ТИРИСТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

ОПРОКИДЫВАНИЕ ИНВЕРТОРА

Процессы в тиристорных преобразователях при внешних и внутренних коротких замыканиях подробно освещены в литературе [JI. 16]. Ниже рассматриваются некоторые особенности режимов опрокидывания инвертора в реверсивном тиристорном электропри­воде.

Причины опрокидывания инвертара

Опрокидыванием инвертора принято назы-вать аварийный про­цесс нарастания тока, связанный с нарушением правильной комму­тации тока с одного тиристора на другой. Опрокидывание инверто­ра, имеющего трехфазную мостовую схему, может быть однофазным и двухфазным. При однофазном опрокидывании (рис. 20,а) аварий­ный ток проходит через два тиристора, соединенных с одной фазой трансформатора, который при этом находится в режиме холостого хода. При двухфазном опрокидывании (рис. 20,6) ток проходит через два тиристора и две фазы трансформатора. В те полупериоды переменного напряжения, когда линейное напряжение трансформа­тора действует согласно с напряжением источника постоянного тока, происходит нарастание аварийного тока в цепи якоря электродвига­теля и в обмотках трансформатора.

В Н-схеме ((рис. 8,в) при инвертировании может возникнуть ава­рийный режим, аналогичный однофазному опрокидыванию инверто­ра. Аварийный ток в этом случае может протекать, например, по следующему контуру: якорь двигателя — тиристор 4Т группы В —
обмотка трансформатора а2 — дроссель УД— обмотка трансформа­тора Al — тиристор 1Т группы :В. Точно так же аварийный ток мо­жет протекать по контурам, связанным с фазами b и с. Величина аварийного тока при этом определяется только э. д. с. двигателя и активным и реактивным сопротивлениями указанного выше кон­тура, так как напряжения двух вторичных обмоток одной фазы трансформатора (например, Al и а2) направлены встречно и их алгебраическая сумма равна нулю.

П

Рис. 20. Протекание аварийных токов при однофазном (а) и двух­фазном (б) опрокидываниях инвертора.

При двухфазном опрокидывании инвертора в Н-схеме аварий­ный процесс аналогичен процессу в обычной мостовой схеме.

Основные причины опрокидывания инвертора в реверсивном тиристорном электроприводе сводятся к следующим:

1) пропуск отпирания очередного тиристора, что приводит к двухфазному и затем к однофазному опрокидыванию;

2) понижение напряжения питающей сети переменного тока, ко­торое приводит к увеличению тока инвертора и угла коммутации, и если угол коммутации при этом станет больше угла опережения инвертора (3, то произойдет опрокидывание инвертора;

3) скачок управляющего напряжения на входе системы фазово­го управления в сторону увеличения угла опережения зажигания;

4) перенапряжения, большая скорость нарастания напряжения на тиристоре в прямом направлении (эффект Dujdt)Y импульсы по­мех на управляющем электроде — все это может привести к лож­ному отпиранию тиристора и, в зависимости от момента времени, когда это отпирание произошло, вызвать опрокидывание инвертора.

В реверсивном тиристорном электроприводе с раздельным управлением вентильными группами ложное отпирание тиристора в неработающей в данный момент группе приводит к короткому замыканию между фазами трансформатора.

IB ряде случаев некоторые из перечисленных причин могут дей­ствовать совместно.

Скачок управляющего напряжения может привести к тому, что еще до запирания тиристора в каком-либо плече трехфазной мосто­вой схемы отопрется тиристор, присоединенный к этой же фазе трансформатора, и произойдет однофазное опрокидывание инвер­тора.

. На рис. 21,а—в показаны временные диаграммы напряжений и токов в тиристорном преобразователе, имеющем трехфазную мо­стовую схему и СФУ, работающую по «вертикальному принципу». Нумерация тиристоров в схеме — общепринятая (рис. 20). Диаграм­мы фазных напряжений на входе мостовой схемы и порядок ра­боты тиристоров в выпрямительном и инверторном режимах пред­ставлены на рис. 21,а. Обозначение 1ТВ соответствует работе тири­стора 1Т в выпрямительном режиме, 1Ти—ъ инверторном и т. д.

Стрелками и обозначе­ниями 5Т-—+1Т, 1Т—*ЗТ И т. д. показаны процес - Тока

Между вентилями. На рис. 21,6 изображены диаграммы пилообразных напряжений мгпн систе­мы фазового управле­ния и управляющее на­пряжение му. Форма диа­грамм приближенно со- Ьтветствует трансформа­торному способу форми­рования пилообразного напряжения. В момент времени, когда разность напряжений —управляю­щего и пилообразного му—Мгпи, становится по­ложительной, в системе фазового управления ге­нерируется управляющий импульс и соответствую­щий тиристор отпи­рается.

Перед скачком уро­вень управляющего на­пряжения му соответ­ствует инверторному ре-

Жиму. При кратковременном скачке управляющее напряже­ние изменяет свою величину до значения, соответствующего выпрямительному режиму, и затем снова возвращается к ис­ходному уровню. За время скачка управляющего напряжения в сторону выпрямления часть тиристоров отпирается при углах регулирования, соответствующих выпрямительному режиму, а при
восстановлении исходного уровня управляющего напряжения — сно­ва переходит в инверторный режим. Токи тиристоров показаны на рис. 21,е. Из рис. 21,6 и в видно, что при скачке управляющего на­пряжения му от значения, соответствующего инверторному режиму, до значения, соответствующего режиму выпрямления, в момент /i происходит коммутация тока с тиристора 6Т на тиристор 2Т, угол регулирования которого соответствует режиму инвертирования. В момент /2 происходит коммутация тока с тиристора IT на ти­ристор ЗТ, который отпирается при угле регулирования, соответ­ствующем режиму выпрямления. Отрезок - времени h—зависит от скорости изменения управляющего напряжения щ. Если он ока­жется равным или меньше угла коммутации то тиристор 6Т не запрется к моменту включения тиристора ЗТ и возникнет однофаз­ное опрокидывание по цепи тиристоров 6Т—ЗТ.

Рассматривая коммутацию тока с тиристора 2Т иа тиристор 4Т в момент находим, что если промежуток времени H—H ока­жется меньше угла коммутации уУ то однофазное опрокидывание может произойти по цепи тиристоров IT—4Т (в том случае, если оно не возникло раньше, в момент

Диаграммы токов на рис. 21,в построены в предположении, что индуктивность цепи выпрямленного тока достаточно велика, так что при сдвиге управляющих импульсов в сторону выпрямления ток не успеет существенно измениться за время скачка, которое состав­ляет около 0,01 сек. При небольшой индуктивности цепи выпрям­ленного тока сдвиг импульсов в сторону выпрямления приведет к быстрому нарастанию тока инвертора до недопустимо большой величины, если до этого не произойдет однофазное опрокидывание инвертора.

Вероятность однофазного опрокидывания при скачке управ­ляющего напряжения в сторону выпрямления тем больше, чем вы­ше ток инвертора и индуктивность анодных цепей, т. е. чем боль­ше угол коммутации.

Рассмотрим теперь отпирание тиристоров под действием скач­ков напряжения на них в прямом направлении (эффект DujDt). Известно, что при высокой скорости приложения напряжения в пря­мом направлении к тиристору, т. е. при большой величине Du/Dt, Снижается его максимальное напряжение переключения. Если при этом оно станет ниже уровня напряжения «анод — катод», который будет на тиристоре в результате скачка, то тиристор откроется. Снижение напряжения переключения обусловлено наличием емко­стей как между слоями р-п-р-п структуры тиристора, так и между цепью управления и силовой цепью через изоляцию, заземленные конструктивные элементы преобразователя и т. д.

Величина снижения напряжения переключения тиристора под действием Du/Dt зависит от температуры р-п-р-п структуры, от ве­личины и полярности напряжения между анодом и катодом перед скачком. Некоторые результаты исследований по этому вопросу [JI. 17] представлены на рис. 22. На рис. 22,а показано снижение максимального напряжения переключения Un от Du/Dt при разных температурах р-п-р-п структуры тп. Если при тп=20°С увеличение Du/Dt до 103 в/мксек почти не сказывается на величине Uu, то при Тп=1Ю°С увеличение Dujdt от 10 до 100 в/мксек приводит к рез­кому. снижению ип, причем основное снижение, t/n соответству­ет приросту IDu/Dt от 20 до 50 в/мксек. На рис. 22,6 показано влия­ние тока отрицательного смещения на управляющем электроде.

4—1333 49

Чем больше по абсолютной вели­чине ток отрицательного смеще­ния /см, тем меньше снижается максимальное напряжение пере­ключения >ип при той же величи­не IDu/Dt.

Если напряжение иА, прило­женное к тиристору, нарастает со скоростью Dufdt не от нулевого значения, а от некоторой началь­ной величины UKy то стойкость тиристора к скорости изменения* напряжения возрастает как при прямой, так и при обратной по­лярности первоначально прило­женного напряжения (рис. 22,в).

Отпирание тиристора может произойти при смене полярности анодного напряжения с обратного на прямое (рис. 23), особенно если в момент перехода напряже­ния через нуль в напряжении по­явится скачок с крутым передним фронтом, т. е. с высокой вели­чиной Du/Dt. .При обратной поляр­ности анодного напряжения через Р-п-р-п структуру тиристора течет обратный ток, причем по анод­ному р-п переходу течет ток/0 б ре , который складывается из обрат­ного тока х'обр. к, протекающего по катодному р-п переходу, и тока /обр. у, который проходит по цепи управляющего электрода, шунтирующей катодный р-п пере­ход (рис. 23,6). В первый момент после смены полярности анодно­го напряжения с обратной на пря­мую токи /обр £ и /обр. к практи­чески мгновенно спадают до нуля, а ток i/обр. у стремится сохранить свое направление в цепи управ­ляющего электрода, так как она обладает индуктивностью из-за на­личия импульсного трансформато­ра ИТ (рис. 23,в). Этот ток замы­кается через катодный р-п пере­ход в направлении от управляю­щего электрода к катоду, снижая напряжение переключения тири­стора. Если в момент перехода напряжения на тиристоре через нуль в кривой напряжения бу­дет, как уже упоминалось выше, скачок с крутым передним фрон-

Том (рис. 23,а) и величина напряжения в результате скачка станет выше напряжения переключения, которое снизилось под действием тока х'обр. у, то тиристор откроется под совместным воздействием Du/Dt в переднем фронте скачка и тока *0бр. у.

Определение величины скорости нарастания напряжения на тиристоре

Высокое значение Du/Dt может появиться при нормальной ра­боте преобразователя вследствие наличия в кривой напряжения на тиристоре коммутационных скачков (рис. 24,а), имеющих вид узких импульсов. Эти скачки напряжения вызываются одновременной ра­ботой двух тиристоров в процессе коммутации тока с одного тири­стора на другой в течение промежутка времени, соответствующего углу коммутации у. Так, при коммутации тока с тиристора 4Т на тиристор 6Т скачок напряжения анод — катод будет на тиристоре ЗТ в прямом направлении (скачок, отмеченный буквой N на рис. 24,а). Второй скачок напряжения появится в кривой напряже­ния анод — катод на тиристоре ЗТ при коммутации тока с тири­стора 6Т на тиристор 2Т (скачок 5 на рис. 24,а). Высокая скорость нарастания напряжения в прямом направлении будет на переднем фронте скачка N и заднем фронте скачка 5. Для отпирания тири­стора ЗТ и однофазного опрокидывания инвертора по цепи тири­сторов ЗТ—6Т наиболее опасен скачок N, соответствующий отпира­нию тиристора 6Т. Задний фронт скачка 5 соответствует окончанию коммутации и восстановлению запирающих свойств тиристора 6Т, Поэтому вероятность однофазного опрокидывания здесь меньше, чем при скачке N. В дальнейшем все рассуждения относятся к скачку N. Величину переднего фронта этого скачка можно определить, рас­сматривая изменение напряжения на тиристоре ЗТ в его запертом состоянии. Перед коммутацией тока с тиристора 4Т на тиристор 6Т катод тиристора ЗТ имеет потенциал фазы с, так как отперт тиристор 5Т (падением напряжения в отпертом тиристоре для упрощения рассуждений можно пренебречь). Анод тиристора ЗТ Имеет потенциал фазы Ь. Напряжение между анодом и катодом тиристора ЗТ .равно Макз=,«ь—«с.

В момент отпирания тиристора 6Т и начала коммутации тока с тиристора 4Т на тиристор 6Т анод тиристора ЗТ скачком приоб­ретает потенциал, равный полусумме мгновенных значений напря­жений фаз а и Ь, так как эти фазы замкнуты между собой через отпертые тиристоры 4Т и и в течение периода коммутации остается равным этой величине. После окончания коммутации потен-

Л/лмссех

Ffi 7 влсхсек

Рис. 24. Напряжение на тиристо­ре в процессе инвертирования.

А — диаграммы напряжений; б — вели­чина Du/Dt на тиристоре при коммута­ционных скачках: / —С/2Л = 190 в; C/dH=230 В; 2 — С/2л =380 в; t/dH=460 е.

Циал анода тиристора ЗТ снова становится равным потенциалу фа­зы Ь. Напряжение между анодом и катодом тиристора ЗТ в период коммутации

, Ug + Ub

И акз — 2

(см. пунктир на рис. 24,а).

Скачок напряжения между анодом и катодом тиристора ЗТ в момент отпирания тиристора 6Т

Ug — У<ъ ____ ИдЬ

2 ~ 2 '

Т. е. он равен половине мгновенного линейного напряжения между фазами, к которым подключены коммутирующие тиристоры. Выражение (31) можно представить в виде

А а = [sin — sin "" т) ]'

Где и2ф — действующее значение фазного напряжения на входе мостовой схемы; соh отсчитывается от момента перехода через нуль
напряжения фазы а в полупериоде, соответствующем режиму ин­вертирования тиристора 4Т '(рис. 24,а). Угол MU связан с углом опережения Р соотношением (рис. 24,а)

= р. (33)

Подставляя (33) в (32), после преобразований находим:

Y~ и2л мякп

Аи = Sln р = 2 sln Р = у=тSln 1

Где С/гл и U2Л. макс—действующее и максимальное значения ли­нейного напряжения на. входе мостовой схемы.

Напряжение анод — катод тиристора ЗТ переходит через нуль при Р=я/3 (рис. 24,а); при этом величина скачка будет. равна:

Att«/3=^sinlT^ 0,61 и**-

(При |Р=я/3 чувствительность тиристора к скорости нараста­ния напряжения в in р him ом направлении наибольшая.

•Средняя крутизна переднего фронта скачка напряжения при­ближенно может быть определена как отношение величины скачка Дм к времени отпирания тиристора /0тп'

Du А и dt ^

(предполагая, что процесс отпирания тиристора, заключающийся в снижении напряжения переключения с некоторой скоростью, про­исходит линейно во времени, т. е. что скорость снижения напря­жения переключения постоянна). На рис. 24,6 показана зависи­мость величины Du/Dt о:т времени отпирания тиристора при Р= = я/3 и £/2л = 190 и 380 в, соответствующих номинальным выпрям­ленным напряжениям 230 и 460 в. Эта зависимость рассчитана по формуле

Du 0,61 U2n

Dt " ^отп

Величина Du/Dt изменяется примерно от 10 до 115 в/мксек, т. е. имеет порядок десятков вольт в (микросекунду.

На рис. 25 представлена осциллограмма, иллюстрирующая про­цесс однофазного опрокидывания дав ер тор а из-за коммутационных скачков напряжения. Осциллограмма снята на реверсивном тири - сто|рно1М электроприводе, имеющем следующие основные данные: i/dH=230 В, и2ф = 100 в, 7dH=H65 А, Id макс =300 а.

IHa осциллограмме можно заметить коммутационные скачки напряжения в кривых мак. Особенно отчетливо эти скачки видны

В КрИВЫХ Мак

Для тиристоров ЗТ, 4Т и 5Т. Опрокидывание инвер­тора наступает при таком угле регулирования инвертора р, когща коммутационный скачок напряжения в прямом направлении сов­падает с моментом перехода напряжения анод — катод через нуль (кривая «акз). Опрокидывание инвертора произошло, когда про­цесс инвертирования уже установился и ток инвертора I а и достиг максимальной величины 300 а, определяемой уставкой токовой отсечки. При опрокидывании ток протекает по тиристорам ЗТ и 6Т, Причем Накз=0 и «акв^О. Остальные тиристоры тока не проводят,

И кривые напряжений анод —катод на них представляют собой синусоиды линейных (напряжений.

Ток при однофазном опрокидывании инвертора вначале на­растает под действием э. д. с. двигателя, а затем снижается вслед­ствие торможения двигателя.

Необходимо отметить, что при /проведении экспериментов одно­фазные опрокидывания возникали только при нагретых р-п-р-п Структурах тиристоров, т. е. после нескольких циклов «пуск — торможение». При холодных р-п-р-п структурах, имевших темше-

Ратуру порядка 30—45° С, однофазные опрокидывания не возни­кали.

(Однофазные опрокидывания инвертора были устранены введе­нием импульсов отрицательного смещения на управляющий элек­трод тиристора в момент подачи управляющего импульса на другой тиристор, .находящийся в этой же фазе мостовой схемы (рис. 26). Устройство для подачи отрицательного импульса смещения [Л. 18] условно показано только для двух тиристоров 6Т и ЗТ, присоеди­ненных к одной фазе. Импульсные трансформаторы ТИ6 и ТИЗ, Предназначенные для подачи управляющих импульсов, имеют, по­мимо основной вторичной обмотки wzu дополнительную вторичную обмотку W22- Дополнительная обмотка ДО22 импульсного трансфор­матора ТИ6 присоединена своим началом к катоду тиристора ЗТ (точка КЗ) у а концом через добавочное сопротивление — к управ­ляющему электроду этого тиристора (точка УЗ). Дополнительная обмотка до22 импульсного трансформатора ТИЗ присоединена своим началам к катоду ти(ристора 6Т (точка Кб), а концом через доба­вочное сопротивление — к его управляющему электроду (точка У6). Таким же образом включены дополнительные обмотки импульсных трансформаторов ТИ2 — ТИ5 и ТИ1 — ТИ4, что на р. ис. 26 не по­казано. Диоды ЗВ, 6В попользуются для стабилизации величины импульса смещения.

В момент подачи управляющего импульса на любой из тири­сторов, например на тиристор 6Т, отрицательный импульс омеще - ния tc помощью дополнительной обмотки W22 импульсного транс­форматора подается на управляющий электрод другого тиристора той же фазы мостовой схемы (в данном случае. на тиристор ЗТ). В то же время. в момент подачи управляющих импульсов «а тири­стор ЗТ отрицательное смещение. на его управляющем электроде отсутствует, так как управляющие импульсы на тиристорах одной фазы мостовой схемы юдвинуты по фазе на 180°. Поэтому нет необходимости увеличивать амплитуду управляющих импульсов и мощность устройства их формирования для компенсации смещения,

Аде

Как это было бы необходимо Ib случае постоянного отрицательного смещения.

Другим способом предупреждения однофазных опрокидываний вследствие высокой скорооти нарастания напряжения на тиристоре в прямом направлении является снижение величины этой скорости, что может быть достигнуто включением воздушных реакторов по­следовательно с тиристорами и шунтирующими их /?С-цепочками.

Эти реакторы в мощных преобразователях используются одно­временно для деления тока между параллельно работающими вен­тилями.