книги из ГПНТБ / Вершинин П.П. Применение синхронных электроприводов в металлургии
.pdfkn— коэффициент, учитывающий падение напря жения в вентилях, щетках, шинах и на дрос селе, kn— 1,08-7-1,1.
Ток во вторичной обмотке трансформатора при мос товой схеме выпрямления протекает оба полупериода.
А В С
Рис. 40. Трехфазное выпрямление:
а — схема двухполупериодного трехфазного выпрямления; б — кривые фаз ного напряжения; в — кривые линейного напряжения; г — кривая тока че
рез вентиль
В положительный полупериод ток протекает через вен тиль в данной фазе катодной группы, в отрицательный полупериод — через вентильанодной группы. Форма кривой тока через вентиль при мгновенной коммутации и активно-индуктивной нагрузке близка к прямоуголь ной (рис. 40), время протекания за период составляет 1/3 Т. Действующее значение вторичного тока трансфор матора при соединении его обмотки звездой
4 = M /tA.T, |
(ш-10) |
где |Зг — коэффициент выпрямления по току, при мгно венной коммутации
fc-l/ г г т -тт- |
<ш-“ > |
при угле коммутации.ун, который определяется по дан-
120
Иым [37] в зависимости от напряжения короткого замы кания предварительно выбранного трансформатора
(ИМ 2)
&3.t — коэффициент запаса по току, который учитывает
отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной; k3r= l , l .
При соединении обмоток трансформатора треуголь ником найденную по выражению (Ш-10) силу тока сле дует поделить на ] / Х Расчетная мощность трансфор матора
5 = 1/3 UMIt кВА. |
(Ш-13) |
Согласно ГОСТ 14209—69, трансформаторы допуска ют 100%-ную перегрузку по току в течение 10 мин. По этому в выражении (Ш-13) возрастание силы тока в режиме форсировки можно не учитывать.
5. ЗАЩИТА ТИРИСТОРОВ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ЦЕПЯХ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Тиристоры, как и другие силовые полупроводниковые приборы, весьма чувствительны к перенапряжениям. Пробой тиристоров повышенным напряжением необра тим и ведет к выходу его из строя. Поэтому защита от перенапряжений является важнейшим условием надеж ной эксплуатации1тиристорных преобразователей.
В цепях возбуждения синхронных двигателей усло вия работы тиристоров, с точки зрения перенапряжений, наиболее тяжелые. Чрезмерные перенапряжения на вен тилях возникают в переходных режимах как со стороны сети, так и со стороны обмотки возбуждения. Особенно опасны гармонические перенапряжения на зажимах вы прямительного моста со стороны постоянного тока в ре жиме пуска двигателя. Поэтому при переводе синхрон ных машин на тиристорное возбуждение с использова нием типовых тиристорных преобразователей узлы за щиты от перенапряжений приходится усиливать. Спосо бы защиты тиристоров от перенапряжения зависят от схемы включения их в цепь возбуждения синхронного двигателя.
121
В синхронных электроприводах применяются следу ющие системы возбуждения с применением тиристорных преобразователей:
1) с глухоподключенным преобразователем и нели нейным разрядным сопротивлением, шунтирующим об мотку возбуждения (рис. 41, а);
2)с глухоподключенным преобразователем и линей ным разрядным сопротивлением, шунтирующим обмот ку возбуждения на время пуска двигателя (рис. 41,6);
3)с отключаемым преобразователем и линейным разрядным сопротивлением; в этой системе обмотка воз буждения подключается при пуске к разрядному сопро тивлению, а после достижения подсинхронной скорости подключается к возбудителю (рис. 41, в). Системы с от ключаемым преобразователем встречаются сравнитель но редко при переводе на тиристорное возбуждение ра ботающих электроприводов.
В приведенных системах возбуждения перенапряже ния, возникающие на вентилях, можно классифицировать
вследующие группы:
1)перенапряжения на стороне переменного тока;
2)перенапряжения на стороне постоянного тока;
122
3) коммутационные перенапряжения, возникающие при включении и отключении вентилей.
Защита вентилей от перенапряжений на стороне переменного тока
Перенапряжения на стороне переменного тока возни кают в момент, коммутации индуктивных нагрузок в пи тающей сети и обусловлены запасом энергии в них. При воздушных питающих вводах переменного тока возмож ны также атмосферные перенапряжения. Эти перенапря жения, распространяясь от места возникновения вдоль линии к согласующему трансформатору, частично отра жаются, а частично передаются во вторичную цепь трансформатора на вход преобразователя.
Наиболее опасные перенапряжения возникают при отключении от сети согласующего трансформатора на холостом ходу. Они обусловлены протеканием в первич ной цепи намагничивающего тока, который при отклю чении вызывает э. д. с., значительно превышающую при ложенное напряжение.
Испытания показали, что при других видах коммута ции (отключение трансформатора под нагрузкой, ава рийное отключение тока короткого замыкания, включе ние трансформатора на нагрузку или вхолостую) возни кают меньшие перенапряжения. При групповом питании преобразователей от общего разделительного трансфор матора возможны также перенапряжения, возникающие в аварийных режимах на стороне постоянного тока од ного из преобразователей и передаваемые через цепь переменного тока на параллельно включенные преобра зователи.
В период опытной эксплуатации системы тиристор'ного возбуждения на одном из синхронных двигателей бы ли зафиксированы перенапряжения в момент перекрытия по коллектору генератора постоянного тока, обмот ка возбуждения которого питается от тиристорного преобразователя, подключенного параллельно с испы тываемым к общему трансформатору. Перенапряжения вывели из строя защиту, рассчитанную на более тяже лый режим.
Если пренебречь активным сопротивлением и индук тивностью рассеяния обмотки трансформатора, то на пряжение на первичной обмотке трансформатора в мо
123
мент отключения его от сети на холостом ходу можно определить по выражению
U = 1хт Гоsin Фг е |
— y - t |
, |
(HI-14) |
|||
|
||||||
где |
1хт— амплитудное |
значение |
намагничивающего |
|||
|
|
тока трансформатора; |
|
от |
||
|
ф(-— фазный |
угол, при котором произведено |
||||
|
|
ключение; |
|
|
|
|
|
г0— сопротивление, эквивалентное потерям в сер |
|||||
|
|
дечнике; |
|
|
|
|
|
L — индуктивность магнитной цепи. |
при |
||||
Максимальное |
перенапряжение, |
возникающее |
||||
/ = 0 |
и ф*= |
я/2, равно Umax= I xmr0. . |
|
|
||
Подставив |
10т= -^12-, |
получим |
|
|
||
|
|
coLp |
|
|
|
|
и тю = и 1т-^~. |
|
|
(HI-15) |
|||
|
|
со 141 |
|
|
|
|
Коэффициент перенапряжения
=•
1т
~3808
Рис. 42. Схема защиты от пере напряжений встречно параллель ным включением, тиристоров и диодов
(III-16)
Величина коэффициента перенапряжения для типо вых трансформаторов дости гает &£/=8-М0. В реальных установках часть электро магнитной энергии, запасен ной в магнитном поле транс форматора, поглощается в дуге, возникающей между контактами выключателя. Поэтому перенапряжения становятся несколько ниже, однако превышают допусти мые значения для вентилей.
Наиболее распространен ным способом защиты вен тилей от перенапряжений на стороне переменного тока является применение элек трических цепочек RC на входе трансформатора
(рис. 42),
124
Назначение емкости, включаемой параллельно обмоткам транс форматора, можно объяснить следующим. Максимальная величина запасенной в трансформаторе магнитной энергии в момент отключе ния равна
(IIM 7)
Эта энергия при идеальном отключении преобразуется в энергию электрического поля межобмоточной емкости трансформатора, кото рая равна
|
= |
(ИЫ8) |
где |
С — межобмоточная емкость трансформатора; |
|
|
У ст — максимальное |
напряжение на межобмоточной емкости |
|
трансформатора, которое равно напряжению на зажимах |
|
|
трансформатора и выпрямительного моста. |
|
|
Приравняв выражения |
(III-17) и (Ш-18) и решив относительно |
У с т , П О ЛУЧ И М |
|
|
|
У ctn |
(Ш-19) |
Из выражения (Ш-19) следует, что с увеличением емкости С
перенапряжение уменьшается. Поэтому параллельно обмотке транс форматора подключают дополнительную емкость. Для ускорения процесса затухания перенапряжений последовательно с емкостью включают активное сопротивление R .
Параметры цепочки RC рекомендуется выбирать по формулам:
С - 3 - 1 0 4 |
s |
МКФ; |
|
(III-20) |
||
|
|
|
k lu \ |
|
|
|
t f - 4 - 1 0 - 3 kuUl |
Ом, |
|
(Ш-21) |
|||
|
|
|
S |
|
|
|
где |
5 — мощность трансформатора, |
кВА; |
||||
|
ku — допустимый |
коэффициент, перенапряжений |
||||
|
|
|
при отключении; |
|
||
и |
= —Чш}—.; |
|
|
(Ш-22) |
||
и |
и п |
• |
’ |
|
|
|
|
кз и |
2т |
|
|
|
|
|
t/доп—-допустимое |
напряжение |
на зажимах |
|||
|
|
|
моста; |
|
|
|
|
k 3 — |
коэффициент запаса, равный 1,5- |
||||
125
Выделяемая в цепочке RC активная мощность опре деляется по формуле
P = 3R = 9 Ra? С2 и\. (Ш-23)
У У —
ЗсоС
П р и м е р . Определить параметры цепочки R C для защиты ти
ристоров от перенапряжений со стороны переменного тока, возника ющих при отключении согласующего трансформатора ТС-63/0,5. Мощ ность трансформатора 5 = 63 кВА, линейное напряжение первичной стороны U i= 3 8 0 В, напряжение вторичной стороны £/2 = 230 В. Ти
ристорный преобразователь типа ПТТ-230-320, длительная мощность
46 кВт.
Допустимое напряжение двух тиристоров Т-150 четвертого клас
са £/1 дОП= 800 |
В, допустимый коэффициент перенапряжения |
||||
|
^1 доп |
|
800 |
1,65. |
|
|
h U2т |
|
= |
||
|
1,5 У 2 -230 |
|
|
||
Тогда С = 3 - 104 |
63 |
4,8 |
мкФ; |
||
= |
|||||
|
|
|
1 ,652-3802 |
|
|
= |
1.65-3802 |
|
|
||
4 - 1 0 - ? - ----2— |
= 1 5 , 1 Ом. |
|
|
||
|
|
63 |
|
|
|
Мощность, рассеиваемая в разрядных сопротивлениях |
|||||
Р |
= 9-15,1 -3142-4,8 М 0 - 12-3802 = |
45 Вт. |
|||
Применяют различные схемы включения защитных цепочек RC. Наиболее распространена схема включения треугольником (рис. 42). Защитный контур подключа ется к зажимам выпрямительного моста.
Защита тиристоров от перенапряжений на стороне постоянного тока
Перенапряжения на стороне постоянного тока возни кают в следующих режимах. В системах возбуждения с глухоподключенным тиристорным возбудителем мак симальные перенапряжения на вентилях возникают при пуске двигателя.
Тиристорный преобразователь во время пуска двига теля заперт, т. е. на управляющие электроды вентилей не подаются отпирающие импульсы. Отпирание тиристо ров при пуске привело бы к закорачиванию обмотки возбуждения и чрезмерной силе тока от положительной
126
полуволны индуктированного в обмотке напряжений, а также к снижению пускового момента вследствие яв ления одноосного включения.
В системах с отключаемым возбудителем наиболее опасные перенапряжения обусловлены запасом энергии в обмотке возбуждения и появляются в момент отключе ния преобразователя или обмотки под нагрузкой в режи ме форсировки.
При пуске синхронного двигателя в обмотке возбуж дения индуктируется э. д. с. скольжения, величина кото рой превышает допустимые значения для используемых вентилей. В мощных двигателях, например, величина напряжения на разомкнутой обмотке возбуждения при пуске достигает нескольких тысяч вольт.
Для понижения напряжения на обмотке и вентилях преобразователь во время пуска двигателя шунтируют разрядным сопротивлением — линейным или нелиней ным. Разрядное сопротивление одновременно служит для улучшения пусковых характеристик двигателя и га шения поля. В конце пуска линейное сопротивление от ключают во избежание излишних потерь электроэнер гии. Нелинейное сопротивление остается включенным, однако величина его в рабочем режиме велика, а поте ри энергии незначительны.
Расчет нелинейного разрядного сопротивления
Применению нелинейных разрядных сопротивлений в системах возбуждения синхронных двигателей с точки зрения надежности, отдается предпочтение, так как они исключают необходимость каких-либо переключений в цепи возбуждения. Однако применение нелинейных со противлений связано - с дополнительными потерями электроэнергии в рабочих режимах. Поэтому, если пуск двигателя осуществляется редко, то использование не линейных сопротивлений необходимо экономически обосновать.
В качестве разрядных нелинейных сопротивлений применяют тервитовые или вилитовые шайбы. Расчет нелинейного разрядного сопротивления сводится к выбо ру типа шайб (дисков) и определению их числа при по следовательном и параллельном соединении для получе ния заданной вольтампернои характеристики. Темпера тура нагрева шайб не должна превышать допустимую.
127
Число последовательно соединенных шайб т опреде ляют исходя из допустимой мощности рассеивания в ра бочем режиме двигателя по формуле
т ^ uJ±hL ( |
|
|
|
|
|
(III-24) |
|||
|
|
"доп |
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
гш— длительно |
допустимая |
сила |
тока шайбы; |
||||
|
|
■Рдоп— допустимая мощность |
рассеивания |
шайбы |
|||||
|
|
|
находится |
по характеристике |
Рдоп— /(0) |
||||
|
|
|
выбранных шайб; |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 — допустимый перегрев шайбы. |
|
|
|
||||
На рис. 43 приведена характеристика |
.Рдоп= /(0 ) |
||||||||
тервитовых шайб типа ТШ-2. |
|
|
|
|
|
||||
Приняв допустимую |
температуру нагрева |
шайбы |
|||||||
Тдоп— 200° С, |
а температуру окружающей |
среды |
40° С, |
||||||
|
|
|
|
определим |
0 = 200—40 = 160° С. |
||||
|
|
|
|
Допустимая мощность рас |
|||||
|
|
|
|
сеивания |
соединенных |
шайб |
|||
|
|
|
|
ТШ-2, согласно рис. 43, равна |
|||||
о |
го |
во |
WO т е х |
50 Вт. Как правило, число пос |
|||||
Рис. |
43. |
Характеристика тер |
ледовательно |
соединенных |
|||||
витовых шайб ТШ-2 |
шайб |
не превышает т = 1-У2. |
|||||||
|
|
|
|
Число |
параллельно |
соединен |
|||
ных шайб п определяют по допустимому напряжению на вентилях преобразователя во время пуска двигателя и находят методом аналитической аппроксимации вольтамперной характеристики нелинейного сопротивления
U=mA . (Ш-25)
где а — коэффициент нелинейности волътамперной ха рактеристики шайбы; а=0,3-УО,4; для ТШ-2 а=0,37.
Подставив в выражение (Ш-25) значение допустимо го напряжения на роторе П/д0Ш равное для мостовой схемы удвоенному максимальному напряжению выбран ного класса тиристоров с учетом запаса и значение пу
скового тока ротора Ifm, решим относительно
па = т А |
(III-26) |
U f доп
Наибольшая сила тока, в обмотке ротора lfm при пуске равна удвоенной амплитуде вынужденной состав ляющей тока ротора, определяемой из схемы замещения
128
двигателя по продольной оси при скольжении s = l [39]. Коэффициент А определяется по вольтамперной ха рактеристике выбранных шайб, например для шай
бы ТШ-2 |
коэффициент Л =200. Общее число шайб рав |
|
но тп. |
|
|
Суммарная мощность рассеивания в нелинейном со |
||
противлении в рабочем |
режиме двигателя равна . |
|
АР = |
Рдоп тп. |
(IH-27) |
. Выбранное нелинейное сопротивление проверяют на нагрев в период пуска двигателя ориентировочно методом линеаризации вольтамперной характеристики. Для этого определяют статическое сопротивление нелинейного элемента в режиме пуска двигателя
Ujn
(Ш-28)
Ifn
где Ufm — максимальное напряжение на обмотке возбуждения, под считанное по выражению (Ш -26) после выбора т и п .
М ощность, выделяемая в нелинейном сопротивлении за период пуска
Р ,с = / ^ с т . |
(Ш-29) |
Греющая мощность в каждом элементе нелинейного сопротив ления
Рэ |
рн.с |
(III-30) |
|
тп |
|||
|
* |
Время пуска определяют по известной методике для двигателей
с10-кратным сопротивлением в цепи ротора [32]. Энергия, выделяющаяся в элементе
= Рэ t. |
(Ш-31) |
Приняв процесс охлаждения адиабатическим, перегрев элемента |
|
определяют по выражению |
|
0 = 0наг + ----- , |
(Ш-32) |
ПТ-шСш |
|
г д е т ш, сш — масса и теплоемкость шайбы; ■ 0наг~ предварительный перегрев.
Если перегрев, полученный по выражению (Ш-32), превышает допустимый, то между шайбами устанавливают охладители в виде металлических дисков. Тогда перегрев элемента находят по формуле
0 = 0наг |
w9 |
(Ш-ЗЗ) |
|
т 0Гр -f- |
|||
|
т т ст |
где т 0, с0— масса и теплоемкость охладителя.
9—1081 |
129 |