ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВЕНТИЛЬ Российский патент 2004 года по МПК H02M7/19 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в энергетике, электротехнической и электроэнергетической промышленности, на электротранспорте, в электроприводе, в том числе и высоковольтном.

Известны тиристорные вентили, в том числе и высоковольтные [1], в которых таблеточные тиристоры соединены последовательно через водяные охладители в единые “столбы” с единым прижимным устройством. Однако такие вентили в едином прижимном конструктиве не содержат иных активных или пассивных элементов, кроме самих тиристоров.

Известен вентиль, входящий в состав преобразователя мощности [2], в котором один вывод переключающего элемента (например, тиристора) соединен с выводом питания, а другой конец - с охладителем так, что элемент силовой схемы включается в вентиль. Однако предложенная в [2] конструкция не позволяет собрать ее в едином прижимном столбе. Известен также вентиль [3] с водяным охлаждением и изоляционными воздушными зазорами, состоящий из отдельных тиристорных модулей, образованных путем соединения тиристоров с элементами электрической схемы так, что модули расположены один над другим между двумя изоляционными опорными стойками. Близкое техническое решение отраженно в [4], где вентиль с водяным охлаждением и изоляционными воздушными зазорами состоит из отдельных тиристорных модулей, образованных путем соединения тиристоров с элементами электрической схемы. Но и технические решения в соответствии с [3, 4] не формируют единой прижимной конструкции.

Известен также инвертор напряжения на базе высоковольтных вентилей из цепочки последовательно включенных запираемых СПП (например, IGBT), имеющий коммутационные цепи с пониженной индуктивностью, что достигается включением вентилей “змейкой” [5]. Такое техническое решение позволяет достигать значительных рабочих напряжений, вплоть до требуемых для преобразовательных подстанций передач постоянного тока. Однако все элементы делящих цепей, в том числе резисторы и диоды, хотя и устанавливаются на токоведущих шинах жидкостных охладителей, должны быть электрически соединены между собой навесным проводным монтажом, что приводит к росту собственной индуктивности полупроводниковой ячейки и, соответственно, к росту в процессе включения или запирания СПП импульсных перенапряжений на нем.

Наиболее близким к предлагаемому является тиристорный вентиль, описанный в [6] и принятый нами за прототип. Вентиль состоит из собранных в единый столб с единым прижимным устройством силовых управляемых полупроводниковых приборов (СПП) таблеточной конструкции, охладителей и таблеточных резисторов, а также не входящих в единый столб конденсаторов, причем контактные площадки СПП, охладителей и таблеточных резисторов одинаковы по конфигурации и равны по площади, а каждый СПП электрически зашунтирован таблеточным резистором и конденсатором.

Недостаток конструкции по [6] состоит в том, что она непосредственно не может быть распространена на вентили с последовательным соединением СПП. Попытки собирать сложные высоковольтные преобразователи из модулей, по типу описанных в [6], приводят к возникновению значительных паразитных (конструктивных) индуктивностей, которые в случае применения полностью управляемых СПП с весьма крутыми фронтами при включении и запирании(например, запираемых тиристоров или IGBT-модулей), являются причиной импульсных перенапряжений на СПП, снижают надежность и к.п.д. преобразователя в целом, неоправданно увеличивают его стоимость из-за введения запасов по номинальным параметрам СПП. Кроме того, при сборке необходимо выдерживать соответствующие классу напряжения преобразователя изоляционные расстояния, что приводит к росту габаритов изделия в целом и к росту цены и снижению конкурентоспособности. Задача предполагаемого изобретения - создание конструкции высоковольтного вентиля с минимальной собственной индуктивностью и габаритами на базе цепочки последовательно включенных СПП.

Сущность изобретения состоит в том, что для того, чтобы управляемые СПП могли быть включены электрически последовательно, элементы вентильного столба объединяются в ячейки, представляющие собой СПП с относящимися к ним резисторами и конденсаторами, и эти ячейки попарно объединяются в 2n конструктивно тождественных модуля так, что внутри каждого модуля первый СПП электрически соединен с резистором анодом, а второй СПП - катодом, между модулями в единый столб включены изоляционные прокладки с контактными площадками, одинаковыми по конфигурации и равными по площади контактным площадкам остальных элементов столба, причем катод второго СПП любого модуля электрически соединен с анодом первого СПП следующего за ним модуля короткой внешней гибкой токоведущей шиной, а выводы конденсаторов соединяются с внешними шинами ячейки; дополнительно в середину столба между n-ым и (n+1)-ым модулем введены две изоляционные прокладки, между которыми расположена диодная сборка из одного или более диодов таблеточной конструкции с контактными площадками, одинаковыми по конфигурации и равными по площади контактным площадкам остальных элементов столба так, что один конец диодной сборки через короткую гибкую токоведущую шину соединен с катодом второго СПП n-ого модуля, а другой конец электрически свободен. В целях дальнейшего снижения паразитной индуктивности ошиновки используются соединения с болтовым соединением выводов, причем высота конденсаторов равна высоте единичной ячейки столба, а болтовые соединения конденсаторов крепятся непосредственно к внешним шинам ячейки.

На фиг.1. приведена электрическая принципиальная схема высоковольтного вентиля, состоящего из 2n идентичных модулей 1 и диодной сборки 2. Каждый модуль содержит два СПП - первый VI и второй V2, два резистора R1 и R2 и два конденсатора С1 и С2. Число 2n последовательно включенных модулей ограничивается только технологическими возможностями устойчивой сборки столба, обеспечивающей на всех таблеточных приборах (тиристорах, резисторах, диодах) строго перпендикулярно направленного вектора прижимного усилия Р.

Реализация приведенной на фиг.1 электрической схемы при сборке вентиля конструктивно в единый столб обеспечивается включением в столб диэлектрических прокладок и наличием соответствующих коротких гибких токопроводящих шин, как показано на фиг.2, где в качестве примера принято 2n=4. Конструкция на фиг.2 содержит четыре идентичных полупроводниковых модуля 1, одну диодную сборку 2, четыре идентичные диэлектрические прокладки 3, три гибкие токоведущие шины 4 и необходимое число идентичных охладителей 5. Сборка вышеперечисленных элементов в столб осуществляется прижимным устройством 6, на фиг.2 показанным условно.

Нами реализовано устройство в соответствии с фиг.2. В качестве управляемых СПП использованы запираемые тиристоры с встроенным драйвером (IGCT) типа 5SHX 06F6004 производства компании ABB Semiconductors. Охладители - стандартные водяные типа ОМ-103, модифицированные с точки зрения центровки выбранного IGCT, однако возможно применение и воздушных охладителей. Резисторы - таблеточные, типа РК153 производства ВЭИ им. В.И.Ленина. Конденсаторы изготовлены по специальному заказу с высоковольтными выводами в виде болтовых соединений по торцам; высота конденсатора вместе с гайками равна сумме высот IGCT, резистора и двух охладителей. Изоляционные прокладки - стеклотекстолитовые специального изготовления. В качестве изоляционного материала стеклотекстолит выбран по двум причинам: во-первых, его удельное пробивное напряжение поперек волокон достаточно велико, а во-вторых, в том же направлении поперек волокон он достаточно пластичен, что позволяет исключить тангенциальные составляющие прижимного усилия на таблеточных СПП. Токоведущие гибкие шины изготовлены из медной плоской “косы”; в целях дальнейшего снижения индуктивности ошиновки ее можно изготовить из двух или более “кос”, включенных параллельно.

Как видно из фиг.2, собственная индуктивность столба практически равна собственной индуктивности последовательно включенных СПП, то есть минимальна. Индуктивность внешней ошиновки также минимальна, поскольку токоведущие выводы охладителей короткие и весьма плоские, так что их собственная индуктивность столь мала, что не поддается определению современными измерительными средствами. О гибких токоведущих шинах сказано выше; их длина настолько мала, насколько позволяет расстояние, ими охватываемое, так что и индуктивность шин предельно мала.

Таким образом, задача предполагаемого изобретения выполнена: предлагаемая конструкция высоковольтного вентиля на базе цепочки последовательно включенных СПП обеспечивает минимальную собственную индуктивность и габариты, что не может быть достигнуто при использовании конструкции вентиля - прототипа.

Источники информации

1. MODERN HVDC THYRISTOR VALVE. H.Stomberg, B.Abrahamsson, O.Saksvik. ABB Power Systems. S-771 80 Ludvika, Sweden.

2. Преобразователь мощности. JP2903950 B2. Приоритет 22.06.93, опубл. 19.04.99, H 02 M 7/48.

3. Тиристорный вентиль. JP 2980697 B2. Приоритет 08.01.91, опубл. 22.11.99, H 02 M 7/48.

4. Тиристорный вентиль. JP 2918327 B2. Опубл. в бюллетене "Изобр. стран мира" 0220.15.107.00. H 02 M 7/48.

5. US 005870300A, МКИ H 02 M 7/5387, 09.02.1999. Voltage converter having a commutation circuit with reduced inductance. Ingemar Blidberg, Olle Ekwall. Asea Brown Boveri (ABB).

6. Таратута И.П., Чуприков B.C. Схемотехнические и конструктивные решения преобразователей частоты для регулируемого электропривода. Электротехника. №9, 2001, с. 62-65.

Использование: энергетика, электротехническая и электроэнергетическая промышленность, электротранспорт, электропривод, в том числе и высоковольтный. Сущность изобретения: управляемые СПП включены последовательно, СПП с относящимися к ним резисторами и конденсаторами образуют ячейки, попарно объединенные в 2n конструктивно тождественных модуля так, что внутри каждого модуля первый СПП электрически соединен с резистором анодом, а второй СПП - катодом, между модулями в единый столб включены изоляционные прокладки с контактными площадками, одинаковыми по конфигурации и равными по площади контактным площадкам остальных элементов столба, причем катод второго СПП любого модуля электрически соединен с анодом первого СПП следующего за ним модуля короткой внешней гибкой токоведущей шиной, а болтовые соединения выводов конденсаторов крепятся непосредственно к внешним шинам ячейки; дополнительно в середину столба между n-м и (n+1)-м модулем введены две изоляционные прокладки, между которыми расположена диодная сборка из одного или более диодов таблеточной конструкции так, что один конец диодной сборки через короткую гибкую токоведущую шину соединен с катодом второго СПП n-го модуля, другой конец электрически свободен. В целях дальнейшего снижения индуктивности высота конденсаторов демпфирующих цепей выбирается равной высоте единичной полупроводниковой ячейки столба. Технический результат - устранение перенапряжений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высоковольтный полупроводниковый вентиль, состоящий из собранных в единый столб с единым прижимным устройством силовых управляемых полупроводниковых приборов (СПП) таблеточной конструкции, охладителей и таблеточных резисторов, а также не входящих в единый столб конденсаторов, причем контактные площадки СПП, таблеточных резисторов и охладителей одинаковы по конфигурации и равны по площади, а каждый СПП электрически зашунтирован таблеточным резистором и конденсатором, отличающийся тем, что управляемые СПП включены последовательно, СПП с относящимися к ним таблеточными резисторами и конденсаторами образуют ячейки, попарно объединенные в 2n конструктивно тождественных модуля так, что внутри каждого модуля первый СПП электрически соединен с таблеточным резистором анодом, а второй СПП - катодом, между модулями в единый столб включены изоляционные прокладки с контактными площадками, одинаковыми по конфигурации и равными по площади контактным площадкам остальных элементов столба, причем катод второго СПП любого модуля электрически соединен с анодом первого СПП следующего за ним модуля короткой внешней гибкой токоведущей шиной, а выводы конденсаторов соединяются с внешними шинами ячейки; дополнительно в середину столба между n-м и (n+1)-м модулем введены две изоляционные прокладки, между которыми расположена диодная сборка из одного или более диодов таблеточной конструкции с контактными площадками, одинаковыми по конфигурации и равными по площади контактным площадкам остальных элементов столба так, что один конец диодной сборки через короткую гибкую токоведущую шину соединен с катодом второго СПП n-го модуля, а другой конец электрически свободен.2. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что используются конденсаторы с болтовым исполнением выводов, причем высота конденсаторов равна высоте единичной ячейки столба, а болтовые соединения конденсаторов крепятся непосредственно к внешним шинам ячейки.