Расчет непосредственного преобразователя частоты (стр. 3 из 6)

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

, где

[Θ_pn] – максимально допустимая температура полупроводниковой структуры ,

[Θ_с] – 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=40^oC/8часов.)

R_T – 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 (t_max = 40 ˚C) , определим предельный ток прибора.

А

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

Тогда

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

Θ_pn = Θ_c +ΔP·R_т.

Допустимая мощность потерь равна

[ΔP] = ( [Θ_pn] – Θ_c)/R_т .

R_т = 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 162 Вт (на каждый вентиль).

Определение углов коммутации вентилей.

Угол коммутации, определяемый активными сопротивлениями фазы трансформатора.

Величину угла перекрытия фаз (угла коммутации) найдем из выражения

, где

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

Тогда

.

Уточнение коэффициента трансформации с учетом падения напряжения на элементах силовой схемы.

Определяем значение выпрямленного напряжения холостого хода с учетом распределения падения напряжения на элементах.

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

Тогда U₂ /U_d0 = 0,855 , откуда U₂ = 0,855*110,367=94,364 B .

Корректируем величину коэффициента трансформации:

к_тр. = U_{1n 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*I_d / k_тр. = 0,45*100 / 1,982 = 22,704 A.

Габаритная мощность первичных обмоток трансформатора:

S₁ = 1,27*Р_d = 12700 BA.

Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора:

S₂ = 1,56*P_d = 15600 ВА;

Полная габаритная мощность трансформатора

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

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 – R_тр и реактивного сопротивления рассеяния X_s, приведенных к вентильной стороне силового трансформатора

.

Итак:

Приведение сетевого напряжения к вентильной стороне трансформатора.

Преобразуем Т – образную схему замещения (рис.3), рассчитав комплексные сопротивления во всех ветвях схемы, получим следующую схему:

Рис. 5

Здесь

= R₁ + jX_s1 =0,375 + j0,357 = 0,517 e^j43,557˚ Oм;

= R^’₂+ jX^’_s2=0,375 + j0, 357 = 0,517 e^{j43, 557}˚ Oм;

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

В; Ом.

Рассмотрим приведение для фазы А:

В.

Следовательно,

Пересчитаем полученные значения через коэффициент трансформации

В;

Определим индуктивность рассеяния в каждой из шести фаз:

L_sф. = X_sф. / ω_сети = 0,09/314 = 2,866*10 ^–4 Гн

Запишем систему всех приведенных фазных напряжений:

, ,

, ,

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 U_2л. Изобразим расчетную схему (рис .5)

Рис . 6

На схеме L_sΣ = 2L_sф.=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.