Электронный конспект лекций (стр. 16 )

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 на средства их защиты. Ниже описываются наиболее типичные аварийные режимы и соответствующие способы защиты тиристоров.

Ограничение

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 высокой 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 () лежит в пределах (20...1500) А/мкс.

Ограничение

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

Допустимая скорость изменения анодного напряжения составляет обычно (20...1000) В/мкс. Для защиты тиристора от непреднамеренного включения при больших в простейшем случае применяется шунтирующая RC-цепочка (RШ, СШ), включаемая параллельно тиристору. Пример обозначения по ГОСТ 20859-75 тиристора: Т160-10-453 - низкочастотный тиристор на предельный ток 160 А, повторяющееся напряжение 1000 В (10 класс), скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 200 В/мкс (4 группа), время выключения 60 мкс (5 группа), критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии 50 А/мкс (3 группа).

Пример определения параметров защитных элементов.

Для регулирования мощности, выделяемой в резисторе , используется тиристор , как показано на рис.4.1,а. Напряжение питания 400 В, а допустимые значения и равны 50 А/мкс и 200 В/мкс соответственно. Требуется определить параметры защитных элементов: индуктивность реактора и -цепи (, ).

Рис.2. Ограничение и : а - схема цепи; б - эквивалентная схема при замыкании ключа

Решение.

Напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно. Более того, тиристор в зоне низкой проводимости имеет большое внутреннее сопротивление. Поэтому при замыкании ключа цепь нагрузки может быть представлена эквивалентной схемой рис.2,б. Уравнение напряжений имеет вид

,

откуда

,

где - сопротивление резистора в шунтирующей цепи. Как следует из последнего выражения, имеет максимальное значение при , поэтому

Следовательно,

мкГн.

Напряжение на тиристоре - . Дифференцируя это выражение по времени, получаем

,

или

,

поэтому имеем

.

Таким образом,

Ом.

Если мало, то потери энергии в нем высоки. Обращаясь к схеме на рис.2,а, можно видеть, что при включении ключа все напряжение питания до открытия тиристора прикладывается к конденсатору , поэтому при открытии тиристора в нем происходит бросок тока с тем большим пиковым значением, чем меньше . Таким образом, достаточное с точки зрения ограничения тока значение RШ может быть слишком большим для ограничения . Емкость выбирается небольшой, чтобы не вывести тиристор из строя в момент разряда при его открытии. Например, , . При таком значении сопротивления может быть найдена индуктивность реактора , при которой не превышает допустимого значения:

.

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

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

Обычно максимально допустимый средний ток в открытом состоянии при естественном охлаждении тиристоров с радиатором составляет около 30 % от предельного тока выбранного тиристора. При принудительном охлаждении максимально допустимый ток повышается и зависит от скорости охлаждающего воздуха в межреберном пространстве радиатора, при 6 м/с - до 70 % от предельного тока тиристора. Уточненные сведения можно получить в справочниках и каталогах на тиристоры и охладители к ним..

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 которых уменьшается при увеличении напряжения. При больших напряжениях на тиристоре они шунтируют его силовую цепь. Из-за высокой крутизны импульсов перенапряжений они могут быть устранены с помощью селеновых стабилитронов - тиректоров или металлооксидных варисторов (рис.3).

Защита от аварийных токов

В процессе эксплуатации систем с тиристорами и диодами могут возникнуть различные виды аварийных режимов их работы. Основные виды аварий можно разделить на две группы: внешние и внутренние.

К внешним авариям обычно относят короткие замыкания в цепях нагрузки или питающей сети.

Внутренние аварии более многообразны и обычно бывают вызваны повреждениями вентилей или нарушениями работы системы управления. Аварии, вызванные выходом из строя вентилей по причине электрического или теплового пробоя, являются, как правило, наиболее тяжелыми, так как сопровождаются протеканием в схеме больших аварийных токов.

Аварийный ток зависит от момента возникновения аварии и режима работы выпрямителя. Поэтому при расчетах обычно учитывают такие обстоятельства, при которых развиваются максимальные и минимальные аварийные токи. Данные об этих значениях необходимы для проектирования защиты и определения электродинамической стойкости оборудования преобразователя.

Рис.3. Схема тиристорного блока с устройством защиты

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.