Рубрики
Источники питания

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

Вопросы проектирования систем и частей защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 5 Аитов Иршат Камалетдинова Регина Продолжение. Начало

Вопросы проектирования систем и частей защиты тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок. Часть 5 Аитов Иршат Камалетдинова Регина

Продолжение. Начало в СЭ №1’2010

В статье рассказывается о современных бесконтактных системах защиты (СЗ) для тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) с автономными резонансными инверторами (АИР) с внедрением способа, основанного на принудительном запирании тиристоров АИР при аварийных режимах при помощи тиристорноконденсаторного выключателя (КВК) с одновременным блокированием работы блоков управления БУВ тиристорного выпрямителя (ВПТ) и БУИ АИР. Рассматриваются особенности и примеры построения, также методы работы таких СЗ по данному способу. Приводятся результаты моделирования процессов аварийного отключения ТПЧ с разными схемами АИР с открытым входом.

Применительно к ТПЧ с АИР в работе [1] рассмотрены более соответствующие виды аварийных режимов и предпосылки, вызывающие их; сформулированы с учетом основных задач главные требования и этапы исследований, на базе результатов выполнения которых осуществляется выбор способов, средств и разработки современных СЗ. В этой связи необходимо подчеркнуть, что анализ аварийных процессов и выявление специфичных особенностей протекания их в ТПЧ с разными схемами АИР позволяет установить временные зависимости конфигурации аварийных токов через силовые полупроводниковые приборы (СПП) выпрямителя и АИР. С учетом их перегрузочной возможности потом можно найти быстродействие СЗ (tCЗ) и избрать способ и средства защиты. Анализ аварийных процессов для разных мостовых схем 2-ух групп АИР с удвоением частоты и встречными диодиками приведен в [1-3], где по результатам моделирования получены обобщенные выражения для аварийных токов через СПП выпрямителя и АИР. Анализ временных диаграмм соответственно и приобретенных выражений аварийных токов, также экспериментальные исследования и опыт промышленной эксплуатации демонстрируют, что более нагруженными (уязвимыми) при срыве инвертирования являются тиристоры групп схем АИР с открытым входом завышенной мощности при конкретной параллельной работе нескольких мостов на общую нагрузку. В таких схемах, если не принять дополнительных мер, срыв инвертирования приводит к выходу из строя тиристоров АИР, невзирая на резвое отключение выпрямителя, из-за большой крутизны нарастания амплитуды и продолжительности протекания аварийного тока (см. ivs1(t), ivs2(t)) через тиристоры [3]. Ряд схемотехнических решений по ограничению аварийного тока для определенного круга схем и выходных характеристик таких АИР рассмотрен в [2-6]. Но вопросы действенного надежного ограничения аварийного тока через тиристоры, в особенности АИР с открытым входом, остаются животрепещущими.

В данной работе рассматривается, применительно к мостовым схемам АИР с открытым входом, способ бесконтактной защиты, позволяющий отлично ограничить аварийные токи как через тиристоры ВПТ, так и через тиристоры АИР. Способ был сформулирован создателями в [7, 8], использован 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 при помощи КВК с одновременным блокированием работы БУВ и БУИ. По данному способу коммутационными элементами в СЗ ТПЧ с АИР являются конкретно тиристоры ВПТ и АИР, через которые протекают аварийные токи. Зависимо от схем АИР, к примеру числа и схем подключения параллельно работающих мостов (ячеек), вероятны разные варианты выполнения и методы работы СЗ, некие из которых подвергнутся рассмотрению дальше. Применительно к ТПЧ с АИР с открытым входом, обширно применяемыми в установках индукционного нагрева металлов, разглядим два варианта схемотехнической реализации их, также структуру и методы работы бесконтактной СЗ по данному способу. На рис. 1 для ТПЧ с 2-мя вариациями выполнения АИР и бесконтактными СЗ приведены их обобщенные многофункциональные схемы, которые состоят из одномостового АИР1М (рис. 1а) и двухмостового АИР2М (рис. 1б), питание которых осуществляется от трехфазной промышленной сети 50 Гц с UC = 220/380 В через запасный автоматический выключатель АВ, мостовой тиристорный выпрямитель ВПТ с шунтирующим диодиком VD0, входную индуктивность Lвх, при всем этом нагрузка Rнэ включена в цепь разделительного конденсатора Cp (Cp>>Cк), а управление АИР и ВПТ осуществляется соответственно блоками БУИ и БУВ; бесконтактной СЗ, состо
ящей из КВК, блоков быстродействующих датчиков БДТ, защиты БЗ и управления КВК БУК. В одномостовых АИР (к примеру таких, как на рис. 1а) индуктивность Lз, которая является частью общей коммутирующей индуктивности Lо, врубается в цепь Cp и выбирается из условия: Lк≥0,7Lо; Lз≤0,3Lo,
а Lo = Lз+Lк [11].

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

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

Это позволяет ограничить как крутизну нарастания и амплитуду аварийного разрядного тока Cp через тиристоры, так и крутизну нарастания напряжения (dUa/dt) на тиристорах при рабочих режимах работы АИР [6, 11]. Но при параллельном включении и работе нескольких мостов АИР на одну нагрузку с общим Cp и Lз, величина Lз будет очень малой, потому что в данном случае, при числе мостов n, получим: Lз≤0,3(Lo/n), где Lo — общая коммутирующая индуктивность каждого моста. Потому создателями предложено подключать любой из мостов к ВПТ (Lвх) и цепи нагрузки (Cp, Rнэ) через личные Lз, а к КВК через личные коммутирующие тиристоры (VS5, VS6), как это показано на рис. 1б [6, 8]. При всем этом величина Lз не находится в зависимости от числа мостов и определяется по величине Lo 1-го отдельного моста, что позволяет более отлично ограничивать скорость развития аварийного процесса и амплитуду аварийного тока через тиристоры хоть какого моста.

Главные схемы, режимы и механизмы работы, главные характеристики и свойства мостовых АИР с открытым входом, удвоением частоты и встречными диодиками описаны в [2, 3, 6, 8, 11-13]. Разглядим подробнее вероятные методы и механизмы работы СЗ (рис. 1) применительно к ТПЧ с одномостовым (рис. 1а) и двухмостовым (рис. 1б) АИР с открытыми входами. Работа СЗ осуществляется последующим образом: перед запуском АИР1М конденсатор C1 КВК заряжен с обозначенной полярностью до напряжения Uc1, которое поддерживается на этом уровне в процессе всего шага работы ТПЧ, что является одним из принципиальных критерий надежной работы всей СЗ; когда на рабочем шаге происходит срыв инвертирования, к примеру сразу открыты тиристоры VS1, VS2, через которые начинают протекать аварийные токи ivs1 и ivs2 [3], дальше блок БЗ выдает сигнал uБЗ с некой задержкой tдт, определяемой, в главном, быстродействием блока БДТ, который сразу перекрывает работу БУВ, БУИ и включает БУК, т. е. VS5 КВК. В итоге конденсатор C1 колебательно разряжается через L1 током ic1 встречно аварийным токам ivs1, ivs2, и при ic1≥ivs1, ivs2 выключаются аварийные тиристоры VS1, VS2. Дальше конденсатор C1 продолжает перезаряжаться на оборотную полярность, и при ic1 = 0 закрывается VS5, к которому прикладывается оборотное напряжение, равное uvs5 = uc1-ucp. При всем этом токи id, ick замыкаются по цепи, состоящей из Cp, Lз и Rнэ (iн) и, по мере заряда Cp, спадают до нуля, а тиристоры ВПТ и АИР1М выключаются. Различием в работе СЗ ТПЧ с многомостовым АИР (в этом случае АИР2М, рис. 1б) является возможность реализации 2-ух алгоритмов аварийного отключения:

  • как и в ТПЧ с одномостовым АИР1М, методом принудительного запирания тиристоров аварийного моста, к примеру М1 (рис. 1б), при помощи КВК (врубается VS5) и одновременным блокированием работы БУВ и БУИ обоих мостов, т. е. М1 и М2;
  • методом запирания тиристоров аварийного моста М1 при помощи КВК, одновременным блокированием работы БУВ и БУИ аварийного моста М1, с следующим блокированием работы БУИ моста М2 (либо (n-1) мостов) при достижении тока id = 0.

Для исследования по описанному чуть повыше способу 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 частей схожи обозначениям на рис. 1. При всем этом датчики тока включены в надлежащие плечи мостов (рис. 1) и позволяют сразу держать под контролем токи ivs1, ivs2 через тиристоры VS1, VS2 и встречные диоды VD1, VD2.

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

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

В модели приняты реальные значения характеристик всех СПП, активных сопротивлений индуктивностей Lвх, Lк, Lз, L1, питающей сети Uc, также нагрузки Rнэ при входных мощностях Pвх1 = 130 кВт (АИР1М), Pвх2 = 265 кВт (АИР2М), напряжении Ud = 520 В, частоте инвертирования fн = 2500 Гц. Исследования проводились для соответствующего аварийного режима рассматриваемых АИР — сквозного срыва инвертирования при наибольших значениях входного тока (мощности) Id1 = 250 А (Pвх1 =130 кВт), Id2 = 510 А (Pвх2 = 265 кВт), при 2-ух методах аварийного отключения для АИР2М (рис. 1б, модель рис. 2б). Для обеих схем при исследовательских работах аварийного отключения принимались завышенные значения времени tдт задержки срабатывания СЗ tдт = 25(35) мкс при реальных значениях 12-15 мкс. Разглядим результаты моделирования процесса аварийного отключения по данному способу (1-ый метод) для ТПЧ с АИР1М, приобретенные на модели рис. 2а, при последующих параметрах ТПЧ и КВК:

Lвх = 600 мкГн;

Cp = 500 мкФ;

Rнэ = 0,5 Ом;

Lк = 28,7 мкГн;

Lз = 12,3 мкГн;

Cк = 101,9 мкФ;

C1 = 100 мкФ;

L1 = 3 мкГн;

Uc1 = 400 В.

На рис. 3 и 4 соответственно приведены временные диаграммы токов и напряжений: id, uc1, ic1, uvs5 (рис. 3а, 4а); ivs1, ivs2, iн, ucp (рис. 3б, 4б) при аварийном выключении ТПЧ с АИР1М, значениях Id1 = 250 А (Pвх1 = 130 кВт); tдт = 15 мкс (рис. 3) и tдт = 25 мкс (рис. 4).

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

Рис. 3. Временные диаграммы при аварийном выключении ТПЧ с АИР1М при tдт = 15 мкс: а) id, uc1, ic1, uvs5; б) ivs1, ivs2, iн, ucp

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

Рис. 4. Временные диаграммы при аварийном выключении ТПЧ с АИР1М при tдт = 25 мкс: а) id, uc1, ic1, uvs5; б) ivs1, ivs2, iн, ucp

Анализ результатов по рис. 3 и 4 указывает очень высшую эффективность аварийного отключения ТПЧ с АИР1М по данному способу: амплитуда и продолжительность аварийных токов ivs1, ivs2 через тиристоры VS1, VS2 существенно ниже, чем при установившемся рабочем режиме, что определяется tдт и параметрами КВК; выключение ВПТ осуществляется также без перегрузки тиристоров, и ток id спадает плавненько; после выключения тиристоров АИР1М и VS5 КВК к нему прикладывается оборотное напряжение uvs5 = uc1-ucp, а конденсатор Cp заряжается по мере плавного спада токов id, iн, ick до нуля, что позволяет выполнить и уменьшить время повторного запуска АИР1М после подготовительного перезаряда С1 КВК с начальной полярностью. Выбор характеристик КВК осуществляется последующим образом: по формулам (1-5), приведенным в [3], определяются аварийные токи через тиристоры при t = tдт, т. е. ivs1(tдт), ivs2(tдт) с учетом Pвхmax, амплитуды Iapm и частоты ωp аварийного разрядного тока Cp; потом рассчитываются характеристики колебательного контура C1, L1 КВК и напряжение Uc1 согласно приведенным ниже условиям и выражениям:

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

Разглядим результаты моделирования аварийного отключения ТПЧ с АИР2М (рис. 1б) по двум обозначенным выше методам при последующих параметрах ТПЧ и КВК: характеристики М1 и М2 схожи характеристикам моста по рис. 1а:

Lвх = 1,2 мГн;

Cp = 1200 мкФ;

Rнэ = 0,25 Ом;

Lз = 12,3 мкГн;

L1 = 3 мкГн;

C1 = 200 мкФ;

Uc1 = 400 В.

На рис. 5 и 6 приведены временные диаграммы: id, ivs1, ivs2, ic1 (рис. 5а, 6а); iн, ick, uc1, ucp (рис. 5б, 6б) при аварийном выключении ТПЧ с АИР2М по первому методу соответственно при tдт = 15 мкс (рис. 5) и tдт = 35 мкс (рис. 6). Анализ приобретенных результатов, как и в первом случае, указывает высшую эффективность защиты, возможность удачного использования данного способа аварийного отключения и для ТПЧ с многомостовыми АИР2М (рис. 1б) при обозначенной схеме выполнения и включения М1, М2, Lз и КВК. На рис. 7 приведены временные диаграммы: id, ivs1, ivs2, ic1 (рис. 7а); iн, ick, uc1 (рис. 7б) при аварийном выключении ТПЧ с АИР2М по второму методу при tдт = 25 мкс. Как демонстрируют результаты моделирования, внедрение второго метода позволяет более плавненько, без коммутационных перенапряжений отключать аварийный мост М1 и продолжать безаварийную работу М2 до выключения ВПТ (id = 0), что может быть применено при разработке схем резервированных ТПЧ с АИР с открытым входом. Эти вопросы могут быть предметом отдельной работы.

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

Рис. 5. Временные диаграммы при аварийном выключении ТПЧ с АИР2М (по первому методу) при tдт = 15 мкс: а) id, ivs1, ivs2, ic1; б) iн, ick, uc1, ucp

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

Рис. 6. Временные диаграммы при аварийном выключении ТПЧ с АИР2М (по первому методу) при tдт = 35 мкс: а) id, ivs1, ivs2, ic1; б) iн, ick, uc1, ucp

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

Рис. 7. Временные диаграммы при аварийном выключении ТПЧ с АИР2М (по второму методу) при tдт = 25 мкс: а) id, ivs1, ivs2, ic1;б) iн, ick, uc1
Выводы

Рассмотрены: способ аварийного отключения ТПЧ с одно- и многомостовыми АИР с открытым входом методом запирания тиристоров АИР при помощи КВК и одновременного блокирования работы БУВ и БУИ; варианты выполнения и включения КВК и защитных индуктивностей Lз в многомостовых схемах; вероятные методы работы СЗ по данному способу. Выполнено схемотехническое моделирование в среде MATLAB+Simulink процессов аварийного отключения ТПЧ с одно- и многомостовыми АИР по данному способу при разных методах работы. Получены временные зависимости аварийных токов через тиристоры АИР и ВПТ, отмечена высочайшая эффективность защиты, показана возможность надежного, независящего отключения аварийного моста в многомостовых АИР, что может быть применено при разработке резервированных ТПЧ с АИР с открытым входом.