Библиотека - Статья 3

Савицкий А.В.

Тема выпускной магистерской работы:
Создание тиристорного частотного преобразователя
на IGBT-модулях вынесенной подачи угольного очистного комбайна

Авторы: Закиров Р.А., Белкин А.К., Чепайкин А.А., Шуляк А.А.
Опубликовано в: Межвузовский научный сборник: Электромеханические комплексы и системы управления ими, Уфа, УГАТУ
Год опубликования: 1998

Обеспечение безотказной работы систем пуска, регулирования и защиты частотнорегулируемых тиристорных источников питания за все время эксплуатации достигается за счет:

• правильного выбора схемных решений систем;

• обеспечения расчетных параметров и режимов работы схем;

• использования в системах заранее исправных элементов;

• соблюдение условий эксплуатации.

Надежный пуск тиристорных источников питания, выполненных на базе схем резонансных последовательных инверторов с встречно-параллельными диодами, обеспечивается путем подачи напряжения на управляющий электрод проходного тиристора и импульсов на управляющие электроды тиристоров инвертора после достижения напряжения на конденсаторе конденсаторного выключателя заданного значения. Заданное значение напряжения - это такое напряжение, при котором конденсаторный выключатель сможет в случае аварийной ситуации выключить проходной тиристор.

Рисунок 1

На рис.1 приведена электрическая принципиальная схема тиристорного источника питания с системой пуска, датчиками защиты и управления.

При подаче на вход тиристорного источника питания сетевого напряжения 3~50Гц, 380В происходит заряд конденсатора С1 конденсаторного выключателя по цепи: выпрямитель V1...V6, резистор R4, конденсатор С1, резистор R5, выпрямитель V1...V6. Как только напряжение на конденсаторе С1 достигнет заданного значения (350...400В), включается стабилитрон V7 запуская оптрон V10, который и выдает команду на включение блока управления и защиты (БУЗ). БУЗ, включаясь подает управляющее напряжение на проходной тиристор V8 и импульсы управления на тиристор инвертора V15, запуская тиристорный источник питания.

Если при этом возникает аварийная ситуация, срабатывает канал защиты, снимая управляющее напряжение с проходного тиристора V8 и одновременно, включая защитный тиристор V9, который создает цепь разряда конденсатора С1 - С1, V8, V9, L1, C1, выключая проходной тиристор V8, отделяя тем самым источник питания от места аварии.

Если же конденсатор С1, вследствие пробоя тиристора инвертора, коммутирующего конденсатора или цепей инвертора на землю, окажется к моменту пуска инвертора незаряженным, то стабилитрон V7 не включится и инвертор не запустится.

Таким образом, контролируя напряжение на конденсаторе конденсаторного выключателя, удается повысить надежность работы защиты при пуске.

Схема защиты должна обеспечивать:

• Максимальное быстродействие, позволяющее ограничить амплитуду и длительность протекания аварийных токов.

• Ограничение всех видов внешних и внутренних перенапряжений до допустимого уровня.

• Селективность и надежность в работе.

• Возможность применения автоматического повторного включения или же включение резерва после срабатывания защиты.

В тиристорных источниках питания используются:

• Канал максимальной токовой защиты.

• Канал защиты от срывов инвертирования.

• Канал защиты от превышения допустимой температуры элементов.

• Канал защиты от прекращения подачи охлаждающей воды.

Рисунок 2

В аварийной ситуации приводящей к превышению входного тока тиристорного источника питания, сигнал с датчиков тока Т1...Т3 (рис.1) подается на канал максимальной токовой защиты (рис.2), где выпрямляется трехфазным выпрямителем V1...V6 и поступает на потенциометр R1, а с него на фильтрующую цепочку R3, C1. При превышении напряжения на конденсаторе С1 выше напряжения пробоя стабилитрона V1, что соответствует превышению входного тока выше допустимой величины, происходит включение тиристора V2, который запускает формирователь аварийных импульсов. Последний выдает команду на снятие управляющего напряжения с проходного тиристора и команду на включение тиристора конденсаторного выключателя, Конденсаторный выключатель, срабатывая, выключает проходной тиристор, отделяя тем самым выпрямитель тиристорного источника питания от места аварии.

Рисунок 3

Наиболее частыми внутренними авариями тиристорных источников питания являются "сквозные" и частичные срывы инвертирования. Которые возникают либо из-за снижения времени предоставляемого тиристорам инвертора на восстановление управляющих свойств, либо из-за нарушения работы БУЗ. "Сквозные" срывы инвертирования представляют собой короткое замыкание выпрямителя через вентили инвертора (в мостовых схемах резонансных последовательных инверторов). "Частичные" срывы инвертирования представляют собой нарушение работы последовательно соединенных тиристоров, что ведет к резкому снижению надежности дальнейшей работы тиристорного источника питания.

На рис.3 приведена электрическая принципиальная схема канала защиты от срывов инвертирования (узел контроля длительности тока тиристоров инвертора - УКД).

Сигнал с датчика Т4 (рис.1) формируется элементом D1 (рис.3) в прямоугольные импульсы, длительность которых равна длительности включенного состояния тиристоров инвертора. Фронтом этого сигнала запускается одновибратор собранный на D2.1...D2.3 и транзисторе V3. Длительность его выходных импульсов определяется RC-цепью R1, R2, C2. Элемент D2.4 производит сравнение длительности импульсов с D1 и выхода D2.3 одновибратора. При нормальной работе инвертора длительность включенного состояния тиристоров инвертора меньше длительности импульсов, генерируемых одновибратором. На выходе элемента D2.4 устанавливается логическая "1". При срывах инвертирования длительность включенного состояния тиристоров инвертора становится больше, чем длительность импульса, генерируемого одновибратором и на выходе D2.4 устанавливается логический "0", который включает оптрон V4. Последний запускает формирователь аварийных импульсов, который выдает команду на снятие управляющего напряжения с проходного тиристора и команду на включение тиристора конденсаторного выключателя. Конденсаторный выключатель, срабатывая, выключает проходной тиристор, отделяя тем самым выпрямитель от места аварии.

Для исключения аварийной ситуации, связанной с перегревом элементов тиристорного источника питания, используются каналы защиты от превышения допустимой температуры.

Принципиальная электрическая схема одного такого канала приведена на рис.4.

Рисунок 4

Канал представляет собой тиристорный ключ V3, включаемый ртутным термоконтактором К1, расположенным на соответствующих ветвях охлаждения элементов тиристорного источника питания.

При перегреве любой ветви охлаждения включается тиристор V3. В цепи анодов тиристоров V3 каждого канала включены светодиоды V2, сигнализирующие о срабатывании соответствующего канала температурной защиты, а реле К2 отключает тиристорный источник питания.

Канал защиты от прекращения подачи охлаждающей воды представляет собой датчик -реле давления, контакты которого заведены в цепь подачи сетевого напряжения на выпрямитель тиристорного источника питания.

Таким образом, обеспечение надежности работы защиты тиристорных источников питания достигается, кроме перечисленных факторов, использованием нескольких каналов защиты.

Для регулирования и стабилизации выходного напряжения инвертора, получения максимальной мощности в нагрузке в тиристорных источниках питания используется частотное регулирование.

Частотное регулирование основано на резонансном характере нагрузочного контура. Если регулирование инвертированной частоты вести таким образом, чтобы она при всех изменениях параметров нагрузочного контура (активного сопротивления к индуктивности) была равна переменной резонансной частоте нагрузочного контура, то эквивалентное реактивное сопротивление будет оставаться чисто активным, изменяясь при этом по величине в соответствии с изменением параметров активного сопротивления и индуктивности нагрузочного контура, что определяет получение максимальной активной мощности при наивысшем КПД.

При частоте ниже резонансной эквивалентное реактивное сопротивление нагрузочного контура имеет индуктивный характер и ведет себя аналогично тому, как если бы в цепь нагрузки инвертора была включена дополнительная индуктивность. При частоте выше резонансной эквивалентное реактивное сопротивление нагрузочного контура имеет емкостной характер и ведет себя также, как если бы в цепь нагрузки инвертора была включена последовательно дополнительная емкость.

Таким образом, номинальный режим, при котором частота инвертирования равна резонансной частоте нагрузочного контура, характеризуется нулевым фазовым углом нагрузочного контура и данный параметр может быть использован при построении устройств автоматического регулирования и поддержания максимальной мощности.

На рис.5 приведена электрическая принципиальная схема устройства регулирования и стабилизации выходного напряжения, получения максимальной мощности в нагрузке тиристорного источника питания с использованием частотного способа регулирования.

Рисунок 5

Наладочные работы, а также некоторые технологические процессы требуют ручной регулировки выходных параметров тиристорных источников питания.

Для обеспечения ручной регулировки переключатель SA1 переводится в положение "Ручн.". При этом положении переключателя на вход 5 задающего генератора, собранного на микросхеме DD1 (таймер КР1006ВИ1), блока управления и защиты через диод V15 и резисторы R18, R19, установленные на пульте управления тиристорного источника питания, подается напряжение U0. Максимальное напряжение устанавливает минимальную частоту задающего генератора, а значит и выходных значений тока и напряжения инвертора. Минимальное напряжение устанавливает максимальную частоту задающего генератора, а значит и выходных значений тока и напряжения инвертора.

Таким образом, изменяя напряжение, подаваемое на вход 5 микросхемы DD1, путем изменения величины сопротивления резистора R18, удается регулировать частоту задающего генератора, а значит и выходных значений тока и напряжения инвертора.

Для стабилизации выходного напряжения инвертора и получения максимальной мощности в нагрузке переключатель SA1 переводится в положение "Авт.".

При стабилизации выходного напряжения инвертора сигнал с датчика напряжения Т5 (рис.1) выпрямляется диодным мостом V1...V4 (рис.5) и подается на неинвертирующий вход операционного усилителя DA1.

Допустим, что в процессе работы тиристорного источника питания выходное напряжение стало выше заданного значения (заданное значение - это напряжение, соответствующее стабилизируемому, которое задается опорным напряжением U0). В результате разность напряжений между неинвертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя DA1 становится положительной. На выходе операционного усилителя напряжение также становится положительным, открывается диод V13 и положительное напряжение с выхода операционного усилителя поступает на вход 5 микросхемы DD1 задающего генератора. Которое уменьшает частоту выходного напряжения до тех пор, пока оно не понизится до заданного значения.

При снижении выходного напряжения инвертора ниже заданного значения с выхода операционного усилителя DA1 на вход 5 микросхемы DD1 задающего генератора поступает отрицательное напряжение и задающий генератор повышает частоту до тех пор, пока выходное напряжение тиристорного источника не повысится до заданного значения.

Для получения максимальной мощности в нагрузке снимают сигналы двух датчиков: датчика тока Iи индуктора Т6 и датчика тока Iс компенсирующей батареи конденсаторов Т7 нагрузочного контура (рис.1). Далее эти сигналы выпрямляются и вычитаются с помощью диодных мостов V5...V8 и V9...V12. Полученная разность подается на неинвертирующий вход операционного усилителя DA2.

Допустим, что в процессе работы тиристорного источника питания выходная мощность понизилась. В результате разность напряжений неинвертирующего и инвертирующего входов операционного усилителя DA2 становится отрицательной по отношению к "земле" и на его выходе появляется отрицательное напряжение, которое поступая на вход 5 микросхемы DD1 задающего генератора, повышает частоту задающего генератора до тех пор, пока выходная мощность не достигнет максимального значения для данного режима работы.

Описанные схемы обеспечивают достаточную надежность пуска, защиты и управления тиристорных источников питания в широком диапазоне изменения параметров нагрузки.

1. А.К.Белкин, С.А.Горбатков, Ю.М.Гусев, И.И.Парфенов, А.А.Шуляк. Разработка и проектирование тиристорных источников питания. -М.: Энергоатомиздат, 1994.-272с.: ил.

2. А.с.1083314 СССР, МКИ3 Н02М7/515, Н02Р13/18. Устройство автоматической стабилизации коэффициента мощности тиристорного инвертора / А.К.Белкин, Р.А.Закиров, В.Э.Дэль, Ф.Ш.Абсалямов // Открытия. Изобретения. 1984, №12.

Первоисточник: http://ooo-kurai.narod.ru/papers/article02.html