Układ szeregowy Odb. Us0 Uo Ud Ud (a) Układ szeregowy Odb. 2 Uo 1kUd UsUd Odb. 1 Uok Ud (b)
Rysunek 2.9: Sytuacje awaryjne z udziałem układu szeregowego: (a) zwarcie po stronie zasilania; (b) przerwa po stronie zasilania, gdzie k jest współczynnikiem podziału napięcia zależnym od impedancji odbiorników
Odb.
Us Uo
Is
Rysunek 2.10: Zabezpieczenie pasywne – układ bocznikujący transformator dodawczy
2.5 Zabezpieczenia układu szeregowego
Następujące sytuacje są klasyfikowane jako sytuacje awaryjne i układ szeregowy powinien w szczególny sposób być chroniony w przypadku ich wystąpienia:
1. Zwarcie, lub przetężenie po stronie odbiornika – prąd płynący przez sieć przepływa przez wszystkie elementy układu szeregowego, narażając cieplnie uzwojenia transformatora i elementy półprzewodni-kowe.
2. Zwarcie, lub przerwa po stronie zasilania – w tej sytuacji linia z układem szeregowym jest odcięta od źródła zasilania i jedynym źródłem energii jest układ szeregowy – rysunek 2.9.
3. Niekontrolowany wzrost napięcia po stronie prądu stałego – najczęściej w momencie kompensacji wzrostu napięcia, a także przetężenia i zwarcia po stronie odbiornika. Narażone są przede wszystkim kondensatory strony DC i elementy półprzewodnikowe [11].
4. Awaria łącznika półprzewodnikowego – sytuacja mająca szczególne znaczenie w układach beztrans-formatorowych ponieważ przerwany zostaje obwód prądowy i chroniony odbiornik jest pozbawiony zasilania [10, 160].
2.5.1 Zabezpieczenie przed zwarciami
Ze względu na sposób traktowania prądu zwarciowego zabezpieczenia układu szeregowego można podzielić na:
∙ Aktywne – wpływające na prąd zwarciowy – zapewnione jest odpowiednie sterowanie łącznikami prze-kształtnika tak, aby ograniczyć płynący prąd i nie dopuścić do nadmiernego wzrostu napięcia na kondensatorach strony DC falownika [30, 86, 38, 13].
∙ Pasywne – nie wpływające na prąd zwarciowy – polegające na zbocznikowaniu zbyt dużego prądu sieci, aby nie przepływał on przez elementy wrażliwe [103, 105, 112].
Zabezpieczenia aktywne nadają układowi szeregowemu nową funkcjonalność – ogranicznika prądów zwarcio-wych (ang. fault current limiter, FCL).
Najprostsza i najpowszechniejsza metoda zabezpieczenia polega na zapewnieniu alternatywnej drogi dla prądu sieci, bocznikującej transformator dodawczy (ang. bypass) – rysunek 2.10. Sieciowe zabezpieczenia zwarciowe działają z pewną zwłoką, wynoszącą zależnie od rodzaju sieci od kilkunastu okresów podstawej
T1 OFF T2 OFF T4 OFF T3 OFF UDC (a) T1 OFF T2 ON T4 ON T3 OFF UDC (b)
Rysunek 2.11: Droga prądu w stanie zwarcia: a) przy wyłączonych wszystkich łącznikach falownika – stan OFF; b) łączniki zwierające stronę AC falownika – stan NULL
harmonicznej nawet do kilku sekund. Zabezpieczenie układu szeregowego musi zadziałać bezzwłocznie i zabezpieczyć układ do czasu zadziałania zabezpieczenia sieciowego. Z tego względu jako łączniki powinny zostać wykorzystane elementy półprzewodnikowe np. dwa przeciwsobnie połączone tyrystory SCR (rys. 2.10). Transformator dodawczy włączony jest szeregowo, tzn pracuje w sposób analogiczny do przekładnika prą-dowego (transformator prądowy). Z tego też względu w wyniku działania zabezpieczeń strona przekształtnika nie może zostać rozwarta.
Obwód prądu strony przekształtnika podczas zwarcia przedstawia rysunek 2.11. Na rysunku tym przed-stawiona jest droga prądu podczas zwarcia w dwóch przypadkach sterowania przekształtnikiem:
1. Stan OFF – wszystkie łączniki wprowadzone w stan blokowania. Jest to klasyczna strategia zabez-pieczenia przekształtnika, jednak w przypadku układów szeregowych niewystarczająca – w dalszym ciągu istnieje zamknięty obwód przed diody rozładowcze. Przepływ prądów zwarciowych może pro-wadzić nie tylko do narażenia termicznego elementów półprzewodnikowych, ale także do znacznego naładowania kondensatora i wzrostu napięcia strony DC ponad dopuszczalną wartość.
2. Stan NULL – łączniki realizują zwarcie strony AC falownika i wyłączenie kondensatora z drogi prze-pływu prądu zwarciowego. Możliwe są dwie kombinacje łączeń:
∙ załączona para T2, T4 zwierająca ujemny potencjał kondensatora (NULL-n droga prądu poka-zana na rysunku 2.11(b))
∙ załączona para T1, T3 zwierająca dodatni potencjał kondensatora (NULL-p).
Prąd zwarciowy przepływa jednak przez łączniki półprzewodnikowe – muszą więc one być dobrane tak, aby nie została przekroczona ich krótkotrwała przeciążalność prądowa.
Bocznikowanie strony przekształtnika
W pracy [103, 105, 112] przedstawiono zabezpieczenie układu szeregowego z wykorzystaniem warystorów i tyrystorów po stronie przekształtnika. Schematycznie został on przedstawiony na rysunku 2.12.
Zabezpieczenie składa się z równoległego połączenia warystora i łącznika tyrystorowego z stroną wtórną transformatora dodawczego. Wykorzystywany jest fakt, że podczas przepływu prądów zwarciowych rdzeń transformatora dodawczego wchodzi w stan nasycenia. W tej sytuacji napięcie na zaciskach strony wtórnej transformatora jest odkształcone i o dużej wartości maksymalnej. Układ sterowania mierzy prąd w gałęzi warystora i jeżeli przekracza on pewną wartość graniczną, wytwarza impulsy załączające tyrystory. Prądy zwarciowe płyną przez tyrystory bocznikujące do momentu zadziałania zabezpieczeń sieciowych. Zabez-pieczany jest tylko przekształtnik – transformator dodawczy musi być zaprojektowany z uwzględnieniem przepływu prądów zwarciowych. Projektując tego typu zabezpieczenie należy właściwie dobrać warystor ze względu na wartość energii rozpraszanej w otoczeniu.
Dobór warystorów
2.5. ZABEZPIECZENIA UKŁADU SZEREGOWEGO Rth Cf Lf Łcznik bocznikujcy Warystor Łcznik tyrystorowy
Rysunek 2.12: Zabezpieczenie falownika według [103]
∙ Określenie znamionowego napięcia pracy
∙ Określenie chwilowej energii pochłanianej przez warystor ∙ Obliczenie wartości szczytowej prądu warystora
∙ Określenie wartości mocy rozpraszanej w otoczeniu
Najważniejszą wartością jest wielkość energii absorbowanej przez warystor i związana z tym wielkość energii rozpraszanej w otoczeniu. Te wielkości są bardzo trudne do określenia, gdyż zależą one od rodzaju zwarcia, czyli przebiegów przejściowych wytwarzających przepięcie [103]. Jest to też powód zastosowania tyrystorów
bocznikujących Rth– rysunek 2.12 – mają one za zadanie przejąć przewodzenie zbyt dużego prądu.
Całkowitą ilość energii pochłoniętej przez warystor można wyznaczyć ze wzoru
W =
Z T
0
uc(t)i(t)dt = KUcITTdur (2.24)
gdzie uc, i są wartościami chwilowymi napięcia i prądu warystora, Ucjest maksymalnym napięciem pracy, IT
jest wartością szczytową prądu, K jest współczynnikiem zależnym od kształtu prądu – na podstawie [105]
można przyjąć K = 0.637, Tdur jest czasem trwania przebiegu przejściowego. Tak obliczoną wartość można
porównać z danymi katalogowymi konkretnego warystora.
Z doborem warystora związany jest również dobór tyrystorów i opornika RT. Ze względu na taki sam
(lub większy) wymagany prąd szczytowy i większą wymaganą wartość rozpraszanej energii tyrystory powinny
mieć współczynnik I2t dwa razy większy, niż warystor [105]. Wartość rezystancji RT oblicza się korzystając
z charakterystyki prądowo-napięciowej warystora
RT = UN
IM T
(2.25)
gdzie UN jest napięciem znamionowym warystora, IM T jest szczytową wartością prądu mogącego przepłynąć
przez warystor w czasie 8 do 20 µs. Dodatkowo tak obliczona wartość RT musi być mniejsza niż rezystancja
wypadkowa warystora.
Inna metoda obliczeniowa została zaproponowana w [112]. Opiera się ona na znajomości zależności prądu warystora od napięcia na jego zaciskach. Można ją określić wzorem
i(t) = (ku(t))α (2.26)
gdzie α i k są danymi katalogowymi warystora. Wtedy średnią moc (rozpraszaną) warystora, przy założeniu sinusoidalnego napięcia można wyrazić zależnością
Pavg= Iα+1α
maxk−1Ki(α) (2.27)
gdzie Imax jest wartością szczytową prądu warystora, Ki(α) jest współczynnikiem zależnym od α równym
Ki(α) = 2Z π
0
sin (ωt)(α+1)dωt (2.28)
Wartość tej całki wyznaczana jest numerycznie – wykres zależności od α podany jest w [112]. Wzór (2.27) umożliwia określenie prądu maksymalnego warystora mając daną dopuszczalną, średnią wartość mocy roz-praszanej przez warystor.
UDC Rb Łcznik rozładowczy (a) UDC (b)
Rysunek 2.13: Rozładowanie kondensatora DC: a) rozładowanie przez rezystor rozładowczy; b) droga rozła-dowania przez transformator i filtr LC
2.5.2 Zabezpieczenie przed wzrostem napięcia w układzie pośredniczącym prądu stałego
Napięcie na kondensatorze po stronie DC falownika może wzrosnąć w następujących sytuacjach:
∙ Kompensacja wzrostów napięcia – zależnie od kąta między wskazami prądu sieci Ioi napięcia
dodaw-czego Ud w danej fazie
∙ Stosowanie strategii kompensacji wprowadzających rozsunięcie wskazów napięcia zasilania i odbiornika
– wartość iloczynu skalarnego Ioi Ud może być ujemna skutkując ładowaniem kondensatora
∙ Przepływ prądów zwarciowych – ponieważ ma on dużą wartość, nawet bardzo krótki przepływ (do czasu zadziałania zabezpieczeń) może skutkować szybkim wzrostem napięcia na kondensatorze Jeżeli kondensatory nie muszą być rozładowane natychmiast, można zmniejszyć napięcie zwracając
ener-gię do sieci zasilającej przez sterowanie położeniem wskazu Ud w stosunku do prądu Io, czyli wprowadzając
rozsunięcie między wskazami napięć zasilania i odbiornika.
Jeżeli napięcie kondensatora wzrośnie ponad jego wartość dopuszczalną, konieczne staje się zwarcie łącz-ników bocznikujących i wyłączenie falownika [11]. Samo bocznikowanie układu szeregowego może być niewy-starczające, gdyż w dalszym ciągu istnieje zamknięty obwód w którym może płynąć prąd – rysunek 2.13(b). Ponieważ elementy filtru LC i transformator dodawczy mają ograniczoną zdolność do rozpraszania energii, może dojść do narażenia cieplnego tych elementów.
W pracy [112, 11] zaproponowano użycie układu rozładowczego analogicznego do układu hamującego sto-sowanego w napędach przekształtnikowych – rysunek 2.13(a). Łącznik półprzewodnikowy (tranzystor IGBT)
załącza rezystor rozładowczy Rb zapewniając zmniejszenie napięcia DC. Szybkość rozładowania może być
kontrolowana przez modulację szerokość impulsu załączającego tranzystor rozładowczy. Wartość rezystancji
Rb może być obliczona ze wzoru [11]
Rb = Tdis
CDClnUDC, max
UDC, N
(2.29)
gdzie Tdis wymaganym czasem rozładowania, UDC, max, UDC, N są odpowiednio napięciem maksymalnym i
znamionowym strony prądu stałego przekształtnika.
2.5.3 Zabezpieczenie przed przerwaniem obwodu sieci
Układ szeregowy jest dodatkowym źródłem energii w systemie i nie może pracować poprawnie jeśli przerwana zostanie ciągłość obwodu po stronie sieci zasilającej, albo po stronie odbiornika [102]. Układ będzie próbował utrzymać znamionową wartość napięcia odbiornika w obwodzie utworzonym przez sąsiednie odbiorniki, lub pętlę zwarciową. W przypadku przerwy przez sąsiedni odbiornik będzie wymuszany przeciwny kierunek prądu – rysunek 2.9(b).
W przypadku zabezpieczania przed przerwami konieczne staje się wykrycie momentu wystąpienia prze-rwy. Sam pomiar napięcia może okazać się niewystarczający ze względu na sprzężenie między fazami przez transformator sieciowy, lub sąsiednie odbiorniki. W takim przypadku przerwa w jednej fazie może być mylnie