Вопросы проектирования систем и элементов защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 5

Применительно к ТПЧ с АИР в работе [1] рассмотрены наиболее характерные виды аварийных режимов и причины, вызывающие их; сформулированы с учетом главных задач основные требования и этапы исследовательских работ, на основе результатов выполнения которых осуществляется выбор методов, средств и разработки современных СЗ. В этой связи следует отметить, что анализ аварийных процессов и выявление специфических особенностей протекания их в ТПЧ с различными схемами АИР позволяет установить временные зависимости изменения аварийных токов через силовые полупроводниковые приборы (СПП) выпрямителя и АИР. С учетом их перегрузочной способности затем можно определить быстродействие СЗ (t_CЗ) и выбрать метод и средства защиты. Анализ аварийных процессов для различных мостовых схем двух групп АИР с удвоением частоты и встречными диодами приведен в [1–3], где по результатам моделирования получены обобщенные выражения для аварийных токов через СПП выпрямителя и АИР. Анализ временных диаграмм соответственно и полученных выражений аварийных токов, а также экспериментальные исследования и опыт промышленной эксплуатации показывают, что наиболее нагруженными (уязвимыми) при срыве инвертирования являются тиристоры групп схем АИР с открытым входом повышенной мощности при непосредственной параллельной работе нескольких мостов на общую нагрузку. В таких схемах, если не принять дополнительных мер, срыв инвертирования приводит к выходу из строя тиристоров АИР, несмотря на быстрое отключение выпрямителя, из-за большой крутизны нарастания амплитуды и длительности протекания аварийного тока (см. i_vs1(t), i_vs2(t)) через тиристоры [3]. Ряд схемотехнических решений по ограничению аварийного тока для определенного круга схем и выходных параметров таких АИР рассмотрен в [2–6]. Однако вопросы эффективного надежного ограничения аварийного тока через тиристоры, особенно АИР с открытым входом, остаются актуальными.

В данной работе рассматривается, применительно к мостовым схемам АИР с открытым входом, метод бесконтактной защиты, позволяющий эффективно ограничить аварийные токи как через тиристоры ВПТ, так и через тиристоры АИР. Метод был сформулирован авторами в [7, 8], применен и рассмотрен для ограничения аварийных токов в СЗ схем АИР с закрытым входом [8–10] и заключается в принудительном ограничении аварийного тока и запирании тиристоров АИР с помощью КВК с одновременным блокированием работы БУВ и БУИ. По данному методу коммутационными элементами в СЗ ТПЧ с АИР являются непосредственно тиристоры ВПТ и АИР, через которые протекают аварийные токи. В зависимости от схем АИР, например числа и схем подключения параллельно работающих мостов (ячеек), возможны различные варианты выполнения и алгоритмы работы СЗ, некоторые из которых будут рассмотрены далее. Применительно к ТПЧ с АИР с открытым входом, широко используемыми в установках индукционного нагрева металлов, рассмотрим два варианта схемотехнической реализации их, а также структуру и алгоритмы работы бесконтактной СЗ по данному методу. На рис. 1 для ТПЧ с двумя вариантами выполнения АИР и бесконтактными СЗ приведены их обобщенные функциональные схемы, которые состоят из одномостового АИР1М (рис. 1а) и двухмостового АИР2М (рис. 1б), питание которых осуществляется от трехфазной промышленной сети 50 Гц с U_C = 220/380 В через резервный автоматический выключатель АВ, мостовой тиристорный выпрямитель ВПТ с шунтирующим диодом VD0, входную индуктивность L_вх, при этом нагрузка R_нэ включена в цепь разделительного конденсатора C_p (C_p>>C_к), а управление АИР и ВПТ осуществляется соответственно блоками БУИ и БУВ; бесконтактной СЗ, состоящей из КВК, блоков быстродействующих датчиков БДТ, защиты БЗ и управления КВК БУК. В одномостовых АИР (например таких, как на рис. 1а) индуктивность L_з, которая является частью общей коммутирующей индуктивности L_о, включается в цепь C_p и выбирается из условия: L_к≥0,7L_о; L_з≤0,3L_o,
а L_o = L_з+L_к [11].

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема СЗ ТПЧ: а) с АИР1М; б) с АИР2М

Это позволяет ограничить как крутизну нарастания и амплитуду аварийного разрядного тока C_p через тиристоры, так и крутизну нарастания напряжения (dU_a/dt) на тиристорах при рабочих режимах работы АИР [6, 11]. Однако при параллельном включении и работе нескольких мостов АИР на одну нагрузку с общим C_p и L_з, величина L_з будет весьма малой, так как в этом случае, при числе мостов n, получим: L_з≤0,3(L_o/n), где L_o — общая коммутирующая индуктивность каждого моста. Поэтому авторами предложено подключать каждый из мостов к ВПТ (L_вх) и цепи нагрузки (C_p, R_нэ) через индивидуальные L_з, а к КВК через индивидуальные коммутирующие тиристоры (VS5, VS6), как это показано на рис. 1б [6, 8]. При этом величина L_з не зависит от числа мостов и определяется по величине L_o одного отдельного моста, что позволяет более эффективно ограничивать скорость развития аварийного процесса и амплитуду аварийного тока через тиристоры любого моста.

Основные схемы, режимы и принципы работы, основные параметры и характеристики мостовых АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодами описаны в [2, 3, 6, 8, 11–13]. Рассмотрим подробнее возможные алгоритмы и принципы работы СЗ (рис. 1) применительно к ТПЧ с одномостовым (рис. 1а) и двухмостовым (рис. 1б) АИР с открытыми входами. Работа СЗ осуществляется следующим образом: перед пуском АИР1М конденсатор C1 КВК заряжен с указанной полярностью до напряжения U_c1, которое поддерживается на этом уровне в процессе всего этапа работы ТПЧ, что является одним из важных условий надежной работы всей СЗ; когда на рабочем этапе происходит срыв инвертирования, например одновременно открыты тиристоры VS1, VS2, через которые начинают протекать аварийные токи i_vs1 и i_vs2 [3], далее блок БЗ выдает сигнал u_БЗ с некоторой задержкой t_дт, определяемой, в основном, быстродействием блока БДТ, который одновременно блокирует работу БУВ, БУИ и включает БУК, т. е. VS5 КВК. В результате конденсатор C1 колебательно разряжается через L1 током i_c1 встречно аварийным токам i_vs1, i_vs2, и при i_c1≥i_vs1, i_vs2 выключаются аварийные тиристоры VS1, VS2. Далее конденсатор C1 продолжает перезаряжаться на обратную полярность, и при i_c1 = 0 запирается VS5, к которому прикладывается обратное напряжение, равное u_vs5 = u_c1–u_cp. При этом токи i_d, i_ck замыкаются по цепи, состоящей из C_p, L_з и R_нэ (i_н) и, по мере заряда C_p, спадают до нуля, а тиристоры ВПТ и АИР1М выключаются. Отличием в работе СЗ ТПЧ с многомостовым АИР (в данном случае АИР2М, рис. 1б) является возможность реализации двух алгоритмов аварийного отключения:

• как и в ТПЧ с одномостовым АИР1М, путем принудительного запирания тиристоров аварийного моста, например М1 (рис. 1б), с помощью КВК (включается VS5) и одновременным блокированием работы БУВ и БУИ обоих мостов, т. е. М1 и М2;
• путем запирания тиристоров аварийного моста М1 с помощью КВК, одновременным блокированием работы БУВ и БУИ аварийного моста М1, с последующим блокированием работы БУИ моста М2 (или (n–1) мостов) при достижении тока i_d = 0.

Для исследования по описанному выше методу процессов аварийного отключения ТПЧ с АИР1М, ТПЧ с АИР2М были разработаны обобщенные схемотехнические модели в системе MATLAB+Simulink, которые приведены соответственно на рис. 2, где обозначения блоков и элементов идентичны обозначениям на рис. 1. При этом датчики тока включены в соответствующие плечи мостов (рис. 1) и позволяют одновременно контролировать токи i_vs1, i_vs2 через тиристоры VS1, VS2 и встречные диоды VD1, VD2.

Рис. 2. Обобщенная схемотехническая модель процесса аварийного отключения ТПЧ: а) с АИР1М; б) с АИР2М

В модели приняты реальные значения параметров всех СПП, активных сопротивлений индуктивностей L_вх, L_к, L_з, L₁, питающей сети U_c, а также нагрузки R_нэ при входных мощностях P_вх1 = 130 кВт (АИР1М), P_вх2 = 265 кВт (АИР2М), напряжении U_d = 520 В, частоте инвертирования f_н = 2500 Гц. Исследования проводились для характерного аварийного режима рассматриваемых АИР — сквозного срыва инвертирования при максимальных значениях входного тока (мощности) I_d1 = 250 А (P_вх1 =130 кВт), I_d2 = 510 А (P_вх2 = 265 кВт), при двух алгоритмах аварийного отключения для АИР2М (рис. 1б, модель рис. 2б). Для обеих схем при исследованиях аварийного отключения принимались завышенные значения времени t_дт задержки срабатывания СЗ t_дт = 25(35) мкс при реальных значениях 12–15 мкс. Рассмотрим результаты моделирования процесса аварийного отключения по данному методу (первый алгоритм) для ТПЧ с АИР1М, полученные на модели рис. 2а, при следующих параметрах ТПЧ и КВК:

L_вх = 600 мкГн;

C_p = 500 мкФ;

R_нэ = 0,5 Ом;

L_к = 28,7 мкГн;

L_з = 12,3 мкГн;

C_к = 101,9 мкФ;

C₁ = 100 мкФ;

L₁ = 3 мкГн;

U_c1 = 400 В.

На рис. 3 и 4 соответственно приведены временные диаграммы токов и напряжений: i_d, u_c1, i_c1, u_vs5 (рис. 3а, 4а); i_vs1, i_vs2, i_н, u_cp (рис. 3б, 4б) при аварийном отключении ТПЧ с АИР1М, значениях I_d1 = 250 А (P_вх1 = 130 кВт); t_дт = 15 мкс (рис. 3) и t_дт = 25 мкс (рис. 4).

Рис. 3. Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР1М при t_дт = 15 мкс: а) i_d, u_c1, i_c1, u_vs5; б) i_vs1, i_vs2, i_н, u_cp

Рис. 4. Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР1М при t_дт = 25 мкс: а) i_d, u_c1, i_c1, u_vs5; б) i_vs1, i_vs2, i_н, u_cp

Анализ результатов по рис. 3 и 4 показывает весьма высокую эффективность аварийного отключения ТПЧ с АИР1М по данному методу: амплитуда и длительность аварийных токов i_vs1, i_vs2 через тиристоры VS1, VS2 значительно ниже, чем при установившемся рабочем режиме, что определяется t_дт и параметрами КВК; выключение ВПТ осуществляется также без перегрузки тиристоров, и ток i_d спадает плавно; после выключения тиристоров АИР1М и VS5 КВК к нему прикладывается обратное напряжение u_vs5 = u_c1–u_cp, а конденсатор C_p заряжается по мере плавного спада токов i_d, i_н, i_ck до нуля, что позволяет осуществить и сократить время повторного пуска АИР1М после предварительного перезаряда С1 КВК с исходной полярностью. Выбор параметров КВК осуществляется следующим образом: по формулам (1–5), приведенным в [3], определяются аварийные токи через тиристоры при t = t_дт, т. е. i_vs1(t_дт), i_vs2(t_дт) с учетом P_вхmax, амплитуды I_apm и частоты ω_p аварийного разрядного тока C_p; затем рассчитываются параметры колебательного контура C1, L1 КВК и напряжение U_c1 согласно приведенным ниже условиям и выражениям:

Рассмотрим результаты моделирования аварийного отключения ТПЧ с АИР2М (рис. 1б) по двум указанным выше алгоритмам при следующих параметрах ТПЧ и КВК: параметры М1 и М2 идентичны параметрам моста по рис. 1а:

L_вх = 1,2 мГн;

C_p = 1200 мкФ;

R_нэ = 0,25 Ом;

L_з = 12,3 мкГн;

L₁ = 3 мкГн;

C₁ = 200 мкФ;

U_c1 = 400 В.

На рис. 5 и 6 приведены временные диаграммы: i_d, i_vs1, i_vs2, i_c1 (рис. 5а, 6а); i_н, i_ck, u_c1, u_cp (рис. 5б, 6б) при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М по первому алгоритму соответственно при t_дт = 15 мкс (рис. 5) и t_дт = 35 мкс (рис. 6). Анализ полученных результатов, как и в первом случае, показывает высокую эффективность защиты, возможность успешного использования данного метода аварийного отключения и для ТПЧ с многомостовыми АИР2М (рис. 1б) при указанной схеме выполнения и включения М1, М2, L_з и КВК. На рис. 7 приведены временные диаграммы: i_d, i_vs1, i_vs2, i_c1 (рис. 7а); i_н, i_ck, u_c1 (рис. 7б) при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М по второму алгоритму при t_дт = 25 мкс. Как показывают результаты моделирования, использование второго алгоритма позволяет более плавно, без коммутационных перенапряжений отключать аварийный мост М1 и продолжать безаварийную работу М2 до выключения ВПТ (i_d = 0), что может быть использовано при разработке схем резервированных ТПЧ с АИР с открытым входом. Эти вопросы могут быть предметом отдельной работы.

Рис. 5. Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М (по первому алгоритму) при t_дт = 15 мкс: а) i_d, i_vs1, i_vs2, i_c1; б) i_н, i_ck, u_c1, u_cp

Рис. 6. Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М (по первому алгоритму) при t_дт = 35 мкс: а) i_d, i_vs1, i_vs2, i_c1; б) i_н, i_ck, u_c1, u_cp

Рис. 7. Временные диаграммы при аварийном отключении ТПЧ с АИР2М (по второму алгоритму) при t_дт = 25 мкс: а) i_d, i_vs1, i_vs2, i_c1;б) i_н, i_ck, u_c1

Выводы

Рассмотрены: метод аварийного отключения ТПЧ с одно- и многомостовыми АИР с открытым входом путем запирания тиристоров АИР с помощью КВК и одновременного блокирования работы БУВ и БУИ; варианты выполнения и включения КВК и защитных индуктивностей L_з в многомостовых схемах; возможные алгоритмы работы СЗ по данному методу. Выполнено схемотехническое моделирование в среде MATLAB+Simulink процессов аварийного отключения ТПЧ с одно- и многомостовыми АИР по данному методу при различных алгоритмах работы. Получены временные зависимости аварийных токов через тиристоры АИР и ВПТ, отмечена высокая эффективность защиты, показана возможность надежного, независимого отключения аварийного моста в многомостовых АИР, что может быть использовано при разработке резервированных ТПЧ с АИР с открытым входом.

Литература

1. Аитов И. Вопросы построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 1 // Силовая электроника. 2010. № 1.
2. Аитов И., Шалупова Г. Особенности построения систем аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты с автономными резонансными инверторами. Часть 2 // Силовая электроника. 2010. № 2.
3. Аитов И., Шалупова Г. Система аварийной защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 3 // Силовая электроника. 2010. № 3.
4. Аитов И. Ограничение аварийного тока в многомостовых тиристорных автономных инверторах с индуктивно-емкостным входом // Электромеханика. 1978. № 5.
5. А.с. №515228 (СССР). Автономный инвертор / И. Л. Аитов, Ю. В. Воробьев // Бюл. 1976. № 19.
6. Аитов И. Л. Силовые электронные устройства: Уч. пособие. Уфа: УГАТУ. 2009.
7. Аитов И., Камалетдинова Р. Вопросы проектирования систем и элементов защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 4 // Силовая электроника. 2011. № 1.
8. Пат. № 2394347 (РФ). Тиристорный преобразователь частоты / И. Л. Аитов, Э. Р. Кушекова // Бюл. 2010. № 19.
9. Аитов И., Зиннатуллин Р. Тиристорные источники питания для ответственных электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 2.
10. Аитов И., Кушекова Э. Вопросы предпускового контроля резервированных тиристорных преобразователей частоты // Силовая электроника. 2009. № 3.
11. Кацнельсон С. М. Тиристорные инверторы с встречно-параллельными диодами и удвоением частоты // Электричество. 1971. № 1.
12. Аитов И. Л., Кацнельсон С. М. Автономные преобразователи частоты: Уч. пособие. Уфа: УАИ. 1978.
13. Васильев А. С., Гуревич С. Г., Иоффе Ю. С. Источники питания электротехнических установок. М.: Энергоатомиздат. 1985.

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 статьи.

Статьи последних номеров доступны только в печатном варианте. Вы можете приобрести свежие номера журнала «Силовая электроника» в свободной продаже или заказать в редакции. Извините за доставленные неудобства.