Силовая электроника №4'2011

Вопросы проектирования систем и элементов защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 6

Аитов Иршат


Статья посвящена тиристорным преобразователям частоты с резервированными автономными резонансными инверторами (ТПЧ с РАИР) для ответственных электротехнологических установок (ЭТУ) с непрерывными электротехнологическими процессами (НТП). Рассматриваются основные методы и средства обеспечения их надежности, а также схемотехническое выполнение конденсаторных выключателей (КВК), позволяющих реализовать индивидуальное отключение и эффективное ограничение тока через силовые полупроводниковые приборы (СПП) аварийного моста. Приводятся результаты моделирования в среде MATLAB+Simulink процессов отключения аварийного и подключения резервного мостов в ТПЧ с РАИР для различных схем резервирования и алгоритмов переключения.

Характерным для современной промышленности — в частности, авиационно-космической, атомной, химической и металлургической — является непрерывный рост числа используемых прогрессивных НТП. Особенность реализации таких процессов заключается в том, что прерывание электропитания ЭТУ может приводить к браку продукции, порче сырья и материалов, повреждению оборудования и возникновению ситуаций, представляющих угрозу для здоровья и жизни людей, к пожарам, взрывам или выделению вредных веществ. Непрерывные электротехнологические процессы широко используются для повышения качества металлов и сплавов, а также для получения и обработки новых конструкционных материалов с особыми свойствами. Это достигается, например, такими прогрессивными НТП, как плавка, сварка и термообработка металлов и сплавов в вакууме, литье алюминия в магнитный кристаллизатор, плавка металлов в вакууме во взвешенном состоянии, обработка металлов методом сверхпластичности, тренировки и отбраковки тепловых труб и др. [15]. По допустимому времени tп.доп перерыва электропитания ответственные потребители делятся на четыре группы [6], где для первой группы tп.доп ≤ 3–5 мс. В зависимости от требований к tп.доп, ЭТУ с НТП относятся ко второй-четвертой группам, а отдельные — к первой группе. Так, например, для ЭТУ литья алюминия в магнитный кристаллизатор допустимое время перерыва питания составляет не более 100 мс, что соответствует требованиям второй группы (tп.доп ≤ 20–500 мс). Выполнение таких технологических процессов возможно только при наличии высоконадежных источников питания, в качестве которых широкое применение находят ТПЧ с АИР, благодаря известным достоинствам [610]. Необходимый уровень их надежности достигается применением и выполнением следующих основных методов, средств и мероприятий:

  • резервирования наиболее «ненадежных» элементов, силовых блоков (мостов, ячеек), АИР или систем ТПЧ с АИР;
  • быстродействующей системы контроля, защиты и переключения при аварийных режимах;
  • предпускового контроля и диагностики (ПКД) ТПЧ с РАИР;
  • входного контроля СПП и последующей приработки ТПЧ с РАИР в процессе изготовления для выявления неисправностей, обусловленных скрытыми дефектами.

При этом следует подчеркнуть, что для рассматриваемых технологических процессов необходимый уровень надежности источника питания не может быть реализован без выполнения первого пункта указанных выше мероприятий [3, 9, 11, 12]. Этот пункт является одним из основных и более подробно будет рассмотрен далее. Реализация второго пункта базируется на результатах исследований процессов протекания и отключения (ликвидации) аварийных процессов, особенностях построения систем аварийной защиты ТПЧ с различными группами схем АИР, которые рассмотрены автором в [9, 1318]. Эти исследования позволяют отметить:

  • возможность реализации индивидуального (независимого) отключения с помощью рассмотренных в [3, 9, 18, 19] КВК, аварийного моста без отключения выпрямителя (ВПТ) и перерыва работы остальных мостов АИР;
  • эффективное ограничение амплитуды и длительности аварийного тока на безопасном уровне через СПП аварийного моста;
  • возможность реализации повторного подключения и пуска моста АИР после аварийного его отключения и выполнения ремонта (замены отказавших элементов).

Опыт промышленной эксплуатации и экспериментальные исследования ТПЧ с различными группами схем АИР показывают, что выполнение ПКД является весьма важным фактором, позволяющим поддерживать на этапе эксплуатации расчетные значения единичных показателей надежности, а также реализовать требуемое значение важных для ТПЧ с РАИР питающих ответственные ЭТУ комплексных показателей: коэффициента готовности Кгт и оперативной готовности Ког. В [9, 20, 21] сформулирован ряд базовых требований и условий выполнения ПКД как нерезервированных, так и ТПЧ с РАИР; предложены и исследованы методы выполнения и приведены результаты моделирования в среде MATLAB+Simulink ПКД ТПЧ с различными группами схем РАИР.

Следующей составляющей достижения необходимого уровня надежности ТПЧ с РАИР для реализации НТП является осуществление в процессе изготовления «жесткого» входного контроля установленных расчетных параметров СПП с последующим выполнением приработки ТПЧ с РАИР для выявления неисправностей, обусловленных скрытыми дефектами. Это позволяет, например, повысить среднее время безотказной работы АИР в три-четыре раза [22]. Однако, как было отмечено выше, необходимый уровень надежности ТПЧ с АИР для ответственных ЭТУ с НТП может быть достигнут только при обязательном использовании РАИР. При этом возможно использовать поэлементное, поблочное (инверторных мостов, плеч моста), посистемное (общее) раздельное или скользящее резервирование, каждое из которых может быть выполнено нагруженным или замещением [23]. В [22] приведены результаты исследования надежности различных видов и схем резервирования АИР с удвоением частоты и встречными диодами методом малого числа испытаний для АИР, прошедших приработку, при идеальной надежности устройств управления, защиты и переключения. Как видно из полученных результатов, наилучшим является поэлементное резервирование замещением, которое для ТПЧ с АИР практически нереализуемо из-заnbsp;значительного повышения массо-габаритных показателей, сложности устройств контроля и переключения, что сводит к нулю ожидаемое преимущество в надежности. Хорошие результаты, с точки зрения надежности, реализуемости, массо-габаритных и энергетических показателей, дают: поблочное (отдельные или группы инверторных мостов, ячеек, плечи мостов) резервирование замещением; замещение инвертора инвертором с использованием общих наиболее надежных элементов — трансформаторов, индуктивностей, конденсаторов; нагруженное резервирование наиболее «ненадежных» элементов — СПП. Эти виды резервирования позволяют повысить среднее время безотказной работы АИР в несколько раз по сравнению с нерезервированными. Необходимый уровень надежности источников питания для ответственных ЭТУ может быть реализован при использовании раздельного резервирования системы, то есть резервирования системы по участкам. Например, в ТПЧ с РАИР целесообразно использование раздельного резервирования наиболее «ненадежных» силовых блоков — инверторных мостов, ячеек, при этом кратность может быть целой или дробной [9, 19, 21]. Наибольшее сокращение резервирующих элементов может быть достигнуто при скользящем резервировании, когда небольшое число резервирующих элементов могут подключаться с помощью переключателя взамен любого отказавшего из n элементов системы.

Рассмотрим на примере ТПЧ с РАИР (рис. 1а,nbsp;б), выполнение скользящего резервирования наиболее «ненадежных» элементов — инверторных мостов (ячеек) АИР. Рассматриваемые ТПЧ с РАИР позволяют реализовать различные алгоритмы переключения, исключающие перерывы питания ответственных ЭТУ при определенном снижении мощности в интервале отключения аварийного и подключения резервного моста. На рис. 1а, б приведены обобщенные функциональные схемы ТПЧ с многомостовыми РАИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами. Схема рис. 1а состоит из основных инверторных мостов М1, 2 и резервного М3Р, выполненных на тиристорах VS1–VS4 со встречными диодами VD1–VD4; из нагрузки с эквивалентным сопротивлением Rнэ, включенной в цепь разделительного конденсатора Cp общего конденсаторного выключателя КВК для М1, 2, М3Р, состоящего из тиристоров VS5–VS7, индуктивности L4 и конденсатора С1, заряженного с указанной на рис. 1а полярностью; тиристорного мостового выпрямителя ВПТ с шунтирующим диодом VD0; входной индуктивности Lвх; блоков управления соответственно выпрямителем БУВ, инверторными мостами БУИ, конденсаторным выключателем БУК; блока датчиков контроля БДТ; блока контроля и защиты БЗК и флэш-памяти ФП. Мосты М1, 2, М3Р подключены к выводам источника питания через индивидуальные защитные индуктивности L1, L2, L3 [18] и автоматические выключатели SA1, SA2, SA3. Питание ТПЧ с РАИР осуществляется от трехфазной промышленной сети 50 Гц с Uc = 220/380 В через резервный автоматический выключатель АВ. Отличительными особенностями в выполнении ТПЧ по схеме рис. 1б являются использование четырех идентичных инверторных мостов М1–М4 с выходными параметрами и характеристиками как по схеме рис. 1а, а также выполнение КВК с индивидуальными запирающими конденсаторами для каждого моста, которые в схеме объединены в КВК1 и КВК2. Такое выполнение позволяет использовать в схеме рис. 1б скользящее резервирование с использованием либо одного резервного моста, например М1, при повышенной выходной мощности (на 50%) основного АИР (М2, 3, 4), либо двух резервных мостов, например М1, 2 и повышенной надежности питания ЭТУ при последовательных отказах основных мостов М3, 4 с небольшими интервалами по времени.

 Обобщенные функциональные схемы ТПЧ с РАИР

Рис. 1. Обобщенные функциональные схемы ТПЧ с РАИР

Оценку надежности РАИР при скользящем резервировании и состоящего из nм основных инверторных мостов произведем из условия применения одного резервного моста, находящегося в ненагруженном состоянии, и идеальной надежности переключателя в интервале переключения. В этом случае РАИР может пребывать в течение времени наработки (0; ti) в двух несовместных работоспособных состояниях, т. е. когда все его (n+1)м мостов работоспособны или когда хотя бы один из них отказывает. Для этого случая вероятность PРИ(t) безотказной работы РАИР оценивают суммой вероятностей безотказной работы в каждом из этих состояний, и при экспоненциальном законе распределения наработки до отказа выражение для PРИ(t) имеет вид:

где λм, λп — соответственно интенсивности отказов одного работающего моста и переключателя резерва [23]. Если принять, что λп = 0 и до момента подключения резервного моста, то получим

Для рассматриваемых тиристорных мостов и переключателей (КВК) расчетные значения λм, λп при выполнении входного контроля элементов и приработки РАИР составляют соответственно: λм ≈ (205…220) × 10–6 1/ч, λп ≈ (5…10) × 10–6 1/ч. С учетом этих значений по выражениям (1) и (2) на рис. 2 приведены зависимости PРИ(t) = F1(nм) при λм = 210 × 10–6 1/ч, λп = 10 × 10–6 1/ч, времени наработки t1 = 10 ч и t2 = 20 ч; PРИ(t) = F2(nм) при λп = 0 и t1 = 10 ч. Как показывает рис. 2, надежность РАИР при скользящем резервировании инверторных мостов (ячеек) и относительно высокой надежности переключателя в основном определяется λм при известной зависимости от числа мостов и времени наработки.

 Зависимости

Рис. 2. Зависимости PРИ(t) = F1(nм) при t1 = 10 ч и t2 = 20 ч; PРИ(t) = F2(nм) при λп = 0 и t1 = 10 ч

Для исследования процессов переключения в ТПЧ с РАИР (рис. 1а, б) были разработаны обобщенные схемотехнические модели в системе MATLAB+Simulink, которые приведены соответственно на рис. 3а, б, где обозначения блоков и элементов идентичны обозначениям на рис. 1а, б. В моделях приняты реальные значения параметров всех СПП, активных сопротивлений индуктивностей Lвх, Lк, L1–L4, L5–L8, питающей сети Uc, а также нагрузки Rнэ при входных мощностях Pвх = 265 кВт (рис. 1а, б), входном напряжение Ud = 520 В и частоте инвертирования fн = 2500 Гц. Исследования проводились для характерного аварийного режима рассматриваемых АИР — сквозного срыва инвертирования в одном из мостов РАИР при максимальных значениях входного тока (мощности) Id = 510 А (Pвх = 265 кВт) и Pвых ≈ 250 кВт. Для обеих схем РАИР при исследованиях принимались несколько завышенные значения времени задержки срабатывания КВК tдт = 25 мкс, при реальных значениях 10–15 мкс и следующих параметрах элементов ТПЧ с РАИР и КВК: Lвх = 1,2 мГн; Ср = 1200 мкФ; Rнэ = 0,25 Ом; Lк = 28,7 мкГн; Ск = 101,9 мкФ; L1–L3 = 12,3 мкГн (рис. 1а); L1–L4 = 12,3 мкГн (рис. 1б); L4 = 3 мкГн (рис. 1а); L5–L8 = 3 мкГн (рис.1б); С1–С4 = 100 мкФ и Uc1Uc4 = 400 В. В ТПЧ с РАИР (рис. 1а, 3а) использовался следующий алгоритм переключения: при срыве инвертирования (М1) по сигналу датчика аварии (БДТ, БЗК) с задержкой tдт = 25 мкс одновременно включается VS5 (КВК), отключаются импульсы управления только М1 (БУИ) и начинается запись на ФП контролируемых параметров РАИР, далее происходит быстрое ограничение (разряд С1) аварийного тока через СПП М1, и после спада тока М1 до нуля он полностью отключается от источника питания (SA1.1, SA1.2); включаются импульсы управления резервного моста М3Р (БУИ) при работающем М2. В результате исключается перерыв питания ЭТУ при определенном снижении выходной мощности в интервале переключения. Отключенный мост М1 может быть быстро восстановлен и после контроля повторно подключен к выпрямителю ВПТ (SA1.1, SA1.2), а затем использован как резервный, согласно описанному алгоритму, если восстановление и контроль (tвск) его заканчивается до наступления отказа мостов М2 или М3Р. На рис. 4 приведены временные диаграммы токов и напряжений: id, im2, im1, ic1 (рис. 4а); id, im2(im1+im3), in, im3 (рис. 4б); ucr, ic1, uc1 (рис. 4в) при аварийном отключении М1 и подключении резервного М3Р моста ТПЧ с РАИР (рис. 1а, 3а). Анализ результатов по рис. 4а–в показывает высокое быстродействие, эффективность защиты и переключения ТПЧ с РАИР, возможность исключения перерыва питания ЭТУ при некотором снижении мощности в интервале переключения.

 Обобщенные схемотехнические модели процесса

Рис. 3. Обобщенные схемотехнические модели процесса аварийного переключения в ТПЧ с РАИР: а) по рис. 1а; б) по рис. 1б
 Временные диаграммы токов и напряжений

Рис. 4. Временные диаграммы токов и напряжений: а) id, im2, im1, ic1; б) id, im2 (im1+im3), in, im3; в) ucr, ic1, uc1 при аварийном переключении в ТПЧ с РАИР по рис. 1а

В ТПЧ с РАИР (рис. 1б, 3б) использованы индивидуальные запирающие конденсаторы С1–С4 (КВК1, КВК2) для всех мостов, что позволяет повысить такие показатели надежности, как Ког и Кгт и реализовать, кроме описанного выше, второй алгоритм переключения с использованием двух резервных мостов, например М1, 2 при «сложных» отказах, каким является отказ друг за другом двух основных мостов с небольшими интервалами по времени. Этот алгоритм реализован на модели (рис. 3б) для ТПЧ с РАИР по рис. 1б, где все параметры мостов и КВК идентичны описанным выше по рис. 1а. Кратко рассмотрим процесс переключения при следующих принятых условиях: мосты М3, 4 — основные, а М1, 2 — резервные; после срыва инвертирования в М4 происходит его отключение (КВК2, VS8, C4 и SA4.1, SA4.2) и подключается резервный М1; далее «основными» становятся М1, 3 и через короткое время, например 11 периодов выходной частоты, происходит отказ и отключение (КВК2, VS7, C3 и SA3.1, SA3.2) М3 и подключается резервный М2. В результате этого «основными» становятся мосты М1, 2, а после восстановления и контроля М3, 4 подключаются к ВПТ и становятся «резервными». На рис. 5 приведены временные диаграммы токов и напряжений: id, im4, im1, in (рис. 5а); id, im3, im2, in (рис. 5б); ucr, ic1, ic2 (рис. 5в) при аварийном отключении М4, 3 и подключении резервных М1, 2 мостов ТПЧ с РАИР (рис. 1б, 3б). Анализ результатов по рис. 5а–в показывает возможность исключения перерыва питания при «сложных» отказах (по второму алгоритму), что позволит использовать такие ТПЧ с РАИР для питания особо ответственных ЭТУ.

 Временные диаграммы токов и напряжений

Рис. 5. Временные диаграммы токов и напряжений: а) id, im4, im1, in; б) id, im3, im2, in; в) ucr, ic1, ic2 при аварийном переключении в ТПЧ с РАИР по рис. 1б

С учетом полученных результатов и приведенных ранее в [14, 18, 20, 21], сформулируем основные требования и рекомендации при разработке и реализации мощных ТПЧ с мостовыми РАИР с открытым входом для питания ответственных ЭТУ:

  • Целесообразно применять в ТПЧ с РАИР скользящее резервирование силовых инверторных мостов с использованием одного, а для особо ответственных ЭТУ — до двух резервных мостов.
  • В качестве основных (резервных) следует применять мостовые АИР с удвоением частоты, встречными диодами и включением индивидуальных защитных индуктивностей в цепь постоянного тока каждого из них, причем число основных мостов РАИР должно быть выбрано с учетом требований надежности и времени наработки.
  • Следует применять для индивидуального отключения аварийного моста КВК, позволяющие эффективно ограничить аварийный ток через СПП моста до безопасного уровня и реализовать быстрое переключение на резервный без отключения выпрямителя.
  • Целесообразно использование в ТПЧ с РАИР алгоритма отключения аварийного и подключения резервного моста с последующим использованием аварийного моста в качестве резервного после восстановления и контроля, если восстановление и контроль его (tвск) обеспечивается до наступления нового отказа.
  • При последовательных отказах двух основных мостов (при nм≥2) с небольшими интервалами по времени целесообразно использование двух резервных мостов.

Выводы

В статье рассмотрены основные методы и средства достижения необходимой надежности источников питания для ответственных ЭТУ с НТП; вопросы построения схем с ТПЧ с РАИР для ЭТУ с НТП с использованием скользящего резервирования основных инверторных мостов АИР с удвоением частоты, встречными диодами и открытым входом; возможные алгоритмы работы при использовании скользящего резервирования РАИР. Получены зависимости вероятности безотказной работы РАИР от числа мостов и времени наработки, выполнено схемотехническое моделирование в среде MATLAB+Simulink процессов отключения аварийного и подключения резервного моста в РАИР при различных схемах резервирования, отмечена высокая эффективность и надежность рассмотренных РАИР и сформулированы требования и рекомендации при разработке ТПЧ с РАИР для ЭТУ с НТП.

Литература

  1. Мочалов П. П., Гецелев З. Н. Непрерывное литье с формированием слитка электромагнитным полем // Электричество. 1988. № 4.
  2. А. с. №233186 (СССР). Установка для непрерывной или полунепрерывной разливки металлов / В. Н. Гецелев, В. А. Балахонцев, Г. В. Черенок, А. А. Ершова // Бюл. 1978. № 33.
  3. Аитов И., Зиннатуллин Р. Тиристорные источники питания для ответственных электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 2.
  4. Глебовский В. Г., Бурцев В. Т. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии. М.: Машиностроение. 1974.
  5. Петров В. М., Бурковский А. Н., Ковалев Е. Б. и др. Тепловые трубы в электрических машинах. М.: Энергоиздат. 1987.
  6. Адамия Г. Г., Гурова В. И., Ковалев Ф. И. и др. Агрегаты бесперебойного питания со статическими полупроводниковыми преобразователями. Аналитический обзор. М.: Информэлектро. 1978.
  7. Аитов И. Л., Кацнельсон С. М. Автономные преобразователи частоты: Учеб. пособие. Уфа.: УАИ. 1978.
  8. Аитов И. Тиристорные источники питания повышенной мощности для электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 3.
  9. Аитов И. Л. Силовые электронные устройства: Учеб. пособие. Уфа: УГАТУ. 2009.
  10. Васильев А. С., Гуревич С. Г., Иоффе Ю. С. Источники питания электротехнологических установок. М.: Энергоатомиздат. 1985.
  11. Аитов И. Л., Кутдусов Ф. Х. Система гарантированного питания для электротехнологических установок // Электричество. 1988. № 4.
  12. Аитов И. Л., Кутдусов Ф. Х., Хомяков И. М. Вопросы управления резервированными системами питания повышенной частоты // Электромеханика. 1986. № 9.
  13. Аитов И. Вопросы построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 1 // Силовая электроника. 2010. № 1.
  14. Аитов И., Шалупова Г. Особенности построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты с автономными резонансными инверторами. Часть 2 // Силовая электроника. 2010. № 2.
  15. Аитов И., Шалупова Г. Система аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 3 // Силовая электроника. 2010. № 3.
  16. Аитов И. Ограничение аварийного тока в многомостовых тиристорных автономных инверторах с индуктивно-емкостным входом // Электромеханика. 1978. № 5.
  17. Аитов И., Камалетдинова Р. Р. Вопросы проектирования систем и элементов защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 4 // Силовая электроника. 2011. № 1.
  18. Аитов И., Камалетдинова Р. Р. Вопросы проектирования систем и элементов защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 5 // Силовая электроника. 2011. № 2.
  19. Пат. № 2394347 (РФ). Тиристорный преобразователь частоты / И. Л. Аитов, Э. Р. Кушекова // Бюл. 2010. № 19.
  20. Аитов И., Кушекова Э. Повышение надежности тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок // Силовая электроника. 2009. № 1.
  21. Аитов И., Кушекова Э. Вопросы предпускового контроля резервированных тиристорных преобразователей частоты // Силовая электроника. 2009. № 3.
  22. Аитов И. Л., Гайнанов Д. А. Оценка и пути повышения надежности тиристорных преобразователей частоты: Преобразовательная техника. Новосибирск: Изд-во НЭТИ. 1980.
  23. Яншин А. А. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА. М.: Радио и связь. 1983.

Все статьи цикла:


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_04_64.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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