1. Bảo vệ quá dòng điện
Bảo vệ ngắn mạch và quá tải về dòng điện: dùng aptomat hoặc cầu chì. Nguyên tắc chọn các thiết bị này, là chọn theo dòng điện, với Ibv = (1,1ữ1,3) Ilv. Dòng bảo vệ ngắn mạch của aptomat không v−ợt quá dòng ngắn mạch của máy biến áp.
Khi làm việc van bán dẫn có sụt áp, do đó có tổn hao công suất ΔP = ΔU.Ilv. Tổn hao công suất này sinh nhiệt. Mặt khác van chỉ đ−ợc làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép Tcp nào đó (các trị số th−ờng gặp vào khoảng 1250C - xem cột 8 bảng 8.4 hay cột 12 bảng 8.5). Do đó chúng ta phải tìm cách bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn.
Muốn bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn là phải chọn đúng dòng điện van theo chế độ làm mát. Làm mát van hiện nay phổ biến ng−ời ta th−ờng dùng cánh toả nhiệt. Diện tích bề mặt toả nhiệt có thể đ−ợc tính gần đúng theo công thức: τ tn tn k P S = Δ (8 - 36)
Trong đó: Stn - diện tích bề mặt toả nhiệt [cm2 ]; ΔP - tổn hao công suất [ W ];
τ - độ chênh nhiệt so với môi tr−ờng τ = Tlv -Tmt
Tlv -Tmt - nhiệt độ làm việc và nhiệt độ môi tr−ờng [oC ];
ktn - hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt (trong điều kiện làm mát tự nhiên không quạt c−ỡng bức, th−ờng chọn ktn =(6 ữ 10).10-4 [W/cm2oC ]).
Sau khi tính xong diện tích bề mặt toả nhiệt, tiến hành thiết kế (chọn) cánh toả nhiệt, sao cho đủ bề mặt đã tính. Cánh toả nhiệt phải đảm bảo đủ diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí, đủ độ dầy cánh, đủ khoảng cách giữa các cánh. Những loại cánh toả nhiệt hiện nay có thể bán rẵn trên thị tr−ờng, hoặc thiết kế mới theo hình dáng t−ơng tự nh− hình 8.2
Tr−ờng hợp cánh toả nhiệt quá lớn, cần phải thay đổi ph−ơng thức toả nhiệt, bằng cách thêm quạt làm mát c−ỡng bức.
Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, nhiệt độ làm việc của van không v−ợt quá trị số cho phép, ph−ơng thức làm mát van có thể theo gợi ý sau:
38 a. Làm mát chỉ bằng vỏ van bán dẫn
Nếu công suất toả nhiệt khi van làm việc ΔP = U.Ihd < 20W, cho phép van làm việc với dòng điện tối đa tới 10% Iđm mà không cần cánh toả nhiệt. Cách chọn này có thể hiểu là vỏ van bán dẫn không đủ toả nhiệt khi cho làm việc với dòng điện lớn hơn 10% Iđm. Ví dụ: có loại van với Iđm =100A, ΔU=1V, van này cho phép làm việc không cánh toả nhiệt với dòng điện tối đa tới 10A, nh−ng loại van với Iđm = 500A, ΔU=1V cho phép làm việc tối đa tới 20A (ΔP = 20W) mặc dù tính tỷ số phần trăm có thể là 10%. Iđm = 50A.
b. Làm mát bằng cách gắn van bán dẫn lên cánh toả nhiệt
Khi van bán dẫn đ−ợc mắc vào cánh toả nhiệt bằng đồng hay nhôm, nhiệt độ của van đ−ợc toả ra môi tr−ờng xung quanh nhờ bề mặt của cánh toả nhiệt. Sự toả nhiệt nh− thế này là nhờ vào sự chênh nhiệt giữa cánh toả nhiệt với môi tr−ờng xung quanh. Khi cánh toả nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt tăng lên làm cho tốc độ dẫn nhiệt ra môi tr−ờng không khí bị chậm lại. Với những lý do vì sự hạn chế của tốc độ dẫn nhiệt, khi van bán dẫn đ−ợc làm mát bằng cánh toả nhiệt, mà chỉ nên cho van làm việc với dòng điện Ilv< 40%.Iđm và tổn hao trên van không v−ợt quá 100W. Ví dụ: van có Iđm =100A, ΔU=1Vcho phép làm việc với cánh toả nhiệt nhôm ở dòng điện tối đa 40A, trong khi đó loại van với thông số Iđm =500A, ΔU=1V không đ−ợc phép làm việc tới 200A,vì công suất toả nhiệt ΔP = ΔU. I = 200W là quá lớn cho điều kiện toả nhiệt này.
h h b a c z ho 1 Các kích th−ớc cơ bản nên chọn: a < 200 mm; b < 200 mm; h < 180 mm; ho = 5-15 mm; c = 3 ữ 5 mm; z = 5 ữ 12mm. Hình 8.2 Hình dáng và kích th−ớc giới hạn cho cánh toả nhiệt một van bán dẫn
39 c. Làm mát c−ỡng bức bằng quạt.
Khi có quạt đối l−u không khí thổi dọc theo khe của cánh toả nhiệt, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt thấp hơn tốc độ dẫn nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh tốt hơn, hiệu suất toả nhiệt cao hơn. Do đó cho phép làm việc với dòng điện tối đa tới 70%Iđm (Ilv< 70%Iđm).
d. Làm mát bằng n−ớc.
Khi thiết kế hệ thống làm mát bằng n−ớc hiệu suất trao đổi nhiệt tốt hơn, cho phép làm việc với dòng điện tối đa tới 90% Iđm. Quá trình làm mát bằng n−ớc phải đảm bảo xử lý n−ớc không dẫn điện. Bằng cách khử Ion trong n−ớc, hoặc giảm độ dẫn điện của n−ớc (tăng điện trở n−ớc) theo nguyên tắc tăng chiều dài hay giảm tiết diện đ−ờng ống dẫn n−ớc ta có thể coi độ dẫn điện của n−ớc không đáng kể.
Th−ờng th−ờng đối với các loại nguồn công suất, để giữ an toàn cho các van bán dẫn ng−ời ta th−ờng hay thiết kế quạt làm mát c−ỡng bức ngay cả trong tr−ờng hợp dòng tải không quá lớn so với dòng định mức của van. Với công suất toả nhiệt cỡ vào khoảng 100W/ van là cần có quạt làm mát c−ỡng bức.
Trong tr−ờng hợp dòng điện làm việc quá lớn (so với dòng cho phép làm việc khi có xét tới điều kiện toả nhiệt), ng−ời ta phải tiến hành mắc song song các van bán dẫn. Các sơ đồ mắc song song các van có thể chọn một trong các sơ đồ trên hình 8 - 3.
Khi mắc song song các van bán dẫn, dòng điện chay qua các van có thể đ−ợc phân bố không đều bởi vì các đặc tính vôn-ampe của các van không hoàn toàn giống nhau. Trong các van có điều khiển còn chịu ảnh h−ởng rất lớn của việc mở không đồng thời của các van. Dòng điện lệch nhau của hai van có thể đ−ợc
D2 D1 D2 D2 D1 D1 D2 R R L L I1 I2 D1 a b c d ) 37 8 ( R U dg 2 2 1 −Ι = Δ − Ι = ΔΙ
Hình 8.3 Các sơ đồ mắc song song van bán dẫn a- mắc song song trực tiếp; b- mắc qua điện trở; c- mắc qua cuộn cảm; d- mắc qua hỗ cảm.
40 tính
Trong đó: ΔU - hiệu sụt áp của các van khi cùng trị số dòng điện lớn I1; R2dg - điện trở động của van D2 tại điểm làm việc I1.
Để giảm sự phân bố không đều trên, ng−ời ta có thể mắc nối tiếp với các van các điện trở (hình 8. 3b) việc sử dụng điện trở chỉ có ý nghĩa khi điện áp rơi trên điện trở là không đáng kể, nếu điện áp rơi trên điện trở lớn, tổn hao công suất lớn, làm cho hiệu suất của chỉnh l−u thấp. Để khắc phục nh−ợc điểm này chúng ta có thể thay thế điện trở bằng các cuôn dây điện cảm (hình 8.3c). Th−ờng các cuộn cảm này đ−ợc chế tạo có lõi không khí.
ở sơ đồ hình 8.3d, cân bằng dòng điện các van đ−ợc thực hiện tốt hơn khi cuộn kháng đ−ợc chế tạo có lõi thép, với các cuộn dây mắc ng−ợc đầu nhau. Sơ đồ này còn đặc biệt có ý nghĩa, khi sử dụng cho tr−ờng hợp các van điều khiển mở không đồng thời.
