Разработка тиристорного ключа

Тольяттинский государственный университет

Кафедра «Промышленная электроника»

Курсовая работа

по дисциплине: «Твердотельная электроника»

Содержание

1.      Задание на курсовую работу

.        Расчет температуры перехода одного тиристора

.        Расчет количества параллельных ветвей

.        Расчет количества последовательно соединенных тиристоров в ветви

.        Выбор схемы тиристорного ключа

.        Расчет параметров RCD - цепочек

Заключение

Список литературы

1. Задание на курсовую работу

Разработать тиристорный ключ на тиристорах ТБ151-50-6, установленных на типовых охладителях О151-80 и охлаждающихся потоком воздуха с температурой 40°С, движущемся 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.

На первом интервале импульс описывается выражением

₁ = [( U₁ - U_S1)/w₁L₁ - Id/2w₁t₁]exp(-t/2t₁)sinw₁t - Id[1 - exp(-t/2t₁)]cosw₁t.

Длительность первого интервала равна 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

₂ = [(2U₂ - U_S2)/w₂L₂ - (Iн₂+Id)/2w₂t₂]exp(-t/2t₂)sinw₂t + (Iн₂-Id)exp(-t/2t₂)cosw₂t + Id.

Длительность T₂ второго интервала определяется моментом прохождения тока i₂ через нуль.

В приведенных выражениях

t₁ = L₁/R₁, t₂ = L₂/R₂, Id = 100 A,

w₁ = Ö1/L₁C - 1/(4t₁²) , w₂ = Ö1/L₂C - 1/(4t₂²), ₁ = 1 мГн; R₁ = 3 мОм;₁ = 1000 В; U_S1 = 180 В; ₂ = 2 мГн ; R₂ = 6 мОм; U₂ = 1000 В; _S2 = -60 В.

Частота импульсов тока 50 Гц.

Значение длительности T₁ 4*10^-3 С.

Емкость конденсатора С 2*10^-3 Ф.

Пояснительная записка к курсовой работе должна содержать:

)задание на курсовую работу;

)расчет температуры перехода одного тиристора;

)расчет количества параллельных ветвей;

)расчет количества последовательно соединенных тиристоров в ветви;

)выбор схемы тиристорного ключа;

)расчет параметров выравнивающих RCD - цепочек.

Пояснительная записка должна быть оформлена в соответствии с требованиями СТП 2.201 - 87 и снабжена описанием содержания записки и списком литературы, использованной при выполнении курсовой работы.

Наличие в записке изображений графиков импульсов тока, напряжений и мощностей, использованных при графоаналитическом расчете, и полной принципиальной электрической схемы тиристорного ключа обязательно.

Графическая часть курсовой работы должна быть выполнена на листах плотной белой бумаги («ватмана») формата А1 карандашом. При использовании компьютерных программно-технических средств для формирования элементов графической части допускается выполнение графической части на плоттере.

Объем графической части - 2 листа.

На первом листе должны быть приведены графики: 1) импульсов тока через ключ, 2) напряжения на ключе, 3) мощности потерь при разных количествах параллельных ветвей, 4) прямая ВАХ открытого состояния тиристора при Tj = Tjm. На чертеже с графиками мощности потерь необходимо показать также эквивалентные прямоугольные импульсы мощности. Графики импульсов должны быть изображены для трёх случаев: 1)одного прибора, 2)для количества параллельных ветвей с температурой перехода ближайшей к предельно допустимой температуре Tjm снизу, 3) для количества параллельных ветвей с температурой перехода ближайшей к предельно допустимой температуре Tjm сверху.

На втором листе должна быть приведена полная принципиальная электрическая схема тиристорного ключа с цепями выравнивания тока и напряжения, выполненная в соответствии с требованиями ГОСТ и ЕСКД.

2. Расчет температуры перехода одного тиристора

По аналитическим выражениям для тока протекающего через прибор на интервале времени от 0 до T₁ по формуле

i₁ = [( U₁ - U_S1)/w₁L₁ - Id/2w₁t₁]exp(-t/2t₁)sinw₁t - Id[1 - exp(-t/2t₁)]cosw₁t,

и после момента времени T₁ по формуле

₂ = [(2U₂ - U_S2)/w₂L₂ - (Iн₂+Id)/2w₂t₂]exp(-t/2t₂)sinw₂t + (Iн₂-Id)exp(-t/2t₂)cosw₂t + Id.

Определили закон изменения тока и построили диаграмму тока, приложение 1, рис. 1.

По диаграмме определили время завершения импульса T₂ = 9,94 мс.

Определили аналитическое выражение вольтамперной характеристики (ВАХ) тиристора.

U_F(I_F) = 1,25*ln(0,053*I_F + 1),

где U_F - прямое напряжение на тиристоре, В;_F - величина тока протекающего через прибор, А.

В области токов получили зависимость:

_F(I_F) = 8,39 * 10^-3 * I_F + 1,45

ВАХ тиристора ТБ151-50-6 показана на приложение 1, рис.2.

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

А также рассчитали длительность t_и эквивалентного прямоугольного импульса мощность:

где P_М - амплитуда эквивалентного импульса мощности.

Получили t_и = 5,13 мс.

Построили диаграмму импульса мощности и эквивалентный импульс мощности, приложение 1, рис. 3

По значениям t_и, T₂, (T₂+t_и), из справочника [2,с.258] определили тепловые сопротивления переход-среда, по соответствующей диаграмме для данного прибора при скорости охлаждения потоком воздуха u=12 м/с, и занесли данные в таблицу 1.

Z_(tи+T) - переходное тепловое сопротивление,_T - переходное тепловое сопротивление,и - переходное тепловое сопротивление,

Rt - тепловое сопротивление.

Таблица 1

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

где Ta - температура окружающей среды, 40°С.

Температура перехода одного тиристора: Tj = 22620 °С.

. Расчет количества параллельных ветвей

тиристорный ключ вольтамперный температура

При параллельном соединении нескольких приборов общий ток разделяется на несколько ветвей, и ток каждого прибора в параллельной ветви уменьшается. Из-за этого уменьшается выделяемая мощность и температура на приборах.

Подберем такое количество ветвей, чтобы температура перехода на каждом тиристоре не превышала заданных значений, и была как можно ближе к предельному снизу значению температуры.

Путем последовательных приближений, с помощью системы MathCAD рассчитаем необходимое количество параллельных ветвей. Построили импульс тока, уменьшив его амплитуду в 28 раз (Приложение 1, рис. 4).

По графику импульса мощности (Приложение 1, рис. 5) определили максимальное значение. Определили t_и для 28 параллельных ветвей.

По справочнику определили значения переходных тепловых сопротивлений для заданного импульса.

Значения, определенные для 28 параллельных ветвей занесли в таблицу 2. Используя данные таблицы, рассчитали температуру перехода для 28 параллельных ветвей.

Рассчитанное значение температуры перехода при 28 параллельных ветвях немного выше заданной температуры перехода, поэтому увеличим количество параллельных ветвей до 29.

Аналогично расчетам, проведенным для 28 параллельных ветвей, рассчитали температуру перехода для 29 ветвей. Графики импульса тока и импульса мощности при 30 параллельных ветвях представлены соответственно на приложение 1, рис. 4 и рис. 5. Данные, полученные в ходе вычислений, представлены в таблице 2.

Таблица 2

При 29 параллельных ветвях температура перехода Tj=124,8 С. Данная температура перехода является меньше заданной (меньше 125⁰ С). Поэтому можно считать, что при данном количестве параллельных ветвей достигается значение температуры, ближайшее снизу. Следовательно, рассчитываемый тиристроный ключ будет иметь 29 ветвей.

4. Расчет количества последовательно соединенных тиристоров в ветви

При работе тиристора необходимо, чтобы напряжение на тиристоре не превышало предельно-допустимое напряжение для данного класса. По условию максимальное напряжение, прикладываемое к ключу . Максимальное же напряжение для тиристора ТБ151-50-6 шестого класса =600 В.

Для уменьшения напряжения на тиристоре используют их последовательное включение. Так, при последовательном соединении двух приборов, максимальное значение на каждом из них будет = 500 В. Данное значение напряжения ниже предельно-допустимого напряжения для тиристора шестого класса. Поэтому в каждой параллельной ветви будет два последовательно соединенных тиристора ТБ151-50-6.

5. Выбор схемы тиристорного ключа

Каждый тиристор, даже одной серии имеет индивидуальную ВАХ. Небольшие различия в ВАХ тиристоров могут привести к тому, что нагрузка по току и напряжению на тиристоры будет неравномерной. При этом прибор может выйти из строя.

Для выравнивания токов в параллельных ветвях применяют индуктивные делители. Работа индуктивных делителей основана на явлении взаимной индукции, то есть увеличение тока в одной из ветвей приводит к возникновению электродвижущих сил взаимной индукции и, следовательно, к увеличению тока в остальных ветвях. Для данного тиристорного ключа выберем схему с общим витком, как наиболее простую.

Для выравнивания напряжения на тиристорах в одной из ветвей параллельно к ним подключают шунтирующие резисторы и конденсаторы. Конденсаторы выравнивают напряжения в переходных режимах, но вместе с тем увеличивают прямой ток тиристора при его отпирании. Эти броски тока ограничивают демпфирующими резисторами, включенными последовательно с конденсаторами.

Для ограничения скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, которое может вызвать самопроизвольное включение, параллельно демпфирующим резисторам включают диоды.

6. Расчет параметров RCD - цепочек

Сопротивление шунтирующих резисторов определили по формуле:

, (6.1)

Где m=2 - число последовательно включенных приборов;

- наибольшее допустимое напряжение прибора, из справочника [1];

 - наибольшее напряжение на ветви с последовательно включенными приборами, из справочника [1];

 - наибольший обратный ток (или ток в закрытом состоянии для тиристоров) в амплитудном значении, А; приняли  из [1].

Ёмкость конденсаторов определили по формуле:

,(5.2)

где  - наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов, равная половине заряда восстановления применяемых тиристоров; приняли  из справочника [1].

По стандартному ряду ёмкостей [2] определили емкость конденсатора из стандартного ряда, ближайшую к рассчитанной емкости. Получили С=0,15мкФ. Сопротивление демпфирующих резисторов приняли равным 20 Ом.

Схема тиристорного ключа, в масштабе 1:3, представлена на приложении 2.

Заключение

В данной курсовой работе нами были рассчитаны параметры тиристорного ключа, для исходных данных, приведенных в п.1. По рассчитанным данным была спроектирована схема, представленная на приложении 2. Рассчитанный тиристорный ключ собирается на тиристорах ТБ151-50-6 и имеет 29 параллельных ветвей. В качестве индуктивных делителей используется схема с общим витком.

Список литературы

1. Чернявский Н.И. Тиристорный ключ. Методическое пособие по выполнению курсовой работы по дисциплине "Твердотельная электроника"/- Тольятти: ТГУ, 2007.

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

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