Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1. Полностью управляемые тиристоры (GTO)
• 1.1 Структура силового ключа
• 1.2 Особенности конструкции
• 1.3 Статические и динамические параметры
• 1.4 Описание процессов включения и выключения
• 1.5 Область применения
• 1.6 Параметры и характеристики
• 2. Однофазный мостовой выпрямитель с симметричным управлением (L_d>0; L_a>0)
• 2.1 Область применения
• 2.2 Силовая схема, описание работы, вывод основных выражений и регулировочные характеристики преобразователя
• 2.3 Порядок выбора силового ключа для данной схемы преобразователя
• Список использованных источников


Введение

С начала 80-х годов прошлого века наблюдается рост применения регулируемых электроприводов переменного тока (10-20 % в год) в нефтегазовой промышленности. Экономия энергии при установке регулируемого электропривода взамен нерегулируемого составляет: для насосов - 25 %, для компрессоров - 40-50%, для воздуходувок и вентиляторов - 30 %, для центрифуг - 50 %. При замене в таких механизмах нерегулируемых электроприводов регулируемыми, капиталовложения окупаются за 6-24 месяца. тиристор силовой ключ преобразователь

Современная приводная техника ориентирована преимущественно на один принцип управления угловой скоростью вращения асинхронного электродвигателя - частотное регулирование в различных модификациях: частотно-регулируемый асинхронный электропривод на основе тиристорного преобразователя частоты на запираемых тиристорах с автономным инвертором напряжения (или тока);

частотно-регулируемый асинхронный электропривод на основе тиристорных преобразователей частот с естественной коммутацией;

вентильный синхронный привод с электромагнитным возбуждением;

синхронные и асинхронные электроприводы на базе непосредственного преобразования частоты (НПЧ).



1. Полностью управляемые тиристоры (GTO)

1.1 Структура силового ключа

Запираемый тиристор - полностью управляемый полупроводниковый прибор, который отпирается и закрывается по сигналу (положительного и отрицательного импульса), подаваемому на управляемый электрод. В основе запираемого тиристора классическая четырёхслойная структура. На рисунке 1.1 приведена структурная схема полностью управляемого тиристора. Подобно обычному тиристору он имеет катод, анод, управляющий электрод. Различия в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоёв с n- и р-проводимостями.

1.2 Особенности конструкции

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределённых по площади и соединённых параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.

Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределённых по площади и соединённых параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.

Анодный слой p имеет шунты (зоны n), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределённые сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счёт улучшения условий извлечения зарядов из базовой области n.

Использование тиристоров GTO, требует применения специальных защитных цепей. Они увеличивают массо-габаритные показатели, стоимость преобразователя, иногда требуют дополнительных охлаждающих устройств, однако являются необходимыми для нормального функционирования приборов.

Назначение любой защитной цепи - ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. При этом конденсаторы защитной цепи СВ (рис. 3) подключают параллельно защищаемому прибору Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого напряжения dUT/dt при выключении тиристора.

Дроссели LE устанавливают последовательно с прибором Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого тока dIT/dt при включении тиристора. Значения dUT/dt и dIТ/dt для каждого прибора нормированы, их указывают в справочниках и паспортных данных на приборы.

Рисунок 1.2 - Схема защитной цепи

Кроме конденсаторов и дросселей, в защитных цепях используют дополнительные элементы, обеспечивающие разряд и заряд реактивных элементов. К ним относятся: диод DВ, который шунтирует резистор RВ при выключении тиристора Т и заряде конденсатора СВ, резистор RВ, ограничивающий ток разряда конденсатора СВ при включении тиристора Т.

Все запираемые тиристоры (GTO) производятся в таблеточных корпусах. Такая конструкция позволяет им надежно прижиматься к охладителям, которые обеспечивают электрический и тепловой контакт к выводам тиристора.

1.3 Статические и динамические параметры

Рассмотрим статические параметры тиристора GTO. Режим работы запираемых тиристоров хорошо иллюстрируется их вольт-амперными характеристикам: статической и входной. Первая определяет закон изменения анодного тока от анодного напряжения при фиксированных значениях тока управления Ia=f(Ua). Входная характеристика определяет зависимость между током и напряжением, необходимым для переключения (отпирания и запирания) тиристора.

Статические вольт-амперные характеристики. На рисунке 1.3 показано семейство статических вольт-амперных характеристик запираемого тиристора. Здесь по горизонтали отложено напряжение между анодом и катодом, а по вертикали - ток через тиристор.

На приведенной зависимости имеется ряд характерных участков. Участок I характеризует закрытое состояние тиристора: здесь увеличение анодного напряжения мало влияет на значение тока, проходящего через прибор. Прямое анодное напряжение, соответствующее точке А характеристики, называется напряжением включения Uвкл, а прямой ток при этом через закрытый прибор, - током включения Iвкл. Участок II соответствует процессу переключения прибора, а участок III является рабочим и характеризует полностью открытое состояние тиристора.

Рассмотрим процесс отпирания тиристора при токе управления Iy>0. Если к управляющему электроду приложен положительный потенциал, а к катоду - отрицательный, то при токе управления, равном току спрямления Iспр, тиристор полностью откроется. В этом случае через него протекает прямой анодный ток.

Рисунок 1.3 - Семейство статических вольт-амперных характеристик тиристора

При токе управления Iy<0 ток выключения растет Iвыкл. Увеличивая таким образом Iвыкл , можно переключить тиристор в закрытое состояние. Переход запираемого тиристора в закрытое состояние в точке В при анодном токе Ia=Iвыкл и при токе управления Iy<0. В этой точке падение напряжения в переходе П2, очень мало, следовательно, ток центрального p-n перехода также мал и его можно не учитывать. Поэтому полный ток, протекающий через переход П2, равен анодному току.

Значение обратного напряжения Uобр на участке IV, которое можно прикладывать к запираемому тиристору, определяется удельным сопротивлением переходов П1 и П3 и концентрацией примесей в переходах. Поскольку запираемые тиристоры предназначены в основном для коммутации на постоянном токе, значение Uобр не превышает десятков вольт. В случае если нужно повысить обратное напряжение для тиристора, то параллельно подключают полупроводниковый диод.

Входная вольт-амперная характеристика. Для анализа процесса запирания тиристора рассмотрим его входную характеристику, представленную на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Входные вольт-амперные характеристики запираемого тиристора



Если источник питания управляемой цепи отключен (кривая 1), тиристор закрыт и ток Ia=0. При подключении ко входу прибора источника питания Еу тиристор открывается и рабочая точка перемещается с кривой 1 на кривую 2. Падение напряжения ?U обусловлено протеканием тока через нагрузку. Для запирания тиристора необходимо отключить источник Еу и подключить источник питания Ез. При увеличении тока запирания от значения Iз1 до Iз2 происходит рассасывание зарядов в базе тиристора.

Выражение (1.1) представляет собой ВАХ нагрузочного резистора Rн и графически изображается прямой линией (рисунок 1.5). ВАХ нагрузки называется линией нагрузки. Ток I графически определяется в точке пересечения линии нагрузки и выходной ВАХ тиристора.

I=(E-U)/Rн. (1.1)

Рисунок 1.5 - Вольт-амперная характеристика нагрузочного резистора

Точка А - точка устойчивого равновесия системы нагрузка - тиристор. И ему соответствуют следующие основные параметры:

- U_п (максимально допустимое повторяющееся импульсное напряжение) - наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии, включая все повторяющиеся перенапряжения, но исключая все неповторяющиеся;

- U_нп (максимально допустимое неповторяющееся импульсное напряжение) - наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося перенапряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии;

- U_p (максимально допустимое импульсное рабочее) - наибольшее мгновенное значение импульсного напряжения, прикладываемое к тиристору, исключая все повторяющееся и неповторяющееся переходные напряжения;

- U_з,с (постоянное напряжение в закрытом состоянии) - значение постоянного напряжения прикладываемого к тиристору.

Точка В открытое состояние тиристора, которому соответствуют следующие параметры:

- Iо,с (максимально допустимый средний ток) - среднее за период значение тока, длительно протекающего через тиристор в открытом состоянии (значение параметра приводится в обозначении тиристора);

- U_пор (пороговое напряжение) - значение прямого напряжения, определяемое точкой пересечения прямой, аппроксимирующей ВАХ тиристора в открытом состоянии, с осью напряжения;

· r_дин (динамическое сопротивление) - значение сопротивления, определяемое по наклону прямой, аппроксимирующей ВАХ тиристора в открытом состоянии.

1.4 Описание процессов включения и выключения

Рассмотрим процесс запирания тиристора подробнее.

Определим минимальную длительность импульса, необходимую для запирания тиристора. Для этого весь процесс запирания разобьем на 3 этапа (рисунок 1.6).



Рисунок 1.6 - Выключение запираемого тиристора

До начала процесса запирания центральный переход тиристора находится в состоянии насыщения и через тиристор протекает ток Ia. При подаче в цепь управляющего электрода запирающего импульса Iз длительность ф3 происходит изменение анодного тока во времени.

На первом этапе tрасс происходит рассасывание избыточных зарядов под воздействием запирающего сигнала. Анодный ток на этом этапе меняется незначительно.

На втором этапе tрег вследствие возникновения положительной обратной связи ток через тиристор лавинообразно уменьшается и носит регенеративный характер. Для надежного запирания тиристора длительность запирающего импульса ф3 должна быть не менее tрасс+ tрег. В противном случае происходит срыв процесса запирания, так как в базах находится еще достаточное количество зарядов, способных перевести тиристор в проводящее состояние.

На третьем этапе tвосст анодный ток медленно падает и тиристор восстанавливает свои запирающие свойства. Если длительность импульса ф3< tрасс+ tрег+ tвосст, возможно ложное срабатывание тиристора под воздействием дырочного тока, поступающего в p-базу через коллекторный переход. Этот ток может вызвать перезаряд емкости перехода П3до положительного напряжения, в результате чего переход П3 может открыться.

Таким образом длительность запирающего импульса должна быть не менее суммы tрасс+ tрег+ tвосст. Каждое из слагаемых этой суммы уменьшается с возрастанием тока запирания. Это означает, что увеличение амплитуды запирающих импульсов позволяет сократить их длительность.

Запираемый тиристор открывается подобно триодному и его входная вольт-амперная характеристика при включении аналогична характеристике триодного тиристора. Включение может осуществляться от источника анодного напряжения или с помощью специальных генераторов, при этом управляющий сигнал может представлять собой постоянный ток или иметь форму импульса с достаточно крутым фронтом. Полярность управляющего запускающего сигнала должна быть положительной по отношению к катоду тиристора. В общем случае условиями надежного отпирания тиристоров являются:

Iy?Iспр;

Uy?Uспр;

IyUy?Pymax.

где Iспр - импульсный ток спрямления; Uспр - импульсное напряжение спрямления; Pymax - максимально допустимая входная мощность управляющего сигнала.

Более эффективно использовать для управления тиристорами экономичные импульсные источники тока. В этом случае тиристоры включают кратковременными сигнала определенной длительности, причем амплитуда управляющего сигнала может значительно превышать постоянный входной ток, а запас по максимально допустимому режиму цепи управления обесспечивается при выполнении условия Pyфyfy < Pymax

где фy и fy - длительность импульса и частота следования управляющего сигнала соответственно.

На рисунке 1.7 приведен график отпирания тиристора. При подаче на отпирающий электрод импульса переключения тиристора из закрытого состояния в проводящее произойдет не мгновенно, а с некоторым запаздыванием, называемым временем задержки tз. Это объясняется тем, что повышение концентрации основных носителей, а следовательно, и соответствующий рост инжекции электронов происходит неравномерно и начинается лишь в очень узкой зоне, примыкающей к управляющему электроду. Продолжительность управляющего импульса определяется временем, необходимым для нарастания тока в анодной цепи тиристора. Интервал времени, в течение которого анодный ток увеличивается от 0,1 до 0,9 своего первоначального значения, называется временем нарастания анодного тока фп. Таким образом, полное время включения тиристора равно фвкл=tз+фн.

Рисунок 1.7 - Включение запираемого тиристора

Поскольку рост анодного тока определяется параметрами схемы, а также режимом нагрузки, длительность управляющего импульса выбирается несколько большей времени включения фy>фвкл.



1.5 Область применения

Бесконтактная коммутация сигналов постоянного и переменного тока возможна с помощью различных схем, использующие выпрямительные диоды, транзисторы и тиристоры. Качество любого из перечисленных ключевых устройств определяется в первую очередь минимальным током в разомкнутом состоянии и скоростью переключения. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют ключевые устройства, собранные на запираемых тиристорах, так как их характеристики близки к характеристикам идеального ключа и они могут выполнять функции обычных выключателей. Преимущества запираемых тиристоров особенно ощутимы в тех случаях, когда требуется высокое рабочее напряжение, быстродействие, и долговечность. Запираемые тиристоры используются в схемах переключателей постоянного и переменного тока, быстродействующих высокочастотных прерывателей, устройств для включения и выключения нагрузок, стабилизированных преобразователей напряжений и так далее.

1.6 Параметры и характеристики

Запираемые тиристоры производят несколько крупных фирм Японии и Европы: "TOSHIBA", "HITACHI", "MITSUBISHI", "ABB", "EUPEC", а также имеются отечественные производители ОАО "ЭЛЕКТРОВЫПРЯМИТЕЛЬ" г. Саранск, ЗАО "ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС" г. Орел, ГК "СИЛОВЫЕ ДИОДЫ" г. Москва и многие другие.

Параметры приборов по напряжению: 2500 В, 4500 В, 6000 В; по току (максимальный повторяющийся запираемый ток): 1000 А, 2000 А, 2500 А, 3000 А, 4000 А, 6000 А.

К примеру, существует отечественный тиристор КУ204В

Расшифровка обозначений запираемого двухоперационного тиристора КУ204В:

К - Кремниевый;

У - Триодный тиристор;

2 - Тиристор средней мощности (со ср. током в открытом состоянии от 0,3 до 10 А);

04 - Номер разработки;

В - Максимальное обратное напряжение 200 В.

Параметры запираемого тиристора КУ204В приведены в таблице 1.1:

Таблица 1.1

Параметр	Значение
Постоянный ток в закрытом состоянии	5мА
Запирающий импульсный ток управления	360мА
Отпирающий импульсный ток управления	150мА
Напряжение в открытом состоянии	3В
Запирающее импульсное напряжение управления	40 В
Не запирающее напряжение управления	0,3 В
Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии	200 В
Импульсный ток в открытом состоянии	2А
Средняя рассеиваемая мощность	8Вт
Максимальная температура окружающей среды	+70 °С
Минимальная температура окружающей среды	-25 °С



2. Однофазный мостовой выпрямитель с симметричным управлением (L_d>0; L_a>0)

2.1 Область применения

Однофазная мостовая схема характеризуется высоким коэффициентом использования трансформатора по мощности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт; пульсации такие же, как и двухполупериодной схеме со средней точкой. Достоинства - меньшее обратное напряжение на диодах в 2 раза, меньшие габариты, выше коэффициент использования трансформатора, чем в схеме со средней точкой. Недостаток - на диодах падение напряжения в 2 раза больше.

При сравнительно низких выходных напряжениях, когда важен КПД схемы, а обратное напряжение, прикладываемое к вентилям, несущественно, целесообразно использовать нулевую схему, в которой ток нагрузки протекает через один вентиль и потери оказываются в 2 раза меньше. Во всех остальных случаях предпочтение отдается мостовой схеме, в которой при наличии трансформатора последний проще и имеет меньшую расчетную мощность. Последнее обусловливается тем, что в мостовой схеме ток через вторичную обмотку протекает в течение всего периода, а в нулевой схеме -- лишь полпериода.

2.2 Силовая схема, описание работ, основные выражения и регулировочные характеристики преобразователя

Силовая схема однофазного мостового выпрямителя с учетом индуктивности рассеивания представлена на рисунке 2.1:

Вентильный мост содержит две группы вентилей -- катодную (нечетные вентили) и анодную (четные вентили). В мостовой схеме ток проводят одновременно два вентиля - один из катодной группы и один из анодной.

Как видно из рисунка 2.1 вентили включаются так, что в положительные полупериоды напряжения U2 ток протекает через вентили VD1 и VD4, а в отрицательные полупериоды -- через вентили VD2 и VD3.

Одной из основных характеристик однофазного мостового выпрямителя является угол коммутации (перекрытия), оказывающий большое влияние на внешние характеристики выпрямителя. Наличие потоков

рассеивания в обмотках трансформатора приводит к тому, что продолжительность работы вентилей л может оказаться больше продолжительности положительных значений напряжений источника питания. Для выпрямителей при учете индуктивностей в анодных ветвях вентилей характерны интервалы работы, когда одновременно пропускают ток два смежных по фазе диода: в одном ток убывает, а в другом нарастает. Такие интервалы одновременной работы называют периодами коммутации, которые принято обозначать буквой ?.

Временные диаграммы однофазного мостового выпрямителя с учетом индуктивности представлены на рисунке 2.2.



Рис. 2.1 - Схема однофазного мостового выпрямителя

Индуктивность в анодной цепи тиристора определяется выражением:

,

где - индуктивность рассеяния первичной обмотки трансформатора;

- индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформатора;

- индуктивность сети.

При некотором угле коммутации все тиристоры начинают пропускать ток и схема становится короткозамкнутой, то есть напряжение U_d в этот момент становится равным нулю. По временной диаграмме видно, что напряжение за период U_d0 уменьшится на некоторую величину U_d1. Рассчитаем:



,

где U_d1 - это площадь U_d в момент коммутации.

После некоторых преобразований получим:

;

В итоге получим:

, при угле управления равном нулю (б=0);

, при угле управления больше нуля (б>0).

Среднее значение выпрямленного напряжения:

.

Действующее напряжение вторичной обмотки:

.

Среднее значение выпрямленного тока:

.

Средний выпрямленный ток каждого диода:

.

Действующее значение тока нагрузки:

.

Обратное напряжение:

.

Рис. 2.2 - Кривые токов и напряжений на элементах схемы с учетом коммутации

Наличие индуктивности L_? (рисунок 2.1) обуславливает в этой схеме коммутационные периоды, но в отличие от схемы с нулевым выводом трансформатора, в период коммутации одновременно пропускают ток все четыре вентиля. В результате вторичная обмотка трансформатора в течение времени ? оказывается короткозамкнутой. По сути, мостовая схема в течение каждого полупериода ничем не отличается от схемы с нулевым выводом общей точки трансформатора, только здесь пропускает ток не один вентиль, а два, соединенных последовательно, и для каждого полупериода используются не отдельные половины вторичной обмотки, а одна обмотка, что повышает эффективность использования трансформатора. В мостовой схеме действующее значение тока во вторичной обмотке: I₂=I_d. Вследствие аналогии электромагнитных процессов мостовая схема и схема с нулевым выводом общей точки трансформатора имеют аналогичные внешние характеристики, но из-за более эффективного использования вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме типовая мощность трансформатора несколько ниже:

S_t=S₁=S₂=1.11*U_d*I_d=1.11*P_d

Предположим, что в схеме управляемого выпрямителя, представленной на рис. 2, в интервале времени больше 0-T1 (рисунок 2.2, б) проводили вентили В1 и ВЗ. В момент времени T2 (рис. 2.2, б) подаются отпирающие импульсы на вентили В2 и В4, и они включаются. Вторичная обмотка трансформатора оказывается замкнутой накоротко мостом из четырех включенных вентилей. Естественно, что во вторичной обмотке трансформатора протекает ток короткого замыкания Iк. При рассмотрении процессов в данной схеме целесообразно несколько отступить от принятой ранее идеализации схемы и предположить, что вентили в прямом направлении обладают не нулевым, а очень малым конечным сопротивлением. Ток короткого замыкания в этом случае распределится поровну между парами вентилей, подключенных к выводам вторичной обмотки трансформатора.



Рис. 2.3 - Регулировочная характеристика однофазного мостового выпрямителя

Рис. 2.4 - Внешняя характеристика однофазного мостового выпрямителя

2.3 Порядок выбора силового ключа для данной схемы преобразователя

Пусть действующее напряжения U_d=36В, то максимальное обратное напряжение:

.

Далее находим средний ток, при R_н=100 Ом:

.

Согласно рассчитанным значениям среднего тока и максимального обратного напряжения в качестве силовых ключей используем тиристор КУ202Е.

Тиристор КУ202Е предназначен для применения в качестве переключающих элементов устройств коммутации больших напряжений малыми управляющими сигналами. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с жесткими выводами.

Рис. 2.5 - Тиристоры КУ202Н и КУ202Е



Технические характеристики КУ202Е представлены в таблице 2.1:

Таблица 2.1

Постоянное максимальное обратное напряжение	100 В
Постоянное максимальное напряжение в закрытом состоянии	100 В
Повторяющийся импульсный ток в открытом состоянии	10 А
Напряжение в открытом состоянии	<=1,5 В
Неотпирающее постоянное напряжение управления	>=0,2 В
Постоянный ток в закрытом состоянии	<=4 мА
Постоянный обратный ток	<=4 мА
Отпирающий постоянный ток управления	<=200 мА
Постоянное отпирающее напряжение управления	<=7 В
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии	5 В/мкс
Время включения	<=7,5 мкс
Время выключения	<=200 мкс

Расшифровка обозначения тиристора КУ202Е:

К - Кремниевый;

У - Триодный тиристор;

2 - тиристор средней мощности (со ср. током в открытом состоянии от 0,3 до 10 А);

02 - номер разработки;

Е - максимальное обратное напряжение 100В.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Дзюбин Д.И., Запираемые тиристоры и их применение. Москва, Изд-во «Энергия», 1976. - 40 с.

2. Борисов П.А., Томасов В.С. Расчет и моделирование выпрямителей. Учебное пособие по курсу “Элементы систем автоматики” (Часть I) . - СПб: СПб ГУ ИТМО, 2009 - 169 c.

3. Бар В.И., Основы преобразовательной техники / В.И. Бар.// Курс лекций. - Тольятти: 2005. - 106 с.

4. Розанов Ю.К., Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296 с.

5. Латышев Л.Н. Силовая электроника: Лабораторный практикум - Уфа: Изд-во УГНТУ 2018. - 110 с.

6. Латышев Л.Н. Основы силовой электроники: Учебное пособие - Уфа: Изд-во УГНТУ 2016. - 134 с.

7. Замятин В.Я., Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник/ В.Я. Замятин, Б. В. Кондратьев, В. М. Петухов. - М.: Радио и связь, 1987 - 576 с.

Размещено на Allbest.ru