MẠCH LỌC VÀ GHÉP NỐI BÁN DẪN
Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng ngày càng nhiều, do nó có những ưu điểm như gọn nhẹ, làm việc tin cậy, tác động nhanh hiệu suất cao, nên dễ thực hiện tự động hóa ..vv.
- Tuy nhiên các phần tử bán dẫn cơng suất cũng địi hỏi các điều kiện khắt khe. Trước hết phải quan tâm và tôn trọng các trị số giới hạn sử dụng do nhà sản suất đã chỉ ra đối với các phần tử như:
+ Điện áp ngược lớn nhất
+ Giá trị trung bình cho phép đối với dịng điện. + Tốc độ tăng trưởng của điện áp.
+ Tốc độ tăng trưởng của dòng điện . + Thời gian khóa...
- Các phần tử bán dẫn công suất cần được bảo vệ, chống những sự cố bất ngờ sẩy ra, những ảnh hưởng nhiễu loạn, hay những nguy hiểm sẩy ra ngắn mạch, quá điện áp, q dịng điện. Chính vì vậy ta cần phải tính tốn bảo vệ cho các van bán dấn khi sẩy ra sự cố.
7.1. Tính tốn nhiệt và tổn hao trên các van bán dẫn công suất
- Khi Thyristor, hoặc diode mở cho dịng điện chảy qua, thì cơng suất tổn thất bên trong sẽ đốt nóng chúng. Trong đó mặt ghép là nơi nóng nhiều nhất, ta dùng ký hiệu TJ để chỉ nhiệt độ tại mặt ghép. TJm là chỉ nhiệt độ lớn nhất cho phép tại mặt ghép.
+ Đối với bán dẫn Ge: TJm = 800 1000C
+ Đối với bán dẫn Si: TJm = 1500 2000C
- Công suất tổn thất trong thiết bị bán dẫn ký hiệu là P, được tính bằng
(W), thường chia thành tổn thất chính P1 và tổn thất phụ P2. Tổn thất chính
chuyển trạng thái, và tổn thất trong mặt ghép. Thường tổn thất phụ khơng vượt q 5% tổn thất P. Vì vậy có thể coi: P = P1.
- Để tính được P ta cần biết được đường đặc tính V-A của thiết bị bán
dẫn. Trong khi tính tốn người ta thường dùng đặc tính V-A gần đúng hình6.2a. + Khi đó: UAC U0 i.Rd. (Trong đó Rd = cotg là điện trở vi phân hoặc điện trở động)
- Dòng điện chảy qua thiết bị bán dẫn thường là dòng điện biến thiên theo chu kỳ. Như vậy:
T AC T U iRd idt T idt U T P 0 0 0 ) ( 1 1 Hoặc: 2 0 0I R I U P d
(Trong đó I0 là dịng điện trung bình, cịn I là
dòng điện hiệu dụng chảy qua thiết bị bán dẫn).
- Thiết bị bị bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nếu khi làm việc nhiệt độ mặt ghép lớn hơn nhiệt độ cho phép TJm, thì có thể gây phá hỏng thiết bị bán dẫn. Vì vậy việc tính toán tỏa nhiệt cho mặt ghép là rất cần thiết:
+ Khi tính tốn sơ đồ dẳng trị nhiệt được thể hiện như sau:
P Tv Tr Ta Tv Tr Ta Tj Rjv Rvr Rra Hình 7.1 Sơ đồ đẳng trị nhiệt trong đó: TJ : Là nhiệt độ mặt ghép; TV: Lả nhiệt độ vỏ thiết bị bán dẫn; Tr: Là nhiệt độ cánh tản nhiệt;
Ta: Là nhiệt độ khơng khí của mơi trường làm việc; Rjv: Nhiệt trở giữa mặt ghép và vỏ thiết bị bán dẫn;
Rvr: Nhiệt trở giữa vỏ và cánh tản nhiệt;
Rra: Nhiệt trở giữa cánh tản nhiệt và khơng khí mơi trường.
+ Nhiệt độ được truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh, cơng suất nhiệt được truyền đi tỷ lệ thuận với nhiệt sai và tỷ lệ nghich với nhiệt trở Rth.
th R T T P 1 2
(Trong đó T1 là nhiệt độ vùng nóng, T2 là nhiệt độ vùng lạnh, nhiệt trở Rth = Rjv + Rvr + R ra được tính bằng 0C/W)
- Trong các bài toán nhiệt thường đưa ra cho chúng ta biết TJm; Ta; Rth; P. Yêu cầu xác định biện pháp làm mát bằng đối lưu tự nhiên hay phải quạt mát bằng bao nhiêu m/s, theo hình7.2b.
I I UAC UO a) C/W 0 Rth.ra V m/s 0 5 10 15 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 b) C/W 0 Rth.ra P W 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 25 50 75 100 c)
Hình 7.24 Đồ thị tính tốn nhiệt và tổn hao trên các van bán dẫn công suất - Đường cong hình 7.2c: Rra = f(P, Ta) do nhà chế tạo cánh tản nhiệt cung cấp ta có thể tra bảng phụ lục 3 dưới đây.
- Thiết bị bán dẫn không được làm mát thì khả năng chịu dòng điện chỉ bằng 30 50% dòng định mức. Biện pháp làm mát thông dụng nhất thường
dùng quạt mát chung quanh cánh tản nhiệt. Đối với công suất lớn hơn người ta có thể cho nước chảy qua cánh tản nhiệt hoặc ngâm cả thiết bị bán dẫn vào dầu biến thế.
7.2. Bảo vệ ngắn mạch và qua tải bằng dây chảy
đối với các thiết bị biến đổi. Việc nghiên cứu q trình dịng và áp khi sẩy ra sự cố là rất cần thiết, nhằm bảo vệ hệ thống một cách hữu hiệu. Để bảo vệ các thiết bị bán dẫn tránh khỏi sự phá hoại của dòng điện, người ta thường dùng dây chẩy tác động nhanh (khoảng vài ms). Loại dây chảy này làm bằng bạc lá, đặt trong vỏ sứ có chứa cát thạch anh hoặc nước cất. Hoạt động của dây chảy được chia ra làm hai giai đoạn hình 7.3.
0 I thq tc t
Khi dùng dây chảy Khi khơng dùng dây chảy
i
II
Hình 7.3 Đường cong hoạt động của dây chảy
- Giai đoạn I, kể từ khi dòng điện sự cố tác động đến khi suất hiện hồ quang. Trong giai đoạn này, dây chảy bị đốt nóng mềm ra.
- Giai đoạn II, kể từ khi suất hiện hồ quang đến khi cắt dòng điện sự cố. Trong giai đoạn này điện áp hồ quang tăng dần, do đó dịng điện sự cố giảm dần về khơng.
- Các thông số đặc trưng của dây chảy là điện áp định mức, và dịng điện định mức. Khơng nên đặt dây chảy vào mạng điện có điện áp lớn hơn điện áp định mức của dây chảy. Dòng định mức của dây chảy được chọn phải bằng hoặc lớn hơn dòng định mức của thiết bị bán dẫn, nhưng không được lấy lớn hơn 10% dòng làm việc của van. Thời gian tác động của cầu chì phải nhỏ hơn hoặc bằng thời gian chịu đựng của thiết bị.
- Đối với thiết bị biến đổi là cầu chỉnh lưu, có thể đặt cầu chảy theo các vị trí sau đây:
~3 TR1 TR1 1) 2) 5 4 + 3 2 3 d I I 3 d I I -
Hình 7.4 Vị trí đặt cầu chảy cho cầu chỉnh lưu ba pha - Đặt nối tiếp cho từng thyristor hoặc diode (1)
- Đặt nối tiếp cho từng nhóm thyristor hoặc diode nối song song (3) - Đặt ở lối ra của cầu chỉnh lưu (4)
- Đặt ở cuộn dây thứ cấp máy biến áp (2) - Đặt ở cuộn dây sơ cấp máy biến áp (5)
-Trong thực tế tùy theo yêu cầu về mức độ bảo vệ mà chọn vị trí đặt cầu chảy cho phù hợp. Thông thường người ta khơng chọn 1 vị trí đặt mà phối hợp giữa các vị trí theo cấp tác động. Việc đặt cầu chảy ở lối ra chỉnh lưu, kết hợp với việc đặt ở đầu vào sơ cấp máy biến áp được dùng nhiều hơn cả.
7.3. Bảo vệ quá điện áp
Các thyristor cũng rất nhạy cảm với điện áp lớn hơn so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp.
- Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia ra làm hai loại: