CC BY
26
УДК 621.314
ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ЛАБОРАТОРНОЙ F/OAF ПИ РАЗМЫКАТЕЛЯ ЦЕПЕЙ ПОС~ОЯ H H ОГО ТОКА
С. Б. Пустынников. С. А. Новиков. С. С. Жидов Национальный исследовательский Томский политг.ехчичоааш университет, г. Томск, Россия
Аиноташаг Разработан размыкатель цепей постоянного тока, позволяющий осуществлять запира ние тиристора в силовой цепи постоянного тока с индуктивной нагрузкой путем размыкания веномога-
If.lhHllll ЦНИИ, lllk' KOIO[lllii К HPTKOJIhKIl [IK МИН ЫI IF I 1Ш H ,11 [l\ С К II. CiL IHK.IM II HCIIUMIH Н1Р.1КН1И ЦНИИ t'KH-
з in Li при помощи трансформатора тока, имеющего встречное включение обмоток. После коммутации нагрузка шунтируется диодом и не оказывает влияние на переходный процесс Проведенные расчетные и экспериментальные исследования лабораторной модели размыкателя цепей постоянного тока показали эффективность её работы, что предполагает возможность применения такого устройства хтя коммутации €11. IhHII I 114 H kit ЦРПС11 lllirillMHHIIMI 111КИ Г II H IXk'l ИКНОЙ HHI JIYtkOH.
Ключевые слова: коммутация, тпрпстор. переходный процесс, трансформатор тока, метод переменных состояния.
Т RR^.tfht-T
Для повышешгс оффектионостл н олектробезопаспосш энергопотребления разрабатываются проекты мше росетей постоянного напряжения для одного или нескольких объектов на локальной территории. На входе мнк-рОСГТГИ угтянякгамггг* КЪТГПИСПэффгК—ИПНЫЙ пргобрл.чоялтпп», ТТрГобрЛЗуЮГТИЙ ТТГрГМСНКГ'Г нгпряж-гнттг R постоянное Такие локальные сета имеют существенные преи>.гушеегЕа при аффективном применении петрадпцп
ИННЫХ ИСIЦЧННХОВ JUiCXipjJMCp. KU, HbipaÜaislHtUUlUHX .«КЮДЬ.НЫК TUJl H-ipjlVHCpdlOpOH, I ч\ 1НГЧН -J < GilliiptiH.
топливных э.-смс:-тгов н тд.. которые не трсЪуют взаимного согласования их работы
Также известны проекты электроснабжения за постоянном токе. Например, в технологическом университета ffдппегкравтн (Финляндия) рлчрлпотлн прогг- систгмм чггхтр.-к-нлбжгния и свяли T.VDC (Т ow vnbgf; ri irr г t ouïrent) Г11- Проект прелусматр:1вагт замену дорогих традиционных трехфанплх распредешпельиых сетей пе решенною ш'лрхжгким 20/0,4 кВ на гибельные иидгемкые .ш.чил нос. охни tu о ulii LVDC (+0.75 *В)- Калдое здание и сооружение будет подключаться к cent постоянного тсЕа через прсосразовогтслн. согласующие напряжение LVDC с напряжением, необходимым потребителю. Такое решение существенно уменьшает стоимость
ГГТТТ ЧЛВИГИМОГП. fr работы ОТ ПОГЮДНЬТХ угловИЙ И уВГЛИЧИВйГГ чффгКТИВНОСТЬ Vi fWT ОТТГЛЛЛ ПТ nprofiprT.OfVl-
ния А< 7I}(' [7J 11гргход нл ттотргЬ.-к-ни- постоянного тока трсЬует гутпсг.ткгянот оЬношгпт* пЬорудгтлнн* и
изменения технических нерм н условий использования энергии. Следовательно. необходим правильный подбор н разработка повой коммутационной аппаратуры дп целей постоянного тока [3].
Электрические пели, содержащие индуктивную нагрузку или имеющие внутреннюю иш^тстнвкость. запасаю- ¿леллричеик-ую ¿нер! лю и мш ни 1 ним ноле. Полому ири у а ¡мыкании комму iир у юic ил. aimapaiou uociu-
янного токп появляется электрическая дута. Она возникает между размыкающимися контактами из-за ноинза-цик воздушного пространства между ними Другой проблемой является перенапряженке, которое в несколько
pi-.i HOAi l L.ptrUalLJillb НИПрХлкГНИе ИСЮЧНИЛЛ J1UC10.4HH010 1U1US. Пеуена.1рЯ^е.ЧИГ Xö. ЫС . 1-Я OlUtCHblM ЛИ-ЧИН
электропередач постоянного тока к может привести к поереждеилю изоляции обмоток электрических двигателей, генераторов. коммутирующей аппаратуры.
Дол размыкании цш;й ио.'юмннсно шка с индуктивной шуушж сущопиукп способы с дуювои комму
иисй на размыкаемых контактах и способы бездугозой коммутации [4]. Для бездуговой коммутации пепей по-стояппого тока широко применяются тиристоры. обладающие высоким быстродействием Включение с битного тиристора осуществляется подачей импульса тока положительной полярности на управляющий электрод отно-гнтглгчнп к л то-л тиригторл ^лкггльнсн-.т* пгргходного процсссл при кглючгнии тиригторл опргдгплгтг* хлрлк-тером нагрузки (акитныи. активно индуктивный. емкостной). амплитудой и скоростью парасталня импульса ТОКИ улрдв.игних. ХеМИСрИЛурОИ ДОДуНрОВОДМНХОВОЙ LipyKiVpb. .ирнедора. приложенным налряжением и lukum нлгручки
Для выключения тиристоров применяется естественное выключение н принудительное выключение Сити искусственная коммутация). Естественное выключение происходит при работе шристзрев в цепях переменного тогл f movpht перг-ходл тохл чергл нулеягк- янлппгаг И мплглмтти пт vottthorm тиригторл *ргм* нытглто-чешм составляет порядка 2-20 мкс.
В цехлх нос юннксн о юла смены ииилфносш не нроисходи1, и для ¿алрываним гирксюра лрихидию* лрк-мгн11н clin.hh.ihhhlr i'kkum ЧИНИрИИИЧ к кошрык гк11'мирупгн или ы чргччый u1k, и.1и НПрГЧНПГ №11 ]ш*рниг
[5,6].
На схеме встречного напряжения предварительно заряженный конденсатор разряжается на тиристор, в ре-лулктлте «тгго к тиристору пртптадытетг* кгтргчног нлпряжениг, что приводит Y гго глпирлнию I ллтшог условие - запасенного з конденсаторе заряда должно хватить. чтобы поддерлатать достаточное по величине встречное напряжение на время завершения переходного процесса закрывания тиристора. Преимуществом схемы мь-шпел ее lipo«. , je исиолн^нке. Недоеденном схемы лв.ше г.л ю, чю в мимен! &uuuyiai|iui 1фОнищцш бросок нянряжения е нагрузке на величину напряжения заряженного конденсатора. которое может в несколько раз превышать рабочее напряжение источника.
г1й схеме чс-ргчнпго токл кондгнглтпр рлзряжяетгж нл перриннуто обкготку трлнефпрчглторл тоял иторинкля обмотка которого включена е анодную пепь тирнстора. На вторнчнен оОмотке трансформатора формируется ток. направленный встречно току алодной цеш! тиристора. В результате ток тиристора становится меньше тока удержании, и i ирис юр ли>.рывае1сх. Главное условие — запасённою в коьденсаюое ¿армд?. должно хваниь. чтобы поддерживать достаточный по величине встречный тс»: на зремя завершения переходного происсса закрывания тиристора. Преимущество схемы - в момент коммутации не происходит броска напряжения в нагруз-кг Не/юпапк i хгмы 1акои *.г как и у с хемы кпргчною нищжжении — нглинина напряжении кгидгнеигирл к
несколько раз превышаюшее напря;сенае источника. Кроме того, для формирования отключаюлгего импу'льса обмотки трмкформатора тока должны иметь высокую досротпость.
11. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Авторами разработана схема размыкателя цепей постоянного тока, позволяющая осуществлять бездуговое размыкание Сизовых цепей с индуктивной нагрузкой [7].
11л риг 1 пргдгтлнлгнл рлгчгтнл* гхгмл рлч\п»тклтрлтя цгттги постоянного тпкл которля roiROTTür- рлчпмкяуть
сидов%ю цепь с током . создаваемому ЭДС Е2 . н>тем размьп:аш1я слаботочной цепи с током ^, создавае мим) отключении нгиручки tri ипнчник/1 ЭДГ рачиыкаек ч коммугаю]) К. и гон J. к
перЕичнок оомопсе трансформатора тока уменьшается до нуля. Поскольку обмотки трансформатора тока имеют встречное сплючешге с коэффициентом 1Шдуктивпой связи обмоток Ai _ *JLL- , где Км коэффициент
связи, во вторичной обмотке тра!кф орз.сатора тока Ä,. L-, формируется отрицательный импульс тока, что при нидиг ъ. переходу гоха /., чгрез нулевое значение. ширннк< liipHL iopd VS н onuu-.чению ншрумл or iiu-Г ТО ИНН О ГО НГТОЧННЯЛ )Д(' F-1 I лрлллтгтгьнп ялгручкг ППДКЛКТЧГН КГНТИЛЬ УU п^.-нпцтучхтптй нлгручху при оилюненни 1нрнсюра t^b".
ч
- "О *
Риг 1 Гтгма ря-тмыитмя црпся ппгтгяянпго тога
Целью ИГСЛГДГИЛНИЯ *ЯЛ1ГГТГЯ шучгнж: «тМОЖЯОГТИ ПрИМГНГНИЖ рЛЛУЫХ'ЛТГЛЯ ЦП¥ГИ ПОГТОЯННОГГ ТОКЛ .ТТЛ
размыкашш цепи пестоягаюго тока с ппдуктквпой нагрузкой па примере лабораторной модели устройства.
Ш. "ПОГИЯ
Бы ли лроведены геи(нгш«хкяг исследование рабихы лабораюрний моде.ш piiii.Uxibaic.U4 цепей иосчоянышо тока. Вследствие нелинейности вольтамперной хорпктсркстккн тиристора работа схсм была проанализирована без тиристора , тто не влгигет на принцип их работы, по позволяет существенно упростить расчеты. При
расчеге иереходжл о процесса будем счигш. чю в меменг времени / — после срабагыкинич комму хаюра К нагрузка шунгтнрустся диодом ТТ) н параметры нагрузки Кн. Ьч не оказывают влияния на переходный происсс в остальной цепн Для устранения условия некорректней коммутации размыкание коммутатора К ннишгнт» |10,|(клк)нтик1 к цгикг кжом днипинтглшоиши^тхшмгним . кглинини кшхдоно намжпо
превышает величину сопротивления С момента времени / = 0+ переходный процесс описывается системой уримнений ¡чнчакпгнной по чаконам Кирхгофадни кинокгннмх чничгний [К]
/.(А + &) + !« О—М— = Е, ' ш <ИI
.■л+'Л-"—-^ ¿1 (к
(I)
Исходя и? принципа непрерывности суммарного потокоецепления:
Г(0_) = у/(0+) (?)
в соответствии с обобщенными законами коммутация, можно записать:
I, -7,(0.)-М г,(0_) = Ц ■/><0+)-М ;,(0+) О)
где Г — (0_ ) — момен! времени непосредственно перед коммутацией, а t — (0_ ) — ми мен I времени сразу после коммутации.
Учи1в1ная. чш иосле ри гмыкания хомму ¿агора К 7((0+ ) — 0 скачок. юка в с к. ивой цепи схемы сосхавиг
1^(0,)-^^,)^(А & (4)
и Л, д,
Таким образом, для перехода гика /■, череа нулевое ¿качение до.ьэло соблюдагвся условие.
(5)
"уь а ^
РлЬотл схг\тк- лглЬорлторной модели рллчгктклтел* ттгттгй гогтояиного токл Ьылл рлесиитлия дяя конхретных
значении параметров элементов, показанных на рис.1:
^ _66 5 Ои, тл - 0 8^7 г«,/г2 _ 1 07 Ом 7^ -1 Ю \<Гн, Къ =100000 Ом, = 4.2 Ом, = 6У.В мк г.,К„ = 0.8. М = 32м111.
Прк этом сопротивление /?я включает в себя активное сопротивление нагрузки = 3.2 Ом и сопротнвле-хше токонзмерительпого тунга Яш = 1 Ом. Яг = Я1П I Р.ш = 42 Ом Сопротивление состоит из активного сопротивления Еторичнон обмотки трансформатора =0 07 Ом и сопротивления тококзмерительного шунта -1 Ом, Я, - Л] + ^ -1.07 Ом.
установившиеся значения том нагрузки до размыкания коммутатора К ¿,(0 ) = ——-= 19 А, тока е
" Я, + /?я
£
первичной обмотке трансформатора »(0 )= 1 =0 Л ■ Скачок тока в силовое цепи схемы после
а
размыкания коммутатора составит (4) 2,(0^) ——0.66.
На рис. 2 показан расчетный ток в силовой цепи /- при размыкании коммутатора К . Минимальное отрицательное значение шка сочавлжп /л» —0 64 . ¿ициельниси» шрицательной части импульса шка систавлжп Д/ *> 0.12 мс, что вполне достаточно для надежного заппрашы тиристора РЗ'. Небольшое различие от
р^г^етного адячеш'-я /2 (0+) объясняется на.тичие\' в расчетной гхек'е сопротивления Л^, шунтирующего коммутатор А. при его размыкании, для устранения условия некорректной коммутанин при расчетах.
1.754: :.оя4 МП»
:.збз<
:.140<
:.эи:
ОКШ'
0.772' с.<5 0.327: 0.404: о ^х и 1 0.150
- 0Мб- -
- 0.209 -
- 0.33 и
- о.4>4: -
- 0.577; -
с
1*ис. 2. Ток в силовой псин прк размыкании коммутатора К
iv. Результаты экспериментов
Ьылн проведены лабораторные исследования модели размыкателя испей постоянного тока с такими же параметрами В качестве диода УО. шунтнруюшего нагрузку, применялся диод Шоттки 1 N58222.
Установившееся значение тока в нагрузке перед коммутацией составито /7 -1.9 А, ток первичной обмотки
= 0 15 А Осшшлшрамма .ока ¿2 и силовой наш показана на рис. 3. Минимальное отрицательное значение токя в нагручке составляет 12|Ш ос —0.5 А длительность отрицательной части импульгя тпка составляет А/ « 0 Я \и .
Рис 3. Осциллограмма тона е силовой цепи при размыкании коммутатора К
На рис. 4 показана осциллограмма тока /, в силовой цели для схемы рнс. 1 при включении в силовую цепь тиристор?. TYN1225 (тиристор VS ). Как видно из осциллограммы. происходит практически мгновенное отключение тиристора, размыкающего силовую цепь г tovom 7-, после размыкания клгчя К в первичной опмогке
трансформатора с током ^ На рнс. 5 показан ток в индуктивной нагрузке, протекающий через шунтирую тин диод VD. Длительность переходного процесса уменьшения тока нагрузки до нуля составляет ln л 60 МС.
/».»!«• iw«ui ».зон
Рис 4. Осциллограмма тока в через тиристор при размыкании коммутатора К
Рнс 5. Осциллограмма тока в нагрузке при отключении тиристора 7S
v. Обсуждение результатов
Расчет схемы модели размыкателя цепей постоянного тока показал, что для надежного запирания тиристора VS с током ij = 1.9 Л можно осуществить при размыкании слаботочной цепи с током ^ =0.15 А- что в 12.6
раза меньше тока в силовой цепи. Минимальное значение тока составляет г в — 0.5 А, а длительность отрицательной части импульса тока Ai я 0_12 мс, что вполне достаточно для надежного запирания тиристора VS .
Проведенные экспериментальные исследования лабораторной модели размыкателя цепей постоянного тока с такими же параметрами без тиристора показали, что минимальное значение тока в нагрузке составляет i",min ~ —0.5 А, а длительность отрицательной части импульса тока составляет Д/ к 0 3 MC : что примерно совпадает с результатами расчета.
Экспериментальные исследования лабораторной модели размыкателя цепей постоянного тока с такими же параметрами и с тиристором KS в силовой цепи показали, что происходит практически мгновенное отключение тиристора, размыкающего силовую цепь с током 7, после размыкания ключа К в первичной обмотке
трансформатора тока с током 7^.
VL Заключение
1. Предложенный размыкатель цепей постоянного тока, способен осуществлять без дуговое размыкание силовых цепей постоянного тока с индуктивной нагрузкой путём размыкания слаботочной цепи постоянного тока, величина которого в несколько раз меньше тока нагрузки
2. Разработана математическая модель расчета переходного процесса, позволяющая рассчитать ток в сильноточной цепи по параметрам размыкателя цепей постоянного тока.
3. В соответствии с обобщенными законами коммутации получено условие для перехода тока в силовой цепи через нулевое значение, что является обязательным для запирания тиристора.
4. Проведенные экспериментальные исследования работы модели размыкателя цепей постоянного тока без включения в силовую цепь тиристора, подтвердили результаты математического моделирования.
5. Проведенные экспериментальные исследования работы модели размыкателя цепей постоянного тока при наличии в силовой цепь тиристора показали практически мгновенное его отключение после размыкания слаботочной цепи, что предполагает возможность применения такого устройства для коммутации мощных сильноточных цепей постоянного тока с индуктивной нагрузкой.
список" литературы
L. Matt Wilhams Low-Vol tage Direct Current (LVDC) Micro grids — Becoming a Reality. URL: 1шр Ъ1о g. с ncmtprotection. com bio ^teu^dotv-voltage^ reality/.
2. Mart Miner. Local Direct Current. URL: http s :7/www. google .шurl?sa=t&rct=j &q =&eac=s& botirce=web &c d=1 &yed=OCB\\<jFiAA&tirl=littp?'oj A%2 F° -¿2 F w \TO\iieraalenergy.iiifo%2F2Q09%2FQ6%2Flocal-direct-ctirrent.litinl&ei=kz5-
У evzMIGVs AHS 94GQD g&us ^ AFQiCNT4NwAI5U S mis вдо JrtUM>DDn2uMg&bvm=bv .91665533. d.bGg&cad=ri t.
3. Особенности коммутации сетей постоянного тока. URL: ^Yyv.estateliiie-ru/articles/21231 ■■'
4. Пнчутина M.Г. Мощная импульсная энергетика. Томск: Издательство Томского политехнического университета. 2005. 96 с.
5. Закрывание тиристора в цепи постоянного тока. URL: http:// studopedia nv'2_ 1S S б l_zakriv aiiie-tiristora-v-tsepi-po^tmffi min go-toka. html
6. Дзюбин И. И. Запираемые тиристоры и их применение. М.: Энергия. 1976 40 с.
7. Патент 77524 Россия. Размыкатель цепей постоянного тока / Пустынников С. В. 2008, Бюл. № 29.
8. Бессонов Л А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи М.: Высшая школа. 1996. 638 с.
