3.5. Выбор сифу. Расчет фазовых характеристик

Для управления тиристорным преобразователем выбираемся многоканальная синхронная система импульсно-фазового управления (СИФУ) с опорным синусоидальным напряжением и вертикальным принципом регулирования фазы отпирающих импульсов.

СИФУ комплектных тиристорных электроприводов серии КТЭ состоит из ячейки фазосмещеиия, ячейки формирования импульсов, ячейки переключающего устройства (ЛПУ) и представлена на рис 3.3. в составе функциональной схемы преобразовательной части. СИФУ серии КТЭ имеет следующие особенности: косинусоидальное опорное напряжение, шестиканальное устройство фазосмещения для обоих выпрямительных мостов в реверсивных преобразователях, высокочастотное заполнение узких отпирающих импульсов, использование сигналов с трансформаторов переменного тока или датчиков постоянного тока подключенных к шунту в цепи нагрузки и с датчиков закрытого состояния тиристоров для работы логического переключающего устройства (ЛПУ).

Рис.3.3. Функциональная схема преобразовательной части электропривода серии КТЭ

Рис.3.5. Узел фазосмещения

Как следует из функциональной схемы рис. 3.3. СИФУ состоит из узла формирования опорных напряжений 2, узла фазосмещения АТ и переключающего устройства АВ.

Узел формирования опорных напряжений (рис.3.4.) включает в себя синхронизирующий трехфазный трансформатор с двумя группами вторичных обмоток (СТ), которые можно включать по схемам звезды или треугольника, и ячейку фильтра 2 с тремя каналами апериодических фильтров, обеспечивающих фазовый сдвиг на 60° (240° при учете инвертирования напряжений операционными усилителями). Амплитуда опорных напряжений после фильтра 11_{ОП м} = 8 В.

Узел фазосмещения АТ (рис. 3.5.) формирует шесть последовательностей импульсов для выпрямительного моста У8Р ("В") или для моста У8В ("Н"), которые усиливаются усилителями А-Р, А-В.

Узел фазосмещения состоит из шести компараторов А7.1, А7.2, А8.1, А8.2, А9.1, А9.2 на входе которых сравниваются напряжения управления + 1Т_у,-Ц"_у и соответствующее опорное напряжение \]_оп.

На один из входов усилителя А5.1, имеюхцего коэффициент передачи равный 1, поступает сигнал управления 11_У из системы автоматического регулирования, а на второй вход - напряжение начального согласования 11₀, обеспечивающее начальный угол управления при 17_у = 0.

Постоянная времени цепи обратной связи А5.1 - 0,1 мс. Коэффициент передачи инвертирующего усилителя А5.2 также равен 1.

Сравнение 11_у и опорного напряжения соответствующей фазы ( Ар, Вр или Ср) осуществляется на компараторах А7 - А9, причем на компараторах А7.1 - А9.1 подается -11_у, а на компараторы А7.2 - А9.2 - +И_у. По переходу сигналов на выходах компараторов А7.1, А8.1, А9.1

из "1" в "О" - формируется напряжение прямоугольной формы группы "вперед" У8Р (А8, В8, С8). Из трех сигналов фазосмещения формируется шесть импульсов. Это можно осуществить логической обработкой сигналов фазосмещения и 180-градусных ограничений, в результате которой получают сигналы фазосмещений также длительностью 180 электрических градусов. При этом по фронту этих сигналов отпираются тиристоры катодной группы "вперед", а по спаду -тиристоры анодной группы "вперед".

По переходу сигналов на выходе компараторов А7.2, А8.2, А9.2 из "1" в "О" - формируются импульсы группы "назад". После логической обработки также получают шесть 180-градусных сигналов, по фронту и спаду которых формируются импульсы катодной и анодной группы тиристоров "назад".

Выбор работающего моста осуществляется логическим переключающим устройством АВ в зависимости от полярности напряжения переключения 11_П и абсолютного значения тока нагрузки 11<1 | или состояния тиристоров силового моста. Устройство АВ формирует логические сигналы выбора моста У8Р или У8В, переключает полярность задания начального угла 11₀ и вырабатывает сигнал бестоковой паузы В • Р, = 1, по которому снимаются импульсы с обоих выпрямительных

мостов. Сигнал В • Р₂, появляющийся одновременно с сигналом В • ^, но исчезающий несколько позже, служит для отключения задания тока во время бестоковой паузы. По сигналу срыва импульсов \]_ср импульсы снимаются с обоих мостов.

Измерение тока производится трансформаторами переменного тока, установленных в фазах силового трансформатора, или датчиками постоянного тока, подключенными к шунту в цепи нагрузки. Оба этих датчика не могут обеспечить достаточно высокую чувствительность измерения тока и поэтому являются «грубыми» датчиками. Для получения быстродействующей системы реверса тока наличие «грубого» датчика необходимо, так как по его команде производится срыв импульсов, что ускоряет спадание тока в выходящей из работы группе.

Кроме измерения тока силовой цепи в преобразователе производится контроль состояния силовых тиристоров с помощью блока датчика состояния тиристоров, который непосредственно фиксирует моменты запертого состояния всех тиристоров силового моста. По команде этого

датчика начинается отсчет бестоковой паузы (1-2 мс), которая может быть рассчитана на время, необходимое для восстановления запирающих свойств тиристоров.

В работе схемы АВ принимает участие один из «грубых» датчиков и «тонкий» датчик.

Защита осуществляется узлом AF. который воспринимает нагрузку в пени переменного тока |i_d| ив пени постоянного тока i_d, а также сигнал «Авария», вырабатываемый в схеме управления электроприводом. Узел AF через узел ускоренного отключения A-R отключает автоматический выключатель главной цепи QF. воздействуя на его независимый расцепитесь, снимает сигнал готовности в схеме управления электроприводом и сдвигает управляющие импульсы в инверторную область.

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

U ±U,

а ~ arccos

I V* 1= „ • cosa_W4 = 8 • cos95° = 0,697 В.

где а_нач =90° -120° начальный угол согласования характеристик, принимается 95°; U™ = 8 В - максимальное значение опорного напряжения; U₀- напряжение смещения.

Максимальное значение угла регулирования

а_пих< 180" - (/ + £ + Аа)= 180" - (l4" +1,8" + 3")= 161,2"

где у - угол коммутации при I_dmju. 6 - угол восстановления запирающих свойств тиристора.

tauui^lOO мкс - время выключения тиристора Т253-800; Аа=3° - допустимая асимметрия импульсов. Угол коммутации при /</_тах = 2,5 • 1_Н

н

у- arccos cosar,, -

/

ч

где а_н - номинальный угол, соответствующий номинальному режиму работы двигателя.

4. Защита тиристорного преобразователя

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-п структуры (пробой тиристора).

Причинами пробоя тиристора могут явиться: высокая скорость нарастания тока (больше 20-^320 А/мкс), нарушение механической целости р-п 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 а!+а2>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. Требование 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 зашиты 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:

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.

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. 11ри 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 без трансформаторном варианте.

Выключатели на стороне неременного 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 па коллекторе, перегрузка) осуществляется быстродействующими автоматическими выключателями серий А3795.

На стороне постоянного тока устанавливаются автоматические выключатели АЗ 795 Н УЗ 5Р1, 8Р2 на выпрямленное напряжение 220В.. обеспечивающие протекание номинального тока

1x561,8=561,8А.: тепловой расцепитель на 1.1x561.8=617.9А.: электромагнитный расцепитсль на

ди

1х561,8=561,8А.; установка по току срабатывания:, электромагнитного расцепителя не менее

2.75 • /₍₍ = 2,75 • 561.8 = 1544.95 Л.

Собственное время ч; I, п. > :. им•: Л3795 с дистанционным расцепителем полупроводникового типа не более Юме.

Для коммутации якорной цепи при кратковременных остановках электропривода предусматриваются контакты линейных контакторов КМ1, КМ2.

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 вилами 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 включение мигающего трансформатора, подключением вентильного преобразователя 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 нссинусоилалыюго 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 КС - цепочек. В целях защиты от коммутационных перенапряжений, поступающих из питающей сети, при коммутациях трансформатора и цепей нагрузки КС - цепочки включают на вторичной стороне трансформатора схеме. приведенной на рисунке 4.1.

51

На стороне переменного тока преобразователя установлены трансформаторы тока, сигналы коюрыч 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 ампер витки катушек реле уравновешивают друг друга. При снижении уровня изоляции одного и* 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.

34

5. 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 ТГЩ

6. Список использованных источников

1. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник/ И. X. Евзоров, А. С. Горобец М:

Энергоатомиздат, 1982,410с.

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

3. Косматое В.И. Проектирование электроприводов металлургического производства. Учебное пособие: Магнитогорск, МГМА, 1998,244 с.