CHƯƠNG7 đề CƯƠNG điện tử CÔNG SUÂT 4 2018

Chương 7 BẢO VỆ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI Trong qua trình làm việc, không thể tránh khỏi những sự cố có thể sảy ra đối với các thiết bị biến đổi. Việc nghiên cứu quá trình dòng 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 1.3.21.

Chương 7 BẢO VỆ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI

7.1 Ngắn mạch và bảo vệ ngắn mạch

-Trong qua trình làm việc, không thể tránh khỏi những sự cố có thể sảy ra đối với các thiết bị biến đổi Việc nghiên cứu quá trình dòng 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 1.3.2-1

0

t

t c

t hq I

Khi dïng d©y ch¶y

Khi kh«ng dïng d©y ch¶y i

II

Hình 1.3.2-1

- 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 dòng điện sự cố giảm dần về không

- Các thông số đặc trưng của dây chảy là điện áp định mức, và dòng điện định mức Không 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 1) 2) 5

4 +

3

d

I I

3



3

d

I

I

-Hình:1.3.2-2: 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 không 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

7.2 Quá áp và bảo vệ quá 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

a> Nguyên nhân nội tại:

Khi khóa thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích đổi ngược hành trình tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn ( 10 đến 100 s)

sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm

ứng rất lớn trong các điện cảm Quá điện áp này là tổng điện áp làm việc

và Ldi/dt nói trên

b> Nguyên nhân bên ngoài:

- Những nguyên nhân này thường sảy ra ngẫu nhiên như khi có xét đánh, khi cầu chì bảo vệ đứt, hay khi đóng cắt máy biến áp nguồn Cắt máy biến

áp nguồn tức là cắt dòng điện từ hóa máy biến áp, bấy giờ năng lượng từ trường tích lũy trong lõi sắt từ chuyển thành năng lượng điện trường chứa trong các tụ điện ký sinh., rất nhỏ giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ

cấp của máy biến áp















2

1 2

1

CU LI

Điện áp này có thể lớn gấp năm lần điện áp làm việc

-Để bảo vệ điện áp người ta thường dùng mạch RLC, bảo vệ riêng cho từng thyristor như hình 6.3.3-1

-Người ta thường chọn điện áp định mức của thyristor

là U  1,2 Uđm Trị số này còn nhỏ hơn nhiều so với trị

cực đại của các quá trình quá điện áp kể trên Các quá

trình quá điện áp có độ tăng trưởng du/dt lớn Đạo hàm

điện áp sinh ra dòng điện chảy qua tụ điện C, đấu giữa

anot – catot của thyristor Điện cảm L hạn chế biên độ

của dòng điện này

-Kích mở thyristor, tụ điện C sẽ phóng điện qua

thyristor, điện trở R hạn chế dòng điện này Các linh

kiện bảo vệ có thể tính toán bằng các công thức, nhưng

trong thực tế người ta thường dùng bằng phương pháp

kinh nghiệm: chon C = 0,01  0,1F; R= 10 1000;

L = 50  100H

R

C T

L

D

D CC

Hình 6.3.3-1

-Sau đây giới thịêu bộ biến đổi có đầy đủ các phần tử bảo vệ quá dòng và quá áp hình 6.3.3-2

R

C

R

C

R

C

R

C

R

C

R

C

L

-+

hình 6.3.3-2 7.3 Tổn hao và làm mát van công suất

7.3.1 Tổn hao van bán dẫn công suất

-Khi Thyristor, hoặc diode mở cho dòng điện chảy qua, thì công 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 do dòng điện qua van bán dẫn gây nên, còn tổn thất phụ bao gồm tổn thất chuyển trạng thái, và tổn thất trong mặt ghép Thường tổn thất phụ không vượt quá 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 toán người ta thường dùng đặc tính V - A gần đúng hình6.1-.2a

+Khi đó: U AC U0 i.R d (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

d T

T idt U

T

P

0 0 0

) (

1 1

0

U

 (Trong đó I0 là dòng điện trung bình, còn I là dòng điện hiệu dụng chảy qua thiết bị bán dẫn)

7.3.2 Làm mát bán dẫn công suất

- 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 toán sơ đồ dẳng trị nhiệt được thể hiện như sau:

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 không khí của môi

trường làm việc

Rjv: Nhiệt trở giữa mặt ghép và vỏ

thiết bị bán dẫn

Rvr: Nhiệt trở giữa vỏ và cánh tản

Tj

R jv R vr R ra

hình 6.1.1-1; Sơ đồ đẳng trị nhiệt

nhiệt

Rra: Nhiệt trở giữa cánh tản nhiệt và

không khí môi trường

+Nhiệt độ được truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh, công suất nhiệt được truyền đi tỷ lệ thuận với nhiệt sai và tỷ lệ nghich với nhiệt trở Rth

th

R

T T



(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 hình6.1.1-2b



I

U AC

U O

a>

C/W

0 R th.ra

V

m/s

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

b>

C/W

0 R th.ra

P W

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

c>

Hình:6.1.1 -2:

-Đường cong hình6.1-2c: Rra = f(P, Ta) do nhà chế tạo cánh tản nhiệt cung cấp ta có thể tra bảng phụ lục 3 dưới đây

Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi 220

Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi 221

7.4 Tính chọn van công suất trong các bộ biến đổi

Các van công suất được chọn phải căn cứ vào các thông số dòng điện

và điện áp trong mạch Cụ thể các van công suất khi tính chọn phải thoả mãn các điều kiện do nhà sản xuất quay định Trong đó các thông số thường phải được ưu tiên hàng đầu khi tính chọn van công suất là điện áp làm việc của van UV; dòng điện hiệu dụng chảy qua van IVRMS và dòng điện trung bình chảy qua van IVAV

Trong đó điện áp van được chọn phải thoả mãn điều kiện

UV = (1,6 2) Ungmax

Còn dòng điện của van công suất được chọn phụ thuộc vào điều kiện làm

mát Nếu van bán dẫn công chỉ được làm mát bằng tản nhiệt đối lưu tự nhiên thì khả năng chịu dòng điện chỉ bằng 25  30% dòng định mức ghi trên van

Nếu van bán dẫn công chỉ được làm mát bằng tản nhiệt và có quạt gió

làm mát thì khả năng chịu dòng điện chỉ bằng 50  70% dòng định mức ghi

trên van

Nếu van bán dẫn công chỉ được làm mát bằng tản nhiệt và có nước làm mát thì khả năng chịu dòng điện có thể đạt được 100% dòng định mức ghi

trên van

Thường 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

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 công suất cũng đòi 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 dòng 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, quá dòng điện Chính vì vậy ta cần phải tính toán bảo vệ cho các van bán dấn khi sẩy ra sự cố

7.4 Bài tập ứng dụng

Bài 7.1

Một thyristor làm việc trong mạch điện có đặc tính V – A như hình vẽ, hãy tính công suất tổn thất trung bình qua van trong các trường hợp:

a> Có dòng một chiều 20A đi qua van ( 2đ)

b> Khi làm việc trong một mạch chỉnh lưu một

pha nửa chu kỳ có dòng điện xoay chiều

i = 14.sint đi qua ( 2đ)

50

2 1

a 0

I(A)

U(V)

Bài 7.2

Công suất tổn thất của một thiritstor là P 30 W Nhiệt độ giới hạn của mặt ghép là TJ = 1250C Nhiệt độ môi trường là 400

C

Biết điện trở nhiệt giữa mặt ghép và cánh tản nhiệt là R jr  0 , 80C/W

Hãy tính:

a> Điện trở nhiệt giữa cánh tản nhiệt và môi trường (2.5đ)

b> Nhiệt độ vỏ của thyritstor (2đ)