Защитные цепи преобразователя

1. Защита от перенапряжений на входе преобразователя

2. Защита тиристоров

3. Защита от перенапряжения

1. Защита от перенапряжений на входе преобразователя

В качестве защиты от перенапряжений, возникающих в сетях, и перенапряжений, возникающих вследствие отключения преобразовательного трансформатора, обычно используют -контуры, присоединенные на вентильной стороне трансформатора (рис.1,а), -контуры, присоединенные через вспомогательный выпрямитель (рис.1,б) или при помощи шунтирования вторичных выводов трансформатора с емкостями, превышающими емкости обмоток (рис.1,в).

Рис.1. Типичные схемы защиты преобразователей от сетевых перенапряжений

Если преобразователь присоединен непосредственно к сети, без трансформатора, эти защитные элементы должны быть присоединены к главной схеме через дополнительную индуктивность.

Величины сопротивлений и емкости конденсаторов рассчитываются по соотношениям:

,

где – число фаз; – действующее значение намагничивающего тока, приведенного к вторичной цепи. Для стандартных трансформаторов эта величина может быть принята равной 3-7% от вторичного номинального тока ; – коэффициент, определяющий отношение амплитудного значения выпрямленного напряжения к действующему значению фазного напряжения. Например, для мостовой трехфазной схемы

;

- круговая частота питающей сети ; - фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора; - коэффициент запаса, , где – максимальное мгновенное напряжение, которое не должно превосходить значения допустимого неповторяющегося напряжения на вентиль, – максимальное расчетное обратное напряжение на вентиле в конкретной схеме;

,

где – индуктивность фазы трансформатора.

После определения расчетных значений емкости и сопротивлений необходимо произвести их выбор по каталогу из диапазона номинальных значений [1-3]

2. Защита тиристоров

Проект защиты должен учитывать последствия, к которым может привести та или иная неисправность. Чтобы не прерывать технологический процесс, иногда необходимо снизить уровень защиты для вспомогательных устройств, например при перегрузках можно предусмотреть не отключение, а лишь подачу предупредительного сигнала. Важные вспомогательные устройства нужно резервировать.

Одним из многих преимуществ тиристоров являются их малые габариты. Однако небольшая масса и размеры поверхности обусловливают малую постоянную времени нагрева и ухудшение условий теплоотдачи. Тепловая чувствительность тиристоров возлагает большую ответственность на средства их защиты. Ниже описываются наиболее типичные аварийные режимы и соответствующие способы защиты тиристоров.

Ограничение

В момент подачи управляющего импульса при прямом напряжении на тиристоре анодный ток начинает протекать через переход в непосредственной близости от вывода управляющего электрода, и лишь затем он распространяется по всей площади перехода. При большой скорости нарастания анодного тока вследствие высокой его плотности вблизи управляющего электрода возникают очаги перегрева, которые могут привести к выходу прибора из строя. Поэтому при включении тиристора производную анодного тока следует ограничивать некоторым допустимым значением, для этой цели могут быть использованы небольшие реакторы в анодной цепи. Предельное значение производной тока ( ) лежит в пределах (20...1500) А/мкс.

Ограничение

Если скорость изменения напряжения на тиристоре высока, ток может достигнуть значения, достаточного для включения тиристора без управляющего импульса. Эффект включения под воздействием приводит к сбоям в работе преобразователя.

Допустимая скорость изменения анодного напряжения составляет обычно (20...1000) В/мкс. Для защиты тиристора от непреднамеренного включения при больших в простейшем случае применяется шунтирующая RC-цепочка (R_Ш, С_Ш), включаемая параллельно тиристору. Пример обозначения по ГОСТ 20859-75 тиристора: Т160-10-453 - низкочастотный тиристор на предельный ток 160 А, повторяющееся напряжение 1000 В (10 класс), скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 200 В/мкс (4 группа), время выключения 60 мкс (5 группа), критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии 50 А/мкс (3 группа).

Пример определения параметров защитных элементов.

Для регулирования мощности, выделяемой в резисторе , используется тиристор , как показано на рис.4.1,а. Напряжение питания 400 В, а допустимые значения и равны 50 А/мкс и 200 В/мкс соответственно. Требуется определить параметры защитных элементов: индуктивность реактора и -цепи ( , ).

Рис.2. Ограничение и : а - схема цепи; б - эквивалентная схема при замыкании ключа

Решение.

Напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно. Более того, тиристор в зоне низкой проводимости имеет большое внутреннее сопротивление. Поэтому при замыкании ключа цепь нагрузки может быть представлена эквивалентной схемой рис.2,б. Уравнение напряжений имеет вид

,

откуда

,

где - сопротивление резистора в шунтирующей цепи. Как следует из последнего выражения, имеет максимальное значение при , поэтому

Следовательно,

мкГн.

Напряжение на тиристоре - . Дифференцируя это выражение по времени, получаем

,

или

,

поэтому имеем

.

Таким образом,

Ом.

Если мало, то потери энергии в нем высоки. Обращаясь к схеме на рис.2,а, можно видеть, что при включении ключа все напряжение питания до открытия тиристора прикладывается к конденсатору , поэтому при открытии тиристора в нем происходит бросок тока с тем большим пиковым значением, чем меньше . Таким образом, достаточное с точки зрения ограничения тока значение R_Ш может быть слишком большим для ограничения . Емкость выбирается небольшой, чтобы не вывести тиристор из строя в момент разряда при его открытии. Например, , . При таком значении сопротивления может быть найдена индуктивность реактора , при которой не превышает допустимого значения:

.

Полученная индуктивность не слишком велика и превышает найденное выше максимальное значение, необходимое для ограничения .

Теплоотвод

В открытом состоянии тиристор имеет небольшое внутреннее сопротивление, при этом падение напряжения на нем составляет 1-2 В, что при большом анодном токе приводит к значительным тепловым потерям, способным вызвать разрушение прибора, поэтому тиристоры всегда устанавливаются на радиаторы, способствующие отводу теплоты от тиристора и передаче его в атмосферу.

Обычно максимально допустимый средний ток в открытом состоянии при естественном охлаждении тиристоров с радиатором составляет около 30 % от предельного тока выбранного тиристора. При принудительном охлаждении максимально допустимый ток повышается и зависит от скорости охлаждающего воздуха в межреберном пространстве радиатора, при 6 м/с - до 70 % от предельного тока тиристора. Уточненные сведения можно получить в справочниках и каталогах на тиристоры и охладители к ним..

Защита от перенапряжения

При неудовлетворительной коммутации, коротких замыканиях, переходных процессах при регулировании, ударах молнии и т. п. напряжение на тиристоре может превысить допустимое значение. Защита от перенапряжений осуществляется с помощью включаемых параллельно тиристору нелинейных элементов, сопротивление которых уменьшается при увеличении напряжения. При больших напряжениях на тиристоре они шунтируют его силовую цепь. Из-за высокой крутизны импульсов перенапряжений они могут быть устранены с помощью селеновых стабилитронов - тиректоров или металлооксидных варисторов (рис.3).

Защита от аварийных токов

В процессе эксплуатации систем с тиристорами и диодами могут возникнуть различные виды аварийных режимов их работы. Основные виды аварий можно разделить на две группы: внешние и внутренние.

К внешним авариям обычно относят короткие замыкания в цепях нагрузки или питающей сети.

Внутренние аварии более многообразны и обычно бывают вызваны повреждениями вентилей или нарушениями работы системы управления. Аварии, вызванные выходом из строя вентилей по причине электрического или теплового пробоя, являются, как правило, наиболее тяжелыми, так как сопровождаются протеканием в схеме больших аварийных токов.

Аварийный ток зависит от момента возникновения аварии и режима работы выпрямителя. Поэтому при расчетах обычно учитывают такие обстоятельства, при которых развиваются максимальные и минимальные аварийные токи. Данные об этих значениях необходимы для проектирования защиты и определения электродинамической стойкости оборудования преобразователя.

Рис.3. Схема тиристорного блока с устройством защиты

Полупроводниковые приборы имеют весьма небольшую теплоемкость, поэтому длительная перегрузка и работа при импульсных токах, а также кратковременные сильные броски тока могут привести к недопустимому перегреву переходов и выходу прибора из строя.

Для защиты от выхода из строя элементов преобразователя применяют различные способы, которые осуществляются с помощью плавких предохранителей, автоматических выключателей или короткозамыкателей, а также специальные схемные решения.

Основными характеристиками защитных средств являются быстродействие, надежность, простота в настройке и обслуживании. Для предотвращения развития аварии во всех цепях схемы преобразователя и далее в схеме электроснабжения, содержащей поврежденный агрегат, необходимо обеспечивать селективность работы защитных средств. Под селективностью (избирательностью) подразумевается способность защиты своевременно отключать только поврежденные участки схем, не допуская развития аварийных токов в остальных их частях.

Перегрузочной характеристикой полупроводникового прибора по току является зависимость максимально допустимого тока, протекающего через прибор, от времени его протекания.

Существуют три показателя оценки перегрузочной способности тиристоров по току:

· ударный ток в открытом состоянии;

· защитный показатель ( или );

· ток перегрузки в открытом состоянии (ток рабочей перегрузки).

Значение ударного тока и защитного показателя служат для выбора защитных устройств и характеризуют термодинамическую стойкость прибора при кратковременных (1 - 100 мкс) перегрузках. Устройства защиты должны ограничивать время протекания тока перегрузки в соответствии с зависимостями, приведенными в справочниках на полупроводниковые приборы.

Оценка защищенности прибора с помощью характеристики производится путем сравнения ее с аналогичной характеристикой защитного устройства. Во всех случаях полупроводникового прибора должен быть больше устройства защиты.

При частом воздействии ударного тока срок службы полупроводникового прибора будет снижаться. Поэтому такие воздействия тока допускаются лишь ограниченное число раз за весь срок службы.

Для тока перегрузки в открытом состоянии (тока рабочей перегрузки) число циклов не ограничивается. В этом случае допустимое значение тока перегрузки зависит от предварительного режима нагрузки, длительности импульса перегрузки, применяемого охладителя (радиатора) и условий охлаждения.

Наиболее простым способом защиты полупроводниковых приборов от токов коротких замыканий является использование предохранителей. Для этих целей используются специальные типы предохранителей, отличающихся высоким быстродействием, например ПП-57.

Следует отметить, что такие быстродействующие предохранители обычно предназначены для защиты от токов коротких замыканий, но не перегрузки.

Основным параметром плавкого предохранителя, характеризующим его в период до образования дуги, является количество энергии, необходимое для расплавления плавкого элемента. При малом времени плавления (до 0,01 с) эта энергия пропорциональна квадрату тока и времени его протекания и может быть выражена через интеграл плавления:

где - время расплавления плавкого элемента, - функция изменения аварийного тока, протекающего через предохранитель.

Значение интеграла плавления зависит от исходного состояния предохранителя. При отключении из горячего состояния, то есть после прогрева предохранителя рабочим током, интеграл плавления составляет 65 - 70 % значения интеграла плавления для холодного состояния предохранителя.

После расплавления плавкого элемента образуется электрическая дуга. Образование дуги приводит к появлению напряжения на предохранителе и ограничению аварийного тока в цепи.

Тепловое воздействие в период горения дуги может быть охарактеризовано интегралом дуги

где - время горения дуги.

Интеграл дуги практически не зависит от температуры предшествующего режима, а определяется лишь током в момент возникновения дуги, напряжением и индуктивностью в отключаемой цепи.

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 информационных материалах.

Для обеспечения надежной защиты полупроводникового прибора плавкими предохранителями при коротких замыканиях необходимо выполнять условие

.

Предохранители, предназначенные для защиты преобразователей, обычно снабжены средствами сигнализации, например микропереключателями, контактная система которых срабатывает при перегорании плавкой вставки. Это позволяет обеспечить контроль состояния вентилей при эксплуатации.

Основным недостатком защит, выполненных на основе плавких предохранителей, является необходимость в замене перегоревших плавких вставок, что снижает степень автоматизации работ при обслуживании.

Для защиты преобразователей широко применяются автоматические выключатели, которые по быстродействию уступают предохранителям, но обеспечивают многократное действие и возможность дистанционного управления. 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.

Условием обеспечения надежной защиты вентилей преобразователя при коротких замыканиях является

,

где - полное время размыкания контактов выключателя в силовой цепи преобразователя.

Автоматические выключатели или предохранители должны обеспечивать разрыв цепи до выхода из строя полупроводникового прибора, причем автоматические выключатели, как правило, отключают схему целиком, а предохранители могут быть установлены для каждого прибора индивидуально, как показано на рис.3.

Быстродействующие выключатели серии ВАБ, ВАТ, А-3700, АМ применяются для защиты преобразователей при внешних коротких замыканиях и перегрузках в сочетании с предохранителями в качестве защиты от внутренних коротких замыканий. При этом обеспечивается селективность защиты - предохранители не плавятся при внешних коротких замыканиях.

Защита цепи управляющего электрода

Цепи управляющих электродов защищаются как от перенапряжений, так и от аварийных токов. Малая мощность этих цепей позволяет применять простые защитные средства, такие как стабилитроны (рис.3), ограничивающие напряжение на электроде, и токоограничивающие резисторы .

Характерной проблемой, связанной с тиристорными схемами, является их ложное срабатывание. В цепи управляющего электрода могут быть индуцированы импульсы от коммутации соседних тиристоров или сетевых помех, вызывающие переход тиристора в открытое состояние и неправильную работу схемы. Защита цепей управления от таких помех состоит в экранировании или скручивании их проводов. Часто между выводом управляющего электрода д и катодом к параллельно устанавливают конденсатор (до 0,1 мкФ) и резистор (до 200 Ом), шунтирующие помехи.

Для формирования импульсов, имеющих необходимые параметры, и обеспечения потенциальной развязки силовых и управляющих цепей применяются формирователи, построенные на базе оптоэлектронных или трансформаторных элементов [2, 3].

ЛИТЕРАТУРА

Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. – М.: Энергоиздат, 1985. – 401 с.

1. Архангельский Н.Л., Виноградов А.Б., Лебедев С.К. Руководство по проектированию элементов систем управления электроприводами. Учеб. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 1999. – 116 с.

2. Архангельский Н.Л., Виноградов А.Б. Электропривод постоянного тока с импульсным преобразователем. Учеб. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 1995. – 92с.

Контрольные вопросы

1. С какой целью устанавливают на входе преобразователей емкости?

2. От каких режимов и какими элементами следует защищать анодно-катодную часть полупроводника?

3. Какие защитные устройства применяют для цепи управления тиристора?

4. Каким образом защитить тиристор от коротких замыканий на стороне постоянного напряжения?

5. Каким образом определить защитный показатель тиристора и какой аппарат выбрать для этого?

6. Найти параметры защитных внешних цепей трехфазного преобразователя, если известно, что , , , , .

Ответ:

, .

7. Для тиристора допустимые значения , , при . Минимальная индуктивность для ограничения составляет 8 мкГн, а индуктивность фазы трансформатора . Определить при этом величину скорости нарастания тока.

Ответ:

4000 А/с.

Лекция No 12

Взаимодействие преобразователя с сетью и нагрузкой

1. Энергетические показатели в сети

2. Фильтр в звене постоянного напряжения

1. Энергетические показатели в сети

В электрических цепях с несинусоидальной формой тока можно выделить следующие составляющие мощности [1, 2]:

· активную мощность , определяемую синусоидальным напряжением и синусоидальной составляющей тока, находящейся в фазе с кривой напряжения;

· реактивную мощность , определяемую синусоидальным напряжением и синусоидальной составляющей тока, сдвинутой относительно кривой напряжения;

· мощность искажения , определяемую синусоидальным напряжением и высшими гармониками тока;

· полную мощность .

Понятие коэффициента мощности связано с цепями переменного тока. В линейных цепях переменного тока, питаемых синусоидальным напряжением, коэффициент мощности определяется как , где - угол сдвига фаз между синусоидальной кривой напряжения питания и синусоидальной кривой тока. Причины, приводящие к тому, что коэффициент мощности становится меньше единицы, обусловлены явлением накопления энергии и искажением кривой тока по сравнению с кривой напряжения питания.

В цепях, питаемых переменным синусоидальным напряжением, в которых появляются периодические токи несинусоидальной формы, выделяют две составляющие коэффициента : коэффициент, обусловленный сдвигом фаз между первой гармоникой тока и напряжением ( ), и коэффициент, обусловленный искажением кривой тока по отношению к кривой напряжения ( ). Коэффициент фазового сдвига определяется по выражению

,

коэффициент искажения - по выражению

,

где - действующее значение первой гармоники тока;

- действующее значение тока цепи;

,

где - действующее значение напряжения питания.

В общем виде коэффициент мощности можно найти из выражения

.

От значения коэффициента мощности приемников, подключенных к питающей сети, зависит степень использования устройств, вырабатывающих и передающих электроэнергию. Уменьшение коэффициента мощности должно сопровождаться ограничением активной мощности, потребляемой этим устройством, что ведет к ухудшению использования питающей сети, трансформаторов, распределительных аппаратов и генераторов электрической энергии.

Рис.1. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности однополупериодного выпрямителя от угла регулирования и фазового угла нагрузки

Рис.2. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности двухполупериодного выпрямителя от угла регулирования и фазового угла нагрузки

Рис.3. Трехпульсный (нулевой) выпрямитель. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности трехфазного выпрямителя от угла открытия и фазового угла нагрузки

Рис.4. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности трехфазного мостового выпрямителя от и

Коэффициент сдвига при точном учете процесса коммутации вычисляется следующим образом:

,

где угол коммутации равен

.

При линейной аппроксимации тока на интервалах коммутации формула для коэффициента сдвига упрощается:

.

По найденным коэффициенту искажения и коэффициенту сдвига определяется коэффициент мощности как произведение .

Работа любого преобразователя сопровождается потерями электрической энергии в различных элементах схемы на их активных сопротивлениях. Величина этих потерь характеризуется коэффициентом полезного действия, который зависит от режима работы преобразователя.

Найдем зависимость коэффициента полезного действия от среднего значения выпрямленного тока при постоянстве угла регулирования. Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной активной мощности на выходе вентильного преобразователя к активной мощности на входе. Тогда при работе преобразователя в выпрямительном режиме по определению

,

а при работе в инверторном режиме

,

где - КПД;

– активная мощность в звене постоянного тока (в пренебрежении пульсациями тока);

– суммарные потери активной мощности – в трансформаторе ( ), в вентилях ( ), фильтре ( ), на вспомогательные нужды ( );

– активная мощность в первичной обмотке трансформатора.

Указанные активные мощности определяются следующим образом:

,

где и - мощность потерь в стали трансформатора и примерно равная ей мощность потерь в режиме холостого хода;

и - мощность потерь в меди трансформатора и примерно равная ей приведенная с коэффициентом мощность потерь в режиме короткого замыкания:

,

где - число вентилей в преобразователе,

.

Так как все рассмотренные мощности зависят от выпрямленного тока, то и КПД будет функцией тока нагрузки. В режиме номинального тока при максимальном выпрямленном напряжении значения КПД лежат в пределах 0,9...0,96.

2. Фильтр в звене постоянного напряжения

Сглаживающие фильтры применяют для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, который требуется по условиям эксплуатации в устройствах, питаемых данным выпрямителем [3-6].

Оценку сглаживающего действия фильтра обычно производят по величине его коэффициента сглаживания .

Как известно, выпрямленное напряжение в любой вентильной схеме имеет пульсирующий характер. Число пульсаций ( ) для различных схем разное.

Причиной пульсации выпрямленного напряжения является то, что оно, кроме постоянной составляющей , содержит переменную составляющую , т.е.

.

Здесь представляет сумму всех высших гармоник выпрямленного напряжения, амплитуды которых во многом зависят от сопротивлений трансформатора и вентилей, характера нагрузки, способа фильтрации выпрямленного тока и т.д.

Рассмотрим идеальный случай, когда сопротивлениями цепей переменного тока и вентилей при чисто активной нагрузке (без сглаживающих фильтров) пренебрегают.

Число пульсаций равно m, тогда период изменения выпрямленного напряжения равен , поэтому напряжение содержит гармоники с порядковыми номерами km( ). Если ось ординат совпадает с амплитудой кривой выпрямленного напряжения, то оно будет содержать лишь косинусоидальные гармоники, т.е.

.

Амплитуда гармоники

,

или в относительных единицах

.

Соотношение -гармоники с напряжением представляет коэффициент пульсации схемы

.

В табл.1 приведены амплитуды гармоник выпрямленного напряжения для некоторых вентильных схем.

Таблица 1. Амплитуды высших гармоник выпрямленного напряжения

Как видно из табл.1, лишь амплитуда 1-ой гармоники имеет существенное значение. Остальные гармоники сравнительно незначительны и при расчетах ими часто пренебрегают.

Допустимый коэффициент пульсаций у потребителя (выход фильтра)

,

где – среднее значение выпрямленного напряжения на клеммах потребителя; – уровень амплитуды первой гармонической напряжения после фильтра.

Отношение коэффициентов пульсаций на выходе выпрямителя и на входе потребителя называют коэффициентом сглаживания фильтра

.

показывает, во сколько раз уменьшается амплитуда пульсаций основной гармоники на выходе фильтра по сравнению с амплитудой пульсаций на его входе.

Таким образом, коэффициент фильтрации фильтра, сглаживающего выпрямленное напряжение до определенного уровня, определяют через допустимый коэффициент пульсаций потребителя и число пульсаций на выходе выпрямителя:

(1)

В дальнейшем расчет фильтра сводится к определению параметров фильтра по величине , определяемой из выражения (1).

При выборе сглаживающего фильтра коэффициент сглаживания является важным, но не единственным критерием. Необходимо учитывать условия, при которых работает фильтр, с тем, чтобы не искажался режим работы потребителя, а также существенно не ухудшался режим работы выпрямителя и элементов фильтра.

Фильтр с одной емкостью