5.5. ГРУППОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ СПП

Параллельное соединение.

Параллельное, соединение СПП необходимо, если ток вентильного плеча превышает допустимый для СПП ток, при этом требуется учитывать значения как рабочего тока , так и возможного аварийного тока Как правило, переходят к параллельному соединению СПП, когда требуемая токовая нагрузочная способность не может быть достигнута за счет использования СПП с наибольшим допустимым током.

При параллельном соединении СПП главной задачей является равномерное распределение тока между СПП сборки с учетом следующих требований:

в рабочем режиме обеспечивается такое распределение нагрузок, что средний ток наиболее нагруженного СПП при фактических условиях теплоотвода не превосходит допустимого для него значения ;

в режиме протекания аварийного тока распределение нагрузок должно быть таким, чтобы протекающий через любой СПП ток не превосходил допустимого значения ; при обрыве цепи или отключении любого одного или нескольких СПП распределение тока между оставшимися в работе СПП не должно существенно нарушаться.

Рис. 5.33. Конструктивное расположение СПП при параллельном соединении: шины; — предохранители

Для решения поставленной задачи необходимо обеспечить идентичность условий работы каждой вентильной цепи и добиться идентичности вольт-амперных характеристик вентильных цепей.

Первое требование содержит два аспекта: конструктивное расположение параллельных ветвей, обеспечивающее равенство полных сопротивлений токоподводов, и обеспечение идентичности условий теплоотвода для СПП.

На рис. 5.33 показано размещение СПП при параллельном соединении, а на рис. 5.34 дана соответствующая схема замещения и R для участков токоподводящих шин, и вентильных ветвей).

Рис. 5.34. Схема замещения электрических цепей при параллельном соединении СПП

Рис. 5.35. Распределение токов при питании параллельно соединенных СПП

Из рис. 5.35 видно, что при полностью симметричной схеме с равными и R, а также и разность потенциалов на поперечных ветвях будет различной (рис. 5.36), поскольку падение напряжения на верхних и нижних для крайних ячеек будет неодинаковым. Это является следствием того, что по верхним и R левой ячейки проходит ток , а по нижним аналогично по верхним и R правой ячейки проходит ток , а по нижним и R — ток Этот эффект до некоторой степени ослабляется влиянием взаимных индуктивностей М. Для средних ячеек, где токи через верхние и нижние и R различаются меньше, относительное распределение нагрузок будет более равномерным.

Характер распределения тока по ветвям «лестничной» схемы показан на рис. 5.37 для значений . Видно, что увеличение полного сопротивления вентильных ветвей ведет к более равномерному распределению тока.

Рис. 5.36. Разность потенциалов, прикладываемая к параллельно работающим СПП в зависимости от места подключения их к токоподводам

Рис. 5.37. Распределение тока по параллельным ветвям с СПП в зависимости от соотношения полных сопротивлений участков токоподвода Z, и вентильных ветвей : .

Кроме того, распределение тока изменяется в течение рабочей части периода. Как правило, ток Вентильных групп мощных преобразовательных установок имеет форму, близкую к трапеции. На интервале коммутации, когда ток нарастает, преобладающее влияние имеют индуктивные элементы схемы, на интервале протекания слабоизменяющегося тока деление тока определяется в основном активными сопротивлениями. Кривые токов крайних и средней ветвей показаны на рис. 5.38.

На рис. 5.39 отражено влияние конструктивного выполнения ветвей с СПП на распределение токов между ветвями. Распределение тока зависит как от расположения токоведущих шин, так и от числа параллельных ветвей.

Все предшествовавшие выводы относятся к делению тока при равенстве полных сопротивлений вентильных ветвей. Фактически такого равенства не возникает, поскольку ВАХ СПП имеют статистический разброс.

Существуют следующие методы выравнивания характеристик ветвей:

подбор СПП по вольт-амперным характеристикам;

включение последовательно с каждым СПП выравнивающих сопротивлений, например предохранителей с калиброванными плавкими вставками;

установка индуктивных делителей тока.

Рис. 5.38. Кривые, характеризующие динамическое изменение прямого тока СПП для крайнего и среднего расположений в параллельном соединении

Рис. 5.39. Отклонения в распределении тока по параллельным ветвям, связанные с различным конструктивным выполнением монтажа

Первые два способа дают возможность минимизировать массу и габариты вентильных блоков, но могут доставить неудобства в случае необходимости замены отдельных СПП.

Рассмотрим критерии, по которым подбираются ВАХ СПП для получения заданной точности распределения тока по параллельным ветвям.

Если вентильный блок имеет m параллельных ветвей (рис. 5.40), то прежде всего выбирают (см. рис. 5.39) конструкцию токоцодводов и расположение ветвей, которые обеспечивают достаточную равномерность деления тока. Затем определяется требуемая точность подбора вольт-амперных характеристик СПП, исключающая недопустимые токовые нагрузки отдельных СПП.

Рис. 5.40. Схема замещения m параллельно соединенных СПП

Наиболее неблагоприятный случай (рис. 5.41), для которого нужно вести расчеты, это когда одна вентильная ветвь имеет относительно малое сопротивление и пропускает ток , а остальные ветвей имеют относительно большое сопротивление, и каждая пропускает ток . Тогда средний ток ветви определяется следующим образом:

Откуда

Расчет распределения тока по СПП следует вести для условий максимально возможной токовой нагрузки, например для режима, близкого к протеканию аварийного тока . Целью расчета в данном случае является определение максимально допустимого диапазона разброса вольт-амперных характеристик СПП, при котором ток наиболее нагруженного СПП сборки не превышает допустимого для данного режима.

На рис. 5.41 показаны примерные вольт-амперные характеристики 1 и 2, ограничивающие зону статистического разброса ВАХ однотипных СПП (зона заштрихована). Напряжению на графике соответствуют токи . На рис. 5.41 видно, что может быть построена единая эквивалентная характеристика 3, при которой ток а ток . На рис. 5.42 показано, что добавочное напряжение действует в каждой вентильной ветви и в зависимости от знака увеличивает или уменьшает ток ветви. Таким образом, можно перейти к единой эквивалентной характеристике и подбирать СПП таким образом, чтобы при протекании калибровочного тока разброс падений напряжения не превышал . Задача состоит теперь в том, чтобы определить .

Рис. 5.41. Прямые вольт-амперные характеристики СПП в кусочнолинейной аппроксимации, ограничивающие области статистического разброса I и 2 и усреднения ВАХ 3

Рис. 5.42. Схема замещения m параллельно соединенных ветвей, содержащих калиброванный предохранитель последовательно с СПП

На рис. 5.43 повторена ВАХ 3 рис. 5.41, взятая из информационных материалов в кусочно-линейной аппроксимации

и проведена кривая 4, являющаяся дробно-степенной аппроксимацией

той же ВАХ, при этом опорные точки

для обеих кривых совпадают.

Поэтому без существенной погрешности можно записать

если мало по сравнению .

Значение N определяется следующим образом:

где — падение напряжения при токе

— падение напряжения при токе 12, В.

Рис. 5.43. Примеры кусочно-линейной и дробно-степенной аппроксимаций ВАХ СПП 3, 4 и СПП, соединенного последовательно с калиброванным предохранителем, 5, 6

Преобразуем выражения (5.26) и (5.27), используя бином Ньютона, полагая в малым по сравнению с и отбрасывая члены с большими, единица, степенями в:

Тогда

откуда

Применяя выражение (5.28), можно, задаваясь величиной , характеризующей степень использования нагрузочной способности СПП, определять в, т. е. требуемую точность, подбора приборов по прямому падению напряжения, при этом целесообразно принять

В каталогах указывается максимально возможное значение , все приборы, у которых оказывается при контроле больше приводимого в каталоге значения, бракуются. Поскольку значение имеет статистический разброс, большинство СПП имеют значение , меньшее, чем указано в каталоге. Но при фиксированном значении прибор с меньшим будет пропускать больший ток, чем с большим . Статистический разброс значения учитывается величиной , значение которой определяется в зависимости от гг. Требования к подбору характеристик приборов по в будут более строгими при меньших значениях , чем обосновывается выражение (5.29).

Пример 5.14. Пусть требуется определить условия параллельного соединения СПП. Дано: Ток сборки ; диод с параметрами:

(с типовым охладителем при скорости охлаждающего воздуха ).

Решение. Средний ток диода, допустимый при расположении 5 (см. рис. 5.39).

Минимальный ток диода в сборке при

Требуемое число приборов в сборке

Принимаем

Разбаланс при Классификационном токе

т. e. разбаланс равен заданному значению.

Разбаланс при протекании рабочего тока (расчетный)

Напряжение на шинах сборки при протекании тока

Определяем значения токов (максимальное и среднее значения токов СПП и сборки):

Распределение токов при протекании аварийного тока:

Следовательно, для подбора СПП для параллельного соединения их необходамо подбирать по группам по значениям прямого напряжения при токе .

Разбивка по группам производится следующим образом:

или по среднему прямому падению напряжения

Для диодов будет иметь место следующая разбивка по группам:

и соответственно для средних значений

Пример 5.15. Пусть условия те же, что в примере 5.14, но последовательно с каждым СПП введен предохранитель с калиброванной по сопротивлению плавкой вставкой — Ом (см. рис. 5.42, кривые 5,6).

Решение.

Следовательно, диапазоны групп для подбора СПП будут:

т. е. область подбора получается в 2 раза более широкой при той же точности распределения токов.

Для случая применения тиристоров процедура расчета остается той же. Вместе с тем необходимо учитывать, что разброс времени включения тиристоров ведет к дополнительному рассогласованию токов.

Поэтому требуется обеспечить достаточно мощные импульсы управления, обеспечивающие уменьшение разброса времен включения тиристоров.

Если подбор СПП нежелателен, то следует использовать индуктивные делители тока. Расчет делителей рассмотрен в [5.5, 5.6].