Силовая электроника №3'2012

Диоды и тиристоры — это очень просто
Часть 3. Защита выпрямителей

Винтрич Арендт (Arendt Wintrich)

Николаи Ульрих (Ulrich Nicolai)

Райманн Тобиас (Tobias Reimann)

Турски Вернер (Werner Tursky)


Перевод:
Колпаков Андрей


В третьей части статьи рассмотрены снабберная схема защиты с дополнительным диодным мостом, выпрямители без гальванической развязки и методы защиты выпрямителей от токовых и тепловых перегрузок

Снабберная схема с дополнительным диодным мостом

Для защиты трехфазных схем чаще всего используется одиночная RC-цепь, подключаемая через дополнительный диодный мост (пример такого решения показан на рис. 1). Номиналы R и C могут быть определены с помощью приведенных ниже выражений для снабберных цепей, размещаемых по входу выпрямителя. Мощность резистора в такой схеме, как правило, не превышает 2 Вт. Диод D7 используется в некоторых случаях для снижения нагрузки на снаббер, вызванной протеканием гармонических токов, что актуально при фазовом управлении тиристорным мостом. Резистор R1 нужен для быстрого разряда конденсатора после выключения устройства, его номинал и мощность рассеяния Pv определяются следующим образом:



 АС-снаббер с дополнительным диодным мостом

Рис. 1. АС-снаббер с дополнительным диодным мостом

Максимально допустимое значение тока дополнительных диодов D1–D7 (время проводимости t = RC) должно в два раза превышать предельный ток нагрузки ILM, протекающий через конденсатор С при включении. Для наихудшего случая (запуск при пиковом напряжении) он определяется следующим образом: ILM = (Vv × √2)/R, хотя его реальное значение всегда будет меньше благодаря наличию активного и индуктивного сопротивления цепи.

В большинстве случаев дополнительный выпрямитель строится на основе маломощных диодов или моста с ударным током 150–300 А (в течение 10 мс), радиатор при этом не требуется, поскольку в продолжительном режиме мощность практически не рассеивается.

Выпрямители без гальванической развязки

Во многих практических применениях выпрямители подключаются к питающей сети через автотрансформаторы или дроссели. Кроме обеспечиваемой трансформатором гальванической изоляции, использование этих элементов позволяет ограничить токи короткого замыкания, устранить провалы питающего напряжения, снизить уровень перенапряжений и ограничить скорость их нарастания.

Для решения данных задач индуктивность дросселя L должна быть достаточно большой, обеспечивающей напряжение КЗ не менее 4% от величины Vv:

где Iv — эффективное значение фазного тока.

Если в схеме есть автотрансформатор, то установка дросселей не требуется, однако предельное положение движка должно быть ограничено таким образом, чтобы между сетью и выпрямителем всегда оставалась определенная индуктивность.

АС-снабберы в бестрансформаторных схемах нормируются по тем же правилам, выходная мощность PT рассчитывается на основе значений фазного тока и напряжения Vv и Iv для «воображаемого» трансформатора, таким же образом определяется и значение тока намагничивания ε.

Снабберные цепи для регуляторов тока (схема W1C)

Схема регулятора тока (АС-контроллера) W1C содержит два антипараллельных тиристора. Ячейка W1C всегда работает совместно со снаббером, в простейшем случае это RC-цепь (рис. 2), причем емкость с номиналом более 1 мкФ следует подключать через дополнительный диод. Если каждый тиристор имеет свой предохранитель, расчетные значения номиналов снаббера необходимо разделить на два.

 АС-контроллер

Рис. 2. АС-контроллер: а) с RC-снаббером, б) с индивидуальным снаббером и предохранителем

Для расчета номиналов R и C можно использовать следующие формулы:

Мощность, рассеиваемая резистором:

Снабберы в цепи постоянного тока

Диодные и тиристорные сборки

Как уже было отмечено, для защиты диодных выпрямителей от перенапряжений достаточно использовать снаббер по DC-выходу (в случае, если сборка не подключена к низкоиндуктивному звену постоянного тока). Параметры резисторов и конденсаторов нормируются в соответствии с указаниями, приведенными выше и в настоящем разделе, в зависимости от того, в какой цепи (АС или DC) необходимо подавить всплески напряжения. Если мост может быть отключен от нагрузки, то по соображениям безопасности следует установить разрядный резистор.

Когда диодный выпрямитель имеет постоянную емкостную нагрузку, ее можно рассматривать как снаббер, и никаких дополнительных защитных цепей в этом случае не требуется. Однако если между выходом моста и емкостью установлен сглаживающий дроссель или предохранитель, то установка снабберной схемы необходима.

Для выпрямителей со средней точкой рекомендовано применение АС-снаббера с дополнительным мостом, первая половина которого уже образована плечом основного выпрямителя. Вторая половина состоит из дополнительных маломощных диодов, параметры которых (так же, как и номиналы R, C) нормируются по правилам, установленным для цепи переменного тока.

Как правило, для ограничения перенапряжений в тиристорных выпрямителях используются снабберы, устанавливаемые параллельно одиночным ключам и в АС-линиях. В отдельных случаях может появиться необходимость в установке защитной схемы в цепи постоянного тока, а когда не требуется защита одиночных ключей, то DC- и АС-снабберы могут использоваться совместно. В этом случае защита работает как емкостная нагрузка, обеспечивая тиристорам надежный запуск при любых условиях эксплуатации.

Наилучший эффект от использования снабберов достигается при выполнении следующих соотношений:

(см. рис. 18 в предыдущей части статьи: если R = RL, то С = LL/RL2), где LL — индуктивность нагрузки (мкГн); RL — активное сопротивление нагрузки (Ом); С — снабберный конденсатор (мкФ); R — демпфирующий резистор (Ом).

Во многих случаях можно использовать конденсатор меньшей емкости, при этом R следует пересчитать в соответствии с приведенной формулой. Мощность рассеяния определяется следующим образом:

где VALT — эффективное значение пульсаций напряжения в цепи постоянного тока, а fALT — частота пульсаций. Для нахождения номинала разрядного резистора R1 (Ом) и мощности рассеяния используются следующие формулы:

где f — рабочая частота, VD — напряжение DC-шины.

Варисторы

При производстве варисторов порошковый полупроводниковый материал подобно керамике прессуется и затем спекается в виде твердого диска. Нелинейность характеристики достигается за счет наличия большого количества хаотично расположенных p-n-переходов в контактных зонах между зернистыми элементами структуры. Как правило, варисторы производятся из оксида цинка ZnO, поэтому их часто называют металл-оксидными, или MOV (Metal-Oxide Varistors).

Нелинейное сопротивление варистора снижается с ростом сигнала, поэтому в сочетании с постоянным последовательным резистором он образует делитель, коэффициент ослабления которого увеличивается пропорционально приложенному напряжению. Для подавления коротких всплесков сигнала вместо сопротивления можно применить индуктивность, в том числе индуктивность рассеяния обмотки трансформатора или реактора входного фильтра (при прямом подключении к сети). Варисторы используются для подавления сетевых помех, перенапряжений в DC-цепях и даже в качестве одиночных снабберов.

Типовая характеристика MOV приведена на рис. 3, с ее помощью находится соответствующее значение предельного напряжения при определенном пиковом токе. Выбор и нормирование параметров варистора должны производиться в следующей последовательности:

  • Выбор компонента с соответствующим рабочим напряжением (определенным производителем как эффективное значение): амплитуда сигнала несинусоидальной формы не должна превышать заданное в документации эффективное значение синусоидального напряжения. Это относится и к импульсам постоянного тока, а максимальное значение DC-сигнала определяется в документации отдельно.
  • Нахождение напряжения ограничения по вольт-амперной характеристике варистора, для чего необходимо определить пиковое значение ударной нагрузки. Для трансформаторов это ток намагничивания, пересчитанный с учетом коэффициента трансформации; для индуктивностей — ток непосредственно перед разрывом цепи. Допустимая величина периодически повторяемого обратного напряжения защищаемого элемента должна быть выше уровня ограничения, найденного по приведенной методике.
  • Определение мощности рассеяния и сравнение с допустимым значением, указываемым в документации при заданной температуре окружающей среды. Для металл-оксидных варисторов потерями мощности на сетевой частоте, как правило, можно пренебречь.
 Импульсная вольт-амперная характеристика ZnO варистора

Рис. 3. Импульсная вольт-амперная характеристика ZnO варистора

Варисторы не способны снижать скорость нарастания сигнала, поэтому параллельно тиристорам с низким допустимым значением dv/dt следует устанавливать RC-снабберы.

Лавинные диоды

Кремниевые лавинные диоды отличаются от выпрямительных тем, что резкое нарастание обратного тока при превышении напряжением определенного уровня (VBR) у них обусловлено не пробоем по поверхности кремниевого кристалла, а лавинным эффектом всей области пространственного заряда p-n-перехода. Импульсы обратного тока малой плотности и длительности могут разрушить обычный диод, что вызвано концентрацией мощности в отдельных точках на поверхности чипа. Лавинные диоды способны нормально работать в условиях обратных токовых импульсов, создающих потери мощности в диапазоне до единиц киловатт.

Благодаря высокой стойкости к пробою лавинные диоды используются в качестве выпрямительных в широком диапазоне применений без защитных снабберов. В высоковольтных схемах они соединяются последовательно, при этом статическая и динамическая балансировка не требуется.

Производители диодов определяют напряжение пробоя VBR, а также максимальный обратный ток и предельное значение рассеиваемой мощности PRSM в зависимости от длительности импульса. При выборе необходимо учесть, что величина VBR должна быть выше амплитуды рабочего напряжения во всех режимах работы. Возникновение непериодических всплесков сигнала, ограничиваемых на уровне VBR, не должно приводить к рассеянию мощности, превышающему заданный предел для данной длительности импульса. Напряжение пробоя имеет положительный температурный коэффициент и увеличивается при нагреве:

где VBR1 и VBR0 — уровень ограничения при температуре T1 и T0.

Когда лавинные диоды используются для защиты других полупроводниковых компонентов (тиристоры, IGBT, MOSFET), важно принять во внимание не только минимальное, но и максимальное значение VBR. Кроме того, необходимо обеспечить определенную скорость нарастания характеристики выключения в зоне пробоя.

Управляемые лавинные диоды существуют в различных вариантах, к которым, кроме собственно лавинных, относятся ограничивающие диоды (clamping diodes) и подавители переходных перенапряжений, или супрессоры (TVS). В то время как первые могут использоваться для выпрямления и защиты, фиксирующие диоды применяются только для ограничения обратного напряжения и не могут работать в прямом направлении. Для работы в цепях переменного тока выпускаются двунаправленные супрессоры (рис. 4б), состоящие из двух элементов, включенных встречно-параллельно. Если лавинные диоды работают в качестве выпрямительных, то необходимо учесть, что при нормировании допустимой обратной мощности из предельной величины следует вычесть статические потери в прямом направлении. Примеры схем с использованием лавинных диодов приведены на рис. 5.

 Схемные обозначения

Рис. 4. Схемные обозначения: а) лавинных диодов; б) двунаправленных супрессоров
 а) Полууправляемый трехфазный выпрямитель с лавинными диодами; б) однофазный мост с двунаправленным супрессором в АС-цепи; в) регулятор тока с двунаправленным супрессором

Рис. 5. а) Полууправляемый трехфазный выпрямитель с лавинными диодами; б) однофазный мост с двунаправленным супрессором в АС-цепи; в) регулятор тока с двунаправленным супрессором

Супрессоры (TVS) в основном применяются для защиты тиристоров и IGBT в высоковольтных и мощных преобразователях, где они предпочтительнее RC-цепей по габаритным показателям и потерям мощности. Они могут заменить пассивные снабберы и при последовательном соединении элементов, в этом случае супрессоры обеспечивают как защитные функции, так и динамическую токовую балансировку. Однако если необходимо ограничение скорости нарастания напряжения, то RC-цепь все равно должна быть установлена. Без нее не обойтись и при наличии очень мощных помех, возникающих, например, при прерывании силового тока в дросселе или обмотке трансформатора. Кремниевые лавинные диоды не способны поглощать высокоэнергетические всплески напряжения, однако их параллельная работа с RC-снаббером обеспечивает очень эффективную защиту.

Защита выпрямителей от токовых и тепловых перегрузок

Защита по току

В этой главе мы рассмотрим вопросы защиты полупроводникового выпрямителя от токовой перегрузки, которая может привести к его разрушению. Величина предельного рабочего тока нормируется для конкретных условий охлаждения. В отличие от почти мгновенного режима короткого замыкания (КЗ), который будет рассмотрен далее, перегрузка имеет конечное время нарастания.

Аварийный режим может быть вызван не только увеличением нагрузки, но и перегревом, например при отказе вентилятора или насоса в жидкостной системе охлаждения. Соответственно, существуют устройства, отключающие нежелательный выходной ток, следящие за нормальной работой охлаждающей системы, а также комбинированные.

Для прерывания состояния перегрузки чаще всего используются автоматические выключатели, содержащие тепловые, магнитные и термомагнитные размыкатели. Как и у предохранителей, время их отклика обратно пропорционально протекающему току и не превышает 1 с. Производители приводят это соотношение в виде кривой, которая должна сопоставляться с токовой характеристикой защищаемого ключа. Следует учесть, что порог срабатывания выключателя и время-токовая характеристика предохранителя всегда нормируются для эффективных значений тока, в то время как предельные параметры полупроводниковых ключей относятся к пиковой величине полусинусоидального сигнала.

В течение всего возможного времени аварии порог срабатывания выключателя должен быть меньше допустимого тока перегрузки выпрямителя. Если это требование выполнить невозможно, необходимо использовать дополнительные защитные элементы, например полупроводниковые предохранители, которые применяются в первую очередь для прерывания короткого замыкания, но в некоторых случаях они могут обеспечивать и защиту от перегрузки. Возможность этого определяется путем сравнения время-токовой кривой предохранителя для определенной длительности аварийного состояния и допустимого тока перегрузки защищаемого полупроводникового элемента.

В управляемых преобразователях функции защиты в большинстве случаев возлагаются на драйвер, который блокирует контрольные импульсы в случае возникновения аварии. Некоторые схемы управления могут ограничивать ток перегрузки на допустимом для данного режима работы уровне, который должен выбираться так, чтобы не допустить перегрев кристаллов. Однако драйверы, как правило, не способны обеспечить защиту от тока КЗ, лавинообразно нарастающего в течение одного периода автоколебаний.

Тепловая и комбинированная защита

В системах с принудительным воздушным охлаждением используются датчики потока, формирующие сигнал неисправности при отказе вентилятора. Аналогичные сенсоры существуют и для контроля движения тосола в жидкостных радиаторах.

Разрушение силовых полупроводников в условиях перегрузки (мы не рассматриваем перенапряжение) всегда является следствием перегрева, независимо от вызвавшей его причины, будь это всплеск тока или отказ системы охлаждения. Поэтому наиболее эффективными являются защитные устройства, способные непосредственно контролировать температуру радиатора, корпуса модуля или полупроводниковых кристаллов.

Биметаллические предохранители (термостаты) содержат две пластины с разным коэффициентом теплового расширения. При повышении температуры до определенного уровня биметаллический элемент перемещается из одного положения в другое, замыкая или размыкая контакт (рис. 6). Обычно такие устройства устанавливаются на радиатор с помощью резьбового соединения, причем размещать их нужно максимально близко к полупроводниковому модулю. Если преобразователь содержит несколько ключей на разных теплоотводах, то термостаты следует устанавливать на каждом из них, соединив выходы последовательно или параллельно в зависимости от типа контакта (НЗК или НРК). В системах жидкостного охлаждения целесообразно использовать дополнительный биметаллический предохранитель, отключающий систему циркуляции воды, пока не достигнута заданная температура радиатора. Это позволяет исключить образование конденсата на изолированных частях силовых модулей.

 Биметаллические предохранители для подключения к радиатору

Рис. 6. Биметаллические предохранители для подключения к радиатору: а) с НЗК в исходном положении; б) он же после повышения температуры до порогового значения — центральный диск поднимается, размыкая контакт; в) с НРК, после достижения температурой порогового значения центральный диск поднимается, замыкая контакт

Достоинством терморезисторов является быстрая реакция на изменение температуры, что позволяет уменьшить разницу рабочего тока и порогового значения в аварийном режиме. Однако при этом требуется дополнительная электронная схема, отключающая выпрямитель при соответствующем изменении сопротивления, например состоящая из резистивного моста и компаратора.

Термодатчики часто входят в состав силовых модулей; как правило, чип-резистор с положительным (РТС) или отрицательным (NTC) температурным коэффициентом напаивается на изолирующую подложку. Интегральные сенсоры гораздо чувствительнее и быстрее предохранителей, устанавливаемых на радиаторе и не способных отреагировать, например, на перегрев чипов, вызванный кратковременным броском тока.

Защита от короткого замыкания

При коротком замыкании нагрузки IGBT/MOSFET-структуры переходят в линейный режим, ограничивая ток КЗ на уровне, в шесть-десять раз превышающем номинальное значение. Они способны находиться в таком состоянии в течение 6–10 мкс, после чего аварийное состояние необходимо прервать. В качестве критерия опасной токовой перегрузки IGBT/MOSFET удобнее всего использовать напряжение насыщения (VCE_sat/VDS_on), что и делается большинством схем управления. В отличие от этих силовых ключей, диоды и тиристоры не имеют свойства самоограничения, поэтому для обнаружения состояния КЗ необходимо применять внешние датчики.

Кремниевые чипы тиристоров и диодов имеют очень низкую теплоемкость, поэтому мощные и быстрые броски тока могут разрушить их в течение нескольких миллисекунд. Обычные низковольтные предохранители, в том числе быстродействующие, не способны обеспечить защиту выпрямителей в таком режиме. Для этой цели предназначены специализированные сверхбыстрые (super-fast) и ультрабыстрые (ultra-fast) плавкие, а также полупроводниковые предохранители.

Как правило, причиной возникновения аварийного состояния является КЗ нагрузки, пробой одного из ключей моста или ошибка в схеме управления. Если полупроводниковый элемент защиты установлен последовательно с каждым диодом и тиристором, то их отказ исключен во всех упомянутых выше случаях. Одновременно оказываются в безопасном состоянии и все остальные элементы схемы, поскольку реакторы, трансформаторы, резисторы и т. д. гораздо в меньшей степени чувствительны к перегрузке по току.

В мостовых схемах каждые два полупроводниковых ключа имеют общий АС-терминал, поэтому для их защиты достаточно установки одного «фазного» предохранителя в питающей линии (рис. 7в, г). Преимущество этого решения состоит еще и в том, что всплеск напряжения, образующийся при его сгорании, не воздействует ни на один из выпрямительных элементов. Однако при работе диодов и тиристоров с большими токами и напряжениями одновременно бывает достаточно трудно найти предохранитель с нужными номинальными характеристиками (эффективный фазный ток в √2 раз выше, чем в отдельном плече) и подходящий по параметру i2t. В этом случае приходится защищать каждый ключ отдельно (рис. 7а, б). Отметим, что для регуляторов тока общего предохранителя, как правило, бывает достаточно (рис. 7г).

 Возможные схемы подключения полупроводниковых предохранителей

Рис. 7. Возможные схемы подключения полупроводниковых предохранителей: а, в) в мостовых выпрямителях; б, г) в регуляторах тока

При соединении диодов или тиристоров в параллель для повышения тока каждый из полупроводниковых компонентов должен иметь свой предохранитель. В этом случае, если один из силовых ключей или элементов защиты неожиданно выходит из строя, выпрямитель продолжает функционировать (при пониженной мощности). Кроме того, наличие активного сопротивления предохранителей в какой-то степени компенсирует разброс характеристик диодов/тиристоров, что способствует лучшему выравниванию токов, особенно в режиме перегрузки.

Предполагается, что короткое замыкание является очень редким событием, однако в некоторых применениях оно может происходить достаточно часто. В этом случае в дополнение к плавким предохранителям необходимо использовать быстродействующий автомат защиты в силовой DC-цепи, а также устройство, блокирующее управление тиристоров при обнаружении аварии.

Преобразователь должен проектироваться таким образом, чтобы в случае КЗ полупроводниковые модули были способны выдерживать токовую перегрузку до срабатывания автомата защиты. Для блокировки сигнала драйвера необходимо обеспечить управляемость тиристора на максимально возможное время, вплоть до момента перехода тока через ноль. Очевидно, что быстродействие схемы защиты должно быть выше скорости коммутации силовых ключей.

Конструкция полупроводникового предохранителя

Рис. 8. Конструкция полупроводникового предохранителя

Полупроводниковые предохранители: конструкция (рис. 8), термины и методика нормирования параметров

  • Номинальное напряжение VN — максимально допустимое рабочее напряжение (постоянное или эффективное частотой 50–60 Гц), допускается его кратковременное превышение на 10%. При несинусоидальной форме сигнала ни его амплитуда, ни эффективное значение не должны быть больше VN или его квадратного корня.
  • Номинальный ток IN — максимально допустимый продолжительный рабочий ток, не приводящий к срабатыванию предохранителя.
  • Номинальный ток срабатывания IPM — максимальный ожидаемый ток, при котором предохранитель может сработать в определенных условиях.
  • Ток пропускания (предохранителя) ILT — максимальный пиковый ток, достигаемый в процессе срабатывания предохранителя и предотвращающий достижение значения IPM (рис. 9). Примечание: это значение никак не связано с прямым током диода или тиристора!
  • Ожидаемый ток IР — теоретическое значение тока при замене предохранителя перемычкой с нулевым сопротивлением (пунктирная линия на рис. 9).
  • Ожидаемый ток КЗ IРS — эффективный ожидаемый ток в условиях КЗ, происходящего непосредственно за предохранителем. Эта величина необходима для определения значения I2t.
  • Преддуговое время tpa — время между нарастанием тока до величины сгорания плавкой вставки и началом дугообразования (рис. 9).
     Токовая характеристика аварийного срабатывания полупроводникового предохранителя

    Рис. 9. Токовая характеристика аварийного срабатывания полупроводникового предохранителя с фиксацией тока (пропускаемый ток ILT меньше ожидаемой величины отключения); преддуговое время + время дугообразования = время срабатывания
  • Время дугообразования ta — время горения дуги.
  • Время срабатывания tор — сумма преддугового времени и времени горения дуги.
  • Время-токовая характеристика — зависимость виртуального преддугового времени или времени срабатывания от эффективного значения ожидаемого тока в определенных условиях. Как правило, нормируется при начальной температуре +20 °С.
  • i2t (интеграл Джоуля) — интеграл квадрата тока за определенный период времени.
  • Преддуговая i2t характеристика (i2t)ра — интеграл от квадрата ожидаемого тока за преддуговое время:

Зависит от начальной температуры и ожидаемого тока КЗ и не является времязависимой при tpa< 10 мс.

  • Характеристика i2t гашения дуги (i2t)а — интеграл от квадрата ожидаемого тока за время горения:

Зависит от напряжения восстановления, ожидаемого тока и коэффициента мощности.

  • Рабочая i2t характеристика (i2t)ор — сумма предыдущих двух значений.
  • Виртуальное время tvрa, tva, tvoр — результат от деления соответствующей величины i2t на квадрат ожидаемого тока, например:
  • Напряжение переключения VаМ — пиковое напряжение на выводах при срабатывании предохранителя, зависит от рабочего напряжения и коэффициента мощности схемы. Чем быстрее выключается предохранитель, тем выше величина VаМ.
  • Напряжение восстановления VWRMS — напряжение на выводах предохранителя после прерывания тока.

Протекание тока короткого замыкания приводит к срабатыванию предохранителя в случае, если величина ILT меньше пикового значения ожидаемого тока КЗ IPS (пример на рис. 9). Когда это произойдет, зависит не только от свойств предохранителя, но и от режима перегрузки и рабочей частоты fmain. При малом значении IPS преддуговое время превышает четверть периода fmain, то же самое наблюдается на частотах выше 100 Гц, при этом отключения тока не происходит.

При нормировании параметров полупроводниковых предохранителей следует учитывать следующие факторы:

  • номинальный ток;
  • номинальное напряжение;
  • рабочее значение i2t;
  • напряжение переключения.

Предохранитель должен сохранять целостность при длительном протекании номинального тока в определенных условиях, к которым относится, например, температура окружающего воздуха +20 °С (при его беспрепятственной циркуляции) и максимальная плотность тока 1,6 А/мм2. При повышении температуры или удельной нагрузки величина допустимого тока снижается в большинстве случаев до 90% от номинального значения. Некоторые производители приводят в спецификациях соответствующие формулы или графики.

Чтобы убедиться в том, что предохранитель не будет перегружен в конкретных условиях работы, производители рекомендуют измерить напряжение на нем под полной нагрузкой спустя 5 с после включения (V5s) и еще раз через 2 ч (V2h). Очень важно, чтобы при всех измерениях ток был одинаков. Поскольку активное сопротивление предохранителя зависит от нагрева, величины V5s и V2h дают информацию об изменении его температуры в процессе работы. Защитный элемент не будет перегружен при выполнении следующего условия:

где Ta — температура окружающего воздуха в °С, а N — константа, определяемая производителем.

Как было отмечено выше, под номинальным током понимается эффективное значение синусоидального сигнала. В реальных применениях форма тока отличается от синусоидальной, однако использование справочных норм, как правило, при этом допустимо. В отдельных специфических случаях величину допустимой нагрузки необходимо согласовывать с производителем.

Полупроводниковые предохранители рассчитаны на работу с токами до 630 А, существуют версии, допускающие нагрузку до 1600 А. В более мощных устройствах они могут соединяться параллельно, при этом следует отбирать предохранители по величине сопротивления или снижать ток до 80% от номинального значения. При подключении слотов необходимо использовать провода одного типа и равной длины. Следует также учесть, что при параллельном соединении удваивается не только номинальная нагрузочная способность, но и величина тока ILT, приводящего к срабатыванию предохранителя в течение определенного времени. Соответственно i2t возрастает в четыре раза, что относится как к преддуговому, так и к рабочему значению.

Номинальный ток предохранителя нормируется для сетевой частоты в диапазоне 40–60 Гц, при ее уменьшении необходимо снижать и величину допустимой нагрузки. Действительно сложной задачей является определение параметров для кратковременного или периодического (при наличии постоянной нагрузки или без нее) режимов работы. Если длительность рабочего цикла ts (сумма интервалов проводимости t1+t2+… и пауз между ними) меньше 1 мин., а коэффициент перегрузки Kovl не превышает 2,5, то можно пользоваться среднеквадратичной величиной IRMS из следующего соотношения:

Однако если ts >1 мин., то данный режим следует рассматривать как непрерывный, в зависимости от мощности предохранителя это относится к интервалам проводимости длительностью до 10–20 мин. На рис. 10 показана номограмма, позволяющая графическим методом определить величину тока перегрузки для прерывистого режима работы.

 Номограмма для определения допустимой перегрузки полупроводниковых предохранителей

Рис. 10. Номограмма для определения допустимой перегрузки полупроводниковых предохранителей в прерывистом режиме работы (с базовой нагрузкой или без нее)

Пример: ton = 10%, ts = 10 c, IN = 400 А, IG = 0,4IN (базовый ток нагрузки).

Начинаем от точки пересечения кривых для ts = 10 c и ton = 10% на левой диаграмме и двигаемся направо по горизонтали до пересечения с графиком для IN = 400 А и далее по вертикали до пересечения с кривой IG/IN = 0,4. Соответствующая точке пересечения координата «х» дает требуемый результат: допустимое значение тока перегрузки IOV = 1,75IN.

При коэффициенте Kovl, превышающем 2,5, необходимо различать редкие и периодические (частые) изменения тока. В первом случае достаточно использовать преддуговые характеристики (учитывая, что они относятся к ta = +20 °C), чтобы определить, приведет ли перегрузка к срабатыванию предохранителя.

При нормировании параметров предохранителя следует одновременно учитывать возможное изменение температуры и пиковый уровень тока. При периодических или частых перегрузках с коэффициентом более 2,5 необходимо проводить специальные испытания, подтверждающие надежность работы элемента защиты в таких условиях.

Как правило, полупроводниковые предохранители используются в сетях переменного тока, и под номинальным напряжением понимается его эффективное значение при синусоидальной форме сигнала на частоте 50–60 Гц. В DC-цепи их нахождение под номинальным напряжением допустимо только в течение 50–80% (в зависимости от типа) от общего времени работы. Доступные на рынке предохранители имеют значение VN до 2000 В, есть специальные исполнения на 3000 В, допускается последовательное включение при выполнении следующих условий:

  • в состоянии КЗ преддуговое время должно быть меньше 10 мс;
  • коэффициент использования напряжения должен быть не более 90%;
  • предохранители следует подбирать по величине активного сопротивления, при выходе одного из них из строя следует заменять все последовательные элементы, независимо от их состояния.

Рабочая характеристика i2t предохранителя нормируется при начальной температуре +20 °С в зависимости от напряжения восстановления VWRMS для определенных условий КЗ и коэффициента мощности (рис. 11). Она достигает максимума при напряжении восстановления, равном максимальному номинальному значению VN. При использовании предохранителя в цепи постоянного тока текущее значение (i2t)ор также зависит от постоянной времени τ = L/R цепи КЗ.

 а) Рабочая характеристика, деленная на коэффициент k

Рис. 11. а) Рабочая i2t характеристика (i2t)op, деленная на коэффициент k, в зависимости от отношения ожидаемого тока КЗ IPS к номинальному значению IN для предохранителей на 35–200 А; б) коэффициент k в зависимости от напряжения восстановления VWRMS. Кривые, показанные на рисунке, справедливы при cos φ = 0,15

Пример: IN = 125 А, IPS = 20IN, VWRMS = 410 В.

По кривой рис. 11а определяем, что (i2t)/k = 1 × 104 A2c, по кривой рис. 11б находим k = 0,8. Следовательно, (i2t)op = 0,8 × 104 = 8000 А2c, что является требуемым значением параметра i2t предохранителя.

Рабочая характеристика i2t полупроводникового предохранителя при его выборе не менее важна, чем номинальный ток и напряжение; в конкретных условиях работы эта величина должна быть меньше, чем значение i2t защищаемого выпрямителя. Как правило, для проверки достаточно сравнить интеграл Джоуля «холодного» предохранителя (при +20 °С) и «холодного» полупроводникового элемента (при Tj = +25 °С), поскольку i2t предохранителей снижается с ростом нагрузки быстрее, чем у диодов и тиристоров.

В области режимов короткого замыкания (например, при десятикратном превышении номинального тока) время срабатывания предохранителей составляет 5–10 мс, а характеристика i2t выпрямителей нормируется для периода времени 8–10 мс. Если элемент защиты включается быстрее, чем за 8 мс, то рекомендуется снизить величину i2t полупроводникового ключа на 10–20%. Рабочее значение этого параметра для предохранителя не является времязависимым в данных условиях, однако необходимо учесть сильную зависимость интеграла Джоуля от коэффициента мощности цепи КЗ (типовой график показан на рис. 12). Цепь короткого замыкания в конвертере, как правило, имеет cos φ в диапазоне 0,3–0,35. Если рабочее значение i2t предохранителя определено для cos φ ≥ 0,2, то приведенная кривая применима почти к каждой практической схеме.

 Рабочая i2t характеристика предохранителя в отношении к ее значению

Рис. 12. Рабочая i2t характеристика предохранителя в отношении к ее значению при cos φ = 0,15 в зависимости от коэффициента мощности

Как было сказано выше, рабочая характеристика i2t зависит от напряжения восстановления VWRMS (рис. 11). Необходимо учесть, что на практике в линии КЗ, как правило, находятся два последовательных предохранителя (рис. 13). В этом случае VWRMS составляет только 50% напряжения, прикладываемого к цепи короткого замыкания, однако с учетом неравномерного распределения сигналов рекомендуется нормировать параметры для 60% от номинальных значений.

 Цепь КЗ при потере блокирующей способности тиристора в трехфазном мосте

Рис. 13. Цепь КЗ при потере блокирующей способности тиристора в трехфазном мосте: а) с элементными предохранителями; б) с фазными предохранителями. В обоих случаях два элемента защиты соединены последовательно в цепи КЗ

Поскольку рабочая величина i2t зависит от отношения VWRMS/VN, ее существенное снижение может быть обеспечено (для определенного номинального тока) при использовании предохранителя с бóльшим значением VN, чем это нужно в схеме. Напряжение восстановления составляет только часть от номинального значения, поэтому и уровень i2t получается низким. Однако при увеличении номинального напряжения предохранителя величина VаМ также растет.

Если неисправность конвертера вызвана ошибкой в схеме управления, входной и выходной сигналы могут сложиться. В этом случае напряжение на участке КЗ составит примерно 1,8 от рабочего напряжения переменного тока, что необходимо учитывать при выборе основных параметров предохранителей: VN и VWRMS.

Если в схеме с параллельным соединением выпрямителей единственной задачей элемента защиты является исключение неожиданно отказавшего диода или тиристора, то величина i2t предохранителя может быть больше, чем у полупроводникового компонента. Однако она все равно должна быть как можно ниже, чтобы предотвратить его «внешнее» разрушение слишком большим током КЗ, который может стать источником дугового разряда, распространяющегося по расположенным рядом деталям.

При срабатывании предохранителя на нем возникает всплеск сигнала, называемый напряжением переключения (VaM), уровень которого зависит от величины VWRMS и коэффициента мощности (пример на рис. 15). Как показано в примере на рис. 14, в одной схеме перенапряжение от сработавшего элемента защиты прикладывается к отдельным диодам или тиристорам, в то время как в другой схеме этого не происходит. Если два предохранителя в цепи КЗ соединены последовательно, то в худшем случае коммутационные напряжения на них могут сложиться. Поэтому важно, чтобы полупроводниковые компоненты были выбраны с учетом возможных перегрузок; необходимо также убедиться, что они способны выдержать напряжение выключения двойной амплитуды.

 Напряжение коммутации на выключенных предохранителях при КЗ вследствие отказа тиристора 2

Рис. 14. Напряжение коммутации на выключенных предохранителях при КЗ вследствие отказа тиристора 2: а) схема с элементной защитой; б) схема с фазной защитой
 Пиковое значение напряжения переключения VaM 500-В полупроводникового предохранителя в зависимости от напряжения восстановления

Рис. 15. Пиковое значение напряжения переключения VaM 500-В полупроводникового предохранителя в зависимости от напряжения восстановления (эффективное значение) VWRMS

Пример ситуации, возникающей при отказе тиристора № 2, показан на рис. 14 (в момент аварии ключи 1 и 5 находятся в проводящем состоянии). При установке предохранителей последовательно с каждым компонентом (а) к тиристору 4 будет приложена сумма коммутационных напряжений от предохранителей 1 и 2; а к тиристорам 3 и 6 — только сигнал от предохранителя 2. При использовании фазных элементов защиты (б) коммутационные всплески замыкаются через проводящий ключ 1 и замкнутый ключ 2, на остальных тиристорах перенапряжение отсутствует.

Перенапряжения, возникающие в мостовых схемах на фазных предохранителях (рис. 14б), не прикладываются к полупроводниковым элементам, в то время как при срабатывании предохранителей в схеме рис. 14а на работающие диоды и тиристоры попадает напряжение переключения двух последовательных элементов защиты. В этом случае силовые ключи (и их снабберы, не показанные на рис. 14), должны иметь соответствующую блокирующую способность.

Если короткое замыкание нагрузки выпрямителя является достаточно частым событием, рекомендуется применение быстродействующего автомата защиты в цепи постоянного тока по выходу моста. Кроме того, требуется установка полупроводниковых предохранителей для дополнительной защиты на случай отказа диода или тиристора. Быстродействие автомата защиты должно быть таким, чтобы при КЗ нагрузки он срабатывал раньше предохранителей. В нашем случае подобная избирательность обеспечивается в случае, если время-токовая характеристика быстродействующего автомата опережает преддуговую токовую характеристику предохранителей во всем рабочем диапазоне.

Последовательное и параллельное соединение диодов и тиристоров

При параллельной работе тиристоров очень важно обеспечить равномерное распределение токов, начиная с момента открывания и в течение всего периода проводимости. Как было указано ранее, для этого необходим мощный импульс управления с крутым фронтом (см. главу «Критическая скорость нарастания тока») и симметричный импеданс параллельных силовых цепей. Кроме того, рекомендуется подбирать ключи с низким разбросом по прямому напряжению. Чтобы учесть возможную асимметрию, коэффициент использования тока для параллельных элементов должен быть не более 80%. В некоторых случаях необходимо снижать скорость нарастания тока, что достигается установкой дросселей в параллельных линиях. Все сказанное относится как к тиристорам, так и к диодам.

Последовательное соединение выпрямительных элементов используется для повышения блокирующей способности. При этом необходимо обеспечить равномерное распределение напряжений на выключенных тиристорах с помощью индивидуальных выравнивающих резисторов и RC-цепочек. Ток, протекающий через параллельные резисторы, должен в 5–10 раз превышать ток утечки полупроводникового ключа в «нагретом» состоянии. Как и в предыдущем случае, следует использовать мощные импульсы управления с крутыми фронтами. Коэффициент использования напряжения для последовательных элементов должен быть не более 90%. Все сказанное относится к выпрямителям любого типа, кроме лавинных диодов, выравнивание напряжений для которых, как правило, не требуется.

В статье использованы материалы компании SEMIKRON International GmbH (Application Notes for Thyristors and Rectifier Diodes. 2010. http://www.semikron.com/skcompub/en/SID-51214AA5-1EFC6598/section4_Application_Notes_for_Thyristors_and_Rectifier_Diodes.pdf).

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_03_05.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо