автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Исследование аварийных режимов тиристорных импульсных преобразователей постоянного напряжения и разработка устройств защиты

ЛШНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Чувашским государственный университет им. И. Н. Ульянова

На правах рукописи

ЗАХАРОВ ВАЛЕРИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ ТИРИСТОРНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ

05.09.12 «Силовая электроника»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чебоксары 1090

Работа выполнена на кафедрах «Промышленная электроника» и «Радиотехника и радиотехнические системы» Чувашского государственного университета им. И. Н. Ульянова.

Научный руководитель: доктор технических наук.

профессор Г. А. Белов.

Официальные оппонент«: доктор технических наук,

профессор С. В. Хватов,

кандидат технических наук, с. п. с. А. Г. Иванов.

Ведущая организация — ОАО «Чебоксарский электроаппаратный завод».

Защита состоится 1 ноября 1996 г. в 13.00 часов в аудитории В-310 корпуса «В» на заседании диссертационного совета К 064.15.03 Чувашского государственного университета им. II. Н. Ульянова (428015, Чебоксары, Москозскпн пр., 15).

Отзывы на автореферат в диух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

Автореферат разослан 30 сентября 1Ш5 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. п., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Полупроводниковые преобразователя электрической энергии - выпрямителя, инверторы, преобразователи частоты, преобразователи постоянного напряжения - являются зажнейшими устройствами силовой электроники. В последнее время повысился интерес к импульсным преобразователям нерегулируемого постоянного напряжения з регулируемое постоянное (ИППН), которые применяются в регулируемом электроприводе постоянного тока, з источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, з электрохимии и в электросварке. Подобные преобразователи выполняются в диапазоне средних мощностей на транзисторах или на полностью управляемых тиристорах, а в диапазоне больших мощностей -на полууправляемых Тиристорах с параллельной или последовательной коммутацией при помощи коммутирующих узлов (рис.1). В настоящее время Т5фисторнь;е ИППН с параллельной коммутацией применяются на электропоездах ЭР12 п ведутся разработки таких преобразователей для тяговых электроприводов троллейбусио-трамвайного транспорта н загонов метрополитенов, з связи с чем исследование аварийных режимов и разработка устройств защиты указанных преобразователей приобретают актуальное значенне.Известные устройства контроля состояния тиристора и системы зашиты, разработанные на основе анализа аварийных режимов в трудах Глуха Е.М., Зеленова В.Е. и Андриенко Г1.Д. для выпрямителей, инверторов и преобразователей частоты, лишь частично можно использовать з тиристорных ИППН. Трудности анализа аварийных процессов з тиристорных ИППН связаны с непериодичностью их протекания, сложностью расчетных схем замещения и необходимостью решения систем дифференциальных уравнений высокого порядка с разрывной правой частью и с постоянными времени, отличающимися на несколько порядков. Численное решение таких систем относится к классу жестких задач, требующих больших затрат машинного времени и расширенного объема памяти ЭВМ, что вынуждает искать аналитические мел-оды их решения с меньшими вычислительными затратами, так как известные аналитические методы анализа цепей высокого порядка отличаются сложностью расчета и громоздкостью получаемых конечных выражений.

Целью работы является исследование аварийных режимов тиристорных ИППН на полууправляемых тиристорах . с

коммутирующими узлами при ломоши разработанной методики и разработка быстродействующих устройств их защиты от срыва коммутации, внешних и внутренних к.з.

Для выполнения поставленной цеп: были решены нижеследующие задачи: .

¡.Разработка методики расчета аварийных режимов ИППН, построенных на полууправляемых тиристорах

2.Анадиз при помощи разработанной методики расчета и выявление особенностей протекания аварийных режимов тирнсторных импульсных преобразователей постоянного напряжения при срыве коммутации, внешнем и внутреннем к.з.. .

3.Сравшпельная оценка анодного тока и его производной при нормальной коммутации ашового тиристора и при срыве коммутации.

4.Разработка устройств контроля состояния тиристора, регистрирмоших срыв коммутации в начале его развития, а такж? разработка устройств н способов зашиты тнрнсторных ИППН.

¿.Сравнительная оценка коммутирующей способности исполнительных органов зашить;, выполненных на базе тирнсторных ключей.

Н путая новизна. 1. Разработана методика расчета аварийных режимов ИППН, основанная на методе прнпасовывання и отличающаяся тем. что на интервалах линейности схем замещения преобразователя используются новые правила определения операторных токов и напряжений преобразователя. Составной частью этой методики являются алгор]ГТм нахождения коэффициентов аналитических выражений токов и напряжений в линейкой схеме любого порядка, проставленный в вис таблиц, и программа, реализующая эт 0т алгоритм.

2. Проведен анализ аварийных электромагн1ггных процессов ь тнрнсторных ИППН с активно-индуктивной нагрузкой с использованием разработанной методики: построены кривые теплового воздействия аварийного тока на силовые тиристоры преобразователя.

3. Разработаны методики расчета : устройств контроля состояния тир) ¡агора; исполнительных устройств за щиты на базе тирнсторных выключателей; параметров' импульсной зашиты тирнсторных преобразователей.

4.Выявлены граничные соотношения- между1 параметрами коммутирующей индуктивности и индуктивностью фильтра для обеспечения нормальной коммутации в тирнсторных ИППН.

5.Разработана математическая модель тнрнстора на этапе запирания при линейном коммутирующем импульсе. . ■;., ■-,.. ' ; ;

Практическое значение результатов раооты.

1. Разработанная методика расчета аварийных режимов ИППН позволяет получить выражения для токов и . напряжений з унифицированном виде, что существенно сокращает машинное время расчета.

2. Предложенный способ защиты тиристорного ИППН при работе от источника питания с £.С-фильтром позволяет разрабатывать надежные устройства защиты с меньшей стоимостью защитного оборудования, чем у известных, и расширенными функциональными возможностями.

3. Разработанные устройства контроля состояния тиристора, регистрирующие срыв коммутации в начале развития, отличаются повышенной помехоустойчивостью и простотой схем.

4. Разработанные рекомендации по применению предложенных в работе устройств контроля состояния тиристора в тиристорных пребразователях позволяют создавать более быстродействующие, эффективные и дешевые устройства зашиты от срыва коммутации.

Реализация работы Устройства- контроля состояния тиристора использованы в ИППН, питающих электроприводы постоянного тока на ООО "Чебоксарский хлопчатобумажный комбинат", и при модернизации тиристорного преобразователя частоты ТПЧ-1 на АО "Чебоксарский агрегатный завод"; методика расчета предельной коммутирующей способности была применена для расчета коммутирующего конденсатора системы защиты преобразователя частоты ТПЧ-1 на АО "Чебоксарский агрегатный завод", что подтверждается актами внедрения.

Теоретические положения методики расчета аварийных режимов используются в учебном процессе по курсу ТОЭ на электротехнических специальностях Чувашского госуниверситета им. И.Н.Ульянова, что подтверждается актом внедрения.

Апробация работь1 Основные положения работы и ее результаты докладывались и обсуждались на. ежегодных научно-технических конференциях ЧувГУ (г.Чебоксары с 1972 по 1990 ;г.г.),- на научно-техническом семинаре "Тиристорные системы электропривода и промышленной автоматики постоянного тока" (Ленинград, 1974г.), на научно-методическом совете Минвуза СССР по "Промышленной электронике" (Чебоксары,- 1986г.), на межвузовской научно-технической конференции "Динамика.нелинейных . дискретных электротехнических и электронных систем" (Чебоксары, 1995г.) и - на Всероссийской

- межвузовской научно-технической конференции "Информационные технологии ь электротехнике и электроэнергетике" (Чебоксары, 1996г.).

П\ й-шкации. Сод ер жан и е работы отражено в 17 опубликованных работах, в том числе б тред, авторских свидетельствах на изобретения.

Основные положения, смносимме на защиту:

- методика расчета аварийных режимов ИППН, отличающаяся от известных более экономичным определением аналитических выражений для токов и напряжений ;

- методики расчета устройств контроля состояния тиристора: исполнительных устройств зашиты на базе тиристорных выключателей с оценкой их предельной коммутирующей способности; параметров импульсной зашиты тиристорных преобразователей; .

- граничные соотношения между параметрами коммутирующей индуктивности и индуктивностью фильтра для обеспечения нормальной коммутации в тиристорных ИППН;

- способ защиты тиристорных преобразователей;

схемотехнические решения устройств контроля состояния тиристора в ИЛ ПН с параллельной и последовательной коммутацией.

Структура и объем работы: Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы из 113 наименований и 5 приложении. Общий объем составляет 260 страниц, в том числе 122 страницы м.п. текста, 61 рисунок, 2 таблицы, список литературы на 11 страницах и 5 приложений на75 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

■V

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи, научная и практическая ценность работы.

Б первой главе рассмотрены современное состояние и тенденции развития устройств зашиты тиристорных преобразователей; приведена классификация исполнительных органов зашиты и устройств контроля состояния тиристора: выявлены перспективные способы контроля состояния тиристора на основе измерения производной анодного тока тиристора и схемы исполнительных органов защиты ИППН в аварийных режимах на базе тиристорных ключей постоянного тока, а также использования энергии ¿С-фильтра для самовосстановления работы ИППН. Сделаны выводы о необходимости выполнения анализа и выявления особенностей .аварийных режимов тиристорных ИППН: анализа поведения производной анодного тока тиристора при

нормальной коммутации и при срыве коммутации; по разработке устройств контроля состояния тиристоров на основе измерения производной анодного тока; по анализу и сравнению коммутирующей способности тиристорных ключей и разработке быстродействующих устройств защиты на их основе.

Во второй главе разработана методика расчета аварийных режимов в тиристорных ИППН.

В отличие от расчета нормальных режимов преобразователей при расчете аварийных режимов приходится учитывать ряд дополнительных факторов: малое внутреннее сопротивление источника питания, паразитные параметры элементов схемы, сопротивления включенных тиристоров и диодов силовой части. Это обусловливает высокий порядок дифференциальных уравнений схемы и их жесткость. Численное интегрирование таких систем дифференциальных уравнений, описывающих аварийные процессы в ИППН? затрудняется возможной потерей устойчивости расчета и ростом вычислительных затрат. В связи с этим в работе используются аналитические методы нахождения токов и напряжений в линейных схемах замещения ИППН. В известных аналитических методах для нахождения тока ветви или потенциала узла необходимо выполнить большой объем алгебраических операций, количество которых возрастает с увеличением порядка системы уравнений, одновременно возрастает сложность расчета и контроль за ним. Так, в матричных методах расчета возрастают непроизводительные затраты машинного времени на вычисление нулевых и сокращающихся слагаемых из-за разреженности матриц. В топологических методах расчета необходимо найти все передачи графа по формуле Мэзона, а отсутствие четкого алгоритма перебора всех • деревьев и их алгебраических дополнений может привести к недостоверному результату. В методе обобщенных чисел, элементы матриц з котором кодируются семизначным кодом, растет сложность расчета и контроль за ним. В методе структурных чисел, основанном на операциях с матрицами, элементами которых являются индексы сопротивлений ветвей схемы, для определения тока ветви необходимо предварительно рассчитать передаточные функции при помощи функций совпадения; недостатками этого метода расчета являются сложность анализа и отсутствие непосредственной связи между алгоритмом расчета и топологией схемы. ' Немаловажной задачей при использовании операторных схем замещения является переход от изображения к оригиналу. В справочной лит^атуре содержатся- табличные

соответствия для систем не выше пятого порядка, а машинные методы вычисления обратных преобразований Лапласа сложны и неточны из-за необходимости дифференцирования полиномов и обработки комплексных чисел.

С целью упрощения процедур получения аналитических выражении уменьшения машинного времени при расчете сложных электромагнитных процессов предлагается методика расчета динамических режимов в линейных операторных схемах замещения полупроводниковых преобразователей, частично свободная от вышеуказанных недостатков. Точность расчета зависит от точности нахождения корней характеристического уравнения цепи.

Методика расчета базируется- на. операторном методе расчета линейных электрических цепей и включает в себя следующие положения: правило определения тока ветви; методику расчета коэффициентов определителя цепи; методику расчета алгебраических, дополнений; методику вычисления обратных преобразований Лапласа: унифицированные аналитические выражения для тока ветви, для напряжений на емкостном и индуктивном элементах ветви.

Правило определения тока ветви основывается на свойствах определителя цепи и позволяет записать выражение для тока ветви без составления и решения системы дифференциальных уравнении в линейной электрической цепи любого порядка по формулам Крамера. Методики расчета коэффициентов определителя и алгебраических дополнений основываются на первоначальном отщеплении оператора р Лалла^Д' и присоединении его в конце алгебраических преобразований, а также используется то, что структура коэффициентов алгебраических дополнений /»-контурной цепн

повторяет структуру коэффициентов определителя (те-1)-контурной цепи. ■ ,

Расчет токов и напряжении в схеме производится по единой "программе-максимум", соответствующей полному набору К.Ь.С элементов, начальных и возмущающих напряжений в каждой ветви схемы. По мере обнуления параметров элементов ветвей, начальных напряжений и изменения структуры схемы, в программе происходит обнуление соответствующих коэффициентов и изменение порядка характеристического уравнения, что позволяет в аналитическом вше рассчитывать электромагнитные процессы в цепях высокого порядка с изменяющейся структурой и переменным периодом работы методом припасовьшания.

Правило определения тока ветви. Количество составляющих тока I; я ]-й ветви схемы равно количеству слагаемых в опреоелителе схемы, содержащих элемент ]-й ветви, примем составляющие тока I,• определяются путем -замены у-го элемента в указанных слагаемьсс оробыо. знаменателем которой является определитель схемы, а числителем -суммарная ЭДС контура, полученного в схеме при разрыве ветвей с элементами. являющимися сомножителями ]-го элемента а указанных слагаемых определителя; ЭДС ветвей полученного контура входят в суммарную ЭДС со знаком плюс, если их направление совпадает с заданным направлением тока /}.

Методика вычисления оригинала операторного тока /-й ветви 1]=(О1рт+С2р^+...+Скр>+...+От.^О0+О.цг1 )/(А\п), (1)

с (/-коэффициентами алгебраического дополнения и характеристическим полиномом/г-й.степени

:А=А(рП+А1рп-1+Атрп:2+..ЛЛкрп-1'+...+Ап.1р+Ло)=Ллп, имеющего х простых действительных корней X;, X?,... и д простых комплексно-сопряженных корней <22±]1У2,...^ц±]1У(,, основана

на вспомогательных ¿"-коэффициентах п(Хк); Ок^У^к)'-

имеющих вид: .-'■■" 3„5к=пЗ{.ик+(п-!)А18!.2,яс+(п-2)Л2Бшк+....; •

■ 5п8к-йкЗп4к-ЩЗп5к>'ЗпУк-СскЗпЗк+ЩЗяМ,

где Д„- первая производная от характеристического полинома по р. С-п - т\!{{т- г)!;!]. Индексы ^-коэффициентов слеза направо соответствуют: степени характеристического полинома; порядковому номеру коэффициента: значению ^-коэффициента от к-го корня. Исключение составляют З^ь ^абю ЗпТШ - коэффициенты, у которых индекс г соответствует степени оператора р в (1). Б - 'коэффициенты позволяют' без операций с комплексными величинами вычислить по теореме разложения обратное преобразование Лапласа вида

• ' - р'/А« = £ [(/»1:/ +■ -ХКР^ / Д'^СРД:»«^!,-"■"■•■ ■ .. ■■■ ' ..■ ; - к=1- . : к=1. ■.....■ ■ .■

з результате получим: . :

F • чг r ic „, . ...

—-.= L + 1 -5--3—(5„6fa.coslV + SB7fc.sinty.O.

дй ¿„¡к k=lS-n4k + S~nSk

»

затем определяются ¿-коэффициенты: в(у=с.]/(а âq);

r Blk=(CinXk'^Cm.1Xkm'U..^GiXkW...+Go +G.jX¡^ )/(ASlllkJ : В2k-~l( G»¿n6bn+Gm.]S„6km-J+----t<J¡ sn6kí+~+GjS„r)k¡-r

B3i:=-í(GlnSrJkm+Gm-]Sn7kM¡-!+--+G¡Sn7[c^^

+G()Snsk)/(S~n4k^S-n5k)+G.]Sn9k/(S^n '

Уинфицированное выражение для тока j- й ветви, представляющее собой конечный результат теоремы разложения при воздействии ступенчатых возмушакмцих напряжений, имеет вид:

Íi = % + I Вшс -v¡- + v t&J(B-, . cos Щ.1 + Bsi-, sin h¿r>.

> инфицированное выражение для напряжения на конденсаторс'^-й ветви получим ь результате интегрирования тока ij в -интервале времени 0-1 :

t 'ei = -1) / хк + Су (qr. cos «¿/ + Щ sin »¿ó - *

J^l^ífit--Sin n¿? - H¿ cosIf¿/)+ Щ} I (<£ + líf yüpf^'üj7, гдzCj-J/Cj, Uco - начальное напряжение на конденсаторе. Унифицированное выражение для напряжения ка ннллктнбном элементе ./-й ветви получим в результате дифференцирования тока if.

Un - Lj ТВшХк*х>! +

k=J ■ ' . ' .

-f (bsl, cos- sin h¿í>}.. ,

Алгоритм расчета ■'электрических цепей по предложенной методике включает в себя: расчет .-í-коэффициентов определителя схемы: нахождение корней характеристического уравнения с заданной точностью с последующим, понижением степени характернстическоп; уравнения. При я<4 корни рассчитываются, известными аналитическими методами. Затем рассчитываются S.g.b-коэффнциенть! с выходом ка унифишфованкые аналитические выражения токоб и напряжений, го. табуляцию, и при необходимости поиска момента перехода через нуль-

Достоинствами предложенной методика расчета.' якиагтсх: расчет цроизвод1ггся без составления, н решения системы дифференциальных

уравнении; имеется четкий алгоритм нахождения алгебраических дополнений токов ветвей схемы по предложенному правилу определения тока ветви; расчет базируется на непосредственной связи с топологией схемы с осуществлением контроля по индексам элементов ветвей и напряжений схемы; методика обладает простотой, наглядностью и меньшими вычислительными затратами. К недостаткам можно отнести неприменимость правила определения тока ветви к схемам с источниками тока и с ззаимоиндуктивными элементами.

В третьей главе исследованы аварийные режимы тиристорных импульсных преобразователей постоянного напряжения с параллельной и с последовательной коммутацией (рис.1). В расчетах использованы методика и алгоритм анализа, разработанные в гл.2. При расчете приняты следующие допущения: тиристоры и диоды, заменяются ключами с активными сопротивлениями в прямом направлении; учитываются активные сопротивления индуктивностей и источника питания; расчет токов и напряжений проводился относительно единичного значения силового напряжения питания un; с целью создания аварийной ситуации, соответствующей срыву коммутации в силовом тиристоре преобразователя, или внутреннему к.з. - силовой тиристор на интервалах расчета в эквивалентных схемах находился в открытом состоянии. Пульсации силового источника питания не учитывались.

Анализ аварийных режимов тиристорных ИППН при питании от источника с ¿С-фильтром проведен для трех видов аварий: срыв коммутации, силового тиристора при пуске преобразователя; внутреннее к.з. (пробой силового тиристора а прямом-или в обратном направлениях): знешкее к.з. (замыкание выводов нагрузки). ■'..''

Для конкретного варианта параметров по'схемам замещения в реальном масштабе времени рассчитывались: анодный ток ia силового . тиристора Vу ток нагрузки- г'я; ток источника питания г„; ток >.сф и напряжение иф конденсатора фильтра; ток ic:< и напряжение ик' коммутирующего конденсатора Ск , а также численным интегрированием оценивалось тепловое воздействие Ti^Ai 'анодного тока на силовые тиристоры У,: На рис.2 показаны расчетные диаграммы токов, напряжении и тепловое воздействие на силовой тиристор в ИППН с последовательной коммутацией (рис. 1.6) дал случая срыва коммутации.

Аналогичные '• диаграммы были рассчитаны з ИППН с параллельной коммутацией для вышеуказанных случаев аварий.

'• Анализ аварийного процесса при пуске тиристорных '.ИППН. ; показал следующее:. -

■t о—

Dr.

-L—Ifei-

-ДН

^—TY-VAJ

V,

L.

VH

+o-

Ж

Zk

О и-

ОТ

-o-гь.:

a)

-o-

Vh KH

5}

U L

VH

, D ün ~ л

6)

VkTZHT

ж

Рис.]

г)

u

' инт. í 12 3 i интервал 4 .i UumsaSo/! £ ? í

\ • \> \ ^ nT

'ч \ _ ^ V

Рис.2

с»

- при питании ИППН от источника с ЬС-фильтром возможен срыв первой коммутации при пуске преобразователей с последующим восстановлением работоспособности (интервал С< - 1С , рис.2,а) за счет резонансного перезаряда конденсатора фильтра через обратный диод

и коммутирующую индуктивность в ИППН (рис.Кб.г);

- эффективность повторной коммутации увеличивается во всех ИППН при размыкании диода Р'и, шунтирующего нагрузку (интервал 17 -¡¡;, рис.2.а. пунктир);

• использование резонансного перезаряда конденсатор;! фильтра через индуктивность нагрузки для повторной коммутации силового тиристора в ИППН (рис.1,а,в) возможно при условии размыкания диода Г„ , шунтирующего нагрузку, на чем основан способ защиты, разработанный в гл.5;

- для исключения срыва первой коммутации в мог.; :ат ц необходимо осуществлять пуск преобразователей с малым значением у;

- информацией о срыве коммутации в момент может служить изменение знака производной анодного тока с отрицательного значения на положительное и дальнейшее возрастание по гармоническому закону; при нормальной коммутации производная анодного тока после момента перехода через нуль спадает по экспоненциальному закону, что используется ь гл.4 при разработке устройств контроля состояния тиристора;

-. осуществление контроля состояния силового тиристора V) способом совпадения управляющего импульса 1]у] с анодным током ¡а тиристора даст ложную информацию в моменты подачи указанных импульсов из-за индуктивной реакции нагрузки, поэтому здесь необходимо вместо анодного тока использовать производную анодного тока; -

- контроль состояния силового тиристора V] можно осуществить на основе регистрации тока коммутирующего конденсатора, так как в случае срыва ко?.¡мутации ток конденсатора непрерывен и переходит через нулезое значение, меняя направление с отрицательного на положительное, а при нормальной коммутации - не переходит через нулевое значение;

- для полунагая своевременной информация о срыве коммутации силового тиристора можно нспользозать сформированный одновибратором. импульс или вспомогательный управляющий импульс, задержанный относительно основного импульса на время восстановления запирающей способности силового тиристора V,: при этом проверяют

совпадение указанного вспомогательного импульса с анодным током силового тиристора и фиксируют срыв коммутации при их совпадении;

- диагностирование внутреннего к.з. можно осуществить во всех ИППН способом совпадения управляющего импульса Цу1 с производной анодного тока гд тиристора; внешнее к.з. диагностируется традиционным способом при помощи максимальной защиты;

- для. обеспечения коммутации силового тиристора в ИППН с последовательной коммутацией в аварийном режиме необходимо снимать управляющие импульсы с силового тиристора и оставлять управляющие импульсы на вспомогательном тиристоре У: (рис. 1,6).

- характерным признаком срыва коммутации во всех тиристорных ИПГЩ является изменение анодного тока /а силового тиристора на интервале коммутация по закону, близкому к синусоидальному, и при дифференцировании модного тока можно получить информацию о срыве коммутация в самом начале его развитая .в момент перехода производной анодного тока через нуль, при этом увеличивается отношение зольтсекундного интеграла положительного импульса к аольтсекундному интегралу отрицательного импульса производной анодного тока, количественное отношение которых проанализировано в. гл.4. '■ ; • . ;

При анализе аварийных режимов тиристорных ИППН с одноступенчатой коммутацией было выявлено, что "известное соотношение Ьф/ЬаёЗтУ2 между индуктивностью ЬФ : фильтра и дополнительным реактором Ьа для обеспечения самовосстановления работы преобразовате;1я при срыве коммутации,, можно распространить :

- на Ь/Ьк зарядной индуктивности тс коммутирующей индуктивности для обеспечения коммутации вспомогательного тиристора V: (рис1,б) в ИГ1ПН с последовательной коммутацией; '■.•■■'

- на Ьф/Ьк\между индуктивностью фильтра и коммутирующей индуктивностью Д, для обеспечения самовосстановления работы преобразователей (рис. 1,г) при срыве коммутации;

- на ' Ь,р/Ьн между индуктивностью фильтра и индуктивностью С„ нагрузки при условии размыкания шунтирующего вентиля У„ в преобразователях (рис.1,а,в).

В четвертой главе на основе анализа и сравнения .параметров первой производной анодного-тока силового тиристора при нормальной коммутации и • срыве коммутации, разработаны устройства контроля состояния тиристора. В результате анализа выявлено: при нормальной коммутации отношение вольтсскундного интеграла положительного

нмпульса напряжения первой производной анодного тока тиристора к вольтсекундному интегралу. отрицательного импульса напряжения первой производной, не превышает значения в интервале 0.018-ЯК11, а при срыве .коммутации указанное отношение возрастает, в среднем, в 24 раза при реальных параметрах тиристоров и элементов преобразователей. На. основе полученных результатов сформулированы требования к устройствам контроля состояния тиристора, регистрирующих срыв коммутации в начале его развития: датчик должен представлять нз себя нуль-орган, контролирующий односторонний переход напряжения через нуль; сигнал на выходе датчика должен быт> пропорционален вольтсекундному интегралу положительного импульса, идущему вслед за отрицательным импульсом контролируемого напряжения; датчик не должен реагировать на одиночные разнополярнме импульсы, соответствующие включению и выключению силового тиристора при нормальной коммутации. Некоторые разработанные устройства контроля состояния тиристора представлены на рис.3,4,5 . Первое устройство контроля (рис.3) содержит трансформатор тока Ь, работающий в режиме дифференцирования за счет высокоомного резистора два встречно включенных диода Г';, I'? и индуктивность Ь: , включенную между ними относительно общей шины. При нормальной коммутации силового тиристора отрицательный импульс напряжения производной анодного тока создает ток в цепи Ь -- Г;, запасая в индуктивности Ь: энергию, которая поддерживает диод Гу в открытом состоянии поете момента окончания указанного отрицательного импульса', и положительный импульс напряжения производной, идущий вслед за отрицательным импульсом, проходит через диоды У/, V? и выделяется на нагрузке /?_-; при срыве коммутации силового тиристора площадь положительного импульса напряжения производной анодного тока значительно увеличивается и, соответственно, увеличивается, выходное напряжение Данное

устройство контроля состояния . тиристора . защищено авторским свидетельством и внедрено в системе зашиты промышленного тиристорного преобразователя частоты ТПЧ-1. Расчет датчика сводится к выберу постоянной времени \-LJRi в пределах 5ч-50 мке, так как. • практически, в таких пределах находится длительность отрицательного импульса производной, равная половине периода коммутационного импульса, протекающего через силовой тиристор в ИППН.

v'u Dr

Рис.3

Рис.4

ч

Vo Ж Ш

и

die

ÏF

Ск

VT

v¡ w v3Z\

Ul»>

Рис.5

фи L

Рис. 6

-Л:

)Ut. (W "coé

Lcp

IV, è

j(p

Cip

\ МППН

_TT

■u*

Pi

VH

Ц

Rh

Рис.7

Рис.8

Работа комбинированных устройств контроля состояния тиристора основана на взаимодействии управляющих импульсов силового и вспомогательного тиристоров с импульсами анодного тока или его производной, возникающими при выключений силового тиристора. На рис.4 представлена функциональная схема комбинированного интегрального устройства контроля состояния тиристора, фиксирующего аварийный режим на интервале выключенного состояния силового тиристора V. Схема содержит триггер £>1, управляемый ключ В2, интегратор пороговый элемент П4 и схему совпадения И5. С датчика Ь производной анодного тока /а силового тиристора через ключ на интегратор поступают положительные импульсы производной анодного тока, которые имеют малую площадь при нормальной коммутации и значительно большую при срыве коммутации или внутреннем к.з., что приводит к повышению напряжения на выхоле интегратора до значения срабатывания порогового 'Элемента Д/ и к появлению напряжения и^а, которое включает исполнительный орган зашиты. В момент очередного включения тиристора интегратор обнуляется, ключ Ц? размыкается, схема совпадения ^ блокируется. Недостатком этого устройства является неспособность регистрации аварийного режима на интервале включенного состояния силового тиристора в етучае к.з. в нагрузке._ . у_"

Высокая помехоустойчивость достигнута в устройстве контроля состояния тиристора (рис.5), использующее суммарное действие тока ¡с коммутирующего конденсатора Ск, производной сИ^йг анодного тока силового -пгристора и производной ¡ЛУЛ тока конденсатора. При нормальной коммутации силового тиристора положительные импульсы производной тока коммутирующего конденсатора совместно с действием тока конденсатора не способны открыть транзистор УТ, а при срыве коммутации к указанным напряжениям добавляется отпирающий положительный импульс производной анодного тока тиристора, и транзистор УТ отпирается, что приводит к появлению выходного напряжения и „а. включающего систему защиты преобразователя.

Разработанные устройства контроля состояния тиристора позволяют фиксировать срыв коммутации в тиристорах в самом начале его развития, регистрируют внутренние и внешние к.з.,обладая более простым ■ схемотехническим решением и повышенной помехоустойчивостью по сравнению с известными, что повышает надежность работы системы защиты тиристорных МПШI..Разработана инженерная методика расчета устройства контроля состояния тиристора.

' На основе выявленного при анализе равенства вольтсекундных интегралов положительного и отрицательного импульсов производной анодного тока после момента перехода его через нуль при нормальной коммутации тиристора для линейного коммутирующего импульса предложена математическая модель тиристора на этапе запирания (рис.6), которая при соотношении Л=21/гвь„ позволяет с достаточной для практики точностью оценить производную тока тиристора в нормальном ■ реа^ме, что необходимо для построения датчиков срыва коммутации тиристора, где время подключения индуктивности 1х источнику напряжения С/.

В пятой главе разработаны устройства защиты тирисгорных . преобразователей с использованием устройств контроля состояния • тиристора, фиксирующих срыв коммутации в начале его развития; приводятся методики расчета тирисгорных ключей и параметров "импульсной защиты для высокочастотных ИППН; приводятся результаты экспериментальных исследований аварийных режимов Тирисгорных преобразователей с применением емкостного гашения аварийного тока, а также алгоритмы повторной коммутации силового тиристора. ' ■ ■;

В качестве исполнительных органов защиты, прерывающих входной ток тиристорного ИППН в аварийном режиме, можно применить, как бьшо показано в гл. 1, ' тиристорные ключи постоянного тока на полууправляемых - тиристорах с ; кондшсаторной коммутацией, выполняемых по тем же схемам, что и тир исто рные ИППН (рис.1). •

Как показал анализ электромагнитных процессов на этапе коммутации по обобщенной 2-контурной схеме замещения (рис.7) с одинаковыми параметрами дня всех схем -шристорных ключей, наибольшей коммутирующей способностью обладает тирисгорный ключ по схеме (рис.1,а^крутизна коммутахцюнной характеристики у которого З1 = сНобр/сН/с^О.б9г за ней, по мере уменьшения крутизны 5, идут схемы ИППН (рис.1 ,б) с 5 = 0,61, ИППН (рис.1,в) с 5 =0,59 и ИППН (рис.1,г) с 5" = 0,176. Таким образом, для исполнительных органов защиты можно рекомендовать тирнсторные ключи постоянного тока, построенные по схемам (рис.1,а,б,в). С достаточной для практики точностью (5-10%), импульс обратного тока можно аппроксимировать

функцией . 1„р = иы>-1*1Че-*>,а\п»гг, где

' ■ Рэ. •;■■■■. ■

53 = Рэ = мэ / = =(Д, + /(Л,);

+ в момент саэ1)-^/2,

соответствующий амплитуде обратного тока 1юбр< находим крутизну коммутационной характеристики рэ, амплитуду'

коммутационного импульса =5(17^ - 4 Я2) и емкость защитного конденсатора - где и т=гЛ21кос), .

далее находим 17с0 = /„„(./_5 + заменяя ток /„ на аварийный ток /ав.

Методика расчета импульсной зашиты, работающей на основе совпадения управляющего импульса с производной анодного тока тиристора, сводится! к определена максимального периода Тт следования управляющих импульсов силового тиристора, при известных значениях установившегося тока Гт и постоянной времени г возрастающей' экспоненты аварийного тока /а, значении защитного

показателя силового тиристора А=ЦепТт^ \из выражения

(/ - )(3~ е-Т')/Тт^ 2(1-1/ 72т), где Гт=Гт/т; 1т = 1т11дог-т - Ы ^ ; /„.,=£7,/^*.з. - ток короткого замыкания; 40Я - допустимый ток тиристора, определяемый графически для найденного периода Тт из защитного показателя Л тиристора.

Предложенный способ защиты тиристорных преобразователей постоянного напряжения, питающихся от источников с ЛС-фильтром, заключается в том, что при срыве работы преобразователя формируют на его тиристорах отрицательное напряжение путем колебательного перезаряда конденсатора Сф фильтра, блокируют импульсы управления преобразователем, контролируют величину и полярность напряжения на конденсаторе фильтра и дополнительно блокируют вентильные цепи возврата или рассеяния энергии, причем блокирующее воздействие на указанные цепи вырабатывают на начальном этапе колебательного перезаряда конденсатора фильтра до момента , смены полярности напряжения на нем с положительного значения на отрицательное [16].

Кроме того, согласно предлагаемому способу, подачу имхтульсов управления преобразователем возобновляют в момент достижения напряжения на конденсаторе фильтра заданного положительного значения, а блокирование вентильных цепей прекращают после момента смены полярности напряжения на конденсаторе фильтра с отрицательного значения на положительное к моменту подачи импульсов управления преобразователем.

Так как в течение интервала времени с момента срыва работы преобразователя до момента смены полярности Напряжения на конденсаторе фильтра токи в вентильных цепях возврата и рассеяния энергии отсутствуют, то вместо шунтирующих диодов можно использовать тиристоры, при этом блокирование указанных цепей осуществляется снятием с тиристоров управляющих импульсов. Благодаря/тому, что повторное включение преобразователя производится при токе входного фильтра, лишь незначительно отличающемся от установленного значения, и нарастающем налряжении на конденсаторе фильтра, длительность переходного процесса уменьшается и пусковой процесс улучшается. В результате такого, включения преобразователя снижается аварийное перенапряжение на конденсаторе фильтра и повышается надежность его работы.

Схемотехническое решение предложенного способа защиты состоит из компаратора К (рис.8) и тиристора Ун, который при нормальной работе преобразователя постоянно открыт управляющим сигналом 1]у. При срыве коммутации силового тиристора У датчик тока вырабатывает напряжение ид, которое снимает управляющий сигнал с тиристора Ун. С этого же момента начинается резонансный перезаряд конденсатора С,р фильтра через индуктивность Ьн нагрузки, при этом ток в .силовом тиристоре V преобразователя меняет направление и тарисгор запирается. Затем напряжение Цф на конденсаторе фильтра сравнивается с опорным напряжением 13оп и по сигналу компаратора К система управления СУ осуществляет автоматическое повторное включение преобразователя.

На экспериментальной установке были подтверждены основные теоретические положения работы и проверены алгоритмы повторной коммутации силового тиристора в исследуемых ИППН в аварийных режимах с датчиками срыва коммутации (рис.9,10).

г,чг .-Р. ;;,.»^сЗП'ЗчЦ :.

йй I»-, *. г- Л-'/ ^ 8 Ч * -Я V.'. 1

С2У кЬ< ¿¿а а.

Г.Л "1

Рис.10

Повторнос запирание силового тиристора преобразователя можно осуществлять с пропуском серии рабочих тактов, с пропуском одного такта работы и без пропуска такта работы (без нарушения рабочего режима нагрузки). На рис.9 в момент показан срыв коммутации в тирксторном ИППН с последующим емкостным гашением аварийного тока (верхний луч) по сигналу датчика срыва коммутации (нижний луч) без пропуска рабочего такта преобразователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика расчета аварийных режимов ИППН, основанная на методе прнпасовыванля и отличающаяся тем, что на интервалах линейности схем замещения преобразователей используются новые правила и формулы определения токов и напряжений; составной частью этой методики является апгоритм нахождения коэффициентов выражения токов и напряжений в линейной схеме любого порядка, представленный в виде формул, таблиц, и программа, реализующая алгоритм.

2.Проведен анализ аварийных электромагнитных процессов в тиристорных НППН с актнвнб-индуктизной нагрузкой с использованием разработанной методики расчета и выявлены особенности их протекания, построены кривые теплового воздействия аварийного тока на силовые тиристоры преобразователя.

3. Разработаны методики: расчета устройств контроля состояния тиристора: расчета исполнительных устройств защиты на базе тиристорных аыключателей; расчета параметров импульсной защиты тиристорных преобразователей.

4.Выявлены граничные соотношения между параметрами коммутирующей индуктивности и индуктивностью фильтра для обеспечения самовосстановления работы тиристорных ИППН при срыве коммутации.

5. Предложен способ защиты тиристорных ИППН, отличающийся блокированием вентильных цепей возврата и рассеяния энергии в ннуктивностях фильтра и нагрузки преобразователя, обладающий надежностью, расширенными функциональными возможностями и меньшей стоимостью защитного оборудования.

6. Разработан ряд устройств контроля состояния тиристора, отличающихся регистрацией аварийного режима в самом-начале его развития. ■'■■■'■ :';.'" ; '

7. Разработана математическая модель тиристора на этапе выключения при линейном коммутирующем импульсе тока, позволяющая упростить расчеты без потерн точности.

8. Разработан ряд схем устройств защиты тиристорных ИППН на базе тиристорных ключей, управляемых разработанными датчиками срыва коммутации, прерывающих аварийный ток преобразователя в самом начале его. развития, что позволило повысить надежность тиристорных ИППН.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Белов Г.А., Захаров В.Г. Исследование двухфазного тиристорного импульсного преобразователя постоянного тока// Вопросы применения тиристоров в преобразовательной технике: Сб. статей. Вып. 1/ Чуваш, ун-т,- Чебоксары, ¡973.-С. 14-20.

2. Белов Г.А., Быков В.М., Захаров В.Г., Аллюров B.C. Разработка н экспериментальное исследование тиристорного импульсного, преобразователя для электропривода постоянного тока// Вопросы применения тиристоров в преобразовательной технике: Сб. статей. Вып. И Чуваш, ун-т. - Чебоксары, 1973.-С. 18-25.

3. Захаров В.Г. Импульсная защита тиристорных преобразователей// Вопросы применения тиристоров в преобразовательной технике: Сб.статей. Вып.2/ Чуваш, ун-т. - Чебоксары, I973.-C.61-64.

4. Захаров В.Г. Токовая защита тиристорных преобразователей с искусственной коммутацией //Применение полупроводниковых приборов в преобразовательной технике: Сб.статей. Вып. 1/ Чуваш, ун-т.-Чсбоксары, 1976.-C.64-6S.

5. Захаров В.Г. Использование производной анодного тока ь защите тиристорных преобразователей// Материалы семин. "Тиристорные системы электропривода и промышленной автоматики постоянного тока"- Л.: ЛДНТП,1974.-С,69-72.

6. Захаров В.ГГ К расчету импульсной защиты для тиристорных преобразователей// Вопросы исследрвашш и разработки точных систем приборостроения: тр. ЛИТМО. Вып.85/-Л.: 1976.-С.91:93. .

7. Захаров - В.Г. Сравнительная оценка коммутирующей способности тиристорных шнротно-нмпульсных' преобразователей//. Применение полупроводниковых приборов в тфеобразовательиой • технике: Сб. статей. Выи.2/ Чуваш. ун-т.-Чебоксары, 1977.-С.51-58.

8. Захаров В.Г., Смирнов В.А. Анализ аварийного режима ~»?"ciepnoro преобразователя частоты// Применение полупровод-

нпковых ирпбороз в преобразовательной технике: Межвуз. со. / Чуваш, ун-т. — Чебоксары, 1983. — С. 11 —17.

9. Захаров П. Г. Лма.ип поведения первом производной анодного тока тиристора при лшюь'ом коммутационном импульсе / Чуваш, ун-т. — Чебоксары. Деп. н ВИНИТИ, 1933. ЛЬ 11. — б с.

10. Захаров В. Г. Защита тнристорных преобразователей постоянного напряжения // Полупроводниковые преобразовательные устройства: Меж-пуз. сб. науч. тр. Под ред. канд. техн. наук Белова Г. Л. и др. / Чуваш, ун т. — Чебоксары, 1937. — С. 52—53.

11. Захаров П. Г., Яров В. М. Аналитический метод расчета линейных электрических цепей // Н.;в. ву:ов. Электромеханика. 1986. № 8. С. 3—10.

12. Захаров В. Г., Яров В. М. Расчет многоконтурных линейных электрических цепей // Изв. вузов. Электромеханика. 1987. Л» 4. С. 17—24.

13. Захаров В. Г., Яров В. М. Расчет алгебраических дополнений в линейных электрических цепях // Изв. вузов. Электромеханика. 1992. № 4. С. 23_28.

14. Захаров В. Г. Метод расчета динамических режимов полупроводниковых преобразователей // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Тезисы докл. конф. / Чуваш, ун-т.— Чебоксары, 1995. — С. 85—87.

15. Л. с. Л» 1229С91 (СССР). МКП II 02 Н 7/12. Датчик срыва коммутации тиристорного ключа / Захаров В. Г., Пискарев Л. Н. Опубл. 07.05.86. Пюл. Л'> 17.

16. Л. с. Л« 111248» (СССР), МКП Н 02 II 7/12. Способ защиты тиристорного преобра: ователя постоянного напряжения / Ильин В. Ф., Захаров В. Г. Опубл. 07.09.84. Бюл. Л"» 33.

17. Л. с. № 165306! (СССР), МКП И 02 И 7/10. Устройство для контроля состояния тиристора / Захаров В. Г., Ппскарсв Л. II. Опубл. 30.05.91. Бюл. .V. 20.

Формат 00x8-1/16. Объем 1 п. л. Тираж 100. Заказ Л? ГЙ7. Тип. ЧувГУ.