Защита полупроводниковых преобразователей от перенапряжений и саерхтоков

Быстропротекакхцие переходные процессы в силовых цепях тягового электропривода из-за наличия накопителей электромагнитной энергии сопровождаются перенапряжениями малой продолжительности. Различают перенапряжения:

внешние, возникающие как со стороны питающей сети, так и со стороны нагрузки и вызванные резким прерыванием тока, протекающего через цепи с индуктивностью при отключении выключателей, срабатывании предохранителей с очень высоким напряжением на дуге, а также появляющиеся в результате воздействия атмосферных перенапряжений в контактной сети;

внутренние, возникающие при коммутациях в преобразователях при выключении полупроводниковых приборов, связанные с неравномерным распределением напряжения на последовательно соединенных приборах и обусловленные эффектом накопления зарядов в полупроводниковой структуре, а также появляющиеся в результате срабатывания предохранителей, предназначенных для защиты от внутренних повреждений.

Так как в эксплуатационных условиях практически невозможно полностью устранить перенапряжения, то в преобразователях применяют различные устройства, которые снижают перенапряжения до приемлемого значения. Основным элементом таких устройств является конденсатор, который через вспомогательные элементы (диоды, резисторы) подключается параллельно защищаемому участку. Выбор емкости защитных конденсаторов осуществляется исходя из допустимой кратности возможных перенапряжений и не отличается от принятого иа ЭПС с коллекторными тяговыми двигателями. Кроме функции ограничения перенапряжений, конденсаторы, шунтирующие полупровод-

Рнс. 12.10. Принципиальная схема включения короткозамыкателей

никовые приборы, служат также и для ограничения скорости нарастания напряжения на выключаемых тиристорах.

Специфическими устройствами ограничения перенапряжений, применяемых на ЭПС с АТД, следует назвать различного рода разрядники-включаемые параллельно входным зажимам преобразователей. В ка, честве разрядников на ЭПС могут быть применены варисторы, лавинные диоды, а также тиристоры с последовательно включенным резистором.

Характер протекания электромагнитных процессов в электрических цепях ЭПС с АТД в зависимости от места возникновения КЗ может не отличаться от характера аварийных процессов на ЭПС с коллекторными тяговыми двигателями. Поэтому и защита от сверхтоков, сопровождающих такие процессы, во многом сходна с применяемой на ЭПС перемен но-постоя иного тока. Специфической должна быть защита от сверхтоков при КЗ в автономном инверторе.

Для защиты от токов КЗ полупроводниковых приборов наиболее естественным было бы применение последовательно включенных быстродействующих предохранителей, ампер-секундные характеристики которых согласованы с ампер-секундными характеристиками защищаемых приборов. Однако необходимость замены сгоревших предохранителей в силовых цепях практически исключает их применение иа ЭПС.

На ЭПС переменного тока с АТД получил распространение способ, при котором аварийный ток защищаемой цепи переводят в другую цепь. Такой перевод осуществляют включением короткозамыкателей (рис. 12.10). Обычно используют механический короткозамыкатель [61] либо тиристорный.

Механический короткозамыкатель МК1 - МК4 имеет несколько подвижных контактов, связанных общим поворотным валом. При поступлении сигнала от блока управления вал поворачивается и закорачивает своими контактами защищаемые цепи: фазы АТД, входные зажимы автономного инвертора, вторичную обмотку трансформатора. Каждый контакт выдерживает ударный ток короткого замыкания 20 кА, время срабатывания около 0,004 с. Механический короткозамыкатель хорошо защищает полупроводниковые приборы от ударных токов АТД и токов короткого замыкания выпрямителя со стороны трансформатора. Однако недостатком применения такого короткозамыкате-ля является необходимость отключения главного выключателя ГВ, так как вторичная обмотка трансформатора оказывается закороченной. Другим недостатком механического короткозамыкателя является относительно большое время срабатывания, приблизительно в 3-5 раз больше полупериода собственных колебаний цепи разряда конденсатора фильтра. Это практически полностью исключает возможность защиты тиристоров преобразователя от разрядного тока конденсатора фильтра.

Для повышения эффективности защиты тиристоров инвертора на его входе включают тиристорный короткозамыкатель, время срабатывания которого не превышает десятков микросекунд. Тиристорный короткозамыкатель представляет группу из нескольких параллельно, а при необходимости и последовательно соединенных тиристоров, включение которых осуществляется от блока управления. Основной задачей тиристорного короткозамыкателя является защита тиристоров инвертора от тока разряда конденсатора фильтра. Выбор числа тиристоров в корот-козамыкателе осуществляют исходя из расчетного напряжения на входе инвертора и амплитуды разрядного тока конденсатора. При этом, поскольку аварийный режим является кратковременным, то конструктивно в короткозамыкателе тиристоры можно применять без охладителей, что существенно уменьшает его габаритные размеры.

Таким образом, применение указанных короткозамыкателей обеспечивает защиту полупроводниковых преобразователей от повреждения. Однако особенность их применения в качестве аппаратов защиты заключается в том, что они не отключают аварийную цепь, а только закорачивают ее, ограничивая тем самым аварийный ток на защищаемом участке. Аварийные токи при этом затухают с постоянными времени, соответствующими режиму свободного протекания. В частности, это приводит к тому, что в механической части привода возникают большие динамические нагрузки, а при срабатывании главного выключателя теряется сила тяги всего электровоза.

Особенность аварийных процессов при КЗ в инверторе, связанная с колебательным разрядом конденсатора фильтра, позволяет использовать возможность «самовосстановления> инвертора, если его приборы не потеряли вентильных свойств. В этом случае при прохождении полуволны тока перезаряда конденсатора через обратные диоды инвертора создаются условия для выключения тиристоров. При этом если

длительность протекания тока обратного разряда конденсатора через диоды будет больше времени восстановления тиристоров, то последние выключаются и может быть восстановлен нормальный режим работы инвертора.

Для «самовосстановления» инвертора после КЗ необходимо выполнение двух условий: при разряде конденсатора фильтра тиристоры инвертора не должны быть повреждены, а амплитуда тока перезаряда конденсатора фильтра должна превышать максимальный ток нагрузки.

Так как разрядный ток конденсатора фильтра может достигать десятков килоампер, то выполнение первого условия достигается одновременным включением всех тиристоров инвертора при возникновении КЗ в одном из плеч инвертора. При этом в зависимости от эквивалентной индуктивности /._э аварийный ток через тиристоры инвертора уменьшается в }/3 или Зраза. Так, если представляет индуктивность коммутирующих реакторов, включенных последовательно с тиристорами каждой фазы, то аварийный ток тиристоров снизится в V3 раз. В случаях когда аварийный ток через тиристор превышает предельное его значение для тиристоров данного типа, следует дополнительно использовать тиристорный короткозамыкатель.

Выполнение второго условия требует, чтобы амплитуда тока перезаряда конденсатора была больше максимального тока нагрузки /_итах, т. е.

(12.19)

Условие (12.19) выполняется, как правило, при больших значениях напряжения С/сФ), что характерно для инверторов напряжения с ШИМ или с амплитудным способом регулирования при работе в диапазоне частот „ом- При малых значениях и с (0) восстановле

ние вентильных свойств тиристоров инвертора можно обеспечить путем подключения параллельно входным зажимам инвертора «гасящего» конденсатора С_г (см. рис. 12.10), предварительно заряженного от вспомогательного маломощного источника. Выбор параметров конденсатора и реактора контура принудительного выключения тиристоров инвертора не отличается от выбора параметров элементов узлов принудительной конденсаторной коммутации. Следует особо отметить, что для достижения наибольшей эффективности защиты инвертора с использованием свойства «самовосстановления» необходимо конденсатор С_г подключать по истечении полупериода собственных колебаний контура разряда конденсатора фильтра с момента возникновения КЗ в инверторе.

Все рассмотренные способы защиты полупроводниковых преобразователей ЭПС с АТД от сверхтоков призваны ликвидировать или сократить до минимума отрицательные последствия аварии.

Вместе с тем анализ случаев возникновения коротких замыканий в инверторе показывает, что наиболее частой причиной является

включение одного из тиристоров какой-либо фазы при включенном про-тивополюсном тиристоре той же фазы. Для устранения этих причин в систему управления инвертором необходимо ввести устройства - датчики контроля состояния полупроводниковых приборов (вентилей), по сигналам которых исключалось бы включение очередного тиристора до выключения противополюсного.

В качестве таких датчиков можно использовать устройства, контролирующие напряжение на тиристоре или на переходе управляющий электрод - катод. Применение последних следует считать более предпочтительным, так как в этом случае работоспособность датчиков практически ие зависит от уровня напряжения на входе инвертора, что особенно важно при амплитудном способе его регулирования. Устройства защиты с использованием датчиков состояния вентилей ДСВ (см. рис. 12.10) будут выполнять при этом функции предупредительной защиты.

Рассмотрим функционирование указанных средств защиты в зависимости от характера аварийного режима. Например, при включенных тиристорах У5/, УБ4 и У55 и «неудавшемся» выключении тиристора УЯ1 при очередной коммутации сигнал с датчика ДСВ1 запрещает подачу сигнала на включение тиристора У52. Вступает в действие предупредительная защита. В зависимости от схемы узла принудительной конденсаторной коммутации осуществляется повторное выключение тиристора УЯ1 или тиристора У84. При выключении тиристора У$4 все фазы двигателя будут подключены к одному полюсу инвертора (режим, аналогичный паузе при широтно-импульсном регулировании).

Если выключения тиристора У54 не произошло, что соответствует включению АТД на постоянное напряжение, необходимо предупредить дальнейшее развитие аварийного режима. С этой целью включают тиристорный короткозамыкатель ТК или все тиристоры инвертора для разряда конденсатора фильтра, а затем с выдержкой времени тиристором У517 подключают контур принудительного выключения тиристоров инвертора.

В случае если развитие аварийного режима продолжается, включают механический короткозамыкатель МК с одновременной подачей сигнала на выключение главного выключателя ГВ.

При возникновении КЗ в инверторе в случае самопроизвольного открытия одного из тиристоров (У52, УЯЗ и У56) этап действия предупредительной защиты исключается и прекращение аварийного режима начинается включением всех тиристоров инвертора или тиристорного короткозамыкателя, как описано ранее.

Применение указанных средств защиты и приведенный алгоритм их срабатывания при надлежащем быстродействии обеспечивают защиту элементов тягового электропривода от аварийных режимов.

13. ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭПС С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ