НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Алєксєєв Олександр Геннадійович

УДК 621.373.54

вДОСКОНАЛЕННЯ ФОРМУВАЧІВ ІМПУЛЬСІВ УПРАВЛІННЯ ДЛЯ БЛОКОВАНИХ ТИРИСТОРІВ

Спеціальність 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Промислова електроніка і електронна техніка" Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України, м.Запоріжжя.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Переверзєв Анатолій Васильович,

Запорізька державна інженерна академія,

проректор з наукової роботи.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Артеменко Михайло Юхимович,

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут",

професор кафедри "Промислова електроніка".

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Губаревич Володимир Миколайович,

Інститут електродинаміки, Національна Академія Наук України,

старший науковий співробітник вітділу “Системи стабілізованого струму”.

Провідна установа - Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", кафедра промислової електроніки, м. Харків.

Захист відбудеться 14 жовтня 2002 р. о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.06 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут", за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги, 37, тел. 241-76-62.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ “КПІ”.

Автореферат розісланий 10 вересня 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кондра Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значний вплив на технічні характеристики перетворювачів чинять типи застосовуваних силових ключів. Незважаючи на наявність великого числа нових цілком керованих силових приладів, блокований тиристор (БТ) залишається одним з найбільш широко використовуваних ключів, застосовуваних у потужних і надпотужних установках перетворення і розподілу електроенергії, в електротранспорті й інших областях, внаслідок невеликих статичних втрат і невисокої вартості.

Застосування БТ вимагає наявності формувача імпульсів управлiння (ФIУ). Результати літературного огляду, а також пошук по мережі Internet показав, що ведучі фірми-виробники БТ і пристроїв силової електроніки не пропонують споживачу комерційні зразки формувачiв. Украй вузький асортимент здатні запропонувати лише фірми WestCode і Dynex Semiconductors. Тому розроблювач пристроїв на БТ, у більшості випадків, змушений самостійно створювати для них формувачi.

Створення ФІУ методом проб і помилок є неприйнятним шляхом, оскільки від цього вузла залежать максимальна потужність, що комутується БТ, і втрати енергії при цьому. Крім того, специфіка управління цим прибором така, що завдання імпульсів управління з технічно необґрунтованими параметрами може викликати пробій прибору і виникнення аварійних процесів в установці. Тому створення ФІУ вимагає наявності гарної інформаційної і методологічної бази.

Аналіз інформаційних ресурсів показав, що в літературі приводиться достатнє число функціональних схем ФIУ, що можна класифікувати по видах зворотних зв'язків, способам гальванічної розв'язки (ГР), побудові вихідних вузлів. Загальна концепція побудови, методики розрахунку режимів роботи основних елементів і оцінка впливу їхньої зміни на управління БТ у літературі практично не зачіпаються. Питання конкретизації схемотехнічних і конструкторсько-технологічних рішень, що багато в чому визначають роботу ФIУ, у літературі практично не висвітлені. Це зв'язано з тим, що розвиток класу потужних БТ збіглося з розпадом СРСР, що призвело за собою різке скорочення обсягу досліджень, проведених у цій галузі. Зарубіжні виробники не зацікавлені в розголошенні подібної інформації, пропонуючи на ринку або окремі силові напівпровідникові прилади, або силові утворювальні установки в цілому. Тому актуальність роботи очевидна.

У дисертаційній роботі вирішуються вищевказані задачі стосовно до БТ на струми від 160 до 1500 А, у тому числі до ТЗА243-630, що розробляються у даний час на заводі "Перетворювач". Дослідження характеристик приборів ТЗА243-630 і зіставлення їх з характеристиками прототипів являє собою також науковий і практичний інтерес для розроблювачів і для потенційних споживачів цих приборів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні теоретичні розробки і проведені експерименти виконані в рамках державних програм відповідно до постанов Кабінету Міністрів України N480 від 26.03.93, N364 від 04.06.94, N703 від 11.10.94. (про розробку й організацію виробництва в Україні сучасного локомотивного парку для залізничного транспорту) по х/д темах N124-97 (за замовленням ОАО "Завод Перетворювач", м. Запорожжя), N102-93, N103-93, N104-93 (за замовленням НДІ "Электротяжмаш", м.Харків), N31-01 (за замовленням холдингової компанії "Лугансктепловоз”).

Мета і задачі дослідження - розвиток концепції побудови й удосконалювання формувачiв імпульсів управління для блокованих тиристорів, розробка методик проектування ФІУ для БТ різних типів. Для досягнення даної мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. На основі аналізу режимів роботи БТ доповнити концепцію побудови ФIУ БТ, сформулювати вимоги до параметрів імпульсів управління БТ.

2. Визначити вимоги до основних вузлів ФIУ, розробити рекомендації з їх технічної реалізації у вигляді функціональних і принципових схем.

3. Розробити інженерну методику розрахунку основних елементів і вузлів ФIУ, виявити особливості їх схемотехнічної і конструктивної реалізації.

4. Розробити інженерну методику розрахунку теплонавантажених елементів ФIУ.

Об'єкт дослідження. – ланцюги управління БТ.

Предмет дослідження – електромагнітні процеси в ланцюгах управління БТ.

Методи досліджень. При експериментальних дослідженнях електричних і електротеплових процесів використані фізичні моделі, макетні і дослідні зразки і чисельні розрахунки на ЕОМ, а також методи теорії електричних ланцюгів. При дослідженнях теплових процесів використані аналітичні методи математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Одержала подальший розвиток концепція формування сигналів управління для блокованого тиристора. Запропоновано нові структурна і функціональна схеми формувача імпульсів управління. Уведено блок логічної обробки сигналів, що дозволяє здійснити контроль стану блокованого тиристора, і попередити виникнення аварійних процесів.

2. Запропоновано нову модель керуючого ланцюга блокованого тиристора, модифікована двохтранзисторна модель блокованого тиристора, що дозволило більш повно відбити специфіку процесів у блокованому тиристорі, при проектуванні формувачiв імпульсів.

3. Виявлено діапазон значень керуючих напруг найбільш ефективного впливу на рівень динамічних і статичних втрат у блокованому тиристорі. Це дозволило сформулювати вимоги до величин сигналів управління і режимів роботи основних елементів вихідних ланцюгів формувачiв для блокованих тиристорів, на струми до 1500 А.

4. Вперше отримані аналітичні вирази, що описують електромагнітні процеси в елементах, що формують струми управління. На їхній основі створені методики вибору елементів формувача на етапі проектування.

5. Вперше отримані аналітичні вирази для розрахунку енергоспоживання формувача як функції частоти комутації блокованого тиристора і шпаруватості, що дозволяють сформулювати вимоги до джерел живлення формувача і всього перетворювача.

6. Запропоновано новий спосіб розрахунку охолоджувачів із установленими на них тепловиділяючими радіоелементами, що базується на аналітичних рішеннях тривимірних задач по визначенню температурних полів. Методом джерел отримані аналітичні вираження, що дозволяють розраховувати температурні поля найбільш характерних поверхонь, що відводять тепло, що представляються у вигляді необмежених пластин і прямокутних паралелепіпедів, від впливу поверхневих джерел теплоти. При порівняльній простоті і наочності спосіб дозволяє забезпечити розміщення тепловиділяючих елементів на індивідуальних і групових охолоджувачах, і може бути застосований для аналізу теплових режимів безкорпусних елементів силових гібридних модулів.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблені формувачi імпульсів управління для блокованих тиристорів, на струми до 1500 А, що використані в складі перетворювачів частоти для асинхронного тягового електропривода і власних потреб дизель-потяга ДЭЛ-01, у перетворювачі частоти для тепломережі, в установках для дослідження БТ.

2. Розроблені методики розрахунку основних елементів ФIУ, а також результати дослідження управляючого ланцюга БТ на струми від 160 до 1500 А, використовуються в НДІ "Перетворювач" при проектуванні установок для перетворення електроенергії, що використовують як силові ключі БТ. Так, на їхній основі розроблені комплекти конструкторської документації для дослідного виробництва ФIУ для БТ на струми до 1500 А.

3. Результати досліджень керуючої ланцюга БТ на струми до 1500 А передані заводу "Перетворювач" і використовуються при удосконаленні технічних характеристик БТ ТЗА243-630-45.

4. Розроблена установка для дослідження характеристик ланцюга управління БТ на струми для 1500 А, використовується для дослідження окремих зразків ФIУ і БТ.

5. Запропонований спосіб по визначенню тривимірних температурних полів в охолоджувачах використаний при проектуванні ФIУ для БТ на струми до 1500 А.

Упровадження розробок здійснене на ОАО "НДІ Перетворювач" і ОАО "Завод Перетворювач" у 1997 - 2001 р.р.

Особистий внесок здобувача.

Роботи [5], [7], [9], [10], [13], [14], [15], [17] написані особисто здобувачем; у роботах [1], [2], [3], [4], [8], [11], [12], [16] здобувач брав участь у постановці задачі, здобувачем проведена організація експерименту, обробка й інтерпретація його результатів, у роботі [8] здобувачем здійснений вивід основних співвідношень і одержання результатів. В інші роботи внесок співавторів рівноцінний.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи обговорювалися на наступних Міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях:

- "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Іваново, 1994 р.);

- "VIII Бенардосовские чтения" (Іваново, 1997 р.);

- "Силовая электроника - как эффективное средство ресурсо- и энергосбережения, создания прогрессивных технологий" (Запоріжжя, 1997 р.);

- "Создание и развитие информационной среды вуза: состояние и перспективы" (Іваново, 1997 р.);

- "Информационная среда вуза" (Іваново, 1998 р.);

- "Строительство - 2000" (Ростов-на-Дону, 2000 р.);

- "Рациональное использование электроэнергии в строительстве и на транспорте" (Ростов- -на-Дону, 2000 р.);

- "Силовая электроника и энергоэффективность" (Алушта, 2001 р.);

- Семинар НАНУ по комплексной проблеме "Наукові основи електроенергетики", секция "Перетворювання параметрів електричної енергії" (Київ, 2001 р.).

Публікація результатів наукових досліджень. За темою дисертації опубликовано 20 наукових робіт (з них 8 без співавторів), з них 7 статей у фахових наукових виданнях, 8 доповідей на конференціях та 1 патент України.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, 5 додатків. Повний обсяг роботи складає 205 сторінок. Містить 43 рисунка, 17 таблиць, список використаних джерел з 149 найменувань і 4 додатка, що займають 73 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень. Викладено основні наукові і практичні результати, що отримані в роботі, і приведені в розділі "Загальна характеристика роботи" даного автореферату.

У першому розділі приведений аналіз тенденцій розвитку і застосування БТ, характеристик імпульсів управління. Проведено аналіз, набула подальший розвиток концепція побудови формувачiв імпульсів управління. Описано методи досліджень.

Традиційною галуззю застосування БТ є тяговий електропривід для залізничного транспорту, про що свідчать розробки вітчизняних і зарубіжних фірм. Проведено аналіз основних характеристик ланцюга управління БТ, що випускаються ведучими вітчизняними і зарубіжними виробниками. Виявлено, що створення ФIУ, здатного забезпечити всі необхідні параметри імпульсу управління і реалізувати необхідний алгоритм управління, є для непідготовлених споживачів БТ складною задачею. Це пояснюється тим, що в літературі практично не приводяться рекомендації з вибору структурних схем формувача й основних його вузлів, а також методики розрахунку і вибору основних елементів. Самоcтійне рішення цієї задачі вимагає певної підготовки і матеріально-технічної бази.

Результати літературного огляду, аналіз часових діаграм роботи БТ дозволили розвити концепцію побудови ФIУ. У рамках цього сформульовані комплекс рекомендацій, що дозволяють забезпечити номінальні режими роботи ФIУ і попередити виникнення аварійних ситуацій. Основні положення полягають у наступному.

1. Формувач повинен містити в собі наступні основні вузли (рис.1.): форсованого вмикання, струму підтримки, форсованого запирання, негативного зсуву, логіки, живлення, гальванічних розв'язок (ГР) інформаційних сигналів.

2. Ланцюги вмикання і вимикання необхідно виконувати у вигляді окремих вузлів, принцип дії яких полягає в частковому розряді попередньо зарядженого конденсатора великої ємності через цілком керований ключ на перехід управління блокованого тиристора.

3. Для забезпечення номінальних режимів управління БТ, формувач повинний забезпечити наступні параметри імпульсів управління:

- для струму форсованого вмикання - швидкість наростання, амплітуду і тривалість,

- для струму підтримки на увесь час провідності БТ - амплітуду струму,

- швидкість наростання замикаючого імпульсу струму і його амплітуду,

- значення зворотної напруги на електроді управління в замкненому стані.

Номінальні параметри імпульсів струму і напруги на виході формувача повинні відповідати типономіналам БТ, для яких цей формувач призначений.

4. Формувач повинен забезпечуватися власним блоком логічної обробки сигналів управління (вузлом логіки), що реалізує наступні функції:

·

· при обриві лінії зв'язку між системою управління перетворювачем і формувачем - вимикання БТ і підтримка його потім у непровідному стані;

· забезпечення мінімального часу перебування БТ в одному зі стаціонарних станів, щоб уникнути перегріву напівпровідникової структури;

· забезпечення контролю анодної напруги БТ, для виключення подачі імпульсу форсованого включення на інтервалі протікання силового струму перетворювача через діод зворотного струму;

· діагностика стану БТ, а при його пробої - сигналізація про це системі управління і блокування сигналів, що надходять від неї;

· при роботі формувача в складі інвертора напруги - організація перехресного зв'язку з формувачем цієї ж фази, але іншого плеча;

· забезпечення негативного зсуву на електроді управління БТ при перехідних процесах включення джерела власних потреб перетворювача;

· контроль усіх живлячих напруг формувача.

5. Гальванічну розв'язку між системою управління і формувачем необхідно здійснювати по його входу.

6. Живлення ФIУ краще здійснювати від ланцюга постійного струму джерела живлення власних потреб перетворювача, гальванично розв'язаного від силових ланцюгів.

З огляду на проведені раніше дослідження, а також результати проведеного літературного огляду, були конкретизовані мета й основні задачі дисертаційної роботи, приведені в розділі "Загальна характеристика роботи" даного реферату.

В другому розділі на основі математичного моделювання й експериментальних досліджень розглянуті електромагнітні процеси у вхідних ланцюгах БТ і сформульовані вимоги до параметрів сигналу управління. Досліджено наступні типономінали БТ: ТЗА142-160, ТЗ123-200; BGT Q700 C45, ТЗА243-630; 5SGA 15H 2502, згадувані надалі як БТ відповідно I, II і III типів.

Поряд із проведенням експериментів, для досліджень процесів модифіковано і використано двохтранзисторну макромодель БТ, складові транзистори якої моделюються з використанням моделі Гумеля-Пуна, що враховує нелінійність бар'єрних ємностей і коефіцієнта передачі струму від прикладеної напруги. Розроблена модель використана разом з еквівалентною схемою керуючого ланцюга БТ (рис.2), що враховує паразитні елементи, що значно впливають на динамічні характеристики імпульсів управління.

Досліджено вплив напруги Uсф заряду накопичувального конденсатора вузла форсованого включення на часові характеристики процесу вмикання БТ. Виявлено, що амплітуда імпульсу струму форсованого включення залежить лінійно, а швидкість наростання - нелінійно від напруги заряду накопичувального конденсатора Uсф. Нижніх меж, що рекомендуються, (IGM=6-12, 15 і 25 А; diFG/dt= 6, 15 і 25 А/для для БТ I, II і III типів відповідно) ці параметри досягають вже при UСФ=6, 10 і 12 В для БТ відповідно I, II і III типів. Вплив на динаміку вмикання (час затримки td і час відновлення tr) найбільше чітко простежуються до Uсф=10 В и 15 В. Подальше збільшення Uсф не приводить до зміни характеристик вмикання більш ніж на 5-7 %. Однак, при цьому відзначається зниження розкиду характеристик окремих зразків, що важливо враховувати при груповому з'єднанні приладів. На основі зіставлення отриманого матеріалу рекомендовані наступні значення напруги заряду Uсф: 8, 15 і 17 В для ФIУ БТ відповідно I, II і III типів.

Досліджено вплив величини струму підтримки на пряме спадання напруги у відкритому стані. Виявлено, що даний ефект помітний тільки при проходженні одиночних імпульсів струму дуже великої шпаруватості (в умовах експерименту частота комутації складала f=0,1 Гц; тривалість імпульсу t=100 мкс). При збільшенні частоти комутації до 50 Гц ефект практично не спостерігається, що може бути зв'язане з підвищенням температури структури.

Досліджено вплив напруги заряду накопичувального конденсатора вузла запирання Uсз на процес вимикання БТ. Виявлено, що його підвищення сприяє поліпшенню частотних характеристик БТ, тому що це приводить до підвищення швидкості наростання імпульсу запирання diRG/dt і до зменшення часу ts розсисування накопиченого в структурі заряду QGQ, що описується вираженням:

(1)

Значення Uсз, після якого зменшення часу розсисування t сповільнюється, залежить від амплітуди струму, що виключається. Для БТ II типу це значення складає 15 і 20 В для струму анода відповідно 100 і 700 А.

Значення коефіцієнта запирання Ggq значною мірою залежить як від величини анодного струму, так і від швидкості наростання замикаючого імпульсу струму. Так, при величині анодного струму IT ~ 0,1 ITGQM і Uсз>15B фіксувався коефіцієнт запирання GGQ<1 для всіх трьох досліджуваних типів БТ. Зміна величини анодного струму, а також напруги заряду накопичувального конденсатора Uсз в інтервалі 0,5-1 UУЛ приводить до лінійної зміни GGQ, що необхідно враховувати при розрахунку ключових елементів вузла запирання ФIУ. Якісно характер зміни коефіцієнта запирання дозволяє оцінити наступне вираження:

(2)

Для досліджуваних типів БТ експериментально підтверджено, що величину заряду, виведеного по ланцюгу управління протягом часу розсисування ts, у першому наближенні можна прийняти рівнім величині заряду, виведеного на інтервалах спаду анодного струму і струму повільного спаду. Залежність порушується при відносно невеликих анодних струмах (IT < 0,1 ITQGM), що для практики не є істотним. Інформація становить інтерес на етапі розробки вузлів живлення і запирання формувача на при оцінці споживаної потужності.

Рекомендовано заряджати накопичувальний конденсатор вузла запирання до значень максимально припустимої зворотної напруги на електроді управління Urgm, з метою підвищення надійності процесу запирання і зниження динамічних втрат. Цей параметр приводиться в технічних характеристиках усіма виробниками і звичайно складає величину 15-18 В.

Досліджено вплив типів виводів управління БТ на швидкості наростання імпульсів струму управління (паралельно прокладені провідники, вита пара, коаксіальний кабель, кріплення БТ безпосереднє на платі ФIУ без коаксіального кабелю). Виявлено, що звивка керуючих виводів дає вкрай незначне підвищення швидкості наростання імпульсів струму управління: відносне збільшення складає не більш 5% при напрузі заряду накопичувального конденсатора Uсз=12 В. Застосування коаксіального кабелю, що поставляється в комплекті з потужними БТ закордонними фірмами, дозволяє підвищити швидкість наростання імпульсів приблизно на 30% за інших рівних умов. Дані, отримані моделюванням, свідчать про те, що при розміщенні БТ безпосередньо на платі ФIУ без коаксіального кабелю, можливе підвищення швидкості наростання імпульсів струму форсованого включення і вимикання в 2,5 – 3 рази. Показано, що для потужних БТ (ITQGM>630 А) використання виводів у виді двох окремих провідників є неприйнятним, тому БТ ТЗА243-630, що розробляються в даний час заводом "Перетворювач", повинні комплектуватися тільки коаксіальними виводами управління.

На основі аналізу наведеної у розділі інформації, і технічних характеристик досліджуваних типів БТ, зведені в таблицю рекомендовані характеристики імпульсів управління, що повинний забезпечити формувач, і значення напруг заряду накопичувальних конденсаторів вузлів вмикання і вимикання.

У третьому розділі приведені результати розробки схемотехнічних і конструктивних рішень основних вузлів ФIУ і дослідження їх електроенергетичних і теплових характеристик.

При створенні вихідних ланцюгів формувача необхідно вирішувати задачу вибору ключових елементів, що комутують струми управління. Для її рішення використана залежність

(3)

де EG – величина виділюваної енергії в ключах;

i (t) – миттєве значення струму управління;

RG(ON) – опір каналу ключів у відкритому стані.

На основі (3) розроблена методика вибору ключових елементів, що базується на кусково-лінійної апроксимації форми імпульсів струму управління й обчислення величини виділюваної енергії, по формулах:

(4)

(5)

де EFG і ERG – величина енергії, виділюваної в ключах, що комутирують струми форсованого включення і запирання відповідно,

IFGM і IRGM – амплітудні значення струмів управління;

diFG/dt і diRG/dt – швидкості наростання струмів управління;

tFG – тривалість струму форсованого включення.

Дані, отримані розрахунковим шляхом, а також результати експериментальних досліджень, дозволяють говорити про наступне. Вузол форсованого включення може бути виконаний як на основі польових транзисторів (наприклад, IRF4905 - Ubrdss=-55 В, Rds(on)=20 мОм), так і біполярних (наприклад, КТ825Г). Останні мають на порядок меншу вартість, але гірші масогабаритні показники, і можуть забезпечити необхідні характеристики імпульсу струму форсованого включення для БТ на струми не більш 1500 А. Для вузла запирання єдиним прийнятним варіантом є використання польових транзисторів, що легко реалізують паралельне з'єднання. Наприклад, у вузли запирання формувачiв для БТ I, II і III типів можна рекомендувати установку 1, 2 і 4 транзисторів IRFP054N (Ubrdss=55 В, Rds(on)=12 мОм) відповідно.

При синтезі ФIУ виникає необхідність вибору ємності накопичувальних конденсаторів, частковим розрядом яких створюються струми управління. Занижене значення ємності приводить до погіршення характеристик імпульсів управління і зростанню пульсацій напруги на конденсаторі, а збільшення - підвищенням масогабарітних показників ФIУ. Номінальну ємність конденсатора доцільно визначати виходячи з припустимого рівня пульсацій напруги на ньому і необхідному запасі для забезпечення відключаючої здатності. Визначення величини пульсацій напруги можливо через розрахунок величини заряду, що витік з конденсатора при проходженні імпульсу струму управління:

(6)

де - амплітуда пульсацій напруги,

С – значення ємності конденсатора.

Використовуючи кусково-лінійну апроксимацію імпульсів струму управління, можна записати:

(7)

(8)

Умовні позначки відповідають прийнятим вище. На основі (7) і (8) розроблена методика вибору номінальних ємностей накопичувальних конденсаторів. На основі аналізу розрахункових і експериментальних даних можна рекомендувати установку конденсаторів номінальною ємністю 220, 470 і 6800 мкФ у вузли форсованого включення; і 4700, 6800 і 10000 мкФ у вузли запирання формувачiв для БТ відповідно I, II і III типів.

Побудова джерел живлення ФIУ найбільше доцільно робити на основі двотактних схем перетворення. Тільки в цьому випадку вдається передати необхідну потужність із прийнятним ККД, що значно залежить від проміжної частоти перетворення. Чисельне значення останньої рекомендується вибирати близько 20 кГц, як компроміс між масогабарітними показниками пасивних елементів джерела, рівнем шумів, що генеруються в акустичному діапазоні і загальним ККД джерела. Для імпульсного трансформатора рекомендована конструкція з використанням у якості магнітопровода сердечника типу ПК із коаксіальним розташуванням напівобмоток на обох кернах, причому каркаси з первинними напівобмотками розташовуються усередині каркасів із вторинними напівобмотками.

БТ керується струмом і тому формувач для потужних приладів характеризується досить значним енергоспоживанням, величину якого необхідно знати розроблювачу на етапі створення джерела живлення власних потреб перетворювача. Отримано формулу для визначення енергоспоживання усього формувача й окремих його вузлів, при різній частоті комутації і шпаруватості:

Р = UлIл+UфIфtфf+UпIп/D+3QGQAUcФf/2+UсIс(1-1/D), (9)

де Uл, Uф, Uп, Uс, Iл, Iф, Iп, Iс - напруги живлення й амплітудні значення струмів, відповідно: вузлів логіки, форсованого включення, струму підтримки, запирання і негативного зсуву формувача,

tф - тривалість імпульсу форсованого включення;

QGQA - заряд, виведений по ланцюзі управління протягом часу розсисування tS, Кл.

Визначено постійні коефіцієнти формули (9) для досліджуваних типів БТ. Показано, що при відносно невеликих частотах комутації основний внесок в енергоспоживання ФIУ вносить вузол підтримуючого струму, а при більш високих - вузол запирання. Частота, при якій спостерігається рівність енергоспоживання, залежить від шпаруватості комутації БТ і значення струму, що виключається.

Один з варіантів виконання вузла логіки, що визначає функціональні можливості і сприяє підвищення стійкості роботи формувача при протіканні аварійних і перехідних процесів, приведений на рис.3, а часові діаграми його роботи – на рис.4. Вузол логіки відповідає вимогам, вищевикладеним у концепції побудови формувача.

Рис.3. Рис.4.

До особливостей конструктивного виконання формувача варто віднести високу напругу гальванічної розв'язки різнопотенційних ланцюгів, складну електромагнітну обстановку, наявність вузла, що має безпосередній контакт з анодом БТ і відносно великі масогабаритні показники елементів ланцюга вимикання анодного струму. На конструкцію формувачiв, що входять до складу перетворювачів частоти для електрорухомого складу, значний вплив роблять і тяжкі умови експлуатації. Ці фактори необхідно враховувати на етапі підготовки не тільки досвідчених, але і макетних зразків.

У четвертому розділі проведене дослідження теплових режимів ключових елементів формувача імпульсів управління.

Амплітуда імпульсів управління для блокованих тиристорів сягає сотень амперів. Проходження таких струмів викликає локальний перегрів ключових елементів формувача. Вибір технічно необґрунтованих режимів їхнього охолодження призводить до зниження експлуатаційної надійності роботи формувачiв і усього пристрою.

Проведено огляд методів розрахунку температурних полів в охолоджувачах радіоелементів. Показано, що метод джерел дозволяє фізично наочно і досить просто одержувати рішення температурних полів у тілах класичної форми (пластина, прямокутний паралелепіпед), і може бути застосований для рішень оптимізаційних задач розміщення тепловиділяючих радіоелементів на охолоджувачах.

Отримано аналітичні рішення з розрахунку нестаціонарних тривимірних температурних полів в охолоджувачах радіоелементів, що представляються у виді обмежених і необмежених пластин, що нагріваються локальними джерелами теплоти з нормальним і рівномірним розподілом питомої щільності теплового потоку. Усі рішення представлені в безрозмірному виді і приведені до єдиної форми запису.

Зокрема, вирішена задача по визначенню температури в обмеженій по осях X і Y пластини шириною 2b і довжиною 2l, що нагрівається при Z=0, безупинно діючим джерелом теплоти з рівномірною питомою щільністю теплового потоку. На граничних поверхнях Z=0 і Z= здійснюється теплообмін з навколишнім середовищем за законом Ньютона - Рихмана з коефіцієнтами тепловіддачі і .

Математична постановка задачі.

(10)

Розв'язок задачі в безрозмірному виді:

, (11)

де: S3 і S4 - комплекси, що враховують розподіл потужності і розміри джерела;

S1 і S2 - комплекси, що враховують товщину пластини;

Vо і Vб - комплекси, що враховують теплообмін на поверхнях z=0 і z=d.

Досліджено особливості програмної реалізації отриманих аналітичних рішень по визначенню температурних полів. Показано, що точність обчислень, достатня для інженерних розрахунків, може бути отримана при наступних умовах: ітерації обчислення інтеграла за часом варто повторювати доти, поки це приводить до зміни модуля значення інтеграла більш, ніж на 0,01%; суму підінтегральних рядів можна обчислювати доти, поки модуль чергового члена ряду перевищує 10-6% від вже обчисленої суми, нижню межу чисельного інтегрування можна покласти 10-4 с.

З метою зіставлення розрахункових значень температур, оцінюваних по отриманих аналітичних рішеннях, зі значеннями температурних полів, що виникають при роботі радіоелементів на різних охолоджувачах і встановлення адекватності математичних моделей реальним процесам, проведене експериментальне дослідження. Експерименти проводилися при натуральному способі охолодження, як найбільш розповсюдженому в практичних розробках, коли потужність тепловиділення елемента відносно невелика. Обрано наступні охолоджувачі:

Охолоджувач N1 - ребристий алюмінієвий охолоджувач 40х90 мм. Товщина пластини 6 мм, висота ребра 12,5 мм, ширина ребра 1 мм, відстань між осями ребер 5 мм.

Охолоджувач N2 - ребристий алюмінієвий охолоджувач 40х80 мм. Товщина пластини 5 мм, висота ребра 8 мм, ширина ребра 2 мм, відстань між осями ребер 6 мм.

Як тепловиділяючий елемент використовувався діод типу ДЧ-106-10 у корпусі ТО-220.

Аналіз отриманих графіків температур дозволяє говорити про те, що точність збігу розрахункових і експериментальних температур є достатньою для проведення інженерних розрахунків температурних полів охолоджувачів теплонавантажених радіоелементів.

З використанням виразу (11) проведений розрахунок теплових режимів ключових елементів формувача, установлених на групові охолоджувачі: ключових елементів джерела живлення і ключів, що комутують замикаючий імпульс струму. Виявлено, що найбільший градієнт температур спостерігається під тепловиділяючим елементом, і в безпосередній близькості від нього. Збільшення відстані між осями симетрії таких елементів ефективно тільки до певного значення, поки воно складає не більш 2l, де l - характерний розмір корпуса тепловиділяючого елемента. Показано, що на охолоджувачі 1 типу можна кріпити 3 елементи в корпусі ТО-220 і 2 елементи в корпусі ТО-247, при цьому їхній тепловий взаємовплив буде незначним.

ВИСНОВКИ.

1. На основі аналізу тимчасових діаграм роботи блокованого тиристора, визначені параметри імпульсів управління, забезпечення яких є обов'язковим. Запропоновано нову структурну схему формувача імпульсів управління. Уведено блок логічної обробки сигналів, що дозволяє здійснити контроль стану блокованого тиристора і попередити виникнення аварійних процесів.

2. Показано, що для забезпечення необхідних характеристик імпульсів управління, вихідні ланцюги ФIУ для БТ на струми понад 200 А повинні мати безпосередній електричний контакт із керуючим електродом, а також вузли вмикання і вимикання, виконані за принципом часткового розряду попередньо зарядженого конденсатора великої ємності через цілком керований ключ. Гальванічна розв'язка різнопотенціальних ланцюгів ФIУ повинна здійснюватися по його входу.

3. Розроблено математичну модель для дослідження ланцюга управління блокованого тиристора, яка враховуює широкий набір паразитних елементів. Показано, що для моделювання різних станів блокованого тиристора, можуть застосовуватися як двохтранзисторна макромодель, так і модель у вигляді діода, для зменшення часу аналізу.

4. Розрахунковим шляхом і експериментально виявлені інтервали найбільш ефективного впливу величини напруги заряду накопичувального конденсатора вузла форсованого включення, на процес включення БТ. На основі цього рекомендовано вибирати чисельні значення напруги від 15 В, для БТ на струми більш 630 А.

5. Розроблено інженерну методику вибору номіналів конденсаторів, частковим розрядом яких створюються струми управління. Рекомендовано наступні мінімальні значення номінальних ємностей накопичувальних конденсаторів: 470 мкФ для вузлів форсированного включення і 10000 мкФ для вузлів запирання для БТ на струми до 1500 А.

6. Розроблено інженерну методику вибору силових ключів, що комутують імпульс замикаючого струму, завдяки якій рекомендовано у вузли запирання ФIУ для БТ на струми до 1500 А встановлювати польові транзистори сумарним опором каналу у відкритому стані не більш 3-4 мОм.

7. Отримано аналітичні співвідношення для визначення потужності енергоспоживання ФIУ, як функції частоти комутації БТ і шпаруватості, що конкретизовані для БТ на струми до 1500А. Це дозволяє розрахувати енергоспоживання різних вузлів формувача і проектувати елементи джерела живлення власних потреб перетворювача.

8. Методом джерел отримані аналітичні рішення задач по визначенню нестаціонарних тривимірних температурних полів у пластинах від впливу поверхневих джерел теплоти різної геометрії з різним розподілом питомої щільності теплового потоку. Рішення приведені до єдиної форми запису, що дозволило спростити їхній аналіз і програмну реалізацію.

9. Отримані рішення дозволили провести оцінку теплових режимів елементів, установлюваних на групові охолоджувачі, і видати рекомендації з їх взаємному розташуванню.

10. Результати проведених досліджень знайшли відображення в розроблених здобувачем комплектах конструкторської документації на модулі гальванічної розв'язки МГР-3000 і ФIУ для БТ на струми 630-1500 А, застосовуваних у різних перетворювачах частоти, установці для дослідження керуючого ланцюга БТ. Крім того, дані досліджень БТ на струми 160-1500 А сприяють подальшому удосконаленню вітчизняних БТ ТЗА243-630.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Алексеев А.Г., Остренко В.С. Высоковольтные модули гальванической развязки // Электротехника. - 1996. - №12. - С. 33-35.

2. Алексеев А.Г., Мищенко А.В., Остренко В.С. Модули гальванической развязки МГР-750 и МГР-3000 // Електричний журнал. - 1996. - №1. - С.45-47.

3. Ревун М.П., Алексеев А.Г. Экспериментальное исследование температурных полей охладителей // Металлургия: Сборник научных трудов Запорожской гос. инж. акад. / Запорожская гос. инж.акад. Запорожье, 1998. - С.116-118.

4. Алексеев А.Г., Оденбах В.Д. Особенности разработки и исследования формирователя управляющих импульсов запираемого тиристора // Електричний журнал. - 1999. – №1. - С.29-34.

5. Алексеев А.Г. Влияние формирователя импульсов управления на работу запираемого тиристора в интервале проводимости // Електрiчний журнал. - 2000. – №1. - С.19-24.

6. Алексеев А.Г., Переверзев А.В., Андриенко П.Д. Формирователь импульсов управления для запираемого тиристора. // Електричний журнал. - 2000. - №2. – С.30-34.

7. Алексеев А.Г. Совершенствование узлов запирания анодного тока формирователя импульсов управления для запираемых тиристоров // Электротехника и электроэнергетика. - 2000. - №1. – С.61-64.

8. Переверзев А.В., Алексеев А.Г. Формирователь импульсов управления для мощных запираемых тиристоров. // Технічна електродинаміка. Тем.вип. “Силовая электроника и энергоэффективность" у 3-х частинах. Частина 1.–К.: Інститут електродинаміки НАНУ, 2001 р. – С. 59-64.

9. Алексеев А.Г. Температурное поле пластины при нагреве нормально-круговым источником теплоты // Сб. науч. - инф. ст. ИИСИ. Вып.1 / Иванов. инж. - строит. ин-т; Иваново, 1994. - С.163-165.

10. Алексеев А.Г. Аналитическое описание температурного поля пластины при нагреве равномерно-прямоугольным источником тепла // Энергоресурсосбережение и охрана окружающей среды: Межвуз. сб. науч. ст. / Иванов. инж.-строит.ин-т; Иваново, 1995. - С.8-12.

11. Алексеев Г.Ф., Ревун М.П., Алексеев А.Г. Анализ температурных полей в силовых гибридных модулях // Известия Ивановского отделения Петровской Академии наук и искусств: Архит.-строит. секция отделения при Ивановской гос.архит-строит. акад. / Иванов. гос.архит-строит. акад. Иваново, 1996. - С.4-9.

12. Пат. Украины N31913, МПК 6Н02М1/08. Формувач імпульсів управління для блокованого тиристора / Андрієнко П.Д., Міщенко О.В., Остренко В.С., Алєксєєв О.Г. Заявл.19.11.1998., опубл. 15.12.2000, Бюл.№7-II.

13. Алексеев А.Г. САПР силовых гибридных модулей (СГМ) в микроэлектронике // Создание и развитие информационной среды вуза: состояние и перспективы: Сб.ст. к конф. / Иванов. гос. архит. - строит. акад. Иваново, 1997.- С.135-136.

14. Алексеев А.Г. Упрощение программной реализации задач электроники по расчету температур в охладителях, нагреваемых локальными источниками теплоты. // Информационная среда вуза: Сб.ст. к конф. / Иванов. гос. архит. - строит. акад. Иваново, 1998. Вып.4. - С.245-247.

15. Алексеев А.Г. Исследование типов выводов управления запираемых тиристоров // Строительство - 2000: Материалы международной научно-практической конференции. / Рост. гос. строит. ун-т; Ростов-на-Дону, 2000. - С.111-112.

16. Алексеев А.Г., Переверзев А.В. Исследование и разработка источника вторичного электропитания с высоким напряжением гальванической развязки // Труды международной научно-практической конференции "Рациональное использование электроэнергии в строительстве и на транспорте", Ростов н/Д 2000. - С.53-58.

17. Алексеев А.Г. Температурное поле подложки интегральной микросхемы // Состояние и перспективы развития электротехнологии: Тез. докл. Межд. науч. - тех. конф. / Иваново, 1994.-т.2.- С.9.

18. Алексеев Г.Ф., Агапов А.А., Алексеев А.Г., Котлярова Н.С. Моделирование температурных полей в инженерных конструкциях численным методом // Сб. тез. докл. и матер. юбил. науч.-тех. конф. Иванов. гос.архит.-строит. акад./Иванов. гос.архит-строит. акад., Иваново, 1996. - С.6.

19. Алексеев А.Г., Мищенко А.В., Остренко В.С. Основные принципы построения формирователя импульсов для управления запираемым тиристором // Силовая электроника - как эффективное средство ресурсо- и энергосбережения, создания прогрессивных технологий: Материалы научно-технической конференции с международным участием / Запорожье, 1997 . -С.53.

20. Алексеев А.Г., Никишов В.Ф. Численный анализ температур в элементах радиоэлектронной аппаратуры // VIII Бенардосовские чтения: Тез. докл. Междунар. науч.-тех. конф. / Иваново, 1997. - С. 234.

АНОТАЦІЇ

Алєксєєв О.Г. Вдосконалення формувачів імпульсів управління для блокованих тиристорів.-Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії. Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2002.

Дисертація присвячена питанням створення формувачів імпульсів управління з поліпшеними електроенергетичними характеристиками, що забезпечують номінальні режими управління блокованих тиристорів і що попереджають аварійні режими. Запропонована нова функціональна схема формувача, рекомендовані способи побудови основних його вузлів, визначені вимоги до характеристик імпульсів управління. Запропоновані методики розрахунку основних елементів і вузлів формувача, що засновані на аналітичних виразах, а також рекомендовані режими їх роботи. Запропонований новий аналітичний спосіб розрахунку нестаціонарних трьохмірних температурних полів в охолоджувачах радіоэлементів.

Основні результати роботи використані в ВАТ "НДІ Перетворювач" при розробці декількох типовиконань формувачів імпульсів управління для блокованих тиристорів на струми до 1500 А, а також при вдосконаленні дослідних зразків вітчизняних блокованих тиристорів ТЗА-243-630-45.

Ключові слова: блокований тиристор, драйвер, ланцюг управління, імпульс управління, температурне поле, груповий охолоджувач.

Алексеев А.Г. Совершенствование формирователей импульсов управления для запираемых тиристоров.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 – Полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2001.

Спецификой работы запираемых тиристоров является сложный алгоритм работы и необходимость выдерживания многих характеристик управляющих импульсов. Решение этих задач возлагается на формирователь импульсов управления (ФИУ).

Современные источники информации содержат недостаточное число публикаций, посвященных конкретизации схемотехнических решений и рекомендациям по проектированию формирователей импульсов управления, что превращает их разработку в сложную научно-техническую задачу.

Предложена новая функциональная схема формирователя, включающая узел логики, способствующий обеспечению номинальных режимов управления запираемых тиристоров, предупреждению аварийных ситуаций и выполняющий функции защиты, контроля и диагностики. Узлы включения и выключения рекомендуется разделять и выполнять по принципу частичного разряда предварительно заряженного конденсатора большой емкости через полностью управляемый ключ.

Гальваническую развязку между системой управления и формирователем необходимо осуществлять по его входу. Питание ФИУ лучше осуществлять от цепи постоянного тока источника питания собственных нужд преобразователя, гальванически развязанного от силовых цепей.

Исследовано влияние напряжений заряда накопительных конденсаторов узлов включения и выключения, выполненных по вышеуказанному принципу, на процессы коммутации запираемых тиристоров и характеристики импульсов управления. Рекомендованы следующие значения величин этих напряжений: 8, 15 и 17 В для ЗТ на токи до 200, 700 и 1500 А. Показано, что влияние величины поддерживающего тока на статические потери в запираемом тиристоре на интервале проводимости при номинальном режиме работы является практически незаметным. Накопительный конденсатор узла запирания рекомендовано заряжать до значений максимально допустимого обратного напряжения на управляющем электроде Urgm, с целью повышения надежности процесса запирания и снижения динамических потерь. Этот параметр приводится в технических характеристиках всеми производителями и обычно составляет величину 15-18 В.

Показано, что запираемые тиристоры