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

№ 3’2010
PDF версия
В статье изложены результаты анализа и характерные особенности аварийных процессов, приводятся общие выражения для аварийных токов в тиристорных преобразователях частоты (ТПЧ) с автономными резонансными инверторами (АИР) для электротехнологических установок (ЭТУ), сформулированы требования к датчикам аварийного состояния и рассмотрены вопросы использования быстродействующих дифференциальных датчиков тока. Описано моделирование в среде MATLAB с помощью инструментов пакета Simulink процесса ликвидации аварийного режима с использованием тиристорно-конденсаторного выключателя (ТКВ) в ТПЧ с АИР удвоением частоты и открытым входом.

Иршат Аитов

Галина Шалупова

Все статьи цикла:

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, iСК — 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, iM2
    рис. 7 из [16]; iM2 — 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, id, iVS1, iVS2,
    uVS5 — 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, id, iVS1, iVS2,
    iM1 — 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, id, iM1
    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
(iМ2, iМ(3,4)); 11 и 12 (iМ2, iМ3, iМ4).

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 Id0, Ud — входной ток и входное напряжение АИР в момент наступления аварийного
процесса; Ld — индуктивность цепи короткого замыкания (КЗ), определяемая в основном
индуктивностью входного дросселя; rкз
активное сопротивление цепи КЗ, определяемое как rкз = rc+rLd+rСПП, причем rc — сопротивление питающей сети, rLd — входного
дросселя, rСПП — суммарное значение сопротивлений силовых вентилей выпрямителя
и АИР, через которые протекает iВП(t). При
этом через тиристоры (VS1, VS2) одномостового АИР с открытым входом будут протекать
соответственно токи iVS1(t), iVS2(t), определяемые по выражениям:

где iap(t) и iCK(t) — токи аварийного разряда
разделительного конденсатора Cр и затухающих колебаний, возникающих в цепи коммутирующего контура моста АИР соответственно, причем ток iCK(t) в первый и далее
в нечетные полупериоды после срыва инвертирования замыкается через VS1 и суммируется в iVS1(t), а в четные — через VS2 и суммируется в iVS2(t), что видно из временных диаграмм id, iVS1, iVS2, iСК, in (рис. 8, 9 [17]). Знак «–»
в выражениях (2) для iVS1(t) и iVS2(t) означает,
что в определенные полупериоды колебаний
ток iCK(t) через данный тиристор не протекает,
т. е. iCK(t) = 0. Наибольшее влияние iap оказывает при малых значениях нагрузки. Так, при
Rн ≈ 0 для iap(t) получим:

где ωр, ρр, Iарm — частота, волновое сопротивление и амплитуда тока колебательного
контура разряда конденсатора Cр. Для АИР
с открытым входом и непосредственным параллельным подключением мостов общие
выражения для аварийных токов с момента
tср (срыва инвертирования) имеют следующий вид:

где Т, n — соответственно период собственных колебаний и общее число мостов АИР,
что видно из временных диаграмм iМ2, id, iVS1,
iVS2, iCK (рис. 11 [17]). В результате на начальном этапе (τНЭ, первый полупериод) развития
аварийного процесса выражение (4) примет
следующий вид:

Раздельное включение мостов с использованием индивидуальных входных дросселей Ld1,
Ld2, защитных индуктивностей LЗ1, LЗ2 и разделительных конденсаторов Cр1, Cр2 позволяет ограничить составляющую iap(t), а также
исключить из аварийного тока тиристоров
составляющую iМ(tТ/2), за исключением
однократного протекания ее через VS2 при
включении встречных диодов моста М2, что
видно на диаграммах iVS2, iМ2, iVS1 (рис. 10 [17]).
Схемное ограничение аварийного тока через тиристоры с использованием устройства
УП ускоренного перезаряда Cр позволяет — при
относительно высоком быстродействии датчиков (tДТ) срыва инвертирования — исключить
повреждение тиристоров АИР и ВП с медленным спадом тока id до нуля, что видно из диаграмм iVS1, iVS2, iМ2, id и др. (рис. 12, 13 [17]).
Эффективность действия УП в схемах АИР
с открытым входом определяется временами
задержки датчика tДТ и перехвата tП аварийного тока, частотой ωУП и волновым сопротивлением ρУП 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, iM2 — 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 iVD(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 (τз≤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
Cр, защитной индуктивности LЗ и эквивалентной нагрузки RНЭ; ВП — выпрямитель
диодный для предварительного заряда коммутирующих конденсаторов C2, C3 ТКВ и Cр.
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 Lп входного дросселя
Ld1, 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 C2,3 осуществляется до напряжения UC1 = UC2 = Ud/2. Возможны варианты
выполнения схем ТКВ с зарядом коммутирующих конденсаторов от основного источника питания до UC1,2 = Ud или UC1,2 = 2Ud.
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 Lk, Lз, Lп, Ld1, питающей сети, а также нагрузки RНЭ = 0,5 Ом при
Рн = 125 кВт, fн = 2500 Гц. Параметры элементов ТПЧ и мостов АИР имеют следующие значения: Ld1 = 1,2 мГн, Lп = 6 мкГн, C1 = 300 мкФ,
Lk0 = 82 мкГн, Lk = 57,4 мкГн, Lз = 24,6 мкГн,
Cк0 = 42,35 мкФ, Cк = 52,9 мкФ, Cр = 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, iVS1, iVS2,
id 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 tДТ = 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 id АИР,
токов iVS1, iVS2 через тиристоры VS1, 2 моста
М1; напряжений uVS (ВПТ) на тиристорах ВПТ
и uVS6 (ТКВ) на тиристоре VS6 ТКВ, тока iVD0
через диод VD0. На рис. 5 и 6 (второй вариант) приведены соответственно временные
диаграммы: тока id АИР и токов iVS1, iVS2 через
тиристоры М1; напряжений uVS (ВПТ) на тиристорах ВПТ и uVS6 (ТКВ) на тиристоре VS6 ТКВ;
тока iVD0 через диод VD0; напряжения uVS5 (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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *