Серия силовых интеллектуальных сборок на основе биполярных полупроводниковых приборов

При проектировании силовых преобразовательных устройств, например выпрямителей и ключей переменного тока, разработчикам необходимо учитывать множество аспектов применения биполярных полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, симисторов и др.), причем от качества проработки этих вопросов зависят стоимость, ремонтопригодность и надежность всего устройства.

При выборе полупроводниковых приборов важно обратить внимание на такие параметры силовых сборок, как рабочий ток, напряжение питания, наличие пусковых и рабочих перегрузок по току и скачков напряжения. От характера нагрузки зависит наличие реактивной составляющей тока и величина импульсов напряжения при коммутации тока силовыми ключами. Также при проектировании необходимо учитывать выделяемую полупроводниковыми приборами мощность потерь, от величины которой зависит система охлаждения. Кроме того, для надежной работы силовых полупроводниковых приборов (СПП) необходимо предусмотреть защиту от перенапряжений, короткого замыкания и перегрева.

Для решения таких задач целесообразно разрабатывать силовую часть в виде унифицированных моноблоков, что позволяет выпускать преобразователи в широком диапазоне мощностей, достигая при этом максимально высоких технических показателей при минимальных затратах на их изготовление.

ОАО «Электровыпрямитель» обладает более чем 40-летним успешным опытом проектирования и производства силовых полупроводниковых приборов, охладителей и преобразователей на их основе, что позволяет предлагать потребителю силовые блоки высокого качества и в кратчайшие сроки, тем самым облегчая заказчику процесс проектирования и производства электрооборудования.

Основные конструктивные исполнения силовых выпрямительных блоков и ключей переменного тока на основе биполярных приборов выполняются по электрическим схемам, приведенным в таблице.

Таблица. Основные конструктивные исполнения

Сборка	Однофазный	Трехфазный
Выпрямитель неуправляемый	B2U	B6U
Выпрямитель управляемый	B2С	B6С
Ключ переменного тока	W1C	W3C

Для рассмотрения особенностей силовых блоков с воздушным охлаждением целесообразно условно разделить их на две группы: блоки на основе силовых беспотенциальных модулей и блоки с применением дискретных СПП.

Базовая конструкция выпрямительных блоков B6U и B6C и ключа переменного тока W3C выполнена на основе одной охлаждающей системы О55 (рис. 1) и трех двухключевых тиристорных модулей. Эти блоки рассчитаны на рабочие токи до 400 А и напряжение 400 В.

Рис. 1. Базовая конструкция силовых блоков на охлаждающей системе О55: а) выпрямитель; б) ключ переменного тока

Конструкция таких блоков поддерживает два способа охлаждения: воздушное естественное и воздушное принудительное. При естественном охлаждении для улучшения конвекции воздуха блоки следует размещать таким образом, чтобы каналы охлаждения располагались вертикально. Во втором варианте блоки комплектуются вентиляторами и воздушными каналами. Длина охладителя варьируется в зависимости от величины рассеиваемой мощности. Блок оснащается комплектом силовых шин. Для защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений применяются RC-цепи, для защиты от перегрева — термореле, установленные на охладители. Температура срабатывания термореле — +65 °С. Места установки на охладители определяются по результатам моделирования тепловых процессов и измерений температуры корпуса модулей в предельном режиме работы блоков.

На основе базовой конструкции системы охлаждения О55 разработаны силовые блоки выпрямителей B6U и B6C (рис. 2а) и ключа переменного тока W3C (рис. 2б), рассчитанные на максимальный ток до 700 А. Данные блоки выполнены на шести одноключевых беспотенциальных модулях и двух охлаждающих системах О55. Блоки комплектуются защитными RC-цепями и двумя термореле (по одному на каждый охладитель).

Рис. 2. Силовые блоки на двух охлаждающих системах О55: а) выпрямитель; б) ключ переменного тока

Более мощные выпрямительные блоки B6U и B6C собираются на трех охлаждающих системах О55 (рис. 3). Максимальный выпрямленный ток таких блоков достигает 1000 А. Данная система выполнена на шести одноключевых беспотенциальных модулях. Вентиляторы блока питаются от однофазного напряжения 220 В через индивидуальную плату питания. Блок может комплектоваться дополнительно плавкими предохранителями для защиты полупроводниковых приборов от короткого замыкания в цепи нагрузки.

Рис. 3. Силовой блок выпрямителя на трех охлаждающих системах О55

Для работы на повышенных мощностях разработаны силовые блоки на базе таблеточных силовых полупроводниковых приборов. Трехфазные выпрямители B6U и B6C выполнены на охлаждающей системе О153 (рис. 4). Данная конструкция является базовой для таблеточных приборов с диаметром выпрямительного элемента до 56 мм. Максимальный выпрямленный ток такой конструкции 3000 А. Здесь каждый полупроводниковый прибор имеет индивидуальный двусторонний охладитель типа О153. Данная конструкция рассчитана на принудительное воздушное охлаждение, которое осуществляется с помощью трех вентиляторов. Канал охлаждения общий для всех приборов. Силовые шины объединяются по схеме за пределами воздушного канала, что позволяет с минимальными изменениями конструкции укомплектовывать силовой блок плавкими предохранителями. В состав блока входят три термореле, расположенные в наиболее горячих точках охладителя с торца блока. Крепление устройства осуществляется с помощью четырех изоляторов, вмонтированных в крайние охладители. Используя эту базовую конструкцию, с помощью параллельного соединения можно реализовать силовой блок 12-ключевого выпрямителя (рис. 5), рассчитанный на многофазные сети.

Рис. 4. Силовой блок выпрямителя на охлаждающей системе О153

Рис. 5. Силовой блок 12-ключевого выпрямителя на двух охлаждающих системах О153

Особенностью конструкции на таблеточных приборах является наличие потенциала на охладителях, что предполагает обеспечение изоляции дополнительными средствами у потребителя.

Для сверхмощных применений таблеточных приборов диаметром выпрямительного элемента больше 63 мм разработана базовая конструкция силовых блоков на охлаждающей системе О173 с литыми изоляционными панелями из негорючей пластмассы (рис. 6), рассчитанная на ток до 5000 А. В этой охлаждающей системе применены охладители О173 или О273. В данном блоке для создания необходимого воздушного потока используются два вентилятора на один охладитель. Защитные RC-цепи располагаются на боковой стенке блока. Еще одной функциональной особенностью изоляционных панелей является возможность соединения нескольких одиночных блоков между собой. Это позволяет на основе базового блока собирать одно- и трехфазные ключи переменного тока (рис. 7 и 8). Изоляционные панели имеют крепежные элементы, с помощью которых осуществляется крепление блока внутри шкафа преобразователя.

Рис. 6. Базовая конструкция силового блока на охлаждающей системе О173

Рис. 7. Силовой блок однофазного ключа переменного тока с применением двух охлаждающих систем О173

Рис. 8. Силовой блок трехфазного ключа переменного тока с применением трех охлаждающих систем О173

Базовая конструкция силовых блоков на основе системы охлаждения О173 легла в основу однофазного выпрямителя B2U на ток 24 кА и напряжение 600 В в шкафном исполнении. В нем использованы силовые диодные одноключевые блоки (рис. 6), включенные параллельно. Однофазный выпрямитель на 24 кА представлен на рис. 9.

Рис. 9. Однофазный выпрямитель на ток 24 кА и напряжение 600 В в шкафном исполнении

На рис. 10 представлены диодные выпрямители B6U на различные выпрямленные токи.

Рис. 10. Диодные выпрямители

Распределение тиристорных выпрямителей B6С в зависимости от выпрямленного тока представлено на рис. 11.

Рис. 11. Тиристорные выпрямители

Распределение трехфазных ключей переменного тока W3C в зависимости от действующего тока фазы представлено на рис. 12.

Рис. 12. Трехфазные ключи переменного тока

Силовые блоки по требованию заказчика могут укомплектовываться драйверами управления, системами импульсно-фазового управления, а также аналоговыми и цифровыми термодатчиками.

Разработка силовой части преобразователя представляет собой весьма сложную задачу. Стоимость этого компонента может составлять половину стоимости всего преобразователя. Перед специалистами может возникнуть вопрос: разрабатывать силовую часть самому, тратя при этом время и силы, пытаясь сэкономить ресурсы, либо приобрести за умеренную цену готовый силовой блок, полностью удовлетворяющий всем техническим требованиям. Мы готовы реализовать второй вариант.