Шунтирующий вентиль повышает надежность и долговечность тиристорных систем возбуждения

№ 1’2017
PDF версия
В системах тиристорного возбуждения электромашин и аппаратов используют мостовые выпрямители, обеспечивающие форсированное нарастание и снижение тока. Как показано авторами, более рационально использовать схему с шунтирующим тиристором.

Выпрямители с шунтирующим вентилем снижают потребление реактивной и активной мощности и потери энергии и получили наибольшее применение в основном электроприводе постоянного тока [1]. Известно также их использование в так называемом вентильном каскаде — приводе с асинхронным двигателем с фазным ротором и инвертором, применяемым в мощных перекачивающих установках. Мало известно об использовании таких выпрямителей в системах питания различных намагничивающих устройств (систем возбуждения генераторов, в мощных магнитах). Как нам представляется, именно там они способны обеспечить значительный эффект, состоящий в продлении срока жизни изоляции.

Приведем два примера из практики. В 2001 г. на одной ГРЭС произошел пробой изоляции ротора генератора. Коротко сообщим, что обмотка ротора представляет собой голые медные шины (для улучшения охлаждения, ибо ток составлял порядка 4 кА), вложенные в пазы на изоляционные стеклотекстолитовые прокладки (толщиной порядка 1 мм). Произошло это через пару лет эксплуатации. В ходе обследования выяснилось, что запущенный в работу на несколько лет раньше аналогичный генератор на географически близкой другой ГРЭС успешно работает. Разница в условиях эксплуатации оказалась мизерной — в выпрямителе на второй ГРЭС в RС-цепи, защищающей тиристоры от перенапряжений в процессе переключения, использовались в два раза большие по емкости конденсаторы. Казалось бы, какое это влияние оказывает на цепь выпрямленного тока? Оказывается, это имеет значение, ибо импульсы перенапряжений, связанных с коммутацией тиристоров, наличествуют и в кривой выпрямленного напряжения [2]. Принимая во внимание известный факт — сокращение срока службы кабелей в промышленных сетях электроснабжения с вентильными нагрузками до двух-трех лет, вполне естественно было предположить, что здесь имеет место аналогичный эффект: ускоренное сокращение продолжительности жизни изоляции стеклотекстолита под действием импульсов напряжения, имеющих собственную частоту порядка 10 кГц. Частота же повторения этих коммутационных импульсов 200 Гц [3]. Напомним, что, например, кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена на частоте 10 кГц имеет пробивное напряжение в четыре-пять раз ниже, чем на постоянном токе. Величина номинального напряжения выпрямителя невелика — 600–800 В, но учитывая, что из-за необходимости форсировки выпрямитель работает с номинальными углами регулирования порядка 80 эл. градусов, регулярные импульсы напряжения с частотой выпрямления 300 Гц становятся значительными. Cреди других версий были: некачественный текстолит, механические истирания текстолита вследствие качаний (угла) ротора из-за переменного графика нагрузок и т. п.

Другой похожий случай произошел совсем недавно. При эксплуатации системы намагничивания в тиристорном выпрямителе с линейным напряжением 11 кВ/300 А и низким (около 500 В) выходным напряжением использовались резисторы UXP600 (допустимое напряжение изоляции 6 кВ/50 Гц) водяного охлаждения в RС-цепях. После двух лет эксплуатации был зафиксирован пробой двух тиристоров и небольшое плавление/возгорание стопки (стека) тиристоров. Еще через два года эксплуатации там же были зафиксированы пробои пяти тиристоров 60 класса в плечах выпрямителя (шесть тиристоров последовательно в одном плече выпрямителя) и пробои керамической изоляции упомянутых резисторов (толщина керамики 1,2 мм) (рис. 1).

Пробои керамической изоляции резисторов

Рис. 1. Пробои керамической изоляции резисторов

На рис. 2 приведен фрагмент схемы выпрямителя: одиночный тиристор с RС-цепью и охладителем. Номинальный угол регулирования выпрямителя приблизительно такой же, как и в предыдущем примере. Максимальный пик напряжения (импульсное), прикладываемого к тиристору и, соответственно, к резистору, может быть рассчитан как

Uпик = 1,41 × 1,1 × 0,16 × 1,25 × 1,65 × 1,16 × 11 = 6,54 кВ,

где 1,41 — переход к амплитуде; 1,1 — учет неравномерности деления напряжения между последовательно включенными (шесть) тиристорами в плече; 0,16- (1/6); 1,25 — учет возможного повышения напряжения сети; 1,65 — учет коммутационного выброса напряжения; 1,16 — учет срабатывания релейной защиты на закрытие импульсов моста (или отключения от сети) при пробое одного из тиристоров в плече; 11 кВ — линейное напряжение сети.

Схема тиристорной ячейки

Рис. 2. Схема тиристорной ячейки
(Т — тиристор, О — охладитель)

Между тем, и резистор имеет номинальную амплитуду напряжения 6 × 1,41 = 8,5 кВ, то есть был выбран правильно.

В связи с этим нами было обращено внимание на возможность использования выпрямителя с шунтирующим вентилем. Нужно сказать, что установка такого вентиля вовсе не обязательна, если использовать так называемое двукратное включение [1] тиристоров в трехфазном мостовом выпрямителе. В этом случае на тиристоры выпрямителя, кроме основных регулирующих импульсов управления, подаются дополнительные импульсы с углами регулирования –60 эл. градусов. Если инверторный режим не требуется, то вместо шунтирующего тиристора (ШТ) устанавливают диод. При использовании инверторного режима ШТ в выпрямительном режиме всегда включен (или используется импульсное управление им), а в инверторном режиме ШТ выключен. Отметим также, что шунтирующий вентиль проводит ток только в диапазоне с углами регулирования 60–120 эл. градусов. При меньших углах указанный вентиль не проводит ток. Управление таким выпрямителем несколько усложняется [4].

Схема питания нагрузки от выпрямителя

Рис. 3. Схема питания нагрузки от выпрямителя

Было проведено моделирование режимов трехфазного мостового выпрямителя в схеме (рис. 3) для двух вариантов: обычного управления и с ШТ (или двукратным управлением). Для первого режима результаты верифицировались с реальным преобразователем.

Потребление реактивной мощности Q

Рис. 4. Потребление реактивной мощности Q

На рис. 4 показано потребление реактивной мощности Q, размах пульсаций тока ΔI — на рис. 5, а на рис. 6 приведены графики максимальных пиков напряжения Uпик, полученные в результате моделирования.

Размах пульсаций тока ∆I

Рис. 5. Размах пульсаций тока ∆I

Графики максимальных пиков напряжения

Рис. 6. Графики максимальных пиков напряжения.
Зависимость Uпик = f(Id):
ряд 1 — обычный мост;
ряд 2 — мост с шунтирующим вентилем

На рис. 7 приведены кривые процессов. Обращает на себя внимание прежде всего тот факт, что в обычной схеме режим непрерывного тока начинается при токах свыше 180 А, в схеме с шунтирующим вентилем — 4 А. Именно в режиме прерывистого тока заметны значительные импульсы напряжений в кривой выпрямленного напряжения, исчезающие при переходе в режим непрерывного тока. В связи с этим важен правильный расчет границ непрерывного тока. Пренебрегая активным сопротивлением сглаживающих дросселей и трансформатора, можно утверждать, что пульсация тока (его перепад от минимального до максимального значений) определяется интегралом превышения выпрямленного напряжения над его средним значением. На рис. 8 приведены кривые, позволяющие определить зависимость пульсаций от угла регулирования a, а в таблице указаны максимальные значения этого коэффициента.

Осциллограммы выпрямленного напряжения

Рис. 7. Осциллограммы выпрямленного напряжения (Ud);
выпрямленного тока (Id);
тока сети (Iвх) при различных токах нагрузки для обычного выпрямителя
(симметричный режим) и с двукратным включением (ШТ)

Таблица. Максимальные значения коэффициента

№ схемы

1

2

3

4

5

6

7

kmax

1,57

0,97

0,605

0,443

0,384

0,1422

0,1184

Значение kmax — максимальная величина на графике рис. 8.

Зависимость коэффициента k от угла регулирования

Рис. 8. Зависимость коэффициента k от угла регулирования:
1 — однофазная мостовая схема или двухполупериодная нулевая;
2 — то же, но с ШТ; м3 — трехфазная нулевая;
4 — то же, но с ШТ;
5 — трехфазная мостовая полууправляемая;
6 — трехфазная мостовая;
7 — то же, но с ШТ

Размах пульсации тока в амперах определяется как k Ud0:

ΔI = w × L,

где k — коэффициент (см. рис. 8); Ud0 — максимально возможное выпрямленное напряжение в схеме (при угле регулирования, равном нулю), [В]; w = 314 (если сеть 50 Гц); L — индуктивность в цепи выпрямленного тока в сумме с индуктивностями рассеяния питающего выпрямитель трансформатора, [Гн].

Предполагая, как это часто принято и видно из рассмотрения рис. 7, что пульсация тока имеет синусоидальный характер, получим, что граничное значение тока, при котором он переходит из непрерывного режима в прерывистый и наоборот, равно:

Iгр = 0,637 ΔI.

Хотелось бы также обратить внимание на то, что использование схемы с шунтирующим вентилем значительно снижает потери энергии в RС-цепях, устанавливаемых параллельно тиристорам для снижения перенапряжений.

Таким образом, для повышения надежности и долговечности тиристорные системы возбуждения с большой кратностью форсировки должны использовать вентиль, шунтирующий выпрямительный мост, или эквивалентный этому режим управления.

Литература
  1. Маевский О. А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М: Энергия, 1978.
  2. Поссе А. В.Схемы и режимы электропередач постоянного тока. Л: Энергия, 1973.
  3. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках. М: Энерго­атомиздат, 1992.
  4. Пат. № 2264686 кл. Н02М7/12 (РФ). Способ управления выпрямителем с шунтирующим тиристором.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.