Высоковольтный полупроводниковый коммутатор Советский патент 1989 года по МПК H01L25/02 

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в экспериментальной физике, а также в ряде отраслей промышленности, в част- ности в электрогидравлических установках для коммутации больших гий.

Цель изобретения - повышение надежности и улучшение условий эксплуа- тации.

На фиг,1 представлен коммутатор, общий вид; на фиг.2 - то же, продольный разрез; на фиг.З - сечение А-А на фиг,2; на фиг.4 - разрез Б-В на фиг.З крепление импульсного трансформатора управления к дисковому охладителю) ; на фиг.З - разрез В-В на фиг.З (стяжной узел, с помощью которого попарно друг к другу крепятся дисковые охладители).

В высоковольтном полупроводниковом коммутаторе корпус выполнен в виде полого цилиндра 1 с герметичными крышками - нижней 2 и верхней 3 и за- полней охлаждающей жидкостью.4. К внутренней части верхней крышки жестко прикреплен вентильный столб. Полупроводниковыми элементами его служат тиристоры 5, чередующиеся с дисковыми охладителями 6, на поверхности которых закреплены блоки управления, включающие импульсные трансформаторы 7 управления и демпфирующие RC-цепочки, конденсаторы 8, резисторы 9 и ва- ристоры 10. Импульсные трансформаторы 7 управления выполнены на ферритовых кольцах, первичная обмотка представляет собой отрезок кабеля 11, а вторичная обмотка состоит из шестнадцати витков обмоточного провода.

Дисковые охладители с расположенными между ними тиристорами с помощью стяжных узлов 12 соединены попарно друг с другом и равномерно расположены по высоте столба, что позволяет обеспечить равномерное прижатие всех тиристоров и их более надежную работу.

Стяжной узел 12 состоит из двух крепежных болтов 13 и 14, имеющих один правую, другой левую резьбы, и стягивающей втулки 15, имеющей внутреннюю резьбу - с одной стороны правую, с другой левую. Наружная поверхность втулки имеет форму шестигранника, под ключ.

Такая конструкция стяжного узла дает возможность быстрой замены вышедшего из строя полупроводникового элемента без разборки всего вентильного столба.

С целью улучшения работы коммутатора в условиях тряски и вибрации, а также для предотвращения электрического контакта между корпусом и нижним дисковым охладителем вентильного столба к последнему с помощью болтов 16 своей верхней частью жестко кре-, пится электроизоляционный фиксирующий диск 17, выполненный в виде усеченного конуса. Нижняя часть диска через резиновую прокладку 18 упирается в приваренное к стакану кольцо 19. По поверхности фиксирующего диска рас

положены сквозные отверстия, служащие для перетекания охлаждающей жидкости к наружной поверхности компенсационной диафрагмы 20. Для компенсации избыточного давления, создаваемого охлаждающей жидкостью в процессе работы коммутатора, служит воздушная полость, образованная нижней съемной крышкой 2 и компенсационной диэлектрической диафрагмой 20. Крепление диафрагмы с одновременной герметизацией нижней части корпуса осуществляется прижатием нижней крышки с помощью болтов 21 к приваренному кольцу.

Верхняя крышка 3 через резиновую прокладку 22 с помощью болтов 22 крепится к фланцу 24, приваренному к . верхней части цилиндрического стака- на.

Подключение коммутатора к силовой цепи и к цепи управления осуществляется с помощью высоковольтного герметичного ввода 25, прикрепленного с помощью болтов 26 к верхней крышке.

Для заполнения корпуса охлаждающей жидкостью в верхней крьпцке 3 расположены два отверстия, в которые вкручиваются концевые штуцеры 27 с закрепленными на них ниппелями 28 для присоединения рукавов. С целью обеспечения более интенсивного охлаждения штуцеры могут быть использованы для прокачки охлаждающей жидкости через коммутатор. При необходимости эти отверстия можно заглушить пробками.

.Коммутатор работает следующим образом.40

Высокое напряжение (до 10 кВ) от накопителя и сигналы управления подаются на высоковольтный многоканальный ввод 25, к одной из клемм которого подключена нагрузка. Поскольку ти- 45 ристоры 5, составляющие вентильный столб коммутатора, имеют четырехслой- ную структуру полупроводника с чередующимся типом электропроводности, то при подключении к тиристору напря- CQ жения крайние p-n-переходы включаются в прямом направлении, средний р-п- переход в обратном направлении и тиристор находится в закрытом состоя-. , нии, которое характеризуется большим „ напряжением и прохождением малых то- ков через него. Следовательно, весь вентильный столб находится в выключенном состоянии.

Q 5

0

5

Q

5

0

5 Q

Чтобы перевести тиристоры вентильного столба в открытое состояние, необходимо накопление в каждом тиристоре избыточного отрицательного заряда электродов в n-базе и избыточного положительного заряда дырок в Р-базе. Осуществляется это с помощью подачи на управляющий электрод каждого тиристора импульса напряжения. Так как коммутатор предназначен для коммута- , ции больших импульсных токов,необходимо одновременное включение всех тиристоров вентильного столба.

Поэтому управление тиристорами осуществляется следующим образом: управляющий импульс подается на высоковольтный многоканальный ввод 25, коммутатора, к которому подключена пер- . вичная обмотка импульсного трансформатора управления. Вторичные обмотки трансформаторов 7 подключены к каждо- му тиристору 5. При подаче импульса управления происходит отпирание каждого тиристора вентильного столба и коммутатор включается, коммутируя накопленную в накопителях энергию в нагрузку.

Вследствие неоднородности структуры полупроводниковых элементов существует разброс времени включения у тиристоров. Для исключения выхода их из строя применены шунтирующие RC-цепочки 8 и 9. При работе коммутатора в составе генератора импульсных токов возможны перенапряжения. На тиристорах для их исключения, а также для выравнивания напряжения на тиристорах в статическом режиме, применяются шунтирующие варисторы 10. Если доб- .ротность разрядного контура обеспечивает синусоидальный характер разряда, то возможно ступенчатое регулирование энергии, выделяемой в нагрузке, с помощью изменения длительности времени включения тиристора, так как тиристоры 5 - диоды, из которых набран вентильный столб коммутатора, имеют следующую особенность при комг. мутации токов синусоидальной формы. Если длительность управляющего сигнала меньше периода разрядного тока, то .тиристор-диод пропустит лишь первый период разрядного тока. При увеличении длительности импульса управления увеличится и количество периодов разрядного тока, выделяющихся в нагруз--. ке.

Тепловой режим коммутатора характеризуется максимальной установившейся температурой. Кремневые структуры позволяют довести ее до 100°С, не изменяя своих параметров, нагрев до такой температуры вызовет увеличение объема охлаждающей жидкости 4 в случае охлаждения корпуса коммутатора внешней средой на 0,5 л. Для компенсации этого объема необходима гибкая компенсационная система, роль которой выполняет компенсационная диафрагма 20.

Система охлаждения коммутатора позволяет эксплуатировать его с повышенными частотами (до 100 Гц), обеспечивая при этом заданный перегрев структур полупроводниковых вентилей (тиристоров). Тем самым значительно повышается надежность работы коммутатора в целом.

Использование предлагаемого решения позволяет повысить надежность и улучшить условия эксплуатации коммутатора за счет обеспечения более интенсивного охлаждения тиристоров.по высоте вентильного столба, обеспечивает оперативное изменение частоты срабатывания тиристоров, значительно ускоряет замену любых вышедших из строя элементов.

Формула и 3j обретения

1. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор, содержащий вентильный столб, состоящий из тиристоров, который вместе с соответствующими блоками управления и демпфирующими RS- цепочками помещен в закрытый корпус, выполненный в виде цилиндра и заполненный охлаждающей жидкостью, о т - лича-ющийся тем, что, с целью повышения надежности и улучшения условий эксплуатации, он снабжен дисковыми охладителями и стяжными узлами, а корпус выполнен с нижней и верхней крышками, причем тиристоры вентильного столба чередуются с охла5 дителями, на поверхности которых размещены блоки управления и демфирующие RC-цепочки, дисковые охладители соединены попарно друг с другом с помощью стяжных узлов и равномерно рас0 положены по высоте столба, который жестко закреплен на верхней крышке корпуса.

2. Коммутатор по п.1,о т л и ч а ю - 5 щ и и с я тем, что он снабжен электроизоляционным фиксирующим диском, на поверхности которого выполнены сквозные отверстия, жестко соедине, - иным с нижним охладителем вентильно- 0 го столба.

3. Коммутатор по п.1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что он снабжен диэлектрической компенсационной мембраной, установленной в нижней части g корпуса между фиксирующим диском и нижней крышкой с образованием между ней и последней воздушной полости.

Zi

SI

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в экспериментальной физике, а также в ряде отраслей промышленности ,в частности, в электрогидравлических установках для коммутации больших энергий. Цель изобретения - повышение надежности и улучшение условий эксплуатации. Для этого в коммутаторе корпус выполнен в виде цилиндра 1 с герметичными крышками - нижней 2 и верхней 3 и заполнен охлаждающей жидкостью 4. К внутренней части верхней крышки жестко прикреплен вентильный столб. Полупроводниковыми элементами его служат тиристоры, чередующиеся с дисковыми охладителями, на поверхности которых размещены блоки управления и демпфирующие RC- цепочки. Дисковые охладители соединены попарно друг с другом с помощью стяжных узлов. С целью улучшения работы в условиях тряски и вибрации между корпусом и нижним дисковым охладителем вентильного столба к последнему с помощью болтов 16 своей верхней частью жестко крепится электроизоляционный фиксирующий диск 17. По поверхности фиксирующего диска расположены сквозные отверстия, служащие для перетекания охлаждающей жидкости к наружной поверхности компенсационной диафрагмы 20. Для компенсации избыточного давления, создаваемого охлаждающей жидкостью в процессе работы коммутатора, служит воздушная полость, образованная нижней съемной крышкой 2 и компенсационной диэлектрической диафрагмой 20. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

2 818Vl

6-В повернуто

Фиг. J

побернутд

Фие.5