Защиты тиристорного преобразователя

Защита преобразователя осуществляется от внутренних и внешних аварийных режимов.

Причиной возникновения внутренних аварий являются всевозможные неисправности элементов самой силовой схемы тиристорного преобразователя. К ним относятся:

- пробой тиристоров силового моста;

- одновременное включение встречно-параллельных мостов реверсивного

тиристорного преобразователя с раздельным управлением группами.

К внешним авариям, которые характеризуются внешними причинами, относятся:

- недопустимые перегрузки;

- короткие замыкания на шинах постоянного и переменного токов;

- однофазное и двухфазное опрокидывание инвертора.

В вентильных преобразователях могут возникнуть аварийные режимы, сопровождающиеся недопустимыми по значению и длительности токами через вентили, например, внешние и внутренние короткие замыкания; опрокидывание инвертора; появление чрезмерных уравнительных токов в реверсивных ТП с совместным управлением тиристорными группами; отпирание тиристоров в неработающей группе (работа группы на группу) в реверсивных ТП с раздельным управлением вентильными группами.

Внутренние короткие замыкания возникают вследствие потери тиристором запирающих свойств и закорачивании р-n структуры (пробой тиристора).

Причинами пробоя тиристора могут явиться: высокая скорость нарастания тока (больше 20-200 А/мкс), нарушение механической целости р-n структуры при чрезмерном токе, усталостное

разрушение её при цикличной токовой нагрузке преобразователя.

Опрокидывание инвертора является следствием нарушения правильной коммутации тока с одного вентиля на другой. В преобразователях, имеющих трёхфазную мостовую схему, могут произойти однофазные и двухфазные опрокидывания инвертора. В первом случае аварийный ток протекает через два тиристора, соединённых с одной фазой трансформатора, который в этом случае работает в режиме холостого хода. Во втором случае ток протекает через два тиристора и две фазы трансформатора. В те полупериоды переменного напряжения, когда линейное напряжение трансформатора действует согласно с напряжением источника постоянного тока, происходит быстрое нарастание аварийного тока.

Опрокидывания инверторов возникают вследствие пропуска отпирания очередного тиристора (в трёхфазной мостовой схеме это приводит к двухфазному, а затем к однофазному опрокидыванию), снижения напряжения сети переменного тока, что приводит к увеличению тока инвертора и угла коммутации, который может стать больше угла опережения инвертора.

Причиной опрокидывания инвертора может быть скачок управляющего напряжения на входе системы фазового управления в сторону увеличения угла опережения, а также отпирание тиристора под действием импульсов помех на управляющем электроде, перенапряжений или высокой скорости нарастания напряжения на тиристоре в прямом направлении.

Чрезмерные токи в контуре уравнительных токов возникают в реверсивных вентильных преобразователях с совместным управлением вследствие нарушения соотношения α1+α2>180°, что приводит к появлению постоянной составляющей в уравнительном токе, насыщению уравнительных реакторов и быстрому нарастанию уравнительного тока до аварийного.

Отпирание тиристоров в неработающей группе (открывание группы на группу) в реверсивных преобразователях с раздельным управлением вентильными группами происходит при подаче на них управляющих импульсов вследствие неисправностей в системе раздельного управления или кратковременного исчезновения и восстановления напряжения собственных нужд.

2.8.1. Требования к защите

Защита преобразователей должна действовать при внешних и внутренних к.з., при возникновении аварийных токов между тиристорными группами и при опрокидывании инвертора. При внешних к.з. и опрокидываниях инвертора защита должна отключать преобразователь со стороны постоянного тока.

Кроме того, при внешних к.з. желательна легализация аварийного тока по месту (предотвращение перехода аварийного тока на следующие по порядку коммутации в схеме вентили) и по времени (ограничение тока. к.з. первой полуволны), что должно обеспечиваться устройством защиты по управляющему электроду, которое снимает или сдвигает к границе инверторного режима управляющие импульсы. При опрокидываниях инвертора эта защита неэффективна.

При внутренних к.з. защита должна отключать весь преобразователь или повреждённый тиристор (защита по управляющему электроду при этом должна снять или сдвинуть к границе инверторного режима управляющие импульсы).

При появлении аварийных токов между тиристорными группами защита должна разомкнуть цепь аварийного тока или отключить преобразователь от сети.

Основные требования, предъявляемые к аппаратам устройствам защиты, заключаются в следующем:

1. Максимальное быстродействие. С ростом продолжительности протекания аварийного тока увеличиваются размеры повреждений преобразователя, а при опрокидываниях инвертора возрастает абсолютное, значение аварийного тока. Малая теплоёмкость кремниевого элемента и обусловленная ею высокая чувствительность тиристоров к значению и продолжительности протекания аварийных токов определяют высокие требования к быстродействию защиты тиристорных преобразователей.

2. Селективность. Отключение только повреждённых вентилей без нарушения работы исправных вентилей и преобразователя в целом. В то же время, при срабатывании защиты, отключающей преобразователь в целом, не должна срабатывать защита, отключающая вентили.

3. Чувствительность. Обеспечение срабатывания защиты при возможно меньших значениях аварийных токов.

4. Надёжность, помехоустойчивость, простота настройки и обслуживания.

Выбор защитных аппаратов

2.9.1. Защита автоматическими выключателями

Автоматические выключатели являются защитными аппаратами многократного действия и предназначены для защиты вентильных преобразователей от внешних коротких замыканий, опрокидывания инвертора и перегрузок по току. Выключатели устанавливаются на стороне переменного и выпрямленного токов.

Место включения автоматических выключателей в схемах вентильных преобразователей определяется теми наиболее вероятными аварийными режимами, от которых предусматривается защита. При этом должны учитываться специфика работы преобразователя, требования защиты вентилей и селективности отключения поврежденной цепи.

Автоматические выключатели переменного тока устанавливаются в преобразователях, питающихся от сети 380 В, на первичной стороне трансформатора или до токоограничивающих реакторов в бестрансформаторном варианте.

Выключатели на стороне переменного напряжения защищают преобразователь как от внутренних, так и от внешних аварийных режимов в выпрямительном режиме. В инверторном режиме при прорыве инвертора аварийный ток замыкается через вентили одной фазы, минуя цепь переменного тока (однофазное опрокидывание инвертора), и в этом случае не разрывается автоматическим выключателем. В связи с этим, такие схемы могут применяться для преобразователей, где режим инвертирования не применяется, и для возбудителей, поскольку обмотку возбуждения двигателей нежелательно отключать от источника питания («разнос»).

На стороне постоянного тока устанавливается автоматический выключатель А3725Б УЗ на выпрямленное напряжение 220 В, обеспечивающий протекание номинального тока 250А, тепловой расцепитель на 160 А, электромагнитный расцепитель 250 А; уставка по току срабатывания: теплового расцепителя 185 А, электромагнитного расцепителя не менее 2,75Iн= 2,75×128 = 352 А (выбирается 1500 А). Собственное время отключения А3700 с дистанционным расцепителем полупроводникового типа не более 10 мс.

На стороне переменного тока устанавливается автоматический выключатель А3716Б на номинальное напряжение 380 В, обеспечивающий протекание номинального тока выключателя 160 А, электромагнитного расцепителя 160 А, теплового расцепителя 63 А; уставка по току срабатывания: теплового расцепителя 72 А, электромагнитного расцепителя 630 А.

Защита от перенапряжений

Процессы, протекающие в вентильных преобразователях, часто сопровождаются перенапряжениями, которые, воздействуя на вентили, могут привести к их пробою, вызывающему, как правило короткое замыкание.

Основными видами перенапряжений являются:

1. Сетевые перенапряжения, обусловленные действием сетевой коммутационной аппаратуры или атмосферных явлений.

2. Схемные перенапряжения неповторяющегося характера, связанные с действием коммутационной аппаратуры вентильного преобразователя. Это перенапряжения, связанные с включением питающего трансформатора, подключением вентильного преобразователя к источнику переменного напряжения, отключением питающего трансформатора, а также отключением тока нагрузки при помощи автоматического выключателя.

3. Схемные повторяющиеся перенапряжения - они обусловлены работой вентилей в силовой схеме и являются либо резонансными, либо коммутационными.

Резонансные перенапряжения связаны с потреблением из сети несинусоидального тока и прерывистым режимом работы преобразователя.

Коммутационные схемные перенапряжения вызываются периодическим переходом вентилей из закрытого состояния в открытое и обратно. Они характеризуются (при отсутствии ограничительных устройств) крутым фронтом (до 1000 В/мкс) и значительной амплитудой (до 10-кратного значения по отношению к рабочему напряжению).

Для ограничения перенапряжений широко применяются накопители энергии - конденсаторы, входящие в состав RC-цепочек. В целях защиты от коммутационных перенапряжений, поступающих из питающей сети, при коммутациях трансформатора и цепей нагрузки, RC-цепочки включают на вторичной стороне трансформатора по схеме, приведенной на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Схемы включения RC-цепочек

При заряде конденсатора, в результате перенапряжений в контуре RC происходит колебательный процесс перехода электромагнитной энергии в электростатическую и обратно. Для настройки колебательного контура на апериодический процесс, последовательно с конденсатором устанавливается резистор R3, сопротивление которого должно быть больше двукратного волнового сопротивления этого контура.

Разрядное сопротивление R2 выбирается из условий разряда С1 на 10% за один полупериод частоты питающей сети.

(2.30)

где С₁ – ёмкость конденсатора, Ф.

Для защиты от коммутационных перенапряжений применяются RC-цепочки (снаберы), включенные параллельно тиристорам (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Схема включения RC-цепочки

Контроль напряжения питающей сети, выпрямленного напряжения и тока

Наличие и уровень напряжения питающей сети контролируются с помощью трехфазного реле. При исчезновении фазы или при снижении на 48% напряжения одной из фаз реле подает команду на отключение автоматических выключателей. Световое табло сигнализирует о включенном и выключенном состоянии масляного выключателя.

Для визуального контроля величины выпрямленного тока и напряжения предусмотрены амперметр, подключенный к шунту, и вольтметр, в цепи которого имеются предохранители.

На стороне переменного тока преобразователя установлены трансформаторы тока, сигналы которых через разделительный трансформатор поступают в систему импульсно-фазового управления и систему защиты от токов короткого замыкания.

При помощи указанных трансформаторов, измеряющих ток преобразователя, а также блока датчиков состояния тиристоров (БДС), контролирующих закрытое состояние тиристоров, формируется логический сигнал на переключение выпрямительных групп реверсивного преобразователя.

Контроль изоляции

На стороне постоянного тока преобразователя установлен узел контроля изоляции цепи выпрямленного тока на землю. Контроль осуществляется при помощи двухобмоточного реле К13 типа РН 55/200, катушки которого включены между собой встречно и последовательно с сопротивлениями R1, R2 на напряжение моста, а средняя точка катушек подключена к “земле” через показывающий миллиамперметр PA3 (см. рис 2.13).

При одинаковом уровне изоляции полюсов преобразователя относительно “земли” через включенные встречно обмотки реле протекает одинаковый ток и ампервитки катушек реле уравновешивают друг друга. При снижении уровня изоляции одного из полюсов относительно “земли” реле срабатывает и подает в схему предупреждающий сигнал “снижение уровня изоляции силовой цепи”. Уставка срабатывания реле К13 определяется величиной сопротивлений R1, R2. Для исключения влияния переменной составляющей выпрямленного напряжения на уставку срабатывания реле катушки зашунтированы конденсаторами С1, С2. Миллиамперметр РА3 позволяет визуально оценить снижение изоляции между “землей” и одним из полюсов преобразователя по отношению к уровню изоляции между “землей” и другим полюсом.

Схема контроля изоляции представлена на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Силовая схема электропривода серии КТЭ

Заключение

Спроектированный тиристорный преобразователь удовлетворяет требованиям задания на проектирование, имеет подходящий по техническим данным аналог. Данный тиристорный преобразователь питается через трансформатор от стандартной сети 380 В. Имеет естественное охлаждение, которое является наиболее простым и надёжным в эксплуатации, и как вследствии этого два параллельно включенных тиристоров в плече с индуктивными делителями тока; сглаживающий дроссель, включенный последовательно с якорем двигателя, для уменьшения зоны прерывистых токов. Разработанная система защиты должна исключить внутренние и внешние аварийные режимы при неисправностях элементов силовой схемы в тиристорном преобразователе или недопустимых перегрузках и коротких замыканиях.

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ДЛЯ АД

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время считают необходимым применять регулируемый электропривод для механизмов, которые традиционно оснащались нерегулируемыми электроприводами с асинхронным двигателем.

Современный уровень силовой полупроводниковой техники и микропроцессорных средств управления позволяет строить системы регулируемого асинхронного электропривода с помощью частотного управления. Такие системы не уступают по своим качествам и статическим характеристикам электроприводам постоянного тока, а по своим экономическим и эксплуатационным качествам во многом их превосходят.

Современные системы частотного – регулируемого электропривода характеризуются применением преобразователей частоты, выполненных на транзисторных IGBT модулях, а также применением в структуре управления средств микропроцессорной техники, соответствующее программное обеспечение которых создает хорошие возможности для повышения гибкости управления, оптимизации его технико-экономических показателей [1].

Одним из преимуществ частотно-регулируемого привода является плавное регулирование скорости вращения электродвигателя, позволяющее в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры, что значительно упрощает управляемую механическую систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы. Частотный пуск управляемого двигателя обеспечит его плавный без повышенных пусковых токов и механических ударов разгон, что снижает нагрузку на двигатель и связанные с ним передаточные механизмы, увеличивая срок их эксплуатации. Применение регулируемого частотного электропривода позволяет сберегать электроэнергию устранением неоправданных затрат, которые имеют место при альтернативных методах регулирования, например дросселированием или с помощью гидромуфт [2].