Силовые блоки на основе тиристоров и фототиристоров для промышленных применений

Введение

В современном мире мы все чаще сталкиваемся с желанием потребителей получать готовые решения от профессионалов, имеющих компетенции в соответствующей сфере. В области силовой электроники также наблюдаются подобные тенденции с предоставлением полного спектра услуг. Многие лидеры отрасли имеют в своем составе интегрированные структуры, выпускающие как силовые полупровод­никовые приборы (СПП), так и преобразовательную технику (ПТ) на их основе, что дает определенные преимущества динамичного развития как первой, так и второй группы изделий. Одна из немногих отечественных организаций, осуществляющих разработку и производство СПП и энергоэффективной ПТ на их основе, — ПАО «Электровыпрямитель». В настоящее время номенклатура выпускаемых предприятием СПП составляет свыше 1000 типов на токи до 10 000 А и напряжение до 10 000 В и свыше 500 наименований ПТ, в том числе преобразователей для частотного регулирования асинхронных и синхронных двигателей мощностью до 12,5 МВт с рабочим напряжением до 10 кВ.

Несмотря на указанные выше тенденции, в ряде случаев готовые решения в виде поставки ПТ не всегда могут быть выгодны конкретному потребителю, и происходит это по техническим или экономическим причинам. В таких случаях разработчикам ПТ или потребителям систем силовой электроники, применяющим их на производственных объектах, наиболее целесообразно иметь решения в виде силовых блоков. Силовые блоки представляют собой определенную комбинацию СПП и специальных систем охлаждения, снабберов, драйверов и других вспомогательных элементов, соединенных конструктивно по определенной электрической схеме в единый моноблок или несколько раздельных конструктивно, но схемно связанных субблоков. Силовые блоки в виде функционально законченных силовых схем могут применяться как самостоятельные изделия для решения технологических задач при наличии внешней системы управления, так и в виде узлов для комплектации ПТ. К преимуществам блочно-узловой организации ПТ относятся наличие унифицированных силовых блоков, гибкость их компоновки для различных диапазонов мощностей, высокая степень ремонтопригодности и оперативность замены в случае аварии.

Среди многообразия компонентов и производителей силовой электроники компаниям, не имеющим опыта разработки и изготовления силовой части ПТ, зачастую сложно самостоятельно выбрать правильные решения, а иногда и экономически нецелесо­образно. Применение полупроводниковых приборов, особенно в силовой электронике, является местом пересечения многих направлений знаний: физики работы полупроводниковых приборов и требований к режимам их применения, термодинамики (тепловой расчет охлаждающих систем), механики (механическая конструкция устройства стяжки и охлаждающих систем), промышленной электроники (разработка и выбор элементов снабберных цепей, резистивных делителей, драйверов). Для проектирования и организации изготовления надежных силовых блоков требуется наличие квалифицированного персонала, владеющего соответствующими знаниями и опытом в области устройства и применения СПП. ПАО «Электровыпрямитель» более 15 лет имеет в своем составе подразделение, специализацией которого является разработка, испытания, производство, монтаж и сервисное обслуживание силовых блоков. На базе серии новых охладителей и СПП таблеточной и модульной конструкции созданы блоки, предназначенные для устройств плавного пуска и управления скоростью вращения электродвигателей постоянного и переменного тока, регуляторов температуры, освещенности, электросварки, гальваники, индукционного нагрева, источников бесперебойного питания, печей отжига, транспорта, импульсной техники [1].

На сегодня разработана и освоена в производстве линейка силовых блоков, выполненных по стандартным электрическим схемам, с различными вариантами охлаждения. Номенклатура блоков объединяет типовые схемы по напряжению 100 В — 10 кВ и токи 15 А — 32 кА [2]. Уникальными являются реализованные проекты по созданию высоковольтных коммутаторов импульсного тока на 100 кА и напряжение 12 кВ на основе импульсных фототиристоров собственного производства [3–5] и высоковольтных коммутаторов импульсов тока субмиллисекундной длительности амплитудой до 250 кА и напряжением 25 кВ на основе реверсивно-включаемых динисторов [6–8]. Данные изделия широко используются в импульсной технике в качестве мощных полупроводниковых ключей для разряда емкостных накопителей энергии в научно-исследовательских областях и промышленности (лазеры, термоядерный синтез, магнитная штамповка).

Анализ схем ПТ показывает, что схемные решения, на базе которых реализуются почти все основные задачи силовой электроники, можно выделить в следующие категории:

• одно- и трехфазные выпрямители (управляемые и неуправляемые);
• ключи переменного тока;
• инверторы;
• коммутаторы импульсные.

Выпрямители и ключи переменного тока, благодаря своей простоте и надежности, по-прежнему являются одними из основных направлений в развитии силовых блоков для промышленного применения. В статье [9] представлены основные подходы к проектированию и результаты разработки серии силовых выпрямительных блоков и ключей переменного тока на основе биполярных приборов. С учетом развития СПП осуществляется постоянное совершенствование конструкции силовых блоков данных типов, направленное на увеличение плотности мощности, повышение функциональных возможностей и надежности. Конструкция каждого конкретного силового блока зависит от принципиальной электрической схемы, мощности и условий эксплуатации ПТ, типа применяемых СПП и способа охлаждения. Основным фактором, определяющим общность конструктивных решений силовых блоков, является способ их охлаждения в составе ПТ. Ежегодно компания выполняет десятки проектов, в том числе разработку и изготовление силовых выпрямительных блоков, ключей переменного тока, а также блоков специального назначения с различными вариантами охлаждения. Ниже представлены последние разработки в области силовых блоков на основе тиристоров и фототиристоров для традиционных схем выпрямителей и ключей переменного тока.

Управляемые выпрямители

Силовая электроника остается, возможно, одной из немногих областей техники, где традиционные схемные решения востребованы, несмотря на кажущуюся их простоту. В номенклатуре предприятия представлен широкий ряд силовых блоков управляемых выпрямителей на основе тиристоров с электрическим управлением модульной и таблеточной конструкции, выполненных по однофазной, трехфазной и шестифазной схемам. Существующая линейка выпрямителей рассчитана на диапазон напряжений 0,1–10 кВ. Максимальный выходной ток таких блоков достигает 6300 А при жидкостном охлаждении. Наиболее широкое распространение получили мощные блоки с классом напряжения 0,4 кВ для управления промышленным электроприводом.

Рис. 1. Силовой блок БВ6М1Т-1200/2000-0,1-П

К числу последних разработок относится силовой блок трехфазного управляемого выпрямителя с воздушным принудительным охлаждением БВ6М1Т-1200/2000-0,1-П. Блок предназначен для плавного пуска электродвигателей с рабочим напряжением 0,1 кВ. Основные технические характеристики блока приведены в таблице 1. Фотография блока представлена на рис. 1.

Блок БВ6М1Т-1200/2000-0,1-П представляет собой сборку из шести беспотенциальных одноключевых тиристорных модулей М1Т-1600 с шириной основания 90 мм, установленных на трех охладителях О55 (по два модуля на каждом охладителе). Модули М1Т-1600 изготовлены по технологии прижимного контакта, что обеспечивает их высокую энерготермоциклостойкость при значительных токовых нагрузках. Толстое медное основание создает высокую перегрузочную способность по току при естественном охлаждении. Это особенно важно для режимов плавного пуска мощных асинхронных двигателей. Принудительное воздушное охлаждение силового блока реализуется обдувом ребер охладителей тремя встроенными осевыми вентиляторами, обеспечивающими скорость потока охлаждающего воздуха не менее 6 м/с. Для предупреждения повреждения тиристорных модулей от коммутационных перенапряжений установлены RC-цепи. Также блок оснащен шестиканальным драйвером собственного производства. Драйвер выполнен на основе управляемого источника тока, формирующего импульсы тока управления с оптимальными для надежного включения тиристоров параметрами, включая форсирующий управляющий импульс. Параметры импульса тока управления слабо зависят от параметров цепи управления силовых тиристоров и соединительных цепей. Каждый канал драйвера имеет собственную гальваническую развязку по питанию, а вся плата питается от одного внешнего источника постоянного напряжения +24 В. Связь драйвера с системой управления производится по оптоволоконным кабелям. Электрическая прочность изоляции драйвера между первичными цепями питания и выходными цепями платы 3000 В.

Рис. 2. Силовой блок БВ12М1Т-500-0,4-Е

Для защиты от перегрева модулей силовой блок оснащен датчиками температуры нагрева охладителей — термостатами с нормально замкнутым контактом, размыкающимся при температуре выше +65°С и замыкающимся при температуре ниже +55°С, с коммутируемым током до 16 А при напряжении до 250 В. Допустимое напряжение изоляции между корпусом и контактом термостата — 1500 В. Установка блока в оборудование может осуществляться в любом положении. Крепление блока выполняется четырьмя болтами М8 через пазы крепежных планок основания блока. Габаритные размеры (Д×Ш×В) силового блока 390×430×310 мм. Климатическое исполнение силового блока У, категория размещения 2. По требованию заказчика блоки могут быть оснащены быстродействующими предохранителями, установленными в цепи каждого тиристора.

На базе аналогичных решений по желанию потребителей могут быть реализованы и более сложные варианты силовых блоков. Ниже для примера представлена конструкция силового блока реверсивного управляемого выпрямителя на ток 500 А, напряжение 400 В для электропривода постоянного тока БВ12М1Т-500-0,4-Е с естественным охлаждением. Блок состоит из двух выпрямительных мостов. Такой выпрямитель может быть применен и для плавного пуска, регулирования скорости вращения, плавной остановки и реверса электродвигателей постоянного тока.

При разработке конструкции силовых блоков исходят из ряда условий, удовлетворяющих требованиям надежности, простоты и стоимости законченного изделия. При необходимости получения мощных выпрямителей на высокие напряжения наиболее оптимальна организация силовых блоков в виде столбов с последовательным соединением СПП и жидкостным охлаждением. При этом для высоковольтных применений одной из важных задач остается гальваническая развязка силовой части схемы от системы управления. Для таких задач наиболее перспективными силовыми ключами являются высоковольтные фото­тиристоры. Они легко управляются инфракрасным лазерным излучением с оптической мощностью несколько десятков милливатт, имеют отличные характеристики включения, низкие потери мощности в проводящем состоянии и при переключении. Данные СПП производятся сегодня на токи до 2500 А, напряжение до 7600 В [10, 11]. Узкий разброс таких параметров, как времена задержки включения, напряжение в открытом состоянии, заряд обратного восстановления, дает возможность использовать эти приборы в последовательных и параллельных соединениях и успешно реализовывать различные энергетические проекты с общей мощностью до нескольких гигаватт.

Рис. 3. Силовой блок БВ3ТФ-3000-10,0-В

С использованием фототиристоров собственного производства, многоканальных оптических драйверов на базе излучателей инжекционных лазеров в комплекте с опто­волоконными кабелями и адаптерами разработан силовой блок однофазного выпрямителя БВ3ТФ-3000-10,0-В с жидкостным охлаждением. Технические характеристики силового блока приведены в таблице 2, внешний вид — на рис. 3.

Данный блок управляемого выпрямителя с жидкостным охлаждением представляет единую конструкцию на основе трех последовательно соединенных фототиристоров с жидкостными охладителями, собранными в столб. СПП таблеточной конструкции в столбе стянуты с заданным усилием через четыре изоляционные шпильки посредством опорных плит. Блок укомплектован резистивными делителями напряжения и снабберами на основе низкоиндуктивных резисторов. Специальная система стяжки при помощи тарельчатых пружин и изолированных шпилек позволяет соединять в столб до 15 фототиристоров или других таблеточных СПП и обеспечивать равномерное распределение усилия сжатия между ними. Последовательное соединение СПП позволяет повысить надежность силовых ключей посредством реализации принципа «N + 1». В зависимости от требований заказчика возможно закладывать различный коэффициент по рабочему напряжению. Со стороны анода и катода высоковольтного блока расположены медные шины, предназначенные для подключения блока к внешней силовой цепи. Также блок оснащен платами контроля состояния и запуска фототиристоров и датчиками контроля температуры нагрева охладителей.

Ключи переменного тока

Степень компенсации реактивной мощности в отечественной электроэнергетике значительно ниже, чем в промышленно развитых странах. Наибольшие уровни несимметрии и искажения синусоидальности напряжения имеют место в электрических сетях, питающих электрифицированные железные дороги переменного тока, и у таких крупных потребителей электроэнергии, как алюминиевые заводы и предприятия металлургической промышленности. При этом неудовлетворительные значения отклонения напряжений наблюдаются, как правило, в дефицитных энерго­системах с протяженными электрическими сетями и недостаточным количеством средств компенсации реактивной мощности [12].

Прогресс преобразовательной техники и систем управления привел к появлению многочисленных устройств поперечной и продольной компенсации в виде статического тиристорного компенсатора (СТК), управляемого шунтирующего реактора (УШР), систем тиристорно-управляемой продольной компенсации, статического компенсатора реактивной мощности на базе преобразователя напряжения (СТАТКОМ) и других, которые улучшают работу сетей в части устойчивости, управляемости [13]. Основным компонентом для комплектации СТК, УШР является тиристорный вентиль. При комплектации тиристорных вентилей наибольшее распространение получили тиристоры с электрическим управлением и фототиристоры. Ключ, как правило состоящий из встречно-параллельно включенных тиристоров, по команде, задаваемой системой управления, обеспечивает включение или отключение нагрузки.

Среди серийно освоенных силовых блоков имеются однофазные и трехфазные ключи переменного тока с различными вариантами исполнения охлаждения: естественное, принудительное, жидкостное. Конструктивно однофазные ключи реализуются на основе тиристоров таблеточного и модульного исполнений, имеют максимальный рабочий ток до 2000 А, напряжение до 6,3 кВ. Также серийно освоен в производстве ряд силовых блоков на основе высоковольтных фототиристоров на рабочие ток до 600 А и напряжение до 12 кВ. Среди трехфазных ключей переменного тока имеются моноблочные конструкции на ток до 2000 А и напряжение 0,4 кВ. При этом применение соединений трех однофазных блоков дает возможность построения на их основе трехфазных ключей.

Рис. 4. Силовой блок БК2Т-1000-0,4-П

Например, блок однофазного ключа переменного тока БК2Т-1000-0,4-П (рис. 4, табл. 3) представляет единую конструкцию на основе двух тиристоров таблеточного типа Т243-1250-12, каждый из которых сжат с заданным усилием между половинками охладителя. Охлаждение блока — воздушное принудительное со скоростью потока охлаждающего воздуха не менее 6 м/с с напряжением питания 220 В и суммарной потребляемой мощностью вентиляторов 50 Вт. Блок оснащен платой согласования со встроенным в нее модулем регулировки мощности (МРМ). Регулировка угла открытия осуществляется в диапазоне 0–170° эл. при изменении сигнала управления 0–5 В. Напряжение питания платы согласования 220 В. Характер нагрузки блока — активно-индуктивная. Коэффициент мощности — 0,95. Силового блока УХЛ, категория размещения 4. Данный блок может применяться для регулировки выходной мощности печных трансформаторов, электродуговых печей.

Использование жидкостного охлаждения для двух тиристоров Т253-1250-12 таблеточной конструкции, сжатых совместно с охладителями с заданным усилием, через опорные шпильки с помощью траверс в два столба (по одному тиристору в каждом столбе), позволяет создавать ключи на ток 2000 А, напряжение 0,4 кВ в габаритах 350×350×250 мм. В данном случае тиристорные сборки установлены на изоляционном основании. Крепление блока в изделие заказчика осуществляется через четыре изолятора, установленных в основании блока. Применение таких блоков возможно в источниках бесперебойного питания, установках контактной сварки.

Рис. 5. Силовой блок БК2Т-2000-0,4-В

Еще одна новая разработка для комплектации высоковольтных тиристорных вентилей — силовой блок БК8ТФ-150-10,5-П, выполненный по схеме однофазного ключа переменного тока. Блок представляет собой сборку из восьми фототиристоров ТФ353-630-65, собранных в два столба с охладителями по четыре фототиристора в каждом столбе (рис. 6). Фототиристоры электрически соединены попарно встречно-параллельно. Основные характеристики блока приведены в таблице 4.

Рис. 6. Силовой блок БК8ТФ-150-10,5-П

Унифицированная конструкция блока позволяет увеличивать рабочее напряжение путем изменения количества последовательно соединенных фототиристоров.

В высоковольтных последовательных сборках для предотвращения катастрофических аварий дорогостоящего оборудования очень важна своевременная диагностика вышедших из строя одиночных СПП. Для этих целей разработаны и успешно используются схемы контроля состояния каждого ключа. Если единичный СПП исправен, то в закрытом состоянии к нему приложено высокое напряжение и схема контроля состояния выдает по оптоволоконному кабелю соответствующие световые импульсы, поступающие в контроллер для последующей обработки. Если же СПП вышел из строя, то диагностические световые импульсы отсутствуют, что служит сигналом неисправности соответствующего ключа. Особенностью разработанных схем контроля состояния является отсутствие необходимости организации их отдельного питания и, соответственно, не нужно решать возникающие при этом вопросы гальванической развязки.

Важным этапом проектирования и разработки конструкции силовых блоков становится выполнение всех необходимых расчетов, включая схемо­техническое моделирование, анализ теплового режима с выбором оптимальных СПП и охладителей для решения поставленных задач. Надежность работы СПП связана с множеством факторов. Одно из основных условий обеспечения надежной работы приборов — обеспечение теплового режима в силовом блоке. При разработке и выборе охлаждающих систем используется универсальный программный комплекс, позволяющий решать задачи механики деформируемого твердого тела, задачи механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена. Моделирование и анализ в этой программе позволяют специалистам избежать дорогостоящих и длительных циклов «проектирование — изготовление — испытания».

Один из примеров результатов типового расчета теплового сопротивления охлаждающего устройства и аэродинамики теплоотвода воздушного охладителя для выбора оптимальной конструкции блока БК8ТФ-150-10,5-П приведен на рис. 7.

Рис. 7. Результаты теплового расчета охладителя для БК8ТФ-150-10,5-П

Разработка конструкции силовых блоков с улучшенными массогабаритными показателями предполагает применение современных методов и средств проектирования. С учетом повышенных требований к устройствам ПТ для качественного проектирования силовых блоков используются CAD-программы, потребителю могут быть предоставлены 3D-модели конструкции силовых блоков, которые позволяют на этапе разработки конечных устройств оценить габаритные размеры, взаимное расположение и компоновку элементов.

Заключение

Производство силовых блоков оснащено всем необходимым оборудованием для сборки и испытаний, включая линию поверхностного монтажа по изготовлению печатных плат. Перед сборкой в силовые блоки серийные СПП проходят 100%-ный контроль классификационных электрических параметров по программе приемо-сдаточных испытаний, характеризующих их соответствие установленным в технических условиях требованиям. Также при необходимости проводятся дополнительные испытания с учетом особенностей режимов эксплуатации конкретных блоков. Это предоставляет возможность повысить эффективность отбора СПП для комплектации силовых блоков. При необходимости использования в блоках нестандартных приборов осуществляется разработка и изготовление СПП с оптимальной системой параметров для решения поставленных потребителем задач.

Наличие собственного металлообрабатывающего производства позволяет с высокой скоростью и заданной точностью осуществлять изготовление нестандартных деталей по вновь разработанным чертежам. Это делает гибкой работу с оптимизацией конструкций силовых блоков, обеспечивая оптимальное соотношение цены и качества в соответствии с задачами, поставленными клиентом. Индивидуальный подход к каждому заказу позволяет разрабатывать устройства, не имеющие аналогов, с функциональными возможностями, необходимыми потребителю.