Мабуть, найдовше велися розробки, спрямовані на використання тиристорів в схемах з короткими імпульсами великого струму Властивість тиристорів защелкиваться в провідному стані не дозволяє їх вимикати при перевантаженні, як це можна зробити, наприклад, з IGBTтранзісторамі При використанні в ланцюгах змінного струму тиристори здатні витримати в системі струм короткого замикання, достатній для спрацьовування автоматичного вимикача, що забезпечує мінімізацію збурень у системі електропостачання У цьому розділі ми розглянемо принцип роботи імпульсних перетворювачів великої потужності та особливості їх конструювання Автор мав честь працювати над кількома цікавими проектами в цій галузі

Захисні прилади

Стосовно до більшості комутаційних виробів у специфікаціях нормується їх здатність роботи в імпульсних режимах Так, захисні реле залежно-уповільненої типу мають здатність витримувати великі струми протягом короткого часу без розмикання ланцюга Елементи з миттєвим спрацьовуванням, звичайно, повинні бути розраховані на більший струм, ніж максимально можливий робочий Існує безліч видів захисних реле залежно-уповільненого типу, в варіантах виконання на короткий і тривалий час У всіх них відводи від обмотки і задатчик часу спрацьовування дозволяють здійснювати в широких межах підстроювання часу і струму спрацьовування Наприклад, в одному з типів цих реле, з великим часом спрацьовування при заданому струмі, контакти залишаться замкнутими протягом 1 с при струмі в 5 разів більше заданого, 03 с – при струмі в 10 разів більше заданого і 01 с – при струмі в 40 разів більше заданого (в одному і тому ж положенні задатчика часу спрацьовування) Довідкова документація виробників містить більше детальну інформацію по захисним реле

Випускається безліч плавких запобіжників з найрізноманітнішими характеристиками і на майже всі випадки життя – від повільно перегорають скляних до швидкодіючих напівпровідникових і запобіжників для захисту трансформаторів і двигунів при напрузі середнього рівня У технічній документації наводяться криві, що звязують струм і час перегорання запобіжників, а для напівпровідникових запобіжників – Пороговий струм спрацьовування за частку періоду Як правило, плавкий запобіжник не повинен використовуватися при среднеквадратичном значенні імпульсного струму понад приблизно 60% від струму згоряння при даній тривалості імпульсу Це гарантує довговічність Для отримання більш повної інформації слід знову звернутися до довідкової документації виробника

Трансформатори

Зазвичай трансформатори протягом нетривалого часу можуть працювати з перевищенням їх температурних розрахункових значень Обмежуючим фактором може бути перехідною процес зростання температури, хоча, і набагато частіше, раніше починаються обмеження, що накладаються електромагнітними силами Трансформатори можуть бути сконструйовані з таким кріпленням обмоток, яке дозволяє їм витримувати короткі імпульси струму, по амплітуді перевищують струм, обмежений температурою, більш ніж в 15 разів Наприклад, чотири трансформатора, побудовані для прискорювача Алкатор Токамак (Alcator CMOD Tokamak) в Массачусетському технологічному інституті, були сконструйовані з хрестоподібними сердечниками, оточеними циліндричними сердечниками з катаної сталі, з чергуються первинними і вторинними обмотками з високоміцними обгортками з поліестерної склотканини Кожен з трансформаторів був розрахований на 3750 кВА постійної потужності і 58 000 кВА імпульсної, при часу наростання

2 с, тривалості імпульсу 1 с і часу спаду до нуля 5 с Період повторення становив 20 хв Ці трансформатори були введені в дію близько 20 років тому і відпрацювали з тих пір багато тисяч імпульсів Подібні трансформатори на різні потужності були використані в джерелах живлення токамака в Окриджської національної лабораторії (Oak Ridge

National Laboratories) (з імпульсами 300 мс), в «Дженерал Атомік Компанії» (General Atomic Company) і в Принстонской лабораторії фізики плазми (Princeton Plasma Physics Laboratory) Більшість з них були сухими, стрижневого типу

Стандартні трансформатори зазвичай можуть працювати в імпульсному режимі з навантаженням, в 3-5 разів більшою, ніж розрахункове навантаження в безперервному режимі, за умови, що робочий цикл обраний так, щоб середня потужність не перевищувала розрахункове значення для безперервного режиму експлуатації Трансформатори повинні бути сконструйовані так, щоб вони витримували сили, що розвиваються при випадковому короткому замиканні навантаження, інакше кажучи, вони повинні мати здатність видати кілька періодів струму, наприклад, в 20 разів більшого, ніж розрахунковий «Пастка» полягає в тому, що без спеціальних засобів захисту і механічного кріплення довговічність стандартних трансформаторів в режимі повторюваних імпульсних навантажень може виявитися дуже маленькою Механічні сили пропорційні квадрату струму, і немає надійного способу визначити стійкість стандартного трансформатора до імпульсного режиму роботи

У специфікаціях трансформаторів, призначених для імпульсних режимів роботи, повинні враховувати опору і індуктивності розсіювання Імпульсні перетворювачі зазвичай працюють з великими комутаційними кутами за високого робочого реактанс, притаманного трансформаторів, призначеним для імпульсного режиму роботи Наприклад, трансформатори в Массачусетському технологічному інституті, згадані вище, були розраховані на максимальну індуктивність розсіювання 002 отн од, дуже маленьке значення для безперервного режиму роботи Однак в імпульсному режимі цей реактанс стає рівним 002-15 = 030 отн од У відсутність перекриття при комутації вихідна напруга E & при повному навантаженні визначається формулою

де Ет – Напруга холостого ходу ХРі – реактанс розсіювання в імпульсному режимі

Падіння напруги на опорі прямо віднімається з вихідного напруги При внесенні в специфікацію дуже низького значення реактанс ціна трансформатора зростає, що обумовлено відхиленням його геометрії від оптимальної з економічної точки зору конструкції Низький реактанс вимагає застосування тонких і довгих обмоток, може знадобитися і їх чергування З іншого боку, високе значення реактанс диктує для отримання необхідного напруги під навантаженням збільшення напруги холостого ходу Отже, розрахункова потужність і ціна знову зростають Більш того, комутаційний кут при ну-

лівої фазі запізнюється і повне навантаження дається як cos (u) = 1 Хри Якщо ХРі перевищує 0134 для 12-пульсаційного випрямляча, або 05 отн од для 6-пульсаційного, комутаційні кути (30 і 60 ° відповідно) стають настільки великими, що виникає комутаційне перекриття між фазами і навіть великі втрати в напрузі Так як специфікація визначає кінцеві характеристики і ціну трансформатора, перш ніж підписувати документи, слід розглянути з постачальником різні варіанти конструкції

Тиристори

У гол 11 були розглянуті різні аспекти послідовного і паралельного зєднання тиристорів Все це справедливо і для імпульсного режиму роботи, але є ще ряд особливостей застосування тиристорів в цьому режимі, повязаних з втратами і температурою кристала Якщо крива залежності падіння напруги на вибраному тиристорі від струму через нього не доходить до необхідних пікових значень струму, то необхідно проконсультуватися з виробником цих тиристорів щодо їх поведінки при великих токах Прийнятна апроксимація звичайно може бути виконана шляхом екстраполірованія опублікованих в довідковій документації кривих, що відображають постійне падіння напруги і збільшення опору тиристора при збільшенні струму, в область великих струмів Коли крива залежності напруги від струму в руках, миттєві втрати можна розрахувати за формулою P = i (t)-v (t) і потім застосувати теплове моделювання, описане в гл 15 В імпульсному режимі втрати перемикання зазвичай не істотні, якщо тільки робочий цикл не дуже великий

Робота при великих імпульсних токах може зажадати урахування значення di / dt при включенні тиристора Це є серйозною проблемою при конструюванні рейкових гармат та інших пристроїв, в яких тиристори повинні витримувати дуже великі струми Для цих цілей були розроблені спеціальні тиристори з сильно розвиненою зустрічно-гребенчатой ​​конструкцією керуючого електрода, яка забезпечує дуже швидке включення тиристора і тим самим сприяє зменшенню втрат при включенні Хоча вся площа катода і здатна пропускати дуже великий струм, тиристор може вийти з ладу через локалізації нагріву в окремих маленьких ділянках структури, що прагнуть пропустити весь струм при включенні Зустрічно-гребенчатая конструкція керуючого електрода використовується також в тиристорах з малим часом відновлення, призначеним для роботи на високих частотах, коли стають важливі втрати перемикання

При використанні збірки тиристорів в імпульсних режимах можливо ще і виникнення бічних електромагнітних сил, порушуваних струмом, що протікає в суміжних тиристорах або шинах Вони можуть порушити однорідність струму поперек тиристорної структури Як вже було зазначено вище, у всіх випадках відхилення умов застосування тиристорів від обумовлених у технічній документації необхідно проводити консультації з виробником тиристорів

Джерело: Сукер К Силова електроніка Керівництво розробника – М: Видавничий дім «Додека-ХХI, 2008 – 252 c: Ил (Серія «Силова електроніка»)