Особенности построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты с автономными резонансными инверторами. Часть 2

Все статьи цикла:

• Вопросы построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 1
• Особенности построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты с автономными резонансными инверторами. Часть 2
• Система аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 3
• Вопросы проектирования систем и элементов защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 4
• Вопросы проектирования систем и элементов защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 5
• Вопросы проектирования систем и элементов защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 6

Продолжение. Начало в №1’2010

В настоящее время для ЭТУ индукционного нагрева заготовок, открытой и вакуумной плавки металлов и сплавов, литья алюминия в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК), термической и электроэрозионной обработки деталей и изделий, а также других целей широкое применение нашли ТПЧ с различными группами схем АИР, обладающими рядом известных достоинств и преимуществ [1-6]. К таким группам следует отнести:

• схемы АИР с закрытым входом, встречными диодами, удвоением частоты и выходного напряжения;
• схемы АИР с закрытым входом, встречными диодами, удвоением частоты и умножением выходного напряжения;
• схемы АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами;
• схемы АИР с открытым входом, удвоением частоты и отсекающими диодами;
• схемы АИР с открытым входом, отсекающими диодами и умножением частоты.

В каждой из указанных групп схемы АИР классифицируются как по типу силовой ячейки (например, с нулевым выводом, полумостовая, мостовая и т. д.), так и по схеме соединения нескольких ячеек между собой (параллельное, мостовое, каскадное и др.). Такая более подробная классификация схем АИР рассмотрена в [1]. Как показали исследования (в том числе и экспериментальные) аварийных процессов при срыве инвертирования в различных схемах АИР, на требования быстродействия защиты и аварийную нагрузку тиристоров (диодов) значительное влияние в первую очередь оказывает режим работы источника питания АИР (с закрытым, открытым входом), а затем схемы выполнения ячеек и соединения их между собой. Так, в [7] приведены результаты исследования аварийных процессов при срыве инвертирования для схем первых двух классификационных групп АИР с закрытым входом, когда источник питания (например, ВП или тиристорный ВПТ) выполнен с индуктивным фильтром L_d>>L_K0, где L_k0 — эквивалентное значение коммутирующей индуктивности АИР. Полученные результаты являются основой при разработке систем (устройств) защиты (СЗ) ТПЧ с указанными группами схем АИР и позволяют судить о возможности практически исключить выход из строя тиристоров (диодов) при срывах инвертирования.

Отличительным для схем АИР с открытым входом является выполнение ВП (ВПТ) с индуктивно-емкостным L_dC_ф фильтром, при этом Сф(Ср)>>С_к0, где С_к0 — эквивалентное значение емкости коммутирующего конденсатора АИР. Наличие на входе АИР индуктивно-емкостного фильтра приводит при срыве инвертирования, несмотря на быстрое отключение ВП (ВПТ), к протеканию через тиристоры АИР аварийного разрядного тока i_ap, величина и крутизна нарастания которого (особенно в мощных многомостовых АИР), если не принять мер, могут быть недопустимо большими. В этой связи в используемых мостовых схемах АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами используются различные схемные решения, направленные на ограничение тока iapp разделительного (фильтрового) Cp конденсатора, например, путем включения части (частей) коммутирующей индуктивности в цепи Cp или тиристоров, а также и другие решения [1, 2, 5, 8, 9]. Для сравнительной оценки аварийной нагрузки тиристоров (диодов), выбора метода и средств при разработке СЗ, рассмотрим анализ аварийного процесса при срыве инвертирования в ТПЧ с АИР с открытым входом, удвоением частоты, встречными диодами и различными схемами ограничения i_ар, которые находят широкое применение в индукционных ЭТУ мощностью 50-250 кВт, частотой 2-5 кГц. Построение, принцип работы, основные параметры и характеристики таких АИР подробно рассмотрены в [1, 2, 5, 8]. На рис. 1а, б приведены схемы ТПЧ с двумя вариантами одномостовых АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами. Каждая из приведенных схем АИР состоит из тиристоров VS1-4, встречных диодов VD1-4, коммутирующих конденсатора С_к и индуктивности L_k0 = L_K+L₃, где L₃ — защитная индуктивность.

Рис. 1. Варианты одномостовых схем АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами

Питание ТПЧ, состоящего из мостового выпрямителя ВП (ВПТ) и АИР, осуществляется от первичной 3-фазной промышленной сети 50 Гц, U_c = 220/380 В. При этом выходное напряжение ВП составляет = 520 В и подается на вход АИР через входные дроссели L_d1. Нагрузка (управляемый объект УО), представляющая собой в индукционных ЭТУ скомпенсированный нагрузочный колебательный контур с эквивалентным активным сопротивлением включена в цепь разделительного конденсатора Cp. Для ограничения тока iap через тиристоры АиР (рис. 1а) при срыве инвертирования в цепь Cp включена L₃, которая составляет определенную часть L_k0. Во избежание циркуляции колебательного тока внутри инверторного моста, защитная индуктивность выбирается из условия:

L_з≤(0,25-0,3)L_кo. (1)

Кроме ограничения аварийного тока i_ap, включение L_з позволяет также снизить крутизну нарастания du_vs/dt прямого напряжения на тиристорах при рабочих режимах работы АИР [4, 5, 8]. При срыве инвертирования в АИР (рис. 1б) ограничение аварийного тока i_ap в C_p осуществляется L_k0, что более эффективно. Однако такое выполнение и включение L_k0 значительно усложняет конструкцию и увеличивает потери в АИР. В схемах АИР (рис. 1а, б) величина C_p практически выбирается из условия: C_p = 5С_к0, тогда С_к = Cp/4, где С_к0 — эквивалентное значение коммутирующего конденсатора АИР [4, 8]. На рис. 2, 3 приведены схемы ТПЧ с вариантами много-(двух-) мостовых АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами. В схеме на рис. 2 отличительным является то, что инверторные мосты М1 и М2 работают параллельно и подключены к ВП и нагрузке через отдельные L_d1, C_p1, L₃₁ и L_d2, C_p2, L_з2. В результате такого включения относительная величина C_p1, C_p2 уменьшается, а L_з1, L_з2 увеличивается, а также появляется возможность фазового регулирования выходной мощности (напряжения на нагрузке) методом геометрического суммирования токов мостов М1, М2 [1, 4].

Рис. 2. Схема двухмостового АИР с открытым входом и раздельным включением мостов к нагрузке

В схеме на рис. 3 инверторные мосты соединены параллельно, что ведет к относительному увеличению емкости конденсатора Cp и уменьшению L. В результате амплитуда и крутизна нарастания аварийного разрядного тока i_ap в мощных мостовых АИР могут достигать опасных величин и приводить к выходу из строя тиристоров при срыве инвертирования, особенно при малых значениях L₃.

При таком включении инверторных мостов одним из решений является ограничение тока i_ap с помощью специального устройства, путем ускоренного колебательного перезаряда конденсатора C_p через индуктивность L_n, которая составляет часть L_з[9]. Устройство перезаряда (УП) состоит из тиристора VS5, диода VD5 и конденсатора С1 (рис. 3). В общем случае работа УП осуществляется следующим образом. При возникновении срыва инвертирования в М1 аварийный разрядный ток i_ap начинает протекать, например, через тиристоры VS1, 2; далее по сигналу датчика срыва инвертирования блокируются импульсы управления тиристорами М1, М2 АИР, включается VS5 УП и начинается процесс ускоренного перезаряда Ср током перезаряда i_n через VS5, С₁ и L_n. Условиями перехвата и ограничения тока i_аp являются: f_n>f_p, I_nm>I_pmчто достигается соответствующим выбором параметров L_n и С₁, где f_n f_p и I_nm, I_pm — частота и амплитудное значение соответственно токов i_n, i_ар. После перезаряда конденсаторов Ср, С₁ на обратную полярность происходит запирание тиристоров VS1, 2 М1 и VS5 УП.

Рис. 3. Схема АИР с параллельным включением мостов и устройством перезаряда конденсатора С_р

Для сравнительной оценки степени аварийной нагрузки тиристоров и выявления особенностей при сквозном срыве инвертирования напряжение питания U_d, выходная мощность P_n и частота инвертирования f_n были выбраны одинаковыми для всех рассматриваемых схем АИР. Для исследования аварийного процесса срыва инвертирования, получения необходимых данных об аварийной нагрузке тиристоров и диодов, а также выявления особенностей различных схем ограничения аварийного тока i_ар конденсатора С_p для рассматриваемых схем ТПЧ с АИР с помощью пакета Simulink в системе MATLAB были разработаны модели, которые продемонстрированы на рис. 4-7. Обозначения блоков и элементов в моделях идентичны обозначениям на соответствующих рис. 1а, б; рис. 2, 3. Для сокращения количества линий связи и упрощения соединительные точки с одинаковыми потенциалами выполнены в виде треугольников с одинаковыми номерами. В моделях приведены также блоки управления (СУ), контроля и измерения параметров (токов, напряжений, времени). В инвертор-ных мостах М1, М2 управляющие импульсы на каждый тиристор подаются соответственно на входы Control 1, 2, 3, 4. Срыв инвертирования в М1 (рис. 1а, б; рис. 2, 3) имитируется однократной подачей импульса управления на тиристор VS2 в момент отпирания очередных VS1, 3, когда крутизна нарастания напряжения duo/dt на тиристорах VS2, 4 имеет наиболее высокое значение и (или) схемное время восстановления тиристоров t_всс является недостаточным [1]. В моделях при няты реальные значения параметров силовых полупроводниковых приборов (СПП), активных сопротивлений индуктивностей L_k0, L_k, L₃, L_n, L_d1,₂ питающей сети, а также нагрузок Rn == 0,5 Ом (рис.1а, б; рис.2, 3) при Р_н = 125 кВт и f_H = 2500 Гц.

Рис. 4. Модель схемы ТПЧ с АИР по рис. 1а

Рис. 5. Модель схемы ТПЧ с АИР по рис. 1б

Рис. 6. Модель схемы ТПЧ с АИР по рис. 2

Рис. 7. Модель схемы ТПЧ с АИР по рис. 3

Остальные элементы и параметры АИР по рис. 1а, б имеют следующие расчетные значения: L_к0 = 41 мкГн, L_K = 28,7 мкГн, L_з = 12,3 мкГ’н (рис. 1а), С_к = 101,9 мкФ, С_к0 = 84,7 мкФ, при С_р = 500 мкФ; собственная частота и волновое сопротивление колебательного контура f₀ = 2700 Гц, ρ₀ = 0,7 Ом; входные дроссели L_d1 = 900 мкГн.

Для АИР по рис. 2, 3 параметры элементов мостов, соответственно, имеют следующие значения:

• L_K0 = 82 мкГн, L_K = 57,4 мкГн, L_з1= L_з2 = 24,6 мкГн, С_к0 = 42,35 мкФ, С_к = 512,9 мкФ при С_р1 = С_р2 = 211,75 мкФ, f₀ = 2700 Гц, Ρο (М1, 2) = 1,4 Ом, L_d1 = L_d2 = 900 мкГн;
• L_k0 = 82 мкГн, L_K = 57,4 мкГн, L₃ = 24,6 мкГн, С_к0 = 42,35 мкФ, С_к = 52,9 мкФ при С_р = 500 мкФ, f₀ = 2700 Гц, Ρ0 (М1, 2) = 1,4 Ом, L_d1 = 900 мкГн и С₁ = 300 мкФ, L_n = 6 мкГн.

Моделирование аварийного процесса в схеме по рис. 3 выполнено для двух вариантов исполнения ТПЧ с АИР: без использования и с использованием УП ограничения разрядного аварийного тока Ср. Рассмотрим далее результаты моделирования аварийного процесса при срыве работы VS2 в М1, полученные по моделям, показанным на рис. 4-7.

На рис. 8 (модель рис. 4) приведены диаграммы: входного тока i_d1 АИР, токов i_VS1, i_VS2 через тиристоры VS1, 2, тока i_ck в цепи С_к-L_к-М1, тока i_H через нагрузку R_нэ. На рис. 9 (модель рис. 5) — входного тока i_d1 АИР, токов i_VS1, i_VS2 через тиристоры VS1, 2, тока i_ck в цепи С_к-М1, тока i_H через нагрузку R_нэ. На рис. 10 (модель рис. 6) — входного тока i_d1 М1 АИР, токов i_VS1, i_VS2 через тиристоры VS1, 2, тока i_M2 М2. На рис. 11 (модель рис. 7 без УП) — входного тока i_d1 АИР, токов i_VS₁, i_VS₂ через тиристоры VS1, 2 М1, тока i_ck. в цепи С_к-L_к-М1, тока i_M2 М2. На рис. 12, 13 (модель рис. 7 с УП) соответственно — входного тока i_d1 АИР, тока i_VS5 через VS5, токов i_VS1, i_VS2 через тиристоры VS1,2 М1, тока i_M2 М2, а также (рис. 13) тока i_VS5, напряжений u_VS5 на тиристоре VS5 и u_C1 на конденсаторе С₁, тока i_Ср через конденсатор С_р и тока i_VD5 через диод VD5. Во всех приведенных диаграммах момент срыва работы VS2 М1 обозначен как t_cp.

Рис. 8. Временные диаграммы: входного тока i_d1 АИР, токов VS1, VS2 через тиристоры VS1, 2, тока i_ci, в цепи C_K-L_K-M1, тока через нагрузку R_нз (модель рис. 4)

Рис. 9. Временные диаграммы: входного тока i_d1 АИР, токов V i_VS, i_VS2через тиристоры VS1, 2, тока i_ck в цепи С_к-М1, тока i_H через нагрузку R_нз (модель рис. 5)

Рис. 10. Временные диаграммы: входного тока i_d1 М1, токов i_vgl, i_vg2 через тиристоры VS1, 2, тока i_M2 М2 (модель рис. 6)

Рис. 11. Временные диаграммы: входного тока i_d1 АИР, токов i_VS1, i_VS2 через тиристоры VS1, 2 М1, тока i_ck в цепи С_к-1_к-М1, тока i_M2 М2 (модель рис. 7 без УП)

Рис. 12. Временные диаграммы: входного тока i_d1 АИР, тока i_VS5 через VS5 УП, токов i_VS1, i_VS2 через тиристоры VS1, 2 М1, тока i_M2 М2 (модель рис. 7 с УП)

Рис. 13. Временные диаграммы тока i_VS5 и напряжения u_VS5 на тиристоре VS5, напряжения u_c1 на конденсаторе С₁, тока i_Cp через конденсатор С_р и тока i_VS5через диод VD5 (модель рис. 7 с УП)

Анализ результатов моделирования (рис. 8, 9) показывает, что включение L_з = (0,25-0,3)L_к0 в цепь Ср или L_к0/2 в цепи тиристоров АИР (рис. 1а, б) позволяет достаточно эффективно ограничить аварийный разрядный ток i_ap. В результате на начальном этапе τ_НЭ≤0,5Т_Н, где Т_Н = 1/f_H развития аварийного процесса, амплитудные значения аварийных токов i_VS1 и особенно i_VS2 находятся в пределах допустимой рабочей перегрузки (рис. 8, 9). Разница амплитудных значений аварийных токов i_VS1 и i_VS2 на этапе τ_ηЭ, определяется возникновением в колебательном контуре аварийного моста М1 затухающих синусоидальных колебаний (i_ck, рис. 8, 9; i1, i₂, рис. 1а, б), причем ток (рис. 8, 9) вычитается из тока i_VS2, что характерно и для мостовых АИР с закрытым входом, удвоением частоты и встречными диодами [7]. При t>τ_НЭ ток i_сk через половину периода собственных колебаний поочередно суммируется с i_VS1 или i_VS2 (рис. 8, 9) и далее, по мере развития аварийного процесса, затухает, что определяется в основном активным сопротивлением L_K, L_k0 (рис. 1а, б). Для АИР по рис. 1а, б частота затухающих колебаний f_a, f_в, волновое сопротивление p_a, р_б колебательного контура и амплитудные значения тока I_cm(a), I_cm(6) определяются, соответственно, из выражений:

Раздельное включение мостов М1, 2 (рис. 2) позволяет достаточно эффективно ограничить аварийный ток i_ap и влияние параллельно работающего моста (мостов) на аварийный процесс в М1 (рис. 10). При параллельном включении мостов М1, 2 (рис. 3) без УП значения аварийных токов i_VS1, i_VS2 VS1, 2 М1, при t>T_н/2, будет определяться (рис. 11) суммарным значением входного тока i_d1, амплитудными значениями колебательного тока i_ck и тока i_М2 моста М2. Таким образом, тиристоры VS1, 2 М1 (рис. 3) по отношению к своим рабочим значениям токов будут более загружены, чем в остальных рассматриваемых схемах АИР. Применение УП (рис. 3) позволяет ограничить аварийные токи i_VS1, i_VS2 по амплитуде и длительности протекания, а также ликвидировать аварийный режим в ТПЧ без отключения источника питания (рис. 12, 13). Однако этот метод предъявляет более высокие требования к быстродействию датчика аварии t_ДT (рис. 12, 13 — t_ДT = 20 мкс), к динамическим (di_VS/dt) и временным параметрам (t_вк) тиристора VS5 УП, а также требует защиты VS5 от коммутационных перенапряжений (рис. 13). Полученные результаты позволяют установить все составляющие и получить общие выражения для аварийных токов через тиристоры, диоды ВП (ВПТ) и мостового АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами. Рассмотрим это для одномостовых АИР по рис. 1а, б.

При срыве инвертирования в АИР (рис. 1а, б) через диоды (тиристоры) ВП (ВПТ) будет протекать аварийный ток

i_вп(t) = i_d0+i_Э (3)

состоящий из входного тока i_d0 и тока i_Э экспоненциальной формы, нарастающего со скоростью, которая, если пренебречь индуктивностью питающей сети, ограничена постоянной времени L_d1/r_кз, где r_кз— активное сопротивление цепи короткого замыкания. Величина г_кз = r+r_Ld+r_CПП, где соответственно сопротивление питающей сети, входного дросселя и суммарное значение сопротивлений силовых диодов (тиристоров) ВП (ВПТ) и тиристоров АИР (М1), через которые протекает аварийный ток. В результате получим, что

При этом через тиристоры VS1, 2 на этапе τ_нЭ протекают токи iYS1 и i’_VS₂, определяемые выражениями:

Выводы

1. Приведены классификационные группы широко используемых в ЭТУ тиристор-ных АИР с закрытым и открытым входами. Отмечены особенности протекания аварийного процесса при срыве (пробое) работы тиристоров в АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами. Показана необходимость ограничения аварийного разрядного тока разделительного (фильтрового) конденсатора С_р через тиристоры при срыве (пробое) их работы.
2. Выполнено схемотехническое моделирование аварийного процесса при срыве инвертирования в мостовых АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами при использовании различных схем по ограничению аварийного разрядного тока Ср. Получены временные зависимости аварийных токов через тиристоры (диоды) АИР и выпрямителя, на основе которых построены аналитические выражения для определения аварийных токов через них. Показана возможность самоликвидации срыва инвертирования при использовании устройства ускоренного перезаряда разделительного конденсатора.

Литература

1. Аитов И. Л. Силовые электронные устройства: Уч. пособие. Уфа: УГАТУ, 2009.
2. Беркович Е. И., Ивенский Г. И., Иоффе Ю. С., Матчак А. Т., Моргун В. В. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Л.: Энергоатомиздат, 1983.
3. Аитов И. Тиристорные источники питания повышенной мощности для электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 3.
4. Аитов И. Л., Кацнельсон С. М. Автономные преобразователи частоты: Уч. пособие. Уфа: УАИ, 1978.
5. Кацнельсон С. М. Тиристорные умножители частоты: Уч. пособие. Уфа: УАИ, 1978.
6. Кацнельсон С. М. Стабилизация напряжения и эффективность использования тиристоров в умножителях частоты: Уч. пособие. Уфа: УАИ, 1979.
7. Аитов И. Вопросы построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 1 // Силовая электроника. 2010. № 1.
8. Кацнельсон С. М. Тиристорные инверторы со встречно-параллельными диодами и удвоением частоты // Электричество. 1971. № 1.
9. А.С. № 515228 (СССР). Автономный инвертор / И. Л. Аитов // Бюл. 1976. № 19.
10. Аитов И. Л. Ограничение аварийного тока в многомостовых автономных инверторах с индуктивно-емкостным входом // Электромеханика. 1978. № 5.