6.7. Быстродействующие выключатели.

Быстродействующие выключатели постоянного тока обладают, как и пре­дохранители, токоограничивающим действием. При этом вместо времени плавления предохранителя говорят о времени задержки выключения, то есть о времени от момента поступления сигнала на выключение до момента разъе­динения силовых контактов. После этого, как и в случае с предохранителями, начинается интервал горения дуги.

Длительность интервала задержки выключения зависит от механизма вы­ключателя и лежит в диапазоне 0,3-6 мс. Время гашения дуги зависит как от типа выключателя, так и от соотношения параметров в цепи, в которой уста­новлен выключатель, и составляет от 5 до 50 мс.

Перенапряжения, возникающие во время выключения, могут достигать зна­чений, превышающих номинальное напряжение выключателя в 1,7-2,5 раза. Это необходимо учитывать при выборе полупроводниковых приборов.

Отечественной промышленностью выпускаются быстродействующие авто­матические выключатели типа АБ и ВАБ с номинальным напряжением от 825 В до 10000 В и номинальным током от 1 кА до 6 кА, полное время отклю­чения которых колеблется в пределах 15-40 мс.

Быстродействующие выключатели применяются главным образом для за­щиты преобразователей большой мощности. Их установка в цепях постоян­ного тока гарантирует защиту от аварий типа G (короткое замыкание в цепи нагрузки), Е (опрокидывание инвертора) и F (аварийный ток в контуре реверсивного преобразователя постоянного тока по встречно-параллельной схеме с раз­дельным управлением). Параметры выключателя выбираются таким обра­зом, чтобы в названных аварийных ситуациях исключить срабатывание пре­дохранителей в цепях параллельно включенных тиристоров. Для этого в цепи короткого замыкания необходимо некоторое минимальное индуктивное сопротивление, которое в случае аварий типов G и D обеспечивается выбором соответствующего сглаживающего реактора L_d.

Защиту от аварий типов А и В в случае установок большой мощности мож­но обеспечить с высокой надежностью за счет соответствующего конструк­тивного исполнения преобразователя.

В преобразователях без параллельного соединения тиристоров быстродейст­вующий выключатель применяют только тогда, когда недопустимо связан­ное с необходимостью замены предохранителей увеличение времени, требуе­мого для приведения установки вновь в рабочее состояние, а аварии могут происходить достаточно часто.

6.8. Защитное отключение с помощью системы управления.

Функции защиты могут быть также возложены на устройства информаци­онной электроники, входящие в состав преобразователя. Ограничение тока при перегрузках или короткое замыкание в цепи нагрузки почти всегда может быть легко осу­ществлено в преобразователях, в которых имеется контур подчиненного ре­гулирования тока или устройство отсечки тока, управляемое системой регу­лирования.

Пример системы, обеспечивающей регулирование частоты вращения якоря машины постоянного тока с помощью тиристорного преобразователя, приве­ден на рис. 6.14. Для защиты коллектора машины от искрения требуется ог­раничение тока преобразователя. В современных электроприводах эта зада­ча решается с помощью контура подчиненного регулирования тока.

Рис. 6.14. Регулятор частоты вращения двигателя с внутренним (подчинен­ным) контуром

регулирования тока якоря:

1 - датчик заданного значения тока, 2 - усилитель регулятора частоты враще­ния, 3 - усилитель регулятора тока якоря, 4 - система управления преобразователем, 5 - цепь возбуждения, 6 - датчик тока, 7 - датчик частоты вращения (тахо-генератор)

К преимуществам принципа подчиненного регулирования относятся:

• каждая постоянная регулирования времени контура регулирования компен­сируется с помощью отдельного пропорционального или пропорционально-интегрального регулятора. Это обеспечивает независимый выбор параметров системы и облегчает ее настройку;

• каждая регулируемая величина(частота вращения, ток якоря, в том числе и возникающие сверхтоки) легко ограничивается;

• упрощается схемотехника за счет применения одинаковых операционных усилителей с обратной связью через RR- и RC-цепи. При этом упрощается эксплуатация и обнаружение неисправностей, помехи во внутренних конту­рах регулирования (например, колебания напряжения питающей сети, возни­кающие случайные кратковременные перенапряжения) могут быть скомпенсированы с большим быстродействием внутри каждого контура и будут мало сказываться на основной регулируемой величине, в данном случае на частоте вращения двигателя.

Уровень ограничения тока устанавливается в большинстве случаев таким образом, чтобы допустимая температура р–n перехода вентилей с учетом воз­можных перед аварией кратковременных токовых перегрузок (если нагрузка преобразователя резко переменная) не была превышена. При больших и не­известных заранее длительностях перегрузок (аварии типа D) необходимо предусмотреть и другие защитные устройства (предохранители, выключатели и т.д.), которые, однако, вызывают перебои в питании нагрузки. В необходи­мых случаях можно применять также ограничение тока, уровень которого зависит от температуры р-n перехода вентилей, что связано, однако, со зна­чительным усложнением системы.

Следует отметить, что поскольку напряжение ведомого сетью преобразова­теля при ограничении его тока с помощью системы управления спадает с ко­нечной скоростью, так как это напряжение повторяет синусоидальную форму напряжения, действующего на аноде последнего проводящего ток тиристора, то ограничение тока при коротком замыкании можно осуществить только при аварии типа G (короткое замыкание на стороне нагрузки) и если при этом в цепи постоянного тока имеется достаточно большая индуктивность, снижающая скорость нарастания тока короткого замыкания.

Аналогичные соображения справедливы и для случаев, когда защита осуще­ствляется путем снятия управляющих импульсов или перевода выпрямителя в инверторный режим.

При защите путем снятия управляющих импульсов (например, в системах управления автономными инверторами) ток срабатывания должен превы­шать значение ограничиваемого тока, так как при этом виде защиты преры­вается питание нагрузки. Следует учитывать, что таким способом запереть тиристор, проводящий ток, нельзя, однако тиристоры следующих фаз оста­ются запертыми и за счет этого резко ограничивается число сработавших предохранителей при коротком замыкании.

При защите за счет перевода выпрямителя в инверторный режим магнитная энергия, запасенная в индуктивности, включенной в цепь постоянного тока, возвращается обратно в сеть переменного тока, что позволяет быстро умень­шить ток в цепи силового преобразователя до нуля.

Защиту преобразователя могут также обеспечить быстродействующие вы­ключатели с токоограничивающим действием или автоматические выключа­тели. Однако из-за большого времени задержки при срабатывании подобных устройств необходимо соответственно ограничить ток короткого замыкания с помощью реак­торов, включаемых на стороне питающей сети переменного тока. Так как за­траты, особенно на медь, при этом оказываются значительными, такое реше­ние применяется обычно лишь при относительно небольших мощностях, на­пример, в регуляторах переменного напряжения, используемых для регулиро­вания освещения.