CC BY
59
УДК 621.314.6:621.316
ЗАЩИТА ВЕНТИЛЕЙ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА С КОЛЬЦЕВЫМИ СХЕМАМИ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
С.А.Евдокимов1, Г.Н.Ворфоломеев2, В.И.Сопов3, В.В.Бирюков4
Новосибирский государственный технический университет, 630092, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20
Рассмотрены схемы преобразователей переменного тока в постоянный с устройствами защиты вентильных групп от перенапряжений, применяемыми на электрическом транспорте. Предложено схемное решение защиты групп вентилей от перенапряжений в преобразователях с кольцевыми вентильными структурами. Даны рекомендации по использованию таких защит. Ключевые слова: силовые полупроводниковые приборы, ограничители перенапряжений, лавинные диоды, кольцевая схема выпрямления.
Ил. 5. Библиогр. 6 назв.
VALVE PROTECTION AGAINST OVERVOLTAGES IN TRANSDUCERS OF ELECTRIC TRANSPORT WITH RING RECTIFICATION CIRCUITS
Evdokimov S.A., Vorfolomeev G.N., Sopov V.I., Biryukov V.V.
Novosibirsk State Technical University 20 Carl Max Av., Novosibirsk, 630092
The authors examine the circuitry of transducers of alternative current into direct current with devices to protect valve group against overvoltage which are applied in electric transport. They propose a circuit design to protect valve group against overvoltage in transducers with ring valve structures. The recommendations on application of these protections are given. Key words: force semiconductor devices, limiters of overvoltages, avalanche diodes, ring rectification circuit. 5 figures. 6 sources.
Надёжное функционирование полупроводниковых преобразователей тяговых подстанций электрического транспорта достигается, как известно:
- применением более совершенных по своим параметрам силовых полупроводниковых приборов (СПП);
- выполнением комплекса технических мероприятий по обеспечению эффективной защи-
ты полупроводниковых приборов от перегрузки по току и возможных перенапряжений.
Технические мероприятия по защите СПП от перенапряжений, например, в 12-пульсовом выпрямителе последовательного типа известны и достаточно глубоко проработаны [1]. При переходе на новые схемные решения преобразовательных агрегатов, в частности, с кольцевой схемой выпрямления требуется разработка защиты подобного рода.
1
Евдокимов Сергей Александрович, инженер кафедры электротехнических комплексов, тел.: 34617-91,344-24-11 (226-90-34), e-mail: [email protected]. nstu. ru.
Evdokimov Sergey Alexandrovich, an engineer of the Chair of Electrotechnical complexes. Tel. 346-17-91, 344-24-11 (226-90-34), e-mail [email protected].
2 Ворфоломеев Герман Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры электротехнических комплексов, тел.: 346-17-91, 314-28-48, e-mail: [email protected]. orfolomeev German Nikolaevich, a doctor of technical sciences, a professor of the Chair of Electrotechnical complexes. Tel. 346-17-91, 314-28-48, e-mail: [email protected].
3 Сопов Валентин Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнических комплексов, тел.: 346-17-91, 221-13-47, e-mail: eltranspo rt@etm. power. nstu.ru.
Sopov Valentin Ivanovich, a candidate of technical sciences, a senior lecturer of the Chair of Electrotechnical complexes. Tel. 346-17-91, 221-13-47, e-mail [email protected]. nstu. ru.
4Бирюков Валерий Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнических комплексов, тел.: 346-17-91, 210-35-70, e-mail: eltransport@etm. power. nstu. ru.
Biryukov Valeriy Victorovich, a candidate of technical sciences, a senior lecturer of the Chair of Electrotechnical complexes. Tel. 346-17-91, 210-35-70, e-mail eltransport@etm. power. nstu. ru.
Снижение амплитуды перенапряжений в анодных цепях преобразователей, построенных по такой схеме, может осуществляться посредством ЯС-цепей, подключаемых, как правило, между выводами вторичных обмоток преобразовательного трансформатора, а также параллельно СПП. Волны перенапряжений, обладающие значительной энергией, снижаются до безопасных уровней разрядниками, установленными как на ступенях трансформации, так и на шинах постоянного тока. Экспериментальные исследования, проведенные на тяговых подстанциях магистральных дорог, показали, что опасные перенапряжения зачастую обусловлены спецификой работы защиты в различных режимах. Так, в исследованиях ОмИИТ (ОмГУПС) отмечено, что при попадании волны перенапряжения на первичную обмотку преобразовательного трансформатора ТРДП-12500 разрядник РВП-10, установленный на шинах 10 кВ, срабатывал, но амплитуда перенапряжения, наведен-
ного во вторичных обмотках, достигала 8 кВ из-за высокого уровня остающегося напряжения разрядника. Для защиты вентилей плеч (суммарное напряжение лавинообразования иЛ = 4,95 кВ) применялись разрядники РВКУ - 1,65 с напряжением уставки иУСТ = 2,9 кВ. Отмечено, что данные разрядники нечувствительны к коротким импульсам перенапряжения, которые могут привести к пробою СПП.
Достаточно эффективно снижают амплитуду таких импульсов быстродействующие ограничители перенапряжений (ОП) различного типа: кремниевые и селеновые стабилитроны, диодные лавинные столбы и другие несимметричные ОП, обладающие стабилитронным эффектом, например, сами лавинные вентили, образующие схему выпрямления. Широко применяются симметричные ограничители напряжения, например, кремниевые ограничители или металлоок-сидные варисторы. Для выпрямительных агрегатов тяговых подстанций применяют ограничите-
а)
ГУ ГУ
М
1 м
1^1
+ м
В
с
Т
Т
д)
Рис. 1. Схемы защиты групп вентилей в мостовых выпрямителях
ли атмосферных и коммутационных напряжений ОПН - 1,5 УХЛ1 со встроенным варистором.
Не рассматривая общеизвестные схемы индивидуальной защиты СПП (вентильных плеч), приведем некоторые из схем защиты групп вентилей в мостовых выпрямителях (рис.1). Схемы включения, например, лавинных Оп (рис.1,а,б,д) известны практически с первых шагов применения полупроводниковых приборов в преобразовательной технике [2,3]. Включение звезды из ОП по схеме, приведенной на рис.1,б ограничивает межфазные перенапряжения во вторичных обмотках, а при включении ОП (разрядников) по схеме, приведенной на рис.1, в (выпрямитель ПВЭ-5АУ1), обеспечивается индивидуальная защита для вентильных плеч. В выпрямителе ТПДЕ-Ж-3,15к-3,3к-УХЛ4 (рис.1,г) симметричные ОП (ОПН - 1,5 УХЛ1) включены в цепи переменного тока по схеме треугольника. Здесь ОПН - ограничитель перенапряжения нелинейный.
Схема с подключением лавинных диодов (ВЛ-200) параллельно выходам преобразовательных секций, приведенная на рис.1,д, используется для защиты выпрямителя тяговой подстанции «Заельцовская» Новосибирского метрополитена. Появление импульса перенапряжения на вторичных обмотках понизительного трансформатора приводит к срабатыванию ОП (переходу в проводящее состояние) и кратковременному (на период длительности перенапряжения) шунтированию цепи нагрузки. Нерегулярность возникновения перенапряжений, небольшая их длительность и относительно малая мощность не требуют дополнительного усиления защиты вентилей по току. Это подтверждается и экспериментальными исследованиями выпрямителя ТПЕД-3150, цепи которого шестикратно подвергались опытам искусственного короткого замыкания, при которых значение ударного тока достигало 30 кА [4]. Характеристики диодов при этом не подверглись изменению. Преимуществом ОП на лавинных диодах над серийными вентильными разрядниками, как было отмечено омскими исследователями, является высокое быстродействие, определяемое временем процесса лавинообразования, а также значительно меньшая величина остающегося перенапряжения.
Необходимо отметить, что недостатком преобразователей т-фазного напряжения, построенных по методу последовательного агрегирования мостовых шестипульсовых выпрямителей, является большая мощность потерь в вентилях. Для снижения потерь в вентилях целесообразно применение преобразователей, имеющих кольцевые схемы включения вентилей, описание цепей одного из которых приведено в [5]. В настоящей работе приводится схемное решение защиты от перенапряжений
СПП выпрямителей последовательного типа с кольцевой схемой выпрямления.
Недостатком преобразователей с кольцевой схемой выпрямления является определенная сложность выполнения групповой защиты вентилей от перенапряжений. Путь к решению этой задачи покажем на примере преобразователя т-фазного напряжения в постоянное [6], в котором при т = 3 и р-кратной частоте пульсации выпрямленного напряжения содержится р/6 трехфазных источников питания, одноименные (фазные) напряжения которых сдвинуты друг
2р
относительно друга на угол дф = — град. эл., а
Р
'Р+1
по-
выпрямление обеспечивают п =
V6 0
следовательно соединенных вентильных групп. Каждая вентильная группа (в том числе анодная и катодная) включает т2 = 9 вентилей, соединенных в 2т = 6 звезд с циклическим соединением лучей (рис.2,а).
Преобразователь, выполненный по такой схеме, обладает одним замечательным свойством: он некритичен к порядку подключения фазных выводов питающих обмоток к точкам соединения смежных групп вентилей. Это обеспечивается избыточностью вентилей в группах, связывающих смежные системы питания. Нетрудно убедиться, что каждая группа имеет к = 3! = 6 контуров из шести вентилей, образующих шес-тивентильные кольца (на рис.2,а в качестве примера показаны два контура). Некритичность выпрямителя к варианту схемы подключения питающих обмоток обеспечена многоконтурно-стью построения вентильных групп. Вместе с тем, три вентиля из 9 при любом варианте подключения в работе преобразователя не участвуют, так как их р-п переходы имеют отрицательное смещение в течение всего периода времени приложения сетевого напряжения (на рис.3 приведены векторы напряжения для одного из таких вентилей, а сам он заменен на ОП 1). Практически только параллельное соединение вентилей в первой и последней группах в трехлучевую (трехплечую) вентильную звезду обеспечивает увеличение коэффициента запаса по току и, тем самым, заявленное автором [4] повышение надежности. Вместе с тем, при построении любых симметричных трехфазных систем питания и любом порядке чередования фаз обмоток трансформатора подключение их к узловым точкам вентильных групп приводит к образованию рабочих шестивентильных колец с автоматическим удалением из каждой 9-вентильной группы трёх вентилей. Так, например, при формировании системы с нарастающим (убывающим) углом сдвига по фазе между одноименными фазными обмотками различных источников необходимо пользоваться следую-
щим правилом присоединения: каждая фаза любого трехфазного источника напряжений должна подключаться к общей точке одноименных электродов двух вентилей кольца (колец), вторые электроды которых соединяются с двумя фазами смежного источника, имеющими сдвиг
по фазе дф = ±
С р-2 >
0
-и Р 3
град. эл. относи-
тельно фазы первого источника. При этом оказывается возможным включение в каждую свободную большую диагональ шестивентильных колец устройства защиты от перенапряжений (рис.2,е).
На рис.2,б в качестве примера приведена принципиальная электрическая схема цепей преобразователя с 12-кратной частотой пульсации выпрямленного напряжения, оснащённая устройствами защиты. Преобразователь содержит трехфазный трансформатор с вторичными обмотками, соединенными по схемам звезды и треугольника, двенадцать вентилей и три устройства защиты (УЗ), представленные на схеме в виде стабилитронов. Диоды VD4...VD9 образуют шестивентильное кольцо с тремя входами, к которым подключены диоды VD1...VD3 анодной звезды, и тремя выходами, к которым подключены диоды VD10...VD12 катодной звезды.
б)
УБ1
-и-
УБ2
—и—
УБ3
—м—
В
С
ОП 1
—и—
ОП 2 —
ОП 3 —
УБ4
-ы-
УБ5
—ЕЖ
УБ6 —
УБ7
УБ8
-и—
УБ9
-и—
УБ10 —й-
УБ 11
—
УБ12 —
А
В
С
Т
в
с
а
а
в
с
Ъ
н
Общие точки вентильных звезд образуют выходные выводы преобразователя, к которым подключена нагрузка. Устройства защиты ОП1...ОП3 включены в диагонали вентильного кольца и каждое из них соединяет одноименные фазные выводы вторичных обмоток.
Принцип работы устройства иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток, образующих две симметричные трехфазные системы напряжений, сдвинутые в фазовой плоскости на 30 град. эл. (рис.3).
Представленные на рис. 3,а - е диаграммы исчерпывают все возможные комбинации соединения вторичных обмоток трансформатора в процессе одного цикла преобразования, состоящего из шести фаз. Из приведённых диа-
U обр VD8
из диагоналей вентильного кольца (в частности, между точками а - а'). Из диаграмм видно, что в диагоналях моста формируются однополярные переменные напряжения ((7ОП), имеющие то же направление, что и векторы обратных напряжений на диодах VD8 и VD9.
Максимальное мгновенное значение рабочего напряжения в диагонали меньше максимального значения рабочего обратного напряжения на вентилях кольца и больше максимального мгновенного значения рабочего обратного напряжения вентилей анодной и катодной групп. Соотношения между уровнями обратных напряжений для идеального преобразователя продемонстрированы на рис.4,а временными диаграммами обратных напряжений на вентилях различных групп и диаграммой напряжения в одной из диагоналей кольца.
U обр VD9 U ОП 1
ОП 3
3 ¿\
Рис. 3. Амплитудно-фазовые портреты напряжений вторичных фазных обмоток
грамм видно, каким образом формируется век- По результатам исследований ОмИИТа от-
тор кривой напряжения, действующего в одной мечено, что трансформация перенапряжения с
сетевой на вентильные обмотки пропорциональна коэффициенту трансформации. Поэтому при перенапряжениях соотношения между рассматриваемыми напряжениями практически сохраняются. Это позволяет для гашения энергии перенапряжения включать ОП в диагональ кольца с уставкой срабатывания, равной или несколько большей максимального мгновенного значения рабочего напряжения в диагонали, ограничивая тем самым перенапряжения как на вентилях кольца, так и на вентилях анодной и катодной групп.
На рис.3,ж, з показаны две из шести возможных схем соединения вторичных обмоток
трансформатора с цепями, содержащими ограничители перенапряжения, соответствующие двум смежным фазам преобразования. Кроме ограничителей, на приведенных схемах изображены только диоды, проводящие ток, и те, к которым на данных фазах преобразования прикладываются максимальные обратные напряжения.
Наличие электромагнитной связи обмоток способствует ограничению перенапряжений на всём преобразователе в целом. Работа ОП облегчается ещё и потому, что его рабочее напряжение меньше напряжений на вентилях кольца (нежелательный подогрев, например, лавинных
Вентиль кольца с углом Вентиль анодной группы с Напряжение в диаго-проводимости 90 эл. углом проводимости 120 эл. нали кольца
Рис. 4. Соотношения между уровнями обратных напряжений для идеального преобразователя
вентилей происходит именно в рабочем режиме за счет обратных токов).
Схемные решения УЗ достаточно разнообразны и выбор того или иного варианта обусловлен энергетическими характеристиками питающей сети и преобразователя, ожидаемым уровнем перенапряжений и их энергией. Для примера на рис.4,б приведены результаты схемотехнического моделирования работы преобразователя небольшой мощности с УЗ в сети 220 В.
Перенапряжения в первичных обмотках таких преобразователей могут достигать 4...5-кратного уровня амплитуды рабочего напряжения, что учтено при моделировании. Диаграммы токов и обратных напряжений на диодах приведены для случаев воздействия перенапряжения на преобразователь без ОП и с ОП. Сам ОП выполнен на базе лавинного диода.
Для сравнения при тех же параметрах сети и преобразователя и при том же уровне перена-
без ОП
диаграмм рис.4,б и 4,е выявилось, что эффективность ограничения перенапряжений в предлагаемом преобразователе с УЗ не уступает эффективности ограничения перенапряжений в известной схеме.
В мощных преобразователях, работающих в сетях высокого напряжения, перенапряжения обычно не превышают трехкратного уровня. Результаты моделирования работы такого преобразователя, в УЗ которого применены модели металлооксидных варисторов, показаны на диаграммах рис.5.
Схема преобразователя с УЗ, имеющего 18-кратную частоту пульсации выпрямленного напряжения, приведенная на рис.2,г, и схемы преобразователей с большей фазностью преобразования существенных отличий в принципе действия устройств защиты от перенапряжений не имеют. Однако изменяются соотношения между максимальными значениями рабочих обратных напряжений вентилей анодной (катодной) груп-
с ОП
001
без ОП скачек 1
с ОП скачек 1
Рис. 5. Диаграммы напряжений в преобразователе с УЗ на базе металлооксидных варисторов
пряжения осуществлено моделирование работы ОП в составе мостовой схемы выпрямления последовательного типа (см. рис.1,г). При анализе
пы и вентилей колец. Поэтому уставка параметров защиты проводится с учетом общих для р-фазных преобразователей соотношений, спра-
ведливых для идеализированного преобразователя.
Для диодов анодных и катодных групп, как и в мостовых выпрямителях, максимальное значение рабочего обратного напряжения равно
и
обр тах
U,
обр тах
= 42 ■ UЛ . Для диодов колец
(p ) = 2л/2
■ UЛ sin
/ Л
p p
—+ — 3
V- Р 0
где иЛ - действующее значение линейного напряжения симметричной трёхфазной системы напряжений вторичных обмоток трансформатора.
Таким образом, вентили анодной и катодной групп находятся под воздействием линейных напряжений питающих систем, а к вентилям кольцевых групп приложены более высокие напряжения, абсолютная и относительная (по отношению к другим группам) величина которых снижается при увеличении фазности преобразователя. Уставка ОП должна выбираться равной или несколько большей величины максимального мгновенного значения рабочего напряжения в диагонали кольца, которое определяется по формуле
(Р Р^
иоп (р)^ 2>/2 ■ил с°8 Р--
13 Р 0
При использовании в УЗ преобразователя кремниевых стабилитронов, столбов на лавинных диодах или других несимметричных ОП, обладающих стабилитронным эффектом, например, лавинных диодов, электроды последних соединены (связаны) с одноименными электродами диодов кольца. Включение симметричных ограничителей напряжения, например, кремние-
вых симметричных ограничителей или металло-оксидных варисторов, не требует соблюдения полярности подключения ограничительного прибора.
Таким образом, применение экономичного преобразователя с УЗ в качестве выпрямительного агрегата тяговых подстанций электротранспорта снижает вероятность выхода из строя силовых полупроводниковых приборов при воздействии на них перенапряжений, что повышает надежность транспортного электротехнического комплекса в целом.
Библиографический список
1. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций / Б.С. Барковский, Г.С. Магай, В.П. Маценко и др; под ред. М.Г. Шалимова. - М.: Транспорт, 1990. -127 с.
2. Тиристоры: Технический справочник; перевод с англ. / под ред. В.А. Лабунцова, С.Г. Обухова, А.Ф. Свиридова. - М.: Энергия, 1971. - 560 с.
3. Силовая электроника: Примеры и расчеты / Ф. Чаки, И. Герман, И. Ипшич и др. / перевод с англ. - М.: Энергия, 1982. - 384 с.
4. Магай Г. С., Корольков С. И., Гортэ Ю.Г. О надежности выпрямителей тяговых подстанций // Улучшение качества и снижение потерь электрической энергии в системах электроснабжения железных дорог: межвуз. темат. сб. науч. тр. ОмИИТ / ред. А.Г. Шалимов - Омск, 1988. - С 17 - 20.
5. Внешняя характеристика и режимы работы две-надцатифазного преобразователя с уменьшенными потерями. Колев Св.Н., Калчев А.К. / Реф. журнал «Электротехника и электроэнергетика» 21 Ю, № 9, 1977 // (болг.) «Научн. тр. Висш. ин-т машиностр., механиз. и електрифик. селск. стоп. - Русе», 1974. - Сер. 6, 17. - С. 117 - 120.
6. А.с. № 729777 СССР. Преобразователь т-фазного переменного напряжения в постоянное / Ю.В. Потапов. Бюл. № 15, 1980.
