3.3 Способы снижения коммутационных перенапряжений в аппаратах

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Перенапряжения в процессе отключения аппарата обусловлены, в основном колебательным характером перезарядки коммутирующего конденсатора. Уровень их зависит от параметров отключаемой цепи и динамических характеристик, используемых в силовой цепи СПП. Так как перенапряжения определяют требования к изоляции защищаемого оборудования и изоляции самих аппаратов, влияют на габариты, стоимость и надежность работы систем электроснабжения в целом, необходимо стремиться к их понижению.

В тиристорных аппаратах с емкостной коммутацией ограничение перенапряжений может быть достигнуто различными способами. Наиболее простой из них заключается в подключении параллельно конденсатору, на определенном этапе его перезарядки, линейного или нелинейного резистора. Сущность такого подхода заключается в демпфировании колебаний за счет увеличения коэффициента их затухания. Эффективность этого способа показана на основе анализа коммутационных процессов в выключателе переменного тока. В выключателях постоянного тока использование линейных резисторов для шунтирования конденсаторов С_К связано с необходимостью введения в схему дополнительного коммутационного узла (обычно тиристорного), обеспечивающего прерывание тока в резисторе.

Один из возможных вариантов исполнения выключателей с двухступенчатой коммутацией тока показан на рисунке 3.5. Готовность к отключению в схеме этого аппарата обеспечивается предварительной зарядкой конденсатора С_К от сети с указанной на рисунке 3.5 полярностью. Для этого необходимо включить тиристоры VS₂ и VS₅, подав на их входные цепи (управляющий электрод - катод) управляющие сигналы. Ток зарядки конденсатора С_К протекает через элементы схемы L₁, L₂, R_l, VS₅, С_К, перемычку П, VS₂, L₃. По мере зарядки конденсатора ток в цепи тиристоров VS₂, VS₅ уменьшается и, когда он становится меньше тока удержания, тиристоры самостоятельно выключаются. При длительном номинальном режиме напряжение на конденсаторе С_К постепенно уменьшается из-за несовершенства собственной изоляции и вследствие утечки заряда через подключенные к конденсатору цепи с тиристорами. Для предотвращения значительного снижения напряжения, система управления должна обеспечивать периодическое включение тиристоров VS₂ и VS₅. В результате на конденсаторе С_К будет автоматически поддерживаться постоянное напряжение, равное практически напряжению сети. Реакторы L₁, L₂, L₃ в схеме необходимы для ограничения скорости нарастания тока при включении тиристоров и реализации колебательного режима переходных процессов.

При возникновении короткого замыкания и достижении током значения уставки I_у (рисунок 3.6) системой управления включаются тиристоры VS₃ и VS₄. В результате, как и во всех рассмотренных ранее схемах, выключается тиристор VS₁. После изменения полярности напряжения на конденсаторе и повышения его до заданного значения U_m1 системой управления выдается сигнал на включение тиристора VS₅. При этом параллельно конденсатору подключается резистор R₁, способствующий ограничению дальнейшего повышения напряжения на конденсаторе С_К. Начиная с этого момента напряжение на конденсаторе уменьшается вместе с уменьшением коммутируемого тока.

Разрядка конденсатора осуществляется через тиристор VS₃, а после его выключения − через диод VD₁. Второй этап коммутационных процессов начинается непосредственно после выключения тиристора VS₃ и снижения тока до значения, определяемого общим сопротивлением внешней цепи и резистора R₁.

Рисунок 3.5 – Тиристорный выключатель с

двухступенчатой коммутацией тока

Рисунок 3.6 – Коммутационные процессы в схеме (рисунок 3.5)

В этот момент времени (t₂, на рисунке 3.6) системой управления включается тиристор VS₂, и ток начинает протекать по цепи R_l, VS₅, С_К, П, VS₂ и VD₂. В результате, напряжение на конденсаторе вновь изменяет полярность. По достижении им значения U_m2 в момент времени t₃ ток в нагрузке полностью прерывается.

Так как полярность напряжения на конденсаторе после отключения соответствует исходному состоянию, выключатель готов к повторному срабатыванию. Причем в рассматриваемом случае, который соответствует индуктивному характеру нагрузки, напряжение на конденсаторе значительно превышает напряжение сети. При активной нагрузке напряжение на конденсаторе не достигает значения U_m1 поэтому нет необходимости включать тиристоры VS₅ и VS₂. В этом случае и после отключения тока остаточное напряжение на конденсаторе U_C < U. Для обеспечения готовности к работе конденсатор необходимо дозарядить.

К достоинствам принципиальных схем с двухступенчатой коммутацией тока следует отнести оптимальное использование конденсаторов, более высокое быстродействие и частоту включений. Однако это достигается значительным усложнением коммутирующего узла и системы управления, которая должна реагировать на многие параметры переходного процесса и обеспечивать определенную последовательность включения тиристоров.

Другая возможность создания аппаратов постоянного тока с низкими коммутационными перенапряжениями и простой структурой связана с разработкой и освоением запираемых тиристоров. Основная отличительная особенность этих приборов по сравнению с обычными тиристорами состоит в их способности выключаться импульсом тока в цепи управления. Принципиальная возможность разработки таких приборов была обоснована еще в 50-х годах, и уже в 60-х годах промышленность освоила приборы, способные коммутировать токи до 5А при напряжении 100...200В. Быстрый прогресс в создании запираемых тиристоров большой мощности наблюдается с начала 80-х годов. В настоящее время рядом зарубежных фирм и в Росси выпускаются приборы этого типа на токи в сотни ампер и напряжение свыше 1000 В. В литературных источниках сообщается о разработках запираемых тиристоров с предельными параметрами по току и напряжению, сравнимыми с параметрами обычных тиристоров.

Принципиальная схема аппарата постоянного тока на основе запираемого тиристора показана на рисунке 3.7. Отключение его иллюстрируется осциллограммами изменения анодного тока I_А, напряжения на тиристоре U_А и импульсного тока управления отрицательной полярности i_G (рисунок 3.8).

Важным преимуществом схемы на рисунке 3.7 перед ранее рассмотренными является то, что в ней содержится только один сильноточный прибор − запираемый тиристор VS₁. Управление им осуществляется разнополярными импульсами напряжения. При включении импульс положительной полярности (по отношению к катоду) подается от внешнего генератора импульсов на зажимы 1. Через токоограничивающий резистор R₂ этот импульс поступает на управляющий электрод тиристора VS₁. Сам процесс включения запираемого тиристора протекает так же, как и у тиристора обычного исполнения (незапираемого).

Для выключения тиристора, на его управляющий электрод надо подать импульс напряжения отрицательной полярности. В приведенной на рисунке 3.7 схеме он формируется электрической цепью, выполненной на основе маломощного тиристора VS₂. При поступлении на управляющий электрод тиристора импульса напряжения от внешнего генератора импульсов он включается. При этом предварительно заряженный от источника питания E_G конденсатор С₂ (полярность зарядки указана на рисунке) разряжается на входную цепь запираемого тиристора VS₁ в направлении от катода к управляющему электроду.

Параллельно подключенная к тиристору VS₁ цепь, состоящая из диода VD₁, резистора R₁ и конденсатора С₁, выполняет защитные функции. В цепях с активной нагрузкой она предназначена для ограничения скорости нарастания восстанавливающегося напряжения. Как видно из осциллограммы i_А= f(t) (рисунок 3.8), ток, примерно равный 200А, прерывается тиристором за время меньше микросекунды. Без принятия специальных мер это вызвало бы практически мгновенное восстановление сетевого напряжения на тиристоре.

Запираемые тиристоры, как и другие СПП, чувствительны к эффекту (du/dt)_crit, поэтому необходимо ограничивать скорость нарастания напряжения до значений, допустимых для используемого прибора. В схеме на рисунке 3.7 нарастание напряжения на тиристоре при его выключении определяется скоростью зарядки конденсатора С₁, т. е. обеспечивается временной сдвиг между спадом тока в цепи и нарастанием напряжения на приборе.

Рисунок 3.7 − Принципиальная схема аппарата постоянного тока на основе запираемого тиристора

Рисунок 3.8 − Диаграммы изменения тока и напряжения

при выключении запираемого тиристора

Резистор R₁ в процессе зарядки конденсатора зашунтирован (закорочен) диодом, который в данном случае смещен в прямом направлении. Поэтому постоянная времени зарядки конденсатора определяется только сопротивлением соединительных проводов, собственным сопротивлением и индуктивностью конденсатора и дифференциальным сопротивлением диода. На осциллограмме (рисунок 3.8) изменение дифференциального сопротивления диода и индуктивность элементов защитной цепи проявляются кратковременным всплеском восстанавливающегося напряжения в момент времени, соответствующий началу спада анодного тока.

При включении запираемого тиристора конденсатор С₁, который заряжен до напряжения источника питания, разряжается через резистор R₁, так как диод VD₁ при этом оказывается смещенным в обратном направлении. Таким образом обеспечивается защита тиристора от превышения допустимой для него скорости нарастания тока при включении. Отметим, что емкость конденсатора защитной цепи, обеспечивающая нормальный режим работы запираемого тиристора в цепи с активной нагрузкой, составляет единицы микрофарад. В частности, приведенные на рисунке 3.8 осциллограммы получены при следующих параметрах цепи:

U_А = 200 В; R_Н=2 Ом; U_G = 12 В; R₁ = 20 Ом; С₁ = 2 10^-6 Ф.

Резкое прерывание тока запираемым тиристором при отключении индуктивной нагрузки сопровождается не только высокой скоростью восстановления напряжения, но и многократными перенапряжениями. Для ограничения перенапряжений можно использовать защитную цепь с той же структурой (см. рисунок 3.7). Однако емкость конденсатора С₁ в этом случае может составить десятки и даже сотни микрофарад.

Если активное сопротивление нагрузки мало и рассеянием энергии в ней в процессе зарядки конденсатора можно пренебречь, то ориентировочно емкость конденсатора можно определить из равенства энергий

где L_Н − индуктивность нагрузки, Гн;

I − отключаемый ток, А;

U_max − максимально допустимое напряжение, В.

Для сравнения с режимом отключения активной нагрузки рассчитаем емкость конденсатора С₁, необходимую для ограничения восстанавливающегося напряжения на уровне U_max = 1,5U при отключении цепи с индуктивностью L_H=10^-3 Гн:

Воспользовавшись выражением (3.6), определим емкость конденсатора, которая потребовалась бы для отключения этой же цепи выключателем с емкостной искусственной коммутацией (см. рисунок 3.3), выполненной на основе тиристора Т123-200 (t_q = 250∙10^-6 с):

Сопоставляя полученные значения С₁ и С_К, можно сделать заключение о их соизмеримости. Но надо иметь в виду, что выражение (3.6) определяет лишь условие достаточности емкости конденсатора для надежного выключения тиристора. Оно не учитывает возникающие при этом перенапряжения. Если выбор емкости С_К производить с учетом ограничения перенапряжений, числовое значение ее будет намного больше. С другой стороны, при расчете емкости С_К не учитывались потери энергии в элементах схемы в процессе зарядки конденсатора и реальная скорость изменения тока при запирании тиристора (-di/dt < ∞). Эти факторы способствуют уменьшению амплитуды восстанавливающегося напряжения.