Вопросы предпускового контроля резервированных тиристорных преобразователей частоты
Современные электротехнологические процессы (ЭТП) получения и обработки металлов и сплавов высокого качества и со специальными свойствами предъявляют весьма высокие требования к силовым источникам питания по надежности и управляемости. Питание ответственных ЭТУ с различными ЭТП в большинстве случаев осуществляется от источников повышенной или высокой частоты (ВИП), в качестве которых широкое применение находят ТПЧ с РАИР, что связано как с определяющими достоинствами АИР, требованиями надежности, так и с особенностями нагрузки многих ЭТУ, представляющей собой колебательный нагрузочный контур [1, 2, 3].
Как известно, высокого уровня надежности ВИП можно достичь, когда закладывается необходимый высокий уровень при разработке, который реализуется (сохраняется) при производстве (изготовлении) и на этапе эксплуатации. Применительно к ВИП для ответственных ЭТУ, не терпящих перерыва питания, в [1] выделены наиболее эффективные методы и средства повышения их надежности. На этапе эксплуатации таковыми являются:
- выполнение предпускового контроля (диагностики) технического состояния блоков, узлов ТПЧ с РАИР (ТПЧ с АИР) с устранением выявленных отказов (замена блоков, узлов);
- поддержание необходимой квалификации обслуживающего персонала и строгое соблюдение правил эксплуатации;
- высокий уровень технической документации (описание, инструкции по эксплуатации, профилактическим работам и выполнению предпускового контроля).
Экспериментальные исследования, а также достаточно длительный опыт промышленной эксплуатации ТПЧ с различными группами схем АИР с удвоением частоты и встречными диодами показывает, что выполнение ПКД является важным фактором, позволяющим поддерживать расчетные значения единичных показателей надежности ВИП, а также получить повышенные значения таких важных для ТПЧ с РАИР для ответственных ЭТУ комплексных показателей, как коэффициент готовности (КГТ) и оперативной готовности (КОГ).
В данной работе выделены методы и средства по повышению и поддержанию высокой надежности резервированных ТПЧ на этапе эксплуатации; рассмотрены вопросы построения систем ПКД, выбора способа и алгоритма контроля силовой части ТПЧ с РАИР удвоением частоты и закрытым входом для ответственных ЭТУ; приведены обобщенная функциональная схема системы, а также результаты моделирования в среде MATLAB/Simulink ПКД силовых мостов РАИР по алгоритму и способу с минимальным потреблением энергии от питающей сети.
Авторы в [4] сформулировали ряд требований, условий и режимов и привели результаты исследований предпускового контроля (диагностики) ТПЧ с РАИР удвоением частоты и открытым входом. Эти требования и условия при выполнении ПКД являются базовыми и для рассматриваемых далее ТПЧ с АИР (РАИР) удвоением частоты и закрытым входом, вопросы построения, области использования, основные характеристики и достоинства которых рассмотрены в [1, 2, 5–10]. Однако особенности построения, а также пусковых, установившихся и аварийных режимов последних накладывают ряд отличий в выполнении отмеченных основных требований и условий и делают возможным использование различных вариантов алгоритма контроля силовой части ТПЧ (силовых мостов АИР или РАИР), в основном определяющей надежность всей ЭТУ.
На рис. 1а приведена схема ТПЧ с РАИР удвоением частоты и закрытым входом, широко используемая для питания ответственных ЭТУ повышенной и большой мощности, которая состоит из инверторных мостов М1, М2, М3, тиристорного выпрямителя ВПТ, двухсекционного входного дросселя Lвх, электромеханических автоматических переключателей с дистанционным управлением SA1, SA2 и нагрузки RН, представляющей собой индукционную плавильную печь. Эквивалентная схема печи приведена на рис. 1б, где rнэ, Хнэ — эквивалентные активное и индуктивное сопротивление нагрузки, а Ском — компенсирующий конденсатор, служащий для получения cosφн ≈ 1. Важные особенности рассматриваемой схемы ТПЧ: использование одного резервного моста М3 при любом числе мостов основного АИР (в данном случае М1, М2); применение одного общего блока ограничения БО (VS9, VS10, СБО, LБО) аварийного тока мостов как АИР (М1, М2), так и резервного (М3); зарядного устройства ЗУ для заряда СБО (рис. 1в), которое может быть использовано и для заряда СК М1, М2, М3 при определенных вариантах алгоритма ПКД, а также применение демпфирующих цепочек ДЦ (рис. 1г), подключаемых к соответствующим точкам (1, 2, 3) коммутирующих диагоналей мостов М1, М2, М3 для эффективного снижения крутизны нарастания напряжения duVS/dt на тиристорах [4]. Построение и процесс аварийного переключения в данном ТПЧ с РАИР во многом идентичен рассмотренным в [1]. При этом его важные отличия (рис. 1а) таковы:
- Упрощение ТПЧ с РАИР и достижение относительно высоких значений расчетных показателей надежности за счет использования одного резервного моста М3, возможности замещения им любого из мостов основного АИР, а также обратной замены резервного моста М3 одним из мостов (М1 или М2) после восстановления его работоспособности.
- Использование одного БО для ограничения аварийного тока любого из мостов РАИР до безопасного уровня.
- Поддержание в работоспособном состоянии М3 после выполнения ПКД за счет предварительного заряда СК моста М3 до напряжения uСк ≈ Uвх, с непрерывным контролем и подзарядом его в процессе работы основного АИР.
Применительно к рассматриваемой схеме (рис. 1а) выполнение ПКД основных блоков и узлов наряду с контролем и поддержанием в заряженном состоянии конденсаторов СБО, СК блока БО и М3, в процессе от начала ПКД и до окончания реализации рабочего ЭТП, позволяет исключить пуск ЭТУ в работу при неисправном состоянии или отклонении параметров блоков и узлов ТПЧ и повысить значение коэффициентов КГТи КОГ. Коэффициент готовности КГТ характеризует частично совокупность свойств безотказности и ремонтопригодности ТПЧ с РАИР и представляет собой вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме интервалов (периодов), когда не предусматривается его использование. Для его определения практическое применение находит выражение:
где
0,
в — средняя продолжительность предстоящей безотказной работы и среднее время восстановления. Согласно [11] выражение (1) справедливо для любых законов наработки до отказа и времени восстановления. Кроме того, это выражение позволяет упростить практическое определение КГТ, которое статистически рассчитывается как
где t0Σi — суммарное время пребывания i-го объекта в рабочем состоянии; N — количество одинаковых наблюдаемых объектов; TЭ—длительность эксплуатации, состоящая из последовательно чередующихся интервалов времени работы и аварийного восстановления.
Применение ПКД позволяет еще до пуска обнаружить отклонения параметров или отказ блоков и узлов, а принятие мер по устранению их — восстановить работоспособность ТПЧ с РАИР за некоторое допустимое время восстановления
вд с вероятностью Рв(t), при этом общее время восстановления
в работоспособности составит:
где
ПКД — среднее время выполнения ПКД. При этом чем выше надежность, то есть безотказное состояние Рб(t) ТПЧ с РАИР, тем меньше
вд и выше КГТ. Вероятность Ркв(t) безотказного состояния ТПЧ с РАИР, с учетом выполнения ПКД и восстановления, может быть определена по выражению:
Например, вероятность безотказного состояния ТПЧ с АИР Рб(t) = 0,92, а Рв(t) = 0,8. Тогда вероятность Ркв(t) безотказного состояния с учетом выполнения ПКД и восстановления согласно выражению (4) составит:
Для ТПЧ с РАИР важным показателем является КОГ, представляющий собой вероятность того, что объект, например, РМ М3 (рис. 1а), оказывается работоспособным в любой произвольный момент времени t и, начиная с этого момента, работает безотказно в течение заданного интервала времени tрб. Если вероятность P(tрб) — безотказной работы М3 (объекта) в течение tрб — не зависит от момента t, то КОГ на интервале tрб после момента t определяется как
В уравнении (5) КГТ(t) определяется по выражению (1), при этом
в = (
ДТ +
ПК), где
ДТ,
ПК — среднее время запаздывания датчика аварийного состояния АИР и переключения с аварийного моста (М1 или М2) на резервный М3. Практически время
в = (
ДТ +
ПК) может составлять от единиц до десятка миллисекунд, поэтому уже при
0 = 1 час КГТ (t) ≈ 1,0, а КОГ ≈ Р(tрб).
Таким образом, вопросы построения систем, выбора способа и алгоритма контроля блоков, узлов и их параметров, а также средств выполнения ПКД важны при реализации ТПЧ с РАИР удвоением частоты и закрытым входом, которые наиболее широко используются для питания ответственных ЭТУ с непрерывными ЭТП повышенной и большой мощности [1, 2, 5–10].
На рис. 2 приведена обобщенная структурная схема системы ПКД для ВИП на основе ТПЧ с РАИР удвоением частоты и закрытым входом (рис. 1а). Система ПКД состоит из блока датчиков БДТ; измерительно-вычислительного комплекса ИВК, связанного с БДТ и блоками предпускового контроля (диагностики) — БПК и управления БУ, формирующего управляющие сигналы тиристорным выпрямителем — ВПТ, РАИР (основной АИР, резервный мост РМ, переключатели SA1, SA2); блока охлаждения БОХ установки, зарядного устройства ЗУ и блока ограничения БО аварийного тока мостов АИР и РМ; флэш-памяти для записи контролируемых параметров в процессе выполнения ПКД, пуска ТПЧ в работу и при аварийных переключениях на РМ с привязкой по времени; устройства отображения информации УОИ. Контроль (управление) в процессе выполнения ЭТП осуществляет оператор ОП.
Рассмотрим особенности реализации основных требований и условий при выполнении ПКД для рассматриваемых ТПЧ с РАИР удвоением частоты и закрытым входом:
- В процессе выполнения ПКД минимальное потребление энергии от источника питания (питающей сети) при максимальном Uвх ≈ 520 В (рис. 1а) достигается снижением частоты инвертирования (управления) РАИР относительно резонансной частоты нагрузочного колебательного контура, то есть индуктора с Ском без загрузки, при этом в эквивалентной схеме (рис. 1б) вместо rнэ следует принимать rи — активное сопротивление провода индуктора.
- Выполнение ПКД осуществляется при токовых нагрузках и напряжениях на силовых вентилях и других элементах (тиристоры, встречные диоды, СК, LК, Lвх, ДЦ), максимально приближенных к рабочим, путем контроля вначале тока утечки мостов АИР (РМ), а затем однократной загрузки тиристоров отдельных синфазных плеч мостов с последующей работой мостов на пониженной частоте.
- Максимально возможное исключение возникновения и развития аварийных режимов для источника питания в процессе выполнения ПКД достигается путем реализации алгоритма, по которому сначала осуществляется подготовка БО к работе, то есть заряд СБО до напряжения UБО, что позволяет в любой момент времени ограничить аварийный ток мостов АИР (РМ) путем включения VS9 или VS10 (рис. 1а); затем контролируется ток утечки мостов АИР (РМ) при приложенном Uвх ≈ 520 В (включается ВПТ) и отключенном блоке управления тиристорами РАИР; далее контролируется работа РАИР при Uвх ≈ 520 В путем однократного включения последовательно и раздельно всех синфазных плеч и колебательного заряда СК мостов АИР (РМ) с последующим переходом к контролю работы АИР на пониженной частоте без загрузки индуктора.
Таким образом, разработанный авторами способ ПКД ТПЧ с РАИР удвоением частоты и закрытым входом заключается в контроле силовых блоков и элементов (рис. 1, 2) в режиме их нарастающей загрузки вплоть до рабочих значений с последующим определением работоспособности ТПЧ при пониженной частоте без загрузки индуктора. Особенностями этого режима являются: минимальная потребляемая энергия, определяемая в основном потерями в АИР и индукторе; максимальная загрузка по току встречных диодов и близкая к максимальным для тиристоров; максимальное значение времени восстановления tвсс для тиристоров и близкое к максимальному значение крутизны нарастания напряжения duVS/dt на тиристорах. Особенности данного режима и описанный алгоритм контроля (диагностики) силовых блоков и элементов позволяют с высокой достоверностью и надежностью реализовать основные требования и условия выполнения ПКД применительно к рассматриваемым ТПЧ с РАИР.
Для исследования операций ПКД силовых блоков и элементов ТПЧ (рис. 1а–г) была разработана его схемотехническая модель в среде MATLAB с помощью инструментов пакета Simulink, которая приведена на рис. 3, где обозначения блоков и элементов соответствуют обозначениям на рис. 1, 2. Для сокращения линий связи и упрощения модели соединительные точки с равными потенциалами выполнены в виде треугольников с одинаковыми номерами. При моделировании приняты реальные значения параметров силовых полупроводниковых приборов (СПП); из защитных RC-цепочек и ДЦ; активных сопротивлений индуктивностей LК, Lвх и переключателей SA1, SA2; АИР: Uвх ≈ 520 В, Pнm = 250 кВт, f0(ω0) = 1100 Гц — собственная частота колебательного контура, fу = 1000 Гц — частота управления, ρ = 1,25 Ом, d = 0,75÷0,8 — волновое сопротивление и добротность колебательного контура; нагрузки, представляющей собой нагрузочный колебательный контур (рис. 1б): Xнэ = 30 мкГн, rнэ = 1 Ом, rи = 0,0005 Ом, Ском = 85 ÷ 90 мкФ. В мостах М1, М2, М3 управляющие импульсы на соответствующие тиристоры подаются на входы Control1 (2, 3, 4), токи через СПП, а также напряжения на них контролируются с выходов Currents и Voltages, а напряжение и ток в диагонали моста — с выходов “u_CКLК” и Bridge current. Контроль параметров других блоков и элементов выполняется идентично. Для исследования операций ПКД и получения необходимых параметров используются блоки измерения Scope1 (2, 3).
На рис. 4–6 приведены результаты исследования на модели ПКД силовых блоков и элементов ТПЧ с РАИР по описанному алгоритму контроля. На рис. 4а–в приведены диаграммы: входного тока утечки iМ и напряжения uМ мостов М1, М2, М3 при подключении ВПТ с Uвх; тока id(iМ) на входе и диагонали мостов М1, М2, М3, напряжения uCк на коммутирующем конденсаторе СК, напряжения на тиристорах uVS мостов М1, М2, М3 при однократном включении тиристоров синфазных плеч. На рис. 5а–д приведены диаграммы: токов на входе id, в диагонали iМ1(2,3) и в цепи ДЦ iДЦ мостов М1, М2, М3; напряжений на тиристорах uVS, а также диагонали u1, 2 мостов М1, М2, М3 при пониженной частоте управления. На рис. 6а–е приведены диаграммы: токов на входе id, в диагонали iМ1 (2, 3) и в цепи ДЦ iДЦ мостов М1, М2, М3; напряжений на нагрузке uН, на тиристорах uVS и диагонали u1, 2 мостов М1, М2, М3 при номинальной мощности. Значения напряжений и токов на СПП, СК, LК мостов соответствуют рабочим. Как видно на рис. 5г и 6д, применение демпфирующих цепочек ДЦ (рис. 1г), подключаемых к соответствующим точкам (1, 2, 3) коммутирующих диагоналей мостов М1, М2, М3, позволяет эффективно ограничивать duVS/dt на тиристорах.
Выводы
- Выделены основные методы и средства по повышению и поддержанию высокой надежности ТПЧ на этапе эксплуатации, разработаны и исследованы схемотехнические решения, позволяющие упростить и повысить надежность ТПЧ с РАИР удвоением частоты и закрытым входом.
- Сформулированы принципы, условия, алгоритм и режимы выполнения ПКД для ТПЧ, предложен и исследован метод, заключающийся в выполнении контроля и определении работоспособности силовой части ТПЧ с РАИР удвоением частоты и закрытым входом в режимах их нарастающей нагрузки и при пониженной частоте инвертирования.
Литература
- Аитов И., Зиннатуллин Р. Тиристорные источники питания для ответственных электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 2.
- Аитов И. Тиристорные источники питания повышенной мощности для электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 3.
- Зинин Ю. Представление нагрузки при исследовании схемотехнических моделей тиристорных преобразователей частоты для индукционной плавки металлов // Силовая электроника. 2008. № 1.
- Аитов И., Кушекова Э. Повышение надежности тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок // Силовая электроника. 2009. № 1.
- Аитов. И. Л. Исследование тиристорных многомостовых преобразователей повышенной частоты с фазовым регулированием мощности: Дис. канд. техн. наук. Уфа: УАИ, 1974.
- Аитов И. Л., Кацнельсон С. М. Автономные преобразователи частоты: Учеб. пособие. Уфа: УАИ, 1978.
- Патент № 669459 РФ. Автономный инвертор / И. Л. Аитов // БИ. 1979. № 23.
- Последовательный автономный инвертор. А. c. № 936297 РФ / И. Л. Аитов // БИ. 1982. № 22.
- Патент № 18245 UA. Автономный инвертор / Б. В. Лупкин, И. Л. Аитов, Р. З. Самигуллин // БИ. 2006. № 11.
- Воробьев Ю. В. Тиристорные преобразователи частоты для питания многопозиционных индукционных электротермических установок: Дис. канд. техн. наук. Уфа: УАИ, 1983.
- Китушин В. Г. Надежность энергетических систем: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1984.