1.13 Аварийные режимы преобразователей постоянного тока

Полупроводниковые диоды и тиристоры могут выйти из строя либо по причине электростатического пробоя, обусловленного высоким напряжением, либо по причине теплового пробоя из-за перегрева током. При этом, как правило, пробой полупроводникового вентиля приводит к возникновению аварии и протеканию больших токов в неповрежденных вентилях.

А

Рис. 1.13.1.

варии можно разделить на внешние и внутренние, рисунок 1.13.1. Внутренними авариями называют переходные режимы причиной возникновения, которых является неисправность элементов силовой схемы (I) преобразователя или нарушения в работе системы управления. Внешними авариями называют режимы работы, вызванные замыканиями в нагрузке или в питающей сети. К ним относятся короткие замыкания на шинах переменного (II) и постоянного (III) тока, недопустимая перегрузка или короткое замыкание у потребителя (IV), двухфазное (V) или однофазное опрокидывание инвертора (VI), которое также называют прорывом инвертора. Очень часто внешние аварии вызывают выход элементов силовой схемы из строя и развитие внутренней аварии.

Цепи преобразовательных устройств содержат, как правило, элементы с магнитопроводом. Нелинейную характеристику также имеют и полупроводниковые устройства. Обмотки трансформаторов, шинопроводы и сами полупроводниковые приборы имеют определенные распределенные емкости, которые трудно учесть в расчетах. Поэтому при расчетах аварийных режимов принимают следующие допущения:

- все индуктивные и активные сопротивления схемы замещения линейны;

- трехфазная системы сети симметрична, а э. д. с. синусоидальны и неизменны по амплитуде;

- все диоды, за исключением поврежденных сохраняют свои вентильные свойства, тиристоры – управляемость;

- намагничивающие токи трансформаторов и собственные емкости элементов малы и не учитываются;

- влияние защитных цепей вентилей от перенапряжений не учитываются.

В качестве базисной величины во всех дальнейших расчетах будет использоваться амплитудное значение установившегося тока трехфазного короткого замыкания:

, где – амплитудное значение фазной ЭДС;

, – суммарные активное и реактивное сопротивления одной фазы полной схемы замещения, приведенные к вторичной обмотке трансформатора.

, ;

, – индуктивность рассеяния первичной и вторичной обмоток;

, – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток.

1.13.1 Внешнее короткое замыкание неуправляемого выпрямителя

Рис. 1.13.2.

В общем случае между местом короткого замыкания (КЗ) и выводами выпрямителя остается сопротивление (сглаживающий дроссель, кабели и т.д.). Наибольшее значение аварийного тока будет при отсутствии остаточного сопротивления в контуре короткого замыкания , . Короткое замыкание разделяет схему на две части, токи в которых можно рассматривать независящими друг от друга, рисунок 1.13.2. Для расчета выпрямителя представляет интерес ток, поступающий к месту КЗ от сети переменного тока через вентили преобразователя.

П

Рис. 1.13.3.

усть КЗ произошло в момент перехода э. д. с. фазы А через ноль, рисунок 1.13.3. Этот момент соответствует условию максимума аварийного тока. К моменту начала аварийного тока проводили ток вентили VD₅ и VD₆. Ток в цепи был равен I_d. В момент КЗ вступает в работу вентиль VD₁. Для этого момента можно записать систему уравнений:

С учетом мгновенных значений фазных ЭДС:

.

И начальных условий для первого интервала переходного процесса:

, .

Получим следующие решения для мгновенных значений токов в относительных единицах:

;

;

;

где .

С прекращением тока в вентиле VD₅ окончится первый интервал аварийного процесса и начнет проводить ток вентиль VD₂, т.е. опять будут проводить ток одновременно три вентиля VD₁, VD₆, VD₂. Уравнения для токов в вентилях VD₁ VD₆ останутся те же, что и в первом интервале, а ток в вентиле VD₂ будет описываться тем же уравнением, что и для VD₅ только со знаком минус.

Второй интервал закончится в момент, когда ток в вентиле VD₆ упадет до нуля и начнет проводить ток вентиль VD₃. В третьем интервале будут проводить ток вентили VD₁, VD₂, VD₃. Уравнения токов останутся те же, что и в предыдущих интервалах.

На рисунке 1.13.4, а приведена кривая мгновенного значения тока в цепи наиболее нагруженного вентиля при отношении . Зависимость амплитуды аварийного тока от параметров трансформатора приведена на рисунке 1.13.4, б, продолжительности аварийного тока на рисунке 1.13.4, в. Как видно максимальное значение аварийного тока при глухом коротком замыкания на выходе выпрямителя не превышает двойной амплитуды установившегося значения тока трехфазного короткого замыкания. После затухания апериодической составляющей каждой из фаз будет протекать синусоидальный ток амплитудой, раной амплитуде установившегося тока трехфазного замыкания, причем один полупериод он будет протекать через вентиль анодной группы, другой через вентиль катодной группы. Однако для полупроводников наиболее важным является первое воздействие аварийного тока, которое может вывести вентиль из строя, если защита не ликвидирует аварии.

Рис. 1.13.4.

Нагрев диода пропорционален произведению квадрата тока и времени его прохождения, поэтому степень нагрева структуры диода обычно характеризуют параметром теплового эквивалента . На рисунке 1.13.5 приведена кривая теплового воздействия первой полуволна на вентиль при различных отношениях . Для определения теплового воздействия на вентили выпрямителя в A²с для конкретного случая находят по кривой рисунок величину умножают ее на квадрат амплитуды установившегося значения тока трехфазного короткого замыкания и делят на .

Рис. 1.13.5.

Если момент начала аварийного процесса на совпадает с моментом перехода фазной э. д. с. через нуль, то максимальное значение аварийного тока в вентиле в течение первого полупериода будет меньше. Наименьшее значение амплитуды аварийного тока будет в случае начала аварийного процесса в момент равенства фазных э. д. с.