Аварийные режимы работы полупроводниковых преобразователей

К основным видам аварийных режимов полупроводниковых преобразователей относятся:

- внешние аварии, вызванные к.з. в нагрузке или в распределительной сети,

- внутренние аварии, вызванные повреждениями полупроводниковых вентилей,

- “сквозные” и ”несквозные” срывы или опрокидывание инвертора (к.з. источника постоянного тока через инвертор при сквозном срыве или к.з. через обмотку трансформатора при несквозном срыве),

- появление уравнительных токов в реверсивных преобразователях или преобразователях частоты с непосредственной связью.

Аварийные режимы в выпрямителях возникают вследствие недопустимых перегрузок, выхода из строя отдельных элементов силовой схемы преобразователя, в том числе пробоя полупроводниковых приборов, или нарушения в системах управления и автоматического регулирования. Такие режимы сопровождаются переходными процессами со значительным увеличением тока в схеме преобразователя, что требует устройства специальной защиты.

Основные схемные решения судовых выпрямителей представлены на рис. 3.10.

Рис. 3.10.Основные схемные решения выпрямителей:а – однофазный однополупериодный, б – однофазный со средней точкой, в - однофазный мостовой, г – трехфазный со средней точкой, д – трехфазный мостовой

Для полупроводниковых преобразователей из-за относительно низкой перегрузочной способности диодов и тиристоров расчеты аварийных режимов являются неотъемлемой частью электрических расчетов силовой схемы и в большинстве случаев являются определяющими при выборе параметров силовых полупроводниковых приборов. При этом важно знать токи в начальный период развития аварии. Аварии в зависимости от места их возникновения разделяют: на внешние и внутренние.

К внутренним авариям относятся режимы, возникающие при повреждении полупроводниковых приборов в одном или нескольких плечах выпрямительной схемы вследствие перегрева прямым током или пробоя чрезмерно высоким обратным напряжением. Внешние аварии возникают вследствие нарушений вне силовой выпрямительной схемы: короткие замыкания на шинах переменного тока, шинах выпрямленного тока, недопустимая перегрузка или короткое замыкание у потребителя.

Рис. 3.11.Аварийные режимы трехфазного мостового выпрямителя:

1 – внутренние аварии, 2 – к.з. на шинах переменного тока, 3 – к.з. на шинах постоянного тока, 4 - к.з. потребителей.

При возникновении глухого к.з. на шинах выпрямленного тока трехфазного мостового выпрямителя, представленного рис. 3.12 максимальные значения тока короткого замыкания в плече выпрямителя не превышают двойной амплитуды тока трехфазного короткого замыкания, т. е. ударный коэффициент k_y=<2. По истечении интервала 3t=3La/Ra установившийся ток короткого замыкания становится синусоидальным, и диоды загружаются синусоидальными полуволнами тока.

Тепловой эквивалент, определяющий нагрев полупроводниковой структуры диода, численно равен площади, ограниченной кривой квадрата аварийного тока, измеренной в А^2. с.

Рис. 3.12.Графики мгновенных значений аварийных токов к.з. наиболее загруженного плеча трехфазного мостового выпрямителя

Одной из основных особенностей аварийного режима управляемого выпрямителя является момент начала аварийного тока в тиристоре, который зависит не только от момента перехода кривой фазного напряжения через нуль, но и от момента подачи управляющего импульса. В зависимости от момента возникновения короткого замыкания возможны три аварийных случая: в момент коммутации, во внекоммутационный интервал и при включении выпрямителя в момент короткого замыкания.

Мгновенные значения токов тиристоров при коротком замыкании для наиболее тяжелого режима a=0 можно определить по кривым, представленным на рис. 3.13. При блокировании управления тиристорами до первой коммутации, достигается существенное снижение токов короткого замыкания тиристоров. Блокирование управления до второй коммутации, сопровождается увеличением токов, но до значений меньших, чем для неуправляемых выпрямителей.

Блокирование управляющих импульсов снижает амплитуду ударного тока короткого замыкания почти в 1,5 раза. При этом коэффициент теплового воздействия уменьшается почти в 3 раза. Одновременно с этим при блокировании происходит локализация аварии в цепи. Число тиристоров, которые пропускают аварийный ток, ограничивается их количеством в момент снятия импульсов.

Применение управляемых выпрямителей вместо неуправляемых позволяет успешнее решать проблему защиты от токов короткого замыкания.

Внутреннее короткое замыкание трехфазного мостового выпрямителявозникает при пробое одного из плеч выпрямителя. Причинами выхода тиристора или диода из строя могут быть перегрев их структуры в процессе перегрузок или пробоя чрезмерно высоким обратным напряжением при перенапряжениях. В случае повреждения от перегрева наиболее опасным является момент пробоя в конце интервала проводимости данного плеча. Пробой обратным напряжением наиболее вероятен в момент приложения максимального обратного напряжения. Наиболее опасным по амплитуде аварийного тока является первый случай аварийной ситуации.

Кривые мгновенных значений аварийных токов к.з. тиристоров трехфазного мостового управляемого выпрямителя при внешнем коротком замыкании

Рис. 3.13.

а – блокирование импульсов управления до первой коммутации, б - до второй коммутации (б)

Особенностью внутренних коротких замыканий в управляемых выпрямителях является то, что начало протекания аварийного тока через каждый из тиристоров сдвинут на угол управления a (на рис. 3.14, нижняя диаграмма). Неуправляемые схемы с диодами имеют более высокие значения токов и длительности их протекания, чем схемы с тиристорами.

Схема возникновения внутреннего короткого замыкания выпрямителя и временные диаграммы токов и напряжения

Рис. 3.14.

В случае внешнего короткое замыкание на нагрузке происходит сравнительно плавное нарастание тока короткого замыкания от предаварийного значения до установившегося значения тока короткого замыкания.

Причиной аварийных режимов инверторов могут быть нарушения в системе управления (пропуск одного или всех сигналов управления тиристорами), кратковременное снижение напряжения сети переменного тока (увеличение тока и угла коммутации), пробой одного из тиристоров инверторного моста, сбои в системе автоматического поддержания минимального послекоммутационного угла (угла запаса). В результате этих нарушений в работе происходит опрокидывание инвертора. Опрокидывание наступает в случае, если тиристор после токопроводящего периода не запирается, а снова вступает в работу и начинает проводить электрический ток. При этом ЭДС сети постоянного и переменного тока не вычитаются, а складываются, что приводит к резкому возрастанию тока. Для ограничения аварийного тока при опрокидывании инвертора индуктивность сглаживающего реактора выбирают гораздо больше, чем в выпрямителях. Основные схемные решения ведомых инверторов представлены на рис. 3.15.

Если включается тиристор в плече, противоположном работающему в данный отрезок времени, то ЭДС генератора Е оказывается замкнутой через два последовательно соединенных проводящих тиристора. Такой аварийный режим носит название прорыва инвертора. При прорыве ток в обмотках трансформатора снижается до нуля по мере израсходования энергии, запасенной в его индуктивных элементах. Аварийный ток определяется ЭДС генератора Е. Другие виды аварийных режимов при нарушениях в цепи постоянного тока или в цепях переменного тока инвертора аналогичны ранее рассмотренным аварийным режимам в выпрямителях.

При опрокидывании (рис. 3.16,) можно предположить, что каждая ЭДС действует в цепи независимо. Аварийный ток состоит из периодической составляющей i', создаваемой ЭДС сети, и апериодической составляющей i", источником которой служит ЭДС генератора.

Ток в аварийном контуре при прорыве инвертора (см. рис. 3.16)нарастает от своего предаварийного значения Id под действием ЭДС генератора по экспоненциальному закону Основные схемные решения ведомых инверторов

Рис. 3.15.

а – однофазный однополупериодный, б – однофазный со средней точкой, в - однофазный мостовой, г – трехфазный со средней точкой, д – трехфазный мостовой

Аварийные режимы инвертора являются наиболее тяжелыми и могут вызвать повреждение электрической аппаратуры. Исследования возможных аварийных токов показали, что в инверторах средней и большой мощности они могут достигать 15—40-кратного значения номинальных значений тока.

Кривые нарастания аварийных токов при опрокидывании и прорыве инвертора

Рис. 3.16.

Включением в цепь инвертора реактора со значительной индуктивностью можно достичь самоликвидации опрокидывания и нормальной работы инвертора. Реактор, введенный в цепь постоянного тока инвертора, ограничивает скорость нарастания тока после опрокидывания. Опрокидывание самоликвидируется в том случае, когда нарастание тока ограничено настолько, что во время очередной коммутации ток в тиристоре успеет уменьшиться до нуля благодаря току короткого замыкания коммутации. При этом после спада тока в аварийном тиристоре до нуля к нему должно быть приложено обратное напряжение на интервале, достаточном для восстановления управляющей способности.

Для автономных инверторов характерны те же аварийные режимы, что и для инверторов ведомых сетью. При этом все виды аварий приводят к опрокидыванию инвертора.