Лекции по Силовой электронике. Лекции. Конспект лекций Красноярск 2007
 Скачать 6.02 Mb.
|
|
1.13.4 Аварийные режимы инвертора ведомого сетью При работе трехфазного мостового преобразователя в режиме ведомого сетью инвертора, рисунок 1.13.14, коммутация тока с одного вентиля на дру- гой осуществляется за счет разности фазных э. д. с. на стороне переменного тока при подаче отпирающего импульса с углом опережения α π β − = . Вре- мя выключения тиристора зависит от времени спадания тока, характеризуе- мого углом коммутации γ , и времени восстановления тиристором запираю- щих свойств, характеризуемого углом δ . Минимально возможный угол опе- режения: δ γ β + = . Угол коммутации γ зависит от параметров контура ком- мутации и величины коммутируемого тока, поэтому при увеличении тока γ 96 увеличивается и угол δ может стать меньше допустимого, коммутация на- рушается и процесс инвертирования срывается, рисунок 1.13.15. L d E d R a e в L a R a e a L a VS 4 VS 2 VS 1 VS 5 e c R a L a VS 6 VS 3 R d Рис. 1.13.14. Для инвертора ведомого сетью характерны следующие аварии: а) внешнее короткое замыкание; б) потеря тиристором вентильных свойств в обратном направлении; в) потеря тиристором вентильных свойств в прямом направлении; г) прекращение подачи управляющих импульсов на какой-либо из ти- ристоров. 97 Рис. 1.13.15. Все виды повреждений приводят либо к опрокидыванию, либо к про- рыву инвертора. Опрокидывание инвертора возникает, если по тем или иным причинам не происходит коммутации тока на очередной тиристор. Прорыв инвертора возникает, если в проводящем состоянии оказываются два тири- 98 стора подключенные к одной фазе и э. д. с. генератора оказывается закоро- ченной через два последовательно включенных тиристора. Например, если угол δ снизится ниже критического значения, то в мо- мент равенства фаз A и B вентиль VS 1 вновь откроется под действием поло- жительной разности э. д. с. B A e e − , что приведет к выключению VS 3 . После момента 0 t останутся открытыми вентили VS 1 и VS 2 . Ток в цепи: источник постоянного тока, тиристор VS 2 , обмотка фазы C, обмотка фазы A, тиристор VS 1 , начнет возрастать, так как величина противо – э. д. с. A C e e − в этот пе- риод будет уменьшаться. Если защита не успеет отключить инвертор к моменту t 1 прихода управляющего импульса на тиристор VS 4 , то при условии успешной комму- тации тока вентиля VS 2 на VS 4 образуется прорыв инвертора. В случае же не- успешной коммутации до момента t 2 останутся проводить ток вентили VS 2 , VS 1 и режим опрокидывания инвертора с прохождением аварийного тока че- рез обмотки трансформатора продолжится. Аналогично будут развиваться аварии при потере тиристором VS 1 вен- тильных свойств, при потере управляющего импульса тиристора VS 3 , сниже- нии напряжения переключения или пробое тиристора. После несостоявшейся коммутации тока с вентиля VS 1 на VS 3 ток цепи вентилей будет описываться уравнением: ) ( 2 2 a c d a a d d e e E dt di L iR dt di L iR − − = + + + За начало отсчета времени примем равенства э. д. с. фазы A и B во вре- мя отрицательного полупериода ( 0 0 = t ω , 0 0 d t I i = ). Тогда решение уравне- ния: , ) 6 sin( ) 6 sin( ) ( 3 ) 1 ( 2 2 t L R e I t L R e t L R E t L R e R E i do тф d ω ω ω ω ϕ π ϕ π ω ω ω ω ⋅ ⋅ − ⋅ + + ⋅ ⋅ − ⋅ − − − + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ − − ⋅ = 99 где a d R R R ⋅ + = 2 , a d L L L ⋅ + = 2 , R L arctg ⋅ = ω ϕ , 2 2 2 Е E ф ⋅ = В момент t 1 поступит управляющий сигнал на VS 4 , начнется коммута- ция из цепи VS 2 в цепь VS 4 . Процесс в вентиле VS 2 описывается уравнением: 2 2 2 C A a a e e dt di L R i − = + ⋅ , отсюда с учетом β π ω − = ⋅ 3 1 t , 1 2 1 1 d t t I i i = = ⋅ - ток в конце первого интервала, ) 3 ( ) 3 ( ) sin( ) 3 sin( ) ( 2 2 1 2 2 2 2 β π ω ω β π ω ω ϕ β ϕ π ω ω + − ⋅ ⋅ − ⋅ + + + − ⋅ ⋅ − ⋅ + + − − ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = t L R e I t L R e t L R E i a a d a a a a ф Ток в вентиле VS 1 : ) 3 ( ) 3 ( 1 1 β π ω ω β π ω ω + − ⋅ ⋅ − ⋅ + + − ⋅ ⋅ − − ⋅ = t L R e I t L R e R E i a a d d d d d Ток в вентиле VS 4 : 2 4 i i i − = Если ток вентиля VS 2 к моменту времени ω δ π доп 2 3 − = t станет равным нулю, то дальше будет продолжаться процесс сквозного срыва инвертора че- рез вентили VS 1 и VS 4 . В этом случае ток в вентилях на третьем интервале бу- дет описываться уравнением: 100 ) 3 ( ) 3 ( 1 1 2 1 γ β π ω ω γ β π ω ω − + − ⋅ ⋅ − ⋅ + − + − ⋅ ⋅ − − ⋅ = t L R e I t L R e R E i d d d d d d d , где 2 d I - ток в конце второго интервала; 1 γ - продолжительность второго ин- тервала. Если же к моменту t 2 ток в вентиле VS 2 не снизится до нуля, то VS 2 включиться не сможет, а после того как разность э. д. с. фаз A и C станет по- ложительной, начнется процесс повторной коммутации тока, но теперь из VS 4 в VS 2 Рис. 1.13.16 На рисунке 1.13.16 приведены кривые аварийных токов при опрокиды- вании (А) и прорыве (Б) инвертора. Режим опрокидывания характеризуется значительно большими аварийными токами, создаваемыми согласно вклю- ченными э. д. с. источников постоянного и переменного тока. 1.13.5 Аварийные процессы в реверсивных двухкомплектных преобразователях Поскольку каждый из комплектов, рисунок 1.13.17 может работать вы- прямителем или инвертором, то для таких преобразователей характерны все 101 рассмотренные выше аварии: внутреннее короткое замыкание, возникающее в результате пробоя тиристора, короткое замыкание на шинах постоянного тока или на нагрузке, опрокидывание и прорыв инвертора. B A C L d VS 3 ' VS 1 ' VS 4 ' VS 6 ' VS 2 ' VS 5 ' VS 1 '' VS 4 '' VS 5 '' VS 2 '' VS 3 '' VS 6 '' Рис. 1.13.17. Однако параллельное подключение к нагрузке двух выпрямительных комплектов разного направления создает вероятность возникновения специ- фичных для таких преобразователей аварий. 1.13.5.1 Одновременное включение выпрямительных комплектов без э. д. с. в цепи нагрузки. Режим возникает при работе на холостом ходу или на активную на- грузку. В этом случае, цепью нагрузки можно пренебречь. 102 При включение выпрямите- лей с одинаковыми углами 2 1 α α = приводит к двухфазному коротко- му замыканию через две цепи, об- разованные работающими тиристо- рами, например ' 1 VS , '' 6 VS , '' 1 VS , ' 6 VS . Этот аварийный режим часто назы- вают прорывом по уравнительному контуру. Схема замещения такого режима приведена на рисун- ке 1.13.18. Наибольший ток корот- кого замыкания будет при 0 2 1 = = α α . Аварийный ток будет определяться по тем же зависимостям и графикам, что ток пробитого вентиля при внутреннем коротком замыкании. С увеличением углов α аварийный ток будет снижаться. Поскольку режим короткого замыкания создается дву- мя параллельными цепями тиристоров, то при равномерном делении через каждый из них проходит только половина общего тока. Если углы управления групп не равны, процесс развития аварии про- текает иначе. Так, при 1 2 α α > может возникнуть трехфазное короткое замы- кание трансформатора через две цепи, образованные тиристорами ' 1 VD , '' 6 VD и ' 2 VD , '' 1 VD рисунок 1.13.19, а. Каждый из тиристоров пропускает ток коротко- го замыкания, однако ток любого из тиристоров, участвующих в аварии, все же меньше максимального тока трансформатора. В диапазоне углов управления π α α π < + < 2 1 3 2 при 1 2 α α > возникает двухфазное короткое замыкание через одну пару тиристоров ' 2 VD , '' 1 VD рису- нок 1.13.19, в. По второму уравнительному контуру ток не пойдет, так как нет зоны одновременной работы тиристоров в обоих выпрямительных ком- плектах при положительном приложенном напряжении. При соотношении углов управления π α α > + 2 1 авария не возникает ни в одном из контуров. VS 6 '' VS 6 ' VS 1 '' VS 1 ' e a R a La e в R a L a Рис. 1.13.18 103 e a R a L a VS 1 ' VS 1 '' VS 2 ' e в R a L a e c R a L a VS 6 '' VS 2 ' e c e a R a R a L a L a VS 1 '' а) б) Рис. 1.13.19. Во всех случаях включения выпрямительных комплектов друг на друга аварийный ток, проходящий через тиристоры, имеет при прочих равных ус- ловиях меньшее значение, чем при пробое плеча. 2.12.5.2 Одновременное включение выпрямительных комплектов при наличии э. д. с. в цепи нагрузки. При наличии э. д. с. в цепи нагрузки к аварийным токам, вызванным закорачиванием питающего трансформатора, добавляются токи, вызванные э. д. с. цепи постоянного тока. Для случая одновременного включения вы- прямительных комплектов при 2 1 α α = схема замещения рисунок 1.13.20, а. Ток двухфазного короткого замыкания трансформатора проходит по двум контурам, образованным тиристорами ' 1 VS , '' 6 VS , '' 1 VS , ' 6 VS . Одновременно создается контур для постоянного тока через тиристоры '' 1 VS , '' 6 VS и обмотки трансформатора. Напряжение E d приложенное к тиристорам ' 1 VS , ' 6 VS в об- ратном направлении приводит к их выключению после чего дальнейшее раз- витие аварии протекает через тиристоры '' 1 VS , '' 6 VS . В аварийном контуре бу- дет действовать синусоидальная фазная э. д. с. трансформатора и постоянная э. д. с. нагрузки, то есть характер протекания процессов будет аналогичным опрокидыванию инвертора. 104 e a e в R a R a L a L a E d L d VS 1 '' VS 6 ' VS 6 '' VS 1 ' e a R a L a VS 1 ' e в R a L a e c R a L a VS 6 '' VS 1 '' VS 2 ' E d L d а) б) Рис. 1.13.20. При трехфазном коротком замыкании рисунок 1.13.20, б, э. д. с. двига- теля также приводит, к выключению двух тиристоров ' 1 VS , ' 2 VS , после чего авария развивается через тиристоры '' 1 VS , '' 6 VS под действием двух э. д. с: си- нусоидальной и постоянной. 2.12.5.3 Включение выпрямительного комплекта во время прорыва инвертора. Такая авария характерна для реверсивных преобразователей с раздель- ным управлением комплектами. В нормальном режиме работы управляющие импульсы всегда поступают на один из вентильных комплектов и переклю- чение с одного комплекта на другой допускается только в момент, когда ток, проходящий через тиристоры, снизится до нуля. Для контроля проводящего состояния тиристоров часто применяют трансформаторы на стороне переменного тока, которые воздействуют на ло- гическое переключающее устройство, формирующее разрешающий сигнал 105 на переключение комплектов. Если при работе комплекта II инвертором про- изойдет прорыв через тиристоры '' 1 VS , '' 4 VS , то, как было показано ранее, ток в обмотках трансформатора будет спадать до нуля и ЛПУ выдаст разрешаю- щий сигнал на включение комплекта I. При включении, которого образуется короткое замыкание через проводящие тиристоры: '' 1 VS , '' 4 VS . Через тиристо- ры аварийного контура проходит суммарный ток прорыва инвертора и ко- роткого замыкания выпрямителя. В результате такой аварии могут возникнуть весьма высокие значения токов, приводящие к выходу из строя тиристоров и аппаратуры. Такая авария может быть исключена применением специальных схемных решений, не до- пускающих включения одного комплекта при аварии в другом. 106 2 МОДУЛЬ 2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Процесс преобразования постоянного напряжения в переменное в си- ловой электронике называют инвертированием. Устройства, осуществляю- щие такое преобразование, называют инверторами. Различают два типа ин- верторов: - зависимые инверторы или инверторы, ведомые сетью; - независимые или автономные инверторы. Ведомый сетью инвертор работает при наличии в его выходной цепи источника переменного напряжения, который задает форму, частоту и вели- чину выходного напряжения. Автономный инвертор может работать при отсутствии на его выходе каких либо источников переменного напряжения. При этом частота выходно- го напряжения автономного инвертора определяется частотой импульсов управления вентилями инвертора, а форма и величина выходного напряже- ния – характером, величиной нагрузки и его схемой. Различают три типа автономных инверторов: инверторы тока (АИТ), резонансные инверторы (АИР) и инверторы напряжения (АИН). 2.1 Автономные инверторы тока 2.1.1 Параллельный инвертор тока Рис. 2.1.1. На входе инвертора тока, рисунок 2.1.1 устанавливают источник посто- янного тока. Режим источника тока на входе инвертора, получающего пита- 107 ние от источника напряжения, создается путем включения в цепь источника питания дросселя L d c индуктивностью, достаточной для подавления воз- можных пульсаций входного тока. Кроме того, L d выполняет функции фильтра высших гармоник, так как к нему в любой момент времени прикла- дывается разность между неизменным напряжением источника питания и пульсирующим напряжением на выходе автономного инвертора (АИ). Пре- пятствует разряду конденсатора на источнике питания во время коммутации токов тиристоров, а также обеспечивает апериодический режим работы ин- вертора, характеризующийся малыми пульсациями входного тока. Рис. 2.1.2. Кривая выходного напряжения формируется при поочередной прово- димости тиристоров расположенных по диагонали, рисунок 2.1.2. В резуль- тате на выходе инвертора формируется прямоугольный, двуполярный ток. Для обеспечения протекания такого тока выходная цепь должна иметь малое 108 внутреннее динамическое сопротивление. Практически это обеспечивается включением на выход вентильного коммутатора конденсатора C, протекание через который прямоугольного, двуполярного тока порождает переменное изменяющееся по экспоненциальному закону напряжение, что позволяет по- сле него подключить любую реальную нагрузку с индуктивностью, не допус- кающей скачков тока. Кроме того, конденсатор выполняет роль энергетиче- ского буфера по току между выходом инвертора с разрывным током и на- грузкой, участвует в формировании выходного напряжения и обеспечивает искусственную коммутацию тиристоров, то есть выключение тиристоров под действием напряжения заряженного конденсатора, прикладываемого к ним в обратном направлении. При проводящих тиристорах VS 1 , VS 4 конденсатор C заряжается от ис- точника входного напряжения с полярностью плюс слева и минус справа. В момент отпирания VS 2 , VS 3 напряжение конденсатора прикладывается с за- пирающей полярностью к раннее проводившим тиристорам VS 1 , VS 4 и вы- ключает их. Конденсатор начинает перезаряжаться в обратную полярность, за время действия обратного напряжения t вост тиристоры VS 1 , VS 4 должны ус- петь восстановить свои запирающие свойства. Из чего следует, что автоном- ный инвертор тока имеет ограничение на предельное значение тока нагрузки, поскольку с ростом тока нагрузки ускоряется процесс перезаряда конденса- тора после каждой коммутации, а значит, уменьшается время приложения к тиристору отрицательного напряжения для восстановления его управляющих свойств. Рис. 2.1.3. 109 Зависимость относительного выходного напряжения от относительной проводимости нагрузки ) 1 ( * * вых R f U = или квазивнешняя характеристика инвертора тока показана на рисунке 2.1.3. Достоинства параллельного инвертора тока: - малые пульсации входного тока; - возможность реверса направления потока мощности без изменения направления тока при переходе в режим выпрямления. Недостатки: - не допускает режимов холостого хода, и имеет ограничение по пре- дельному току нагрузки; - имеет внешнюю характеристику с участком резкого спада выходного напряжения при малых токах нагрузки; - имеет форму выходного напряжения зависящую от величины нагруз- ки (треугольную в режимах близких к холостому ходу, и квазисинусоидаль- ную в режимах предельных нагрузок); - является инерционным преобразователем, так как скорость изменения режима определяется скоростью изменения тока в реакторе с большой ин- дуктивностью L d ; - не рационален для получения низких частот выходного напряжения, так как при этом возрастают массогабаритные показатели реактора и конден- сатора. Для ослабления указанных недостатков схему параллельного инверто- ра тока модернизируют за счет: - введения дополнительных конденсаторов на выходе инвертора; - введения отсекающих вентилей; - введения вентилей обратного тока; - введения тиристорно-индуктивного регулятора; - применения широтно-импульсной модуляции выходного тока инвер- тора; - применения векторного регулирования. |