0,48 ОС/Вт. Где Rкпо-ос – переходное тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя – охлаждающая среда.

     U0– пороговое напряжение предельной ВАХ прибора.

Используя параметры данного тиристора и температурные условия эксплуатации (tmax = 40 ˚C), определим предельный ток прибора.

<img width=«578» height=«86» src=«ref-1_450475241-1194.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033"> А

     Найдем предельный ток прибора в случае усреднения мощности  в зависимости от коэффициента формы тока кф= IB / IB=. Для данной схемы коэффициент формы тока равен кф=55/33,3 = 1,652 (изменение величины кфв зависимости от угла отпирания прибора не учитываем).

     Тогда

<img width=«637» height=«92» src=«ref-1_450476435-1370.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034">

     Как видно из расчетов токовый режим работы тиристоров в данном преобразователе примерно на 13% ниже максимально возможного.

Допустимая мощность потерь в вентиле.
     Расчет ведем при условии, что выпрямитель работает при непрерывной установившейся нагрузке. Тогда температура структуры в установившемся режиме   определяется как 

Θpn= Θc +ΔP·Rт.

     Допустимая мощность потерь равна

[ΔP] =( [Θpn] – Θc)/Rт.

     Rт= 0,48 ˚С/Вт  – общее установившееся тепловое сопротивление прибора.

     Подставив технические параметры, получим

[ΔP] = (100 – 40) / 0,48 = 125 Вт.

     Номинальные тепловые потери при работе приборов меньше допустимых, примерно на 162Вт (на каждый вентиль).

Определение углов коммутации вентилей.
    Угол коммутации, определяемый активными сопротивлениями фазы трансформатора.

<img width=«470» height=«55» src=«ref-1_450477805-959.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035">

     Величину угла перекрытия фаз (угла коммутации) найдем из выражения

<img width=«194» height=«66» src=«ref-1_450478764-575.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036">, где

     ΔUX – падение напряжения от коммутации при учете индуктивного сопротивления.  Его можно определить из выражения:

<img width=«342» height=«47» src=«ref-1_450479339-655.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037">

     Тогда

<img width=«475» height=«66» src=«ref-1_450479994-1018.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038">.

    продолжение
--PAGE_BREAK--Уточнение коэффициента трансформации с учетом падения напряжения на элементах силовой схемы.
     Определяем значение выпрямленного напряжения холостого хода с учетом распределения падения напряжения на элементах.

<img width=«577» height=«65» src=«ref-1_450481012-1217.coolpic» v:shapes="_x0000_i1039">

     Находим действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки силового трансформатора на холостом ходу (воспользуемся таблицей 1).

    Тогда  U2 /Ud0 = 0,855, откуда U2 = 0,855*110,367=94,364 B .

     Корректируем величину коэффициента трансформации:

ктр. = U1n min / U2 = (220 – 0.15*220) / 94,364 =1,982

     Уточняем электрические и энергетические параметры трансформатора.

     Определим действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора, используя данные таблицы 1:

I1 = 0,45*Id / kтр.= 0,45*100 / 1,982 = 22,704 A.

     Габаритная мощность первичных обмоток трансформатора:

S1 = 1,27*Рd = 12700 BA.

     Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора:

S2 = 1,56*Pd = 15600 ВА;

     Полная габаритная мощность трансформатора

SТР=(S1+S2)/2=(12700+15600)/2=14150ВА.

     Эта величина близка к определенной ранее по коэффициенту схемы (см. таблицу 1), поэтому оставляем выбранный силовой трансформатор для работы в данном преобразователе.

     Уточняем величину активного сопротивления обмоток  – Rтр  и реактивного сопротивления рассеяния Xs, приведенных к вентильной стороне силового трансформатора

<img width=«536» height=«64» src=«ref-1_450482229-1061.coolpic» v:shapes="_x0000_i1040">

<img width=«520» height=«44» src=«ref-1_450483290-920.coolpic» v:shapes="_x0000_i1041"> .

     Итак:

<img width=«115» height=«59» src=«ref-1_450484210-425.coolpic» v:shapes="_x0000_i1042">

Приведение сетевого напряжения к вентильной стороне трансформатора.
     Преобразуем Т – образную схему замещения (рис.3), рассчитав комплексные сопротивления во всех ветвях схемы, получим следующую схему:

<img width=«378» height=«229» src=«ref-1_450484635-1376.coolpic» v:shapes="_x0000_i1043">

Рис. 5

Здесь     <img width=«25» height=«30» src=«ref-1_450486011-222.coolpic» v:shapes="_x0000_i1044">= R1 + jXs1 =0,375 + j0,357 = 0,517 ej43,557˚ Oм;

               <img width=«26» height=«30» src=«ref-1_450486233-224.coolpic» v:shapes="_x0000_i1045">= R’2+ jX’s2=0,375 + j0, 357 = 0,517 ej43, 557˚ Oм;
<img width=«579» height=«122» src=«ref-1_450486457-1967.coolpic» v:shapes="_x0000_i1046">

     Приводим сетевое напряжение трансформатора к вентильной стороне по методу эквивалентного генератора.

                                  <img width=«122» height=«57» src=«ref-1_450488424-449.coolpic» v:shapes="_x0000_i1047">  В;       <img width=«140» height=«56» src=«ref-1_450488873-441.coolpic» v:shapes="_x0000_i1048">  Ом.

     Рассмотрим приведение для фазы А:  <img width=«114» height=«43» src=«ref-1_450489314-339.coolpic» v:shapes="_x0000_i1049"> В.

     Следовательно,

<img width=«575» height=«74» src=«ref-1_450489653-1191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1050">

<img width=«689» height=«69» src=«ref-1_450490844-1428.coolpic» v:shapes="_x0000_i1051">

     Пересчитаем полученные значения через коэффициент трансформации

<img width=«415» height=«53» src=«ref-1_450492272-786.coolpic» v:shapes="_x0000_i1052">  В;

Определим индуктивность рассеяния в каждой из шести фаз:

Lsф.= Xsф. / ωсети = 0,09/314 = 2,866*10 –4 Гн

     Запишем систему всех приведенных фазных напряжений:

<img width=«180» height=«52» src=«ref-1_450493058-424.coolpic» v:shapes="_x0000_i1053"> , <img width=«184» height=«53» src=«ref-1_450493482-435.coolpic» v:shapes="_x0000_i1054">, <img width=«192» height=«47» src=«ref-1_450493917-449.coolpic» v:shapes="_x0000_i1055">

<img width=«188» height=«54» src=«ref-1_450494366-448.coolpic» v:shapes="_x0000_i1056">, <img width=«182» height=«53» src=«ref-1_450494814-443.coolpic» v:shapes="_x0000_i1057">, <img width=«186» height=«55» src=«ref-1_450495257-445.coolpic» v:shapes="_x0000_i1058">

    продолжение
--PAGE_BREAK--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 U2л.  Изобразим расчетную схему (рис .5)

<img width=«287» height=«174» src=«ref-1_450495702-1378.coolpic» v:shapes="_x0000_i1059">

Рис. 6

     На схеме LsΣ = 2Lsф.=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  <img width=«92» height=«47» src=«ref-1_450497080-389.coolpic» v:shapes="_x0000_i1060">  (*),т.к.  <img width=«42» height=«48» src=«ref-1_450497469-269.coolpic» v:shapes="_x0000_i1061">  мало по сравнению с  <img width=«50» height=«47» src=«ref-1_450497738-276.coolpic» v:shapes="_x0000_i1062">.

В момент коммутации  | U2m л| = L(di/dt) (**).   Из выражений (*)  и  (**) выразим величину сопротивления RC – цепочки:

<img width=«130» height=«86» src=«ref-1_450498014-503.coolpic» v:shapes="_x0000_i1063">   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 Uvs max = 1.25 U2m л, что соответствует коэффициенту демпфирования <img width=«101» height=«36» src=«ref-1_450498517-341.coolpic» v:shapes="_x0000_i1064">, где <img width=«95» height=«49» src=«ref-1_450498858-350.coolpic» v:shapes="_x0000_i1065"> Ом  – величина критического сопротивления.

     Выразим величину емкости конденсатора в RC – цепочке

<img width=«171» height=«73» src=«ref-1_450499208-539.coolpic» v:shapes="_x0000_i1066">   Ф.

     Подставим числовые данные и определим величины R и С:

<img width=«431» height=«79» src=«ref-1_450499747-970.coolpic» v:shapes="_x0000_i1067">;

<img width=«398» height=«68» src=«ref-1_450500717-861.coolpic» v:shapes="_x0000_i1068">.

     Мощность резистора определим из выражения

<img width=«461» height=«40» src=«ref-1_450501578-776.coolpic» v:shapes="_x0000_i1069"> .

     Цепью разряда конденсатора RC – ветви являются резистор и включенный тиристор. Следовательно, вентиль будет испытывать дополнительную токовую нагрузку. Определим величину токовой добавки <img width=«301» height=«32» src=«ref-1_450502354-514.coolpic» v:shapes="_x0000_i1070">  

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

   IΣ = 33,3 + 1,9 = 35,150 A. << [Iп.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

ЕперΣ = Е2mф+ Ен. max= <img width=«25» height=«23» src=«ref-1_450502868-224.coolpic» v:shapes="_x0000_i1071">·102 + 100 = 244,296 B.

     Тогда      

               <img width=«492» height=«64» src=«ref-1_450503092-907.coolpic» v:shapes="_x0000_i1072"> ,

     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 Rн.= 150 Ом  (<img width=«39» height=«19» src=«ref-1_450503999-218.coolpic» v:shapes="_x0000_i1073">);

–  номинальная мощность Рн =0,5 Вт;

–     ТКС  <img width=«175» height=«23» src=«ref-1_450504217-350.coolpic» v:shapes="_x0000_i1074"> в диапазоне температур от – 60 ˚ С до  + 200 ˚ С;

–     температура  окружающей среды – Токр. =  <img width=«84» height=«22» src=«ref-1_450504567-265.coolpic» v:shapes="_x0000_i1075"> ˚ С;

–     предельное импульсное напряжение Uи 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 (<img width=«39» height=«19» src=«ref-1_450503999-218.coolpic» v:shapes="_x0000_i1076">).

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

Параметры:

–     номинальное напряжение Uн= 500 В;

–     температура  окружающей среды – Токр. =  <img width=«87» height=«22» src=«ref-1_450505050-255.coolpic» v:shapes="_x0000_i1077"> ˚ С;

–     величина тангенса угла потерь – <img width=«99» height=«25» src=«ref-1_450505305-305.coolpic» v:shapes="_x0000_i1078">;

–     сопротивление изоляции вывод – вывод Rиз.= 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):

<img width=«468» height=«63» src=«ref-1_450505610-1000.coolpic» v:shapes="_x0000_i1079"><[(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):

<img width=«507» height=«64» src=«ref-1_450506610-960.coolpic» v:shapes="_x0000_i1080"> .

     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 Uпер. m= 3кВ в течение 1 мкс на резисторе должно выделиться порядка 1 Дж тепла.

     Итак,

                                         <img width=«194» height=«46» src=«ref-1_450507570-490.coolpic» v:shapes="_x0000_i1081"> 

Следовательно, величину сопротивления резистора  ЗУ определим как

<img width=«289» height=«58» src=«ref-1_450508060-612.coolpic» v:shapes="_x0000_i1082">

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

<img width=«463» height=«76» src=«ref-1_450508672-933.coolpic» v:shapes="_x0000_i1083">.

     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 Rн.= 10 Ом  ( <img width=«39» height=«19» src=«ref-1_450503999-218.coolpic» v:shapes="_x0000_i1084">);

–  номинальная мощность Рн = 25 Вт;

–     ТКС  <img width=«175» height=«23» src=«ref-1_450504217-350.coolpic» v:shapes="_x0000_i1085"> в диапазоне температур от – 60 ˚ С до  + 200 ˚ С;

–     температура  окружающей среды – Токр. =  <img width=«84» height=«22» src=«ref-1_450504567-265.coolpic» v:shapes="_x0000_i1086"> ˚ С ;

–     предельное импульсное напряжение Uи m= 4000 В.

     Геометрические размеры:  наружный диаметр D = 13 мм, длина L = 130 мм, d =8 мм.

Выбор конденсатора.

Выбираем комбинированный  конденсатор К75 – 25 емкостью С=1,2 мкФ (<img width=«47» height=«19» src=«ref-1_450510438-233.coolpic» v:shapes="_x0000_i1087">).

     Корпус типа ПМ ( П– прямоугольный, М – металлический).

     Параметры:

–     номинальное напряжение Uн= 3 кВ;

–     температура  окружающей среды – Токр. =  <img width=«107» height=«22» src=«ref-1_450510671-258.coolpic» v:shapes="_x0000_i1088"> ˚ С;

–     величина тангенса угла потерь – <img width=«92» height=«25» src=«ref-1_450510929-306.coolpic» v:shapes="_x0000_i1089">;

–     сопротивление изоляции вывод – вывод Rиз.= 5 ГОм.

     Геометрические размеры: ширина В=90 мм, длина L =110 мм, высота Н =18 мм.

    продолжение
--PAGE_BREAK--