Система аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 3

Иршат Аитов

Галина Шалупова

В статье изложены результаты анализа и характерные особенности аварийных процессов, приводятся общие выражения для аварийных токов в тиристорных преобразователях частоты (ТПЧ) с автономными резонансными инверторами (АИР) для электротехнологических установок (ЭТУ), сформулированы требования к датчикам аварийного состояния и рассмотрены вопросы использования быстродействующих дифференциальных датчиков тока. Описано моделирование в среде MATLAB с помощью инструментов пакета Simulink процесса ликвидации аварийного режима с использованием тиристорно-конденсаторного выключателя (ТКВ) в ТПЧ с АИР удвоением частоты и открытым входом.


Все статьи цикла:

В настоящее время широкое применение ТПЧ с АИР, особенно большой мощности, для питания современных ЭТУ, в том числе с использованием прогрессивных технологических процессов (ТП), не терпящих перерыва питания, связано как с экономическими показателями, так и c реализуемыми функциональными и техническими возможностя- ми [1–3]. Промышленное применение ТПЧ с АИР для питания указанных ЭТУ требует обеспечения повышенной надежности в случаях возникновения в них аварийных режимов и отказов, так как они ведут к значительным экономическим, экологическим потерям и даже к опасным ситуациям. Авторами в [3–8] определены и рассмотрены методы и средства повышения (обеспечения) надежности, определяющие совокупность таких свойств, как: безотказность, живучесть, безопасность и ремонтопригодность ТПЧ с АИР. Следует отметить, что при возникновении аварийных режимов в ТПЧ с АИР для питания современных ЭТУ важными требованиями и основными методами и средствами обеспечения указанных свойств надежности являются:

  • эффективное ограничение аварийных токов через силовые полупроводниковые приборы (СПП) ТПЧ и коммутационных перенапряжений наряду с использованием быстродействующих датчиков и устройств отключения источника питания АИР;
  • применение резервирования силовых ячеек (мостов) АИР наряду с использованием быстродействующих датчиков и устройств отключения аварийного моста, а также переключения работы АИР на резервный.

Вопросы построения резервированных ТПЧ с АИР для питания различных ЭТУ, а также алгоритмы и системы управления ими рассмотрены авторами в [2, 3, 6, 9–15]. Одним из условий практической реализации требований, выбора методов и средств обеспечения надежности ТПЧ с АИР является анализ аварийных процессов, позволяющий выявить специфические особенности и характер протекания их в ТПЧ с различными группами схем АИР, получить необходимые временные зависимости изменения амплитуды и длительности протекания аварийных токов через СПП выпрямителя и АИР. На основе полученных результатов осуществляется выбор методов и средств ограничения аварийных токов через СПП, разработка системы быстродействующей защиты и алгоритма ее работы.

Результаты исследований аварийного процесса срыва инвертирования в ТПЧ с различными схемами двух групп АИР (закрытым и открытым входами) приведены в [16, 17]. Анализ результатов показывает, что для данных групп мостовых АИР с удвоением частоты и встречными диодами при срыве инвертирования наиболее характерны:

  • возникновение в колебательном контуре аварийного моста (для всех рассмотренных схем обеих групп АИР) затухающих синусоидальных колебаний, например, iСК — рис. 8, 9, 11 из [17];
  • протекание через тиристоры аварийного моста (для обеих групп АИР) затухающего колебательного (выпрямленного) тока другого синфазного управляемого моста, подключенного к аварийному непосредственно и параллельно, например, iM2 — рис. 7 из [16]; iM2 — рис. 11 в [17];
  • протекание (на начальном этапе аварии) через тиристоры аварийного моста (в схемах АИР с открытым входом, непосредственно — с параллельным соединением синфазно управляемых мостов) суммарного значения тока, определяемого входным током АИР, затухающими колебательными токами (выпрямленными) других мостов и разрядного тока разделительного конденсатора;
  • возможность без перегрузки тиристоров по току и при допустимой рабочей перегрузке по току диодов (тиристоров) выпрямителя отключения АИР с открытым входом при использовании устройства ускоренного перезаряда (УП) разделительного конденсатора, например, id, iVS1, iVS2, uVS5 — рис. 12, 13 из [17];
  • относительное снижение на начальном этапе аварийного процесса скорости нарастания и величины токов через выпрямитель и тиристоры аварийного моста в схемах АИР с закрытым входом и раздельным включением через входные дроссели двух групп мостов, работающих синфазно, например, id, iVS1, iVS2, iM1 — рис. 9, 10 из [16];
  • значительный спад тока через выпрямитель и относительно низкая скорость нарастания тока через аварийный мост на начальном этапе развития аварийного процесса в схемах АИР с закрытым входом и умножением выходного напряжения, например, id, iM1 — рис. 11, 12 из [16].

Следует отметить, что две последние из приведенных особенностей характерны только для группы схем АИР с закрытым входом и раздельным (через входные дроссели) включением групп мостов. В таких АИР на начальном этапе аварийного процесса образуются контуры сброса энергии колебательных контуров через соответствующие входные дроссели и встречные диоды других мостов, как это видно на приведенных в [16] рис. 2б и 3; 9 и 10 (iМ2, iМ(3,4)); 11 и 12 (iМ2, iМ3, iМ4).

Результаты, полученные в [16, 17], и установленные характерные особенности протекания аварийного процесса срыва инвертирования позволяют определить все составляющие и записать общие выражения для аварийных токов через тиристоры для рассмотренных схем обеих групп АИР. Частично эти вопросы были затронуты в [17]. Так, при срыве инвертирования в АИР через силовые вентили выпрямителя протекает аварийный ток:

где Id0, Ud — входной ток и входное напряжение АИР в момент наступления аварийного процесса; Ld — индуктивность цепи короткого замыкания (КЗ), определяемая в основном индуктивностью входного дросселя; rкз — активное сопротивление цепи КЗ, определяемое как rкз = rc+rLd+rСПП, причем rc — сопротивление питающей сети, rLd — входного дросселя, rСПП — суммарное значение сопротивлений силовых вентилей выпрямителя и АИР, через которые протекает iВП(t). При этом через тиристоры (VS1, VS2) одномостового АИР с открытым входом будут протекать соответственно токи iVS1(t), iVS2(t), определяемые по выражениям:

где iap(t) и iCK(t) — токи аварийного разряда разделительного конденсатора Cр и затухающих колебаний, возникающих в цепи коммутирующего контура моста АИР соответственно, причем ток iCK(t) в первый и далее в нечетные полупериоды после срыва инвертирования замыкается через VS1 и суммируется в iVS1(t), а в четные — через VS2 и суммируется в iVS2(t), что видно из временных диаграмм id, iVS1, iVS2, iСК, in (рис. 8, 9 [17]). Знак «–» в выражениях (2) для iVS1(t) и iVS2(t) означает, что в определенные полупериоды колебаний ток iCK(t) через данный тиристор не протекает, т. е. iCK(t) = 0. Наибольшее влияние iap оказывает при малых значениях нагрузки. Так, при Rн ≈ 0 для iap(t) получим:

где ωр, ρр, Iарm — частота, волновое сопротивление и амплитуда тока колебательного контура разряда конденсатора Cр. Для АИР с открытым входом и непосредственным параллельным подключением мостов общие выражения для аварийных токов с момента tср (срыва инвертирования) имеют следующий вид:

где Т, n — соответственно период собственных колебаний и общее число мостов АИР, что видно из временных диаграмм iМ2, id, iVS1, iVS2, iCK (рис. 11 [17]). В результате на начальном этапе (τНЭ, первый полупериод) развития аварийного процесса выражение (4) примет следующий вид:

Раздельное включение мостов с использованием индивидуальных входных дросселей Ld1, Ld2, защитных индуктивностей LЗ1, LЗ2 и разделительных конденсаторов Cр1, Cр2 позволяет ограничить составляющую iap(t), а также исключить из аварийного тока тиристоров составляющую iМ(tТ/2), за исключением однократного протекания ее через VS2 при включении встречных диодов моста М2, что видно на диаграммах iVS2, iМ2, iVS1 (рис. 10 [17]). Схемное ограничение аварийного тока через тиристоры с использованием устройства УП ускоренного перезаряда Cр позволяет — при относительно высоком быстродействии датчиков (tДТ) срыва инвертирования — исключить повреждение тиристоров АИР и ВП с медленным спадом тока id до нуля, что видно из диаграмм iVS1, iVS2, iМ2, id и др. (рис. 12, 13 [17]). Эффективность действия УП в схемах АИР с открытым входом определяется временами задержки датчика tДТ и перехвата tП аварийного тока, частотой ωУП и волновым сопротивлением ρУП контура ускоренного перезаряда [18]. Включение в УП дополнительного конденсатора C1 позволяет облегчить выбор требуемых параметров контура перезаряда, исключить образование цепи КЗ выпрямителя при повреждениях тиристора VS5 и тем самым повысить надежность ТПЧ с АИР (рис. 3, 13 [17]).

Для схемы АИР с закрытым входом (рис. 2а, рис. 7 [16]) для аварийных токов через тиристоры получим следующие выражения:

где Т, iM2 — период собственных колебаний коммутирующего контура и ток через встречные диоды моста М2. При общем четном числе мостов АИР, равном n>2, выражение (6) примет следующий вид:

Для схем АИР с закрытым входом (рис. 2б, рис. 9, 10 [16]) выражения для аварийных токов через тиристоры имеют следующий вид:

В схемах АИР с закрытым входом и умножени- ем выходного напряжения (рис. 3, рис. 11, 12 [16]) аварийные токи через тиристоры в первый полупериод после срыва инвертирования не превышают расчетного амплитудного значения, а образование контуров протекания колебательного тока через соответствующие мосты и входные дроссели позволяет значительно снизить ток через выпрямитель. При этом получим, что

где iVD(t) — ток через встречные диоды моста АИР (М2).

Анализ аварийных процессов, а также опыт эксплуатации ТПЧ с АИР для питания различных ЭТУ, особенно не терпящих перерыва питания, показывает, что реализация систем, обеспечивающих отключение (переключение на резервное питание) ТПЧ при аварийных режимах без повреждений СПП, предъявляет высокие требования к таким основным элементам этих систем, как датчики (ДТ) аварийного режима и тиристорно-конденсаторные выключатели (ТКВ). К ДТ аварийного состояния предъявляются следующие требования: высокое быстродействие и простота, селективность и помехоустойчивость, универсальность, потенциальная развязка цепей ДТ от силовой цепи ТПЧ, отсутствие дополнительных источников питания и др. Наиболее полно удовлетворяют всем этим требованиям дифференциальные датчики тока (ДТТ), выполненные на тороидальных сердечниках и позволяющие получить сигнал практически в самом начале аварийного процесса. Результаты экспериментальных исследований таких ДТТ различных конструкций показали неоспоримые их преимущества — высокое быстродействие (τз≤15 мкс), универсальность (определение срыва инвертирования, пробоя тиристоров, встречных диодов, КЗ шин «+» или «–» на землю, пробоя нулевого диода, неравномерности загрузки мостов АИР при параллельном их соединении и др.), потенциальная развязка от силовой цепи и отсутствие дополнительных источников питания [19]. Тиристорно-конденсаторные выключатели (ТКВ) являются наиболее быстродействующими, широко используются в системах защиты различных силовых электронных устройств, в том числе в ТПЧ с АИР [2, 3, 8, 20, 21]. Рассмотрим процесс отключения в ТПЧ с АИР открытым входом с использованием ТКВ и УП (рис. 1) при срыве инвертирования, где: ВПТ — тиристорный выпрямитель для питания АИР, состоящего из инверторных мостов М1,2, разделительного конденсатора Cр, защитной индуктивности LЗ и эквивалентной нагрузки RНЭ; ВП — выпрямитель диодный для предварительного заряда коммутирующих конденсаторов C2, C3 ТКВ и Cр. Кроме того, ТКВ состоит из тиристоров VS6,7, зарядных резисторов R1,2,3 и диодов VD6,7 для исключения разряда C2 (С3) при запирании ВПТ.



Рис. 1. Схема защиты ТПЧ с АИР с использованием ТКВ и УП

Схема УП состоит из тиристора VS5, подключенного к отпайке Lп входного дросселя Ld1, диода VD5 и дополнительного конденсатора C1. Рассматриваемая схема ТКВ позволяет практически мгновенно по сигналам ДТ аварийного состояния отключить ВПТ при срыве инвертирования, пробое тиристоров (диодов) в М1,2, пробое VD0 и КЗ шин питания (+), (–) или нагрузки на землю. При этом заряд конденсаторов C2,3 осуществляется до напряжения UC1 = UC2 = Ud/2. Возможны варианты выполнения схем ТКВ с зарядом коммутирующих конденсаторов от основного источника питания до UC1,2 = Ud или UC1,2 = 2Ud. Для исследования процессов в ТПЧ с АИР (рис. 1) при ликвидации аварийного режима срыва инвертирования с использованием ТКВ (УП) в системе MATLAB с помощью пакета Simulink была разработана обобщенная модель, которая приведена на рис. 2, где обозначения блоков и элементов в модели идентичны обозначениям на рис. 1. В модели приведены также блоки управления (СУ), контроля и измерения параметров (токов, напряжений, времени), приняты реальные значения СПП, активных сопротивлений Lk, Lз, Lп, Ld1, питающей сети, а также нагрузки RНЭ = 0,5 Ом при Рн = 125 кВт, fн = 2500 Гц. Параметры элементов ТПЧ и мостов АИР имеют следующие значения: Ld1 = 1,2 мГн, Lп = 6 мкГн, C1 = 300 мкФ, Lk0 = 82 мкГн, Lk = 57,4 мкГн, Lз = 24,6 мкГн, Cк0 = 42,35 мкФ, Cк = 52,9 мкФ, Cр = 500 мкФ, ρ0(М1,2) = 1,4 Ом, f0 = 2700 Гц.



Рис. 2. Обобщенная модель отключения при срыве инвертирования в ТПЧ с АИР по рис. 1

Применение УП без использования КВК VD0 позволяет ограничить аварийные токи через тиристоры АИР, а также ликвидировать аварийный режим в ТПЧ без отключения источника питания (рис. 12, 13, iVS1, iVS2, id и др. из [17]). Однако это приводит к перегрузке СПП ВП, а в случаях пробоя тиристоров (диодов) АИР и к повторному развитию аварийного процесса. В этой связи на модели (рис. 2) был исследован процесс ликвидации аварийного режима срыва инвертирования в ТПЧ с АИР (рис. 1) для двух вариантов выполнения защиты при tДТ = 20 мкс:

  • путем запирания ВПТ с помощью ТКВ при наличии VD0 и без блокировки импульсов управления М2;
  • путем запирания ВПТ с помощью ТКВ при наличии VD0, с одновременным использованием УП и без блокировки импульсов управления М2.

Рассмотрим далее результаты моделирования процесса ликвидации срыва инвертирования, полученные по соответствующим вариантам на модели по рис. 2. На рис. 3 и 4 (первый вариант) приведены временные диаграммы соответственно: входного тока id АИР, токов iVS1, iVS2 через тиристоры VS1, 2 моста М1; напряжений uVS (ВПТ) на тиристорах ВПТ и uVS6 (ТКВ) на тиристоре VS6 ТКВ, тока iVD0 через диод VD0. На рис. 5 и 6 (второй вариант) приведены соответственно временные диаграммы: тока id АИР и токов iVS1, iVS2 через тиристоры М1; напряжений uVS (ВПТ) на тиристорах ВПТ и uVS6 (ТКВ) на тиристоре VS6 ТКВ; тока iVD0 через диод VD0; напряжения uVS5 (УП) на тиристоре VS5 УП.



Рис. 3. Временные диаграммы (первый вариант): входного тока id АИР; токов iVS1, iVS2 через тиристоры моста М1



Рис. 4. Временные диаграммы (первый вариант): напряжений uVS (ВПТ) на тиристорах ВПТ и uVS6 (ТКВ) на тиристоре VS6 ТКВ; тока iVD0 через диод VD0

Анализ полученных результатов моделирования показывает, что использование второго варианта отключения позволяет полностью исключить перегрузку тиристоров ВПТ и АИР по току.



Рис. 5. Временные диаграммы (второй вариант): входного тока id АИР; токов iVS1, iVS2 через тиристоры моста М1



Рис. 6. Временные диаграммы (второй вариант): напряжений uVS (ВПТ) на тиристорах ВПТ и uVS6 (ТКВ) на тиристоре VS6 ТКВ; тока iVD0 через диод VD0; напряжения uVS5 (УП) на тиристоре VS5 УП

Выводы

  1. Приведены результаты анализа и характерные особенности аварийного процесса срыва инвертирования в ТПЧ с АИР удвоением частоты, встречными диодами, закрытым и открытым входами, получены общие выражения для аварийных токов через тиристоры АИР и ВПТ.
  2. Сформулированы требования к датчикам аварийных режимов, отмечена целесообразность и эффективность использования дифференциальных датчиков тока для определения начала аварийных процессов в ТПЧ с АИР.
  3. Выполнено схемотехническое моделирование процесса отключения ТПЧ с АИР открытым входом при срыве инвертирования, получены временные зависимости аварийных токов через тиристоры АИР и ВПТ при различных вариантах отключения; отмечена высокая эффективность варианта, при котором осуществляется быстрое отключение ВПТ с помощью ТКВ с одновременным ограничением токов через тиристоры АИР с помощью УП без отключения импульсов управления мостов, подключенных параллельно аварийному (М2).

Литература

  1. Аитов И. Тиристорные источники питания повышенной мощности для электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 3.
  2. Аитов И. Л. Силовые электронные устройства: Учеб. пособие. Уфа: УГАТУ. 2009.
  3. Аитов И., Зиннатуллин Р. Тиристорные источники питания для ответственных электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 2.
  4. Аитов И., Кушекова Э. Повышение надежности тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок // Силовая электроника. 2009. № 1.
  5. Аитов И. Л., Кутдусов Ф. Х., Гайнанов Д. А. Оценка и пути повышения надежности тиристорных преобразователей частоты. Преобразовательная техника. Новосибирск: Изд-во НЭТИ. 1980.
  6. Аитов И., Кушекова Э. Вопросы предпускового контроля резервированных тиристорных преобразователей частоты // Силовая электроника. 2009. № 3.
  7. Пат. № 2365023 (РФ). Высоковольтный автономный инвертор / И. Л. Аитов, Р. И. Зиннатуллин // Бюл. 2009. № 23.
  8. Аитов И. Л. Системы управления и защиты автономных преобразователей частоты: Учеб. пособие. Уфа: УАИ. 1979.
  9. Аитов И. Л., Кутдусов Ф. Х. Система гарантированного питания для электротехнологических установок // Электричество. 1988. № 4.
  10. Аитов И. Л., Кутдусов Ф. Х., Хомяков И. М. Вопросы управления резервированными системами питания повышенной частоты // Электромеханика. 1986. № 9.
  11. Аитов И. Л., Кутдусов Ф. Х. Вопросы управления агрегатами бесперебойного питания технологических установок: Методы и средства управления технологическими процессами: Сб. трудов 2-й международной научной конференции. Саранск. 1977.
  12. А. с. № 877709 (СССР). Источник бесперебойного питания / И. Л. Аитов, Д. А. Гайнанов, Ф. Х. Кутдусов // Бюл. 1991. № 40.
  13. А. с. № 1327228 (СССР). Способ управления резервированным резонансным инвертором / И. Л. Аитов, Ф. Х. Кутдусов // Бюл. 1987. № 28.
  14. А. с. № 856362 (СССР). Резервированный преобразователь частоты / И. Л. Аитов, Ф. Х. Кутдусов // Зарегистр. в Госреестре изобр. СССР 14.04.1981.
  15. А. с. № 1304154 (СССР). Способ управления резервированным резонансным инвертором / И. Л. Аитов, Ф. Х. Кутдусов // Бюл. 1987. № 14.
  16. Аитов И. Вопросы построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 1 // Силовая электроника. 2010. № 1.
  17. Аитов И., Шалупова Г. Особенности построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты с автономными резонансными инверторами. Часть 2 // Силовая электроника. 2010. № 2.
  18. Аитов И. Л. Ограничение аварийного тока в многомостовых тиристорных автономных инверторах с индуктивно-емкостным входом // Электромеханика. 1978. № 5.
  19. Аитов И. Л., Воробьев Ю. В. Экспериментальное исследование быстродействующих датчиков сквозного срыва инвертирования и помех, возникающих в них: Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева металлов. Уфа: Изд-во УАИ. 1976. Вып. 91.
  20. А. с. № 836719 (СССР). Устройство для защиты мостового тиристорного преобразователя / И. Л. Аитов // Бюлл. 1981. № 21.
  21. А. с. № 879698 (СССР). Устройство для защиты тиристорного преобразователя / И. Л. Аитов, Ф. Х. Кутдусов // Бюлл. 1981. № 41.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2010_3_54.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо