Намитоков - Аппараты для защиты полупроводниковых устройств (1988)

Намитоков К. К. Аппараты для защиты полупроводниковых устройств.1988.

Рассмотрены аварийные режимы работы полупроводниковых устройств и требования, предъявляемые к системам их защиты.  Описаны существующие виды аппаратов защиты, дан анализ факторов, определяющих защитные характеристики. Для инженерно-технических работников, занимающихся  разработкой и эксплуатацией полупроводниковых устройств и аппаратов  защиты для них.

Предисловие

В последние годы широкое применение получили  мощные полупроводниковые (статические) преобразователи электрической энергии на всех стадиях ее генерирования, распределения и потребления. Одной из особенностей  полупроводниковых преобразователей, как и вообще других полупроводниковых устройств, является низкая  перегрузочная способность по току. Эта особенность привела к  появлению новых специфических требований по их токовой защите, возможность удовлетворения которых с помощью классических аппаратов защиты  электромагнитных  автоматических выключателей и плавких предохранителей — стала проблематичной. Возникла необходимость целенаправленного поиска  путей создания соответствующих средств защиты различных видов полупроводниковых устройств от аварийных токовых перегрузок. Вначале были сделаны попытки для их защиты использовать традиционные аппараты защиты — электромагнитные выключатели и плавкие предохранители,  которые могли обеспечить требования защиты лишь в  минимальной степени и то при больших «запасах прочности» по токовой перегрузке полупроводниковых устройств.

В дальнейшем усилия были направлены на поиск  компромиссных решений, с одной стороны, путем смягчения  требований защиты (а следовательно, сохранения  определенного резерва нагрузочной способности полупроводниковых устройств) и с другой — некоторого улучшения защитных характеристик традиционных аппаратов защиты.  Основными предъявляемыми к последним требованиями явились быстродействие и высокая предельная коммутационная способность. Быстродействие у плавких предохранителей достигается достаточно просто путем повышения плотности номинального тока, правда, за счет ухудшения других их защитных характеристик и надежности. В то же" время имеются принципиальные трудности по достижению  необходимого уровня быстродействия электромагнитных  автоматических выключателей, диктуемого условиями  эксплуатации современных полупроводниковых устройств. Следует заметить, что и в настоящее время он еще не достигнут, хотя совершенствование их конструкции активно  проводится во всех технически развитых странах. В связи с этим наряду с совершенствованием традиционных аппаратов  защиты появилась большая группа специализированных устройств защиты, имеющих те или иные преимущества перед электромагнитными автоматическими  выключателями и плавкими предохранителями. Это полупроводниковые (тиристорные) выключатели, вакуумные выключатели с принудительной коммутацией, импульсные дуговые  коммутаторы, взрывные коммутаторы, самовосстанавливающиеся предохранители и др. Следует заметить, что до сих пор идут дискуссии о целесообразности применения и  перспективности развития автоматических выключателей или предохранителей как аппаратов защиты  полупроводниковых устройств. В то же время практический опыт говорит о том, что усовершенствованные варианты и  автоматических выключателей, и плавких предохранителей пока что остаются в общем наиболее эффективными аппаратами защиты, имеющими, однако, свои достоинства и  недостатки. Поэтому возможность и целесообразность их  применения нужно решать каждый раз с учетом тех или иных  конкретных условий. К .тому же следует иметь в виду, что эти аппараты очень широко распространены, постоянно  совершенствуются и причин для ограничения темпов их  развития и применения в будущем авторы не видят. Настоящая книга является попыткой  систематизированного изложения основных вопросов теории и практики  аппаратов защиты силовых полупроводниковых устройств. Авторы старались отразить не только современное  состояние рассматриваемых вопросов, но и перспективы их  решения.

При написании книги авторы широко использовали  результаты собственных работ, выполненных в В.НИИэлектроаппарат и Харьковском институте инженеров  коммунального строительства. Авторы выражают искреннюю признательность И. Д. Беликову, взявшему на себя большой труд по  редактированию рукописи, а также рецензенту А. А. Саковичу за ценные замечания.

Глава первая

СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ ЗАЩИТЕ

1.1. Виды, назначение и конструкция силовых полупроводниковых устройств

В индустриально развитых странах примерно половина всей электрической энергии, производимой при  синусоидальной форме напряжения базовой частоты, используется в преобразованном виде, для чего применяются силовые полупроводниковые преобразователи. Они могут быть классифицированы на основе различных признаков  (область применения, уровень мощности, способ охлаждения, конструктивное исполнение и т. п.). Наиболее общей  является классификация силовых полупроводниковых  преобразователей по виду преобразования энергии, основанная на функциональном признаке.

Основными видами преобразования энергии являются: 1) выпрямление — преобразование переменного тока в  постоянный; 2) инвертирование — преобразование  постоянного тока в переменный; 3) преобразование частоты —  преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты; 4) преобразование постоянного  напряжения в постоянное напряжение другого значения; 5)  преобразование 'формы кривой тока; 6) преобразование числа фаз. Используется также сочетание нескольких видов  преобразования энергии. В соответствии с видами преобразования энергии  классифицируются и собственно преобразователи,  подразделяясь на выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и т. д.

Широкое распространение силовых полупроводниковых преобразователей вызвано их неоспоримыми  преимуществами по сравнению с другими преобразователями — электромашинными, ионными, магнитными и контактными. Это малые габаритные размеры и масса, высокие  регулировочные характеристики и энергетические показатели, простота и надежность эксплуатации. В настоящее время получили большое распространение крупные группы мощных преобразовательных установок, обслуживающих металлургический электропривод,  электролиз, электроподвижной состав, вращающиеся установки бесщеточного возбуждения, дуговые вакуумные печи,  электротехнологию. Интенсивно развиваются сравнительно  новые области применения преобразователей — линии  электропередачи на постоянном токе, ядерная физика,  электросварка, автомобилестроение, робототехника и др. Можно утверждать, что внедрение силовых полупроводниковых преобразователей характерно для всех отраслей  промышленности.

Одной из последних областей применения  полупроводниковых преобразователей стал частотно-регулируемый электропривод для автоматического регулирования  режимов работы компрессоров магистральных нефте- и  газопроводов. Силовые полупроводниковые преобразователи используются для экономичного преобразования  электрической энергии при автоматизации производственных  процессов (электропривод для станков и т. п.), машин по  переработке и производству пластмасс, синтетических пленок и волокон, перемешивания металла, высокочастотного  нагрева, механизации трубопрокатных и трубоэлектросварочных производств; в горнодобывающей промышленности — для питания высокопроизводительных насосов, вентиляторов, компрессоров и т. д. Отдельной и очень важной областью использования полупроводниковых преобразователей  являются устройства питания для ЭВМ.

В СССР первый силовой полупроводниковый  преобразователь на тиристорах мощностью 5000 кВт применен в 1967 г. для блюминга 1150 Коммунарского  металлургического завода. С тех пор разработано и внедрено множество преобразовательных установок для питания главных цепей двигателей в электроприводах постоянного тока прокатных станов. К ним можно отнести тиристорные  преобразователи серий ТПР, ТПН, ТВР, AT, ATP, КТУ и др.  Номинальные токи этих преобразователей составляют 63—6300 А при напряжении 230—1050 В и мощности нагрузки до 12,5 МВт. Для их работы характерны непрерывные циклические  нагрузки. В аварийных режимах происходит переход в  генераторный режим (для контуров с большой  индуктивностью), при котором вырабатывается противо-ЭДС. Силовая часть преобразователей может содержать различное количество параллельно соединенных вентилей (от 1 до 30) и иметь системы управления самой различной сложности вплоть до использования микропроцессоров. Для питания электролизных ванн в цветной  металлургии применяются силовые выпрямительные установки  типов ВАКД, ВАКВ, ПКВ, АВП и др. на номинальный ток до 100 кА при напряжении до 1000 В. Эти установки  характеризуются большим количеством параллельно  соединенных неуправляемых вентилей, сравнительно стабильной нагрузкой, отсутствием режимов частых перегрузок и  аварий, необходимостью обеспечения непрерывности питания. Последние исследования показали, что интенсификация процесса электролиза цветных и редких металлов может быть достигнута с помощью нестационарного тока,  амплитуда, форма и полярность которого меняются с  определенной частотой и скважностью. С этой целью можно  использовать диодно-тиристорные или тиристорные выпрямители, позволяющие автоматически поддерживать необходимое значение выпрямленного напряжения или изменять его по заданной программе, что обеспечивает наиболее  рациональное использование оборудования с реализацией  прогрессивного технологического процесса. Индуктивность в контуре здесь невелика, а аварийный ток достигает сотен килоампер.

В преобразователях для тягового электропривода  подвижного состава помимо преобразования энергии  обеспечивается регулирование режимов .питания двигателей постоянного и переменного тока. Особенностью этих  преобразователей является эксплуатация в условиях  непрерывных механических воздействий, циклических токовых  перегрузок, большой индуктивности нагрузки, широкого  диапазона климатических воздействий, а также ограниченных габаритных размеров и массы. Для вращающихся преобразователей систем  бесщеточного возбуждения характерны высокие ускорения (до 60000 м/с2), весьма ограниченный объем и требования  малого разброса по массе (по условиям балансировки ±0,5%). Основным силовым звеном бесщеточной системы возбуждения является возбудитель переменного тока,  состоящий из обращенного синхронного генератора и  вращающегося выпрямителя. Как правило, нагрузкой  преобразователей в этих случаях являются обмотки  возбуждения электрических машин с большой индуктивностью. Преобразователи частоты для печей электрошлаковой переплавки, руднотермических печей и т. п.  характеризуются большими номинальными токами (до 200 кА)  частотой 0,5—12,5 Гц и большим числом параллельно  включенных вентилей. Нагрузка (электрическая дуга) — чисто  активная, и постоянная времени контура не превышает 10 мс.

Типичную конструкцию силового полупроводникового преобразователя рассмотрим на примере тиристорного  преобразователя серии ТПЗ мощностью 1000—12 000 кВт  производства ПО ХЭМЗ [1.1]. Преобразователь состоит из преобразовательной секции и комплектного оборудования, включающего в себя силовой трансформатор,  сглаживающие (или уравнительные) реакторы, коммутационную и защитную аппаратуру, шунты, датчики тока на герконах, трансформаторы тока.

Каждая преобразовательная секция состоит из одной или нескольких вентильных секций и щита управления. Вентильная секция, являющаяся конструктивной единицей, состоит из одного или двух силовых шкафов и шкафа  ввода. Каждый силовой шкаф содержит несколько вентильных блоков серии ВВП, образующих трехфазный мост, в  каждом плече которого включено параллельно от 8 до 32  тиристоров в зависимости от мощности нагрузки. Вентильный блок ВВП содержит две параллельные ветви, каждая из которых представляет собой последовательное соединение тиристора Т2-320, быстродействующего предохранителя ПП57 и индуктивного делителя тока. С помощью силовых и штепсельных разъемов 'блок включен в общую  электрическую схему вентильной секции. Щит управления содержит функциональные блоки  системы управления, блоки узла защиты от перенапряжений, трансформаторы, резисторные сборки, измерительные  приборы и т. п. Функциональными блоками системы  управления являются блоки: фазового управления (БФУ),  размножения импульсов (БРИ), усилителя импульсов (БУИ),  резисторов (БР), управления режимами (БУР), питания |'(БП), смещения (БС), регулятора тока (БРТ), реле "!(БРЛ).

В качестве силовых трансформаторов используются масляные двухобмоточные трансформаторы серий ТМП мощностью 2500—20 000 кВ-А, имеющие одну или две  вторичные обмотки в зависимости от схемы преобразователя. Межфазное напряжение сетевых обмоток трансформатора составляет 6 и 10 кВ. Межфазные напряжения вентильных обмоток и напряжения преобразователя равны  соответственно 570 и 660, 710 и 825, 900 и 1050 В. Напряжение КЗ трансформаторов этой серии составляет 5,5—9%. Для  снижения пульсаций выпрямленного напряжения  используются сглаживающие реакторы типа ФРОС. Структурная схема нереверсивного преобразователя,  выполненного по трехфазной мостовой схеме, показана на рис. 1.1. Силовое питание на выпрямительный мост В  подается со стороны высокого напряжения через  разъединитель Р, масляный выключатель MB и силовой  понижающий трансформатор Т. Разъединитель и масляный  выключатель в комплект поставки не входят. Оперативное  напряжение для питания вентиляции, системы блокировок и сигнализации поступает в схему через автоматический  выключатель АВ1. Через этот же выключатель и  дополнительный выключатель АВ2 обеспечивается питание для блока питания БП1 системы управления и блока  усилителей импульсов БУИ. Второй блок питания БП2 получает синхронизированное с силовым опорное напряжение от специального источника через выключатель АВЗ. В этом блоке формируются синусоидальные и постоянные  напряжения для питания блока фазового управления БФУ. Нагрузка подключается через быстродействующий  автоматический выключатель АВБ и сглаживающий реактор Р. Контроль наличия напряжений всех видов и состояния MB и АВБ осуществляется блоком БРЛ. Состояние предохранителей в вентильных секциях В контролируется в  блоке предупредительной сигнализации БПС. Защита  тиристоров от перенапряжений осуществляется с помощью  блока УЗ, состоящего из вентилей и конденсаторов.  Преобразователь управляется с помощью регулируемого  напряжения иу, поступающего на БФУ. Импульсы,  вырабатываемые в БФУ, через БУИ поступают на вход моста В.