Система аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 3

Иршат Аитов

Галина Шалупова

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

В настоящее время широкое применение ТПЧ
с АИР, особенно большой мощности, для питания
современных ЭТУ, в том числе с использованием
прогрессивных технологических процессов (ТП),
не терпящих перерыва питания, связано как с экономическими показателями, так и c реализуемыми
функциональными и техническими возможностя-
ми [1–3]. Промышленное применение ТПЧ с АИР
для питания указанных ЭТУ требует обеспечения
повышенной надежности в случаях возникновения
в них аварийных режимов и отказов, так как они ведут к значительным экономическим, экологическим
потерям и даже к опасным ситуациям. Авторами
в [3–8] определены и рассмотрены методы и средства
повышения (обеспечения) надежности, определяющие совокупность таких свойств, как: безотказность,
живучесть, безопасность и ремонтопригодность ТПЧ
с АИР. Следует отметить, что при возникновении
аварийных режимов в ТПЧ с АИР для питания современных ЭТУ важными требованиями и основными методами и средствами обеспечения указанных
свойств надежности являются:

• эффективное ограничение аварийных токов через силовые полупроводниковые приборы (СПП)
  ТПЧ и коммутационных перенапряжений наряду
  с использованием быстродействующих датчиков и
  устройств отключения источника питания АИР;
• применение резервирования силовых ячеек (мостов) АИР наряду с использованием быстродействующих датчиков и устройств отключения аварийного моста, а также переключения работы АИР
  на резервный.

Вопросы построения резервированных ТПЧ с АИР
для питания различных ЭТУ, а также алгоритмы и системы управления ими рассмотрены авторами в [2, 3, 6,
9–15]. Одним из условий практической реализации
требований, выбора методов и средств обеспечения
надежности ТПЧ с АИР является анализ аварийных
процессов, позволяющий выявить специфические
особенности и характер протекания их в ТПЧ с различными группами схем АИР, получить необходимые временные зависимости изменения амплитуды
и длительности протекания аварийных токов через
СПП выпрямителя и АИР. На основе полученных результатов осуществляется выбор методов и средств
ограничения аварийных токов через СПП, разработка
системы быстродействующей защиты и алгоритма
ее работы.

Результаты исследований аварийного процесса
срыва инвертирования в ТПЧ с различными схемами
двух групп АИР (закрытым и открытым входами)
приведены в [16, 17]. Анализ результатов показывает, что для данных групп мостовых АИР с удвоением
частоты и встречными диодами при срыве инвертирования наиболее характерны:

• возникновение в колебательном контуре аварийного моста (для всех рассмотренных схем обеих
  групп АИР) затухающих синусоидальных колебаний, например, i_СК — рис. 8, 9, 11 из [17];
• протекание через тиристоры аварийного моста
  (для обеих групп АИР) затухающего колебательного (выпрямленного) тока другого синфазного
  управляемого моста, подключенного к аварийному
  непосредственно и параллельно, например, i_M2 —
  рис. 7 из [16]; i_M2 — рис. 11 в [17];
• протекание (на начальном этапе аварии) через тиристоры аварийного моста (в схемах АИР с открытым входом, непосредственно — с параллельным
  соединением синфазно управляемых мостов) суммарного значения тока, определяемого входным
  током АИР, затухающими колебательными токами (выпрямленными) других мостов и разрядного
  тока разделительного конденсатора;
• возможность без перегрузки тиристоров по току
  и при допустимой рабочей перегрузке по току
  диодов (тиристоров) выпрямителя отключения
  АИР с открытым входом при использовании
  устройства ускоренного перезаряда (УП) разделительного конденсатора, например, i_d, i_VS1, i_VS2,
  u_VS5 — рис. 12, 13 из [17];
• относительное снижение на начальном этапе аварийного процесса скорости нарастания и величины токов через выпрямитель и тиристоры
  аварийного моста в схемах АИР с закрытым
  входом и раздельным включением через
  входные дроссели двух групп мостов, работающих синфазно, например, i_d, i_VS1, i_VS2,
  i_M1 — рис. 9, 10 из [16];
• значительный спад тока через выпрямитель
  и относительно низкая скорость нарастания
  тока через аварийный мост на начальном
  этапе развития аварийного процесса в схемах АИР с закрытым входом и умножением
  выходного напряжения, например, i_d, i_M1 —
  рис. 11, 12 из [16].

Следует отметить, что две последние из приведенных особенностей характерны только
для группы схем АИР с закрытым входом
и раздельным (через входные дроссели) включением групп мостов. В таких АИР на начальном этапе аварийного процесса образуются
контуры сброса энергии колебательных контуров через соответствующие входные дроссели и встречные диоды других мостов, как это
видно на приведенных в [16] рис. 2б и 3; 9 и 10
(i_М2, i_М(3,4)); 11 и 12 (i_М2, i_М3, i_М4).

Результаты, полученные в [16, 17], и установленные характерные особенности протекания аварийного процесса срыва инвертирования позволяют определить все составляющие
и записать общие выражения для аварийных
токов через тиристоры для рассмотренных
схем обеих групп АИР. Частично эти вопросы были затронуты в [17]. Так, при срыве инвертирования в АИР через силовые вентили
выпрямителя протекает аварийный ток:

где I_d0, U_d — входной ток и входное напряжение АИР в момент наступления аварийного
процесса; L_d — индуктивность цепи короткого замыкания (КЗ), определяемая в основном
индуктивностью входного дросселя; r_кз —
активное сопротивление цепи КЗ, определяемое как r_кз = r_c+r_Ld+r_СПП, причем r_c — сопротивление питающей сети, r_Ld — входного
дросселя, r_СПП — суммарное значение сопротивлений силовых вентилей выпрямителя
и АИР, через которые протекает i_ВП(t). При
этом через тиристоры (VS1, VS2) одномостового АИР с открытым входом будут протекать
соответственно токи i_VS1(t), i_VS2(t), определяемые по выражениям:

где i_ap(t) и i_CK(t) — токи аварийного разряда
разделительного конденсатора C_р и затухающих колебаний, возникающих в цепи коммутирующего контура моста АИР соответственно, причем ток i_CK(t) в первый и далее
в нечетные полупериоды после срыва инвертирования замыкается через VS1 и суммируется в i_VS1(t), а в четные — через VS2 и суммируется в i_VS2(t), что видно из временных диаграмм i_d, i_VS1, i_VS2, i_СК, i_n (рис. 8, 9 [17]). Знак «–»
в выражениях (2) для i_VS1(t) и i_VS2(t) означает,
что в определенные полупериоды колебаний
ток i_CK(t) через данный тиристор не протекает,
т. е. i_CK(t) = 0. Наибольшее влияние i_ap оказывает при малых значениях нагрузки. Так, при
R_н ≈ 0 для i_ap(t) получим:

где ω_р, ρ_р, I_арm — частота, волновое сопротивление и амплитуда тока колебательного
контура разряда конденсатора C_р. Для АИР
с открытым входом и непосредственным параллельным подключением мостов общие
выражения для аварийных токов с момента
t_ср (срыва инвертирования) имеют следующий вид:

где Т, n — соответственно период собственных колебаний и общее число мостов АИР,
что видно из временных диаграмм i_М2, i_d, i_VS1,
i_VS2, i_CK (рис. 11 [17]). В результате на начальном этапе (τ_НЭ, первый полупериод) развития
аварийного процесса выражение (4) примет
следующий вид:

Раздельное включение мостов с использованием индивидуальных входных дросселей L_d1,
L_d2, защитных индуктивностей L_З1, L_З2 и разделительных конденсаторов C_р1, C_р2 позволяет ограничить составляющую i_ap(t), а также
исключить из аварийного тока тиристоров
составляющую i_М(t–Т/2), за исключением
однократного протекания ее через VS2 при
включении встречных диодов моста М2, что
видно на диаграммах i_VS2, i_М2, i_VS1 (рис. 10 [17]).
Схемное ограничение аварийного тока через тиристоры с использованием устройства
УП ускоренного перезаряда C_р позволяет — при
относительно высоком быстродействии датчиков (t_ДТ) срыва инвертирования — исключить
повреждение тиристоров АИР и ВП с медленным спадом тока i_d до нуля, что видно из диаграмм i_VS1, i_VS2, i_М2, i_d и др. (рис. 12, 13 [17]).
Эффективность действия УП в схемах АИР
с открытым входом определяется временами
задержки датчика t_ДТ и перехвата t_П аварийного тока, частотой ω_УП и волновым сопротивлением ρ_УП контура ускоренного перезаряда [18]. Включение в УП дополнительного
конденсатора C₁ позволяет облегчить выбор
требуемых параметров контура перезаряда,
исключить образование цепи КЗ выпрямителя
при повреждениях тиристора VS5 и тем самым повысить надежность ТПЧ с АИР (рис. 3, 13 [17]).

Для схемы АИР с закрытым входом (рис. 2а,
рис. 7 [16]) для аварийных токов через тиристоры получим следующие выражения:

где Т, i_M2 — период собственных колебаний
коммутирующего контура и ток через встречные диоды моста М2. При общем четном числе мостов АИР, равном n>2, выражение (6)
примет следующий вид:

Для схем АИР с закрытым входом (рис. 2б,
рис. 9, 10 [16]) выражения для аварийных токов через тиристоры имеют следующий вид:

В схемах АИР с закрытым входом и умножени-
ем выходного напряжения (рис. 3, рис. 11, 12 [16])
аварийные токи через тиристоры в первый полупериод после срыва инвертирования не превышают расчетного амплитудного значения,
а образование контуров протекания колебательного тока через соответствующие мосты
и входные дроссели позволяет значительно
снизить ток через выпрямитель. При этом получим, что

где i_VD(t) — ток через встречные диоды моста
АИР (М2).

Анализ аварийных процессов, а также опыт
эксплуатации ТПЧ с АИР для питания различных ЭТУ, особенно не терпящих перерыва
питания, показывает, что реализация систем,
обеспечивающих отключение (переключение
на резервное питание) ТПЧ при аварийных
режимах без повреждений СПП, предъявляет
высокие требования к таким основным элементам этих систем, как датчики (ДТ) аварийного режима и тиристорно-конденсаторные
выключатели (ТКВ). К ДТ аварийного состояния предъявляются следующие требования: высокое быстродействие и простота,
селективность и помехоустойчивость, универсальность, потенциальная развязка цепей
ДТ от силовой цепи ТПЧ, отсутствие дополнительных источников питания и др. Наиболее
полно удовлетворяют всем этим требованиям дифференциальные датчики тока (ДТТ),
выполненные на тороидальных сердечниках
и позволяющие получить сигнал практически в самом начале аварийного процесса.
Результаты экспериментальных исследований
таких ДТТ различных конструкций показали
неоспоримые их преимущества — высокое
быстродействие (τ_з≤15 мкс), универсальность
(определение срыва инвертирования, пробоя
тиристоров, встречных диодов, КЗ шин «+»
или «–» на землю, пробоя нулевого диода,
неравномерности загрузки мостов АИР при
параллельном их соединении и др.), потенциальная развязка от силовой цепи и отсутствие
дополнительных источников питания [19].
Тиристорно-конденсаторные выключатели
(ТКВ) являются наиболее быстродействующими, широко используются в системах защиты
различных силовых электронных устройств,
в том числе в ТПЧ с АИР [2, 3, 8, 20, 21].
Рассмотрим процесс отключения в ТПЧ
с АИР открытым входом с использованием
ТКВ и УП (рис. 1) при срыве инвертирования,
где: ВПТ — тиристорный выпрямитель для
питания АИР, состоящего из инверторных
мостов М1,2, разделительного конденсатора
C_р, защитной индуктивности L_З и эквивалентной нагрузки R_НЭ; ВП — выпрямитель
диодный для предварительного заряда коммутирующих конденсаторов C₂, C3 ТКВ и C_р.
Кроме того, ТКВ состоит из тиристоров VS6,7,
зарядных резисторов R1,2,3 и диодов VD6,7
для исключения разряда C₂ (С3) при запирании ВПТ.

Схема УП состоит из тиристора VS5, подключенного к отпайке L_п входного дросселя
L_d1, диода VD5 и дополнительного конденсатора C₁. Рассматриваемая схема ТКВ позволяет
практически мгновенно по сигналам ДТ аварийного состояния отключить ВПТ при срыве
инвертирования, пробое тиристоров (диодов)
в М1,2, пробое VD0 и КЗ шин питания (+), (–)
или нагрузки на землю. При этом заряд конденсаторов C_2,3 осуществляется до напряжения U_C1 = U_C2 = U_d/2. Возможны варианты
выполнения схем ТКВ с зарядом коммутирующих конденсаторов от основного источника питания до U_C1,2 = U_d или U_C1,2 = 2U_d.
Для исследования процессов в ТПЧ с АИР
(рис. 1) при ликвидации аварийного режима
срыва инвертирования с использованием ТКВ
(УП) в системе MATLAB с помощью пакета
Simulink была разработана обобщенная модель, которая приведена на рис. 2, где обозначения блоков и элементов в модели идентичны обозначениям на рис. 1. В модели приведены также блоки управления (СУ), контроля
и измерения параметров (токов, напряжений,
времени), приняты реальные значения СПП,
активных сопротивлений L_k, L_з, L_п, L_d1, питающей сети, а также нагрузки R_НЭ = 0,5 Ом при
Р_н = 125 кВт, fн = 2500 Гц. Параметры элементов ТПЧ и мостов АИР имеют следующие значения: L_d1 = 1,2 мГн, L_п = 6 мкГн, C₁ = 300 мкФ,
L_k0 = 82 мкГн, L_k = 57,4 мкГн, L_з = 24,6 мкГн,
C_к0 = 42,35 мкФ, C_к = 52,9 мкФ, C_р = 500 мкФ,
ρ₀(М1,2) = 1,4 Ом, f₀ = 2700 Гц.

Применение УП без использования КВК
VD0 позволяет ограничить аварийные токи
через тиристоры АИР, а также ликвидировать аварийный режим в ТПЧ без отключения источника питания (рис. 12, 13, i_VS1, i_VS2,
i_d и др. из [17]). Однако это приводит к перегрузке СПП ВП, а в случаях пробоя тиристоров (диодов) АИР и к повторному развитию
аварийного процесса. В этой связи на модели
(рис. 2) был исследован процесс ликвидации
аварийного режима срыва инвертирования
в ТПЧ с АИР (рис. 1) для двух вариантов выполнения защиты при t_ДТ = 20 мкс:

• путем запирания ВПТ с помощью ТКВ при
  наличии VD0 и без блокировки импульсов
  управления М2;
• путем запирания ВПТ с помощью ТКВ при
  наличии VD0, с одновременным использованием УП и без блокировки импульсов
  управления М2.

Рассмотрим далее результаты моделирования процесса ликвидации срыва инвертирования, полученные по соответствующим
вариантам на модели по рис. 2. На рис. 3 и 4
(первый вариант) приведены временные диаграммы соответственно: входного тока i_d АИР,
токов i_VS1, i_VS2 через тиристоры VS1, 2 моста
М1; напряжений u_{VS (ВПТ)} на тиристорах ВПТ
и u_{VS6 (ТКВ)} на тиристоре VS6 ТКВ, тока i_VD0
через диод VD0. На рис. 5 и 6 (второй вариант) приведены соответственно временные
диаграммы: тока i_d АИР и токов i_VS1, i_VS2 через
тиристоры М1; напряжений u_{VS (ВПТ)} на тиристорах ВПТ и u_{VS6 (ТКВ)} на тиристоре VS6 ТКВ;
тока i_VD0 через диод VD0; напряжения u_VS5 (УП)
на тиристоре VS5 УП.

Анализ полученных результатов моделирования показывает, что использование второго
варианта отключения позволяет полностью
исключить перегрузку тиристоров ВПТ и АИР
по току.

Выводы

1. Приведены результаты анализа и характерные особенности аварийного процесса срыва инвертирования в ТПЧ с АИР удвоением
   частоты, встречными диодами, закрытым
   и открытым входами, получены общие выражения для аварийных токов через тиристоры АИР и ВПТ.
2. Сформулированы требования к датчикам
   аварийных режимов, отмечена целесообразность и эффективность использования дифференциальных датчиков тока для
   определения начала аварийных процессов
   в ТПЧ с АИР.
3. Выполнено схемотехническое моделирование процесса отключения ТПЧ с АИР открытым входом при срыве инвертирования,
   получены временные зависимости аварийных токов через тиристоры АИР и ВПТ при
   различных вариантах отключения; отмечена
   высокая эффективность варианта, при котором осуществляется быстрое отключение
   ВПТ с помощью ТКВ с одновременным
   ограничением токов через тиристоры АИР
   с помощью УП без отключения импульсов
   управления мостов, подключенных параллельно аварийному (М2).

Литература

1. Аитов И. Тиристорные источники питания
   повышенной мощности для электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 3.
2. Аитов И. Л. Силовые электронные устройства: Учеб. пособие. Уфа: УГАТУ. 2009.
3. Аитов И., Зиннатуллин Р. Тиристорные источники питания для ответственных электротехнологических установок // Силовая
   электроника. 2008. № 2.
4. Аитов И., Кушекова Э. Повышение надежности тиристорных преобразователей
   частоты для электротехнологических установок // Силовая электроника. 2009. № 1.
5. Аитов И. Л., Кутдусов Ф. Х., Гайнанов Д. А.
   Оценка и пути повышения надежности
   тиристорных преобразователей частоты.
   Преобразовательная техника. Новосибирск:
   Изд-во НЭТИ. 1980.
6. Аитов И., Кушекова Э. Вопросы предпускового контроля резервированных тиристорных преобразователей частоты // Силовая
   электроника. 2009. № 3.
7. Пат. № 2365023 (РФ). Высоковольтный автономный инвертор / И. Л. Аитов, Р. И. Зиннатуллин // Бюл. 2009. № 23.
8. Аитов И. Л. Системы управления и защиты автономных преобразователей частоты:
   Учеб. пособие. Уфа: УАИ. 1979.
9. Аитов И. Л., Кутдусов Ф. Х. Система гарантированного питания для электротехнологических установок // Электричество. 1988. № 4.
10. Аитов И. Л., Кутдусов Ф. Х., Хомяков И. М.
    Вопросы управления резервированными
    системами питания повышенной частоты //
    Электромеханика. 1986. № 9.
11. Аитов И. Л., Кутдусов Ф. Х. Вопросы управления агрегатами бесперебойного питания технологических установок: Методы
    и средства управления технологическими
    процессами: Сб. трудов 2-й международной
    научной конференции. Саранск. 1977.
12. А. с. № 877709 (СССР). Источник бесперебойного питания / И. Л. Аитов, Д. А.
    Гайнанов, Ф. Х. Кутдусов // Бюл. 1991. № 40.
13. А. с. № 1327228 (СССР). Способ управления резервированным резонансным инвертором / И. Л. Аитов, Ф. Х. Кутдусов //
    Бюл. 1987. № 28.
14. А. с. № 856362 (СССР). Резервированный
    преобразователь частоты / И. Л. Аитов,
    Ф. Х. Кутдусов // Зарегистр. в Госреестре
    изобр. СССР 14.04.1981.
15. А. с. № 1304154 (СССР). Способ управления резервированным резонансным инвертором / И. Л. Аитов, Ф. Х. Кутдусов //
    Бюл. 1987. № 14.
16. Аитов И. Вопросы построения систем
    аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 1 // Силовая
    электроника. 2010. № 1.
17. Аитов И., Шалупова Г. Особенности
    построения систем аварийной защиты
    тиристорных преобразователей частоты
    с автономными резонансными инверторами. Часть 2 // Силовая электроника.
    2010. № 2.
18. Аитов И. Л. Ограничение аварийного тока
    в многомостовых тиристорных автономных инверторах с индуктивно-емкостным
    входом // Электромеханика. 1978. № 5.
19. Аитов И. Л., Воробьев Ю. В. Экспериментальное исследование быстродействующих датчиков сквозного срыва
    инвертирования и помех, возникающих в них: Тиристорные преобразователи частоты для индукционного
    нагрева металлов. Уфа: Изд-во УАИ.
    1976. Вып. 91.
20. А. с. № 836719 (СССР). Устройство для защиты мостового тиристорного преобразователя / И. Л. Аитов // Бюлл. 1981. № 21.
21. А. с. № 879698 (СССР). Устройство для
    защиты тиристорного преобразователя /
    И. Л. Аитов, Ф. Х. Кутдусов // Бюлл. 1981.
    № 41.