Особенности проектирования силовых выпрямителей в качестве источников постоянного тока для тиристорных преобразователей повышенной частоты

«Ценя прекрасное одно,
хотя порой и губит нас оно,
полезное мы все браним с упорством».

Жан де Лафонтен. Олень и его отражение.

Основной метод исследований электромагнитных процессов в выпрямителе — это схемотехническое моделирование в программе MicroCAP 9, выполненное с использованием анимированных компонентов и PSpice-моделей полупроводниковых вентилей — тиристоров и диодов.

В выходной цепи выпрямителя, служащего звеном постоянного тока тиристорных преобразователей частоты, включается силовой дроссель с небольшой индуктивностью, порядка 4 мГн. Другая особенность неуправляемого выпрямителя — бесконтактное включение/выключение индуктивной нагрузки при повторно-кратковременных режимах работы. Выпрямитель снабжен быстродействующей защитой от повреждений в выходной цепи, например при замыканиях на «землю».

Рассматриваемый выпрямитель используется в тиристорных преобразователях частоты электротермического назначения мощностью 30–250 кВт с промежуточным уровнем источника нерегулируемого постоянного напряжения 510 В. Описано конструктивное выполнение выпрямителя и приведены параметры основных элементов.

Десятки лет известны основные схемы выпрямления переменного тока, свойства которых, казалось, детально исследованы в многочисленных монографиях, рассмотрены в учебной литературе, описаны в многочисленных источниках технической информации. В настоящее время количество новых публикаций, посвященной этой теме, не уменьшается.

Новые области применения предъявляют специальные требования к выпрямителям. Выбор параметров элементной базы выпрямителей и исследование их свойств необходимо проводить с учетом назначения проектируемого изделия. Например, при проектировании комплексов для индукционного нагрева металлов на основе тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) нет необходимости в регулировании выходного напряжения сетевого выпрямителя, но он должен обеспечивать бесконтактное включение/выключение при повторно-кратковременных режимах работы ТПЧ и возникновении аварийных ситуаций. Очевидным также является применение одинаковых силовых элементов выпрямителя и ТПЧ, а также использование типовых конструкторских решений основных узлов, в частности применение силовых вентилей и дросселей с воздушным или водяным охлаждением.

Схемотехническая модель выпрямителя

Рассмотрим вопросы исследования диодного выпрямителя ТПЧ для индукционного нагрева металлов и существенные особенности его проектирования. Канули в прошлое методы проектирования, основанные на аналитическом расчете эквивалентных схем замещения распространенным методом припасовывания с линейными моделями сугубо нелинейных элементов. Вынужденное пренебрежение параметрами, влияющими на точность расчетов, но усложняющими их проведение, привели к появлению большого количества аналитических методов, которые требовали от инженеров электротехнического профиля знаний специальных разделов математики.

Известны типичные допущения, принимаемые ранее при расчете схем диодных выпрямителей [1]. Силовые вентили идеальны, то есть сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, в обратном — бесконечности. Индуктивность сглаживающего дросселя выпрямителя бесконечно велика, то есть выпрямленный ток абсолютно сглажен. Активные сопротивления обмоток питающего трансформатора равны нулю. Но даже и при этих допущениях, в результате расчетов, часто получаются трансцендентные выражения, не решаемые аналитически, а требующие знания ЭВМ или использования графических методов.

Сейчас при проектировании выпрямителей, как и других устройств силовой электроники, используются математические PSpice-модели полупроводниковых элементов. Параметры современных математических моделей легко сопоставляются с физическими аналогами, они универсальны для использования с различными программами схемотехнического моделирования, которые широко распространены в настоящее время. Интерфейс программ схемотехнического моделирования дружелюбен к пользователям, эти программы не требуют применения специальных разделов математики.

В настоящее время мощные выпрямители (потребляемая мощность которых соизмерима с мощностью питающей сети) исследуются во всех подробностях, интересующих инженера силовой электроники. Методы схемотехнического моделирования позволяют изменять параметры, описывающие PSpice-модели компонентов схемотехнической модели выпрямителя, как это будет показано далее.

На рис. 1 приведена схемотехническая модель исследуемого выпрямителя в программе MicroCAP 9 демонстрационной версии, распространяемой через Интернет фирмой-разработчиком — Spectrum soft [2]. Особенность приведенной модели — это практически полное соответствие принципиальной схеме реального выпрямителя, выполненного на 6 неуправляемых диодах, и бесконтактного тиристорного выключателя, выполненного с использованием тиристоров. Существенные элементы схемы (соответственно модели) — это конденсатор выключателя, обратный диод выпрямителя, дроссель постоянного тока и активная нагрузка выпрямителя.

Рис. 1. Схемотехническая модель выпрямителя для ТПЧ

Величина индуктивности дросселя выпрямителя далее принята равной 4 мГн, что соответствует типовой индуктивности тиристорного преобразователя повышенной частоты, и далека от бесконечной величины, обычно принимаемой при аналитических расчетах. Очень большую индуктивность дросселя постоянного тока в мощном выпрямителе моделировать не нужно, так как практически ее нельзя реализовать.

Выпрямитель подключен к трехфазной сети переменного тока 3 × 380 В × 50 Гц через анимированный, весьма полезный компонент модели — трехфазный контактор Switch1. В схемотехнической модели выпрямителя использованы также другие анимированные компоненты — измерительные приборы Volts и Amps с автоматическим пределом измерений в аналоговом представлении, линейка напряжения Bar1 и светодиод Led1 [3]. Параметры элементов, не критичных для работы схемы, на приведенной модели не отображены, хотя следует отметить, что указание параметров всех элементов обязательно для анализа электромагнитных процессов в схемотехнической модели.

Как будет показано дальше, важные параметры моделирования — это собственная индуктивность в фазах питающей сети выпрямителя (принята равной 30 мкГн) и внутреннее сопротивление источников переменного напряжения (0,01 Ом). Сопротивление RS, начальная фаза PH и амплитуда A источников напряжения синусоидальной формы учтены в их моделях — MODEL PHASE_A SIN (F=50Hz A=310V DC=0 PH=0 RS=1m; MODEL PHASE_B SIN (F=50Hz A=310V DC=0 PH=2.0944 RS=1m; MODEL PHASE_C SIN (F=50Hz A=310V DC=0 PH=4.1888 RS=1m [4].

Исходное состояние схемотехнической модели показано на рис. 1: входной контактор Switch1 разомкнут, оба тиристора бесконтактного выключателя не проводят ток, следовательно, измерительные приборы показывают отсутствие напряжения и тока на выходе выпрямителя.

Для исследования свойств выпрямителя основными компонентами схемотехнической модели являются описания PSpice-моделей полупроводниковых элементов — диодов и тиристоров, число которых в доступных пользователям библиотеках весьма велико. Ведущие мировые фирмы-производители силовых полупроводниковых компонентов, широко распространяют также собственные PSpice-описания моделей.

Нами использованы модели силовых низкочастотных диодов с параметрами, приведенными на рис. 2, на панели в рабочем окне MicroCAP. Второй уровень (Level 2) представления новой модели элемента, названной нами Diod, соответствует PSpice-моделированию. В соответствующем окошке установлено необходимое значение обратного напряжения диода — BV = 800 В, соответствующее диоду 8-го класса по величине обратного напряжения.

Рис. 2. Панель параметров модели диода выпрямителя

Перед расчетом созданной схемотехнической модели двойным кликом мышки включаем анимированные модели переключателей фаз сетевого контактора Switch1 и устанавливаем параметры расчета переходных процессов — Transient Analysis. Указывается максимальный шаг расчета — Maximum Time Step. Опция Auto Scale Ranges (автоматическое масштабирование) устанавливает автоматический диапазон изображения рассчитываемой величины на ее графике после успешного завершения расчета. Отметим, что в случае ошибки пользователя при обработке результатов анализа исходный график восстанавливается опциями Scope (Auto Scale).

Программа MicroCAP 9 работает под управлением распространенной операционной системы Windows XP, что является ее несомненным достоинством. Экспорт графики MicroCAP в документ Word прост, и мы иллюстрируем эту статью рисунками, созданными либо Copy the Visible Portion of Window in BMP Format, из основного меню программы Edit/Copy to Clipboard, либо клавишей Print Screen. Без знаний основных английских технических терминов и освоения многих технических приемов используемых программ схемотехнического моделирования работа с ними не может принести пользы. Моделирование схемы непосредственно инженером силовой электроники позволяет произвести необходимые исследования, например, в объеме этой статьи, оперативно, в течение нескольких часов [5]. Гораздо больше времени занимает описание результатов исследований.

Исследование схемотехнической модели

Далее рассмотрим фазные токи питающей сети, определение коэффициента мощности фаз и величину типовой мощности трансформатора, а также нагрузочную характеристику трехфазного выпрямителя.

В каждый момент времени в трехфазном выпрямителе проводит ток один диод из катодной группы, потенциал анода которого выше, и один диод из анодной группы, потенциал катода которого ниже. В то же время существуют интервалы времени, в которых эквивалентная схема выпрямителя при циклической коммутации тока с одной фазы на другую включает в себя два диода катодной либо анодной группы. Диоды коммутируют (переключают) постоянный ток, который протекает всегда в одном направлении через нагрузку выпрямителя.

На рис. 3 справа показана схемотехническая модель трехфазной сети выпрямителя. Слева приведены временные диаграммы коммутации тока диодов выпрямителя с фазы А на фазу В. Характерная форма тока фазы обусловлена наличием индуктивности в цепи коммутации.

Рис. 3. Длительность процесса коммутации диодов мостовой схемы выпрямителя

Обозначим угол коммутации диодов (γ). Ток через каждый вентиль, в одном периоде промышленной частоты, протекает в течение интервала 2π/3 + γ, остальную часть периода вентиль тока не проводит. Детальное рассмотрение [1] первой гармоники тока фазы показывает, что отрезки синусоид тока можно заменить отрезками прямых, после чего кривая тока будет представлена трапецеидальной формой, имеющую первую гармонику. Для первой гармоники тока cosφ₁ = cos (γ/2).

Косинус угла сдвига фаз первой гармоники cosφ₁ не следует отождествлять с коэффициентом мощности выпрямителя. Вследствие несинусоидальности фазного тока эти величины имеют разные значения. При γ = 0 действующее (эффективное) значение выпрямленного тока равно I = I_выпр × (2/3)^0,5.

На рис. 4 показано влияние индуктивности и активного сопротивления питающей сети на процесс коммутации диодов выпрямителя. Величина индуктивности 30 мкГн определяет длительность интервала коммутации в 280 мкс: этим значением нельзя пренебрегать в сравнении с периодом коммутаций. Число коммутаций диодов за один период частоты 50 Гц равно 6, эта величина характеризует частоту пульсаций (300 Гц) выпрямленного напряжения мостового выпрямителя. Емкостные фильтры для сглаживания амплитуды пульсаций в силовых выпрямителях описываемого назначения не используются. Конденсаторы выпрямителя, применяемые в необходимых случаях, уменьшают амплитуду высокочастотных помех. Отрицательным эффектом увеличения емкости конденсаторов фильтра является протекание сверхтоков при включении выпрямителя. Эти соображения важны для проектирования силовых выпрямителей.

Рис. 4. График напряжения и тока одной фазы сети питания выпрямителя

Исключив все индуктивности из этой схемотехнической модели выпрямителя, получаем минимальную длительность коммутации вентилей — 10 мкс. Длительность коммутации представляет определенный интерес при расчете величины потерь мощности в диодах, определении внешней характеристики и КПД выпрямителя.

На рис. 4 приведен график напряжения и тока одной фазы сети питания выпрямителя. Этот график позволяет иллюстрировать коэффициент мощности фазы питающего напряжения выпрямителя, который определяется углом сдвига первой гармоники тока фазы относительно напряжения на ней.

На рис. 5 приведено семейство кривых тока при изменении нагрузки выпрямителя от 2 до 10 Ом и постоянной величине индуктивности дросселя постоянного тока, равной 4 мГн. На рис. 5 показана погрешность определения коэффициента мощности фазы выпрямителя при изменении его нагрузки. Для практики проектирования силовых устройств точность моделирования электромагнитных процессов свыше 10% не нужна. Подобные изображенным на рис. 5 графики получают при изменении в необходимых пределах с заданным шагом любого параметра указанного компонента или схемотехнической модели. Использование режима Stepping для вариации до 20 параметров возможно в профессиональной версии программы MicroCAP, которая не имеет ограничений бесплатной демонстрационной версии (Evaluation Version), используемой нами.

Рис. 5. Сдвиг заднего фронта тока фазы выпрямителя при изменении активного сопротивления нагрузки

Величина сдвига заднего фронта тока фазы выпрямителя находится в пределах эллипса. Изменение активного сопротивления нагрузки выпрямителя меняет угол проводимости диода меньше чем на 10%, что соответствует изменению коэффициента мощности фазы — cosφ₁ = cos (γ/2).

На рис. 6 слева приведен график, при расчете которого изменялась величина индуктивности дросселя постоянного тока от минимальной величины 1 мГн до максимальной — 4 мГн. Указанные пределы соответствуют диапазону изменения параметров реальных дросселей ТПЧ, для питания которых этот выпрямитель и проектируется. График показывает, что величина тока в указанном диапазоне изменения индуктивности нагрузки выпрямителя практически не меняется. Справа на рис. 6 отображены показания измерительных приборов, соответствующие выпрямителю с нагрузкой, равной 10 Ом.

Рис. 6. Графики изменения тока фазы при постоянной величине активного сопротивления нагрузки выпрямителя и изменении величины индуктивности дросселя постоянного тока

Поделив величину номинального выходного напряжения выпрямителя — 510 В на сопротивление нагрузки — 10 Ом, получаем показания амперметра — 51 А, или соответствующую ей величину рассчитанной временной диаграммы тока фазы — 49,899 А. Анимированные приборы справа на рис. 6 показывают величину выходного напряжения и тока нагрузки, создавая эффект (имитируя) исследования физической модели выпрямителя. Автоматическое масштабирование пределов измерения анимированных приборов создает дополнительные удобства. Проводимые исследования показывают, что введенные в последнюю, 9-ю версию программы MicroCAP анимированные компоненты придают наглядность результатам исследований. Использование анимированных компонентов в схемотехнической модели оказывается особенно удобным для расчетов схемотехнических моделей по постоянному току — DC и Dynamic DC.

График (рис. 6) показывает, почему внешние характеристики трехфазного мостового выпрямителя при изменении индуктивности дросселя постоянного тока практически совпадают. Проведенные исследования свидетельствуют, что любая активно-индуктивная нагрузка, включенная через неуправляемый выпрямитель, потребляет от сети переменного тока, в основном, активную мощность.

Существенное значение для выбора элементов схемы выпрямителя имеет обратное напряжение на диодах. На рис. 7 показана полученная нами форма напряжения на диоде в трехфазной схеме выпрямителя. Кривая напряжения показывает, что максимальное напряжение определяется линейным напряжением фаз питающей сети — Uлин.макс.

Рис. 7. График обратного напряжения диода выпрямителя

Максимальная величина обратного напряжения на силовом вентиле выпрямителя равна амплитуде линейного напряжения питающей сети. Обратное напряжение диодов выпрямителя указывается при выборе параметров диода для схемотехнического моделирования, согласно панели параметров его PSpice-модели, изображенной на рис. 3. Величина обратного напряжения, как и величина прямого тока, — это основной эксплуатационный параметр низкочастотных силовых вентилей. Кстати, вентилем в силовой электронике принято называть диод с номинальным током более 10 А.

Выходное (выпрямленное) напряжение неуправляемого выпрямителя — U_выпр = Uлин.макс. ×3/π = 511 В. Коэффициент мощности диодного выпрямителя определяется следующим образом: χ ≈ U_выпр/Uлин.макс. = 0,9537, погрешность этого выражения невелика и будет рассмотрена далее. Поэтому неуправляемый выпрямитель потребляет из сети практически активную мощность.

Типовая (расчетная) мощность трехфазного трансформатора с неуправляемым выпрямителем всего на 5% больше мощности выпрямленного тока. Это свидетельствует об очень хорошем использовании установленной мощности питающего трансформатора, что является одним из важных преимуществ трехфазной мостовой схемы. При других схемах выпрямления использование питающего трансформатора хуже. При определении типовой мощности трансформатора его рассеяние не учитывают, полагая, что кривая фазного тока имеет прямоугольную форму.

Рассмотрение многих вопросов в статье имеет, в основном, теоретическое значение, так как только для интервала коммутации ток, протекающий через вентиль и в фазе питающей сети, меняется по синусоидальному закону.

На рис. 8 показаны временные диаграммы выходного напряжения и выходного тока выпрямителя. На диаграмме выходного напряжения присутствуют сетевые пульсации выпрямленного напряжения, величина которых не существенна для использования выпрямителя в качестве звена постоянного тока ТПЧ. Справа, на фрагменте рабочего окна схемотехнической модели, изображены измерительные приборы и анимированные элементы индикации выходного напряжения. Отметим еще раз, что показания приборов (справа) совпадают с графиками соответствующих величин (слева). Эквивалентной нагрузке выпрямителя 4 Ом, при величине выходного напряжения 500 В соответствует потребляемая мощность от трехфазной сети переменного тока 65 кВт. Диаграмма изменения выходного напряжения выпрямителя при изменении тока (сопротивления) нагрузки называется нагрузочной (внешней) характеристикой.

Рис. 8. Графики выходного напряжения и выходного тока трехфазного выпрямителя

На длительность коммутации и внешнюю характеристику выпрямителя большое значение оказывают активное сопротивление в фазах трансформатора и величина прямого падения напряжения в вентилях. Уравнение внешней характеристики выпрямителя, то есть зависимость U_выпр = U (I_выпр), относительно длительности коммутации диодов трансцендентно [1]. Графические соотношения показывают, что увеличение сопротивления в фазных цепях увеличивает наклон внешней характеристики выпрямителя.

На рис. 9 показаны внешние характеристики выпрямителя при различной величине активных сопротивлений в фазах питающей сети. Величина тока 500 А соответствует выходной мощности выпрямителя около 250 кВт. КПД этой схемы выпрямителя при номинальном напряжении 510 В, с учетом активных сопротивлений питающей сети, силовых полупроводниковых приборов и дросселя постоянного тока, составляет свыше 95%.

Рис. 9. Внешняя характеристика трехфазного выпрямителя

Бесконтактный выключатель диодного выпрямителя

Для применения в различных электротехнических установках диодный выпрямитель должен иметь возможность бесконтактного включения и отключения постоянного напряжения на нагрузке, в том числе обеспечивать быстродействующую защиту от аварийных режимов эксплуатации. Для этого выпрямитель снабжается тиристорным выключателем постоянного напряжения, показанным на рис. 10.

Рис. 10. Параметры модели тиристора бесконтактного выключателя

На рис. 10 показана панель параметров макромодели из файла SCR — Silicon Controlled Rectifier Macro, в которой установлена необходимая величина напряжения тиристоров: VDRM = 1000 В. Макромодель тиристора описывает эквивалентную схему замещения, выполненную на двух транзисторах различной проводимости. Использование макросов практически не замедляет времени расчетов схемотехнической модели.

При исследовании бесконтактной защиты важно значение емкости коммутирующего конденсатора, которое определяется, в основном, из условия обеспечения времени восстановления управляемости тиристора, с учетом необходимого запаса устойчивости. К преимуществам рассмотренной защиты с использованием конденсаторного бесконтактного выключателя можно отнести высокое быстродействие, обеспечивающее снижение аварийного тока в нагрузке. Момент включения/отключения выпрямителя не должен быть синхронизирован с частотой напряжения питающей сети.

На рис. 11 показана кривая изменения напряжения на проходном тиристоре выпрямителя при его включении/выключении. Для выключения этого тиристора с управляющего электрода снимают импульсы управления и включают противофазный тиристор. Проходной тиристор оказывается под воздействием обратного напряжения подключенного конденсатора, в течение которого он восстанавливает управляющие свойства и затем остается в выключенном состоянии. Конденсатор бесконтактного выключателя перезаряжается и разрывает цепь постоянного тока выпрямителя, отключая нагрузку.

Рис. 11. График включения/выключения выходного напряжения диодного выпрямителя с дросселем постоянного тока

Надежность включения/выключения выпрямителя определяется коммутирующей способностью конденсаторного выключателя [5]. Для надежного выключения тока выпрямителя используются высоковольтные конденсаторы различной емкости. Время восстановления тиристоров выключателя (t_восст, мкс) определяется по классификационным параметрам тиристоров, приведенным в таблице 1.

На рис. 12 изображен график напряжения на проходном тиристоре, при действии бесконтактного выключателя. Семейство аналогичных напряжений, изображенных на рис. 13, показывает инвариантность времени восстановления от варьируемого параметра. Заштрихованный прямоугольник позволяет определить величину скорости изменения прямого напряжения на проходном тиристоре. Полученная максимальная величина du/dt = 2,5 В/мкс, согласно таблице 1, далека от предельно допустимой для исследуемых тиристоров типа ТБ.

Рис. 12. Напряжение на проходном тиристоре при выключении выпрямителя

Рис. 13. Семейство напряжений проходного тиристора при изменении емкости конденсатора бесконтактного выключателя

На рис. 14 показан результат расчета переходного процесса конденсаторного выключателя, который произведен с шагом 0,1 мкс в течение расчетного периода 40 мс, для трех значений емкости конденсаторного выключателя — 50, 100 и 150 мкФ. Видимо, для подобного случая фирма-разработчик MicroCAP предупреждает, что в демо-версии длительность расчетов иногда в 3 раза больше, чем в профессиональной. Проведенные исследования показали, что выключение проходного тиристора встречным током коммутирующего конденсатора сопровождается коротким импульсом обратного тока, который в реальных условиях приводит к повреждению тиристора. На кривой напряжения никаких аномалий не обнаружено.

Рис. 14. Кривая изменения тока при выключении проходного тиристора выпрямителя

Подобную особенность контура коммутации в конденсаторном выключателе, помимо схемотехнического моделирования с использованием весьма точных PSpice-моделей тиристоров, другими методами выявить затруднительно. Величина и форма пикового выброса обратного тока проходного тиристора детально показана на рис. 15. Максимальная величина пика обратного тока проходного тиристора конденсаторного выключателя достигает 1000 А, а его длительность составляет всего 1 мкс. Опасность этого тока в том, что он является причиной деградации параметров тиристоров и в конечном итоге приводит к их повреждению. Применяется простая мера предотвращения такой опасности: включение небольшой индуктивности (порядка 10 мкГн) в рассматриваемый контур коммутации.

Рис. 15. Пик обратного тока проходного тиристора конденсаторного выключателя

На рис. 16 приведен график тока перезаряда конденсатора защиты в контуре с ограничительной индуктивностью 10 мкГн. Ограничение сквозного тока тиристора привело к снижению коммутационного пика до допустимой величины ≈170 А, не опасной для тиристоров.

Рис. 16. График тока перезаряда конденсатора защиты

Особенности практической реализации выпрямителя

Важной функцией рассмотренного выпрямителя тиристорного преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, которые применяются для индукционного нагрева металлов, является отключение ТПЧ от питающей сети переменного трехфазного тока промышленной частоты. Выпрямитель подключается к питающей сети последовательно через рубильник (обеспечивающий видимый разрыв для обеспечения правил ТБ), трехфазный контактор (дистанционное управление) и быстродействующие предохранители (селективность защиты). Кроме этого, выпрямитель снабжается бесконтактным устройством включения/выключения, которое прекращает протекание тока через него при аварийном отключении быстродействующей защитой. Все элементы защиты выпрямителя должны обладать свойством селективности (избирательностью по отношению к причине возможного повреждения элементов). Но обсуждение этого вопроса не входит в задачу наших исследований.

При подключении питающей сети на выходе выпрямителя появляется постоянное напряжение 510 В, которое через специальные резисторы заряжает конденсатор защиты до напряжения ≈480 В. После подачи серии импульсов тока управления на проходной тиристор он включается, обеспечивая протекание выпрямленного тока. Проходной тиристор выполняет функции ключа «Пуск», соединяющего выпрямитель с нагрузкой, а тиристор «Стоп» служит для выключения проходного тиристора с помощью конденсатора защиты.

В случае возникновения аварийных ситуаций на управляющий вывод тиристора защиты начинают поступать импульсы управления, одновременно с проходного тиристора снимаются такие же импульсы. Тиристор «Стоп» включается, и в результате перезаряда конденсатора выключателя до напряжения обратной полярности ток выпрямителя прекращается.

На рис. 16 показан характер изменения напряжения на конденсаторе защиты, с учетом принятых мер по повышению надежности работы конденсаторного выключателя. Надежность этого узла выпрямителя требует использования при проектировании и других приемов. Например, потенциальное управление тиристорами выключателя, примененное при создании рассмотренной схемотехнической модели, в реальном исполнении производится формированием серии высокочастотных импульсных сигналов.

В момент обычного выключения выпрямителя или экстренного срабатывания быстродействующей защиты подается серия импульсных сигналов на тиристор «Стоп» конденсаторного выключателя. Такая схемотехническая модель применяется нами при проектировании реальной схемы выпрямителя, но она сложна для объяснения протекающих в ней электромагнитных процессов. На рассмотренной схемотехнической модели не приведены и другие непринципиальные компоненты схемы — демпфирующие коммутационные перенапряжения цепочки и ограничители напряжения. Более подробное рассмотрение этих вопросов выходит за рамки данной статьи. Для предохранения тиристоров от коммутационных перенапряжений применяют обычные демпфирующие цепи, которые ограничивают скорость нарастания перенапряжения и их амплитуду. Полупроводниковые варисторы ограничивают амплитуду неповторяющихся пиков перенапряжений.

Для надежного отключения тиристорного преобразователя в аварийных режимах производится контроль уровня заряда конденсатора защиты, обеспечивающего гарантированное прерывание тока выпрямителя. При работе тиристорного инвертора ТПЧ на проходной тиристор выпрямителя подаются сигналы управления с частотой примерно 5 кГц. Аварийным режимом для ТПЧ является срыв инвертирования, при котором возникает короткое замыкание цепи постоянного тока. Скорость нарастания аварийного тока ограничивается входным дросселем, поэтому аварийный ток за небольшой отрезок времени не успевает достигнуть значительной величины, опасной для полупроводниковых элементов.

Для включения тиристоров быстродействующей защиты выпрямителя используют положительный импульс, передаваемый импульсным трансформатором, вторичная обмотка которого подсоединяется к управляющему электроду и катоду тиристора. Импульсы управления специальной формы, приближенной к оптимальной для управления силовыми тиристорами повышенной частоты, показаны на рис. 17.

Рис. 17. Оптимальный (1) и реальный (2) импульсы управления тиристором

Допустимая мощность управления для применяемых тиристоров быстродействующего выключателя ограничена и составляет величину 2–6 Вт. Оптимальная форма импульсов для управления тиристорами показана на рис. 17 (кривая 1). Крутой передний фронт импульса уменьшает время задержки при включении тиристора, а его длительность определяется временем нарастания тока тиристора свыше величины тока удержания. Включение тиристора импульсами оптимальной формы уменьшает коммутационные потери мощности, выделяемой на управляющем переходе, и повышает надежность работы системы управления выпрямителем.

Конструкция выпрямителя

На рис. 18 показана типовая конструкция трехфазного выпрямителя, применяемая для ТПЧ с водяной системой охлаждения. Силовые диоды выпрямителей различной мощности — от 30 до 250 кВт (например, Д143-800-18) — установлены между медными охладителями. Диоды после их установки и центрирования изолирующими пластинами стягиваются гайками на шпильках, через стяжки и изоляторы. Проходной тиристор выпрямителя (ТБ 143-400-10) и обратный диод выпрямителя (Д141- 100-13-4) конструктивно объединены с выпрямителем.

Рис. 18. Конструкция выпрямителя на таблеточных диодах с водяным охлаждением

Отдельно расположены остальные элементы схемы выпрямителя: штыревой тиристор защиты (ТБ251-125-9); конденсатор защиты (МБГВ-1000 В-100 мкФ); резисторы ПЭВ-50 сопротивлением 510 Ом и 5,1 кОм; трансформаторы импульсные для управления тиристорами; демпфирующие и защитные элементы.

Все элементы блока выпрямителя охлаждаются от медных охладителей протоком воды. Требования к качеству воды в системе охлаждения обычные, при этом содержание механических примесей — не более 20 мг/л. Эффективность системы водяного охлаждения высокая. Для устранения известкового осадка с внутренних поверхностей охладителей требуется своевременное проведение профилактических работ.

Для подключения выпрямителей к промышленной сети переменного тока рекомендуется применение силовых кабелей с медными жилами, сечение которых указано в таблице 2. Если в качестве силового кабеля используется бронированный кабель, его броня может быть использована для соединения с «землей» выпрямителя.

В процессе разработки мощных ТПЧ нами обоснована необходимость в проектировании нерегулируемых выпрямителей с единичной мощностью до 320 кВт. Приведенная унифицированная конструкция трехфазного выпрямителя может стать основой для проектирования выпрямителей большой единичной мощности. Требуемую от выпрямителей мощность постоянного тока 1 МВт и выше для электротермических преобразовательных установок — кузнечных индукционных нагревателей металла — получают параллельным включением.

Заключение

1. Особенностью неуправляемых трехфазных выпрямителей, мощностью от 30 до 250 кВт, используемых в качестве источников тока для тиристорных преобразователей частоты, является применение дросселей с небольшой индуктивностью — 3–5 мГн.
2. Схемотехническое моделирование электромагнитных процессов в выпрямителе позволяет провести анализ влияния индуктивностей, активных сопротивлений питающей сети и параметров силовых полупроводниковых вентилей на длительность коммутации вентилей и, следовательно, на «жесткость» нагрузочной характеристики выпрямителя.
3. Определение коэффициента мощности для активно-индуктивной нагрузки, подключенной к питающей сети через неуправляемый выпрямитель, практически не имеет смысла.
4. Для эффективного применения и обеспечения селективности защиты неуправляемых выпрямителей в тиристорных преобразователях повышенной частоты необходим быстродействующий бесконтактный выключатель.