Разработка реверсивного тиристорного преобразователя

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 токов;

- 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 короткие замыкания; 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 короткие замыкания возникают вследствие потери тиристором запирающих свойств и закорачивании р-n структуры (пробой тиристора).

Причинами пробоя тиристора могут явиться: высокая скорость нарастания тока (больше 20-200 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.

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 устройствам защиты, заключаются в следующем:

1. 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.

2. 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.

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

4. Надёжность, помехоустойчивость, простота настройки и обслуживания.

Выбор защитных аппаратов

Защита плавкими предохранителями

Защита от внутренних коротких замыканий, возникающих в случае пробоя тиристоров или потери тиристором запирающих свойств, осуществляется быстродействующими плавкими предохранителями, включенными последовательно с тиристорами. В схеме преобразователя предусмотрено параллельное соединение тиристоров (3 тиристора в плече). При пробое одного из работающих тиристоров преобразователь может продолжать работу, но длительность такой работы ограничена во времени. Поврежденный тиристор при этом выключается из работы предохранителем, а в схему индикации подается сигнал о перегорании предохранителя.

Номинальный ток основания предохранителя при установке предохранителя последовательно с вентилем

где n - число параллельно включенных вентилей.

Этим условиям удовлетворяет плавкий предохранитель ПН2-100-У3 c , время отключения 10 мс.

Номинальный ток плавкой вставки:

,

где - коэффициент запаса по току, не менее 1,2.

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 токов.

Место включения автоматических выключателей в схемах вентильных преобразователей определяется теми наиболее вероятными аварийными режимами, от которых предусматривается защита. При этом должны учитываться специфика работы преобразователя, требования защиты вентилей и селективности отключения поврежденной цепи.

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»).

Преобразователь питается от сети 10 кВ и подключение трансформатора к сети осуществляется разъединителем, установленном в ШВВ, а защита от коротких замыканий в трансформаторе, двухфазного опрокидывания инвертора, от включения группы на группу реверсивного преобразователя осуществляется масляным выключателем ВММ-10.

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 А3713Б (Q2, Q3 смотреть рисунок 11.) на выпрямленное напряжение 220 В (два полюса выключателя соединены последовательно), а между собой соединены параллельно, обеспечивая протекание номинального тока ; тепловой расцепитель на 2^. 500=1000 А; электромагнитный расцепитель на 2^. 549,45=1098,9 А; уставка по току срабатывания: теплового расцепителя 2^. 575=1150 А, электромагнитного расцепителя не менее 2.75^. 1098,901=3021,91 А (выбирается 4000 А).

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:

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

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

3. Схемные повторяющиеся перенапряжения - они 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 по схеме, приведенной на рисунке 2.11.

С учетом параметров питающего трансформатора емкость демпфирующего конденсатора СЗ (С4, С5) в защитных цепях трехфазных схем выпрямления (рисунок 2.11) определится по формуле

, мкФ, (2.29)

где - мощность питающего трансформатора, кВА;

U_o6p.max - амплитудное значение обратного (прямого) напряжения на тиристоре, В;

U_н.т. - максимально допустимое напряжение для защищаемых тиристоров, В;

I₀ - ток холостого хода трансформатора, А.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.11 - Схемы включения RC-цепочек

Для рассматриваемого трансформатора:

Значение емкости принимаем из стандартного ряда Е24 равной 1,6 мкФ.

При заряде конденсатора, в результате перенапряжений в контуре RC 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 двукратного волнового сопротивления этого контура.

Из стандартного ряда Е24 значение сопротивления принимаем равным 27 Ом.

Разрядное сопротивление R2 выбирается из условий разряда С1 на 10% за один полупериод частоты питающей сети.

(2.30)

где С1 - ёмкость конденсатора, Ф.

Для защиты от коммутационных перенапряжений применяются RC-цепочки, включенные параллельно тиристорам (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Схема включения RC-цепочки

Емкость конденсатора определяется по формуле

(2.31)

где е_к = 0,061 - напряжение короткого замыкания трансформатора в относительных единицах;

I_TRM-800 A - максимально действующее значение тока тиристоров в открытом состоянии;

U_DRM=U_н.m.=1000 В-повторяющееся импульсное напряжение тиристоров в закрытом состоянии;

I_Rmax - максимальное значение обратного тока.

где ф = 20 мкс - время восстановления вентиля Т16-320.

Значение емкости принимаем из стандартного ряда Е24 равной 510 нФ.

Сопротивление R выбирается равным

Из стандартного ряда Е24 значение сопротивления принимаем равным 43 Ом.

Контроль питающего напряжения, выпрямленного напряжения и тока

Наличие и уровень напряжения питающей сети контролируются 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.

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. Схема контроля изоляции представлена на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Силовая схема электропривода серии КТЭ

3. Сравнительная характеристика разработанного тиристорного преобразователя и промышленного аналога