Особенностью работы тиристоров в разрядных цепях КМ, где они применяются в качестве коммутатора разряд­ного тока батареи конденсаторов, подаваемого на свароч­ный трансформатор, являются большие по амплитуде им­пульсы тока и длительные паузы между импульсами. На­грузка на тиристор носит явно выраженный циклический характер.

Экспериментальные исследования показали, что при ра­боте КМ в режиме точечной сварки температура монокри- сталлнческой структуры вентильного элемента за цикл до­стигает максимальной 0тах и успевает вновь достичь на­чального значения И - Измерение температуры основано на снятии характеристики изменения остаточного напряже­ния А и на тиристоре при изменении температуры его структуры. Под А и понимается падение напряжения на ти­ристоре при прохождении по нему прямого тока. Извест­но, что с повышением температуры значение Аи уменьша­ется, причем снижение носит линейный характер. Для испытуемых тиристоров, помещенных в термостат, при пря­мом токе 0,3 А через них снималась характеристика Ды= —f(Q). Затем испытуемый тиристор включался в разряд­ную цепь КМ последовательно с рабочим тиристором, ком­мутирующим разрядный ток. К рабочему тиристору под­ключалось специальное индуктивно-емкостное устройство гашения, позволяющее произвести его выключение в лю­бой момент при прохождении разрядного тока. Полное выключение производилось за время не более 50 мкс. Че­рез испытуемый тиристор при этом постоянно пропускался измерительный ток 0,3 А от генератора тока. Наблюдение за изменением остаточного напряжения А и на испытуемом тиристоре при пропускании и после выключения разрядно­го тока производилось с помощью электронного осцилло­графа типа С1-8 с памятью.

На рис. 3.3 приведены осциллограммы, полученные при испытании тиристора типа Т-100, показывающие изменение Ды при протека­нии рабочего тока (осцилло­грамма вверху) и изменение Ды в процессе остывания структуры (осциллограмма внизу). Измерение Ды на­чиналось по истечении вре­мени tu в течение которого происходит рассасывание избыточных носителей в ба­зах тиристора. Максималь­ные отклонения Дні и Ды2 от значений Ды в холодном состоянии получены при пропускании через тиристор импульсов разрядного тока с амплитудными значения­ми соответственно 304 и 638 А.

После определения постоянных времени остывания рас­четным путем вычислялись отклонения Ды в момент преры­вания разрядного тока и соответствующие этим отклоне­ниям значения Д0. Так, для рассматриваемого случая Д0 имело максимальные значения 33 и 57 °С соответственно для токов 304 и 638 А. Исследования показали, что отли­чие фактической температуры от расчетной (рассчитанной с помощью специального метода, приведенного ниже) не превышает 15%.

Перепад температуры Д0 является важнейшим пара­метром, определяющим циклостойкость полупроводнико­вых вентилей, и тиристоров в том числе. Циклостойкость— это среднее число циклов работы до выхода тиристора из строя. Для паяных тиристоров, т. е. для тиристоров с паяным присоединением вентильного элемента через воль­фрамовую подложку к медному основанию, величина Д0 связана с числом циклов N формулой

N = —— = ФД0-*,

£)°ДЄ*

где D — диаметр вентильного элемента; с — постоянная, определяемая экспериментально; a, k — параметрические коэффициенты. Коэффициент k=2 при Д0<69°С и 6=5
при Д0>69°С; значение Ф приводится в каталожных дан­ных.

Для таблеточных тиристоров, т. е. для тиристоров с прижимным присоединением вентильного элемента к осно­ванию, зависимость N от Д0 задается графически либо таблично. Циклостойкость этих тиристоров за счет отсут­ствия паяных соединений, в которых при циклической ра­боте возникают существенные пластические деформации припоя, приводящие к его рекристаллизации и разруше­нию контактов, значительно выше циклостойкости паяных тиристоров.

На рис. 3.4 приведены области зависимости среднего числа циклов N до разрушения от перепада температуры Д0 в процессе циклирования для тиристоров таблеточных и штыревых конструкций. График зависимости построек по справочным и каталожным данным на тиристоры обще­промышленного применения. Значения ©max и Д0, а потом и N могут быть найдены расчетом, путем построения им­пульсов мощности, воздействующих на тиристор, с после­дующим определением температуры по принципу суперпо­
зиции. Однако этот метод является поверочным и неудобен. при разработке и проектировании. В качестве проект­ного метода выбора тиристоров удобен метод, использую­щий параметр W3, называемый защитным показателем ти­ристора. Для тиристоров этот показатель—предельный и единовременно допустимый. При превышении его тиристор разрушается и выходит из строя. Для всех тиристоров значение Г3 приводится в паспортных данных. Оно экви­валентно значению теплового воздействия аварийного тока:

W3— j idt—Pt,

о

где і — ток через тиристор; I — действующий ток Сину­соидальной формы.

Сформулируем критерий выбора тиристора. Для этого введем понятия интегрального показателя температурной нагрузки тиристора WT, поправочного коэффициента А>дв и интегрального показателя сварочной машины W,-. Под WT понимается такое значение интеграла квадрата тока, кото­рое создает выбранный по условиям циклостойкости пере­пад температуры вентильного элемента. Коэффициент кд» всегда меньше единицы и связывает WT и W3 соотноше­нием

WT=^kAeW3. (3.39)

Значение определяется по формуле

WK^idt, (3.40)

о

где ip — разрядный ток батареи конденсаторов, проходя­щий через тиристор на сварочный трансформатор. Тогда критерием для выбора тиристора может служить соотно­шение

WT>W„. (3.41)

На рис. 3.5 приведены схемы разрядных цепей, приме­няемые в большинстве современных КМ. Для всех трех схем ток через разрядный тиристор VS до момента време­ни ti описывается известным уравнением (3.2) или (3.22) для случая колебательного процесса. Для схемы без шун­тирующей цепи это уравнение справедливо до окончания разряда, т. е. до момента времени /2; для схемы с шунти­рующим диодом VD ток через тиристор VS прекращается в момент времени ІГ, для схемы С Rui ток через тиристор

lv „.-,.1 = ■/И ехР =Г - ( ~~^sinwt + cos «*), (3.42)

где а=1/(сДш)+/?'/£' —вспомогательный параметр; R' и L' — соответственно активное сопротивление и индуктив­ность, приведенные к первичной цепи. Остальные обозна­чения те же, что и в формуле (3.2) или (3.22). Интеграль­ные показатели схем найдем, подставив (3.2) в (3.40) и

произведя интегрирование. В итоге для схемы без шунти­рующей цепи получим

Для схемы с шунтирующим диодом

где 9=arctgoj/6 — вспомогательный параметр. Интеграль­ный показатель схемы с шунтирующей цепью из диода и резистора, найденный аналогичным образом, но с учетом (3.42), имеет сложное выражение. Применение этого вы­ражения в инженерной практике затруднительно, поэтому оно здесь не приводится. Для реальных схем можно ре - 68

комендовать находить этот показатель как среднее ариф­метическое интегральных показателей первых двух схем.

Чтобы пользоваться критерием (3.41), необходимо знать WT, а для этого необходимо определить числовые значения коэффициента бде. Ход действий по отысканию &де является следующим:

1. Для полуволны тока синусоидальной формы длитель­ностью 10-10-3 с расчетным путем было определено, что максимальное значение температуры 0шах полупроводни­кового элемента приходится на время 7,0-10~3 с.

2. Из формул:

где Apt — рассеиваемая мощность і-го участка; rT,>i и гцп—і) — переходное тепловое сопротивление соответственно

В моменты времени tn---------- ti— И tn—ti, і — индекс текущей

координаты (меняется от 1 до п); п — индекс координаты, по которой определяется превышение температуры, нахо­дилось значение максимальной мощности, соответствую­щей задаваемому перепаду температуры Д© в момент вре­мени 7,0-10-3 с:

S'n ^ 9 * 18 j (ГТ [ті— (і - 1>] “ Гт(п-|))

1=1

3. По формуле

А Р max — I max (^“Ь-^дЛпах) >

где /?д — динамическое сопротивление тиристора; «о — по­роговое напряжение, вычислялось значение максимально­го ТОКа /щах-

4. Интегральный показатель тиристора И7Т, соответст­вующий задаваемому значению Д0 и длительности им­пульса 10-10~3 с, рассчитывался по формуле

^т=(/тах/К2~)г0,01.

5. Числовые значения коэффициента £де для каждого конкретного типа тиристора и задаваемого Д0 определя­лись через отношение И/т и W3:

kbe=WT/W3.

Таким образом были найдены значения Ад© в диапазо­не Д0=2О... 100°С для тиристоров общепромышленного назначения, в том числе для штыревых (паяных) на токи от 50 до 200 А и таблеточных (прижимных) на токи от 100 до 800 А. Значительная разница значений Ад© не по­зволяет объединить штыревые и таблеточные тиристоры в одну группу. На рис. 3.6 приведены зависимости Ад©= =/(Д0) для этих групп тиристоров, полученные как сред-

20 30 00 50 60 70 8С 30 Д0,°С Рис. 3.6. Зависимость £де от Дв 1 — штыревые тиристоры (ордината а); 2 — табле­ точные (ордината 6)

нее арифметическое расчетных величин Аде внутри каждой группы. Погрешность выбора среднего значения Ад© имеет нормальный закон распределения

Л = tpn У Я — xfl[n [ti 1)],

где tpn — коэффициент Стьюдента; х — среднее арифмети­ческое значение Ад®; л:, — значение Аде для определенного тиристора; п — число тиристоров, для которых известно Аде; Д — доверительная граница погрешности определе­ния Аде. Для штыревых тиристоров значение Д примерно постоянно во всем диапазоне рассматриваемых Д0 и со­ставляет 35%, для таблеточных значение Д существенно меньше и равно 13%.

Данный метод выбора тиристора путем сравнения его интегрального показателя WT с интегральным показателем машины WM может быть применен практически для любой длительности импульса сварочного тока. Однако для дли - 70

тельностей импульса менее 10* 10~3 с следует в формуле (3.39) брать меньшее значение W3. Эти значения приво­дятся в каталожных или паспортных данных на тиристор обычно в виде графика. Во всех остальных случаях нужно пользоваться значением защитного показателя, приводи­мым в паспортных данных для температуры +25 °С.

Пример выбора тиристора. Требуется выбрать тиристор для комму­тации разрядного тока в точечной машине на ток 50 кА со следующими параметрами: емкость батареи конденсаторов Сн=20 000 мкФ, началь­ное напряжение на батарее б со—950 В, коэффициент трансформации п=200, индуктивность и активное сопротивление, приведенные ко вто­ричной цепи, соответственно равны Z."=l,0-10-6 Гн и Я"=56,0-10_6 Ом, производительность машины 60 св/мии. Схема разрядной цепи машины эквивалентна схеме без шунтирующей цепи на рис. 3.5 с той лишь по­правкой. что число циклов для тиристора V/S нужно уменьшить вдвое, так как в трансформаторе ТС осуществляется реверс сварочного тока дополнительным тиристором, включенным встречно-параллельно ти­ристору VS.

Приведем L" и R" к первичной цепи:

L'—L"ti2—1,0-10-6• 2002= 0,04 Ги; R'=R"n2=56,0• 10-6'2002=2,24 Ом.

Найдем интегральный показатель машины WK по формуле (3.43):

U*co П — ехР ( — 28я/ю)] _

= U 2 48 (82 + со2)

где

Rr Г—Ї---------

8 = 227=28 с-1; с)=]/ jtq - — 82 = 22,1 с-*.

С учетом затрат времени на межсварочные операции примем сред­нечасовую производительность равной 900 св/ч. Поставим условие, что тиристор должен проработать до выхода из строя ие меиее пяти лет при двухсменной работе. Число разрядных циклов за это время составит А=900-2000-2-5= 18-106. По рис. 3.4 определяем, что для тиристора таблеточной конструкции значение Д© не должно превышать 33 °С. По рис. 3.6 найдем соответствующий этому перепаду температуры коэффи­циент /оде, равный 0,11. Из выражения (3.39), принимая 1VT = IVM, най­дем защитный показатель тиристора:

W3 = 1Гт/*де=4029/0,11 = 36 627 А2-с.

Учитывая, что класс тиристора по напряжению должен быть ие ме­нее 13-го, пользуясь данными [11], найдем, что наиболее подходящим для нашего случая является тиристор типа T9-100, защитный показа­тель которого равен 54 500 А2-с.