книги из ГПНТБ / Андриенко, П. Д. Защита реверсивных тиристорных преобразователей
.pdfтемпературу окружающей среды (определяется по пас портным данным; при температуре окружающего воздуха до 45° С равен 0,95); — коэффициент, учи тывающий скорость охлаждающего воздуха (опреде ляется по информационным данным завода-изготови
теля); |
k3 — коэффициент, |
учитывающий |
угол прово- |
|
. |
|
2 я |
димости тиристора (при угле проводимости -у- равен |
|||
0,9); |
k4 — коэффициент, |
учитывающий |
асимметрию |
управляющих импульсов.
Определим число параллельно включенных ти
ристоров в плече выпрямителя |
(инвертора) |
|
||||
|
|
п > |
|
|
|
( 120) |
|
|
^тир.доп |
|
|
|
|
где kT — коэффициент перегрузки |
по |
току |
(для ти |
|||
ристорных преобразователей обычно |
равен |
2—2,5); |
||||
&сх — коэффициент |
схемы выпрямления (для трех |
|||||
фазной |
мостовой |
равен 0,333). |
в |
циклическом ре |
||
При |
работе преобразователя |
|||||
жиме, когда температура р-я-перехода тиристора не успевает достичь установившегося значения, число параллельно включенных тиристоров необходимо рас считывать с учетом переходного теплового сопротив ления системы тиристор — охладитель. Если тирис торные преобразователи должны обеспечивать нор мальную работу при выходе из строя одного и более тиристоров, то число параллельных ветвей должно быть соответственно увеличено.
На следующем этапе рассчитывают максимально допустимый аварийный ток и величину теплового эквивалента аварийного тока, воздействующего на тиристор, для режима однофазного опрокидывания инвертора, который является наиболее тяжелым ре жимом. Максимально допустимый аварийный ток оп ределяется с учетом того, что к тиристорам может быть
120
приложено прямое или обратное напряжение. Если максимально допустимый ток рассчитан правильно, то температура р-я-перехода не должна превышать критической.
Максимально допустимый аварийный ток
/ max “ [ (1 |
S) Я “Ь |
/т max, |
(1 2 1 ^ |
где / т тах — максимально допустимый ток тиристора (определяется по паспорту).
Для определения относительной величины аварий ного тока при максимальной ЭДС Еа необходимо знать величину активного сопротивления контура, которая равна сумме активного сопротивления сглаживаю щего реактора, якорной цепи двигателя и соедини тельных кабелей. Предварительно определить величи ну активного сопротивления трудно, однако для прак тических расчетов, в зависимости от мощности пре образователя, можно с достаточной степенью точности принять (0,05—0,1) R H, где
RH= Еdullda- |
(1 2 2 ) |
Тогда величина базового тока равна для однофаз ного опрокидывания инвертора
U = |
о , 0 5 - . 6 , Г = (20 • ■• 10) |
<123) |
Относительное значение допустимого аварийного тока с учетом формулы (1 2 2 )
* |
|
^тах |
(124) |
/max ~ |
(20. |
. . 10) IdK |
|
|
|
Для селективной защиты тепловой эквивалент отключения автоматического выключателя рассчиты вают по формуле (117) или в относительных единицах
/* 2*откл = |
/2^ [ « ( 1 - S ) + S ]2 |
(125) |
||
(400 . . . 100) |
l\n |
|||
|
|
|||
121
Используя выражение |
(111), по кривым |
СН = |
= f (t, Т), приведенным |
в приложении П2, |
можно |
определить параметры контура опрокидывания. Сна чала находят время tc, за которое ток достигнет тока
срабатывания защиты i*, затем к нему прибавляют собственное время срабатывания автоматического выключателя и время до начала токоограничения. Для автоматического выключателя типа А3700 время до начала токоограничения составляет
^огр — /0 -)- (12 . . . |
14), |
|
|
|||
где /огр измеряется в миллисекундах. |
|
|
||||
Далее по кривым i*4 |
= |
q> (t, |
Т) (см. рис. П2), за |
|||
даваясь величиной ГКОн |
в |
соответствии с |
(107), |
на |
||
ходят значение Т, соответствующее времени |
torp, |
при |
||||
котором удовлетворяется |
неравенство |
|
|
|||
Я пд[(1-5)« + ^ |
(126) |
|||||
(400 . . . 200) |
I2dHku |
|||||
|
|
|||||
По предварительно найденной величине Т опре |
||||||
деляют индуктивность в контуре опрокидывания |
|
|||||
L = TR. |
|
(127) |
||||
Найденная величина индуктивности равна сумме индуктивностей сглаживающего реактора, якорной цепи двигателя, а при совместном управлении и урав нительного реактора. Величина индуктивности урав нительного реактора известна, а индуктивность якор ной цепи электродвигателя
L„ = k |
и„ |
( 128) |
2р1нпн |
где k — коэффициент, зависящий от конструктивного исполнения двигателя (к = 5... 12); 2р — число пар полюсов; па — номинальная скорость вращения якоря двигателя, об/мин.
122
Полагая, что индуктивность якорной цепи двига теля не меняется за время срабатывания защиты, и учитывая, что остаточная индуктивность сглаживаю щего реактора типа ФРОС равна примерно 15% от паспортного значения, уточним величины Гк0„ и Т.
Следует отметить, что выбор индуктивности по предварительному расчету соответствует наиболеежесткому режиму, когда L„ <С L. После окончательно выбранной величины индуктивности в случае необ ходимости проводят поверочный расчет темпера туры полупроводниковой структуры тиристора из вестными методами.
3. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЯС-ЦЕПОЧЕК В ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
Известно, что для защиты от коммутационных пере напряжений и ограничения скорости нарастания пря мого напряжения тиристоры шунтируются RC-це почками [7; 9; 12; 19]. Однако применительно к ревер сивным преобразователям с раздельным управлением и противопараллельным включением мостов индиви дуальное шунтирование тиристоров имеет существен ные недостатки. Обратные напряжения на тиристорах, проводящих ток, являются прямыми напряжениями тиристоров неработающего (запертого) моста, по этому для избежания ложного включения запертых тиристоров особенно важно ограничить скорость на растания прямого напряжения до допустимых значе ний.
По указанной причине параметры индивидуальных /?С-цепочек строго согласовывают с параметрами пи тающего трансформатора. В преобразователях с раз личными выходными параметрами и построенных на однотипных силовых модулях, содержащих тиристоры
123
и /?С-цепочки, строго согласовать параметры затруд нительно. К тому же /?С-цепочки загромождают сило вой модуль, усложняют конструкцию и увеличивают тепловыделения в нем. Индивидуальное шунтирова ние тиристоров снижает эффективность использования /?С-цепочек. При запирании тиристоров, участвую щих в коммутации тока нагрузки, для сглаживания скачков напряжений используются только те RC- цепочки, на которых происходит изменение приложен ных напряжений. Остальные /?С-цепочки, которые шунтируют открытые тиристоры, не оказывают влияния на скорость изменения напряжения на запертых тирис торах. Поэтому за каждый интервал коммутаций третья
часть всего количества /?С-цепочек не |
используется. |
В реверсивных преобразователях |
с совместным |
управлением и общим питанием мостов, |
помимо пере |
численных недостатков, индивидуальные ^С-цепочки могут явиться причиной перенапряжений на тирис торах. Например, если один из мостов такого пре образователя работает в выпрямительном режиме, то коммутационные изменения напряжения, питаю щего мосты, непосредственно передаются на второй мост, работающий в инверторном режиме с уравни тельным током. По окончании коммутации восстанав ливающееся напряжение на запертых тиристорах второго моста вызывает заряд конденсаторов RC-
цепочек через |
токопроводящие плечи |
первого моста |
и уравнительные реакторы. Так как |
индуктивность |
|
уравнительных |
реакторов примерно на два порядка |
|
выше, чем индуктивность рассеяния обмоток транс форматора, то процесс перезаряда имеет явно выра женный колебательный характер, что сопровожда ется значительными перенапряжениями на RC-це почках и соответственно тиристорах и приводит либо к их ложному включению, либо к пробою в обратном направлении, что недопустимо.
124
Кроме того, если постоянная времени в цепи на грузки имеет большую величину, то при управлении тиристорами узкими сдвоенными импульсами RC- цепочки способствуют появлению релейности регули ровочной характеристики [7].
Указанные недостатки индивидуального шунти рования легко устраняют включением /?С-цепочек на стороне переменного тока (рис. 44). Для опреде ления оптимальных параметров /?С-цепочек, согла сованных с индуктивностью трансформатора, можно воспользоваться нереверсивной мостовой схемой, так как условия сглаживания скачков обратного напря
жения в этой |
схеме |
полностью распространяются |
|
на реверсивные |
схемы |
с |
раздельным и совместным |
управлением, в |
которых |
эти напряжения являются |
|
прямыми.
В момент окончания коммутации тока нагрузки схема рис. 44, а приводится к эквивалентной расчет ной (рис. 44, б) при следующих допущениях:
прямое падение напряжения на открытых тирис торах равно нулю, а сопротивление запертых тирис торов бесконечно велико;
активные сопротивления фаз трансформатора и плеч моста бесконечно малы:
125
сопротивления /?С-цепочек не содержат собствен ной индуктивности;
процесс разряда конденсаторов /?С-цепочек за канчивается к моменту окончания коммутации:
в момент окончания коммутации тока нагрузки обратный ток / 0 через тиристоры достигает максимума и в этот момент времени сопротивление тиристоров этого плеча изменяется от нуля до бесконечности, т. е. тиристоры мгновенно запираются;
время затухания переходного процесса на RC- цепочках невелико, поэтому в течение этого времени фазные напряжения трансформатора принимаются неизменными и равными мгновенным значениям в момент окончания коммутации тока нагрузки;
угол регулирования а равен а + у = -у, т- е-
скачок обратного напряжения максимален и равен амплитуде линейного напряжения, питающего мост; нагрузка содержит индуктивность, ток через ко
торую можно принять идеально сглаженным.
В эквивалентной схеме (рис. 44, б) размыкание клю ча В в момент времени / = 0 имитирует запирание ти ристора. Параметры эквивалентной схемы определя ются следующими соотношениями:
L, = 2L-
где Ls — индуктивность рассеяния фазы трансфор матора и питающей сети, приведенная ко вторичной обмотке.
Переходный процесс перезаряда /?С-цепочек опи
сывается дифференциальным |
уравнением |
|
l 3 I r + т г J ш + |
= 1 / 3 и ™*- |
<129) |
Соответствующее ему характеристическое уравнение
L3p* + R 3p + -^г- = О
126
имеет корни
Pi,2 = |
— b dr ]/* b2 -f- (Во , |
|
|
|
||
где |
|
|
|
|
|
|
ь - ш |
со„ = |
V L9c 9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Известно, что характер переходного процесса при |
||||||
включении L, R, С-цепочки зависит от корней |
харак |
|||||
теристического уравнения. |
|
на |
тиристоре |
|||
Восстанавливающееся |
напряжение |
|||||
равно падению напряжения |
на #С-цепочке |
|
||||
«яс = J / T ^ max- L s -§ -, |
|
(130) |
||||
В дальнейшем будем пользоваться величиной пере |
||||||
регулирования напряжения |
|
|
|
|
||
|
URC ~ |
К З |
^m ax |
|
|
(131) |
|
Кз итах |
|
|
|||
|
|
|
|
|||
Скорость нарастания напряжения на тиристоре |
||||||
duRC |
|
d4 |
|
|
(132) |
|
dt |
|
— и IF |
|
|
diiRc |
|
Для определения максимальных величин 8 и |
||||||
выражения (131) и |
(132) |
исследуют |
на |
|
dt |
|
экстремум: |
||||||
|
d6 |
= |
0; |
|
|
(133) |
|
dt |
|
|
|
|
|
|
dfi |
= |
р |
|
|
(134) |
|
|
|
|
|
|
|
Из выражений (129), (132) — (134) после некоторых преобразований определяются моменты времени
и t2, соответствующие максимальным значениям б и duos'
£. Анализ выражения (134) показывает, что
максимальная скорость нарастания будет при t2 = 0 . При этом следует отметить, что при мгновенном
127
размыкании ключа В на тиристоре в момент вре мени t = 0 возникает скачок прямого напряжения, численно равный IltR По данным работы [7] тиристо ры способны выдерживать скачки прямого напряжения примерно 0,2—0,3 от напряжения переключения ти ристора без ограничения скорости нарастания прямого напряжения. Опыт эксплуатации реверсивных ти ристорных преобразователей серии АТР показал, что
тиристоры типа Т-160 с параметрами — = 20 В/мко
восьмого класса способны выдерживать скачки пря мого напряжения до 300—350 В с длительностью фронта 1 мкс, сохраняя при этом нормальную работо способность. Для каждой конкретной схемы заданы
/„, L3, a R 3 и Сэ — искомые.
С учетом изложенного выше выражение для ско рости нарастания восстанавливающегося напряжения на тиристоре для всех решений уравнения (129) имеет вид
duRC |
/„ [ г»(\ - k ) |
(135) |
|
dt |*=oi |
Сэ [ |
k |
't' *J ’ |
где |
R» |
|
|
г — |
|
|
|
|
|
(136) |
|
|
|
|
|
k = |
|
|
(137) |
/3 итак
Вдальнейшем будем пользоваться величиной
duRC |
|
X=, dt fePI. = i + |
. (138) |
‘О |
й |
С
Максимальная величина перерегулирования на пряжения для различных процессов определяется следующими выражениями:
123
для |
колебательного процесса |
|
|
|
|||||
бгпах = - f |
|/( 4 |
- |
2 2) [А2 (г, k) + (\ - k f ] |
exp X |
|||||
|
|
X |
|
г arctg В (г, |
k) |
|
(139) |
||
|
|
|
V 4 — ; |
|
|
||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— / 4 |
— z2[fe + |
г2 (1 |
— fe)] |
|
|||
|
|
~~ |
г \k + |
(1 — k) (г2 — 2)] |
' |
|
|||
В случае В (z, |
k) |
< |
О |
|
|
|
|
||
бтах = 4- |
1^(4 — Z2) [Л2 (z, k) + (1 — £)2] |
eXp X |
|||||||
|
|
х |
|
г [л — arctg В (г, £)) |
(140) |
||||
|
|
|
|
]/4 — г2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
для |
апериодического процесса |
|
|
||||||
* |
2£ — г( у г2 |
|
4 |
г) (1 |
&) |
„„„ |
( г — V^ |
2 — 4 .. |
|
6 т а ,! - |
|
2 г у г П Г 4 |
|
Р ' 2 J/ г2 — “4 Х |
|||||
X In [D (z, k)]
2fe + г ( / г 2 — 4 + г) (1 — й) ехр X 2г / г 2
|
X | i _ J g |
O |
l n [D(z, £)](, |
(141) |
|||
|
|
|
|
“*I - V- "VIJ . |
|||
где D (z, k) |
_ (г — |^ г 2 — 4) [2& — г ( ^ г 2^ -^ — г) (1 — £)] |
||||||
{г + |
у Т П Г ь ) [2k + |
г ( У ¥ ~ ^ 4 |
+ z ) ( l — k)]' |
||||
|
|||||||
для критического процесса |
|
|
|||||
|
8(1 |
k2) |
k (5 |
Щ |
|
1 |
|
|
4(1 — k) + 2k |
* 4 - Ч ехР Х |
|||||
|
X |
4 (1 — k) + |
k |
(142) |
|||
|
2{\ — k) + k |
||||||
|
|
|
|
||||
129