Коэффициент неравномерности распределения обратного напряжения по последовательно соединенным

Причина неравномерного распределения тока и обратного напряжения между полупроводниками

Расчет общего числа полупроводниковых приборов преобразователя

Общее число ПП N, которое необходимо для комплектования преобразователя, зависит от числа последовательно и параллельно включенных ПП в плече и числа диодных (тиристорных) плеч

где n – число плеч ВП (для 6П схемы равно 6, для 12П схемы — 12).

Правильно рассчитанное и выбранное число ПП не гарантирует надежную работу преобразователя из-за неравномерного распределения тока между параллельными ПП или обратного напряжения между последовательными ПП. Это вызвано расхождением ВАХ полупроводников, которые технологически создать одинаковыми невозможно.

Рассмотрим причины и методы выравнивания распределения обратного напряжения и прямого тока.

а) Причины неравномерного распределения обратного напряжения между последовательно соединенными полупроводниковыми приборами

Пусть по расчету требуется включить два последовательно соединенных диода или тиристора, ВАХ которых в непроводящем направлении показано на рисунке. Видно, что их ВАХ хоть незначительно, но отличаются.

Так как ПП включены последовательно, то при приложении обратного напряжения U_VП через них потечет одинаковый обратный ток i_R. Отложим этот ток на ВАХ и проведем прямую, параллельную U_R, точка пересечения этой прямой с ВАХ покажет распределение обратного напряжения между полупроводниками.

Видно, что U_V2 U_RRM и возможен пробой V1, после чего все напряжение U_VП прикладывается к V2, на которое V2 не рассчитано, и произойдет пробой всей цепи.

б)Методы выравнивания обратного напряжения

Для выравнивания распределения обратного напряжения широко применяются активные делители напряжения, выполненные на резисторах Rш. Эти делители выравнивают распределение обратного максимального напряжения U_VMAX в рабочем режиме. Распределение обратного напряжения будет происходить пропорционально результирующему сопротивлению

и отклонение напряжения не превышает 7%.

Для выравнивания распределения обратного напряжения в динамическом режиме U_VП, U_VНП используют активно емкостные делители напряжения R_B-C_B, которые уменьшают скорость нарастания перенапряжения и равномерно распределяют эти напряжения между полупроводниковыми приборами. Кроме указанных делителей напряжения вместо Rш могут быть использованы лавинные диоды или стабилитроны (рис. 12.3, б), у которых ВАХ в непроводящем направлении имеет стабилизированный участок.

в) Причины неравномерного распределения тока между параллельно включенными полупроводниками

Пусть по расчету требуется включить два полупроводника параллельно, ВАХ которых показано на рисунке. Так как V1 и V2 включены параллельно, то падение напряжения между анодом и катодом одинаково и равно ΔU_V. Проведя перпендикуляр параллельной оси I_F, найдем распределение тока между V1 и V2.

Видно, что I_V2 I_FAVm, т.е. это приведет к его перегреву и выходу из строя, I_V→I_V2, в итоге перегрев и тепловой пробой, выход его из строя.

Для предупреждения неравномерного распределения тока, применяют специальные схемы.

Методы и схемы выравнивания распределения тока.

1. Подбор полупроводников по одинаковым ВАХ.

Допускаем: ‌‌‌ U_Fm1—_UFm2‌ ≤ 0,02 В. Применяют для диодов и лавинных диодов.

2. Последовательное включение активных резисторов (рис. 12.2, а).

Из-за больших потерь энергии применяют в маломощных установках.

3. Включение ПП через индуктивные делители тока(рис. 12.2, б).

Рис. 12.2 — Схемы выравнивания прямого тока при соединении диодов (а) и тиристоров (б)

Индуктивный делитель тока состоит из магнитопровода и двух обмоток w₁ и w₂, обычно выполненных в виде одного или двух витков шины, подключающих V1 и V2.

Принцип работы состоит в следующем: под действием тока I_V1 создается магнитный поток Ф₁, а ему навстречу под действием I_V2 поток Ф₂. В сердечнике действует результирующий поток Ф_РЕЗ = Ф₁ — Ф₂. Если I_V1=I_V2, то Ф₁=Ф₂, следовательно, Ф_РЕЗ=0 и индуктивный делитель влияния на работу не оказывает, т.е. в данный момент он не действует. Если I_V1>I_V2, то Ф₁>Ф₂, следовательно, Ф_РЕЗ>0, поэтому при уменьшении тока в обмотке w₁ наводится ЭДС самоиндукции e_s, направленная вверх, и в w₂ – направленная вниз, т.е. встречно вызвавшему их потоку, благодаря этому напряжения между анодом и катодом будут равны, т.к , а .

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Коэффициент неравномерности распределения обратного напряжения по последовательно соединенным

8 Требования к техническому обслуживанию и ремонту полупроводниковых преобразователей

8.1 Общие требования
8.1.1 Номенклатура технологических операций, проверок и испытаний, выполняемых при установленных для полупроводниковых преобразователей видах технического обслуживания и ремонта, и условия их выполнения — в соответствии с таблицей 16.

8.1.2 Полупроводниковый преобразователь может быть признан пригодным к дальнейшей эксплуатации в течение ближайшего межремонтного срока после выполнения перечисленных в таблице 16 технологических операций и при положительных результатах всех проверок и испытаний.
8.2 Требования к осмотру без приближения к токоведущим частям
8.2.1 При осмотре полупроводникового преобразователя без приближения к токоведущим частям должны быть проверены:
— соответствие местной сигнализации и положения органов управления режиму работы преобразователя;
— отсутствие постороннего шума, треска и разрядов в шкафах преобразователя и RC-шкафах;
— состояние разрядников или ограничителей перенапряжений.
8.3 Требования к проверке сопротивления изоляции токоведущих частей
8.3.1 Измерение сопротивления изоляции токоведущих частей должно производиться в холодном состоянии преобразователя:

Таблица 16 — Номенклатура технологических операций, проверок и испытаний, выполняемых при установленных для полупроводниковых преобразователей видах технического обслуживания и ремонта, и условия их выполнения

Наименование технологических
операций, проверок и испытании

Необходимость выполнения при:

Условия выполнения,
примечания, пояснения,
ссылки

межре-
монтных
испыта-
ниях

1 Осмотр без приближения к
токоведущим частям

Выполняется по 8.2 и
приложению А для всех
преобразователей

2 Очистка элементов
конструкции преобразователя и
камер (шкафов), в которых он
размещен

Выполняется для всех
преобразователей

3 Проверка сопротивления
изоляции токоведущих частей

Выполняется по 8.3 для
всех преобразователей

4 Испытание повышенным
напряжением изоляции главных
цепей преобразователя
относительно корпуса и изоляции
между цепями, электрически не
связанными между собой

Выполняется по 8.4 и
приложению Б для всех
преобразователей

5 Проверка коэффициентов
неравномерности распределения
тока и напряжения

Выполняется по 8.5 для
всех преобразователей

6 Проверка отсутствия пробоя
тиристоров

Выполняется по 8.5 для
управляемых выпрямителей
и инверторов

7 Проверка отсутствия обрыва
в полупроводниковых приборах

Выполняется по 8.5 для
всех преобразователей

8 Опробование защит от
пробоя полупроводниковых
приборов и от прекращения
обдува

Выполняется по 8.6 для
преобразователей,
оборудованных
соответствующими защитами

9 Испытание разрядников или
ограничителей перенапряжений

Выполняется по разделам
23 или 24 для всех
преобразователей

10 Проверка внутреннего
теплового сопротивления
штыревых диодов

Выполняется по 8.7 для
преобразователей со
штыревыми диодами

11 Контроль исправности
системы охлаждения

Выполняется по 8.8 для
преобразователей с
принудительным
охлаждением

12 Проверка осевого усилия
сжатия полупроводниковых
приборов таблеточной
конструкции

Выполняется при
превышении коэффициентом
неравномерности
распределения тока
предельного значения,
указанного в 8.5.3

13 Проверка системы
управления тиристорами

Выполняется для
управляемых выпрямителей
и инверторов

14 Снятие рабочих,
регулировочных, динамических и
других характеристик

Выполняется для
управляемых выпрямителей
и инверторов

— главных цепей — мегаомметром на напряжение 2500 В;
— вспомогательных цепей — мегаомметром на напряжение 1000 В.
Полупроводниковые приборы, конденсаторы и обмотки трансформаторов на время измерения должны быть закорочены.
8.3.2 Сопротивление изоляции должно быть не ниже:
— главных цепей — 5 МОм;
— вспомогательных цепей по отношению к земле, а также всех групп электрически не связанных цепей по отношению друг к другу:
1) напряжением 220 В — 10 МОм;
2) напряжением до 110 В — 1 МОм.
8.4 Требования к испытанию повышенным напряжением изоляции главных цепей преобразователя относительно корпуса и изоляции между цепями, электрически не связанными между собой
8.4.1 Главные цепи переменного и выпрямленного напряжений на время испытаний должны быть электрически соединены.

8.4.2 Испытание должно производиться:
— в течение 1 мин напряжением промышленной частоты эффективным значением:
1) преобразователей со схемой «две обратные звезды с уравнительным реактором» (без RC-шкафов) — 15 кВ;
2) преобразователей с эквивалентными двенадцати- и двадцатичетырехфазными мостовыми схемами (без RC-шкафов) — 12 кВ;
3) RC-шкафов — 24 кВ;
— в течение 10 с напряжением промышленной частоты эффективным значением:
1) электродов конденсаторов относительно корпуса — 27 кВ;
2) электродов конденсаторов между собой — 15 кВ;
— в течение 1 мин напряжением 15 кВ постоянного тока — проводов и(или) кабелей, соединяющих шкафы преобразователя с RC-шкафами.
8.5 Требования к проверке коэффициентов неравномерности распре деления тока и напряжения, проверке отсутствия пробоя тиристоров и проверке отсутствия обрыва в полупроводниковых приборах
8.5.1 Измерение коэффициента неравномерности распределения тока по параллельно соединенным силовым полупроводниковым приборам должно производиться методом 105 по ГОСТ 26567 (пункт 3.1.5).
8.5.2 Измерение коэффициента неравномерности распределения напряжений по последовательно соединенным силовым полупроводниковым приборам должно производиться методом 106 по ГОСТ 26567 (пункт 3.1.6).
8.5.3 Коэффициент неравномерности распределения тока по параллельно соединенным силовым полупроводниковым приборам не должен превышать 15 %. Коэффициент неравномерности распределения обратного напряжения по последовательно соединенным силовым полупроводниковым приборам не должен превышать 20 %.
8.5.4 Проверка отсутствия пробоя тиристоров должна производиться путем измерения их обратного сопротивления. Обратные сопротивления тиристоров не должны различаться более, чем на 10 %.
8.5.5 У преобразователей с цепями, шунтирующими вентили, проверка отсутствия обрыва в полупроводниковых приборах должна производиться путем измерения разброса напряжения между последовательно соединенными полупроводниковыми приборами. Разброс напряжения не должен превышать 20 % среднего значения напряжения.
У преобразователей, не имеющих цепей, шунтирующих вентили, проверка отсутствия обрыва в полупроводниковых приборах должна производиться импульсным напряжением, составляющим 0,8 напряжения класса полупроводниковых приборов. Напряжение на каждом полупроводниковом приборе не должно отличаться более чем на 10 % от указанного значения.
8.6 Требования к опробованию защит от пробоя полупроводниковых приборов и от прекращения обдува
8.6.1 Опробование защит должно производиться при снятом рабочем напряжении путем:
— для защиты от пробоя полупроводниковых приборов — замыкания анода и катода одного их полупроводниковых приборов;
— для защиты от прекращения обдува — имитации срабатывания защиты воздействием на якорь соответствующего измерительного реле.
8.7 Требования к проверке внутреннего теплового сопротивления штыревых диодов
8.7.1 Допустимые значения теплового сопротивления штыревых диодов не должны превышать указанных в таблице 17.
8.8 Требования к контролю исправности системы охлаждения
8.8.1 Скорость воздушного потока на выходе из корпуса шкафа преобразователя должна быть не ниже 8 м/с.
8.8.2 Проверка электродвигателей системы охлаждения — в соответствии с разделом 31.

Таблица 17 — Допустимые значения теплового сопротивления штыревых диодов в зависимости от условий работы преобразовательных агрегатов

Суточная переработка
электроэнергии, тыс.
кВт·ч

Допустимые значения теплового сопротивления
штыревых диодов, °С/Вт, для преобразовательных
агрегатов:

без
автоматического
включения и
отключения
резерва

Источник

​Параллельное и последовательное соединение силовых полупроводниковых приборов (СПП)

Максимальные токи и блокирующие напряжения выпускаемых СПП ограничены и часто однотипные СПП приходится соединять в группы для увеличения мощности разрабатываемого оборудования.

Основные типы соединений:

• Параллельное — используется при необходимости увеличения максимального тока;
• Последовательное — используется при необходимости увеличения максимального блокирующего напряжения;
• Смешанное — параллельное + последовательное.

Соединяя тиристоры или диоды параллельно, необходимо стремиться к равному распределению тока нагрузки по приборам. Нужно обеспечить идентичность условий работы СПП и равенство вольтамперных характеристик, учитывая технологический разброс параметров.

Для решения этой задачи необходимо следующее:

• Последовательно с каждым полупроводниковым прибором устанавливать индуктивные или омические делители тока;
• Осуществлять подбор полупроводниковых приборов по статическим потерям в рабочей точке (по значению U tm /U fm на рабочем токе). Следует заметить, что всегда существует определенный технологический разброс параметров СПП;
• При проектировании преобразователей, имеющих параллельное соединение полупроводниковых приборов, рекомендуется выбирать рабочие токи, находящиеся выше точки инверсии вольтамперной характеристики СПП. В этом случае выравнивание токов в параллельных ветвях будет происходить автоматически, так как в области ВАХ, лежащей выше точки инверсии, действует отрицательная обратная связь, то есть при увеличении температуры р-n перехода увеличивается его сопротивление и уменьшается прямой ток, что приводит к снижению температуры р-n перехода;

• Для минимизации влияния времени включения отдельных тиристоров и — как следствие — неравномерного распределения тока по ветвям в первоначальный момент времени, необходимо применять мощные импульсы управления с крутым фронтом, что приводит к уменьшению времени задержки включения тиристора и минимизации влияния этого эффекта на распределение тока по параллельным ветвям;
• В схемах, где применяются мощные высоковольтные тиристоры; тиристоры, выполненные на кристаллах больших диаметров (более 56 мм), а также при наличии больших индуктивностей в силовой части, которые ограничивают скорость изменения силового тока, необходимо дополнительно учитывать время распространения включенного состояния тиристора. Это связанно с тем, что мощные тиристоры в первоначальный момент времени включаются в ограниченной области вблизи управляющего электрода, после этого за ограниченное время происходит продольное распространение включенного состояния;
• Конструктивное расположение параллельных ветвей должно обеспечивать равенство сопротивлений токоведущих шин, включая предохранители;
• Для всех приборов, входящих в параллельное соединение, условия охлаждения должны быть одинаковы.

Соединяя тиристоры или диоды последовательно, необходимо стремиться к равному распределению блокирующего (прямого и(или) обратного) напряжения как в стационарном состоянии, так и в динамических режимах, а именно — при включении тиристоров и при восстановлении блокирующих свойств во время выключения тиристора или диода.

Причины неравномерного распределения блокирующих напряжений:

• Различия утечек в последовательно соединенных приборах вследствие естественного технологического разброса и (или) различных рабочих температур вследствие, например, различных условий охлаждения (к сведению: в среднем изменение температуры на 8°С приводит к изменению утечек в два раза). Перенапряжение возникает на приборах, имеющих меньшее значение тока утечки;
• Разброс времени включения отдельных тиристоров, соединенных последовательно в ветви, ведет к перераспределению напряжения между включившимися ранее и включающимися с запозданием тиристорами. Перенапряжение возникает на тиристорах, включающихся с опозданием;
• Разброс величин заряда обратного восстановления в последовательно соединенных приборах приводит к тому, что в момент восстановления такие приборы принимают обратное напряжение в различное время. Перенапряжение возникает на тиристорах, имеющих меньший заряд обратного восстановления.

Способы выравнивания распределения блокирующих напряжений:

• Для снижения влияния неравномерности токов утечки последовательно включенных СПП используют включение шунтирующих высокоомных резисторов параллельно каждому полупроводниковому прибору (диоду или тиристору). Чем выше требование к выравниванию напряжения в этом режиме, тем меньше должны быть значения шунтирующих резисторов;
• Для уменьшения неравномерности распределения блокирующих напряжений, которое возникает из-за разброса значений зарядов обратного восстановления СПП, применяются снабберные RC-цепи, включенные параллельно каждому полупроводниковому прибору. Чем больше значение снабберной емкости, включенной параллельно прибору, тем меньше неравномерности распределения блокирующих напряжений. Однако увеличение емкости — это не всегда рациональный способ, поэтому необходимо подбирать приборы для последовательного соединения по заряду обратного восстановления. Как правило, разброс зарядов принимают равным 5% или 10%.
• Для уменьшения разброса времени включения СПП применяют мощные импульсы управления с крутым фронтом, что приводит к уменьшению времени задержки включения тиристора и минимизации влияния этого эффекта на распределение напряжения. Наличие снабберных RC-цепей параллельно каждому прибору оказывает положительное воздействие, так как до момента включения к тиристорам прикладывалось некоторое прямое напряжение, до которого также были заряжены снабберные конденсаторы. Это напряжение в первый момент времени после включения тиристора прикладывается к нему и обеспечивает равномерность распределения напряжения.

Большой спектр мощных преобразователей содержат в себе СПП, включенные параллельно и (или) последовательно. При их проектировании, обслуживании и ремонте важно учитывать вышеназванные требования и особенности групповых включений приборов. Это позволит максимально использовать ресурс СПП, разрабатывать и изготавливать надежное и долговечное оборудование.

Источник: Компания «Протон-Электротекс»

Источник