w avtoreferat wdw 2 -...

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ

Факултет по Електронна техника и технологии Катедра „Силова електроника”

маг. инж. Владислав Данчев Веселинов

ИЗСЛЕДВАНЕ НА АВАРИЙНИ ПРОЦЕСИ В СИЛОВИ

ЕЛЕКТРОННИ СХЕМИ

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

НА ДИСЕРТАЦИОНЕН ТРУД ЗА ПРИСЪЖДАНЕ НА ОБРАЗОВАТЕЛНА

И НАУЧНА СТЕПЕН ” ДОКТОР ”

Научно направление: 5.2.Електротехника, електроника и автоматика ”Електронни преобразуватели”

Научен ръководител: доц. д-р инж. Петър Трифонов Горанов

София

2011

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ

Факултет по Електронна техника и технологии Катедра „Силова електроника”

маг. инж. Владислав Данчев Веселинов

ИЗСЛЕДВАНЕ НА АВАРИЙНИ ПРОЦЕСИ В СИЛОВИ

ЕЛЕКТРОННИ СХЕМИ

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

НА ДИСЕРТАЦИОНЕН ТРУД ЗА ПРИСЪЖДАНЕ НА ОБРАЗОВАТЕЛНА

И НАУЧНА СТЕПЕН ” ДОКТОР ”

Научно направление: 5.2.Електротехника, електроника и автоматика ”Електронни преобразуватели”

Научен ръководител: доц. д-р инж. Петър Трифонов Горанов

Рецензенти: доц. д-р инж. Евгений Иванов Попов

проф. дтн. Димитър Иванов Димитров

София

2011

Дисертационният труд е докладван пред катедрен съвет на катедра ”Силова електроника” при ТУ - София и е одобрен от него за защита с протокол N:115 от 20.06.2011г.

Защитата на дисертацията ще се състои на 30.11.2011г. от 14,30ч. в зала 1434 на Технически Университет София, на открито заседание на научното жури. Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в канцеларията на Факултета по Електронна Техника и Технологии – стая 1332А на ТУ – София.

Изследванията по дисертационния труд са извършени в катедра ”Силова електроника” на ТУ – София, в научно изследователски център при ХТМУ – София и в дружество за научно изследователска дейност ”Елит - Нео” - София. Съдържание на автореферата

Обща характеристика на дисертационния труд 2

Глава 1. Класификация и анализ на вероятностните аварийни процеси в базовите силови електронни схеми. 4

Глава 2. Изследване на аварийните параметри в силовите преобразувателни системи, определящи тяхното техническо състояние и работен ресурс. 9

Глава 3. Теоретико – аналитични изследвания на процесите

при възникване на аварийни режими. 15

Глава 4. Практическо приложение на получените резултати и алгоритми за оптимизация на ефективната защита. 23

Заключение 29 Приноси 30 Авторски публикации по дисертацията и участия

в научни теми и проекти 31 Annotation 32

Автор: маг. инж. Владислав Данчев Веселинов Заглавие: Изследване на аварийни процеси в силови електронни схеми. Тираж: 50 бр. Печатна база на ТУ - София

Т е х н и ч е с к и У н и в е р с и т е т - С о ф и я

Изследване на аварийни процеси в силови електронни схеми. 2

ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Актуалност на проблема

Непрекъснатото схемно – конструктивно усъвършенстване и увеличаване количеството на функционалните възли в силовите електронни устройства (СЕУ), задържат нарастването на тяхната надеждност и водят до увеличаване на материалните, времеви и трудови разходи за техническото им обслужване. Интересът към тази проблематика е следствие на обективното нарастване на отговорността и сложността на съвременните СЕУ в условия на тяхната ограничена безотказност. Наложилата се употреба на силициеви прибори при мощните преобразувателни устройства, предопределя тяхната чувствителност към претоварвания, както и невъзможността за възстановяването им след топлинен или електрически пробив. Изискванията за надеждност често се удовлетворяват по пътя на значително снижаване натоварването на приборите, което неминуемо довежда до оскъпяване и увеличаване габаритите на устройствата. Освен това, фирмите производители на силови полупроводникови елементи гарантират такава продължителност на експлоатационният им срок, която да съвпада с моралното остаряване на апаратурата за която са предназначени. Такова твърдение има смисъл ако се предположи, че случайните и закономерни повреди в този тип прибори са сведени до минимум, гарантиран е техният оптимален топлинен и работен режим. Тези обстоятелства обуславят необходимостта от прецизни и задълбочени изследвания на физическата същност на аварийните процеси, както и на характера, развитието и причините за възникване на възможните аварийни събития в силовите електронни устройства.

Цел и задачи на дисертационния труд

Изследванията са насочени в следните основни направления: 1. Анализ и класификация на вероятностните аварийни процеси в базовите силови електронни схеми. 2. Теоретико – аналитични изследвания на електромагнитните процеси при възникнали аварийни събития. 3. Разработване на симулационни модели и определяне на факторите водещи до възникване на аварийни събития. 4. Експериментално изследване на основните аварийни параметри. 5. Създаване на програми, алгоритми и методи за оптимизация на защитата. 6..Използване на резултатите от теоретичните и експериментални изследвания за разработка на технически средства с приложен характер за повишаване ефективността на СЕУ, ограничаване на аварийните процеси и увеличаване на работния ресурс.

Основната Цел на дисертационния труд е:

Оптимизиране на контролно–диагностичния процес и ограничаване на аварийните режими на силови електронни устройства, намиращи се на различни йерархични нива в съвременната преобразувателна техника.

Основни методи на изследването

В дисертационния труд е извършен теоретичен, в частност математически анализ и експериментално изследване на реални величини на



СЕУ, синтезирани са получените резултати и са формулирани обобщени изводи въз основа на събраните статистически данни. При формулиране на техническите условия и изходните данни за изследването е използвана математическата теория на общия закон за грешките. За достигане на предварително зададената гарантирана вероятност за достоверност на резултатите и направените въз основа на тях изводи са въведени относителни показатели на структурата, на динамиката, на координацията и на интензивността.

Обем и структура на дисертацията

Дисертационният труд се състои от 199 страници, от които 14 страници приложения. Включва 113 фигури и 7 таблици в 4 глави, общи изводи, приноси и 11 приложения. Библиографията обхваща 126 заглавия, от които 80 на кирилица и 46 на латиница и 9 публикации на автора. Означенията на фигурите и математическите зависимости в автореферата са както в дисертацията.

Практическо приложение на получените резултати

Разгледаните в дисертацията практически решения и разработени методики са внедрени в експлоатация в Научно изследователски център при ХТМУ – София и в дружество за научно изследователска дейност “Елит – Нео”. Договори по 6-та Рамкова програма на Европейската общност под номер на ЕО Project IP FP6-502612 и договор N:0907-L2.

Научни публикации

Основните теоретични и приложни резултати от изследването са изложени в 6 публикации в периодични издания, сборници от научни трудове, докладвани на международни конференции и 3 научни проекта.

Научна новост

Изследвани са възможностите за усъвършенстване на контролно-диагностичния процес, за оптимизиране на диагностичните програми и алгоритмите за тяхната реализация. Направена е оценка на ефективността на сега съществуващите методи за защита и са разработени направления за тяхното усъвършенстване. Предложен е метод за синтез на аварийни режими в базовите преобразувателни схеми. Извършена е декомпозиция на преобразувателна система според аварийните нива и е предложена процедура за прилагане на системния подход при анализа. Въз основа на това, са разработени основните принципи за изграждане на оптимална стратегия за диагностично осигуряване на СЕУ. Те са насочени към хибридните системи за електрозадвижване в съвременните автомобили. Извършено е експериментално изследване при предварително зададени технически условия, за определяне на взаимната връзка и зависимостта между техническото състояние на реално СЕУ и основните параметри на приборите, определящи чувствителността към претоварване и къси съединения.



КРАТКО СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Глава 1. Класификация и анализ на вероятностните аварийни процеси в базовите силови електронни схеми

В първа глава е направена класификация на преобразувателните системи и анализ на развитието на аварийните процеси в тях. Разгледано е състоянието и перспективите за развитие, към настоящия момент, на съвременните силови полупроводникови елементи. Обобщени са възможностите за използване принципите на техническата диагностика при анализ на аварийни режими в СЕУ, като се акцентира върху съвременните тенденции в развитието им.

1.1. Класификация на силовите електронни устройства

Потреблението на енергията налага използването на разнообразни типове преобразувателни устройства, които осъществяват връзката на консуматорите с електропреносната мрежа. От енергетична гледна точка те могат да се разглеждат като устройства преобразуващи енергията на захранващия източник в енергия необходима за надеждната работа на товара. Всъщност те се явяват междинното свързващо звено между електропреносната мрежа и товара, което позволява да бъдат представени обобщено както е показано на (фиг.1.1). Така се получава затворената енергийна група Източник–Преобразувател–Товар и в тази последователност се представя пътя на усвояване на електрическата енергия.

И за трите модула са показани въздействията (експлоатационни, изходни и входни), които оказват влияние върху експлоатационните характеристики на цялата група и в

Фиг.1.1.Обобщена структурна схема на частност условията за възникване на енергийна група. авария. Предмет на разглеждане ще бъдат тези, които са смущаващ фактор за работата на СЕУ.

1.1.1. Базови преобразувателни схеми

Основната класификация, която е използвана като базова, е показана на фиг.1.2 и е според принципа на действие на силовите преобразуватели.

Фиг.1.2.Функционални схеми на базовите СЕУ.

1.1.2. Еквивалентна заместваща схема.

Може да се направи заключението, че СЕУ имат общи характеристики, което позволява да се разглеждат обобщено а именно: състоят се от източник на електрическа енергия – променливотокова/постояннотокова, от електронни ключове, система за управление и товар.



От тук следва, че върху товара се подава по определен закон част от захранващото напрежение. Еквивалентната заместваща схема е показана на фиг.1.4.

Така се дава възможността всички тези устройства да се характеризират с единна система параметри и да се укаже обща съвкупност от реализируемите функции, при разглеждането на аварийните режими (АР).

Фиг.1.4.Еквивалентна заместваща схема на СЕУ.

1.2. Ключови елементи в силовите електронни схеми

1.2.1. Основни комутационни процеси в ключовите елементи

Както е показано на фиг.1.1 основният елемент определящ същността на СЕУ е полупроводниковият ключ. Чувствителността на тези прибори към претоварвания е естествен резултат от факта, че работният елемент, обуславящ характеристиките е с малък обем и маса, а върху него е съсредоточена голяма плътност на тока и свързаните с нея електрически загуби. Това предизвиква бърза промяна на температурата в структурата, с всяко изменение на товарния ток. Пределните състояния на идеалния ключ се характеризират със следните показатели: - Затворен ключ: Uf = 0; - ∞ < is < + ∞; - Отворен ключ: is = 0; - ∞ < Uf < + ∞; - Режим на комутация: Отсъствие на преобразуване на енергия в течение на активното време за включване и изключване.

Ограничението за използването на прибора е следствие от максимално допустимата разсейвана мощност, а тя е сума от трите състояния на ключа – за отворен, затворен и в режим на комутация:

Ptot = Pon + Poff + Psw (1.1)

1.2.2. Класификация на приборите и области на приложение

Приборите наложили се в силовата електроника са разделени на две големи групи – управляеми и неуправляеми. Управляемите прибори от своя страна също са разделени на две базови групи – управлявани с ток или управлявани с напрежение, които са основен предмет на разглеждане в настоящия труд.

1.2.3. Тенденция за развитие на ключовите елементи

Обобщени са тенденциите в развитието на основните силови полупроводникови елементи (СПпЕ) от гледна точка на сегашното развитие от този дял на преобразувателната техника, и имащи отношение към разработката на дисертацията. От особено значение са средствата за защита, избрани въз основа на познаването на причините за повреда на използвания тип прибор.



1.3. Аварийни процеси. Основни понятия и дефиниции

1.3.1.Основни дефиниции за авариен процес

За по-голяма пълнота са дефинирани трите основни режима на работа на преобразувателя (фиг.1.9), които са: 1. Пусков режим и свързаните с него преходни процеси. 2. Нормален работен или установен режим. 3.Авариен режим(АР), който най-често е съпроводен с протичане на значителни токове и до преустановяването им от системата за защита е възможно да настъпи повреда в преобразувателя, товара или захранващият източник.

Липсващото звено при анализите е преходът към третия режим, а интересът към проблематиката е следствие на обективното нарастване на многофункционалността на СЕУ, в условия на тяхната ограничена безотказност. Отчитането на аварийните режими е йерархичен процес, включващ последователно синтезиране на работните състояния, като показаните на фиг.1.9.

Фиг.1.9.Режими на работа на СЕУ.

1.3.2.Предпоставки за възникване на авариен режим

Авариен режим (фаза 3 от фиг.1.9) в СЕУ настъпва в следствие на: - Грешки на експлоатацията; - Влияние на околната среда; - Недопустимо нарастване на товарния ток; - Недопустимо нарастване на работните напрежения; -.Повреда на отделни елементи в силовата схема – СПпЕ или пасивни елементи; - Повреда на системата за управление и захранващия източник; СПпЕ са чувствителни към претоварвания и повредите могат да се дължат на прегряване поради лошо охлаждане, претоварване по ток или на пробив поради опасно високи напрежения. Всичко това води до късо съединение (КС) и разрушаване структурата на прибора. На фиг.1.10 е показана последователността на възникване на пробив в низходящ ред.

Фиг.1.10.Структурна схема на възникване на повреда в СПпЕ.

1.3.3.Аварийни процеси в преобразувателна група.

Представяне на възможните аварии на най-често срещаната в практиката преобразувателна двойка ”изправител – инвертор” е показано на фиг.1.11. Възприети условно са следните графични обозначения: за късо съединение – RK, еквивалентно съпротивление; за пренапрежение – СF, еквивалентен капацитет; за температурно претоварване – tK (за СПпЕ и пасивни елементи).



Фиг.1.11.Видове аварийни събития в преобразувателна

система.

За изправителната част от схемата главните причини за възникване на авария ще разделим в следните

групи необходими за дефинирането на аварийните събития: 1. Повреда във вентилните елементи – показаният на фигурата пробив Е1 (Error1) на тиристора D1. Това са фази 2BC и 4EF. 2. Недопустимо нарастване на товарния ток и КС – (Е2, Е3 и Е8) това са външни аварии, т.е. причината за възникването им е извън силовата схема. 3. Повреда в системата за управление – (Е9) вътрешна авария, която не предизвиква значителни токове, но се нарушава нормалната работа на ТИ. 4. Възникване на пренапрежения – (Е7) в зависимост от мястото на въздействие и вида им следват последователността от фиг.1.10. При автономния инвертор от схемата основните причини за възникването на авария се дефинират аналогично.

1.4. Анализ на възможностите за ограничаване на аварийните процеси

1.4.1. Методология за организиране на системите за защита

Възникването на аварийни процеси налага необходимостта да бъдат предвидени съответните защитни устройства. Основно трябва да се вземат мерки срещу токови претоварвания и пренапрежения (съгласно фиг.1.10), а те са обусловени от параметрите на СПпЕ. Това са параметрите характеризиращи допустимите стойности на напреженията и токовете за дадения прибор в нормални, пускови и аварийни условия на работа. Електрическите характеристики са величините характеризиращи силовия прибор като елемент от електрическата верига. С оглед на оптималното използуване на приборите са дефинирани следните параметри: - Работни, повтарящи се; - Гранични, неповтарящи се. На фиг.1.14 са показани работните области за схемата от фиг.1.11.

Повтарящите се параметри характеризират границите на работната област определена от техническото задание. Неповтарящите се параметри са екстремални стойности допустими само в аварийни състояния. Преминаването на границите и навлизане в областта, предвиждана за аварийни условия, води до значително намаляване сигурността

Фиг.1.14.Области на работа за СПпЕ. на работа и съкращава живота на СПпЕ. Въз основа на изложеното са направени следните общи препоръки за използване параметрите на приборите:



1. При проектирането на силовата схема всички повтарящи се параметри трябва да се използват с редукционни коефициенти; 2. При проектиране на защитите, нивото на опасностите да не надминава стойностите на повтарящите се параметри; 3. Неповтарящите се параметри са резерв срещу непредвидени опасности.

За избягване на голям запас по работни параметри, е важно добре да се познават причините за възникване на авария и организирането на защитните мерки да е съпроводено с процеса на проектиране и по възможност с процеса на експлоатация. 1.4.2.Видове защитни устройства наложили се в практиката

При избор на защита се отчитат спецификата на възможните аварийни режими на преобразувателя, параметрите на приборите и конкретните области на приложение за съответния тип. Известно е, че при КС токовете във фазите на СЕУ се увеличават, сравнено с техните номинални стойности, а напреженията се понижават. Но при КС в захранващи мрежи за голяма мощност, напрежението не се изменя. Доколкото вътрешното съпротивление на такава мрежа клони към нула, то напрежението и е равно на източника на електродвижещо напрежение (ЕДН). Това утежняващо обстоятелство е в сила за ТИ включени директно към мрежата, т.е. липсва токоограничаващият ефект на паразитните импеданси. С оглед на безопасността се е наложил и основният начин за защита на силовите преобразувателни устройства - бързодействащи стопяеми предпазители в комбинация с автоматични прекъсвачи (фиг.1.16).

Фиг.1.16.Основни елементи за защита в преобразувателна двойка.

1.4.3.Възможности за използуване принципите на техническата диагностика при преобразувателните устройства

Необходимостта от анализ на различните видове аварийни режими при преобразувателните системи е свързано с ролята и значението на техническата диагностика. Ако разгледаме системата от фиг.1.1, от източника до получателя на енергията и приемем отделните елементи за обекти на изследване, то за всеки от тях техническата диагностика е призвана да решава няколко основни и редица типове специфични задачи. Изясняването на причините за възникване на аварийни режими е свързано с определянето на контролните съотношения между отделните параметри, с точността и методиката на тяхното измерване, с определянето на необходимите допуски, както и с формирането на принципите за изменение на параметрите с цел използването им за прогнозиране на техническото състояние.



Глава 2. Изследване на аварийните параметри в силовите преобразувателни системи, определящи тяхното техническо състояние

и работен ресурс

Във втора глава са решени следните основни задачи: дефинирани и обобщени са понятията за надеждност в СЕУ от гледна точка анализа на авариите в преобразувателите. Изяснена е физическата същност на аварийните процеси в приборите и са систематизирани основните аварийни режими в базовите преобразувателни схеми. Въз основа на това, е изградена методика за синтез на аварийните режими.

2.1. Аварийни елементи на преобразувателната система според нейната структура

Повишените изисквания към СЕУ и сложността на условията в които се експлоатират, създават сериозни предпоставки за намаляване на надеждността и увеличаване на отказите следствие възникването на аварийни събития. Това налага необходимостта от разглеждането на проблемите свързани с надеждността като неразривна част от общия анализ.

2.1.1. Основни аварийни елементи в структурата на преобразувателна система Ще класифицираме отказите в преобразувателните устройства по основните признаци, дадени в таблица 2.1:

Класификационен признак

Видове

По степента на влияние на работоспособността

пълни, непълни, частични

По физическия характер на явлението

катастрофални, параметрични

По свързаността им

зависими, независими

По характера на процеса на възникване

внезапни, постепенни

По времето му на живот

устойчиви, временни, моментни

По вида на появата му

явни, неявни

По вида на въздействието

експлоатационни, работни

Табл.2.1.Класификация на отказите в СЕУ.

На фиг.2.2 е представена обобщената структурна схема описваща обектите на системата във възходящ ред според посочените изисквания. Силовата схема е система от най-ниско ниво на йерархията. Основните изграждащи елементи, които определят надеждността и

Фиг.2.2.Структурна схема на технологичен процес. са:



A–ключови елементи; В–система за управление; С–комутиращи и филтрови капацитети; D – комутиращи и филтрови индуктивности. - СЕУ е второто звено от йерархичната структура. В неговия състав влизат силовата схема, захранващият източник и товарната верига. - Преобразувателна система имаме когато са налице две или повече СЕУ, какъвто е случаят с разгледаната група в Параграф 1.3.3. - Технологичен процес е съвкупност от няколко преобразувателни системи и той се разглежда като обект от най-високо ниво.

2.1.2. Класификация на аварийните параметри при силови електронни устройства

Аварийните процеси са следствие от възникването на събитията показани на фиг.2.5, която представя разработения от автора обобщен авариен модел на СЕУ. Систематизирани са основните аварийни събития в СЕУ, от гледна точка на възникването на RK2, което е определящо за нарушаване нормалната работа на преобразувателя. Всички те са взаимно свързани: RK1, RK2, RK3, CFK, СУК. Въз основа на изложеното е изграден алгоритъма на работа на системата за

Фиг.2.5.Авариен модел на СЕУ. регистриране и измерване на АП и стратегията за диагностичното осигуряване. Функционалният признак за отчитане е развитието на аварийния процес. след преминаване в установен работен режим.

2.2. Физически процеси в елементите възникващи при появата и развитието на аварийните режими

2.2.1. Електродинамични и термични въздействия на аварийния ток

Протичането на тока през захранващите вериги е съпроводено с възникване на електродинамични усилия. Еднаквата посока на токовете в успоредни проводници предизвиква привличане между тях, а противоположната – отблъскване. При това, механичните сили на взаимодействие, които са незначителни в нормален работен режим, по времето на КС могат да достигнат стойности предизвикващи деформация или разрушаване. Известно е, че силата на взаимодействие между два проводника при протичане на токовете i1 и i2 през тях се определя от зависимостта:

721 10..

...2 −= Fk

a

liiF (2.16)

където i1 и i2 – са моментните стойности на аварийния ток; l е дължината на проводниците; kF е коефициент на формата отчитащ сечението и взаимното разположение на проводниците; α – разстоянието между тях. Разчетите за проверка на електродинамичната устойчивост на оборудването при КС трябва да се правят в съответствие с (2.16). Следствие на това, че максималните натоварвания практически възникват внезапно.



2.2.2. Анализ на особеностите на силовите прибори свързани с аварийните режими и критерии за тяхната оценка

Възникващите аварийни режими в преобразувателите се обуславят от чувствителността на СПпЕ към външни претоварващи въздействия. При отпушено състояние в полупроводниковия прибор се отделят стотици вата

загубна мощност, а върховата при аварийни случаи може да достигне до няколко десетки киловата. Чувствителността на СПпЕ към прегряване е причина повредите свързани с разрушаване да имат най-често топлинен механизъм. Почти всички статични и динамични характеристики на силовите прибори имат температурна зависимост.

Фиг.2.11.Вътрешна структура на IGBT модул.

Предвид тези особености за елементите се дефинира т.нар. област на безопасна работа (ОБР) или safety operating area (SOA). За някои прибори се дава и т.нар. област на безопасна работа при късо съединение (ОБРКС/SCSOA). Въз основа на тях се задава и областта на безопасна работа за преобразувателя според конкретния тип на използваните елементи. В този смисъл синтезирането на вероятностите за възникване на АР е пряко свързано с този параметър. Благодарение на него е изграден основния диагностичен алгоритъм в системата за анализ.

2.2.3. Авариен модел на ключов елемент

На фиг.2.18 е показан разработения авариен модел на силов ключ и факторите, които го определят. Аварийната клетка 1 (АК1) оказва влияние върху съседните ключове в частност (АКn) и върху работата на цялото СЕУ, което от гледна точка на АР образува аварийна група (АГ1). В този смисъл АКn се явява авариен параметър за цялата силова схема. Въз основа на изложеното в Параграф.2.2 са дефинирани основните

Фиг.2.18.Авариен модел на СПпЕ. аварийни параметри, водещи до повреда на СПпЕ, а те са: - IK – ток на КС в товарната верига или в елемент от съседно рамо. Това е ток превишаващ с 1,1.It стандартните работни стойности във веригата на СЕУ. - UK – това са пренапрежения със стойност по-голяма от 1,1.Uccmax (напрежението на пробив) за съответния прибор. - tK – нарастване на максимално допустима температура на кристала ∆Тjh над допустимата. - СУk – нарушаване алгоритъма на работа или повреда в СУ. - други – това са грешки свързани с експлоатацията на устройството или влияние на околната среда – влажност, налягане и радиация.



2.3. Изследване развитието на аварийните процеси в базовите преобразувателни схеми

Точното познаване на причините, поради които настъпват токове на КС, е изходна точка за намиране на средствата за защита, както и за осигуряване на оптимален работен режим на ключовите елементи в силовата схема.

2.3.1. Аварийни режими в преобразувателна група променливотоков регулатор – изправител

Възникването на аварийна група от променливотоков регулатор (ПТР) и токоизправител (ТИ) (фиг.2.19), е разгледано при три различни събития. На схемата те са обозначени с RK1, RK2 и RK3.

Нарушеният нормален работен режим на ТИ е следствие на възникнало аварийно събитие, за което основните причини са: 1.Недопустимо нарастване на товарния ток и КС – RK1. 2.Повреда в елементи от силовата схема – RK2. 3.Повреда в системата за

Фиг.2.19.Аварийни събития в преобразувателна управление - СУк1, СУк2. група регулатор - изправител. 4.Повреда във входните вериги–RK3.

За приборите най-голямо влияние оказва първоначалното в-ие на аварийния ток, който води до изход от строя на елемента, ако защитата не ликвидира протичането му. При кратко въздействие на този ток, отделяното количество топлина е пропорционално на величината I2t.

Фиг.2.20.Времедиаграми на аварийните токове при външно КС. 2.3.2. Особености в режимите на работа при реверсивните токоизправители

За този тип преобразуватели са налице същите аварийни режими както и при УТИ (RK1, RK2, RK3, СУкn), но тук са характерни и някои специфични събития, които се дефинират по следния начин: - Едновременно включване и на двата УТИ. - Включване на УТИ при двигател работещ в генераторен режим. Анализът на аварийните токове при тези режими се извършва с отчитане на защитите по УЕ до прекратяване на аварията. Стойността им зависи от съотношението между ъглите на управление α1 и α2 за всеки УТИ. Едновременното включване на двата изправителя с еднакви ъгли на регулиране ще доведе до образуването на двуфазно КС (RK2.1 и RK2.2) през два от провеждащите прибори. За разглеждания тип преобразуватели можем да направим извода, че са особено чувствителни към срив в работата на СУ, поради което е необходимо да се вземат специални мерки при проектирането.



2.3.3. Специфика на инверторните схеми при нарушаване на нормалните работни режими

В Параграф 1.3 е разгледана схемата на преобразувателна група, разделена на две части, едната от които тази на АИ - реализиран с транзистори като ключови елементи. Тук е представена базовата обобщена структура на този клас устройства, от която се определят основните аварийни режими - фиг.2.26.

Дефинирани са четирите главни причини за възникване на авариен процес при инверторите: 1. Недопустимо нарастване на тока и КС в товарния кръг. За някои схеми прекъсването на товара

Фиг.2.26.Обобщена структурна схема на АИ. също води до развитието на авариен процес – RK1. 2. Пробив в комутиращите елементи S1-S4 от силовата схема – RK2. 3. Неработоспособност на системата за управление - СУк. 4. Повреда във входните вериги – RK3.

- При използване на тиристори при АИТ, е необходимо товарният кръг да има капацитивна разстройка за да се осъществява комутацията. Трябва да се осигури достатъчно време tqСХ. < tqSn за запушване, в противен случай настъпва срив на инвертирането. Работоспособността на този тип инвертори зависи от

Фиг.2.27.Срив на инвертирането при АИТ коефициента на натоварване В.

2.3.4. Оценка на процесите при пробив на комутиращ елемент в DC/DC преобразувател

Според основната схема на DC/DC преобразувател аварийните процес са: 1. Нарастване на товарния ток над допустимата стойност и КС в изхода, както и във филтровия кондензатор Cf – RK1. 2. Пробив в един от основните елементи на силовата схема. Това са ключовият елемент - Т1 и обратния диод - D1 – събития RK2.2 и RK2.1. 3. Повреда в системата за управление - СУК1.

2.4. Синтез на аварийните режими

2.4.1. Авариен показател на силовите електронни устройства

От изложеното до тук може да се направи извода, че основният фактор определящ аварийните процеси в СЕУ е силовият електронен ключ. Така се налага необходимостта АР в тези системи да се анализират главно от гледна точка на СПпЕ. Това е аварийната клетка (АК) показана на фиг.2.18. Тук е въведено понятието авариен показател (КАП) за СЕУ. Той се определя в зависимост от броя на СПпЕ, участващи в провеждането на товарния ток в съответната преобразувателна схема. В Таблица 2.2 са показани стойностите на Кап за основните преобразувателни схеми според класификацията направена в Параграф 1.1.



3Ф.УТИ Рев. УТИ АИН Тh. АИН АИТ АРИ АРИ с ОД

КАП 6 12 8 6 4 4 8

Табл.2.2.Стойности на КАП за различните преобразувателни схеми.

Важно е при анализа на температурните параметри, да се отчита влиянието на промените на температурата при периодично изменение на мощността. По тази причина като пределни стойности за загуби на мощност в прибора се разглеждат не максималната температура на прехода Tjmax, а разликата в температурите ∆Tj = Tjmax – Tjmin в течение на зададения цикъл на мощност. Срокът на експлоатация на силовия прибор зависи не само от разликата на температурата ∆Tj, но и от средната температура Тm в процеса на работа. Това беше точно определено в резултат на изследователския проект “Natural gas fuelled solid oxide fuel cells for cogeneration of electricity and chemicals”.

2.4.2. Основни принципи при изграждане на стратегия за диагностично осигуряване на преобразувателните системи

Според назначението, функционалните и експлоатационните особености на СЕУ и от изложените до тук съображения, е направен извода, че на този етап е наложително внедряването на система за оценка на техническото състояние на СЕУ. Така се оптимизира ефективността на работа на СЕУ и се създават условия за задоволяване потребностите при анализа на АР в преобразувателната техника. Основните направления за изграждане на оптимална стратегия за диагностично осигуряване на СЕУ, в най-общ перспективен план, са сведени до формулирането на 5 основни принципа. Въз основа на тези пет принципа е разработена структурата и са заложени основните алгоритми за работа на Цифров Параметричен Измервателен Комплекс (ЦПИК) за анализ на аварийни режими в СЕУ.

2.5. Изводи

Резултатите от проведените анализи в Глава 2 са обобщени така:

1. Разработена е класификация на отказите в СЕУ по различни критерии. 2. Предложена е обобщена йерархична структура на технологичен процес, определяща вероятните откази в елементите на системата. Изведени са обобщени зависимости въз основа на които е формулирана критичната надеждност на СЕУ. 3. Дефинирано е понятието област на безопасна работа за силови електронни устройства (ОБР – СЕУ) и е предложен авариен модел на силов полупроводников елемент (СПпЕ). 4. Изследвани са АР в основните преобразувателни схеми и са дефинирани типови аварийни събития - RK1, RK2, RK3, CFK, СУк и tK. 5. Извършена е класификация на аварийните параметри, предложен е авариен модел на СЕУ и са въведени еквивалентни заместващи схеми и авариен показател КАП за описание на основните аварийни събития. Обобщени са аварийните процеси в силовите схеми. 6. Изследвана е температурната зависимост на приборите, като фактор имащ пряко отношение към развитието на АП в силовите електронни схеми. Формулирани са насоките за по нататъшните изследвания на аварийните режими и са разработени 5 основни принципа за изграждане на оптимална стратегия за диагностично осигуряване на СЕУ.



Глава 3. Теоретико – аналитични изследвания на процесите при възникване на аварийни режими

В тази глава са разгледани основните задачи решавани при теоретичния анализ на електромагнитните процеси, които са следствие от възникването на авариен режим (АР). Предложени са модели и методи за изследване на аварийните процеси (АП), както и самата организация на термична аналогия за описание на поведението на силовите полупроводникови елементи (СПпЕ).

3.1. Симулационни модели на типови аварийни събития

Определянето на токовете на късо съединение (КС) в режим 3 (фиг.1.9) е съпроводено със значителни трудности породени от развитието на преходните процеси. А математическата аналогия изисква широки аналитични обобщения, което е свързано с методични неудобства. С помощта на приложните пакети OrCAD, LTSpice и MatLab е осигурен необходимия изчислителен апарат за анализа на АР в преобразувателите чрез използване на обобщени структурни модели.

3.1.1. Подходи за моделиране на аварийни режими в силовите електронни схеми

Автоматизираният анализ на преобразувателните системи чрез използване на ЕИМ позволи, на различните етапи да се прилагат разнообразни подходи при моделирането. Следва да отбележим, че при моделиране на АР в силовата електроника се обособяват два основни подхода, които са показани на фиг.3.1.

Фиг.3.1.Подходи за моделиране на схеми в силовата електроника с използване на симулационни пакети.

3.1.2. Методи за изграждане структурата на аварийните модели

Съществен момент при изграждането на структурата е намиране на еднозначна връзка между физическата същност и принципа на работа на отделните звена в системата и математическото им описание. Взаимната зависимост на аварийните събития (RK1,RK2,RK3,CFK) и сходството в описанието на моделите означава, че те се подчиняват на еднакъв математически формализъм. В Таблица 3.1 е представена класификация на общата съвкупност от реализируемите функции при изграждане на моделите за анализ на аварийни процеси.



Характеристика на етапа Номер на

етапа Съдържание на етапите за

системен анализ

Необходими данни за етапите

Резултати от анализа на етапа

Валидиране на етапа.

1.

Формулиране на проблемите.

Изграждане на методология за системен анализ.

Общ облик на преобразувателната система и нейните подсистеми.

Оптимизация на подсистемите.

2. Декомпозиция на системите, целите и анализ на критериите за тяхното постигане.

Система от критерии за реализиране на АП и методи за техния разчет.

Дървовидна структура и критерии за анализ.

Контролни въпроси.

3.

Определяне набора от базовите звена на системата от преобразувания и техния анализ.

Йерархия на математическите модели на елементите в системата. Процедури на анализа.

Свойства на базовите звена. Препоръки за приложението им.

Оптимизация на звената.

4.

Композиция на системата според свойствата на отделните звена.

Приложими методи за математическо моделиране на сложните преобразув. системи и АП.

Свойства на цялостната система. Препоръки за композиция.

Примери за разчет.

Табл.3.1.Структура на системата за реализиране на моделите.

Средните загубни мощности при комутация и в режим на КС са представени като схемна симулация с модифициран комутационен модел (фиг.3.2).

Стойностите на източника на напрежение представят пада в права посока при претоварване, а генератора на ток отчита тока на утечка, който ще бъде променян така, че средната загубна мощност по време на комутацията да се припокрива в структурата на схемата. Паралелният ключ представя КС при повреда на

Фиг.3.2.Симулационен модел отчитащ прибора (RK2), а претоварването в загубните мощности. схемата за интервала на провеждане на ключа се представя серийно с RK1. Натрупаната комутационна загубна енергия в прибора във време t, W(t) се изчислява за всяка времева стъпка като:

[ ])()().()( / tWtWettWtW offonTt W ++∆−= ∆−

(3.1)

за приборите правият пад на напрежение се определя в съответствие с:

CKC

Ttcond

ces It

etWtWV

W

.

)1)(()( /

∆−+

=∆−

(3.2)

3.1.3. Използване на симулационните модели за анализ на аварийни режими

Наличните симулационни модели на силови компоненти не отчитат някои особености свързани със спецификата на СПпЕ. Този аспект е в сила при анализа на АР, а информативността на моделите определя възможните цели на разчета. Поведението на много от силовите елементи при възникване на различни аварийни ситуации не се описва точно в симулационните пакети. Тези режими на работа на елемента, при които стойностите на параметрите



му – ток, напрежение, скорост на нарастване на напрежението и тока, време за възстановяване на блокиращите свойства и т.н., превишават паспортните данни. Неадекватността на описанието се

Фиг.3.5.Тестова схема за симулиране свежда до това, че реалният прибор в на авариен режим в преобразувател. случай на аварийно събитие излиза от строя необратимо, а моделът на прибора може да функционира нормално ако параметърът се върне към допустимите паспортни данни. Фиг.3.5 представя тестовата постановка, а

фиг.3.6 осцилограмите илюстриращи изложеното. Поведението на елементите при възникване на аварийно събитие е различно и това налага необходимостта, моделите да бъдат проверени в различните режими, за да се избегнат грешки

Фиг.3.6.Осцилограми за тока и породени от този проблем. напрежението на тестовата постановка. Създаването на специализирани аварийни модели за СПпЕ е оправдано, което е и една от целите поставени в настоящия труд. 3.2. Математически анализ на факторите стимулиращи възникването

на авариен режим в преобразувателите

3.2.1. Разработка на процедура за прилагане на системния подход за анализ на аварийни режими

Основните задачи при анализа на аварийните режими са свързани преди всичко с определянето им в базовите типове схеми на устройствата. Те се характеризират със следните признаци: 1. Установяване на границите на изследваната система със зададено предназначение като цяло, т.е. отделяне на системата от обкръжаващата я среда и разглеждането й като подсистема. 2. Определяне целите на системата, критериите за качеството на нейното функциониране и методите за разчета им при възникване на аварийно събитие. 3. Декомпозиране системата на съставни части, които на по-ниско ниво на йерархията също се разглеждат като подсистеми по същия начин както, и изследвания преобразувател се явява част от цялата система. 4. Изучаване на системата във всички целеви аспекти и назначения с отчитане на значимите връзки и въздействия на аварийните събития, както между части от системата на едно ниво, така и между различните нива.

3.2.2. Анализ на преходните процеси при възникване на късо съединение в изходната верига

Най-съществена се явява нелинейността на силовите прибори при работа с LR товари. Това налага необходимостта, да бъде оценена нелинейността на веригите, условията и границите за тяхната линеаризация



при възникване на авариен процес. Влиянието на преходните процеси е разгледано с помощта на еквивалентната схема показана на фиг.3.7.

За баланса на енергиите в елементите на преобразувателя при отворен ключ KFRT, може да се запише:

)(1∑

=

++=+n

ilossRKINpCFKLKF PPPtWW (3.13)

Фиг.3.7.Еквивалентна схема за (3.14) отчитане на преходните процеси при аварийно събитие RK1.

където WLKF, и WCFK са енергиите запасени в индуктивността на КС във изходната верига на преобразувателя и в изходния капацитет; PIN e мощността от захранващия източник Uin, а PRK е мощността разсейвана в RК; Ploss - са сумарните загуби в останалите елементи. От анализа на преходните процеси в разгледаните преобразувателни системи са направени следните изводи: 1. Продължителността на преходния процес в затворени системи се съкращава съществено, доколкото веригата за ОВ оказва форсиращо въздействие. 2. Ефекта на това действие ще бъде толкова по-голям колкото по-голям е dKZ/dt, т.е. колкото по-бърза е реакцията на СУ. 3. При въздействието на КС върху затворения преобразувател, ОВ ще локализира по-рано настъпилата авария стремейки се да запази състоянието на изходната променлива на нивото определено от заданието. 4. Бихме могли да намалим значително термичното въздействие върху приборите при точното определяне на настъпилия авариен процес.

3.2.3. Определяне на аварийните процеси в автономните инвертори

Срив на инвертирането налага необходимостта да се определи влиянието на аварийния ток върху неповредените елементи при изход от строя на някой от приборите в рамото на моста. Най-неблагоприятният авариен режим е при максимална стойност на ЕДН на източника в момент на комутация от едното рамо към другото.

Последователната еквивалентна схема на преобразувателя за трите режима на работа е показана на фиг.3.10. В момента tk1 уравнението за баланса на напреженията е:

)()(.)(

)( tUttIRdt

tdILtU Dt

Dtin ++= (3.32)

Фиг.3.10.Базова аварийна структура за тока и напрежението на първата на автономен преобразувател. хармонична ще имаме: )sin( 1)1()1( ϕϑ += mIi (3.33)

)](sin[ 1)( ϕδϑ −−= tmt Uu (3.34)

където tωϑ = е времето изразено в кръгови единици. Чрез използване на операторния метод и като се пренебрегне влиянието на Rt уравнението е:

[ ]ρρ

ϕδρϕδρρω intmDD

UUAiL =

+−−−

+−1

)sin()cos()(

211 (3.36)

)/()(1∑

=

+++=n

ilossRKINCFKLKFp PPPWWt



константата А определя началната стойност на тока чрез, която се дефинират работните режими. Токът изведен от (3.36) е:

)1(

)sin()cos()(

211

2 +−−−

−+=ρρ

ϕδρϕδωρρω

ρD

tm

t

inD L

UA

L

Ui (3.37)

Намаляване на ефективната стойност на напрежението в товарната верига е сигурен индикатор за настъпилия авариен процес. Този сигнал е използван за установяване на настъпването му. Въз основа на получените зависимости са реализирани аварийните алгоритми на цифровия комплекс.

3.3. Определяне на факторите водещи до разрушаване на силовите полупроводникови елементи

Едно от изискванията, обосновано в глава Втора, при преобразувателната система е намаляване на комутационните загуби с цел повишаване надеждността на схемата.

3.3.1. Комутационни загуби в структурата на силовите елементи при ток на късо съединение

При работа на ключовите елементи с импулси с повишена честота преходните процеси оказват съществено влияние върху параметрите на СЕУ. Тук са дефинирани основните зависимости. С оглед минимизиране на загубите при превключване се предполага, че законът за изменение на управляващия сигнал във времето е известен и близък до оптималния. Необходимо е да се определят най-неблагоприятните условия за изменение на проводимостта и стойността на загубите, обусловени от тока на КС. Еквивалентната заместващата схема построена въз основа на симулационната добива вида показан на фиг.3.12.

Фиг.3.12.Еквивалентна заместваща схема за режим на КС.

Получените резултати позволяват да се оценят загубите при комутация с постоянна

положителна грешка във вариантите, когато липсват данни за точното протичане на процесите на КС. За определяне на горната граница е достатъчно да са известни номиналното захранващо напрежение, токът във веригата и времената за пълно отпушване и запушване на прибора. Този вариант е по-удобен за практиката т.к. данните могат да бъдат определени непосредствено чрез снемане на осцилограмите в установен работен режим.

3.3.2. Аналитично представяне на загубите в IGBT транзистор при възникване на авариен процес

Общата енергия, която трябва да понесе елемента при КС се определя като сума от загубите в проводимо състояние, изключено не проводящо и комутационните загуби при включване и изключване. Загубите при провеждане се изчисляват директно. Загубите в непроводящо състояние са резултат от блокиращото напрежение и тока на утечка в прибора. На фиг.3.16 е показана апроксимираната времедиаграма, дефинираща основните времеви етапи при включването на прибора при КС.



Максималната отделена мощност при включване се изразява с уравнението:

))(( 00 rrmcplatceONM IIVVP +−= (3.68)

След интервала td, когато управляващото напрежение достигне праговото, колекторният ток започва

Фиг.3.16.Времедиаграми при включване на да нараства и неговата стойност IGBT транзистор при КС. може да бъде намерена чрез дефиницията на времето за нарастване. Загубната енергия при включване е определена от уравнението:

∫=5

0

)()(t

t

cceon dttItVW (3.73)

откъдето за всеки един интервал от t1 – t5 е в сила:

( )( ) ( )[ ]

rrbrrvtailrrmce

vtailrrbrrvtailccerrbrrrrrrmcevtailcces

rrarrmcerrbrrrrarccerccedcceon

tkkIV

ttkkIVtkkIVtIV

tIVtkttIVtIVtIVW

)1(167.0

05.015.0167.0483.0033.05.0

5.055.0394.0225.005.0

'0

0'

02'

00

'00

'00000

−+

++−+−+++

++++++=

(3.74)

където kvtail е: (3.75)

Резултатите от проведения анализ позволяват теоретично да бъдат определени границите на максимално допустимите параметри на прибора при дефинирането им в симулационен модел. Той може да бъде представен детайлно чрез добавяне на елементи за описание на аварийните режими. Подробния симулационен модел изисква прецизно верифициране на основните параметри при различните видове АС.

3.3.3. Термична аналогия за описване поведението на силовите ключове

При изграждане на симулационните модели, температурната зависимост в най-добрия случай се отчита като статичен глобален параметър. За СЕУ температурата е един от критичните параметри изхождайки от факта, че голяма част от свойствата на СПпЕ са силно температурно зависими. Следствие на възникнал АР, работните състояния могат да бъдат симулирани при добра апроксимация на актуалните условия. Разпространението на топлината е по три различни пътя, които са конвекция, топлинна радиация или топлопроводимост. Следствие възникване на КС, при електронните компоненти е налице топлопроводимост, която е описана с уравнението:

t

Tc

x

T

th ∂∂=

∂∂

..

2

2

λρ

(3.86)

Температурната зависимост при симулация на полупроводникови прибори често се разглежда като второстепенен фактор и то изцяло базирана на правила или натрупан опит. Според направения анализ това е недопустимо при работа със СПпЕ, т.к. мощността генерирана в прибора при КС влияе пряко върху неговите характеристики.

rrbrrvtail

vtailvtail tkt

tk

)1( −+=



3.3.4. Авариен симулационен модел на транзистор

За целите на симулацията беше разработен авариен модел на транзистор. Неговата същност се изразява в отчитане на основната особеност при повреда – К.С. в елемента, настъпващо след определен времеви интервал при достигане на критичната температура на прехода. Както беше уточнено, в повечето симулационни модели директен достъп до температурните параметри на прибора не е възможен. Структурата на разработения температурно зависим авариен модел за SPICE симулатора, решаващ този проблем, е показана на фиг.3.23.

Фиг.3.23.Термично зависим авариен модел на MOSFET транзистор.

Моделът осъществява пряка връзка с параметрите на използвания ключ и допълнителните елементи, добавени към него за осъществяването на електро топлинната симулация при претоварване на прибора. Предложената структура на модела позволява с помощта на симулатора да се предвиди с необходима точност за практиката загубната мощност при КС. Така могат да се направят необходимите промени в схемата на преобразувателя още в етапа на проектирането му.

3.3.5. Изследване на загубите в структурата на IGBT транзистор чрез симулационни модели

За анализ на схемите в преобразувателната техника на системно ниво е достатъчно приборите да бъдат представени като ключ с двете основни състояния (включено и изключено) и тяхното съпротивление. Но процесите при КС налагат детайлизирано уточняване развитието на отделните етапи, които са с кратка продължителност на комутационните времена. Въвеждането на допълнителни условия изисква много малки времеви стъпки и голям брой итерации. Това води до неприемливо голямо процесорно време,

особено когато се симулират сложни СЕУ. Ето защо използване на модела, като този от фиг.3.23, трябва да бъде предвидено само за елемента в схемата, чието поведение ще бъде изследвано. В зависимост от момента на възникване на късото съединение RK2, различаваме два основни случая: КС1 – В този случаи транзистора се

Фиг.3.28.Снети осцилограми при симулиране на КС1 в реална схема за транзистора IKW25T120.



включва при вече съществуващо КС (фиг.3.28), т.е. върху него е приложено цялото захранващо напрежение до възникване на събитието.

КС2 – В този случай транзисторът вече е включен до момента, в който настъпва токовото претоварване. Сравнено с първия вариант, тук той е подложен на по-голямо натоварване. На фиг.3.30 са показани времедиаграмите от експерименталните резултати за разглеждания вариант.

Фиг.3.30.Снети осцилограми при Установената стойност на тока на КС се симулиране на КС2 в реална схема за определя от напрежението на гейта и транзистора IKW25T120. устойчивостта срещу КС е пряко свързана с него. Намаляването му води до повишаване на напрежението на насищане, следователно до загубите от проводимост. Приборите с голям коефициент на усилване по ток имат ниско напрежение на насищане, но кратки времена допускащи претоварване. Като правило елементите с по-голямо напрежение на насищане са по-устойчиви срещу претоварване, но съответно и загубите им при комутация са по-големи. Сравнено с БПТ транзистори, допустимият ток на КС при IGBT е по-голям. От проведените симулационни изследвания на загубите в структурата на IGBT транзистор е направен следния извод: - При малки стойности на колекторния ток грешката нараства значително, а при стойности близки до максималния ток грешката е незабележима.

3.4. Изводи

Резултатите от проведените изследвания в Глава 3 са обобщени така:

1. Изграден е авариен аналитичен модел на СЕУ и са анализирани особеностите на симулационните модели и спецификата на работа при симулиране на аварийни събития.

2. Направена е термична аналогия описваща поведението на силовите прибори следствие претоварване и са анализирани преходните процеси при възникване на аварийно събитие RK1 в СЕУ.

3. Разработен е термично зависим авариен симулационен модел за MOSFET и IGBT транзистор избягващ основните недостатъци на вградените модели и с подобрени параметри, съгласно данните от приложенията.

4. Симулирани са токовите претоварвания на пълноуправляеми прибори с основните симулационни пакети и са представени изрази и модели за изчисляване загубите в структурата на приборите при КС.

5. Описани са загубите в IGBT структурата, направен е разчет на токовете при аварийно събитие RK2 и симулационни изследвания. Получените аналитични резултати са сравнени с експериментални и статистически данни.

6. Предложена е процедура за прилагане на системния подход при анализа на аварийните режими. Извършена е декомпозиция на преобразувателна система според аварийните нива.



Глава 4. Практическо приложение на получените резултати и алгоритми за оптимизация на ефективната защита

В тази глава са изложени основните практически резултати от проведените изследвания в предходните глави. Предложени и разработени са схемни решения и модели за реализирането на основните концепции.

4.1. Актуални проблеми свързани с изследване работата на силовите ключови елементи

4.1.1. Класификация на основните параметри за приборите подлежащи на управление при възникване на авариен режим

Съществен момент при изграждането структурата на СЕУ е да бъдат дефинирани слабите места в схемата с цел да бъде избегнато възникването на АР. Силовите ключове като основни компоненти трябва да бъдат защитени от претоварвания във всеки един работен режим. Поради тази причина е особено важно първоначално да бъдат определени критичните състояния (П.2.1) и въз основа на тях да се изгради стратегия за оптимална защита. Класифицирани са основните параметри, определящи възникването на аварийни режими, които се отнасят до IGBT транзисторите. По аналогия те могат да бъдат използвани и за останалите прибори посочени в П.1.2.

4.1.2. Изследване на къси съединения при мощни IGBT транзистори

Анализът е проведен за няколко основни вида прибори с помощта на опитната постановка показана на фиг.4.3. Транзисторите Т1 и Т2 са тестовите образци, като всеки от тях се управлява от собствена драйверна схема. Електронните ключове К1 и К2 симулират аварийните събития. Основните параметри се следят от разработената за целта записваща система DSM-D2 и се прехвърлят към персонален компютър. Опитната постановка беше използвана успешно за симулиране на аварийни режими в прототип на DC/DC конвертор.

Фиг.4.3.Опитна постановка за изследване на КС.

От направените експериментални изследвания се установи следното: 1. За да се редуцират комутационните загуби е необходимо използване на високо отпушващо напрежение – Vge. Възникването на аварийно събитие е опасно за транзистора, защото води до много високи аварийни токове. Наложително е да се направи компромис между амплитудата на тока на КС и стойността на комутационните загуби при избор на управляващо напрежение. 2. При изключване на токове на КС, е необходимо нивото им да се контролира за намаляване опасността от пренапрежения. 3. Прецизното измерване на ток на КС представлява сериозна трудност, ако не е възможна употребата на серийни токови датчици. На практика е трудно



да бъде дефиниран точно момента на меко КС с помощта на напрежението на насищане Vcesat, който е основен метод за определяне на събитието. 4. Началната стойност на тока на КС е висока поради нарастването на напрежението Vge, което е породено от капацитета на Милър. 5. Стойността на гейтовия резистор повлиява значително върху големината на тока. Въпреки, че малките съпротивления водят до по-ниски аварийни стойности и напрежението Vge се променя по-малко, трябва да се отчита, че малките съпротивления водят до осцилиращ ток в гейтовата верига. 6. Промяната на Vge при АР на прибора над максимално допустимото напрежение, води до потенциално увеличаване на аварийния ток. Следователно при моделиране на схемите с IGBT транзистори за приложения при високи стойности на di/dt, трябва да се обърне специално внимание на топологията. 7. За намаляване на аварийните токове до приемливи нива, най-удачно е използването на метода с отделни вериги за включване и изключване.

4.1.3. Изследване на драйверни схеми за управление на IGBT транзистори

За изследване на КС на двата типа IGBT транзистори от схемата показана на фиг.4.3 беше наложително използването на специализирана драйверна схема. Според изложеното по-горе е ясно, че надеждната експлоатация на прибора зависи и от типа на стъпалото за управление. Възникването на експлоатационни претоварвания и КС при работа, налага необходимостта от използването на активни методи за управление. Въз основа на формулираните изисквания беше разработен драйвер за IGBT транзистори. Функциите на предложената от автора структура (фиг.4.9) са модифицирани и разширени спрямо конвенционалните системи за управление.

Фиг.4.9.Структура на

разработения IGBT драйвер.

Концепцията е разделена в две основни направления:

- Схема с di/dt управление – следи се стойността на нарастването на тока в колектора. По този начин се ограничава нарастването му при АР. - Схема с du/dt управление – благодарение на този тип управление се решават проблемите свързани с капацитета на Милър.

4.2. Определяне наличния работен ресурс на силовите електронни устройства

За определянето на експлоатационни претоварвания и къси съединения в товара се използват токови и топлинни електронни защитни устройства, подаващи сигнал за блокиране на управлението на преобразувателя. По принцип, те не могат да защитят целостта на приборите в схемата, при изход от строя на един от тях. Работата на преобразувателя е свързана с наличния работен ресурс на изграждащите го СПпЕ (П.2.2). Основната причина за повреди са приборите, и най-честите от тях според статистиката, следват поради прегряване в структурата на елемента и от достигане на максималния брой цикли на комутация, които са специфицирани от



фирмата производител. Метода за определяне се състои в това, че спрямо тези два параметъра на прибора може да се съди за наличния работен ресурс на цялата система. Внедряването на метода посредством конкретно схемно решение в структурата на инвертора от фиг.1.11, имаше за цел решаване на следните задачи: 1. Да се анализира сигурността на преобразувателя и да се прогнозира вероятността за откази и неговия работен ресурс. 2. Да се отстранят приборите, които в процеса на работа са изменили работните си параметри преди достигане на аварийно събитие. 3. Да се отчетат реалните термични процеси в схемата на инвертора и поведението на приборите след двугодишна експлоатация. 4. Да се направи анализ на причините довели до съответната промяна на параметрите. Структурната схема на разработеното схемно решение (DSM-D3) за реализиране принципите на метода е показано на фиг.4.13.

Фиг.4.13.Структурна схема на системата за определяне наличния работен ресурс на СЕУ – DSM-D3.

Методът използва предварително въведените данни за броя комутационни цикли на използвания тип прибор и модела, който е разработен чрез статистически данни, дефинирани от техническата спецификация на производителя. Въз основа на това могат да бъдат регистрирани пет АР: 1. Достигната е максималната температура на прехода. 2. Прегряване. 3. Достигнат е зададеният максимален брой комутационни цикли. 4. Надвишено е зададеното изменение на ∆Tj. 5. Достигната е максималната зададена температурна разлика за елементите

в рамото на моста.

4.3. Анализ на алгоритмите, чието използване е целесъобразно при реализирането на диагностичния процес в преобразувателните

устройства

За разработването на оптимална стратегия за диагностично осигуряване на СЕУ, не е достатъчно въвеждането на съвременни технически средства и ефективни програми. Поради непрекъснатото усъвършенстване на системите понастоящем осезаемо се чувства нуждата от разработването на единна и автоматизирана система за контрол, която да обслужва дадена преобразователна система и да е в състояние да обменя необходимата контролно - диагностична информация.



Целият процес по събирането и обработката на диагностичната информация, с цел получаване с определена вероятност на оценка за техническото състояние на СЕУ се явява алгоритмичен. Като се имат предвид експлоатационните и конструктивни особености на преобразувателните системи, възможно приложимите алгоритми за осигуряване на контролно-диагностичния процес са класифицирани като 16 типа според основните признаци: А. По характера и типа на необходимите контролни операции. Б. По количеството на различните състояния на всеки от контролираните

параметри. В. По начина и продължителността на функциониране. Г. Според режима на работа на СЕУ по време на диагностичния процес. Д. Според порядъка на изпълнение на различните процедури. От казаното по-горе се налага извода, че проблемът за избор на подходящия алгоритъм и рационално съотношение между програмните и апаратните методи за неговата реализация, са определящи фактори при оптимизацията на контролно-диагностичния процес при изследване на АР.

4.4. Цифрово – параметричен измервателен комплекс за анализ на аварийни режими и диагностика на преобразувателни системи

В настоящият параграф са разгледани структурата, състава и възможностите на разработения цифрово-параметричен измервателен комплекс (ЦПИК), който е предназначен за изследване и управление на експлоатационния процес на силови електронни устройства. Той е внедрен в лаборатория LAMAR на ХТМУ - София.

4.4.1.Практическо приложение на получените резултати за усъвършенстване на контролно-диагностичния процес при СЕУ

Експериментално са проведени различни мероприятия и процедури за усъвършенстването на контролно-диагностичния процес, подобряване качеството на работа и увеличаване работния ресурс на преобразувателите. Това породи необходимостта за разработването на подходяща апаратура за изследване на аварийните режими и техническото състояние на различните типове СЕУ.

Самият ЦПИК е продукт на проведеното теоретично и експериментално изследване на различни типове СЕУ и СПпЕ, а също така той е средство за усъвършенстване на контролно-диагностичния процес в този клас електронни устройства. На фиг.4.17 е представена структурата на

Фиг.4.17.Модел на вграждане на ЦПИК в вграждане на комплекса. преобразувателна група.

От тук следват два принципни подхода при оптимизация управлението на експлоатационния и диагностичен процес на СЕУ: • На базата на съществуващото схемно решение и наличната система за управление се контролира изменението на основните параметри и се извършва мултипликативен анализ в зависимост от типа и приложението на



СЕУ, а разпределението на управляващите функции между модулите ST1 - ST2 и CONTROL1 и CONTROL2 е равнопоставено. • Възможностите за следене и контрол са заложени още в процеса на първоначалното проектиране на СЕУ. Тук предимствата са значителни, т.к. времената за реакция намаляват и броят на параметрите, които могат да се следят е максимален, защото не съществуват ограниченията свързани със схемното решение.

4.4.2. Определяне на необходимите диагностични параметри за наблюдение.

Алгоритъмът на работа на ЦПИК позволява за кратко време да бъдат извършени определен обем измервания и да се установи точната зависимост между различните групи параметри, тяхното влияние върху техническото състояние и работния ресурс на СЕУ. Рисковите ситуации при възникване на АР могат да бъдат сведени до минимум.

Според метода за анализ на АР, изложен в П.2.4, основните параметри, които трябва да бъдат следени за да се регистрира аварийното събитие в преобразувателната система са: - трите фазни тока на входа на изправителя;

Фиг.4.18.Разположение на основните - захранващото напрежение на контролни точки в преобразувателна система. инвертора; - консумирания ток от инвертора; - тока в товарния кръг; - напрежението върху товара; - токовете през двете рамена на инвертора; - дефазирането между тока и напрежението; - температура на елементите. Изброените величини дават пълна картина за работата на устройството.

4.4.3. Структура на преобразувателна система с внедрен измервателен комплекс

Въз основа на гореизложените съображения беше синтезирана структурата на ЦПИК (фиг.4.19), чиято необходимост в настоящия етап е неоспорима.

Фиг.4.19.Структура на ЦПИК.

Топологията на комплекса представлява модулна конструкция, позволяваща да бъдат реализирани различните управляващи алгоритми. В основата му е микропроцесорното ядро, което обработва постъпващата информация за измерените стойности на параметрите и я съхранява в енерго независима памет. Всеки един от датчиците Д1-Д6 е самостоятелна микропроцесорна



единица с възможност за съхранение на събраната аналогова информация, която допълнително се визуализира с помощта на графичен дисплей. В това число влиза и разгледаната в предходния параграф система DSM-D3.

След като е поставена границата между апаратната и програмната части, описанието на системата е представено с модел, който функционално е декомпозиран на множество от подзадачи

Фиг.4.22.Програмен модел на ЦПИК. (фиг.4.22).

4.4.4. Комуникационни възможности на комплекса

Определена новост в предложената система за изследване на СЕУ е наличието на модул, който осъществява комуникация посредством GPRS канал. Той разширява в значителна степен функционалните възможности на комплекса. Посредством GPRS канала се реализира връзка с персонален компютър, който изпълнява задачите по съхраняването, обработката и визуализирането на получените данни. Благодарение на модулната конструкция, комплексът предоставя възможност да се разширят функциите му чрез включване към Интернет. По този начин се добавят възможностите, които предлага глобалната мрежа. На фиг.4.23 е показана структурата реализираща тази функционалност.

Всеки един натрупващ контролер за данни изпраща до сървъра специално съобщение, при получаването на което той извиква съответната процедура, получава резултата и го връща на клиента в стандартен формат. Подходът е използван за получаване на унифициран

Фиг.4.23.Структура на информационна система достъп до база данни за всяко за мониторинг на преобразувателни устройства. едно СЕУ в Интернет системата.

4.5. Обобщени резултати

Резултатите от проведените изследвания в Глава 4 са обобщени така:

1. Разработена е опитна постановка за изследване режимите на КС на IGBT транзистори и за симулиране работата на DC/DC конвертори, чрез която са изследвани токовете на КС за няколко типа IGBT транзистори. Въз основа на получените резултати и направените изводи са посочени мерки за ограничаване на последствията от аварийните въздействия. 2. Разработен е специализиран драйвер за управление на IGBT прибори, който решава формулираните проблеми в Глава 2 и 3 при възникване на АР. 3. Направена е класификация на алгоритмите за оптимизация на диагностичния процес в преобразувателните системи.



4. Разработен е метод за определяне на наличния работен ресурс на СЕУ и е предложено конкретно схемно решение (DSM-D3), което използва принципите на метода. Въз основа на него са дефинирани 5 възможни аварийни събития. 5. Разработен е цифрово-параметричен измервателен комплекс (ЦПИК) за анализ на аварийните и оптимизация на работните режими на преобразувателни системи. Приведени са структурните схеми за реализиране функциите на системата. Представена е и реализираната схема за управление на GPRS комуникационен модул. 6. Разработен е специализиран авариен комуникационен протокол Power/I за нуждите на измервателния комплекс, както и специализиран софтуер за комуникация с ЦПИК, обработка и визуализиране на получените резултати.

- З А К Л Ю Ч Е Н И Е -

Основната цел на дисертационния труд имаше четири опорни точки: ”изследване – оценка – анализ - въздействие”, т.е. въз основа на теоретично и експериментално изследване и анализ на получените резултати да се направи обективна оценка за действителното състояние на различни типове СЕУ. Също така да се изследват и обосноват възможностите за анализ на АР и на тази база да се разработят конкретни технически решения за повишаване ефективността на работа и методите за контрол, диагностика и подобряване на качествените и експлоатационни параметри на различни типове преобразувателни устройства. В хода на теоретичното изследване, наред с извършените анализи и направените изводи, беше използван математически апарат в обем от 127 зависимости и формули, 113 графики и 7 таблици. Получените теоретични резултати бяха експериментално проверени, при съпътстващи условия. В дисертационния труд са решени задачи в следните основни направления: 1.Анализирано е сегашното състояние на преобразувателните системи, методите за защита и контрол в СЕУ. Направена е класификация на отказите в СЕУ според реда на тяхното възникване. 2.Изследвани са основните параметри на някои типове СЕУ. На тази база е направена оценка на ефективността на сега съществуващите методи за защита и са разработени направления за тяхното усъвършенстване. 3.Изследвани са възможностите за усъвършенстване на контролно-диагностичния процес и алгоритмите за тяхната реализация. 4.Изследвано е развитието на аварийните процеси в базовите преобразувателни схеми. Въз основа на това е предложена методика за синтез на аварийни режими в този тип схеми. Анализирани са електромагнитните процеси при възникване на аварийно събитие. Извършени са симулационни изследвания на токовите претоварвания в прибори с помощта на основните приложни софтуерни пакети. Представени са изрази и модели за изчисляване на загубите. 5.Извършена е декомпозиция на преобразувателна система според аварийните нива и е предложена процедура за прилагане системния подход при анализа. Въз основа на това, са разработени основните принципи за изграждане на оптимална стратегия за диагностично осигуряване на СЕУ. 6.Извършени са експериментални изследвания при предварително зададени технически условия, за определяне на взаимната връзка и зависимостта между техническото състояние на реално СЕУ и основните параметри на приборите, определящи чувствителността към претоварване и КС.



- П Р И Н О С И - - В теоретичен аспект:

1. Предложен е ефективен параметричен модел на СЕУ и е направена класификация на аварийните параметри на преобразувателите. Въведени са еквивалентни заместващи схеми за описание на основните аварийни събития. Изведени са обобщените зависимости, въз основа на което е въведено понятието ОБР-СЕУ (област на безопасна работа за силови електронни устройства) и КАП (авариен цифров показател за силови електронни устройства).

2. Създаден е подобрен параметричен авариен модел на силов прибор. Въведени са дефиниции за основните аварийни събития - RK1, RK2, RK3, CFK, СУк и tK. Направена е термична аналогия описваща поведението на силовите прибори следствие претоварване при късо съединение. Разработен е термично зависим авариен симулационен модел за MOSFET и IGBT транзистори.

3. Разработена е класификация на диагностичните алгоритми и са формулирани 5 базови принципа за изграждане на оптимална стратегия за диагностично осигуряване на силови електронни устройства.

4. Предложена е адаптирана процедура за прилагане на системния подход при анализ на аварийните режими. Извършена е декомпозиция на преобразувателната система според аварийните нива. Дефинирани са особеностите на симулационните модели и спецификата на работа при симулиране на аварийни събития, както и конкретни препоръки за ограничаване на аварийните режими при моделиране на силови схеми.

- В практико-приложен аспект:

1. Разработен е метод за определяне на наличния работен ресурс на СЕУ и е проектирана цифрова система DSM-D3 за реализиране на метода. Въз основа на него са дефинирани 5 възможни аварийни събития. Класифицирани са диагностичните параметри, които определят произхода и характера на аварийните режими и носят максимална диагностична информация за състоянието на преобразувателите.

2. Разработен е цифрово-параметричен измервателен комплекс (ЦПИК) за анализ на аварийните и оптимизация на работните режими на преобразувателни системи, който е внедрен в експлоатация. 3. Разработен е специализиран авариен комуникационен протокол Power/I, за обмен на данни между две независими преобразувателни системи, както и специализиран софтуер за комуникация, събиране и обработка на данни за визуализиране на получените резултати и оценка състоянието на СЕУ. Предложени са методи за използване на глобалната мрежа в контролно диагностичния процес на мощни преобразувателни устройства и база за изграждане на виртуална измервателна лаборатория.



АВТОРСКИ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИСЕРТАЦИЯТА

A1. Veselinov V. D., “Possibilities of improvement of monitoring and diagnostic process of power electronic devices”, (Part1), ЕТ Sozopol 2006, Book2, pp.199-203. A2. Veselinov V. D., “GPRS system for monitoring of break – down and transient processes at current source parallel inverters”, ЕТ Sozopol 2007, Book2, pp.155-160. A3. Веселинов В. Д., “Цифрово-параметричен измервателен комплекс за управление на експлоатационния процес на силови електронни устройства”, Е+Е, стр.11-15, N11-12, 2007г. A4. Veselinov V. D., “Possibilities of improvement of monitoring and diagnostic process of power electronic devices”, (Part2), ЕТ Sozopol 2008, Book1, pp.129-134. A5. Веселинов В. Д., “Регистриране на аварийни режими при автономните инвертори”, Електроника 2008, София 29-30 май, 2008г, П1-6. A6. Veselinov V., D. Grigorov, “Methods for Determining the Available Working Resources of Power Electronic Devices”, ЕТ Sozopol 2009, Book2, pp.127-128.

УЧАСТИЯ В НАУЧНИ ТЕМИ И ПРОЕКТИ

A7. “Natural gas fuelled solid oxide fuel cells (SOFC’s) for cogeneration of electricity and chemicals”. 6-та Рамкова програма на европейската общност N:2101, Обект WP1, София 2007г. A8. “Комплекс за изследване на аварийни и преходни процеси при силови електронни преобразуватели”. Научно изследователски проект, НИС, ТУ - София 2007г. A9. “Converters for hybrid vehicles – diagnostic and measurements”. Програма за развитие на “Elit-Neo” LTD към EU, N:0907, Обект L2, София 2009г.

- Б Л А Г О Д А Р Н О С Т И -

Изказвам сърдечна благодарност на семейството ми за моралната им подкрепа и на моите научни ръководители и колеги за неоценимата помощ, напътствията и забележките при разработването и оформянето на този дисертационен труд!



T E C H N I C A L U N I V E R S I T Y - S O F I A Faculty of Electronic Engineering and Technology

Department of Power Electronics

mag. eng. Vladislav Danchev Veselinov

Study of failure modes in power electronic circuits

A N N O T A T I O N Of Philosophy Doctoral Thesis

The established use of silicon devices in converter powerful devices determines their sensitivity to overloads and inability to restore them after thermal or electrical breakdown. This necessitates the need for precise studies of the causes of accidental events in power electronic devices. Researches of the thesis are in the following areas: 1. Analysis and classification of emergency processes in the power electronic circuits. 2. Theoretical - analytical studies of electromagnetic processes in case of emergency events. 3. Development of simulation models and determination of the causes leading to the

occurrence of accidental events. 4. Experimental study of basic emergency parameters. 5. Establishment of programs, algorithms and methods for protection optimization. 6. Using results of theoretical and experimental studies in order to develop technical means for efficiency increase of the power electronic devices. Goal: Optimization of diagnostic process and limitation of emergency modes of power electronic devices at different hierarchical levels in modern converter technology. The thesis carries out theoretical, mathematical analysis and experimental study of the real values of the power electronic devices. Results are synthesized, formulated and conclusions are summarized, based on collected statistics. An assessment of the effectiveness of the existing protection methods is developed as well as directions for their improvement. A method for synthesis of failure modes in basic converter circuits is proposed, as well as a process for applying the system approach in the analysis. On this basis, have been developed basic principles for building an optimal diagnostic strategy for ensuring the power electronic devices. They are aimed at hybrid systems in modern automobiles.

The first chapter is a classification of conversion systems and analysis of the development of their failure processes. The condition and prospects of the modern power semiconductor devices are also examined. Summarized are the possibilities of using principles of technical analysis in the diagnosis of failure modes in the power electronic devices, focusing on current trends in their development.

The following tasks are defined in the second chapter: summary of reliability of power electronic devices in terms of analysis of failures in transducers. Also clarified is the physical nature of the emergency processes in components and systematic basic emergency procedures in the basic converter circuits.

The third chapter presents the main problems addressed in the theoretical analysis of electromagnetic processes which are result of the emergency mode. Models and methods for analysis of emergency processes are suggested as well as organization of the thermal analogy to describe the behaviour of power semiconductors.

The fourth chapter sets out the main practical results of research done in previous chapters. In this part have been developed circuit solutions and models for the realization of basic concepts. Dissertation paper consists of 199 pages, 14 pages applications. It includes 113 figures and 7 tables, general conclusions, contributions and 11 applications. The bibliography includes 126 titles, 80 of them in Cyrillic 46 in Latin and 9 publications of the author.

w avtoreferat wdw 2 -...

Documents