Средства защиты полупроводниковых преобразователей

Для защиты полупроводниковых преобразователей токов от короткого замыкания широко применяются быстродействуюшие плавкие предохранители, которые являются самыми простыми и дешевыми защитными аппаратами. К быстродействующим плавким предохранителям, предназначенным для защиты полупроводниковых приборов, предъявляются более жесткие требования, чем к общепромышленным плавким предохранителя. В основном эти требования к предохранителям сводятся к следующему: полное или частичное согласование характеристик предохранителя с характеристиками полупроводниковых приборов; высокая отключающая способность; минимальные потери при номинальном токе; отсутствие изменений характеристик во времени при длительном протекании номинального тока; эффективное токоограничение; минимальная энергия, выделяющаяся в полупроводниковых приборах за время протекания аварийного тока; минимальное напряжение дуги, возникающее при срабатывании предохранителя, которое не должно приводить к пробою неповрежденных приборов; малое значение отношения интегралов отключения и плавления; минимальные габаритные размеры предохранителей; конструкция и способ крепления должны обеспечивать удобную - компоновку с полупроводниковым приборами. К предохранителям, применяемым в цепях преобразователей, для электропривода, предъявляются дополнительные требования, связанные с большими токам коротких замыканий и значительными пусковыми токами двигателей: высокое быстродействие и токоограничевание в области аварийных токов; большая тепловая инерция плавкого элемента при технологических перегрузках.

Быстродействующие плавкие предохранители, как вправило, обеспечивают защиту полупроводниковых приборов лишь от токов короткого замыкания и не защищают от перегрузки.

На рис. 3.17 приведена принципиальная схема трехфазного мостового полупроводникового выпрямителя, защита полупроводниковых приборов которого обеспечивается плавкими предохранителями. Предохранители могут быть установлены в фазных проводах переменного тока, обеспечивая отключение внешних повреждений; в цепях полупроводниковых приборов для защиты от внутренних повреждений; в выходных цепях постоянного тока и в цепях отдельных потребителе.Для обеспечения селективного отключения повреждений характеристики предохранителей, по которым может протекать общий аварийный ток, должны быть согласованы между собой. Например, при внутренних повреждениях должны срабатывать лишь предохранители П2 и не срабатывать предохранители П1, а при внешних повреждениях, в зависимости от места повреждения, должны срабатывать предохранители П4, П3 или П1, но не срабатывать предохранители в цепи полупроводниковых приборов П2.

Основным параметром плавкого предохранителя, характеризующим его в период до образования дуги, является количество энергии, необходимое для расплавления плавкого элемента. После расплавления плавкого элемента образуется электрическая дуга. Образование дуги приводит к появлению напряжения на предохранителе и ограничению аварийного тока в цепи.

Схема защиты полупроводникового выпрямителя быстродействующими

плавкими предохранителями

Рис. 3.17.

Для правильного выбора плавкого предохранителя требуется знать: действующее значение тока, протекающего в предохранителе при нормальном режиме работы; действующее или амплитудное значение напряжения между выводами предохранителя после его перегорания; защитный показатель полупроводникового прибора; допустимый для прибора амплитудный аварийный ток; допустимое для прибора перенапряжение, возникающее при перегорании предохранителя; аварийный ток, который должен быть отключен предохранителем. Быстродействующие плавкие предохранители выбираются обычно по полному интегралу отключения, равному сумме интегралов плавления и дуги. Полный интеграл отключения зависит от типа предохранителя, определяемого током и рабочим напряжением, а также от предельного отключаемого тока, зависящего от параметров и мощности цепи аварийного тока. Эти параметры даются в справочных материалах.

Для надежной защиты полупроводникового прибора полный интеграл отключения предохранителя должен быть меньше допустимого защитного показателя самого прибора. Однако если сопоставление допустимого защитного показателя полупроводниковых приборовс полными интегралами быстродействующих плавких предохранителей при условии соответствия номинальных токов прибора и предохранителя показывает, что плавкие предохранители не обеспечивают надежной защиты приборов, то должны быть приняты специальные меры по повышению надежности защиты. Такими мерами могут быть либо недогрузка приборов по току, что позволяет использовать предохранители на меньший номинальный ток, либо увеличение числа параллельно включенных полупроводниковых приборов.

При внутреннем повреждении преобразователя (пробое полупроводникового прибора) аварийный ток, который течет через предохранитель, установленный в цепи поврежденного прибора, в п раз больше, чем ток в цепи каждого из неповрежденных приборов, где п — количество параллельно включенных приборов.

Надёжная защита полупроводниковых приборов плавкими предохранителями имеет место у преобразователей большой мощности с числом параллельно включенных приборов больше двух. Для обеспечения защиты преобразователей средней и малой мощности с помощью быстродействующих плавких предохранителей приходится снижать нагрузки на полупроводниковые приборы, что приводит к увеличению числа приборов и повышению стоимости преобразователей.

Для защиты преобразователей от внешних коротких замыканий устанавливают быстродействующие плавкие предохранители в цепи выпрямленного тока или в фазных проводах переменного тока.

Достоинство многих типов автоматических выключателей в том, что в них совмещены устройство защиты и коммутационный аппарат, позволяющий производить включение и выключение преобразователей в нормальных режимах. Автоматические выключатели обеспечивают многократность действия и дают возможность дистанционного управления. Однако автоматические выключатели уступают по быстродействию плавким предохранителям.

Достоинством защиты полупроводниковых преобразователей с помощью короткозамыкателей является высокое быстродействие (1—3 мс) и полное отсутствие перенапряжений. По команде датчиков защиты короткозамыкатель закорачивает вторичные выводы питающего трансформатора, прекращая тем самым прохождение аварийного тока через полупроводниковые приборы, а отключение производит выключатель на первичной стороне трансформатора. Каждое срабатывание корокозамыкателя проводит к глухому короткому замыканию на выводах трансформатора, что вызывает большие электродинамические усилия в его обмотках. Трансформаторы при использовании короткозамыкателей должны быть повышенной механической прочности и иметь увеличенное напряжение короткого замыкания. В связи с этим защита полупроводниковых преобразователей с помощью короткозамыкателей не получила широкого распространения.

В отдельных случаях является экономически оправданным применение тиристорных короткозамыкателей для защиты тиристорных преобразователей. Короткозамыкатель представляет собой блок из шести тиристоров, подключаемых попарно встречно - параллельно к трем фазам тиристорных мостов преобразователя. В аварийных режимах на управляющие электроды тиристоров короткозамыкателя подается кратковременный импульс одновременно с командой на снятие управляющих импульсов с основных тиристоров преобразователя. При этом тиристоры короткозамыкателя шунтируют тиристоры преобразователя, и аварийные токи распределяются между ними обратно пропорционально их динамическим сопротивлениям. В результате достигается существенное снижение аварийных токов через основные тиристоры преобразователя. Поскольку, тиристоры короткозамыкателя проводят ток только в аварийных режимах в течение около одного периода частоты сети, они не имеют радиаторов и принудительного охлаждения.

При проектировании полупроводниковых преобразователей часто приходится уменьшать загрузку полупроводниковых приборов в рабочем режиме путем использования приборов, рассчитанных на большие токи, либо увеличением числа параллельно включенных приборов с тем, чтобы создать определенный запас по нагреву на случай возникновения аварийных режимов. Для уменьшения аварийных токов трансформаторы для преобразователей имеют, как правило, повышенное значение напряжения короткого замыкания.

Повышение быстродействия защиты позволяет уменьшить тепловое воздействие аварийных токов на полупроводниковые приборы преобразователей, ограничить развитие аварийного процесса и предотвратить выход из строя неповрежденных приборов. Это дает возможность значительно уменьшить запасы по току, а в ряде случаев произвести расчет приборов лишь на загрузку рабочим током. Повышение быстродействия защиты увеличивает также надежность работы полупроводниковых преобразователей.

Высокого быстродействия защиты можно добиться лишь при наличии высокочувствительных датчиков защиты, позволяющих определить аварийный процесс в самом начале его развития, и быстродействующих исполнительных элементов, позволяющих прекратить протекание тока в полупроводниковых приборах преобразователей. Максимальное быстродействие защиты и отдельных ее узлов можно получить при использовании бесконтактных магнитных и полупроводниковых элементов.

Защита выпрямителей на полупроводниковых диодах в отдельных случаях может осуществляться путем использования в схеме тиристоров; иногда бывает, целесообразна замена части диодов в силовой схеме на тиристоры с тем, чтобы рабочие элементы и элементы защиты были совмещены.

Способ защиты и выбор схем защитных устройств тиристорных преобразователей зависят от вида преобразователя, его мощности, количества параллельно и последовательно включенных полупроводниковых приборов, вида нагрузки, частоты сети и др. Для тиристорных выпрямителей, работающих на частоте свыше 200 Гц, наиболее простой и эффективной как при внешних, так и при внутренних повреждениях является защита по управляющему электроду, обеспечивающая отключение выпрямителя путем прекращения подачи управляющих сигналов на силовые тиристоры.

Для тиристорных выпрямителей на 50 Гц защита по управляющему электроду не всегда обеспечивает требуемое быстродействие, так как по принципу ее работы продолжительность отключения аварийного тока составляет примерно половину периода рабочей частоты, а при наличии значительной индуктивности в цепи аварийного тока это время еще более увеличивается. Для повышения быстродействия защиты тиристорных выпрямителей на промышленной частоте иногда целесообразно сочетать защиту по управляющему электроду с устройствами емкостного прерывания тока. Использование быстродействующих систем защиты с емкостным прерыванием тока для тиристорных выпрямителей позволяет практически исключить воздействие аварийных токов на силовые полупроводниковые приборы выпрямителя.

Защита от перегрузок может совмещаться с устройствами автоматического регулирования, ограничивающими ток заданным значением. Устройства токоограничения особенно эффективны при разветвленной сети потребителей и при необходимости селективного отключения отдельных потребителей обычными защитными средствами.

Автономные инверторы и инверторы, ведомые сетью, не могут быть отключены лишь прекращением подачи управляющих импульсов, так как это неизбежно приводит к опрокидыванию инвертора и протеканию через полупроводниковые приборы больших аварийных токов. Для быстродействующей защиты инверторов могут использоваться емкостные прерывающие устройства совместно с защитой по управляющему электроду. Система быстродействующей защиты преобразователей частоты может быть выполнена как сочетание устройств защиты выпрямителя и инвертора.

Как правило, устройства быстродействующей бесконтактной защиты полупроводниковых преобразователей могут быть использованы также для бесконтактного отключения и включения этих преобразователей в нормальных рабочих режимах, что расширяет возможности автоматизации процессов, повышает надежность работы потребителей, увеличивает срок службы обычной коммутационной и защитной аппаратуры, используемой в качестве резервной. Использование бесконтактной быстродействующей защиты, устройств автоматического повторного включения и автоматического ввода резерва позволяет повысить надежность электроснабжения потребителей и уменьшить перерывы питания до 0,02—0,03 с.