Расчет параметров элементов устройств ограничения коммутационных перенапряжений, создаваемых СПП.

На рис. 5.7 приведена эквивалентная схема для расчета перенапряжений, возникающих при коммутации вентилей, и выбора параметров ограничительных устройств. Схема моделирует электромагнитные процессы в вентильном плече преобразовательной установки на интервале от перехода тока вентиля через нуль до прекращения динамического обратного тока.

На рис. 5.7 источник напряжения воспроизводит коммутирующее напряжение силовой схемы преобразователя на интервале протекания динамического обратного тока вентиля. Поскольку время протекания обратного тока имеет порядок с, можно принять, что коммутирующее напряжение на данном интервале не изменяется, и представить его источником постоянного напряжения .

Рис. 5.7. Схема замещения для электромагнитных процессов при выключении тиристора

В большинстве случаев следует принимать

поскольку имеется вероятность работы установки в режиме коммутации при максимуме питающего напряжения .

Для нерегулируемых выпрямителей переменного, напряжения определяется как

где — угол коммутации при максимальном токе (в том числе и при всех возможных аварийных процессах).

Индуктивность L представляет собой сумму индуктивностей контура коммутации:

где - индуктивность одной фазы питающей сети; индуктивность рассеяния силового трансформатора; — индуктивность дополнительных реакторов (все индуктивности отнесены к стороне преобразователя); — индуктивность делителей тока; R — сопротивление.

На рис. 5.7 введенные обозначения соответствуют: С — емкость устройства ограничения перенапряжений; — источник тока, спадающего по экспоненциальному закону, воспроизводящий протекание обратного тока СПП.

где — постоянная времени, характеризующая скорость спада при .

Отметим, что (рис. 5.7) — идеальные ключи, действием которых воспроизводятся режимы работы СПП при коммутации.

Режим коммутации СПП воспроизводится следующим образом:

1. Протекание неограниченного СПП обратного тока: замкнуты. .

2. Протекание спадающего обратного тока: замкнуты, разомкнуты,

В момент , когда достигает заданного значения , замыкается и размыкается . Напряжение , прикладываемое к СПП, возникает между точками А и В при .

Для периодического процесса -контура

где

Если предположить резкое спадание обратного тока , то выражение воздействующего на вентили напряжения примет вид

(5.9)

где

При этом

Задаваясь конкретными значениями , можно построить кривые напряжения на СПП при спадании обратного тока.

На рис. 5.8 показана зависимость относительной емкости конденсатора демпфирующего контура от принимаемого коэффициента допустимых перенапряжений. Возрастание требуемой емкости RC-контура при стремлении ограничить перенапряжения необходимо иметь в виду при выборе класса напряжения применяемого СПП.

При апериодическом процессе

где

При апериодическом процессе необходимо определять не только максимальное значение напряжения , но и скорость его нарастания на фронте .

Дифференцируя (5.10), получаем

При .

Граничный режим RС-контура

Уравнения (5.8) и (5.10) решались на ЭВМ при подстановке различных значений R, С и , и определялись относительные значения . На основании полученных данных построены графики, показанные на рис. 5.9 (для периодического режима) и 5.10 (для апериодического и граничного режимов) [5.2, 5.4].

Рис. 5.8. Зависимость относительной емкости конденсатора демпфирующего контура от коэффициента ограничения всплеска обратного напряжения

Рис. 5.9. Кривые для выбора параметров демпфирующих RС-контуров при колебательном процессе демпфирования

Зная значение , можно определить ориентировочно значение F для выбранного СПП (для периодического и апериодического режимов), а по нему выбрать примерные значения R и С, соответствующие данного СПП (значение выбирается в пределах 1—5).

По выбранным значениям R и С определяется максимальное значение обратного напряжения с использованием выражений (5.8) или (5.9), (5.10).

Поскольку расчет режима работы СПП производится по шести величинам , которые взаимно нелинейно влияют друг на другй, а графики содержат только три связи, первоначально выбранные значения могут не совпадать с требуемыми или не быть оптимальными.

Поэтому необходимы расчеты фактических величин UM с постепенным приближением к желаемому результату в дальнейшем.

Ход расчета RС-контуров поясняется примерами.

Пример 5.4. Рассматривается низкочастотная схема с низкочастотными СПП. Здесь выбран периодический режим -контура, при котором обеспечивается постепенное нарастание обратного напряжения.

В трехфазной мостовой схеме использован низкочастотный тиристор .

Дано

Классификационные данные тиристора:

Решение. Данные тиристора, пересчитанные для заданного режима работы (5.5), (5.7), следующие:

Определяем мощность потерь выключения:

Определяем :

Определяем :

Находим :

Определяем :

Определяем соотношение

По графику, приведенному на рис. 5.10, выбираем

Рассчитываем :

Рис. 5.10. Кривые для выбора параметров демпфирующих RС-контуров при апериодическом процессе демпфирования

Рассчитываем С:

Проверка соответствия условиям, для которых действителен график:

Следовательно, режим RС-контура периодический. Проверка фактической амплитуды напряжения по формуле (5.8) при Ом, :

Уравнение кривой восстанавливающегося напряжения будет иметь вид

где .

Максимальное значение напряжения будет достигаться при с, при этом

Распределение потерь выключения

Чтобы наглядно представить, что дает учет этапа спада обратного тока, проведем расчет обратного напряжения при по формуле (5.9), тогда

На рис. 5.11 показаны кривые восстанавливающегося обратного напряжения при учете влияния спадающего обратного тока и без учета этого влияния . Видно, что амплитудные значения почти не различаются, но на интервале имеют существенно разные значения.

Рис. 5.11. Восстанавливающееся напряжение на СПП при колебательном процессе демпфирования

С учетом действия обратного тока , а без учета этого фактора . Поэтому учет обратного тока целесообразен.

Пример 5.5. Рассмотрим схему инвертора, работающего на повышенной частоте, с быстродействующими СПП. В данном более существенным оказывается ограничение максимальной амплитуды обратного напряжения и допустимо крутое нарастание обратного напряжения. Поэтому целесообразно выбрать апериодический режим RС-контура. Дано: Быстродействующий тиристор используется в схеме автономного трехфазного параллельного инвертора;

Классификационные параметры быстродействующего тиристора:

Решение. Параметры тиристора для данного режима работы: .

Определяем :

Определяем :

Определяем :

Соотношение

Мощность потерь в случае использования тиристора в данном режиме без ограничительных устройств

Поскольку допустимая величина общих потерь для данного прибора составляет , коммутационные потери выключения не должны превышать . Поэтому необходимо использовать средства для ограничения потерь в данном случае за счет уменьшения накопленного заряда до . Здесь, как показано ниже, не может быть использовано снижение тока, снижение , снижение напряжения. Требуется использование реакторов с насыщающимися магнитопроводами.

Так, необходимо уменьшить до

что не отвечает требуемому режиму схемы. Аналогично не приемлемы решения с уменьшением тока и напряжения.

Подбор параметров реакторов с насыщающимися магнитопроводами производится на основании соотношения (5.6) и (5.7).

Берем реактор с

Этого недостаточно, поскольку потери выключения составят:

Берем реактор с ;

Поскольку обратный ток спадает по закону , остается и значение обратного тока после окончания ступени тока

Потери составят:

Шунтируем насыщающийся реактор с сопротивлением 60 Ом. Тогда ток ступени ,

к моменту окончания ступени тока. Накопленный заряд соответствует спадающего обратного тока и выделяющимся потерям в структуре СПП:

Мощность потерь выключения

Принимаем тогда по графику рис.

Процесс апериодический, и использование графика рис. 5.10 обосновано.

Проведем контрольный расчет значений восстанавливающегося обратного напряжения по формуле (5.10):

Кривая восстанавливающегося обратного напряжения показана на рис. 5.12. Полученный результат близок к оптимальному в отношении мощности насыщающегося реактора, потерь в схеме и параметров -контура (кривая а).

Рис. 5.12. Восстанавливающееся напряжение на СПП при апериодическом процессе; демпфирования

При использовании апериодических демпфирующих контуров в ряде случаев, когда амплитуда напряжения ограничена в допустимых пределах, имеет место крутое нарастание восстанавливающегося напряжения (кривая б).

Для расчета воспользуемся формулой (5.12):

Рис. 5.13. Взаимное влияние диодов и тиристоров в схеме регулятора переменного напряжения

Рис. 5.14. Взаимное влияние тиристоров в схеме реверсивного выпрямителя

. Средняя скорость нарастания восстанавливающегося напряжения за (кривая в)

Для быстровосстанавливающихся СПП в отличие от силовых допустимы большие скорости нарастания обратного восстанавливающегося напряжения. Но в схемах преобразовательных установок, содержащих несколько тиристоров, напряжение, возникающее на СПП как обратное после коммутации, прикладывается к другим тиристорам как прямое. Исходя из этого может потребоваться ограничение скорости нарастания обратного напряжения.