Силовая электроника №2'2011

Вопросы проектирования систем и элементов защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 5

Аитов Иршат

Камалетдинова Регина


Продолжение. Начало в СЭ №1’2010

В статье рассказывается о современных бесконтактных системах защиты (СЗ) для тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) с автономными резонансными инверторами (АИР) с использованием метода, основанного на принудительном запирании тиристоров АИР при аварийных режимах с помощью тиристорноконденсаторного выключателя (КВК) с одновременным блокированием работы блоков управления БУВ тиристорного выпрямителя (ВПТ) и БУИ АИР. Рассматриваются особенности и примеры построения, а также алгоритмы работы таких СЗ по данному методу. Приводятся результаты моделирования процессов аварийного отключения ТПЧ с различными схемами АИР с открытым входом.

Применительно к ТПЧ с АИР в работе [1] рассмотрены наиболее характерные виды аварийных режимов и причины, вызывающие их; сформулированы с учетом главных задач основные требования и этапы исследовательских работ, на основе результатов выполнения которых осуществляется выбор методов, средств и разработки современных СЗ. В этой связи следует отметить, что анализ аварийных процессов и выявление специфических особенностей протекания их в ТПЧ с различными схемами АИР позволяет установить временные зависимости изменения аварийных токов через силовые полупроводниковые приборы (СПП) выпрямителя и АИР. С учетом их перегрузочной способности затем можно определить быстродействие СЗ (t) и выбрать метод и средства защиты. Анализ аварийных процессов для различных мостовых схем двух групп АИР с удвоением частоты и встречными диодами приведен в [13], где по результатам моделирования получены обобщенные выражения для аварийных токов через СПП выпрямителя и АИР. Анализ временных диаграмм соответственно и полученных выражений аварийных токов, а также экспериментальные исследования и опыт промышленной эксплуатации показывают, что наиболее нагруженными (уязвимыми) при срыве инвертирования являются тиристоры групп схем АИР с открытым входом повышенной мощности при непосредственной параллельной работе нескольких мостов на общую нагрузку. В таких схемах, если не принять дополнительных мер, срыв инвертирования приводит к выходу из строя тиристоров АИР, несмотря на быстрое отключение выпрямителя, из-за большой крутизны нарастания амплитуды и длительности протекания аварийного тока (см. ivs1(t), ivs2(t)) через тиристоры [3]. Ряд схемотехнических решений по ограничению аварийного тока для определенного круга схем и выходных параметров таких АИР рассмотрен в [26]. Однако вопросы эффективного надежного ограничения аварийного тока через тиристоры, особенно АИР с открытым входом, остаются актуальными.

В данной работе рассматривается, применительно к мостовым схемам АИР с открытым входом, метод бесконтактной защиты, позволяющий эффективно ограничить аварийные токи как через тиристоры ВПТ, так и через тиристоры АИР. Метод был сформулирован авторами в [78], применен и рассмотрен для ограничения аварийных токов в СЗ схем АИР с закрытым входом [810] и заключается в принудительном ограничении аварийного тока и запирании тиристоров АИР с помощью КВК с одновременным блокированием работы БУВ и БУИ. По данному методу коммутационными элементами в СЗ ТПЧ с АИР являются непосредственно тиристоры ВПТ и АИР, через которые протекают аварийные токи. В зависимости от схем АИР, например числа и схем подключения параллельно работающих мостов (ячеек), возможны различные варианты выполнения и алгоритмы работы СЗ, некоторые из которых будут рассмотрены далее. Применительно к ТПЧ с АИР с открытым входом, широко используемыми в установках индукционного нагрева металлов, рассмотрим два варианта схемотехнической реализации их, а также структуру и алгоритмы работы бесконтактной СЗ по данному методу. На рис. 1 для ТПЧ с двумя вариантами выполнения АИР и бесконтактными СЗ приведены их обобщенные функциональные схемы, которые состоят из одномостового АИР1М (рис. 1а) и двухмостового АИР2М (рис. 1б), питание которых осуществляется от трехфазной промышленной сети 50 Гц с UC = 220/380 В через резервный автоматический выключатель АВ, мостовой тиристорный выпрямитель ВПТ с шунтирующим диодом VD0, входную индуктивность Lвх, при этом нагрузка Rнэ включена в цепь разделительного конденсатора Cp (Cp>>Cк), а управление АИР и ВПТ осуществляется соответственно блоками БУИ и БУВ; бесконтактной СЗ, состоящей из КВК, блоков быстродействующих датчиков БДТ, защиты БЗ и управления КВК БУК. В одномостовых АИР (например таких, как на рис. 1а) индуктивность Lз, которая является частью общей коммутирующей индуктивности Lо, включается в цепь Cp и выбирается из условия: Lк≥0,7Lо; Lз≤0,3Lo,
а Lo = Lз+Lк [11].

 Обобщенная функциональная схема СЗ ТПЧ: а) с АИР1М; б) с АИР2М

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема СЗ ТПЧ: а) с АИР1М; б) с АИР2М

Это позволяет ограничить как крутизну нарастания и амплитуду аварийного разрядного тока Cp через тиристоры, так и крутизну нарастания напряжения (dUa/dt) на тиристорах при рабочих режимах работы АИР [6, 11]. Однако при параллельном включении и работе нескольких мостов АИР на одну нагрузку с общим Cp и Lз, величина Lз будет весьма малой, так как в этом случае, при числе мостов n, получим: Lз≤0,3(Lo/n), где Lo — общая коммутирующая индуктивность каждого моста. Поэтому авторами предложено подключать каждый из мостов к ВПТ (Lвх) и цепи нагрузки (Cp, Rнэ) через индивидуальные Lз, а к КВК через индивидуальные коммутирующие тиристоры (VS5, VS6), как это показано на рис. 1б [68]. При этом величина Lз не зависит от числа мостов и определяется по величине Lo одного отдельного моста, что позволяет более эффективно ограничивать скорость развития аварийного процесса и амплитуду аварийного тока через тиристоры любого моста.

Основные схемы, режимы и принципы работы, основные параметры и характеристики мостовых АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами описаны в [23681113]. Рассмотрим подробнее возможные алгоритмы и принципы работы СЗ (рис. 1) применительно к ТПЧ с одномостовым (рис. 1а) и двухмостовым (рис. 1б) АИР с открытыми входами. Работа СЗ осуществляется следующим образом: перед пуском АИР1М конденсатор C1 КВК заряжен с указанной полярностью до напряжения Uc1, которое поддерживается на этом уровне в процессе всего этапа работы ТПЧ, что является одним из важных условий надежной работы всей СЗ; когда на рабочем этапе происходит срыв инвертирования, например одновременно открыты тиристоры VS1, VS2, через которые начинают протекать аварийные токи ivs1 и ivs2 [3], далее блок БЗ выдает сигнал uБЗ с некоторой задержкой tдт, определяемой, в основном, быстродействием блока БДТ, который одновременно блокирует работу БУВ, БУИ и включает БУК, т. е. VS5 КВК. В результате конденсатор C1 колебательно разряжается через L1 током ic1 встречно аварийным токам ivs1, ivs2, и при ic1ivs1, ivs2 выключаются аварийные тиристоры VS1, VS2. Далее конденсатор C1 продолжает перезаряжаться на обратную полярность, и при ic1 = 0 запирается VS5, к которому прикладывается обратное напряжение, равное uvs5 = uc1ucp. При этом токи id, ick замыкаются по цепи, состоящей из Cp, Lз и Rнэ (iн) и, по мере заряда Cp, спадают до нуля, а тиристоры ВПТ и АИР1М выключаются. Отличием в работе СЗ ТПЧ с многомостовым АИР (в данном случае АИР2М, рис. 1б) является возможность реализации двух алгоритмов аварийного отключения:

  • как и в ТПЧ с одномостовым АИР1М, путем принудительного запирания тиристоров аварийного моста, например М1 (рис. 1б), с помощью КВК (включается VS5) и одновременным блокированием работы БУВ и БУИ обоих мостов, т. е. М1 и М2;
  • путем запирания тиристоров аварийного моста М1 с помощью КВК, одновременным блокированием работы БУВ и БУИ аварийного моста М1, с последующим блокированием работы БУИ моста М2 (или (n–1) мостов) при достижении тока id = 0.

Для исследования по описанному выше методу процессов аварийного отключения ТПЧ с АИР1М, ТПЧ с АИР2М были разработаны обобщенные схемотехнические модели в системе MATLAB+Simulink, которые приведены соответственно на рис. 2, где обозначения блоков и элементов идентичны обозначениям на рис. 1. При этом датчики тока включены в соответствующие плечи мостов (рис. 1) и позволяют одновременно контролировать токи ivs1, ivs2 через тиристоры VS1, VS2 и встречные диоды VD1, VD2.

Обобщенная схемотехническая модель процесса аварийного отключения ТПЧ

Рис. 2. Обобщенная схемотехническая модель процесса аварийного отключения ТПЧ: а) с АИР1М; б) с АИР2М

В модели приняты реальные значения параметров всех СПП, активных сопротивлений индуктивностей Lвх, Lк, Lз, L1, питающей сети Uc, а также нагрузки Rнэ при входных мощностях Pвх1 = 130 кВт (АИР1М), Pвх2 = 265 кВт (АИР2М), напряжении Ud = 520 В, частоте инвертирования fн = 2500 Гц. Исследования проводились для характерного аварийного режима рассматриваемых АИР — сквозного срыва инвертирования при максимальных значениях входного тока (мощности) Id1 = 250 А (Pвх1 =130 кВт), Id2 = 510 А (Pвх2 = 265 кВт), при двух алгоритмах аварийного отключения для АИР2М (рис. 1б, модель рис. 2б). Для обеих схем при исследованиях аварийного отключения принимались завышенные значения времени tдт задержки срабатывания СЗ tдт = 25(35) мкс при реальных значениях 12–15 мкс. Рассмотрим результаты моделирования процесса аварийного отключения по данному методу (первый алгоритм) для ТПЧ с АИР1М, полученные на модели рис. 2а, при следующих параметрах ТПЧ и КВК:

Lвх = 600 мкГн;

Cp = 500 мкФ;

Rнэ = 0,5 Ом;

Lк = 28,7 мкГн;

Lз = 12,3 мкГн;

Cк = 101,9 мкФ;

C1 = 100 мкФ;

L1 = 3 мкГн;

Uc1 = 400 В.

На рис. 3 и 4 соответственно приведены временные диаграммы токов и напряжений: id, uc1, ic1, uvs5 (рис. 3а, 4а); ivs1, ivs2, iн, ucp (рис. 3б, 4б) при аварийном отключении ТПЧ с АИР1М, значениях Id1 = 250 А (Pвх1 = 130 кВт); tдт = 15 мкс (рис. 3) и tдт = 25 мкс (рис. 4).

 Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР1М при tдт = 15 мкс

Рис. 3. Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР1М при tдт = 15 мкс: а) id, uc1, ic1, uvs5; б) ivs1, ivs2, iн, ucp


 Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР1М при tдт = 25 мкс

Рис. 4. Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР1М при tдт = 25 мкс: а) id, uc1, ic1, uvs5; б) ivs1, ivs2, iн, ucp

Анализ результатов по рис. 3 и 4 показывает весьма высокую эффективность аварийного отключения ТПЧ с АИР1М по данному методу: амплитуда и длительность аварийных токов ivs1, ivs2 через тиристоры VS1, VS2 значительно ниже, чем при установившемся рабочем режиме, что определяется tдт и параметрами КВК; выключение ВПТ осуществляется также без перегрузки тиристоров, и ток id спадает плавно; после выключения тиристоров АИР1М и VS5 КВК к нему прикладывается обратное напряжение uvs5 = uc1ucp, а конденсатор Cp заряжается по мере плавного спада токов id, iн, ick до нуля, что позволяет осуществить и сократить время повторного пуска АИР1М после предварительного перезаряда С1 КВК с исходной полярностью. Выбор параметров КВК осуществляется следующим образом: по формулам (1–5), приведенным в [3], определяются аварийные токи через тиристоры при t = tдт, т. е. ivs1(tдт), ivs2(tдт) с учетом Pвхmax, амплитуды Iapm и частоты ωp аварийного разрядного тока Cp; затем рассчитываются параметры колебательного контура C1, L1 КВК и напряжение Uc1 согласно приведенным ниже условиям и выражениям:

Рассмотрим результаты моделирования аварийного отключения ТПЧ с АИР2М (рис. 1б) по двум указанным выше алгоритмам при следующих параметрах ТПЧ и КВК: параметры М1 и М2 идентичны параметрам моста по рис. 1а:

Lвх = 1,2 мГн;

Cp = 1200 мкФ;

Rнэ = 0,25 Ом;

Lз = 12,3 мкГн;

L1 = 3 мкГн;

C1 = 200 мкФ;

Uc1 = 400 В.

На рис. 5 и 6 приведены временные диаграммы: id, ivs1, ivs2, ic1 (рис. 5а, 6а); iн, ick, uc1, ucp (рис. 5б, 6б) при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М по первому алгоритму соответственно при tдт = 15 мкс (рис. 5) и tдт = 35 мкс (рис. 6). Анализ полученных результатов, как и в первом случае, показывает высокую эффективность защиты, возможность успешного использования данного метода аварийного отключения и для ТПЧ с многомостовыми АИР2М (рис. 1б) при указанной схеме выполнения и включения М1, М2, Lз и КВК. На рис. 7 приведены временные диаграммы: id, ivs1, ivs2, ic1 (рис. 7а); iн, ick, uc1 (рис. 7б) при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М по второму алгоритму при tдт = 25 мкс. Как показывают результаты моделирования, использование второго алгоритма позволяет более плавно, без коммутационных перенапряжений отключать аварийный мост М1 и продолжать безаварийную работу М2 до выключения ВПТ (id = 0), что может быть использовано при разработке схем резервированных ТПЧ с АИР с открытым входом. Эти вопросы могут быть предметом отдельной работы.

 Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М (по первому алгоритму) при tдт = 15 мкс

Рис. 5. Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М (по первому алгоритму) при tдт = 15 мкс: а) id, ivs1, ivs2, ic1; б) iн, ick, uc1, ucp


 Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М (по первому алгоритму) при tдт = 35 мкс

Рис. 6. Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М (по первому алгоритму) при tдт = 35 мкс: а) id, ivs1, ivs2, ic1; б) iн, ick, uc1, ucp


 Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М (по второму алгоритму) при tдт = 25 мкс

Рис. 7. Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М (по второму алгоритму) при tдт = 25 мкс: а) id, ivs1, ivs2, ic1;б) iн, ick, uc1

Выводы

Рассмотрены: метод аварийного отключения ТПЧ с одно- и многомостовыми АИР с открытым входом путем запирания тиристоров АИР с помощью КВК и одновременного блокирования работы БУВ и БУИ; варианты выполнения и включения КВК и защитных индуктивностей Lз в многомостовых схемах; возможные алгоритмы работы СЗ по данному методу. Выполнено схемотехническое моделирование в среде MATLAB+Simulink процессов аварийного отключения ТПЧ с одно- и многомостовыми АИР по данному методу при различных алгоритмах работы. Получены временные зависимости аварийных токов через тиристоры АИР и ВПТ, отмечена высокая эффективность защиты, показана возможность надежного, независимого отключения аварийного моста в многомостовых АИР, что может быть использовано при разработке резервированных ТПЧ с АИР с открытым входом.

Литература

  1. Аитов И. Вопросы построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 1 // Силовая электроника. 2010. № 1.
  2. Аитов И., Шалупова Г. Особенности построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты с автономными резонансными инверторами. Часть 2 // Силовая электроника. 2010. № 2.
  3. Аитов И., Шалупова Г. Система аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 3 // Силовая электроника. 2010. № 3.
  4. Аитов И. Ограничение аварийного тока в многомостовых тиристорных автономных инверторах с индуктивно-емкостным входом // Электромеханика. 1978. № 5.
  5. А.с. №515228 (СССР). Автономный инвертор / И. Л. Аитов, Ю. В. Воробьев // Бюл. 1976. № 19.
  6. Аитов И. Л. Силовые электронные устройства: Уч. пособие. Уфа: УГАТУ. 2009.
  7. Аитов И., Камалетдинова Р. Вопросы проектирования систем и элементов защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 4 // Силовая электроника. 2011. № 1.
  8. Пат. № 2394347 (РФ). Тиристорный преобразователь частоты / И. Л. Аитов, Э. Р. Кушекова // Бюл. 2010. № 19.
  9. Аитов И., Зиннатуллин Р. Тиристорные источники питания для ответственных электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 2.
  10. Аитов И., Кушекова Э. Вопросы предпускового контроля резервированных тиристорных преобразователей частоты // Силовая электроника. 2009. № 3.
  11. Кацнельсон С. М. Тиристорные инверторы с встречно-параллельными диодами и удвоением частоты // Электричество. 1971. № 1.
  12. Аитов И. Л., Кацнельсон С. М. Автономные преобразователи частоты: Уч. пособие. Уфа: УАИ. 1978.
  13. Васильев А. С., Гуревич С. Г., Иоффе Ю. С. Источники питания электротехнических установок. М.: Энергоатомиздат. 1985.

Все статьи цикла:

Продолжение. Начало статьи.

Статьи последних номеров доступны только в печатном варианте. Вы можете приобрести свежие номера журнала «Силовая электроника» в свободной продаже или заказать в редакции. Извините за доставленные неудобства.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_2_58.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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