Тиристорные электроприводы постоянного тока

Защитят

Одним из многих преимуществ тиристоров являются их малые габариты. Однако небольшая масса и размеры поверхности обусловливают малую посто­янную времени нагрева и ухудшение условий теплоотдачи. Тепловая чувстви­тельность тиристоров возлагает большую ответственность иа средства их защиты. Ниже описываются наиболее типичные аварийные режимы и соответ­ствующие способы защиты тиристоров.

Ограничение di/dt. В момент подачи управляющего импульса при прямом напряжении на тиристоре анодный ток начинает протекать через переход в непосредственной близости от вывода управляющего электрода и лишь затем он распространяется по всей площади перехода. При большой скорости нара­стания анодного тока вследствие большой его плотности вблизи управляющего электрода возникают очаги перегрева, которые могут привести к выходу при­бора из строя. Поэтому при включении тиристора производную анодного тока следует ограничивать некоторым допустимым значением. Для этой цели могут быть использованы небольшие реакторы в анодной цепи. Предельное значение производной тока di/dt лежит в пределах 20—500 А/мкс.

Ограничение du/dt. При прямом падении напряжения на тиристоре к внеш­ним переходам Ji и /3 (см. рис. А.1, а) приложено прямое напряжение, а к внутреннему переходу /з — обратное. Переход /3 обладает эквивалентной ем­костью, вследствие чего при подаче напряжения ток через него удовлетворяет соотношению

Где Сj — емкость перехода.

Если скорость изменения напряжения на тиристоре £/а высока, ток может достигнуть значения, достаточного для включения тиристора без управляющего импульса. Эффект включения под воздействием du/dt приводит к сбоям в ра­боте преобразователя.

Допустимая скорость изменения анодного напряжения составляет обычно 20^500 В/мкс. Для защиты тиристора от непреднамеренного включения при больших du/dt в простейшем случае применяется шунтирующая RC-Цепочка, включаемая параллельно тиристору.

Пример А.1. Для регулирования мощности, выделяемой в резисторе R, Используется тиристор, как показано иа рис. А.5, а. Напряжение питания 400 В, а допустимые значения di/dt и du/dt равны 50 А/мкс и 200 В/мкс соответствен­но. Требуется определить параметры защитных реактора и RC-Цепи.

Решение. Напряжение на конденсаторе не может измениться мгновен­но. Более того, тиристор в зоне низкой проводимости имеет большое внутрен­нее сопротивление. Поэтому при замыканин ключа К цепь нагрузки может быть представлена эквивалентной схемой рис. А.5, б. Уравнение для напря­жений имеет вид

U = Rmi + L - jp + Ri, (АЛ)

Откуда

Di/dt = [f/ — (Яш + Щ (А.2)

О, поэтому (А. З)

(А.4)

(А.5)

Или

(dUa/dt)max = Rm (di/dt)max. (А.6)

Решая совместно (А. З) и (А.6), имеем

(dUa/dt)max = RmU/L.

Таким образом,

_ —— _ 4 Ом. И Dt Jmax 400

Если Rm мало, потери энергии в ием высоки. Обращаясь к схеме рис. А.5, а, можно видеть, что при включении ключа Q все напряжение питания U До открытия тиристора прикладывается к конденсатору Сш, поэтому при от­крытии тиристора, в нем происходит бросок тока с тем большим пиковым зна­чением, чем меньше Rm. Таким образом, достаточное с точки зрения ограниче­ния тока значение Rm может быть слишком большим для ограничения du/dt. Емкость Сш выбирается небольшой, чтобы не вывести тиристор из строя в момент разряда при его открытии. Типичные значения Rш и Сш составляют соответственно 10 Ом и 0,1 мкФ. При таком значении сопротивления Rm По (А.7) может быть найдена индуктивность реактора L, при которой du/dt ие превышает допустимого значения:

L = URm/(du/dt)max — 40-10/200 = 20 мкГн.

Полученная индуктивность не слишком велика и превышает найденное выше максимальное значение, необходимое для ограничения Di/Dt.

Теплоотвод. В открытом состоянии тиристор имеет небольшое внутреннее сопротивление, при этом падение напряжения на нем составляет 1—2 В, что при большом анодном токе приводит к значительным тепловым потерям, спо­собным вызвать разрушение прибора, поэтому тиристоры всегда устанавлива-

Ются на радиаторы, способствующие отводу теплоты от тиристора и передаче его в атмосферу.

Защита от перенапряжения. При неудовлетворительной коммутации, ко­ротких замыканиях, переходных процессах при регулировании, ударах молнии и т. п. напряжение на тиристоре может превысить допустимое значение. Защи­та от перенапряжений осуществляется с помощью включаемых параллельно тиристору нелинейных элементов, сопротивление которьгх уменьшается при увеличении напряжения. При больших ""напряжениях на тиристоре они шунти­руют его силовую цепь. Для такой защиты обычно применяются селеновые етабилитроны-тиректоры или металлооксидные варисторы.

Защита от аварийных токов. Полупроводниковые приборы имеют весьма небольшую теплоемкость, поэтому длительная перегрузка и работа при им­пульсных токах, а также кратковременные сильные броски тока могут при­вести к недопустимому перегреву переходов и выходу прибора из строя. Токовая защита обеспечивается с помощью автоматических выключателей и быстродействующих предохранителей, устанавливаемых в цепь последователь­но с тиристором. Автоматические выключатели используются для защиты от длительных перегрузок, а предохранители — от кратковременных. Время сра­батывания защитной аппаратуры должно соответствовать характеристикам защищаемого полупроводникового прибора. Значение 14 предохранителя должно быть не больше, чем соответствующее паспортное значение - для данного при­бора.

Автоматические выключатели или предохранители должны обеспечивать разрыв цепи до выхода из строя тиристора, причем автоматические выключа­тели, как правило, отключают схему целиком, а предохранители могут быть установлены для каждого прибора индивидуально.

Защита цепи управляющего электрода. Цепи управляющих электродов за­щищаются как от перенапряжений, так и от аварийных токов. Малая мощность этих цепей позволяет применять простые защитные средства, такие, как стаби­литроны, ограничивающие напряжение на электроде, и токоограничивающие резисторы. Характерной проблемой, связанной с тиристорными схемами, яв­ляется их ложное срабатывание. В цепи управляющего электрода могут быть индуцированы импульсы от коммутации соседних тиристоров или сетевых по­мех, вызывающие переход тиристора в открытое состояние и неправильную работу схемы. Защита цепей управления от таких помех состоит в экраниро­вании или скручивании их проводов. Часто между выводом управляющего электрода и катодом параллельно устанавливают конденсатор и резистор, шун­тирующие помехи.

На рис. А.6 представлена схема, содержащая узлы защиты тиристора. В

Таблица А.1

Табл. А.1 приведены основные данные для тиристоров двух типов. По требо­ванию заказчика изготовитель может представить более полную информацию.

Схемная защита. Рассмотренные выше виды аварийной защиты срабатыва­ют не во всех возможных случаях неисправной работы полупроводникового прибора. Для организации защиты цепей тиристорного преобразователя могут быть использованы различные схемные решения. Одно из них — схема блоки­ровки управляющих импульсов —• описано в приложении Б и показано на рис. Б.7. Обнаружив с помощью датчика превышение допустимого тока, схема прекращает подачу управляющих импульсов на тиристор. Могут быть исполь­зованы и другие виды защиты, например так называемый электронный ключ [2], представляющий собой дополнительный тиристор, шунтирующий основной при аварийном токе до тех пор, пока не сработает автоматический выключа­тель.

Схема с емкостным гасящим устройством применяется для инверторов, в которых аварийный режим происходит при одновременном - включении тиристо­ров одного плеча. Оиа пригодна дЛй' инвертора с реверсом тока, схема кото­рого представлена в табл. 4.1, и содержит конденсатор небольшой емкости, включенный на входе инвертора за реактором фильтра. При одновременном включении обоих тиристоров аварийный ток переводится в цепь гасящего кон­денсатора, и отрицательная полуволна тока, образующегося в колебательном LC-контуре, закрывает тиристоры. Параметры конденсатора и реактора выби­раются такими, чтобы максимальное значение тока оставалось в допустимых пределах для данных тиристоров. Предохранитель, используемый в сочетании с LC-контуром, естественно, не должен перегорать при возникающем в схеме импульсе тока. Подобный контур в отдельных применениях может - быть ис­пользован и как коммутирующий.