Последовательное соединение СПП

применяют в случае, когда напряжение, воздействующее на вентильное плечо преобразовательной установки, превышает напряжение, допустимое для единичного прибора. Главной задачей в этом случае является обеспечение равномерного распределения запираемого напряжения по последовательно соединенным СПП. Здесь необходимо компенсировать схемными средствами различие токов утечки в закрытом состоянии СПП, обратных токов, барьерных емкостей, времени задержки и времени включения тиристоров, времени восстановления и заряда восстановления, имеющих место в пределах допустимых статистических разбросов параметров приборов.

При выборе схем и расчете параметров устройств деления напряжения рассматривают следующие режимы работы СПП:

1) статический режим — к ветви с запертыми СПП прикладывается постоянное напряжение;

2) квазистатический режим — к ветви с запертыми СПП прикладываются полуволны переменного напряжения синусоидальной формы;

3) динамический режим включения — прикладывается переменное напряжения с протеканием прямого тока;

4) динамический режим выключения — прекращение протекания прямого тока с относительно большим и приложением восстанавливающегося обратного напряжения с крутым фронтом.

Статический и квазистатический режимы. Статический режим может иметь место, например, при запертых вентильных плечах инвертора или после отключения выпрямителя, работающего на заряд конденсатора. Неравномерность деления напряжения возникает как следствие статистического разброса токов утечки в закрытом состоянии или обратных токов .

В информационных материалах задают только максимальное значение тока или , минимальное значение не нормируется, а поскольку оно может быть на два порядка меньше максимального, при расчетах минимальное значение тока принято равным нулю.

Чем более строго потребуется выравнивать распределение напряжения, тем меньше должны быть значения выравнивающих шунтирующих СПП сопротивлений (рис. 5.44).

Но при этом существенно возрастает ток через них и соответственно увеличиваются потери энергии. Поэтому здесь приходится идти на компромисс, допуская определенный разброс напряжений и неполное использование по напряжению отдельных СПП в цепи. Подбирать же отдельно сопротивления дня каждого СПП невозможно, так как запорные и обратные характеристики СПП нелинейны с различающимися коэффициентами нелинейности и не всегда стабильны во времени. Следовательно, приходится ставить в ветвь больше СПП, чем требуется по сумме их допустимых запираемых напряжений:

где n — число последовательно соединенных СПП в ветви; — допустимое значение запираемого напряжения СПП; — максимальное напряжение, приложенное к вентильной ветви в статическом режиме.

Тогда значение шунтирующего сопротивления, одинакового для всех СПП ветви, определяется следующим образом:

где — ток утечки, обратный ток СПП (по каталогу или максимальный для данной ветви).

В квазистатическом режиме деление напряжения также будет определяться в основном омическими сопротивлениями, шунтирующими СПП. Наличие емкостей для обеспечения деления напряжения при различии времени включения тиристоров и величин накопленного заряда тиристоров и диодов обеспечивает улучшение деления напряжения в квазистатическом режиме. Но поскольку в схеме ПУ почти всегда возможно возникновение на ветви постоянного напряжения, при расчетах значений сопротивлений следует исходить из статического режима.

Динамический режим включения. Разброс времени включения отдельных тиристоров, соединенных последовательно в ветви, ведет к перераспределению напряжения между включившимися ранее и включающимися с запаздыванием тиристорами. Тиристоры, включающиеся позже, нагружаются дополнительным напряжением. Они могут включиться по аноду и получить повреждение, ведущее к выходу из строя.

Для уменьшения разброса деления напряжения в процессе включения тиристоров ветви необходимо использовать мощные импульсы управления с крутым фронтом, например до 3 А с фронтом длительностью . Это относится также и к регенеративным тиристорам, применяемым в последовательном соединении. Как показывает опыт, мощный импульс управления с указанными выше параметрами снижает разброс времени включения тиристоров , в ветви до .

Рис. 5.44. СПП в последовательном соединении: ДН — делитель напряжения

Рис. 5.45. Цепь с двумя последовательно соединенными тиристорами на интервале включения

При этом следует позаботиться, чтобы в течение остающегося интервала разброса включения напряжение на тиристорах, включающихся с запаздыванием, нарастало достаточно медленно. Необходимое ограничение может быть достигнуто за счет -контуров, соединенных параллельно тиристорам. Для этого часто достаточно контуров, предназначенных для выравнивания деления напряжения при выключении тиристоров (см. далее).

Однако когда индуктивность, действующая в силовой цепи тиристоров, слишком мала и очень велико, приходится принимать меры по увеличению индуктивности и снижению скорости нарастания тока. Эта индуктивность может представлять собой насыщающийся или линейный реактор с индуктивностью , обеспечивающей получение в цепи суммарной индуктивности .

На рис. 5.45 показана цепь с двумя последовательно соединенными тиристорами, шунтированными -контурами. Примем, что постоянная времени RC больше, чем , и в процессе включения тиристоров изменение напряжения на конденсаторе будет пренебрежимо мало. На запаздывающем включаться тиристоре возникает добавочное напряжение

При большой постоянной времени силовой цепи повышение напряжения будет достаточно малым. Добавив к двум последовательно соединенным тиристорам еще тиристоров, воспроизведем самый неблагоприятный случай, когда тиристоров включаются одновременно и только один тиристор включается с задержкой. Тогда, принимая примерно одинаковое начальное распределение напряжения , получаем

или, обозначая напряжение на первом тиристоре через , получаем

Однако при наличии в ветви более трех последовательно соединенных тиристоров предположение об одновременном включении тиристоров дает избыточный результат. На самом деле тиристоры на основе статистического характера разброса времени включения будут включаться один за другим. Поэтому будет справедливым в формулу (5.26) ввести поправочный коэффициент и положить, когда ,

сохранив формулу (5.31) для 3.

С увеличением числа последовательно соединенных тиристоров в ветви применение формулы (5.32) будет все более обоснованным.

Динамическое распределение напряжения при выключении. Имеющийся разброс величин зарядов восстановления , характерный для всех СПП, обусловливает различие значений интегралов обратного тока, что ведет к нарушению распределения напряжения в цепи последовательно соединенных СПП при коммутации тока.

На интервале перехода от отпертого к запертому состоянию перенапряжения возникают на тиристоре с меньшим зарядом восстановления, и они могут быть повреждены. На интервале перехода от запертого состояния к отпертому перенапряжения возникают на тиристорах с большим зарядом восстановления, и они также могут быть повреждены (рис. 5.46). Эти нарушения распределения напряжения остаются в течение последующих интервалов.

Рис. 5.46. Распределение обратного и прямого напряжении между двумя последовательно соединенными тиристорами с различающимися зарядами и временами обратного восстановления

Рис. 5.47. Процесс запирания тиристоров в ветви с двумя последовательно соединенными тиристорами

Утечка зарядов конденсаторов через происходит с большой постоянной времени и для коротких интервалов может не учитываться. Для диодов нарушение распределения напряжения имеет место только при запирании обратного напряжения.

Схема, поясняющая процессы, происходящие при запирании последовательно соединенных СПП с различающимися зарядами восстановления, показана на рис. 5.47. Рассмотрение процессов позволяет определить разбаланс напряжений на отдельных СПП при заданных сопротивлении R и емкости С. Их значения рассчитываются согласно методике, изложенной в § 5.3, при этом исходными данными являются или у (для всей цепи последовательно соединенных СПП), величина индуктивности L, значения взятые по данным каталога, т. е. отражающие наибольшие возможные значения этих параметров. Рассчитанные таким образом значения Ли С распределяются по n контурам последовательных СПП:

где и - сопротивление и емкость делительного контура СПП.

Возвращаясь к рис. 5.47, принимаем, что имеет больший остаточный заряд , вследствие чего возникает временное смещение момента воспринятая напряжения. Кроме того, разность зарядов заряжает конденсатор , и на нем возникает дополнительное напряжение AUV (влияние высокоомного можно не учитывать из-за большой постоянной времени ):

Полное напряжение на будет выражаться как

Рассматривая аналогичным образом ветвь с n последовательно соединенными СПП, получаем такую же картину. Через конденсаторы протекают заряды, определяемые разностью и вызывающие разбаланс напряжений между тиристорами с наибольшим и наименьшим .

В практических случаях можно считать, что .

Предположим, что один СПП в ветви с n приборами имеет наименьший заряд (интеграл обратного тока) , а приборов — заряд . В этом случае только получит дополнительный заряд , что вызовет повышение напряжения на первом звене ветви. Напряжение выразится следующим образом:

где .

На преждевременно запирающемся СПП устанавливается повышенное против среднего напряжение:

Практически при подборе СПП для последовательного соединения будет иметь место приблизительно распределение Гаусса величин накопленного заряда у отобранных СПП в заданном интервале .

Поэтому при может быть введен поправочный коэффициент, учитывающий неодновременность запирания приборов, и повышение напряжения выразится как

Кроме нарушения деления напряжения в последовательной ветви различие величин ведет к уменьшению времени, предоставляемого схемой для восстановления управляемости тиристоров с запозданием запирающихся (см. рис. 5.46).

Поскольку к ветви последовательно соединенных СПП может быть приложено постоянное напряжение при работе в схеме ПУ, необходимо обеспечивать распределение напряжения в статическом режиме за счет подключения шунтирующих сопротивлений . При выборе величин следует исходить из компромисса между обоснованными экономически дополнительными потерями энергии и числом n дополнительных СПП в последовательном соединении.

Для обеспечения приемлемого динамического распределения напряжения при отпирании тиристоров необходимо:

выбрать значение тока и крутизну фронта импульсов управления, гарантирующие минимальный разброс времени включения;

контролировать значение индуктивности в цепи СПП и в случае необходимости ввести дополнительные индуктивности для получения нужной точности распределения напряжения.

Для обеспечения динамического распределения напряжения по последовательно соединенным СПП применяют параллельные -цепи, параметры которых рассчитывают исходя из параметров, полученных для ограничения коммутационных перенапряжений на всей ветви, при этом исходят из максимальных значений , приводимых в информационных материалах. Полученные значения R и С распределяют по отдельным ячейкам, после чего определяют величину дополнительных напряжений разбаланса. Если напряжения на СПП превышают требуемые значения, то увеличивают число последовательно соединенных СПП в ветви, уменьшая , или уменьшают разброс путем подбора СПП по величине накопленного заряда (см. гл. 6), при этом снижается значение дополнительного напряжения при той же емкости.