ГАСЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО МОСТА С ВОЗВРАТОМ ЭНЕРГИИ
SUPPRESSION DEVICE FOR CONVERTER BRIDGE WITH ENERGY RETURN

Изобретение относится к гасящему устройству для преобразовательного моста с возвратом энергии, причем управляемый от синхронной с сетью управляющей схемы отпирающими импульсами преобразовательный мост своими тремя входами подключен к фазам сети трехфазного тока, а оба выхода моста ведут к электродвигателю постоянного тока, который в генераторном режиме возвращает энергию через мост в сеть трехфазного тока, а гасящее устройство выполнено с возможностью управления от блока срабатывания, который выполнен для подачи импульсов срабатывания в зависимости от контроля электрических и временных величин.
У сетевых преобразователей тока, описанных, например, в АТ 404414 В заявителя, помехи в характеристике напряжения или тока, в частности перенапряжения и/или ошибки коммутации, могут привести к разрушению дорогих тиристоров или выключателей такого моста.
Точнее говоря, у сетевых преобразователей тока возникает принципиальная проблема опрокидывания инвертора в режиме возврата энергии. При этом при посадке напряжения сети и достаточном постоянном напряжении, например, соответствующем напряжении якоря электродвигателя, возникает сверхток, который продолжает нарастать и больше не может быть погашен самим преобразователем тока. Тогда неизбежно происходит срабатывание предусмотренных, как правило, предохранителей, которые должны защищать тиристоры. Следствием этого является более длительный выход из строя преобразователя тока и питаемого им электродвигателя, поскольку требуется соответствующее время для замены предохранителей, выполненных обычно в виде быстродействующих полупроводниковых предохранителей. Поэтому предпринимались попытки создания различных, частично сложных устройств для ограничения и прерывания сверхтока или для предотвращения или контролируемого окончания опрокидывания инвертора, как это описано, например, в названном патенте заявителя.
Известны, например, быстродействующие выключатели постоянного тока, включенные в цепь постоянного тока. Если должно быть обеспечено их надежное функционирование, то дополнительно требуются управляемые дроссели для ограничения нарастания тока и соответственно значительные расходы, не говоря уже о проблематичном расчете и регулярном для надежного функционирования обслуживании.
Известны также другие способы непосредственного гашения тиристоров гасящими конденсаторами, например гашение только одной из обеих половин преобразовательного моста одним конденсатором, причем ток электродвигателя вплоть до полного уменьшения до нуля еще полностью нагружает вентили второй половины моста, из-за чего защита возможна не во всех случаях. Аналогичным является гашение обеих половин моста двумя конденсаторами с соответствующим ограничением напряжения параллельно им, что, однако, вызывает перенапряжение на электродвигателе. Названные способы не защищают, кроме того, от перенапряжения при разрыве связи с сетью, в случае если между сетью и преобразовательным мостом включен трансформатор.
2
2
Задача изобретения заключается в создании гасящего устройства, которое было бы способно гасить тиристоры преобразователя тока с возвратом энергии настолько быстро, чтобы предвключенные тиристорам по отдельности или в целом преобразователю тока полупроводниковые предохранители в случае, в частности, опрокидывания инвертора защищали от расплавления или предварительного повреждения (старения). При наличии предохранителей не должен достигаться интеграл их плавления (it), а в режиме работы без предохранителей не должен достигаться защитный показатель (it) тиристоров. Кроме того, гасящее устройство должно защищать преобразователь тока от перенапряжений, которые возникают, в частности, при разрывах связи с сетью, прежде всего, в режиме работы с трансформатором, что является часто причиной ошибок коммутации и приводит вследствие этого к разрушению тиристоров.
Эта задача решается посредством гасящего устройства описанного выше рода за счет того, что согласно изобретению гасящее устройство содержит для каждой половины моста гасящий конденсатор, заряжаемый посредством зарядной схемы до определенного гасящего напряжения, и гасящие конденсаторы в случае гашения выполнены с возможностью подключения к половинам моста с помощью управляемых от блока срабатывания выключателей.
В одном предпочтительном варианте предусмотрено, что в соединениях гасящих конденсаторов с подключенными к фазам сети точками моста дополнительно к управляемым выключателям в шестипульсную мостовую схему включены диоды. При этом гасящие конденсаторы выполнены с возможностью зарядки через диоды или подключаемые резисторы. Таким образом, зарядка гасящих конденсаторов возможна без больших дополнительных затрат.
Далее целесообразно предусмотрено, что в соединении гасящего устройства с точками моста со стороны постоянного напряжения включены коммутирующие дроссели, которые ограничивают скорость нарастания тока в процессе коммутации.
Целесообразно также, если гасящее устройство содержит для ограничения напряжения защитный конденсатор, параллельно которому включен ограничитель напряжения, причем гасящий конденсатор выполнен с возможностью подключения через управляемые выключатели к выходу постоянного напряжения моста. За счет этого сами компоненты гасящего устройства и электродвигатель защищены от недопустимых перенапряжений.
При этом защитный конденсатор может быть выполнен с возможностью подключения через мостовую схему из управляемых выключателей к выходу постоянного напряжения преобразовательного моста выборочно так, что независимо от полярности выхода постоянного напряжения или напряжения на зажимах электродвигателя полярность защитного конденсатора и ограничителя напряжения не изменяется.
В одном предпочтительном варианте ограничитель напряжения выполнен в виде резистивного чоппера, т.е. нагрузочный резистор в соответствии со скоростью уничтожения энергии постоянно подключается и отключается.
Если защитный конденсатор через два диода постоянно подключен к стороне постоянного напряжения шести включенных в мостовую схему диодов, то могут быть ограничены любые идущие от сети перенапряжения.
Целесообразно, если точки переменного напряжения преобразовательного моста соединены с входами шести включенных в мостовую схему диодов через индуктивности. Такие индуктивности, которые могут быть образованы либо воздушными катушками, либо паразитными индуктивностями (проводов), препятствуют слишком быстрым нарастаниям токов, которые могли бы разрушить выключатели моста.
Гасящее устройство особенно пригодно, если преобразователи тока представляют собой тиристоры.
Изобретение с другими своими преимуществами более подробно поясняется ниже на примере его осуществления, изображенном на чертеже. На нем в виде блок-схемы представлен управляемый управляющей схемой преобразовательный мост для питания электродвигателя постоянного тока вместе с гасящим устройством с соответствующим устройством срабатывания.
Как видно из чертежа, три фазы U, V, W сети трехфазного тока подключены через коммутирующие дроссели Lu, Lv, Lw к стороне трехфазного тока преобразовательного моста SRB. При этом обычно в каждую фазу включен сетевой предохранитель (не показан), описанный, например, в АТ 404414 В в сочетании с фиг. 2. Управляемые выпрямительные выключатели V11, …, V16 и V21, …, V26 выполнены в виде тиристоров или сопоставимых элементов.
Для обоих мостов предусмотрено управляющее устройство AST, обеспечивающее синхронное с сетью отпирание тиристоров. За счет сдвига моментов отпирания может известным образом происходить регулирование частоты вращения или момента. К управляющей схеме AST подают три фазовых напряжения сети и напряжение на зажимах электродвигателя, а также через два трансформатора тока Wu, Ww - фазовые токи, чтобы в распоряжении имелась информация о регулировании и управлении преобразовательным мостом.
anker
anker
motor
Оба зажима 1С1, 1D1 постоянного тока моста SRB ведут к электродвигателю постоянного тока МОТ, который в генераторном режиме работы через мост, состоящий из выключателей V11, …, V16, возвращает энергию в сеть трехфазного тока. Здесь следует заметить, что в связи с изобретением интерес представляет только генераторный режим работы (поток энергии в сеть). Также другой мост V21, …, V26 может работать с возвратом энергии, если ЭДС электродвигателя приложена обратной (требует реверсирования направления вращения). Для простоты здесь рассматривается случай, когда мост, состоящий из выключателей V11, …, V16, также выполнен с возможностью возврата энергии. В только что запитанном мосту, все равно каком, не может возникнуть проблема, требующая вмешательства в смысле гашения. Конкретно при посадке напряжения сети в запитанном мосту происходит спад тока. Для дальнейшего понимания следует напомнить о том, что можно представить эквивалентную схему в виде последовательной схемы из ЭДС электродвигателя, индуктивности L якоря и резистора R якоря. Выходной ток моста SRB соответствует обозначенному току I электродвигателя.
Выполненное и действующее в смысле изобретения гасящее устройство LOV содержит для каждой половины V11, V13, V15 и V14, V16, V12 моста (при обратной ЭДС для V21, V23, V25 и V24, V26, V22) гасящий конденсатор соответственно С1 и С2, каждый из которых, как сказано ниже, заряжается до обозначенной полярности. Положительный и отрицательный полюсы конденсаторов С1, С2 соединены через тиристоры V31, V32 и V34, V33 с выводами 1C1, 1D1 постоянного напряжения преобразовательного моста SRB, в данном случае через коммутирующие дроссели L1, L2. Отрицательный полюс С1 и положительный полюс С2 соединены через тиристор V39 и три диода V41, V43, V45 и через тиристор V40 и три диода V44, V46, V42 с выводами 1U1, 1V1, 1W1 переменного тока преобразовательного моста SRB. Обозначенные в соединениях дроссели Lsu, Lsv, Lsw ограничивают нарастание тока; речь может идти о воздушных катушках или паразитных индуктивностях (проводов).
Гасящее устройство содержит далее защитный конденсатор С3, параллельно которому включен ограничитель напряжения SBG. Отрицательный полюс защитного конденсатора С3 через тиристоры V35, V36, а положительный полюс через тиристоры V38, V37 соединены с зажимами 1C1, 1D1 постоянного напряжения моста SRB. Следует отметить, что в противоположность гасящим конденсаторам С1, С2 защитный конденсатор С3 всегда нагружен напряжением той же полярности и что тиристоры V35, …, V38 могут быть заменены также диодами, в случае если сумма зарядных напряжений С1, С2 меньше предварительного напряжения на С3.
Сторона постоянного напряжения включенных в мостовую схему диодов V41, …, V46 через диоды V47, V48 соединена с входом ограничителя напряжения SBG и с защитным конденсатором С3. В процессе гашения они обеспечивают спад тока в коммутирующих дросселях, а в нормальном режиме работы преобразовательных мостов (в режиме электродвигателя и в генераторном режиме) - прием переходных перенапряжений из сети и пики коммутируемого напряжения от самого преобразователя тока.
Прежде всего следует пояснить процесс гашения (для указанной на чертеже полярности ЭДС электродвигателя), причем предполагаются заряженные гасящие конденсаторы С1, С2. Их зарядка поясняется ниже.
При отпирании гасящих тиристоров V31, V33 и V39, V40 посредством блока срабатывания ALE токи коммутируют как от верхнего полумоста V11, V13, V15 в конденсатор С1, так и от нижнего полумоста V14, V16, V12 в конденсатор С2, в результате чего все токи в преобразователе V11, …, V16 сразу же гасятся. Одновременно с подачей гасящих импульсов (отпирающие импульсы для гасящих тиристоров) блокируются также отпирающие импульсы для моста SRB.
На конденсаторах С1, С2 происходит размах напряжений за счет тока электродвигателя, пока он через отпертые незадолго до этого тиристоры V35, V37 не будет коммутирован во включенный в ограничитель напряжения SBG конденсатор С3. Если же напряжение на С3 еще не достигло уровня ограничения ограничителя SBG, то он заряжается током электродвигателя. Следует отметить здесь, что через тиристоры V32, V34, V36, V38 токи протекают только при обратной ЭДС электродвигателя.
Ниже следует более подробно остановиться на ограничителе напряжения SBG и его функции, причем предполагается, что напряжение электродвигателя (напряжение на зажимах электродвигателя или прибора) за счет процесса гашения кратковременно, примерно на 1 мс, меняет полярность. По достижении первоначального напряжения электродвигателя его ток слегка нарастает по сравнению с начальным значением в момент гашения. Ток в индуктивности якоря электродвигателя сначала за счет более высокого напряжения спадает до нуля, и это напряжение должно регулироваться ограничителем напряжения SBG в смысле ограничения до максимального значения.
Ограничение происходит известным образом посредством управляемого подключения нагрузочных резисторов к входным зажимам ограничителя SBG и тем самым к защитному конденсатору С3. Нагрузочные резисторы подключаются в зависимости от величины напряжения с разным тактом, причем электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Де факто имеет место, например, двухточечный регулятор примерно с 10% гистерезиса, который включает и выключает нагрузочные резисторы. Для обеспечения более высокого суммарного гасящего напряжения ограничитель напряжения SBG может быть подключен только во время размаха конденсаторов С1, С2 через тиристоры V35, …, V38. Здесь могут использоваться также четыре диода, однако поскольку они неизбежно образуют мостовой выпрямитель с конденсатором С3, названное суммарное гасящее напряжение в начале выпрямления превысило бы значение моментального напряжения конденсатора С3 и вызвало бы значительный (неограниченный/разрушающий) импульс тока. Поэтому используются четыре тиристора, отпираемых приблизительно в момент прохождения напряжений конденсаторов С1, С2 через нуль. Тогда опасность устранена, поскольку ток электродвигателя, который, как уже сказано, коммутирует в ограничитель, задан (или в некотором роде постоянный). Названный защитный конденсатор С3 при использовании другого ограничителя SBG может также отпасть, причем здесь рассматривались бы, например, зависимые от напряжения резисторы или стабилитроны.
Ограничитель напряжения SBG, однако, постоянно подключен через уже названные диоды V47, V48 к диодному мосту V41, …, V46. Это позволяет ограничить также все идущие от сети перенапряжения. Например, значительные перенапряжения могут возникнуть при отключении предвключенного трансформатора под нагрузкой. Об этом более подробно говорится ниже.
Во избежание длительной мощности потерь на названных резисторах ограничителя напряжения SBG последний может содержать дополнительный выключатель с немного более низким порогом напряжения, у которого тактованные («чопанутые») резисторы или резистор имеют/имеет существенно более высокое значение сопротивления, чем названные значения ограничителя напряжения.
Здесь следует заметить, что, например, у одного практического варианта чопанутый резистор имеет эффективно 250 мОм. Реализация осуществляется параллельно посредством выключателя из четырех биполярных транзисторов с изолированным затвором и посредством четырех резисторов по 1 Ом. Через каждый резистор в случае ограничения течет ток 900 А.
Оба гасящих конденсатора С1, С2 должны быть заряжены до части - обычно 0,5-0,9 - порогового значения напряжения сети. Оба конденсатора С1, С2 по окончании процесса гашения обратнозаряжены. За счет описанной ниже схемы происходит, следовательно, строго говоря, сначала разрядка до нуля и лишь затем зарядка. Для принципа изобретения не играет роли, каким образом происходит зарядка обоих конденсаторов, однако ниже описана зарекомендовавшая себя на практике возможность зарядной схемы, интегрированной в общую схему гасящего устройства. Она содержит для каждого конденсатора С1, С2 два зарядных резистора R1, R2 и R3, R4, которые ведут к положительному R1, R3 и к отрицательному R2, R4 полюсам мостовой схемы V41-V46. Выключатели S1, S2 для С1 и S3, S4 для С2, включенные последовательно с зарядными резисторами R1, R2 и R3, R4, управляются двухточечным регулятором (не показан). Зарядка возможна только тогда, когда гасящие тиристоры выключены. В остальном у этой схемы предотвращена за счет этого двойная нагрузка по напряжению тиристоров V31, V33 и V32, V34.
В случае гашения непосредственно после отпирания гасящих тиристоров во время размаха напряжений на гасящих конденсаторах С1, С2 последние должны быть отделены от зарядной схемы посредством вышеназванных полупроводниковых выключателей S1-S4 для предотвращения того, чтобы гасящие тиристоры после успешного спада тока оставались проводящими за счет зарядного тока. Это воспрепятствовало бы дальнейшему процессу зарядки, и произошла бы перегрузка зарядных резисторов R1-R4. Как только конденсаторы С1, С2 снова достаточно заряжены, может произойти новый процесс гашения, причем, однако, частота повторения или число процессов гашения в течение определенного промежутка времени определяется расчетом схемы, в частности зарядных резисторов и ограничителя напряжения.
Управление всей схемой, которое не является непосредственно объектом изобретения, может происходить посредством аналоговой схемы с поддержкой микропроцессором для коммуникации с преобразователем тока. Критерии срабатывания для управления гасящими тиристорами определяются с помощью измеренных напряжений и токов и/или времени посредством программного обеспечения. Хотя оно, как уже сказано, не является объектом изобретения, следует привести несколько примеров эксплуатационных (ошибочных) состояний, управляемых благодаря гасящему устройству.
При ударах молний в устройства высокого или среднего напряжения зажигаются защитные искровые промежутки или газонаполненные элементы защиты от перенапряжений. Они горят затем до следующего прохождения тока через нуль. В результате возникает низкоомная посадка напряжения сети продолжительностью 3-20 мс. Может произойти также более длительное исчезновение напряжения сети, при котором один или несколько трансформаторов или прочих потребителей поддерживают сеть низкоомной на нуле.
При коротком замыкании в параллельной цепи тока в той же сети возникает сначала посадка напряжения сети. Вслед за этим соответствующий предохранитель плавится и отделяет поврежденную цепь тока от сети. Затем возникает короткий импульс перенапряжения, причем продолжительность и сила посадки зависят от импеданса сети и тока повреждения.
Другими возможностями низкоомной посадки напряжения сети являются любые виды коротких замыканий в питающей сети.
В названных примерах, касающихся низкоомной посадки напряжения сети, и при одновременном возврате энергии через преобразователь тока в ту же сеть, ток электродвигателя сразу же нарастает в соответствии с ЭДС и индуктивностью якоря плюс импеданс сети до тех пор, пока блок срабатывания не вызовет отключение гасящего устройства. Среднее время отключения, т.е. время, пока ток электродвигателя не упадет до нуля, составляет около 5 мс. Возможные пики перенапряжения при повторном включении напряжения сети ограничены, как описано выше.
При отключении главного контактора непосредственно перед преобразователем тока коммутирующие индуктивности и индуктивность якоря должны быть разряжены. Это достигается за счет постоянно находящегося в состоянии вмешательства ограничения напряжения сети, как описано выше. При этом не происходит опрокидывания инвертора, однако без такой защиты от перенапряжений в большинстве случаев происходит поперечное зажигание. Спад энергии происходит в основном в главном контакторе, чего, однако, можно избежать уже вследствие износа контактов.
При отключении питающего трансформатора, например, до уровня среднего напряжения благодаря более высокому внутреннему сопротивлению сети не происходит заметного повышения тока (при опрокидывании инвертора). Определенные тиристоры в преобразователе тока, однако, больше не гасят, и следствием является поперечное зажигание. Это обстоятельство своевременно обнаруживается, и гасящее устройство вызывает отключение тока. Возможные перенапряжения за счет размагничивания названного трансформатора также ограничены гасящим устройством (диодный мост V41, …, V46 через V47, V48 на С3 параллельно ограничителю напряжения).