истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств.

6.1. Виды аномальных режимов работы полупроводниковых преобразователей.

К аномальным режимам работы полупроводниковых преобразователей относят: внешние короткие замыкания; нарушение вентильных свойств по­лупроводникового вентиля, т. е. потерю способности вентиля выдерживать обратные напряжения; нарушение запирающих свойств тиристора в прямом направлении; пропуск включения отдельных тиристоров. В выпрямителях первые два вида аномальных режимов работы сопро­вождаются возникновением сверхтоков и перенапряжений во всех силовых элементах, поэтому они являются тяжелыми аварийными режимами. Вто­рые два вида аномальных режимов в выпрямителях вызывают ухудшение формы кривых выпрямленного напряжения и тока, потребляемого выпрями­телем из сети, перегрузку отдельных вентилей по току, что может привести к пробою вентиля. В инверторах все виды аномальных истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. режимов приводят к опрокидыванию инвертора, т. е. к тяжелому аварийному режиму. Для предотвращения повреждений элементов преобразователей при аномаль­ных режимах работы в них предусматриваются специальные защитные устройства. Перенапряжения на вентилях могут возникать не только при аварийных, но и в обычных режимах. Электрические цепи с вентилями, как правило, содержат реактивные элементы - дроссели, конденсаторы, индуктивности рассеяния трансформаторов и питающей сети. При коммутациях вентилей в контурах, образуемых этими реактивными элементами, возникают коле­бательные процессы. Вследствие этого на элементах схемы могут возник­нуть значительные коммутационные перенапряжения, представляющие опасность для полупроводниковых вентилей и других элементов. Поэтому для уменьшения перенапряжений в контурах истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. с вентилями необходимо пре­дусматривать низкоомные цепи, способные быстро поглотить энергию сво­бодного режима, либо другие специальные меры, способствующие уменьше­нию амплитуды напряжения переходного процесса.

Перенапряжения в цепях с вентилями возникают также при различного рода включениях, отключениях, переключениях в схеме с помощью специ­альных переключающих устройств, контакторов, реле и др. Для уменьше­ния таких перенапряжений необходимо обеспечить правильный выбор местоположения переключающих элементов и соответствующую последо­вательность их переключения, выбор оптимальной скорости прерывания тока, использование специальных разрядников, снимающих эти перенапряжения.

Полупроводниковые вентили весьма чувствительны к перегрузкам по току что связано с технологическими особенностями их изготовления и эксплуатации. Необходимо, поэтому, предусматривать в преобразователе защиту истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. полупроводниковых вентилей от перегрузок, вызванных сверхтоками. За­щиту от сверхтоков можно осуществлять с помощью различных устройств в зависимости от характера перегрузки. Если перегрузки возникают при на­личии в схеме достаточно больших индуктивных сопротивлений, ограничи­вающих нарастание тока в течение нескольких периодов, необходимую за­щиту можно выполнять в виде плавких предохранителей и контакторов; можно также применять защиту, в которой используются запирающие характеристики тиристора. В последнем случае при установлении обратной связи с нагрузкой управляющий сигнал можно снять с тиристора, и тиристор надежно запирается в течение последующего цикла после возникнове­ния аварийного режима.



Если перегрузка вентиля возникает при наличии незначительных ин истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств.­дуктивных сопротивлений в схеме (режим глухого короткого замыкания на выходе преобразователя или внутреннего короткого замыкания вслед­ствие пробоя вентиля), в результате чего сверхток достигает максимального значения в течение одного полупериода, необходимо применять быстродей­ствующие защитные устройства, способные прервать ток прежде, чем он достигнет опасного значения, т. е. в течение небольшой доли периода. Для этой цели применяют специальные предохранители, срабатывающие в тече­ние нескольких миллисекунд, а также различные быстродействующие авто­матические выключатели.

6.2. Системы защиты от аварийных токов полупроводниковых преобразователей.

Работоспособность полупроводниковых приборов при аварийных ре­жимах восстанавливается с помощью защитных устройств, которые должны обладать максимальным быстродействием для ограничения истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. амплитуды и длительности аварийного тока; иметь высокую надежность и простоту; быть селективными, т. е. обеспечивать отключение только поврежденных элемен­тов; быть простыми в настройке и обслуживании и иметь низкую относитель­ную стоимость по сравнению с затратами на основное оборудование.

В зависимости от назначения и схемы преобразователя, условий его эксплуатации указанные требования могут, дополняться и другими, специаль­ными. Иногда целесообразно применять неселективную защиту в сочетании с устройствами автоматического повторного включения.

В тиристорных преобразователях различают следующие наиболее ха­рактерные аварийные режимы:

перегрузка по току и внешнее короткое за­мыкание;

внутреннее короткое замыкание, вызванное пробоем вентиля;

нарушения в системе управления; срыв (опрокидывание) инвертора при токовых истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. перегрузках или нару­шениях в системе управления.

В общем случае защита полупроводниковых преобразователей осуществ­ляется при помощи быстродействующих предохранителей и автоматических выключателей в сочетании с рядом других устройств (токоограничивающие реакторы и т. п.). В зависимости от места установки аппаратов в схеме к ним предъявляются различные требования (рис. 6.2.1).

1. Автоматический выключатель S2 должен отключать преобразователь при аварийном режиме во внешней цепи постоянного тока.

2. Быстродействующие предохранители F должны отключать ток корот­кого замыкания при пробое или ложном отпирании вентилей, а также в слу­чае отказа защиты на стороне постоянного тока.

3. Автоматический выключатель S1 должен отключать тиристорный пре­образователь от сети истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. переменного тока в случае короткого замыкания на участке между предохранителями F и автоматическим выключателем S1, а также при отказе защиты на предохранителях.

При защите агрегата от коротких замыканий на стороне переменного тока (выключатель S1) требования к быстродействию не высокие. Для обеспе­чения селективной защиты применяются селективные воздушные автомати­ческие выключатели типа А 3700 на токи до 630А и автоматические выклю­чатели типа АВМ 10СВ или АВМ 15СВ на токи свыше 630А при напряжении до 380В. Автоматические выключатели имеют привод для дистанционного включения, минимальный и независимый расцепители. В трансформатор­ном варианте применяются масляные выключатели при напряжении пита­ния 6 кВ и выше истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств..

где , - тепловой эквивалент отключения и плавления плавкой вставки предохранителя соответственно; - число параллельно включенных вентилей; - коэффициент неравномерности распределения тока.

Для согласования защитных характеристик предохранителей и автоматических выключателей вводятся дополнительные сглаживающие реакторы, которые ограничивают скорость нарастания аварийного тока и одновременно уменьшают величину пульсаций выпрямленного тока и зону прерывистого тока.

Указанные средства защиты широко применяются в сочетании с бескон­тактными способами защиты, использующими естественную способность тиристоров запираться при спадании тока до нуля под действием напряжения питающей сети. Один из таких способов основан на блокировании (снятии) управляющих импульсов в выпря­мителе, другой - на смещении управляющих импульсов в инверторную область, т. е. осуществляет перевод выпрямителя истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. в инверторный режим. Оба способа практи­чески эквивалентны по токовой загрузке тиристоров при внешнем коротком замыкании.

Защита автономных и ведомых сетью инверторов обеспечивается:

1) включением сглаживающего реактора последовательно с автоматическим выключателем;

2) применением методов искусственного гашения аварийного тока.

Для реверсивных преобразователей характерны специфичные аварийные режимы, характер протекания которых зависит от схемы реверсивного преобразова­теля и способов управления. К ава­рийным процессам следует отнести:

1. на­рушение законов согласования групп реверсивного выпрямителя или сбой логики при раздельном управлении;

2. превышение скорости изменения сигна­ла управления сверх допустимой, что влечет за собой появление динамиче­ских уравнительных токов, ложное от­пирание тиристоров и т. д.

Так, на истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств.­пример, в реверсивной противопараллельной трехфазной мостовой схеме с общим питанием групп преобразова­теля коммутационные провалы напря­жения одного моста полностью переда­ются другому мосту. Это приводит к значительному искажению напряжений, а в преобразователях с совместным управлением искажает форму и вели­чину уравнительного напряжения. Для обеспечения нормальной работы преоб­разователя применяется ряд мер: рас­согласование характеристик групп пре­образователя, а также введение авто­матического повторного включения при внутреннем коротком замыкании в выпрямителе.

6.3. Системы защиты от перенапряжений.

В силовых полупроводниковых преобразователях различают следующие виды перенапряжений:

внешние перенапряжения, возникающие как со стороны питающей сети, так и со стороны нагрузки истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств.;

внутренние перенапряжения, возникающие при коммутациях в преобра­зователях;

перенапряжения, обусловленные эффектом накопления носителей в полупроводниковых приборах при коммутации тока.

Характер и величина перенапряжений зависят от параметров питающей сети, характеристик защитных (коммутационных) аппаратов, параметров пре­образователя и нагрузки, характеристик полупроводниковых приборов. В за­висимости от характера и источника перенапряжений применяют различные системы защит.

1) Защита от атмосферных перенапряжений со стороны питающей сети осуществляется посредством разрядников в сочетании с RC-цепями или лавинными вентилями в зависимости от энергии перенапряжений.

2) Защита от коммутационных перенапряжений осуществляется включе­нием RC-цепочек на входных шинах преобразователей (рис. 6.3.1) или при помощи трехфазного мостового выпрямителя, нагруженного на RC-цепь истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств., с шунтирующим емкость высокоомным разрядным сопротивлением (рис. 6.3.2). Обычно применяют сочетание указанных способов. Так, схема на рис. 6.3.1 обеспечивает ограничение перенапряжений, обусловленных накоплением носителей, и скорости нарастания прямого напряжения на тиристорах, а схема на рис. 6.3.2 - ограничение перенапряжений, возникающих за счет сети или при коммутации токов защитными и коммутационными аппаратами тиристоров.

Параметры RC-цепочек схемы на рис. 6.3.1 должны быть согласованы с параметрами питающей сети и преобразователей.

Для обеспечения удовлетворительного качества переходного процесса величины RC-цепочек определяются по следующим соотношениям:

,

где - приведенная индуктивность рассеяния фазы трансформатора; - эффективное значение фазного напряжения; - критическая скорость нарастания прямого напряжения.

Мощность потерь в активном сопротивлении, обусловленная током переза истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств.­ряда конденсаторов при коммутации, и синусоидальной составляющей

,

где ω=2πf.

Параметры RC-цепочки диодно-емкостной схемы (рис. 5.38) рассчитываются по следующим соотношениям:

,

где - ток холостого хода трансформатора, % (зависимость тока холостого хода в зависимости от типовой мощности трансформатора ; - номинальный ток вторичной обмотки трансформатора.

Величина разрядного сопротивления Rp (рис. 5.38) выбирается из усло­вия: RpC= 1...3 с.

3) Для защиты силовых полупроводниковых вентилей от коммутационных перенапряжений в процессе их переключений, вызванных явлением накопле­ния дырок полупроводниковой структуры, параллельно вентилям включают индивидуальные RC- цепочки. Индивидуальные защитные RC -цепочки не­обходимы при последовательном соединении вентилей, обычно имеющих разное время восстановления. Конденсатор С поглощает пики перенапря­жений при восстановлении обратного истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. напряжения на последовательно вклю­ченных вентилях. Емкость конденсатора С = 0,25...0,5 мкф, а сопротивление резистора R == 10...30 Ом.

Одним из способов защиты от перенапряжении является применение в силовых преобразователях вентилей и тиристоров с контролируемым лавинообразованием. Наиболее эффективны системы защиты от перенапряжений с применением лавинных кремниевых вентилей или нелинейных резисторов (селеновых стабилитронов «Тиректоров»). Применение кремниевых вентилей (диодов и тиристоров) типов ВЛ, ТЛ с контролируемым лавинообразованием позволяет не предусматривать индивидуальных защитных RC -цепочек от перенапряжений.

Выпускаемые отечественной промышленностью кремниевые симметричные ограничители напряжения серии КСОН применяются для защиты управляемых и неуправляемых вентилей от коммутационных перенапряже­ний. Кремниевые ограничители перенапряжений представляют собой прибор с лавинной вольт-амперной характеристикой истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. в обоих направлениях с номи­нальным напряжением 400...2500 В и предельно допустимой энергией рас­сеяния 5...10 Дж в зависимости от типа ограничителей.

6.4. Контроль в преобразовательных устройствах.

В современных условиях автоматизированного производства контроль состояния преобразовательных устройств, являющихся наиболее распро­страненными источниками питания,- одна из важнейших задач, способству­ющих периодической проверке их параметров в период эксплуатации, со­кращению простоя оборудования за счет уменьшения времени на поиск неисправностей при получении информации о состоянии преобразовательных устройств в предаварийных и аварийных ситуациях. Наиболее распростра­ненным в инженерной практике методом контроля выходных параметров преобразовательных устройств является измерение встроенными электри­ческими приборами следующих величин:

а) для выпрямителей истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств.: выпрямленного тока, измеряемого с помощью то­кового шунта или трансформатора постоянного тока и амперметра; выпрям­ленного напряжения, измеряемого вольтметром; количества электричества, выпрямленного агрегатом, измеряемого в мощных выпрямительных устройствах при преобразовании большого количества энергии постоянного тока с помощью счетчика количества электричества (счетчика ампер-часов);

б) для автономных инверторов и преобразователей частоты потребляе­мого от входной сети тока и тока, отдаваемого в нагрузку, измеряемого транс­форматорами тока и амперметрами;

в) для большинства мощных преобразовательных устройств: измерение уровня изоляции электрических цепей и сигнализации об аварийном состоя­нии изоляции.

Система контроля преобразователя должна обеспечивать сигнализацию о состоянии преобразовательных устройств («включено», «отключено») об аварийном истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. отключении, о срабатывании защит, о нормальной работе системы охлаждения, о перегорании предохранителей, пробое вентилей и контроль наличия напряжения в наиболее ответственных узлах преобразователя. Со­стояние положения автоматических выключателей контролируется при помощи блок-контактов. Состояние системы охлаждения и наличие напряжения осуществляются при помощи датчиков (реле контроля воздуха, реле контроля давления в системе жидкостного охлаждения, датчики напряжения и т. п.). В преобразователе наиболее уязвимым местом являются полупроводни­ковые приборы, контроль за состоянием которых необходим в случае приме­нения их с резервированием для повышения надежности. Для резервирования полупроводниковых приборов выбирается число параллельно или последовательно соединенных вентилей с определенным запасом по току истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. и напряжению. При выходе из строя одного или нескольких вентилей преобразователь должен обеспечивать нормальную работу. При выходе из строя полупроводникового прибора надежность преобразователя снижается, поэтому необходима предупреждающая сигна­лизация.

На рис. 6.4.1 показана схема контроля состояния последовательно со­единенных вентилей при помощи газоразрядных ламп, включенных парал­лельно приборам. Схема имеет следующие недостатки: большое количество ламп с ограниченным сроком службы; не может осуществлять дистанционный и автоматический контроль.

На рис. 6.4.2 показана схема, контролирующая состояние вентилей при их параллельном соединении с помощью блок-контактов предохранителей, включаемых при перегорании сигнальных вставок предохранителей При выходе из строя вентиля в любой из параллельно соединенных цепей, защищаемой истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. предохранителем, замыкаются блок-контакты, и срабатывает реле К, которое выдает сигнал в цепь предупредительной сигнализации. Схема может быть построена с добавлением логического устройства, контролирую­щего выход из строя нескольких параллельных цепей, с вентилями и вы­дачей сигнала на аварийное отключение преобразователя в зависимости от степени резервирования и запасов по надежности.


documentamuxgzp.html
documentamuxojx.html
documentamuxvuf.html
documentamuyden.html
documentamuykov.html
Документ истемы управления, контроля и защиты полупроводниковых преобразовательных устройств.