Схемы защиты от импульсных напряжений системы преобразования переменного тока в промышленных электровозах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

1.ЕЛЕКТРОТЕХН1КА

УДК 621.314

О. Н. Синчук, П. И. Полищук, О. В. Пасько

Схемы защиты от импульсных напряжений системы преобразования переменного тока в промышленных

электровозах

Для схемы преобразования напряжения промышленного электровоза рассмотрены электромагнитные процессы в предложенных авторами устройствах защиты от импульсных перенапряжений.

До 80 % от всей производимой в Украине электроэнергии потребляют электрические приводы (ЭП), значимую долю которых составляют электроприводы переменного тока [1]. Данный тип промышленного электропривода в основном представляет собой нерегулируемые системы, которым присущи сверхтоки в процессе пуска асинхронных двигателей (АД), что пагубно влияет как на питающую сеть, на электродвигатель и приводимый им механизм (что, в свою очередь, вынуждает заг-рублять уставки токовой защиты, применять коммутационную аппаратуру на порядок более требуемой по номиналу и т. д.).

Появление на электротехническом рынке ЮВ-тран-зисторов (IGBТ), увеличение их мощности и снижение стоимости привели к созданию ЭП с частотно-регулируемыми АД, которые позволяют надежно и экономично обеспечить:

- плавный разгон механизма с заданным ускорением при токе не более заданного значения;

- длительную работу на любой частоте (скорости) в диапазоне от нулевой до номинальной (или выше от номинальной);

д а о е а I Г ! е ё е а е I а ! е - а п ё Г ! д а » е ! а о о Г д ! Г » а I е у [2 ].

N е ё Г а а у о а Г и у о е о У1 Гада$Гаа1а п е п о а ! Г е Г д а -Гада;Гаа1ёу Гада! а I I Г а Г о Г ё а , ё Г о Г д а у а Гаи а! п ё о -

( а о Г э I Г е , ТдГ!а»6оГ-г1йё е а й о Г а I Г е ) . А I а п о Г у и а а ада! у I а е а Г ё а а 0 е д Г ё Г а дап) дГп6да1а1ёа Г Г ё о - е ё е

г а I й е айгду! еоаёи - /ЭБТ-инвертор» с промежуточным звеном постоянного тока между ними, к которому подключены тормозные резисторы и /ЭБТ-чоппер.

Электромагнитные помехи и искажения токов и напряжений, генерируемые преобразователем в питающую сеть и нагрузку, должны быть ограничены в соответствии с действующими стандартами. То есть - должна быть обеспечена электромагнитная совместимость системы преобразования (СП) с питающей сетью и нагрузкой. Эта функция возложена на упомянутые фильтры. Входной фильтр обычно выполняется по П-образ-ной схеме, а промежуточный - по Г-образной схеме, выходной фильтр может отсутствовать или состоять из одних фазных дросселей, в крайнем случае - собран по

© О. Н. Синчук, П. И. Полищук, О. В. Пасько 2006 р.

Г-образной схеме (в зависимости от удаленности АД и принятого принципа защиты АД от перенапряжений).

В настоящее время ЭП переменного тока переходят на новую ступень своего развития:

- обеспечивают рекуперацию в питающую сеть электроэнергии, генерируемой АД в процессе его торможения;

- обеспечивают коэффициент мощности питающей сети на входе СП, близкий к единице (причем, с практически синусоидальной формой потребляемого тока);

- формируют выходное напряжение СП синусоидальной формы;

А п а у 5 е п у о е ! опёГ »I уаопу п о а ! а ГдаГада5Гааоа-ёу. А е ! а I I Г , а 5 а ! II ^ОГдааёу^ГаГ ( а е Г а I Г а Г ) а й Г -дМ иг.у Где! а I у | о Г а д а о е ! йе /ЭБ Т^Ьтрям итель,

что влечет за собой дополнительное ужесточение требований по электромагнитной совместимости СП с питающей сетью. Используемые в настоящее время схемные решения фильтров и устройств защиты не способны удовлетворять возросшим требованиям, предъявляемым к ним.

Целью статьи является анализ электромагнитных процессов в схеме защиты от импульсных перенапряжений для промышленных электровозов, получающих питание от сети переменного тока.

Материалы и результаты исследований

Природа возникновения импульсов перенапряжений в питающей сети переменного тока весьма разнообразна, но, в основном, она вызвана коммутациями нагрузок различными аппаратами (например, из-за отключений контакторами нагрузок под током). Проблема еще более усугубляется, если отключаются аварийные токи. При этом параметры возникающего импульса перенапряжения зависят от величины отключаемого нормального (или аварийного) тока, от индуктивности сети в месте отключения нагрузки, от индуктивности сети в месте подключения защищаемой СП, от времени срабатывания коммутационного аппарата и т.д. В итоге параметры импульсов перенапряжения не имеют однозначного определения.

Входной фильтр снижает интенсивность воздействия перенапряжения в сети на СП. Для оценки эффективности фильтра примем следующие исходные положения. Во-первых, длительность импульса перенапряжения га варьируется от единиц микросекунд до 10 миллисекунд [2]. Рассмотрим при этом наиболее характерные случаи: 1-ый случай, когда на систему воздействует «короткий» импульс га в самый неблагоприятный момент его возникновения - на вершине синусоиды одного из фазных напряжений Па (рис. 1); 2-ой случай, когда на систему воздействует «длинный» импульс га, возникающий в момент прохождения фазного напряжения Па через нуль (рис. 2).

4 Т te - т\ 2 1 \ м акс te = 10мс

f

eG $ / / / eZe

5мс Tm 2

Рис. 1. Диаграммы напряжений в системе при воздействии на нее «короткого» импульса перенапряжения ва

Tm T TL

2 Tl 4 2

= 10мс = MaKct

2

Рис. 2. Диаграммы напряжений в системе при воздействии на нее «длинного» импульса

перенапряжения ва (/е = макс (е = 10мс)

Во-вторых, форма импульса перенапряжения принята прямоугольной (с амплитудой Еам), хотя реальная форма импульса несколько отличается. В-третьих, амплитуда внешнего импульса перенапряжения оговаривается для каждого конкретного случая отдельно.

Для простоты изложения рассмотрим электромагнитный процесс в Г-образном 1С фильтре. В первом

случае (при «коротком» импульсе ) к моменту его

окончания рассчитаем перенапряжение на выходе фильтра:

eZe = EGm •(!- cos amte), UGe = UGm ' sin ^ + te UZe = UGe + eZe •

(1)

Во втором случае (при «длинном» импульсе) перенапряжения рассчитываются в виде:

EZm * 2EGm,

UZm * 2EGm + UGm ' sin®1

TM 2

(2)

В обоих случаях величины П2е и П2т могут превысить допустимое значение:

Uz (ДСП) * (1,15-1,20)UGm .

(3)

Ограничение уровня напряжения на конденсаторе фильтра (менее допустимого) за счет увеличения параметров элементов фильтра явно неприемлемо. Решение проблемы возможно путем применения мощных полупроводниковых ограничителей напряжения (например, типа ОНС 233-200) или варисторов ЯП , устанавливаемых параллельно фильтровому конденсатору (показано на рис. 3).

-1 -2 X Ф-ГУЛСУЛ-.- ---ГУУУЧ-ф и

.C

C

0

BI

O^iu

Ls N^RU

u

-у о

Рис. 3. Схема входного фильтра с варистором ЯП и датчиком перенапряжений В1

Новым в этой схеме является предложение автора контролировать срабатывание варистора ЯП , для чего последовательно с ним включен простейший датчик тока В1 (который при этом будет выдавать

сигнал и в систему управления СП). По сигналу система управления выдает информацию и ведет учет наличия перенапряжений, а в случае превышения

и

U

Ti=f t

Е

e

Е

Z

20 мс t

и

R

t

параметров варистора по току и длительности его протекания - аварийно отключает СП от сети. Использование варистора позволяет не завышать параметры фильтра, а применение датчика тока (с выдачей сигнала срабатывания варистора) повышает надежность работы СП в целом.

К вопросу защиты электропривода тесно примыкает проблема защиты полупроводниковых приборов преобразователя. Кроме внешних перенапряжений в преобразователе имеют место внутренние перенапряжения (из-за наличия паразитных индуктивностей монтажных цепей, которые генерируют ЭДС самоиндукции при высоких скоростях коммутации ЮБТ и диодов).

Для борьбы с пиками напряжения на паразитных индуктивностях полупроводниковые приборы шунтируют снабберными демпфирующими цепочками. Примеры схем снабберов приведены на рис.4-рис.6. Рекомендации по применению и параметрам снаббе-

ров приведены в табл. 1.

Таблица 1. Схемы и параметры цепей снабберов

Схема снаббера, номер рисунка Тип IGB-транзист орного модуля Ток коллектора IGB-транзистора, мгновенное значение [А] Емкость S-конден-сатора [мкФ]

3.4 6 pack 15-75 0,047-0,22

100-200 0,33-0,68

200 0,68<

3.5 2 pack 300-400 1,0-1,5

500-600 2,0-2,4

400 1,5<

3.6 1 pack 500-600 2,0-2,4

800-1000 3,3-4,0

(+) р/

\ \

А Д^

Z\

S.PM C!

(-) M \

Рис. 4. Схема подключения С-снаббера S.PM к 6-pack слаботочному /GST-модулю VT.PM

VT.U / V S.UP VT.V

Рис. 5. Схема подключения RCD-снабберов к 2-pack среднеточным /GST-модулям

Рис. 6. Схема подключенияЯСО-снабберов к 1-pack сильноточным /GST-модулям

Однако, применение только снабберов недостаточно для надежной защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений. Действительно, при выходе из строя любого элемента снаббера в следующий же момент будет выходить из строя беззащитный /GST-модуль. Авторами предложено дополнить схемы, представленные на рис.4-рис.6, цепочками из варистора RU и датчика тока BI (аналогично рис. 3), подключив их непосредственно к модулям. При этом к применению рекомендуются:

1) специальные снабберные конденсаторы типов PMS, PPA производства фирмы /CEL, Италия;

2) специальные снабберные диоды типов RM.HG-S производства Mitsubishi и SYP производства Siemens AG.

Особенностью такого решения является то, что при первом же срабатывании варистора система управления по сигналу iU датчика тока BI отключает СП. Это объясняется тем, что внутренние перенапряжения поддаются точному учету и ограничению снабберами в нормальных режимах работы электропривода. Если же они превысили уровень срабатывания варистора, то это происходит вследствие либо повреждения снаб-бера, или вследствие какой-то другой аварии.

Емкость снабберного конденсатора S.C , кроме ориентировочного значения, указанного в табл. 1, определяется из соотношения:

Qc " Lp AU2

(4)

где LP - паразитная индуктивность монтажных це-

р

м

р

VT.PM

2

пей; гК - коммутируемый ток; АП - допустимое внутреннее перенапряжение (превышение напряжения над нормальным значением). Если значение АП превысило уровень срабатывания варистора, то это возможно в случае уменьшения емкости С5С или превышения нормального значения коммутационного тока.

Выводы

1. На основе исследования внешних перенапряжений во входном фильтре предложены способ и устройство контроля защитных цепей системы преобразования напряжения (заключающееся во введении в цепь последовательно с варистором датчика тока), которые позволили повысить надежность системы в целом.

2. Выполнена систематизация устройств контроля состояния снабберов для мощных ЮВТ-модулей.

Перечень ссылок

1. Вороновський Г. К., Денисюк С. П., Кириленко О. В., Стогнм Б. С., Шидловський А. К. Енергетика свггу та Украши. Цифри та факти. - КиТв: Украшсьга енцик-лопедичн знання, 2005. - 404 с.

2. Полищук П. И. К проблеме анализа выходного ШИМ напряжения ЮВТ-инвертора. // Техшчна електро-динамка. Тематичний випуск. Силова електрошка та енергоефективнють. - Ч.3 - К.: 2006. - с. 19-23.

Поступила в редакцию 27.10.06 г.

После доработки 30.10.06 г.

Для схеми перетворення напруги промислового електровоза розглянутi електромагштш про-цеси в запропонованих авторами пристроях захисту eid iмпульсних перенапруг.

For the circuit of voltage transformation of industrial electric locomotive the electromagnetic processes are examined in devices that protect from impulse overstresses; these devices are offered by authors.

УДК 621.314.3

А. В. Переверзев, В. В. Семенов, Г. Н. Стрункин

Расчет рабочих режимов силовых приборов в полумостовой схеме инвертора напряжения с однополярной ШИМ

Рассмотрены электромагнитные процессы в полумостовой схеме инвертора напряжения с однополярной ШИМ. Получены соотношения для расчета средних и действующих значений токов в силовых полупроводниковых приборах. Представлены оценки статических потерь для инверторов с одно- и двуполярной ШИМ.

При создании автономных систем энергоснабжения, а также источников аварийного и бесперебойного питания, разработчики сталкиваются с необходимостью выбора типа инвертора, обеспечивающего формирование синусоидальной кривой выходного напряжения промышленной частоты. В этом случае, как правило, предпочтение отдается инверторам напряжения с различными видами широтно-импульсной модуляции. Среди известного ряда схемных вариантов определенный интерес представляет полумостовая схема (рис. 1) [1, 2], позволяющая сформировать напряжение методом однополярной широтно-импуль-сной модуляции (ОШИМ), применение которого, как известно из [2], улучшает гармонический состав кривой выходного напряжения по сравнению с двуполяр-ной ШИМ (ДШИМ). Для выбора силовых полупроводниковых приборов необходимо иметь соотношения для расчета средних и действующих значений токов в элементах схемы. Известны соответствующие формулы для инвертора с ДШИМ [3], однако для рассматриваемой схемы инвертора такие выражения в литературе отсутствуют. В предлагаемой работе авторы попытались восполнить этот пробел.

© А. В. Переверзев, В. В. Семенов, Г. Н. Стрункин 2006 р.

По сравнению с обычной полумостовой схемой инвертора, элементами которой являются два силовых транзистора УТ2, УТ3 и два обратных диода У02, У03, в схеме инвертора с ОШИМ содержится два вспомогательных транзистора УТ1, УТ4, с соответствующими обратными диодами У01, У04 и два шунтирующих диода У05, У06.

Для формирования импульса напряжения положительной полярности одновременно включаются транзисторы УТ1, УТ2, и к нагрузке прикладывается напряжение верхней половины источника питания. При этом электромагнитные процессы в схеме аналогичны процессам в обычной полумостовой схеме инвертора. При выключении транзистора УТ1 под воздействием ЭДС самоиндукции индуктивности нагрузки открывается шунтирующий диод У05, и цепь нагрузки замыкается (практически накоротко) через этот диод и остающийся включенным транзистор УТ2. При этом напряжение нагрузки спадает до уровня, определяемого суммой прямого падения напряжения на шунтирующем диоде и остаточного напряжения силового транзистора.