CC BY
16
-:-:—п п-—-
Виконаш дослидження комутацшних перена-
пруг, прикладених до напiвпровiдникових ключiв напiвпровiдникових апаратiв змтного струму при комутацп електричних кш. Запропонована уточнена методика розрахунку величини цих перенапруг для напiвпровiдникових ключiв, зашунтованих захисними RC-колами разом з варисторами, яка враховуе як динамiчт характеристики силових приладiв натвпровиднико-вих ключiв, так i рiзних варiантiв виконання остантх. Методика дозволяв значно пидвищити точтсть розрахунку параметрiв захисних кш. Наведем приклади розрахунку комутацшних перенапруг для найбшьш розповсюджених умов роботи натвпровидникових апаратiв
Ключовi слова: натвпровидниковий апарат, комутацшш перенапруги, захисне RC-коло,
варистор, методика розрахунку
□-□
Выполнены исследования коммутационных перенапряжений, прикладываемых к полупроводниковым ключам полупроводниковых аппаратов переменного тока при коммутации электрических цепей. Предложена уточнённая методика расчёта величины этих перенапряжений для полупроводниковых ключей, зашунтированных защитными RC-цепями с варисторами, учитывающая как динамические характеристики силовых приборов полупроводниковых ключей, так и разных вариантов исполнения последних. Методика позволяет значительно повысить точность расчёта параметров защитных цепей. Приведены примеры расчёта коммутационных перенапряжений для наиболее распространённых условий работы полупроводниковых аппаратов
Ключевые слова: полупроводниковый аппарат, коммутационные перенапряжения, защитная RC-цепь, варистор, методика расчёта -□ □-
УДК 621.316
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.63765|
РОЗРОБКА УДОСКОНАЛЕНИХ МЕТОДИК РОЗРАХУНКУ КОМУТАЦ1ЙНИХ ПЕРЕНАПРУГ В НАП1ВПРОВ1ДНИКОВИХ АПАРАТАХ ЗМ1ННОГО
СТРУМУ
А. Г. Сосков
Доктор техычних наук, професор* E-mail: [email protected] Н. О. Сабалаева Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: [email protected] М. Л. Глебова Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: [email protected] Я. Б. Форкун Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: [email protected] *Кафедра теоретично? та загальноТ електротехыки Харювський нацюнальний уыверситет мюького господарства iменi О. М. Бекетова вул. Революци, 12, м. Харюв, УкраТна, 61002
1. Вступ
Електричш апарати (ЕА) складають основу комп-лектних пристро1в, призначених для прийому, регу-лювання й розподшу потоюв електрично! енергп та шформацп. Враховуючи ту ключову роль, яку ввдгра-ють комутацшш електричш апарати в цих процесах, до якосп 1хньо1 роботи ставляться висок вимоги. В умо-вах сучасного виробництва, що характеризуеться висо-кою iнтенсифiкацiею технологiчних процесiв, класичнi електромехашчш або контактнi комутацiйнi апарати ( КА), як було зазначено в [1], не завжди в змозi задоволь-няти жорстким вимогам, що до них ставляться.
Застосування як ключiв силових натвпровщнико-вих приладiв в апаратобудуванш з використанням для !хнього керування елементiв мiкросхемотехнiки та
м1кропроцесорно1 техн1ки дозволило на основ1 нових принцитв побудови ЕА покращити багато параметр1в нових створених пристро1в, у тому числ1 набагато тдвищити комутацшну зносостшюсть 1 швидкод1ю, а також яюсно розширити 1хш функщональш можли-вость Щ пристро1 на вщмшу в1д електромехашчних апарат1в в наш час називаються натвпроввдниковими апаратами (НА). Вони бувають як безконтактними, так 1 пбридними.
В комутацшних НА як безконтактних, так 1 п-бридних, силов1 натвпров1дников1 прилади (СНП) входять до складу НК, що забезпечують бездугову комутащю потоюв електрично'1 потужност1, тобто надшно виконують основну силову функщю кому-тацшного апарата [2]. Як СНП у вказаних ключах застосовуються однооперацшш прилади (тиристо-
ё
е
е
ри, симктори, оптронш тиристори) або двохопера-цiйнi прилади (IGBT-ранзистори, GTO-тиристори, ЮСТ-тиристори) [3].
При вимиканнi електричних юл комутацiйними НА до СНП 1хшх НК у момент вимикання приклада-ються так званi комутацiйнi перенапруги.
2. Лггературний огляд та постановка проблеми
Комутацшш перенапруги, прикладенi до СНП, обумовлеш енергieю, що накопичена в шдуктивних елементах як мережi живлення, так i самого наван-таження на момент розмикання кола. Очевидно, що величина комутацшних перенапруг визначатиметься швидюстю спаду струму в кол^ що комутуеться, i тому при застосуванш в НК сучасних швидкодтчих СНП вона може ктотно перевищувати напругу мережi живлення. Осюльки вартiсть СНП визначаеться не тшьки струмом, на який вони були розраховаш [4], але й кла-сом приладу, що обумовлюе величину напруги, яку в змозi блокувати прилад, необхщним е застосовування спецiальних заходiв зi зниження цих перенапруг. За-звичай з щею метою застосовуються захисш RC-кола (снабери) й нелiнiйнi обмежувачi напруги (варистори, стабiлiтрони тощо).
Iснуючi методики розрахунку комутацiйних перенапруг, що виникають на НК натвпроввдникових апара-тiв при комутацiях активно-шдуктивних навантажень (найгiрший випадок) не в повнш мiрi враховують рiзнi варiанти виконання цих апаратiв [4], а також достатньо спрощено враховують динамiчнi характеристики сучасних СНП, що входять до складу НК цих апарапв.
В результат вибранi за цими методиками СНП мають завищений клас за напругою, а ввдповвдно й завищену вартiсть [4].
Тому виникае необхвдшсть у детальному аналiзi перехiдних процесiв при виникненнi комутацшних перенапруг i необхiднiсть бiльш повного урахування як рiзних варiантiв виконання апаратiв, так i динамiчних характеристик СНП при розрахунку перенапруг на них.
Комутацшш перенапруги, як виникають при ви-миканнi НА змшного струму активно-iндуктивних кiл, в першу чергу обумовлеш процесами, що протжа-ють в СНП цих апарапв при 1х вимиканнi. Як показано в [5], СНП в процеа вимикання не вщразу ввдновлю-ють вiдмикаючi властивостi у зворотному напрямку. Якщо прилад переводиться в непровщний стан пiд дiею зворотно'! напруги, то протягом певного часу зво-ротний струм зростае до значення, що значно переви-щуе статичний зворотний струм, i протягом цього часу прилад не здатний сприймати зворотну напругу.
Процес зворотного вщновлення (рис. 1) умовно можна подшити на два етапи: до моменту досягнення зворотним струмом максимального значення i далi до встановлення статичного зворотного струму (на рис. 1, ^ - струм зворотного вщновлення, 1ам - амплггуда зворотного струму).
Таким чином, час зворотного вщновлення trr скла-даеться з часу запiзнювання зворотно! напруги ts, протягом якого СНП ще знаходиться у провiдному сташ, i часу спаду зворотного струму ^, а заряд вщ-новлення Цгг - iз заряду затзнювання i залишко-вого заряду Qf.
Рис. 1. Характеристика процесу зворотного вщновлення СНП
У вщповщноси з [5] час зворотного вщновлення i заряд вщновлення при незначному опорi кола комутацп i малих швидкостях спаду струму СНП, що мае мшце в комутацшних НА змшного струму, зв'язаш мiж собою спiввiдношеннями:
;
С =
I,
- ^т/
; tf << ts,
(1)
де
diт
швидкiсть змiни зворотного струму.
В процес спаду зворотного струму на часовому вiдрiзку tf i виникають комутацiйнi перенапруги, обумовленi енергiею, яка була запасена в шдуктивних елементах комутацшного кола при струмi 1ЕМ. Для 1х обмеження застосовуються, як було зазна-чено вище, захисш RC-кола, включенi паралельно СНП, до яких комутуеться зворотний струм з кола СНП. Крiм того, зазначенi кола знижують швидюсть зростання перенапруг, що також покращуе умови роботи СНП [6, 7].
Iснуючi методики розрахунку комутацшних перенапруг, а також параметрiв захисних кш, не ха-рактеризуються необхщною точнiстю, оскiльки не в повнш мiрi враховують динамiчнi характеристики СНП [8], а також умови комутацп навантаження цими приладами у складi комутацшних НА змшного струму [9]. У деяких випадках навиь пропону-еться постшний коеф^ент, що задае максимальний рiвень перенапруг [10].
У результат^ через ризик виходу з ладу НК у процес комутацп, клас СНП, що застосовуються в комутацшних НА, як правило, виявляеться зави-щеним [11], а параметри захисних кш вибраш з не-достатньо обгрунтованим запасом [12], що природ-но призводить до шдвищення вартостi й габариив апарату [2].
У зв'язку з вищезазначеним виникае необхщшсть в уточненнi iснуючих методик розрахунку комутацшних перенапруг в НА.
3. Мета та задачi дослвдження
Метою дослщження е створення уточнених методик розрахунку комутацшних перенапруг та пара-метрiв захисних юл НА при вимиканнi активно-ш-дуктивних кiл змiнного струму з урахуванням як динамiчних характеристик СНП натвпроввдникових ключiв, так i !х рiзних варiантiв виконання.
Серед задач, розв'язання яких необхщно для досяг-нення поставлено! мети, е:
- дослiдження процесу вимикання найбшьш роз-повсюджених СНП i одержання узагальненого аналь тичного виразу, що характеризуе цей процес;
- дослщження комутацiйних перенапруг в НА з захисними ИС-колами при вимиканнi активно-шдук-тивних кiл з урахуванням динамiчних характеристик СНП для рiзних варiантiв вмикання НК, а також роз-робка уточнено! методики !х розрахунку;
- дослщження комутацiйних перенапруг в НА iз застосуванням додаткових варисторiв разом з ИС-ко-лами для захисту вщ перенапруг та розробка уточнено! методики !х розрахунку;
- наведення прикладiв розрахунку комутацшних перенапруг для найбшьш розповсюджених умов роботи НА.
4. Досл1дження комутацШних перенапруг, що виникають на натвпров1дникових ключах комутацШних натвпров1дникових апараив змшного струму при вимиканш активно-шдуктивного навантаження
Для обгрунтованого вибору параметрiв елементiв захисного RC-кола необхщно перш за все дослщжу-вати перехщний процес на СНП натвпровщникових ключiв при шунтуваннi !х RC-колом з урахуванням розглянутого процесу вимикання СНП, а поим вже на пiдставi прийнятих обмежень за рiвнем перенапруг знайти характерт залежностi, що дозволяють обгрун-товано вибирати параметри цих юл.
Оскiльки НК натвпровщникових апарапв змiнного струму виконуються в основному на тиристорах, то на еквiвалентнiй схемi (рис. 2) як СНП розглядаються по-тужнi тиристори (на рис. 2 ив = Цт sin + ф) - напру-га, що вiдновлюеться, де иет - амплiтуда еквiвалентно! напруги, що прикладаеться до НК у момент проходжен-
ня струму в його колi через нуль i ф = arctg
'И ' Кс
С - опiр та емтсть захисного RC-кола; Le та Ие - еквь валентнi iндуктивнiсть та отр кола, що розмикаеться).
Рис. 2. Е^валентна схема для розрахунку параметрiв захисного RC-кола
Значення иет, Le, для рiзних схем трифазних НК (рис. 3) обгрунтоват в [1] i наведенi в табл. 1.
Таблиця 1
Значення иет, Le
Ие для рiзних варiантiв виконання
трифазних силових пбридних ключiв
Виконання иет Le Ке
Рис. 3, а 72иф LФН КфН
Рис. 3, б 1,5 л/2иф 1 5Т 1,5Ифн
Рис. 3, в 7э >/2иф 2Т 2КфН
Рис. 3, г 7э >/2иф 2Т ФН 2КфН
7*
А
-М-
-М
С
Н4-
Рис. 3. Варiанти виконання трифазних силових пбридних ключiв: а — схема з нульовим проводом; б, в, г — схеми без нульового проводу, (ZН — отр навантаження)
На рис. 4. наведена осцилограма процесу вимикання тиристора, шунтованого RC-колом (на рис. ^ - мит-теве значення струму через тиристор, ит - напруги на тиристора иеВ - напруги, що вщновлюеться). З осци-лограми струму виходить, що вимикання тиристора вщбуваеться не у момент проходження струму через нуль, а шсля протшання через тиристор зворотного струму протягом часу (при цьому tf ^ 0).
1<т-
Ь
и„„ = , эт ом + <
1Т = /т И(01
Рис. 4. Осцилограма процесу вимикання тиристора
Остльки швидюсть спаду струму в тиристор1
^т т
при проходженнi його через нуль дорiвнюе —-т = 1т
dt
(1т - амплиуда струму, що вимикаеться), то у вщпо-вiдностi до (1)
I,
л/20А
ю.
(2)
Значення Цгг для конкретних груп типiв тиристо-рiв залежить вiд швидкостi спаду струму в !хньому колi й наведет в довщковш лiтературi у виглядi вщпо-вiдних графiчних залежностей.
Для спрощення розрахунку значень 1КМ була проведена апроксимацiя графiчних залежностей Цгг = f|— для груп типiв тиристорiв, якi можуть бути застосован1
^гг0
заряд зворотного вiдновлення у вiдносних одиницях, де Цгг0 - довiдкове значення заряду зворотного вщновлення,
при створенш НА змiнного струму ( Цгг* = {\ —
в
г
отримане при =5 —— ) [5]. Результати апрокси-dt мкс
мацп у виглядi аналiтичних виразiв наведенi в табл. 2.
Таблиця 2
Результати апроксимаци графiчних залежностей Qrr = f ^-jt Для груп типiв тиристорiв, що використовуються у комутацiйних НА
Групи тири-стор1в
Типи тиристор1в
Т142-63, Т142-80
Т151-100, Т161-125, Т161-160, Т171-200, Т171-250, Т171-320
Т123-200, Т123-250, Т123-320, Т133-320, Т133-400, Т143-400, Т143-500, Т143-630, Т153-630, Т153-800, Т253-800, Т253-1000, Т253-1250
Узагальнена характеристика
q*=' (di
Qrr* = 0,269
1 - e dt
-1,079
1 - e
Qrr* = 1,252
-0,023—
1 - e dt
-1,164
1 - e
0,23— dt
/ 038ü > ( -0278^ 1 - e dt
Qrr* = 1,994 1 - e-0 dt + 0,932
Qrr* = 1,252
-0,027—
1 - e dt
-1,084
1 - e
0,299— dt
На рис. 5 наведенi кривi змши заряду зворотного вiдновлення у ввдносних одиницях залежно вiд швид-косп спаду струму для вказаних груп титв тиристорiв.
о*
1,4 1.2 1 0.8 О.в 0.4 0.2 О
y.
9 Ю
dUát, А/МКС
Рис. 5. Графiки залежностей Q rr = f, одержанi
методом апроксимаци для груп тиристорiв: 1 — 1-а група; 2 — 2-а група; 3 — 3-я група; 4 — узагальнена характеристика
Найбшьше вщхилення серед залежностей 1, 2 та
di A
3 вщ узагальнено! складае 1,7 % при — = 5-, а при
di a dt MKC
— = 10- до 10 %. Таю вщхилення при визначенш
dt mkc
значення Qrr дозволяють розраховувати амплiтуду зворотного струму з незначною похибкою (менше 5 %),
що щлком допустимо при розрахунку максимального значення перенапруги на тиристорi [5].
На рис. 6 показан залежност амплiтуди зворотного струму вщ вiдношення струму, що вимикаеть-ся, до номiнального для тиристорiв типу Т161-160, Т171-250, Т143-400, Т153-630, розраховаш за допомо-гою виразу (2).
/ям. л
70 60 50 40 30 20 10 О
--- 2___
-
О 2 4 в в 10
Рис. 6. Залежжсть ампл^уди зворотного струму /м вщ кратностi струму для рiзних груп тиристорiв:
1 - Т161-160, /Жж=160 А; 2 - Т171-250, /«„,=250 А;
3 - Т143-400 /ном=400 А; 4 - Т153-630, Ном=630 А
Залежностi на рис. 6 застосовуються в наведених нижче методиках розрахунку.
4. 1. Уточнена методика розрахунку комутацшних перенапруг на натвпровщникових ключах, зашунто-ваних захисними ЛС-колами, та приклади розрахунку цих перенапруг для найбшьш розповсюджених умов роботи НА
Розглянемо перехвдний процес на тиристорах НК комутацшного НА при ввдключенш активно-шдуктив-ного кола при шунтуванш його ЛС-колом (рис. 7). Цей процес у ввдповвдност до [13] зображуеться наступним рiвнянням:
L — + Rri + — í idt = E,
edt C CJ
(3)
де E = kUem ■ sinф - напруга, що вiдновлюеться•, к=иф/ифном-величина вiдхилення фазно! напруги ввд номiнальноi.
Рис. 7. Схема е^валентного кола у процес1 вимикання тиристора
При цьому нехтуемо опором навантаження, яке значно менше активного опору шунтуючого кола, а також вважатимемо, що протягом перехвдного процесу напруга мережi не змшюеться. Правомiрнiсть цих до-пущень показана в [1].
Шсля вiдповiдних перетворень (3) з урахуванням
RC
'2L.
1
,4a о2 -
ю0 -а одержимо
di dt2
di i__
*dt
■^-2- + 2a^-+rn02i = 0,
(4)
1
2
3
a
де початковими умовами цього перехщного процесу е значення струму в колi тиристора i швидкосп його зростання у момент часу :
КО) = 1км, §(0)= Е~ Кс
L.
При захисп тиристорiв вiд комутацiйних перенапруг ЛС-колами перехiдний процес в контурi може носити коливальний, аперiодичний або критичний характер залежно ввд стввщношення параметрiв шунтуючого ЛС-кола. Ранiше в лiтературi [1] розглядався тiльки коливальний процес, де швидюсть зростання напруги е найбшьшою, а параметри ЛС-кола, що шунтуе тиристор, вибиралися такими, щоб не виходити за його меж1 Це було пов'язано з незначною здатнiстю тиристорiв по-переднього поколшня витримувати високу швидкiсть зростання напруги на них. В даний час масово виробля-ються тиристори, для яких швидюсть зростання напруги не е визначальним параметром, що дозволяе значно роз-ширити дiапазон вибору параметрiв шунтуючого ЛС-кола при довшьному характерi перехiдного процесу в колi. У [11] наведена коротка характеристика цих процеав.
У робоп за допомогою ЕОМ в середовищi Mathcad розраховаш максимальнi значення перенапруг i швид-костей зростання напруг на тиристорах при рiзних параметрах навантаження i шунтуючого ЛС-кола. Про-грама розрахунюв наведена у [5]. Аналiз результатiв розрахунку показав, що максимальш значення перенапруг i швидкостей 1х зростання при фiксованих параметрах захисного ЛС-кола матимуть мкце при ввдклю-ченнi НА граничних струмiв з мiнiмально допустимим cos фН = 0,3. Для шюстрацп цього положення на рис. 8
наведет графiчнi залежностi и,Ттах = f(RC,C) i на рис. 9 ^ ^ Е
—^ I = f(RC,С) для тиристора типа Т153-630 при ко-
мутацп ним струмiв 6300 А, с cos фН = 0,3. При цьомубуло також встановлено, що для вибору прийнятних параме-трiв захисного ЛС-кола з малими часовими витратами бшьш зручно використовувати залежшсть цих величин у виглядi табличних даних (табл. 3, 4).
Таблиця 3
Рис. 8. Граф^ залежносл
и
Е
в1д параметр1в
захисноТ ЯС-кола (тиристор типу Т153-630), струм, що вимикаеться, 6300 А
Значення
и
Е
при рiзних параметрах ЯС-кола для тиристора
Т153-630 (cos ф = 0,3, струм, що вимикаеться, 6300 А)
Опiр ЯС, Ом бмтсть С, мкФ
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
10 3,77 2,79 2,36 2,12 1,96 1,84 1,75 1,68 1,62 1,58
20 3,51 2,76 2,57 2,57 2,57 2,57 2,57 2,57 2,57 2,57
30 3,89 3,85 3,85 3,85 3,85 3,85 3,85 3,85 3,85 3,85
40 5,13 5,13 5,13 5,13 5,13 5,13 5,13 5,13 5,13 5,13
50 6,42 6,42 6,42 6,42 6,42 6,42 6,42 6,42 6,42 6,42
60 7,70 7,70 7,70 7,70 7,70 7,70 7,70 7,70 7,70 7,70
70 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98
80 10,27 10,27 10,27 10,27 10,27 10,27 10,27 10,27 10,27 10,27
90 11,55 11,55 11,55 11,55 11,55 11,55 11,55 11,55 11,55 11,55
100 12,84 12,84 12,84 12,84 12,84 12,84 12,84 12,84 12,84 12,84
Рис. 9. Графк залежносл I -
1 dt )
на тиристор|
вiд параметрiв захисного /?С-кола(тиристор типу Т153-630), струм, що вимикаеться, 6300 А
В табл. 5 наведеш розраховаш за вище-зазначеною методикою параметри захисного ЛС-кола, якi забезпечують прийнятний полу-торакратний рiвень перенапруг, при викорис-таннi найпоширенiшого варiанту НК з двома зустрiчно-паралельно включеними тиристорами (рис. 3, б) в пбридному контакторi змшно-го струму, що е найбшьш поширеним комута-цiйним апаратом.
Значення I —Ц-
1 —t
Таблиця 4 у В/мкс на тиристорi T153-630
(cosф = 0,3, струм, що вимикаеться, 6300 А) при рiзних параметрах RC-кола
Отр RC, Ом бмшсть С, мкФ
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
10 319,0 154,0 99,2 71,7 55,3 44,3 36,4 30,5 26,0 22,3
20 225,0 60,7 5,8 1,5 0,6 0,3 0,1 0,0 0,0 0,0
30 49,1 3,2 0,7 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
40 9,4 1,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
50 4,7 0,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
60 2,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
70 1,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
80 0,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
90 0,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
100 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Таблиця 5
Параметри захисного RC-кола для рiзних значень номiнальних струмiв контактора (cos фН = 0,3, струм, що комутуеться — 101ном)
Номшаль-ний струм контактора, А Тип тиристора та його клас RC, Ом С, мкФ UTmax (£) _, В/мкс
E
160 Т161-160-8 62 0,5 1,43 18,6
250 Т171-250-8 40 0,5 1,51 12,0
400 Т143-400-9 15 1,5 1,59 18,6
630 Т153-630-9 10 2,0 1,58 24,0
приинятного р1вня перенапруг, а також п1двищити стшюсть схеми до дш зовшшшх перенапруг. У даниИ час найенергоемшшими е ОПН на основ1 оксид-но-цинкових варистор1в (СН2-2, РНС-60) [8].
Рис. 10. Варiант захисного Л'С-кола з варистором
Таю прилади мають високу швидкодт i нелiнiйну вольт-амперну характеристику (ВАХ), забезпечують ефективний захист НК вщ перенапруг на заданому рiвнi за рахунок поглинання значно! частки енергп, на-копичено! в шдуктивносп мережi, яка вимикаеться. В нашому випадку найбiльш доцiльно вмикати варистор паралельно захисному RC-колу.
Перевагами варисторного ОПН е: простота схемно! реалiзащi, малi габарити й маса, покращеш захисш характеристики (стабiльнiсть рiвня обмеження перенапруг i протiкання струму через ОПН тiльки на ста-дГ! обмеження перенапруги), низька варпсть. Аналiз процесу обмеження перенапруги на НК варисторним ОПН (СН2-2) розглянемо за допомогою еквiвалентноi розрахунково! схеми (рис. 11), яка е модифжащею схеми рис. 10.
Уст
Rc
UT
З дано! табл. 5 виходить, що навггь для цих достат-ньо високих рiвнiв перенапруг необхвдно застосову-вати конденсатори, розрахованi на роботу в колах змшного струму з вщносно великими емностями. Як вщомо, такi конденсатори мають високу вартшть 1 великi габарити, що поза сумшвом позначаеться на масогабаритних i вартiсних показниках контактора. При цьому бачимо, що рiвень максимальних швидко-стей зростання перенапруг штотно нижче допустимих рiвнiв для сучасних тиристорiв, для яких цей показник лежить в дiапазонi 320-1000 В/мкс.
4. 2. Уточнена методика розрахунку комутацшних перенапруг на нашвпровщникових ключах, зашунто-ваних варисторами i захисними КС-колами, та прикла-ди розрахунку
У зв'язку з вищезазначеним пропонуеться вико-ристовувати додатково iз захисним RC-колом ще й не-лiнiйний обмежувач перенапруг (ОПН), у якост яко-го може бути використаний варистор або зустрiчно включен стабiлiтрони (рис. 10). Це дозволить штот-но понизити емшсть конденсатора при забезпеченш
Рис. 11. Е^валентна розрахункова схема
При розрахунку захисних характеристик варистора СН2-2 звичайно апроксимують Иого ВАХ (UB = f(I)) з достатньою для шженерних розрахунюв точшстю (похибка менше 10 %) виразом [11] UB = UCT, де UCT - на-пруга на варистор1 при протжанш струм1в, близьких до комутованого (в нашому випадку до IRM ).
При цьому UCT варистора вибираеться з урахуван-ням наступних умов [5]:
UCT = (1,5 - 2)U0mk > E; U0mk < 0,85UK
де икл - класифжацшна напруга варистора, дор1внюе напруз1 на ньому при струм1 1 мА.
Анал1з показуе, що при лшшнш напруз1 мере-ж1 ил = 380 В (k = 1,1) i НК, виконаному за вар1антом рис. 3, б, найбшьш повно задовольняе поставленим вище умовам варистор СН2-2-470 В.
Перехщний процес в данш розрахунковiИ схемi при пробо! варистора описуеться наступною системою рiвнянь [20]:
L
e
L — = Е - и ,
е dt ст'
14яс+С1 i1dt=и 1 = il + ^
або пiсля перетворень
Ld = Е - и ,
е dt ст'
ЯХ^1 +1= 0, С dt 1
(5)
12т = аив1
2 3
де а= 2 3
- коефвдент нелiнiйностi ( и10 -
напруга при струмi 10 мА), значення якого для вари-
сторiв типу СН2-2 лежить в дiапазонi 32-34; а - стала,
значення яко1 залежить вщ розмiрiв варистора (для
СН2-2 а = 5 10-34). ,
duT
Аналiз результатiв розрахунку ——1- на промiжку
du
dt
часу (0 -^), показуе, що на цьому вiдрiзку змшю-
еться незначно. Тому найбшьш доцiльно максимальне
• • л - л •
значення знаходити на рiвнi ит - ист, де дiя на
тиристор цього фактора максимальна [5].
До пробою варистора (^ = 0) перехiдний процес в данш схемi описуеться рiвнянням (3) i всi його розв'я-зання, наведенi ранiше, можуть бути використаш для розрахункiв на цьому етат.
У зв'язку з цим початковi умови для розв'язання системи рiвнянь (5) визначатимуться у момент часу при якому напруга на тиристорi uT(t) досягае напруги ист, тобто, слiд розв'язати рiвняння uT(t0) = ист.
Нижче як приклад записанi початковi умови для коливального процесу [13]:
i (0) = ^ (0)= 10 =
Е - Я I
и, cos а ^ +-
ю„ L„
. ак
1+—1 sin ю св10
а
0 _
^ | = (Е-RcIRM)e-a'0х
/„ , ч ю 2-а(а + ю„к1) .
(2« + Ю0к1) C0s Юсв^0 +~---— ■Юсв^0
при цьому ЯС повинне знаходитись в дiапазонi Е
0 < Яс <
I нарештi, енергiя, яка видшяеться у варисторi при перенапругах, знаходиться з виразу
W = ) i2Ucdt = Ц- + 10ист (t1 + те-
л 2
де ^ знаходиться з рiвняння
ист = Е-(Е - Яс!ам )е-
а + ю„к .
cos ю„„^--!L-Lsm ю„„ ^
ис(0) = ист - 10Яс; ^(0) =
Анaлогiчно можна записати початковi умови i для iнших видiв перехщного процесу.
Пiсля нескладних перетворень одержимо наступне ршення системи (5)
Ч = ^, i2 = ^^ +10 (1 - е
-
де т = ЯСС.
Максимальне значення струму через варистор 12т визначаеться з виразу
12т = tm +10(1 - е- ^),
де tm = т!п-
ЬЛ„
час, при якому 12 максимально.
(ист - Е)т
Знаючи величину 12т, е можливiсть визначити за допомогою ВАХ варистора СН2-2 [8] напругу на ньому ивт, яка i буде вiдповiдaти мaксимaльнiй перенaпрузi
на тиристорi НК, тобто —= ——.
Е Е
Значення ивт, також можна визначити, скористав-шись наступною aнaлiтичною зaлежнiстю, яка з висо-ким ступенем точностi апроксимуе ВАХ варистора [12]
де ^ - час, коли струм ^ змшюе знак, тобто варистор вимикаеться, знаходиться з рiвняння
Е - и
L
+ (1 - е- )1о = 0.
Результати розрахунюв, виконаних на ЕОМ в се-редовищi Mathcad за допомогою запропоновано'! вище методики, нaведенi для пбридних контaкторiв на рiзнi номiнaльнi струми й номшальну напругу 380 В (ви-конання НК за вaрiaнтом рис. 3, б) в табл. 6. Програма розрахунку наведена у [5]. При цьому розглянутий найпрший випадок, коли контактор комутуе гранич-ний струм (I = 101ном ) при cos фН = 0,3.
Анaлiз даних, наведених у табл. 6, показуе, що засто-сування захисного варистора дозволяе значно знизити рiвень комутацшних перенапруг а також приблизно на порядок знизити емшсть конденсатора ЯС-кола.
Основною перевагою проведених дослщжень е те, що в результат було розроблено уточнен методики розрахунку комутaцiйних перенапруг на НК комутацшних НА змшного струму, що враховують як варь анти структурно! побудови цих апарапв, так i дина-мiчнi характеристики СНП. Слiд також зазначити, що результати цього дослщження разом з проведеними рашше дослiдженнями теплового режиму СНП, що також працюють в НА [10], дозволяють тепер з висо-кою точшстю i з невеликими витратами часу вибирати СНП за струмом i за напругою в проце« проектування сучасних комутацшних НА, тобто виршувати основне завдання цього проектування.
а
х
Таблиця 6
Результати розрахунюв napaMeTpiB захисного RC-кола i3 застосуванням варисторiв
Номшальний струм контактора, А Тип тиристора i його клас Тип варистора Параметри RC-кола UTmax E ( dtT )и„,В/мкс W, Дж
Rc, Ом С, мкФ
160 Т161-160-7 СН2-2-470В 22,0 0,05 1,19 217,0 0,301
250 Т171-250-7 СН2-2-470В 15,0 0,1 1,18 184,0 0,476
400 Т143-400-7 СН2-2-470В 10,0 0,15 1,23 304,0 1,464
630 Т153-630-7 СН2-2-470В 5,1 0,22 1,25 320,0 1,757
В данш роботi не наведенi порiвняльнi експеримен-тальнi дослiдження дослiджуваних процеав через над-мiрне не перевантаження статть За необхiднiстю результати цих дослвджень можуть бути наведеш авторами в окремiй статтi. Слвд однак зауважити, що !х результати тдтвердили високу точнiсть наведених в данш робот методик розрахунку.
Наведенi в цш роботi результати дослiджень можуть застосовуватись для вибору за напругою СНП не пльки при розробцi комутацшних, безконтактних i гiбридних НА змшного струму, але й при проектуванш пристро!в силово! електронiки.
Данi дослвдження е продовженням ранiше проведе-них авторами дослвджень в цьому напрямку [1, 8].
6. Висновки
1. Отримаш узагальнеш аналiтичнi вирази для ос-новних груп СНП, що застосовуються в НА, якi з висо-кою точнiстю характеризують процес зворотного ввднов-лення СНП, що дозволяе реально враховувати динамiчнi характеристики СНП в процес комутацп навантаження натвпроввдниковими апаратами.
2. Розробленi методики розрахунку комутацшних перенапруг та параметрiв захисних юл з урахуванням динамiчних характеристик СНП, а також рiзних варь антiв вмикання НК, дозволяють здiйснювати зазначенi розрахунки з високим рiвнем точностi. Застосування для розрахунюв досить нескладних програм у середови-щi Mathcad роблять цi методики доступними для широкого кола фахiвцiв.
3. Показано, що в комутацшних НА змшного струму для захисту !х НК вщ перенапруг дощльно засто-совувати захисне RC-коло з паралельно включеним варистором.
4. Встановлено, що сумкне застосування захисного RC-кола i варистора дозволяе в порiвняннi з традицш-ною схемою захисту зменшити емнiсть конденсатора вдесятеро, а значить i результуючий струм витоку у вщключеному станi апарату, знизити клас тиристорiв, якi використовуються в комутацiйних НА на номь нальнi напруги 380 В до 7, а також тдвищити !хню стiйкiсть до ди зовнiшнiх перенапруг. Вживання ж малогабаритного i недорогого варистора, що працюе в полегшеному режимi, практично не знижуе надш-нiсть роботи пристрою i його масогабаритш й вартiснi показники.
Лиература
1. Сосков, А. Г. Полупроводниковые аппараты: коммутация, управление, защита [Текст]: учебник / А. Г. Сосков, И. А. Соско-ва. - К. : Каравелла, 2005. - 344 с.
2. Murai, K. Development of PDC and PDU with semiconductor breakers [Text] / K. Murai ; T. Tanaka; T. Babasaki; Y. Nozaki // 2011 IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 2011. - P. 1-8. doi: 10.1109/intlec.2011.6099748
3. Tanaka, Y. Development of semiconductor switches (SiC-BGSIT) applied for DC circuit breakers [Text] / Y. Tanaka , A. Takatsuka, T. Yatsuo, Y. Sato J, H. Ohashi // 2013 2nd International Conference on Electric Power Equipment - Switching Technology (ICEPE-ST), 2013. - P. 1-4. doi: 10.1109/icepe-st.2013.6804323
4. Сосков, А. Г. Розрахунок теплового режиму нашвпровщникових прилад1в в умовах роботи у склад1 нашвпровщникових апарайв [Текст] / А. Г. Сосков, М. Л. Глебова, Н. О. Сабалаева, Я. Б. Форкун // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2014. - Вып. 5, № 8 (71). - С. 58-66. doi: 10.15587/1729-4061.2014.27983
5. Сосков, А. Г. Пбридш контактори низько! напруги з покращеними технiко-економiчними характеристиками [Текст]: моно-графiя / А. Г. Сосков, Н. О. Сабалаева. - Харгавська нацюнальна академ1я мюького господарства, 2012. - 268 с.
6. Shukla, A. A Survey on Hybrid Circuit-Breaker Topologies [Text] / A. Shukla, G. D. Demetriades // Power Delivery, IEEE Transactions on IEEE Journals & Magazines. - 2015. - Vol. 30, Issue 2. - Р. 627-641. doi: 10.1109/tpwrd.2014.2331696
7. Khalifa, M. Solid-state a.c. circuit breaker [Text] / M. Khalifa, A. Rahman, S. Enamul-Haque // Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. - 1979. - Vol. 126, Issue 1. - Р. 75-76. doi: 10.1049/piee.1979.0013
8. Сосков, А. Г. Усовершенствованные силовые коммутационные полупроводниковые аппараты низкого напряжения [Текст]: монография / А. Г. Сосков. - Харьковская национальная академия городского хозяйства, 2011. - 156 с.
9. Abe, S. Malfunction mechanism of semiconductor circuit breaker in HVDC power supply system [Text] / S. Abe, K. Fukushima, Y. Sihun, M. Ogawa, K. Nomura, M. Shoyama, T. Ninomiya, A. Matsumoto, A. Fukui, M. Yamasaki // 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2010. - P. 3733-3738. doi: 10.1109/ecce.2010.5617785
10. Magnusson, J. On the use of metal oxide varistors as a snubber circuit in solid-statebreakers [Text] / J. Magnusson, A. Bissal, G. Engdahl, R. Saers, Z. Zichi, L. Liljestrand // IEEE PES ISGT Europe 2013, 2013. - P. 1-4. doi: 10.1109/isgteurope.2013.6695454
11. Kerboua, H. 1200 V snubberless symmetrical GTO for AC switches [Text] / H. Kerboua, D. Sebille, F. Miserey // Power Electronics and Applications. Fifth European Conference on IET Conference Publications. - 1993. - Vol. 2. - P. 272-277 .
12. Magnusson, J. Separation of the Energy Absorption and Overvoltage Protection in Solid-State Breakers by the Use of Parallel Varistors [Text] / J. Magnusson, R. Saers, L. Liljestrand, G. Engdahl // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2014. - Vol. 29, Issue 6. - P. 2715-2722. doi: 10.1109/tpel.2013.2272857
13. EeccoHOB, H. A. TeopeTmecKHe ochobm эaектротехннкн. Эaектрнqескне ^nn [TeKCT]: yqeÖHHK / H. A. EeccoHOB. - M. : rapga-pHKH, 2002. - 640 c.
-□ □-
Дослиджено duHaMÏ4HÏ процеси в cucmeMi керування гидропривода конве-ера з паралельно встановленими гидромоторами за допомогою математич-но1 модeлi, побудованог з урахуванням фiзичних явищ, що вгдбуваються пи) час роботи гидросистеми за змтного навантаження. Визначено параметри системи керування, що забезпечують безупинну роботу конвеера за рахунок вмикання i вимикання додаткового гидромотора в умовах ди перевантажень
Ключовi слова: гидропривод, система керування, конвеер, змтт ванта-жопотоки, динамiчнi процеси, мате-
матичне моделювання
□-□
Исследованы динамические процессы в системе управления гидропривода конвейера с параллельно установленными гидромоторами с помощью математической модели, построенной с учетом физических явлений, происходящих во время работы гидросистемы при переменной нагрузке. Определены параметры системы управления, обеспечивающие непрерывную работу конвейера за счет включения и выключения дополнительного гидромотора в условиях действия перегрузок
Ключевые слова: гидропривод, система управления, конвейер, переменные грузопотоки, динамические процессы,
математическое моделирование -□ □-
УДК 622.64:62-522.2
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.65930|
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ДИНАМ1ЧНИХ ПРОЦЕС1В В СИСТЕМ! КЕРУВАННЯ Г1ДРОПРИВОДА СТР1ЧКОВИХ КОНВЕ6Р1В
13 ЗМ1ННИМИ ВАНТАЖОПОТОКАМИ
Л. К. П о л i щу к
Кандидат техшчних наук, професор* E-mail: [email protected] £. В. Харчен ко Доктор техычних наук, професор Кафедра опору матерiалiв Нацюнальний ушверситет <^bBiBCb^ пол^ехшка» вул. С. Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013 E-mail: [email protected] О. В. Шонткевич Астрант** E-mail: [email protected] О. О. Ковал ь* Здобувач
E-mail: [email protected] *Кафедра металорiзальних версталв та обладнання автоматизованого виробництва*** **Кафедра технологи та автоматизаци машинобудування*** ***Вшницький нацюнальний техшчний уыверситет Хмельницьке шосе, 95, м. Вшниця, УкраТна, 21021
1. Вступ
CTpi4KOBi конвеери широко використовують у pi3-них галузях народного господарства, що сприяе меха-шзацп та автоматизацiï технологiчних процесiв. Ван-тажопотоки, що поступають на транспортувальний
орган, характеризуются вiдносною постiйнiстю чи змшшстю як за iнтенсивнiстю так i за перюдом заван-таження. Наприклад, транспортш вантажопотоки, якi формуються у забоях шахт, вiдрiзняються суттевою нерiвномiрнiстю за амплiтудою, перервами в надхо-дженнi вантажу тощо. Здебшьшого, цi змiни носять
©
С.
