электрические приборы и машины
 
 
   
 
   
 
 
     
 
Главная / Тиристорные генераторы / Схемы защиты тиристорных генераторов

Схемы защиты тиристорных генераторов

Причины возникновения аварийных режимов в тиристорных генераторах можно разделить на две группы: а) внешние, вызванные короткими замыканиями или обрывами в нагрузке; б) внутренние, обусловленные выходом из строя отдельных тиристоров и диодов или нарушениями в работе схем формирования управля щих импульсов.

При аварийных режимах возникают перегрузки тиристоров или диодов по току или напряжению, а также в некоторых случаях существенно увеличиваются скорости нарастания тока и напряжения (Si и Su).

В отличие от электронных ламп и ионных приборов из-за малой теплоемкости самих полупроводниковых структур тиристоры и диоды, используемые в генераторных устройствах, чувствительны к перегрузкам по току.

Чтобы определить допустимые перегрузки по току, для приборов каждого типа устанавливаются основные параметры и характеристики перегрузочной способности: а) ударный ток тиристора в открытом состоянии ITSM — ток открытого состояния, при протекании которого превышается наибольшая допустимая эффективная температура перехода, но который появляется редко, с ограниченным числом повторений и вызывается необычными процессами в схеме; б) защитный показатель — значение временного интеграла от квадрата аварийного тока в открытом состоянии

Полупроводниковые приборы чувствительны и к перенапряжениям.

Для характеристики устойчивости вводятся следующие параметры: а) неповторяющееся импульсное напряжение тиристора в закрытом состоянии UDSM — наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося переходного напряжения в закрытом состоянии, возникающее на тиристоре; б) неповторяющееся импульсное обратное напряжение UHSM — наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося переходного обратного напряжения, возникающего на тиристоре.

Из-за инерционного распространения тока из области управляющего электрода по всей площади полупроводниковой структуры тиристоры имеют ограниченную скорость нарастания прямого тока, определяемую допустимым значением Siд.

Во избежание ложного открывания тиристоров должна ограничиваться скорость нарастания прямого напряжения Suд.

По указанным выше причинам для надежной работы тиристорных генераторных устройств в ряде случаев необходимо использовать специальные устройства защиты.

Меры защиты от увеличения скоростей нарастания тока и напряжения подробно описаны в литературе и здесь не рассматриваются.

Для защиты генераторов от перегрузок по току могут быть использованы плавкие предохранители, являющиеся наиболее простыми защитными устройствами, однако они имеют слишком большое время срабатывания.

Параметрами, характеризующими быстродействие плавкого предохранителя, являются количество энергии Wп, необходимое для расплавления плавкой вставки, и энергии теплового воздействия Wд в период горения дуги, образующейся после расплавления плавкой вставки.

Для надежной защиты полупроводникового прибора суммарная величина Wп + Wд должна быть меньше защитного показателя прибора данного типа, удовлетворяя условию

Однако сопоставление левой и правой частей этого неравенства для различных типов предохранителей и полупроводниковых приборов при условии соответствия их номинальных токов показывает, что правая оказывается существенно меньше левой.

Например, для тиристоров ТЧ-100 правая часть неравенства равна 11 000 А2·с, а левая для быстродействующего предохранителя ПНБ-5 на такой же номинальный ток — 110 000 А2·с.

Таким образом, даже быстродействующие плавкие предохранители не обеспечивают надежной защиты полупроводниковых приборов без принятия специальных мер.

Такими мерами могут служить либо весьма существенная, практически неприемлемая недогрузка этих приборов по току, что позволяет использовать предохранители на меньший номинальный ток, либо увеличение числа параллельно включенных приборов. Тот же недостаток присущ и автоматическим выключателям.

Поэтому если ставится задача защитить тиристоры, то автоматы и плавкие предохранители используются как резервные средства защиты.

Добиться требуемого высокого быстродействия защиты можно лишь при наличии быстродействующих бесконтактных электронных схем защиты, которые состоят из высокочувствительных датчиков защиты, позволяющих индицировать аварийный процесс в самом начале его развития, и быстродействующих исполнительных элементов, прекращающих протекание тока через тиристоры.

В качестве датчиков, сигнализирующих об увеличении тока, обычно используются шунты или трансформаторы тока, включенные последовательно с тиристорами.

Сигнал с датчика подается на транзистор или вспомогательный тиристор, открывает их и формирует сигнал управления для тиристоров схемы защиты.

Датчиком, сигнализирующим о чрезмерном увеличении напряжения, чаще всего служит обычный высокоомный делитель, включаемый параллельно одному из рабочих тиристоров.

Если напряжение превосходит допустимое, открывается транзистор или маломощный тиристор, соединенные с делителем, и вырабатывается управляющий сигнал для тиристоров схемы защиты.

В качестве исполнительных элементов схемы защиты хорошо зарекомендовали себя емкостные прерывающие устройства.

Они могут быть использованы для прерывания тока как через специальные тиристоры, включенные между источником питания и генераторным устройством, так и через рабочие тиристоры генераторного устройства.

   

Для первого случая простейшая схема изображена на рис. 6-12. В ней конденсатор Сп предварительно заряжается от независимо источника Еп.

При приходе управляющего импульса от датчи защиты вспомогательный тиристор схемы защиты Т2 открыва и через него и конденсатор Сп на катод тиристора защиты Т1 поступает запирающее напряжение Еп—Е0.

Рис. 6-12. Простейшая схема электронной защиты

Тиристор Т1 запирается практически мгновенно. Затем происходит перезаряд конденсатора Сп через тиристор Т2, конденсатор фильтра источника питания Сф и внутреннее сопротивление генератора Rг.

При этом напряжение uа1 на тиристоре T1 становится равным напряжению на конденсаторе Сп и определяется выражением

(6-67)

где Сэ= СфСп/(Сф + Сп).

Напряжение ua1, должно быть отрицательным в течение времени, достаточного для выключения тиристора T1.

Если выполняется условие Сп<<Сф, то, приравняв выражение (6-67) нулю и положив в нем t = tв.ном, где  tв.ном — номинальное время выключения, можно найти минимальную емкость Сп, необходимую для выключения тиристора Т1:

(6-68)

где Iз0/Rг — ток срабатывания защиты.

Тиристор Т2 закроется в момент, когда конденсатор Сп перезарядится до напряжения источника питания и величина uс станет равной Сп. Из выражения (6-67) можно определить время срабатывания t3 схемы защиты:

tз = 3Е0Сэ/Iз (6-69)

Недостатком рассмотренной схемы является скачкообразное нарастание тока через тиристор Т2, что требует использования тиристоров с большой допустимой скоростью нарастания тока.

Если считать, что ток через тиристор нарастает по линейному закону, то справедливо соотношение

S≥Simax=Iam/tс.т1(6-70)

где S, Simax —соответственно допустимая и максимальная крутизны тока тиристора Т2; tс.т.1 — время спада тока тиристора T1.

   

Этого недостатка лишена схема, в которой последовательно с конденсатором Сп включена катушка Lп (рис. 6-13), индуктивность которой определяется приближенно выражением

Lп≥Еп/S, (6-71)

где  S — допустимая для тиристора крутизна тока.

Рис. 6-13. Схема электронной защиты с резонансным контуром

После запирания тиристора T1 конденсатор Сп продолжает разряжаться по цепи: Lп, тиристор Т2, конденсатор фильтра источника питания, генератор с внутренним сопротивлением Rг.

Емкость Сп может быть определена приближенно из выражения

(6-72)

а время срабатывания защиты — из выражения

(6-73)

Из формул (6-72) и (6-73) видно, что увеличение индуктивности Lп влечет за собой возрастание величин Сп и t3. Поэтому величину Lп, следует выбирать минимально допустимой.

Конденсатор Сп в рассмотренных выше схемах защиты может заряжаться либо от источника питания генераторного устройства, либо от автономного источника.

Практически емкости Сп в схемах защиты следует брать несколько большими, чем они получаются по приведенным выше выражениям, поскольку тиристор Т1 запирается все-таки не мгновенно.

Необходимое увеличение емкости С'п можно определить из равенства

где tвкл — время включения проходного тиристора; tзап — время восстановления его запирающих свойств в обратном направлении; k = Imo/Iз — отношение амплитуды импульса обратного тока к прямому току, зависящее от типа тиристора и его режима работы.

В случае использования емкостных прерывающих устройств для прекращения тока непосредственно через рабочие тиристоры генераторов последние превращаются в инверторы с принудительной коммутацией.

При этом по сравнению с рассмотренными выше схемами защиты общее число тиристоров увеличивается и габариты всего устройства возрастают.

Для повышения надежности работы защиты часто одновременно с прерыванием тока через проходные или рабочие тиристоры прекращают подачу управляющих импульсов на рабочие тиристоры.

   

Описанные схемы защиты не оптимизированы для импульсных режимов работы и не предусматривают автоматического включения генератора после устранения аварийного состояния.

В указанных целях может быть применена несколько более сложная схема, работа которой описывается ниже (рис. 6-14).

Рис. 6.14. Схема электронной защиты с повторным автоматическим включением генератора

Эта схема имеет также следующие достоинства: она полностью автономна и не требует специальных устройств типа «пуск» и «остановка», предназначенных для включения и выключения защитного устройства; в паузах между импульсами генератор отключен от источника питания; обеспечивается автоматическое повторное включение генератора после срабатывания защиты при условии ликвидации аварийного режима; питание защиты и генератора осуществляется от одного источника при сохранении эффективности защиты в период переходных процессов включения.

Схема защиты состоит из тиристорного прерывателя, включающего в себя проходной тиристор Т2, шунтированный резистором R3, тиристор Т2, конденсатор С1; цепи управления проходного тиристора (на рис. 6-14 она обведена штриховыми линиями), которая обеспечивает в импульсном режиме работы автоматическое включение тиристора Т1 при подаче на защищаемое устройство импульсов управления, и резистора R1 через который заряжается конденсатор С1.

Цепь управления состоит из последовательно включенных трансформатора Тр, шунтированного диодом Д1, с которого управляющие импульсы поступают на тиристор Т1; диода Д2 и цепи задержки, представляющей собой стабилитрон Д3 и конденсатор С2, включенный параллельно резистору R1.

В момент подачи импульсов управления на тиристоры генератора конденсатор С2 заряжается через генератор, обмотку трансформатора Тр, диод Д2 и цепь задержки от предварительно заряженного конденсатора C1.

Поскольку емкость конденсатора С2 выбирается много меньше емкости С1 (обычно на два порядка), то он заряжается быстро, а напряжение на конденсаторе C1 при этом практически остается неизменным.

Ток заряда протекает через первичную обмотку трансформатора Тр и создаст на его вторичной обмотке импульс, используемый для отпирания проходного тиристора T1.

Минимальная скорость заряда конденсатора C2 будет ограничиваться минимальной длительностью импульсов управления тиристора Т1.

Тиристор Т1 отпирается, и генератор (инвертор) подключается к источнику питания на время длительности рабочего импульса.

По окончании импульса ток через шристор T1 прекращается, и он выключается. При следующем импульсе процесс повторяется.

Аварийное отключение генератора от источника питания происходит, когда на управляющий электрод тиристора Т2 поступает импульс с датчика сигнала аварии (с последовательного или параллелыюго резистора).

При включении тиристора Т2 конденсатор C1 разряжается через проходной тиристор Т1.

Последний выключается и отсоединяет генератор от источника питания. Конденсатор C1 начинает заряжаться от источника питания через резисторы R1 и R3.

Значения их сопротивлений следует выбирать таким образом, чтобы конденсатор С1 успел полностью зарядиться за время паузы между импульсами.

Цепь задержки не позволяет цепи управления проходного тиристора сформировать управляющий импульс до тех пор, пока конденсатор Сх не запасет необходимую для аварийного выключения энергию.

В качестве элемента задержки используется стабилитрон Д3, который включается, как только конденсатор С1 зарядится до достаточного напряжения.

    Для этой же цели может быть использована показанная на рис. 6-15 специальная цепь, подключаемая к точкам а и b (рис. 6-14) вместо цепи Д3, C2, R2, L1. В этом случае сопротивление резистора Rb и емкость конденсатора С3 выбираются так, что заряд конденсатора С3 от источника питания через резисторы R1, R5 происходит медленнее заряда конденсатора С1.

Рис. 6-15. Цепь с дополнительным диодом

Поэтому при включении генератора (инвертора) импульсом управления конденсатор С3 разряжается через первичную обмотку трансформатора Тр и диод Д2, а ток разряда индуцирует во вторичной обмотке трансформатора напряжение, отпирающее проходной тиристор T1, после того как конденсатор С1 запасет необходимую энергию.

При аварийном выключении генератора конденсатор С3 разряжается через цепь Д4, Т2.

 
 
     
 
Copyright © 2012 Электродвигатели и трансформаторы
электрические приборы и машины
Rambler's Top100
Создание сайта Вебцентр