Вопросы предпускового контроля резервированных тиристорных преобразователей частоты
Эльнара Кушекова
Иршат Аитов
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.