PROIECTAREA PARTII DE FORTA

PROIECTAREA PARTII DE FORTA

ALEGEREA DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE DE PUTERE

Convertoarele cu stingere naturala pot fi realizate cu diferite tipuri de dispozitive semiconductoare de putere. Dintre acestea se pot aminti cateva: diode, tiristoare, IGBT-uri (tranzistoare de putere cu poarta izolata), tranzistoare de putere (TB), MOSFET-uri (tranzistoare cu efect de camp), GTO-uri (tiristoare cu stingere pe poarta), TAO-uri (tiristoare cu aprindere optica) si altele.

In lucrarea de fata se va considera convertorul realizat cu tiristoare, fiind vorba de un convertor trifazat complet comandat, montaj in punte (Fig. 1). Alegerea si dimensionarea celorlalte tipuri de dispozitive semiconductoare de putere decurge similar cu cazul prezentat in aceasta lucrare.

Alegerea tipului de tiristor presupune calcularea valorii medie a curentului (I_TAV - unde T este de la tiristor si AV de la 'average'=valoarea medie) si respectiv a valorii tensiunii inverse repetitive maxime (U_RRM - unde RRM 'reverse repetitive maxim'= valoarea repetitiva inversa maxima).

Pentru un convertor trifazat complet comandat in punte (CTCC-P) valoarea medie a curentului printr-un tiristor este egala cu o treime din valoarea nominala a curentului masinii de curent continuu considerata, iar valoarea efectiva a curentului este de mai mica decat curentul nominal al masinii.

Conform definitiilor, valoarea medie a curentului este:

(1)

iar valoarea efectiva (I_TRMS - 'root mean square'=radacina medie patratica) este:

(2)

Fig. 1. Convertor trifazat complet comandat in punte (CTCC-P).

Prin considerarea conditiei de proiectare prezentata in cadrul Anexei 1 (curentul de accelerare al motorului trebuie limitat prin sistemul de reglare automata la 2I_An), valoarea curentului mediu si cea corespunzatoare valorii efective vor fi multiplicate cu

De asemenea, daca tinem cont si de posibila variatie pozitiva a tensiunii de alimentare a convertorului, este recomandabil ca acele doua valori sa fie marite cu 10%.

Din catalog se va alege tiristorul care va avea cele doua valori de curenti superioare valorilor calculate.

Pentru calculul tensiunii inverse repetitive maxime se pleaca de la relatia:

(3)

unde: 22,5 coeficient de siguranta;

tine cont de posibila variatie pozitiva a tensiunii de alimentare;

U₂ tensiunea de linie din secundarul transformatorului de alimentare.

Este de precizat faptul ca in cazul convertoarelor trifazate in punte se opereaza cu tensiunea de linie, iar in cazul convertoarelor trifazate cu nul se va opera cu valoarea tensiunii de faza.

Pentru determinarea tensiunii secundare de linie vom considera urmatoarea relatie:

(4)

unde U_R reprezinta caderea de tensiune rezistiva;

U_g reprezinta caderea de tensiune datorata comutatiei;

a      unghiul de comanda al convertorului;

si

(5)

cu p numarul de pulsuri al convertorului.

(6)

unde pierderile din dispozitivul semiconductor de putere se va calcula cu relatia:

(7)

In relatia (6) pentru curentul mediu si cel efectiv se introduc valorile calculate anterior, iar pentru celelalte valorile din catalogul de tiristoare (paragraful 8).

Parametrul tc poate lua valoarea 1 sau 2 in functie de tipul capsulei dispozitivului semiconductor ales. Daca acesta are forma de disc, fluxul termic se stabileste prin ambele fete ale tiristorului, parametrul ia valoarea 2, iar racirea se numeste bidirectionala. In caz contrar, valoarea parametrului va fi 1, iar procesul de racire se numeste unidirectional.

Pierderile in infasurarile transformatorului de alimentare (paragraful 3), numite pierderi in cupru, sunt:

(8)

iar puterea de tip a transformatorului de alimentare este:

(9)

In cadrul relatiei 7 s-a tinut cont de valoarea curentului de accelerare acceptata prin tema si de posibila variatie a tensiunii de alimentare.

Cu o aproximatie suficient de buna, pierderile in sigurante se pot considera neglijabile ().

Pentru calculul caderii de tensiune datorate fenomenului de comutatie se va utiliza relatia:

(10)

Prin introducerea relatiilor 5, 6 si 10 in relatia 4, se obtine valoare tensiunii de linie din secundarul transformatorului de alimentare. Valoarea unghiului de comanda din relatia 4 se considera de . Aceasta valoare este impusa din conditiile de limitarea unghiului de comanda al convertorului, in fapt de evitare a fenomenului de 'rasturnare' a convertorului.

Cu aceasta valoare si cu ajutorul relatiei 3 se determina U_RRM.

_{Astfel, se poate defini exact tipul de tiristor ales. Spre exemplu, tiristorul ales poate avea urmatorul simbol:}

	T xx N yyy

unde: xx reprezinta curentul mediu al tiristorului;

yyy reprezinta tensiunea inversa repetitiva maxima;

N constructie normala in ceea ce priveste panta de crestere a curentului prin dispozitiv (di/dt - 'slew rate' si se masoara in A/ms). In cazul unei pante de valoare foarte mica, in locul literei N apare litera F.

Nota In aceasta lucrare nu s-a tratat problematica legata de conectarea mai multor dispozitive semiconductoare de putere in serie sau paralel. Tratarea teoretica poate fi gasita in literatura de specialitate [6].

VERIFICAREA TERMICA A DISPOZITIVELOR ALESE

Limitarea termica a unui dispozitiv semiconductor de putere reprezinta solicitarea principala a acestuia. De aceea, este foarte important a se face o verificare a comportamentului din punct de vedere termic al dispozitivului. Verificarea se poate face atat pentru regimul permanent de functionare, cat si pentru regimul tranzitoriu de functionare.

Verificarea consta de fapt in dimensionarea unui radiator pentru racirea dispozitivului, astfel incat sa nu se atinga temperatura virtuala maxima a jonctiunii.

Temperatura virtuala a unei jonctiuni depinde de natura materialului semiconductor din care este realizat dispozitivul. Ea are urmatoarele valori:

F      Dispozitive cu germaniu:    80 100 ^oC;

F      Dispozitive cu siliciu:    100 125 ^oC.

Pentru tiristoarele cu care sunt realizate convertoarele tratate in aceasta lucrare, temperatura virtuala a jonctiunii este:

(11)

Daca temperatura jonctiunii depaseste aceasta valoare atunci pot aparea fenomene periculoase cum ar fi: ambalarea termica, cresterea valorii curentilor reziduali sau pierderea capacitatii de blocare a dispozitivului.

De asemenea, daca temperatura jonctiunii scade sub o valoare limita precizata de catre fabricantul de dispozitive semiconductoare de putere (T_vjmin), atunci pot apare contractii neuniforme care pot duce la distrugerea dispozitivului. Pentru dispozitivele normale, adica nu pentru cele care trebuie sa satisfaca cerintele din aparaturile militare, este de .

Temperatura virtuala a jonctiunii nu poate fi masurata direct si de aceea se defineste o alta marime: temperatura capsulei - T_c, precum si locul in care are loc masuratoarea.

In aceste conditii se poate scrie urmatoarea relatie:

(12)

unde reprezinta rezistenta termica jonctiune - capsula si care se masoara in ^oC/W. Acest parametru este precizat de catre fabricantul de dispozitive.

Caracteristica temperaturii capsulei unui dispozitiv in functie de puterea disipata de acesta este prezentata in figura urmatoare:

Fig. Temperatura capsulei functie de puterea disipata.

Daca nici temperatura capsulei nu se poate masura sau daca precizia de masurare este mult prea mica atunci se va stabili urmatoarea relatie:

(13)

unde reprezinta rezistenta termica jonctiune - ambiant;

temperatura maxima a mediului ambiant. Pentru conditiile climatice de la noi din tara conform instructiunilor STAS, acest parametru are valoarea de +40^oC.

1. Regimul permanent de functionare

Pentru acest regim se poate stabili o schema termica echivalenta:

Fig. 3. Schema termica echivalenta pentru regimul stabilizat de functionare.

Aceasta schema este valabila in cazul utilizarii dispozitivelor semiconductoare de putere care au racire 'unidirectionala' (au o singura suprafata de contact cu radiatorul). Este cazul tiristoarelor de putere mica si medie care au capsula de plastic, capsula 'tip surub' (litera B) sau capsula 'tip baza plata' (litera E). Dispozitivele care au capsula 'tip disc' (litera T) au doua suprafete in contact cu radiatorul de racire. In acest caz procesul de racire se numeste 'bidirectional'.

Pentru acest dispozitiv schema anterioara nu se modifica ca structura de baza, dar valorile rezistentelor termice se injumatatesc. Acest lucru semnifica faptul ca transferul termic are loc prin doua suprafete, deci se pot considera doua rezistente termice montate in paralel ca in Fig. 4.

Daca se are in vedere 'realizarea unui compromis' intre pretul de cost, gabaritul convertorului, fiabilitatea sa si siguranta in functionare, atunci se va considera urmatorul coeficient de siguranta in evaluarea temperaturii virtuale a jonctiunii dispozitivului:

(14)

Uzual, valoarea coeficientului de siguranta este de 0,8.

Puterea de disipare a dispozitivului semiconductor a fost calculata in paragraful anterior, dar unii producatori de astfel de dispozitive furnizeaza de regula si o diagrama pentru aceasta marime, functie de curentul mediu calculat prin dispozitiv si de unghiul de conductie al dispozitivului.

Fig. 4. Schema termica echivalenta pentru regimul stabilizat de functionare.

Pentru oricare din cele doua scheme prezentate in Fig. 3. si 4. se poate stabili o ecuatie termica similara regimului electric:

unde reprezinta rezistenta termica capsula - radiator;

reprezinta rezistenta termica radiator - ambiant;

rezistenta termica aditionala care depinde de unghiul de conductie al dispozitivului (Fig. 15.).

Analogia dintre un circuit termic si unul electric este urmatoarea:

Pe baza datelor de catalog si a celor calculate, din relatia 15 se deduce valoarea rezistentei termice capsula-mediu ambiant.

Cu aceasta valoare se poate determina lungimea necesara a radiatorului, precum si daca este cazul, a se utiliza racire fortata.

Regimul tranzitoriu de functionare

Circuitul termic echivalent pentru un regim tranzitoriu de functionare este similar celui pentru regimul permanent cu singura deosebire ca rezistentele termice sunt inlocuite cu impedante termice, ca in Fig. 5.

Fig. 5. Schema termica echivalenta pentru regimul tranzitoriu de functionare.

Pentru calculul puterii disipate in regim tranzitoriu trebuie mai intai calculat curentul direct de suprasarcina - - (OV='overload'). Valoarea acestui curent depinde de conditiile de incarcare anterioare aparitiei unei solicitari si de caracteristicile ansamblului format din dispozitivul semiconductor de putere si radiator. Curentul de suprasarcina poate fi calculat prin doua metode:

Se poate determina din diagrama , unde reprezinta timpul corespunzator prezentei curentului de suprasarcina. Acest timp se calculeaza cu formula:

(16)

cu , n= 50 de perioade T si pentru redresorul trifazat complet comandat in punte, sau pentru redresorul monofazat complet comandat in punte.

Fig. 6. I_T(OV)/I_TSM = f(t).

Se poate calcula cu relatia:

(17)

unde 1,10 este dat de variatia maxima a tensiunii de alimentare, iar 2 reprezinta coeficientul de multiplicare admis pentru curentul prin indusul masinii pe durata regimului tranzitoriu.

Cu ajutorul acestei valori se poate calcula puterea disipata de dispozitivul semiconductor de putere in regim tranzitoriu:

(18.a)

Pe baza diagramei furnizata de producatorul de dispozitive si a valorii de catalog se va verifica daca radiatorul ales pentru regimul permanent de functionare corespunde si pentru acest regim. Verificarea se va face cu ajutorul relatiei:

(18.b)

In cazul in care relatia 18 nu este indeplinita, atunci va trebui fie marita lungimea radiatorului pentru fiecare dispozitiv semiconductor in parte, fie utilizat sistemul de racire fortata, fie schimbat tipul radiatorului.

DIMENSIONAREA PROTECTIILOR

In cele ce urmeaza se va trata teoretic problematica legata de protectia tiristoarelor folosite in realizarea convertoarelor. O tratare similara se poate face si pentru alte tipuri de dispozitive semiconductoare de putere.

Dimensionarea protectiei la scurtcircuit

Se cunoaste faptul ca tiristoarele au o capabilitate mare de curent, dar o capacitate destul de redusa in ceea ce priveste supraincarcarea in curent pentru durate mici de timp. Acest comportament se datoreaza in principal inertiei termice reduse a acestora.

Tiristoarele se pot lesne distruge la aparitia unui impuls de curent de amplitudine mare, cum a fi cazul curentului de scurtcircuit spre exemplu.

Protectia care se impune a fi asigurata acestor dispozitive depinde de modul de aparitie si de caracteristicile (amplitudine, durata) supracurentului. Obtinerea unui nivel satisfacator al sigurantei in functionare a sistemului de actionare electrica, impune de cele mai multe ori luarea unor masuri combinate de protectie:

F        Pentru protectia la supracurenti previzibili de durata se utilizeaza relee termice (paragraful 8). Caracteristica de declansare a releului trebuie sa fie sub caracteristica de supracurent a dispozitivului semiconductor. In urma declansarii acestor relee termice, capacitatea de blocare a tiristoarelor ramane nealterata. Un supracurent previzibil de durata mare va duce si la aparitia unei supraincalziri a tiristorului. Astfel, aceasta poate fi preintampinata fie prin montarea unor senzori de temperatura pe radiatorul dispozitivului, fie prin blocarea totala a impulsurilor tiristoarelor, fie prin limitarea curentului ca urmare a scaderii unghiului de conductie;

F        Pentru protectia la supracurenti de amplitudine mare si durata redusa (curenti de scurtcircuit) se utilizeaza sigurante ultrarapide. Acestea au rolul de a limita supracurentul la o valoare nepericuloasa pentru dispozitivul semiconductor de putere pe durata unei semialternante.

Alegerea sigurantelor fuzibile ultrarapide se face dupa doua criterii:

Alegerea in curent:

(19)

Alegerea in tensiune:

(20)

Dupa cum se vede din relatia 20, alegerea in tensiune a sigurantei tine cont si de posibila variatie a tensiunii de alimentare.

Pe durata procesului de intrerupere a circuitului cu ajutorul sigurantei fuzibile va apare un arc electric. Tensiunea arcului electric trebuie sa fie neaparat mai mare decat tensiunea retelei pentru a se putea anula curentul prin dispozitivul semiconductor. Cu cat tensiunea de arc este mai mare decat cea a retelei, cu atat se va anula mai rapid curentul din circuit.

Fig. 7. Variatia curentului prin circuit si a tensiunii la bornele sigurantei.

Tensiunea la bornele sigurantei este aproximativ zero pana in momentul in care apare arcul electric (momentul t1) si tensiunea de arc care creste cu panta devine mai mare decat tensiunea retelei. Valoarea tensiunii de arc este o caracteristica a fiecarei sigurante in parte, iar durata de mentinere a arcului electric (t₁-t₂) este determinata de egalarea celor doua zone hasurate din graficul u=f(t) din Fig. 7.

Din momentul in care tensiunea de arc depaseste in valoare pe cea a retelei, curentul prin dispozitiv incepe sa scada si acesta se va anula la momentul t Durata t₂ depinde astfel direct de valoarea tensiunii de arc a sigurantei.

In cazul utilizarii unor dispozitive sensibile la eventuala depasire a valorii tensiunii inverse repetitive maxime, atunci trebuie avut grija a limita valoarea tensiunii de arc:

(21)

Din Fig. 7 reiese ca obtinerea unei valori a integralei Joule scazute depinde direct de panta de crestere a tensiunii de arc.

O data ce siguranta fuzibila a fost aleasa, pe baza caracteristicilor ei furnizate de catre producator, va trebui efectuate trei verificari. Inainte de efecuarea acestor verificari este util a se calcula valoarea curentului prezumat care apare datorita unui scurtcircuit:

(22)

Integrala Joule a sigurantei trebuie sa fie mai mica decat cea a tiristorului:

(23)

Coeficientul k₁ depinde de valoarea tesiunii nominale de alimentare U_2linie. In lipsa unei diagrame de acest gen se poate considera k₁ = 1. Valoarea coeficientului k₂ este in functie de tensiunea eficace de utilizare si este dat in general de fabricantul de sigurante.

Valoarea integralei Joule a sigurantei se determina dintr-o diagrama in functie de raportul dintre valoarea curentului prezumat si valoarea curentului nominal al sigurantei.

Curentul limitat de catre siguranta trebuie sa fie mai mic decat valoarea curentului nerepetitiv de suprasarcina:

(24)

unde curentul limitat de catre siguranta se determina din diagrama functie de curentul prezumat furnizata de producator, iar constanta k₃ reprezinta un coeficient de corectie dat ca o functie de timpul total de functionare al sigurantei ultrarapide.

In lipsa acestei diagrame (k₃ = f(t)) se poate considera cu o aproximatitie suficient de buna k₃=1.

Tensiunea de arc trebuie sa fie mai mica decat valoarea tensiunii inverse repetitive maxime a tiristorului:

(25)

Tensiunea de arc se obtine de asemenea, dintr-o diagrama in functie de tensiunea eficace de utilizare.

Convertorul este alimentat cu tensiune alternativa, dar siguranta va functiona cu curent pulsatoriu.

Siguranta ultrarapida aleasa si verificata conform procedurii anterioare, se poate monta si direct pe reteaua de tensiune alternativa, dar solutia optima ramane cea a montarii ei, serie cu elementul de protejat - tiristorul in cazul de fata.

Dimensionarea protectiei la supratensiuni

Dimensionarea protectiei individuale

Aparitia unor supratensiuni, fie si pentru durate foarte scurte de timp, la bornele unui dispozitiv semiconductor de putere poate cauza distrugerea acestuia. De aceea este necesara realizarea unei protectii individuale eficiente a dispozitivelor, protectie care consta de fapt in reducerea acestor supratensiuni sub valorile limite specificate de proiectant.

Cauzele principale care duc la aparitia supatensiunilor pot fi:

Ø     Conectarea transformatorului de alimentare;

Ø     Conectarea unor sarcini inductive;

Ø     Diferite comutari pe reteaua de curent alternativ folosita la alimentarea convertorului;

Ø     Caracteristica de comutare a dispozitivului semiconductor de putere;

Ø     Diferite efecte atmosferice.

In literatura de specialitate sunt prezentate mai multe solutii:

Utilizarea retelelor R-C;

Supresoare cu seleniu;

Varistoare;

Diodele cu avalansa controlata,

Solutia cea mai des utilizata in practica este prima si anume cea care face apel la retelele de 'tip R-C'. Din acest motiv, in lucrare va fi prezentata doar aceasta varianta de realizare a protectiei individuale la supratensiuni.

Ideea acestui circuit de protectie se bazeaza pe rezonanta serie a circuitului R-C cu inductantele existente in circuit. Cu ajutorul circuitului, supratensiunea tranzitorie este 'transformata' intr-o sinusoida amortizata a carei amplitudine este mult redusa. Acest fenomen se numeste supresie, si reprezinta transformarea puterii impulsului de tensiune de amplitudine mare si de durata foarte scurta, intr-un impuls de durata ceva mai mare, dar de amplitudine semnificativ mai redusa.

Energia supratensiunii tranzitorii va fi absorbita de catre elementul neliniar (in cazul de fata condensatorul).

Circuitul de protectie considerat este prezentat in Fig. 8.

Fig. 8. Circuitul R-C de protectie individuala la supratensiuni.

Fig. 9. Variatia curentului si a tensiunii la bornele unui tiristor in momentul blocarii acestuia.

Unde: t_rr timpul de revenire la polarizatie inversa;

t_s timpul de stocare in volum;

t_f timpul de scadere.

Dupa momentul inversarii curentului prin tiristor pe durata t_s se desfasoara procesul de refacere a capacitatii sale de blocare prin acumularea de purtatori de sarcina.

Prezenta circuitului R-C in paralel cu tiristorul face ca evolutia tensiunii la bornele acestuia sa aiba un caracter oscilant amortizat.

Totusi, pentru a putea defini exact modul de variatie al tensiunii la bornele tiristorului, este necesar a defini urmatorii trei parametrii:

(26)

Astfel pentru tensiunea la bornele tiristorului variaza ca in Fig. 9, iar pnetru panta dV_R/dt din figura este aproape - 90^o.

Dimensionarea grupului R-C consta de fapt in a alege pentru aceste elemente acele valori pentru care tensiunea U_RCmax sa fie mai mica decat tensiunea inversa repetitiva maxima pe tiristor.

Valorile constantelor care intra in formulele parametrilor din relatiile 26 depind de configuratia convertorului astfel:

Unde: reprezinta inductanta de scapari a transformatorului de alimentare, calculata cu ajutorul relatiei din paragraful 4, sau, dupa caz, inductanta de retea calculata cu relatia din paragraful 5;

cu inductanta de protectie serie cu tiristorul (paragraful 3.3);

R si C elementele grupului conectat in paralel cu tiristorul.

Rezistenta echivalenta R' se calculeaza cu ajutorul relatiei:

(27)

In cazul convertoarelor de putere realizate cu ajutorul tiristoarelor, capacitatea echivalenta, C', se poate considera cu aproximatie suficient de buna la valoarea de 1mF.

Tensiunea de alegere pentru condensatorul C este tensiunea inversa repetitiva maxima.

Puterea de disipare pentru rezistenta R se calculeaza cu ajutorul relatiei:

(28)

Dimensionarea protectiei colective

Pentru a realiza o protectie eficienta a convertoarelor cu tiristoare la eventuala aparitie a unor supratensiuni pe liniile de retea, se pot folosi diferite scheme bazate pe utilizarea unor rezistente, condensatoare si eventual diode.

Deoarece, in aceasta lucrare tratarea elementelor de proiectare a fost facuta in special pentru convertorul monofazat complet in punte si pentru cel trifazat complet comandat in punte, in figurile urmatoare vor fi prezentate cateva solutii de realizare a protectiei colective (Fig. 10.a 10.d).

   

Fig. 10. Patru variante de conectare a grupurilor de protectie colectiva.