Разработка тиристорного ключа

1



СОДЕРЖАНИЕ



1. Задание на курсовую работу

2. Расчет температуры перехода одного тиристора

3. Расчет количества параллельных ветвей

4. Расчет количества последовательно соединенных тиристоров в ветви

5. Выбор схемы тиристорного ключа

6. Расчет параметров выравнивающих RCD - цепочек

Литература




ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ



Разработать тиристорный ключ на тиристорах ТБ151-50-6, установленных на типовых охладителях О151-80 и охлаждающихся потоком воздуха с температурой 40С, движущимся со скоростью 12 м/с. Максимальное напряжение, прикладываемое к ключу, 1000 В.

На основании математической модели преобразователя, в котором должен работать разрабатываемый тиристорный ключ, импульс тока через него имеет два интервала, на каждом из которых аналитическое описание изменения тока во времени различно.





(1.1)



На первом интервале импульс описывается выражением

Длительность первого интервала ровна T1.







При t=T1 ток достигает значения IН2, после чего наступает второй интервал формирования тока через тиристорный ключ. В начале второго интервала при t=0 ток I2=IН2 и далее описывается выражением

Длительность Т2 второго интервала определяется моментом прохождения тока через нулевое значение.





В приведенных выражениях 





Id = 100 А, L1 = 1 мГн, R1 = 2 мОм, U1 = 1000 В, US1 = 180 В,

L2 = 2 мГн, R2 = 6 мОм, U2 = 1000 В, US2 = -60 В, f = 100 Гц,

T1 = 1 мс, C = 4 мФ.


2. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕХОДА ОДНОГО ТИРИСТОРА



2.1. По аналитическим выражениям для тока протекающего через прибор на интервале времени от 0 до T1 по формуле (1.1), и после момента времени T1 по формуле (1.2). Определили закон изменения тока и построили диаграмму тока, рис. 2.1. 

По диаграмме определили время завершения импульса T2 = 8.8 мс.





где UF – прямое напряжение на тиристоре, В;

IF – величина тока протекающего через прибор, А.



2.2. Определили аналитическое выражение вольт-амперной характеристики (ВАХ) тиристора. ВАХ тиристора ТБ151-50 взята из справочника [1]. В области токов до 100 А получили зависимость:







А при токах свыше 100А:

Диаграмма ВАХ приведена на рис.2.2.








2.3. Зная выражения для тока и ВАХ, записали выражение для расчета импульса мощности P(t):







А также рассчитали длительность tи эквивалентного прямоугольного импульса мощность:



(2.4)где PМ – амплитуда эквивалентного импульса мощности.

Получили tи = 4,67 мс.

На рис. 2.3. построили диаграмму импульса мощности и эквивалентный импульс мощности.





А

I

t

сДиаграмма импульса тока

Рис. 2.1.




А

IF

UF

В

Диаграмма ВАХ тиристора

Рис. 2.2.





Вт

мс

t

P

Pэкв

PДиаграммы импульсов мощности

Рис.2.3.


2.4. По значениям tи, T2, (T2+tи), определили тепловые сопротивления переход-среда, по соответствующей диаграмме для данного прибора из справочника [1]:



Ztи = 0,045 С/Вт

ZT = 0,055 С/Вт

Z(tи+T) = 0,06 С/Вт

Rt = 0,97 С/Вт



где Ta – температура окружающей среды, С.

Температура перехода одного тиристора: Tj = 1481 С.



2.5. Рассчитали температуру перехода Tj при данном импульсе тока, при включении только одной ветви, в установившемся тепловом режиме по формуле:




3. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЕТВЕЙ



3.1. Так как температура одного прибора превышает максимально допустимую температуру прибора. То в этом случае надо использовать параллельное соединение нескольких приборов. Количество параллельных ветвей N можно определить методом последовательных приближений. Т.е. постепенно увеличиваю количество ветвей рассчитываем температуру перехода.



3.2. Методом последовательных приближений определили, что при двадцати четырех (N=24) параллельных ветвей температура перехода имеет меньшее значение, чем максимально допустимая (Tj24=120 С). А при количестве ветвей N=23, температура перехода будет превышать максимально допустимую (Tj23=126 С).

Диаграммы импульсов тока при 



N=24, I24 и при N=23, I23 на рис 3.1.



Диаграммы импульсов мощности в при



N=24, P24 , Pэкв24 и при N=23, P23 , Pэкв23 на рис 3.2.



Минимально возможное количество параллельных ветвей – двадцать четыре.




Диаграммы импульсов тока при N=24, и N=23



мс

А

t

I23,I24

I23

I24

Рис.3.1.



Диаграммы импульсов мощности при N=24, и N=23



t

Вт

мс

P23,P24,

P экв23,P экв 24

P24

P23

Pэкв23

Pэкв24

Рис.3.2.

4. Расчет количества последовательно соединенных тиристоров в ветви



Т.к. максимально возможное напряжение прикладываемое к ключу 1000В. Используемые тиристоры рассчитаны на максимальное напряжение 600В. То одна параллельная ветвь будет содержать последовательное соединение двух тиристоров. Для равномерного деления напряжения между последовательно включенными приборами применяются выравнивающие цепи.


5. Выбор схемы тиристорного ключа



Для равномерного деления токов между приборами применяют специальные выравнивающие элементы и схемы.

Простейшими выравнивающими ток элементами могут быть резисторы с равными сопротивлениями, включенные последовательно с каждым из параллельно соединенных приборов. Чем больше сопротивление резисторов, тем больше равномерность деления тока. Но увеличение общего сопротивления каждой ветви приводит к увеличению потерь. Это делает нецелесообразным такое выравнивание уже при токах через прибор свыше единиц ампер.

При больших токах наиболее распространенным способом выравнивания деления тока является использование индуктивных трансформаторных делителей тока. 

Принципиальная электрическая схема тиристорного ключа представлена на рис. 5.1.




136. Расчет параметров выравнивающих RCD – цепочек



С целью выравнивания напряжения на отдельных приборах параллельно каждому из них включается шунтирующий резистор, сопротивление которого можно рассчитать по формуле:





где n – количество последовательно включенных приборов,

URSM – максимальное напряжение для данного класса приборов, В,

URM – наибольшее напряжение на ветви с приборами, В,

IRM – наибольший обратный ток, А.

Для выравнивания напряжения в управляемых приборах, параллельно этим приборам включаются конденсаторы, емкость которых рассчитывается по формуле:





где Qrr – заряд восстановления, Кл.




ЛИТЕРАТУРА



1. Разработка тиристорного ключа: Методические указания к курсовой работе / Чернявский Н.И. – Тольятти: ТолПИ, 1995.

Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 400с.

Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – С.501-561.

Замятин В.Я. и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры. – М.: Радио и связь, 1988. – 576с.