<<
>>

Особенности режимов работы тиристоров в разрядной цепи и их выбор

Особенностью работы тиристоров в разрядных цепях КМ, где они применяются в качестве коммутатора разрядного тока батареи конденсаторов, подаваемого на сварочный трансформатор, являются большие по амплитуде импульсы тока и длительные паузы между импульсами.

Нагрузка на тиристор носит явно выраженный циклический характер.

Экспериментальные исследования показали, что при работе КМ в режиме точечной сварки температура монокри- сталлической структуры вентильного элемента за цикл достигает максимальной 0тах и успевает вновь достичь начального значения [5]. Измерение температуры основано на снятии характеристики изменения остаточного напряжения А и на тиристоре при изменении температуры его структуры. Под А и понимается падение напряжения на тиристоре при прохождении по нему прямого тока. Известно, что с повышением температуры значение Аи уменьшается, причем снижение носит линейный характер. Для испытуемых тиристоров, помещенных в термостат, при прямом токе 0,3 А через них снималась характеристика Аи= —f(Q). Затем испытуемый тиристор включался в разрядную цепь КМ последовательно с рабочим тиристором, коммутирующим разрядный ток. К рабочему тиристору подключалось специальное индуктивно-емкостное устройство гашения, позволяющее произвести его выключение в любой момент при прохождении разрядного тока. Полное выключение производилось за время не более 50 мкс. Через испытуемый тиристор при этом постоянно пропускался измерительный ток 0,3 А от генератора тока. Наблюдение за изменением остаточного напряжения А и на испытуемом тиристоре при пропускании и после выключения разрядного тока производилось с помощью электронного осциллографа типа С1-8 с памятью.

На рис. 3.3 приведены осциллограммы, полученные при испытании тиристора типа Т-100, показывающие изменение: при протекании рабочего тока (осциллограмма вверху) и изменение в процессе остывания структуры (осциллограмма внизу).

Измерениеначиналось по истечении времени ti, в течение которого происходит рассасывание избыточных носителей в базах тиристора. Максимальные отклоненияиgt; от значенийв холодном состоянии получены при пропускании через тиристор импульсов разрядного тока с амплитудными значениями соответственно 304 и 638 А.

После определения постоянных времени остывания расчетным путем вычислялись отклонения Ди в момент прерывания разрядного тока и соответствующие этим отклонениям значенияТак, для рассматриваемого случая имело максимальные значения 33 и 57 °С соответственно для токов 304 и 638 А. Исследования показали, что отличие фактической температуры от расчетной (рассчитанной с помощью специального метода, приведенного ниже) не превышает 15% ¦

Перепад температурыявляется важнейшим параметром, определяющим циклостойкость полупроводниковых вентилей, и тиристоров в том числе. Циклостойкость— это среднее число циклов работы до выхода тиристора из строя. Для паяных тиристоров, т. е. для тиристоров с паяным присоединением вентильного элемента через вольфрамовую подложку к медному основанию, величина связана с числом циклов N формулой

где D — диаметр вентильного элемента; с — постоянная, определяемая экспериментально; a, k — параметрические коэффициенты.

Коэффициентприи k—5

прг              значение Ф приводится в каталожных дан

ных.

Для таблеточных тиристоров, т. е. для тиристоров с прижимным присоединениемвентильного элемента к основанию, зависимость N отзадается графически либо таблично. Циклостойкость этих тиристоров за счет отсутствия паяных соединений, в которых при циклической работе возникают существенные пластические деформации припоя, приводящие к его рекристаллизации и разрушению контактов, значительно выше циклостойкости паяных тиристоров.

На рис. 3.4 приведены области зависимости среднего числа циклов N до разрушения от перепада температуры в процессе циклирования для тиристоров таблеточных и штыревых конструкций. График зависимости построен- по справочным и каталожным данным на тиристоры общепромышленного применения. Значенияа потом

и N могут быть найдены расчетом, путем построения импульсов мощности, воздействующих на тиристор, с последующим определением температуры по принципу суперпо-

зиции. Однако этот метод является поверочным и неудобен .при разработке и проектировании. В качестве проектного метода выбора тиристоров удобен метод, использующий параметр W3, называемый защитным показателем тиристора. Для тиристоров этот показатель—предельный и единовременно допустимый. При превышении его тиристор разрушается и выходит из строя.

Для всех тиристоров значение W3 приводится в паспортных данных. Оно эквивалентно значению теплового воздействия аварийного тока:

U

где i — ток через тиристор; I — действующий ток синусоидальной формы.

Сформулируем критерий выбора тиристора. Для этого введем понятия интегрального показателя температурной нагрузки тиристора WT, поправочного коэффициента Лде и интегрального показателя сварочной машины WM. Под W-c понимается такое значение интеграла квадрата тока, которое создает выбранный по условиям циклостойкости перепад температуры вентильного элемента. Коэффициент ?де всегда меньше единицы и связывает WT и WB соотношением

(3.39 J

Значение определяетсяпо формуле

(3.40)

где ?р — разрядный ток батареи конденсаторов, проходящий через тиристор на сварочный трансформатор. Тогда критерием для выбора тиристора может служить соотношение

(3.41)              ;

На рис. 3.5 приведены схемы разрядных цепей, применяемые в большинстве современных КМ. Для всех трех схем ток через разрядный тиристор KS до момента времени U описывается известным уравнением (3.2) или (3.22)' для случая колебательного процесса. Для схемы без шунтирующей цепи это уравнение справедливо до окончания разряда, т. е. до момента времени t2; для схемы с шунтирующим диодом VD ток через тиристор KS прекращается в момент времени /г, для схемы с Rm ток через тиристор

IAS в промежутке времени U—12 описывается уравнением

(3.42)

где— вспомогательный параметр; R' и

L' — соответственно активное сопротивление и индуктивность, приведенные к первичной цепи.

Остальные обозначения те же, что и в формуле (3.2) или (3.22). Интегральные показатели схем найдем, подставив (3.2) в (3.40) и

Рис. 3.5. Схемы разрядных цепей

произведя интегрирование. В итоге для схемы без шунтирующей цепи получим


где— вспомогательный параметр. Интеграль

ный показатель схемы с шунтирующей цепью из диода и резистора, найденный аналогичным образом, но с учетом (3.42), имеет сложное выражение. Применение этого выражения в инженерной практике затруднительно, поэтому оно здесь не приводится. Для реальных схем можно ре-

комендовать находить этот показатель как среднее арифметическое интегральных показателей первых двух схем.

Чтобы пользоваться критерием (3.41), необходимо знатьа для этого необходимо определить числовые значения коэффициентаХод действий по отысканию amp;де является следующим: Для полуволны тока синусоидальной формы длитель

ностью 10-10-3 с расчетным путем было определено, что максимальное значение температурыполупроводни

кового элемента приходится на время 7,0-10-3 с. Из формул:

где— рассеиваемая мощность t'-ro участка;и

— переходное тепловое сопротивление соответственно в моменты временииi — индекс текущей

координаты (меняется от 1 до п); п — индекс координаты, по которой определяется превышение температуры, находилось значение максимальной мощности, соответствующей задаваемому перепаду температуры Д© в момент времени 7,0-10-3 с:

alt="" />

где Ra — динамическое сопротивление тиристора; и0 — пороговое напряжение, вычислялось значение максимального тока /Шах.

Интегральный показатель тиристора Wr, соответствующий задаваемому значению Д0 и длительности импульса 10-10~3 с, рассчитывался по формуле

Числовые значения коэффициентадля каждого конкретного типа тиристора и задаваемогоопределялись через отношение И7Т и Н?3:

Таким образом были найдены значения amp;д® в диапазоне Д0=2О ... 100°С для тиристоров общепромышленного назначения, в том числе для штыревых (паяных) на токи от 50 до 200 А и таблеточных (прижимных) натоки от 100 до 800 А. Значительная разница значенийне позволяет объединить штыревые и таблеточные тиристоры в одну группу. На рис. 3.6 приведены зависимости

для этих групп тиристоров, полученные как сред

нее арифметическое расчетных величин Ад® внутри каждой группы. Погрешность выбора среднего значения amp;д® имеет нормальный закон распределения

где—коэффициент Стьюдента; х — среднее арифметическое значениех, — значениедля определенного тиристора; п — число тиристоров, для которых известно , — доверительная граница погрешностиопределенияДля штыревых тиристоров значениепримерно постоянно во всем диапазоне рассматриваемых ,alt="" />и составляет 35%, для таблеточных значениесущественно меньше и равно 13%.

Данный метод выбора тиристора путем сравнения его интегрального показателя WT с интегральным показателем машины может быть применен практически для любой длительности импульса сварочного тока. Однако для дли- 70

тельностей импульса менее 10* 10~3 с следует в формуле (3.39) брать меньшее значение W3. Эти значения приводятся в каталожных или паспортных данных на тиристор обычно в виде графика. Во всех остальных случаях нужно пользоваться значением защитного показателя, приводимым в паспортных данных для температуры +25 °С.

Пример выбора тиристора. Требуется выбрать тиристор для коммутации разрядного тока в точечной машине на ток 50 кА со следующими параметрами: емкость батареи конденсаторов Св=20 000 мкФ, начальное напряжение на батарее t/co=950 В, коэффициент трансформации п=200, индуктивность и активное сопротивление, приведенные ко вторичной цепи, соответственно равныГн и /?"=56,0-10_6 Ом,

производительность машины 60 св/мии Схема разрядной цепи машины эквивалентна схеме без шунтирующей цепи на рис. 3.5 с той лишь поправкой, что число циклов для тиристора VS нужно уменьшить вдвое, так как в трансформаторе ТС осуществляется реверс сварочного тока дополнительным тиристором, включенным встречно-параллельно ти-

пш-ninv P'S

С учетом затрат времени на межсварочные операции примем среднечасовую производительность равной 900 св/ч. Поставим условие, что тиристор должен проработать до выхода из строя ие менее пяти лет при двухсменной работе. Число разрядных циклов за это время составит А=900-2000-2-5= 18-106. По рис. 3.4 определяем, что для тиристора таблеточной конструкции значение Д0 не должно превышать 33 °С. По рис. 3 6 найдем соответствующий этому перепаду температуры коэффициент /где, равный 0,11. Из выражения (3.39), принимаянай

дем защитный показатель тиристора:

Учитывая, что класс тиристора по напряжению должен быть ие менее 13-го, пользуясь данными [11], найдем, что наиболее подходящим для нашего случая является тиристор типа T9-100, защитный показатель которого равен 54 500 А2-с. 

<< | >>
Источник: А.Б.БЕЛОВ. КОНДЕНСАТОРНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ. 1984

Еще по теме Особенности режимов работы тиристоров в разрядной цепи и их выбор:

  1. Особенности режимов работы тиристоров в разрядной цепи и их выбор
  2. Инвертор в разрядной цепи конденсаторных машин