Проектирование тиристорного преобразователя

Выпускаемые отечественной промышленностью полупроводниковые неуправляемые и управляемые вентили позволяют создавать компактные, малогабаритные статические преобразователи тока, которые находят широкое применение в промышленности, на железнодорожном и городском транспорте, самолетах и т.п. Различные выпрямители используются для возбуждения электрических машин, для питания якорей двигателей в системах электропривода постоянного тока, электролизных установок в химической промышленности и цветной металлургии и для многих других потребителей народного хозяйства нашей страны.

Автоматизированный электропривод выполняется в виде комплектного устройства, состоящего из регулируемого источника питания двигателя и системы управления приводом. В качестве регулируемого источника питания в этих устройствах применяются тиристорные агрегаты, которые по сравнению с другими преобразователями обладают существенными технико-экономическими преимуществами: высоким к. п. д., компактностью, отсутствием подвижных контактов и вращающихся масс, отсутствием таких токсичных материалов, как ртуть, постоянной готовностью к работе, широким температурным диапазоном работы, высокой надежностью и удобством в эксплуатации.

Однако не только рациональная конструкция и высокое качество изготовления определяют надежность работы тиристорных агрегатов на объекте. Решающим условием надежности, в значительной степени зависящим от обслуживающего персонала, является поддержание качественных показателей, достигнутых на заводе, на должном уровне при эксплуатации.

1. Технические условия на разработку

В качестве нагрузки тиристорного преобразователя применен двигатель постоянного тока независимого возбуждения типа 2ПФ315LУХЛ4, сеть трехфазная переменного тока 380 В, режим работы электропривода - реверсивный.

2. Технические данные двигателя

Технические данные двигателя 2ПФ315LУХЛ4 представлены в таблице 2.1

Таблица 2.1

Технические данные двигателя.

Номинальный ток якоря, Iн найдем из выражения

Максимально расчетное значение выпрямленной ЭДС в режиме непрерывного тока определяется по формуле:

Uн - номинальное значение напряжения на двигатели;

Iн - номинальное значение выпрямленного тока преобразователя;

бmin - минимальный угол регулирования;

бmin=15ч20є - если особых требований в отношении динамических показателей электропривода не предъявляется;

?U - падение напряжения на тиристоре;

ав - коэффициент, учитывающий число коммутаций фазы за период;

в, ст, d - расчетные коэффициенты;

kсет - коэффициент, учитывающий индуктивность сети переменного тока;

kсет=1,0ч1,2 - при проектировании маломощных и средней мощности электроприводов;

ек% - напряжение короткого замыкания; ек% =5ч10%;

?Pм% - потери; ?Pм% =1ч3%;

?UС% - возможные колебания напряжения сети; ?UC% =5%.

Полное сопротивление реактора:

, тогда:

;

Таблица 3.1

Расчетные коэффициенты схемы выпрямления

Силовой реактор выбирается по следующим номинальным данным:

Исходя из тока фазы

и напряжения сети Uс = 380 B.

Выбирается токоограничивающий реактор РТСТ-410-0,101УЗ.

Таблица 3.2

Технические параметры реактора РТСТ - 410 - 0,101УЗ

Структура условного обозначения:

Р - реактор;

Т - трехфазный;

С - сухой, охлаждение естественное воздушное при открытом исполнении;

Т - токоограничивающий;

410 - номинальный ток; (А);

0,101 - индуктивность фазы; (мГн);

УЗ - климатическое исполнение.

3.3 Выбор тиристоров

3.6 Характеристики тиристорного преобразователя

Расчет фазовых характеристик СИФУ реверсивного тиристорного преобразователя с пилообразным опорным напряжением производится по формуле:

,

где - начальный угол согласования характеристик, принимается 95?,

- максимальное значение опорного напряжения СИФУ.

Максимальное значение угла регулирования:

,

где г - угол коммутации при Idmax,

д - угол восстановления запирающих свойств тиристора,

,

где - время выключения тиристора T1000-10;

?б = 3° - допустимая асимметрия импульсов.

Угол коммутации:

где бн - номинальный угол, соответствующий номинальному режиму работы двигателя;

По приведённому уравнению рассчитаны фазовые характеристики выпрямительных мостов групп «Вперёд» и «Назад», данные расчёта приведены в таблице 3.4. Фазовые характеристики реверсивного тиристорного преобразователя приведены на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Фазовые характеристики тиристорного преобразователя.

Расчет и построение регулировочных Ed=(Uy) и внеш-них характеристик Ud=(Id) реверсивного тиристорного преобразователя.

При пилообразном опорном напряжении ЭДС тиристорного преобразователя:

,

по которому рассчитаны регулировочные характеристики выпрямительных групп.

Данные расчётов представлены в таблице 3.5, а на рисунке 3.6 - регулировочные характеристики .

Рисунок 3.6 - Регулировочные характеристики тиристорного преобразователя

Максимальная ЭДС тиристорного преобразователя с точки зрения безопасного инвертирования при бmax = 163,6? составляет:

.

Коэффициент усиления тиристорного преобразователя определим по формуле:

,

Внешняя характеристика тиристорного преобразователя Ud=(Id) при =const (одной выпрямительной группы) в режиме непрерывного тока в соответствии со схемой замещения реверсивного тиристорного преобразователя (рис. 3.7.) может быть представлена следующим урав-нением:

;

ав=2 - для мостовой схемы выпрямления;

Rр=0,00405 Ом - активное сопротивление фазы реактора;

Xр=0,032 Ом - индуктивное сопротивление фазы реактора.

;

Рис. 3.7 - Схема замещения реверсивного тиристорного преобразова-теля при работе на якорь двигателя.

При в граничном режиме:

;

В непрерывном режиме напряжение и ток определяются по следующим формулам:

При =0 (Id=0); 30о

а при 30о

;

По приведенным формулам рассчитаны зависимости Ud=(Id) (см. табл. 3.6) при различных =15о, 30о, 60о, 75о, 90о, 105о, 120о, 135о, 160о, которые пред-ставлены на рис. 3.8.

Табл. 3.6

Внешние характеристики ТП.

Рис. 3.8. Внешние характеристики тиристорного преобразователя.

3.7 Расчёт энергетических характеристик

4.1 Разновидности и причины аварийных режимов

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 тока; 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 к.з.; 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 к.з. возникают вследствие потери тиристором запирающих свойств и закорачивании р-n структуры (пробой тиристора).

Причинами пробоя тиристора могут явиться: высокая скорость нарастания тока (больше 20320 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 б1+б2>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.

4.2 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 и устройствам защиты, заключаются в следующем:

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.

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.

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

Надёжность, помехоустойчивость, простота настройки и обслуживания.

4.3 Выбор защитных аппаратов

а) 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 тока. Место включения автоматических выключателей в схемах вентильных преобразователей определяется теми наиболее вероятными аварийными режимами, от которых предусматривается защита. При этом должна учитываться

специфика работы преобразователя, требования защиты вентилей и селективности отключения поврежденной цепи.

Автоматические выключатели переменного тока устанавливаются в преобразователях, питающихся от сети 380 В., 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»).

Защита вентильного преобразователя, а также якоря двигателя от аварийных режимов на стороне постоянного тока (короткое замыкание, круговой огонь на коллекторе, перегрузка) осуществляется быстродействующими автоматическими выключателями серий А3700.

На стороне постоянного тока устанавливается автоматический выключатель А3795 Н на выпрямленное напряжение 440 В, обеспечивающий протекание номинального тока 630 А, тепловой расцепитель на 580 А, электромагнитный расцепитель 630 А; уставка по току срабатывания: теплового расцепителя 575 А, электромагнитного расцепителя не менее 2,75·Iн= 2,75Ч301,3 = 828,5 А (выбирается 3800 А). Собственное время отключения А3795 Н с дистанционным расцепителем полупроводникового типа не более 10 мс.

На стороне переменного тока устанавливается автоматический выключатель А3736Б на номинальное напряжение 380 В, обеспечивающий протекание номинального тока выключателя 400 А, электромагнитного расцепителя 400 А, теплового расцепителя 320 А; уставка по току срабатывания: теплового расцепителя 370 А, электромагнитного расцепителя 3200 А.

б) 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:

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

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

Схемные повторяющиеся перенапряжения 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 схеме, приведенной на рисунке 4.1.

Рис. 4.1. - Схема включения RC - цепочки.

С учетом параметров реактора емкость демпфирующего конденсатора СЗ (С4, С5) в защитных цепях трехфазных схем выпрямления определится по формуле:

;

где

- индуктивность фазы реактора, Гн;

- амплитудное значение обратного (прямого) напряжения на тиристоре, В;

- максимально-допустимое напряжение для защищаемых тиристоров, В;

- ток фазы токоограничивающего реактора, А.

;

При заряде конденсатора в результате перенапряжений в контуре LC 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 двухкратного волнового сопротивления этого контура:

;

При больших мощностях преобразователей целесообразно устанавливать RC - цепочки на стороне выпрямленного тока вспомогательного выпрямителя "В". В этом случае используются электролитические конденсаторы с емкостью С1, увеличенной в 1,5 раза а гасящий резистор R1 уменьшается на 33,3%. Можно установить вместо R1 резистор R'1, при этом он будет также ограничивать ток короткого замыкания при пробое одного из диодов выпрямительного моста. Разрядное сопротивление R2 выбирается из условий разряда С1 на 10% за один полупериод частоты питающей сети:

;

где

С1 - емкость конденсатора, Ф.

Для защиты от коммутационных перенапряжений применяются RC -цепочки, включенные параллельно тиристорам (рисунок 4.2.)

Рис. 4.2. - Схема включения RC - цепочки.

Емкость конденсатора рассчитывается по формуле:

где еk =0,06 напряжение короткого замыкания реактора в относительных единицах;

где =20 мкс. - время восстановления вентиля Т1000 - 10. Сопротивление R выбирается равным:

в) Контроль напряжения питающей сети, выпрямленного напряжения и тока.
Наличие и уровень напряжения питающей сети контролируется 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.

г) Контроль изоляции.

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

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 определяется величиной сопротивлений Для исключения влияния переменной составляющей выпрямленного напряжения на уставку срабатывания реле катушки зашунтированы конденсаторами. Миллиамперметр позволяет визуально оценить снижение изоляции между "землей" и одним из полюсов преобразователя по отношению к уровню изоляции между "землей" и другим полюсом.

Рис. 4.3. - Силовая схема электропривода серии КТЭ

Таблица 4.1

Сравнительная характеристика разработанного тиристорного преобразователя и промышленного аналога.

Заключение

Спроектированный тиристорный преобразователь удовлетворяет требованием задания на проектирование, имеет подходящий по техническим данным промышленный аналог. Данный тиристорный преобразователь спроектирован на стандартное сетевое напряжение, что позволяет его использовать без дополнительного оборудования (трансформатора). Разработанная защита ТП должна исключить аварийные режимы в системе ТП - Д.

Список используемых источников

1. Косматов В.И. Проектирование электроприводов металлургического производства. Учебное пособие: Магнитогорск, МГТУ 1998, 224 с.

2. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник / И. Х. Евзоров, А. С. Горобец М.: Энергоатомиздат, 1982, 411 с.

3. Замятин В. Я. и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник/М.: Радио и связь, 1988, 576с.

4. Трансформаторы серии ТПС, ТПЗП для питания комплектных тиристорных преобразователей и электроприводов: Каталог 03.34.07 -- 84. М.: информэлектро, 1985, 6 с.

5. Курс лекций по преобразовательной технике /Лектор: В.И. Косматов/

Размещено на Allbest.ru