www.chms.ru - вывоз мусора в Балашихе 

Динамо-машины  Конструирование преобразователей, силовые полупроводниковые приборы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

ния и длительностью. Токовая перегрузка возникает, если ток нагрузки превышает допустимое значение, а охлаждение остается в пределах, обусловленных техническими условиями. Однако тепловое повреждение преобразователя может произойти и в том случае, если ток нагрузки не превышает допустимого значения, а изменяется его охлаждение (поврежден вентилятор, засорены охлаждающие каналы, прекращена циркуляция охлаждающей жидкости и т. п). Самой совершенной является такая защита полупроводникового преобразователя, которая исключает повышение температуры полупроводниковых приборов и других элементов свыше допустимых значений в случае любого повреждения.

Только контроль температуры отдельных частей преобразователя недостаточен для защиты от токовых перегрузок, так как невозможно измерять температуру непосредственно полупроводниковой структуры. Если скорость увеличения тока перегрузки относительно велика, то, когда превышение температуры проявится на корпусе прибора, температура перехода может превысить допустимое значение. Поэтому защита от токовых перегрузок должна комбинироваться с контролем температуры в ответственных местах, что гарантирует защиту преобразователя от любых перегрузок независимо от их причины и характера.

Защиту от токовых перегрузок можно комбинировать также с контролем движения хладоносителя в системе охлаждения с помощью соответствуюгцих датчиков.

Самыми распространенными устройствами токовой защиты являются автоматические выключатели и плавкие предохранители. Автоматические выключатели имеют обычно раздельные спусковые устройства, срабатывающие в зоне токовых перегрузок и в зоне токов короткого замыкания.

Спусковое устройство защиты в зоне токовых перегрузок бывает так называемым laquo;тепловым raquo;, принцип действия которого основан на механической деформации биметаллической пластинки, нагреваемой протекаюпщм током, или плунжерным, в котором соленоид с током притягивает якорь, перемещающийся в вязкой среде. Тормозящее действие вязкой жидкости можно регулировать изменением сопротивления движению вязкости среды через отверстия в якоре. Спусковое устройство для зоны токов короткого замыкания выполняется обязательно электромагнитным и действует очень быстро. Однако и при таком быстродействующем электромагнитном спусковом устройстве обычные автоматические выключатели не обеспечивают защиты полупроводниковых приборов при больших перегрузках и токах короткого замыкания, поэтому они должны комбинироваться с быстродействующими плавкими предохранителями, которые, в свою очередь, не пригодны для защиты от

Рис. 63. Типичная характеристика автоматического выключателя, т. е. зависимость времени отключения от тока:

/ - поле рассеяния характеристик автоматического выключателя; 2-граничная характеристика полупроводникового диода (пересчитана на эффективное значение тока); 3 - ток выключателя при максимально допустимой рабочей нагрузке диодов выпрямителя; 4 - ток выключателя при максимально допустимой длительной нагрузке диодов выпрямителя (при этом токе автоматический выключатель отключается за время менее 1 с)

0,01

10 20 30 50 100 IA

небольших длительных перегрузок. Комбинация плавкого предохранителя и автоматического выключателя, соединенных последовательно, является наиболее совершенным устройством защиты от токовых перегрузок и токов короткого замыкания.

На рис. 63 показана типичная зависимость времени отключения от тока трехфазного автоматического выключателя, установленного на входе полупроводникового выпрямителя. Из диаграммы видно, что при токах более 70 А автоматический выключатель не может надежно защитить диоды, так как он здесь действует слишком медленно.

Стремление отказаться от использования плавких предохранителей в целях защиты полупроводниковых преобразователей, так как они требуют замены после срабатывания, привело многие фирмы, выпускающие автоматические выключатели, к разработке сверхбыстродействующих выключателей, которые способны защитить полупроводниковые приборы при любых обстоятельствах как при перегрузке, так и при коротких замьканиях.

Чтобы автоматический выключатель обеспечивал надежную защиту полупроводниковых приборов, должны выполняться три условия.

1. Автоматический выключатель должен быть очень быстродействующим, т. е. он должен срабатывать так же быстро, как и предохранитель.

2. Отключающая способность автоматического выключателя должна быть-, такой, чтобы он надежно отключал ток короткого замыкания в дайном месте и не повреждался при отключении.

3. Временная зависимость автоматического выключателя должна во всем диапазоне лежать левее временной характеристики защищаемого полупроводникового элемента или всего преобразователя.

Автоматические выключатели, которые надежно защищают полупроводниковые приборы от перегрузки и короткого замыкания, выпускают в настоящее время многие фирмы. Одной из



200 150 100 50

N 150 кА

г \ 1

t,nc

0,001

50 WO ZOO 300 500 woo I, A

Рис. 64. Изменение во времени тока короткого замыкания (] с эффективным значением 150 кА и тока короткого замыкания i, ограниченного автоматическим выключателем типа Compact фирмы Merlin Gerin

Рис. 65. Характеристика предохранителя с номинальным током 80 А и полупроводникового прибора

первых в этой области является французская фирма Мерлин Герин, которая разработала два быстродействующих токоогра-ничивающих автоматических выключателя типа Compact C125L и C160L. Выключатели имеют номинальный ток 125 и 160 А, номинальное напряжение 660 В при частоте 50-60 Гц или 500 В постоянного тока, отключающую способность от 100 до 150 кА. Фактически автоматический выключатель не отключает такой большой ток короткого замыкания, а ограничивает его до значений 15-20кА, при которых его и отключает. Выключатель может устанавливаться в такие участки сети, где без него мог бы развиться очень большой ток короткого замыкания. Эффект токоограничения достигается благодаря специальному дугогасящему устройству, в котором используется силовое воздействие тока короткого замыкания на контакты для быстрого их разведения и интенсивное деиони-зационное действие дугогасительной камеры на электрическую дугу с целью ее скорейшего гашения. Токоограничивающее действие автоматических выключателей типа Compact показано на рис.64. Выключатели имеют габаритные размеры 105х X 185x 120 (230) мм.

Как уже было сказано, плавкие предохранители не пригодны для защиты полупроводниковых приборов от токов перегрузки, так как их характеристики в области малых перегрузок недостаточно селективны и точны. На рис. 65 показаны характеристика предохранителя на номинальный ток 80 А (кривая У), зависимость максимально допустимого тока пере-

грузки диода от времени перегрузки (кривая 2) и длительно допустимый ток нагрузки (линия 3) диода. В области 4 характеристики предохранителя (штриховая линия) защита диода не может быть обеспечена, так как максимально допустимая нагрузка диода в этой области (линия 5) находится левее характеристики предохранителя.

Тиристоры могут быть защищены от токов перегрузки снятием управляющих импульсов с управляющих электродов. Однако такой способ защиты можно использовать только в цепях с переменным или прерываемым током, так как снятие управляющего сигнала оказывает эффект лишь после первого прерывания тока. Поэтому снятие управляющих импульсов не обеспечивает защиты при быстрых нарастаниях тока, когда уже в течение первого полупериода анодного напряжения ток достигает опасного значения.

Для контроля движения охлаждающего воздуха используются датчики, состоящие из отклоняющейся лопасти и микропереключателя. Система водяного охлаждения чаще всего контролируется по наличию давления.

Наиболее надежную защиту от длительных относительно небольших перегрузок обеспечивают датчики температуры. Они устанавливаются на охладителе в непосредственной близости от полупроводниковых приборов. В преобразователях используются биметаллические датчики и датчики с сопротивлением, зависящим от температуры (терморезисторы).

Биметаллические датчики основаны на деформации биметаллической пластинки под действием температуры. В ЧССР предприятие OEZ (г. Летоград) вьшускает датчики серии J5A. Для установки на охладители силовых полупроводниковых приборов удобны датчики типа J5A13 и J5A23. Датчик J5A13 (рис. 66) при повышении температуры выключает электрическую цепь, датчик J5A23 ее включает. Устройство датчиков очень простое. При нагреве упругого биметаллического диска, закрепленного в тарельчатой пружине с упорной кромкой, выпуклость диска скачком меняет положение на противоположное, замыкая или размыкая при этом контакт датчика. Датчики J5A предназначены для коммутации активной нагрузки 0,5А при напряжении 220 В, частоте 50 Гц или индуктивной нагрузки с постоянной времени до 5 мс при постоянном токе 0,05 А и напряжении 60 В. Датчик можно использовать непосредственно для управления катушкой контактора типа VI 3D (до 120 В А) при напряжении катушки 220 В. Номинальная температура срабатывания датчиков J5A в диапазоне от 60 до 120 deg; С с допуском plusmn;5 deg; С.

После уменьшения температуры ниже температуры отключения биметаллический диск возвращается в исходное поло-




Рис. 66. Разрез биметаллического датчика температуры типа J5A13: / - корпус датчика; 2 - тарельчатая пружина; 5- диск из биметалла; 4-неподвижный контакт с выводным лепестком; 5 - контакт, соединенный с корпусом датчика

жение, и датчик снова готов к работе. Износостойкость датчика составляет 500 циклов.

Датчики типа J5A устанавливаются на охладитель с помощью простейщего прижимного устройства (рис. 67), которое прижимает датчик к плоской поверхности охладителя. Прижимное устройство состоит из щайбы, закрепленной на охладителе с помощью двух винтов. Если необходимо изолировать датчик от охладителя, между датчиком и охладителем помещается электроизоляционная прокладка, например, из полиэтилентерефталата, который имеет высокую электрическую прочность и хорощую теплопроводность, или из слюды, а прижимная шайба делается из электроизоляционного материала.

Для обеспечения хорошей точности срабатывания датчика независимо от способа монтажа датчик может быть установлен в корпус, как показано на рис. 68. Датчик помещается в полость металлического штыревого корпуса и заливается массой с хорошей теплопроводностью (например, эпоксидной смолой с песком в качестве заполнителя). Такой датчик в корпусе ввинчивается штырем в охладитель с заданным крутящим моментом, что обеспечивает хороший стабильный тепловой контакт. Вместе с датчиком в корпус заливаются и контактные выводы для соединительных проводов.

Некоторые фирмы-изготовители полупроводниковых приборов сами изготавливают биметаллические датчики, специально предназначенные для защиты тиристоров и диодов, и предусматривают для них на охладителях готовые отверстия. На рис. 69 показан габаритный чертеж биметаллического датчика фирмы Semikron (ФРГ). Этот датчик имеет коммутационную стойкость 100000 циклов при отключении активной нагрузки 10 А с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. При постоянном токе 15 А и напряжении 30 В его коммутационная стойкость 6000 циклов. Он выпускается на номинальные температуры от 63 до 132 deg; С с допуском 3-3,5 deg; С. Повышенная коммутируемая мощность этого датчика по сравнению с чехословацким изделием J5A связана с его большими размерами, что позволило обеспечить большое разрывное расстояние между контактами.

Терморезисторы в качестве датчиков температуры в полупроводниковых преобразователях имеют то преимущество, что



Рис. 67. Установка биметаллического датчика температуры J5A на охладитель с помощью прижимной щайбы

Рис. 68. Калиброванный датчик температуры J5A, залитый в металлическом корпусе с резьбовым п]тырем: /-шестигранник под ключ 27мм

обладают меньигей теплоемкостью и, следовательно, быстрее реагируют на изменение температуры. Применение терморезисторов требует, однако, электронных устройств для преобразования сигнала. При использовании позисторов (резисторов с положительным температурным коэффициентом) эти устройства относительно просты, так как характеристика позисторов обладает ярко выраженной нелинейностью. Их сопротивление почти постоянно до определенной температуры, а после ее превышения резко увеличивается на несколько порядков. На рис. 70 показана типичная характеристика по-зистора. На оси абсцисс нанесены значения разности между фактической температурой и номинальной температурой по-зистора, вблизи которой происходит резкое изменение его сопротивления. При холодном состоянии позистора его сопротивление колеблется от 30 до 60 Ом, номинальная температура позисторов составляет 50-120 deg; С Позисторы имеют форму таблетки диаметром от 4до 10 мм, толщиной 4-5 мм с проволочными выводами. Они вставляются в отверстие или углубление в охладителе и заливаются массой с хорошей теплопроводностью.

Кремниевые пластины полупроводниковых приборов имеют очень малую теплоемкость, поэтому их температура зависит от частоты протекающего тока, что наблюдается до значений частот, равных десяткам килогерц. При быстром возрастании тока короткого замыкания переход прибора может быть



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37