Přechodové děje při startování Plazmatronu Ing. Milan Dedek, Ing. Rostislav Malý, Ing. Miloš Maier milan.dedek@orgrez.cz rostislav.maly@orgrez.cz milos.maier@orgrez.cz Orgrez a.s., Počáteční 19, 710 00, Ostrava (reg. číslo GAČR 101/05/0643) Článek se zabývá problematikou startování plazmatronu o výkonu 320kW při použití vn zapalovacího zdroje. V praxi se vyskytl problém, kdy při některých startech dochází k proudovým špičkám, přesahujícím jmenovité technické parametry použitých elektrických strojů a přístrojů, které vedou k vybavení jistících prvků a tím i k přerušení startovacího cyklu. Úvod Technický popis zařízení Výpočet L, R obvodu s parametry L = 7mH, R = 0,15Ω Výpočet L, R obvodu s parametry L = 14mH, R = 0,15Ω Výpočet L, R obvodu s parametry L = 14mH, R = 0,3Ω Výpočet L, R obvodu s parametry L = 7mH, R = 0,3Ω Výpočet L, R obvodu s parametry L = 10mH, R = 0,3Ω Závěr Použitá literatura 1.Úvod Silový obvod pro generátor nízkoteplotní plazmy - plazmatron tvoří usměrňovač 600V/1000A s charakteristikou proudového zdroje k němuž je v záporné větvi připojen rezistor s hodnotou odporu 0,15Ω a v sérii s ním tlumivka 7mH. V případě úspěšného startu dochází v době do 5s k odpojení rezistoru pomocí paralelně připojeného tyristoru. Výpočty, které byly v počátku provedeny ukazovaly na nevhodně zvolené hodnoty indukčnosti tlumivky a odporu startovacího rezistoru z hlediska přechodového děje, který probíhá od okamžiku zapálení plazmy do doby započetí regulace napětí regulátorem v řídící jednotce tyristorů. Důsledkem toho mohly nastávat potíže při startech plazmatronu, které se projevují nepravidelnými výpadky jisticích prvků silové části napájení plazmatronu. V praxi to znamenalo, že při žádném startu nešlo vyloučit, že dojde k reakci některého z jisticích prvků na nadproud. Kdykoliv došlo k výpadku napájení plazmatronu, byly starty opakovány několikrát, než se podařilo plazmu vygenerovat. Pro ověření předpokladů a vypočtených údajů byly provedeny provozní zkoušky, při kterých byly měřeny přechodové charakteristiky nárůstu elektrického proudu od okamžiku počátku generování plazmy do okamžiku regulace napětí třífázového polořízeného usměrňovacího můstku. Zkoušky probíhaly na plazmatronu s pohyblivou katodou a při některých startech byly použity různé vzdálenosti elektrod. K dispozici byly pouze dvě tlumivky 7mH/800A a dva rezistory 0,15Ω. Kombinacemi jejich zapojení byly získávány čtyři různé hodnoty indukčnosti a odporu. Veškeré výpočty probíhaly pomocí tabulkového kalkulátoru MS Excel a proto jsou dále uváděny pouze číselné výsledky. 44-1
2.Technický popis zařízení Řídící jednotka třífázového polořízeného usměrňovacího můstku má specifické vlastnosti a je odlišná od klasických řídících jednotek pro regulaci indukčních a odporových zátěží. Řídící jednotka pro řízení napětí na plazmatronu je zkonstruovaná tak, že před aktivací vn zapalovacího zdroje jsou tyristory v 3fázovém polořízeném usměrňovacím můstku otevřeny s nejmenším možným řídícím úhlem α, tzn. na můstku je nejvyšší možné napětí. K začátku regulace napětí 3fázového usměrňovacího můstku dochází za předpokladu, že tyristor ve větvi, v které má dojít k regulaci napětí, zatím nebyl sepnut a stejnosměrný el. proud (zpětná vazba) je větší než potenciometrem nastavená žádaná hodnota proudu snížená o 40%. V praxi to znamená, že když nastavíme potenciometrem žádanou hodnotu na 400A, tak k regulaci napětí začne nejdříve docházet až hodnota stejnosměrného proudu na výstupu třífázového polořízeného usměrňovacího můstku vzroste nejméně na 360A. Celkový čas potřebný k započetí regulace je tak složen ze tří časových úseků. (1) t c - celkový čas t 1 - časové pásmo ve kterém může dojít k regulaci tyristorů (teoreticky 0 až 150 o el. minus γ, kde γ je bezpečnostní úhel) - viz obr.1. t 2 - zpoždění převodníku proudu zpětné vazby, námi použitý převodník má zpoždění 1ms t 3 - čas, za který stejnosměrný elektrický proud dosáhne nejnižší možné hodnoty, aby mohlo dojít k regulaci napětí. Obvykle se bere čas, za který dosáhne stejnosměrný elektrický proud hodnotu 360A. Po celou dobu přechodového děje je nutno silový obvod považovat za neregulovaný zdroj napětí se zjednodušující podmínkou, že jeho vnitřní odpor R = 0Ω. Tento zdroj pracuje do sériové zátěže L,R. obr.1 Průběh napětí třífázového polořízeného můstku Okamžitou hodnotu elektrického proudu pro sériový obvod L,R lze vypočíst dle vztahu 44-2
(2) kde i - okamžitá hodnota elektrického proudu I - ustálený proud e - základ přirozených logaritmů R - odpor obvodu t - čas L - indukčnost Ustálený proud (3) kde I - ustálený proud Uz- napětí zdroje R - odpor vřazeného rezistoru r - odpor vinutí 3.Výpočet L, R obvodu s parametry L = 7mH, R = 0,15Ω předpokládané podmínky: napětí zdroje při plně otevřených tyristorech U z = 580V ss odpor vinutí tlumivky je zanedbán t x - proměnná hodnota času nacházející se v časovém intervalu T1-T2 - viz obr.1 A. Obvod s těmito parametry je použit v technologickém prostředí. Při výpočtu vezmeme v úvahu stav, kdy tyristor je sepnut v okamžiku T1 + γ (γ je bezpečnostní úhel) a ihned následuje start plazmatronu. Po dobu 120 o el. pracuje třífázový polořízený usměrňovací můstek s plně otevřenými tyristory. Podle vzorce (1) vypočteme čas práce můstku s plně otevřenými tyristory (při tomto výpočtu lze čas t3 zanedbat). Elektrické stupně přepočteme na ms 120 o el. = 6,7ms t c1 = t 1 + t 2 + t 3 = 6,7 + 1 + 0 = 7,7ms Od této hodnoty odečteme bezpečnostní úhel γ, který je nastaven na hodnotu 0,6ms a dostaneme čas: t c2 = t c1 - u = 7,7-0,6 = 7,1ms ze vztahu (2) vypočteme, že za tuto dobu vzrostl el. proud na hodnotu 546A. Jelikož je splněna podmínka, že k regulaci napětí začne nejdříve docházet až hodnota proudu vzroste nejméně na 360A, je napětí u2 již v následující periodě regulováno (viz obr.1 časový úsek T2 - T3). V tomto případě by nemělo docházet k provozním problémům. 44-3
B. Při tomto výpočtu vezmeme v úvahu stav, kdy k zapálení plazmy dochází v okamžiku t x a hodnota elektrického proudu v čase T2 dosáhne hodnoty 359A, tzn. jedná se o nejnepříznivější stav. Ze vztahu (2) vypočteme čas: T2 - t x = 4,6ms Regulátor následující periodu napětí u2 (viz obr.1 časový úsek T2 - T3) opět sepne s nejmenším možným spínacím úhlem α, protože nebyla splněna podmínka, že velikost elektrického proudu musí být nejméně 360A, tzn., že po dobu 6,7ms budou tyristory opět plně otevřené. Ze vzorce (1) vypočteme čas po který pracuje třífázový polořízený můstek s plně otevřenými tyristory: t c1 = t 1 + t 2 + t 3 = 4,6 + 1 + 6,7 = 12,3ms Ze vztahu (2) vypočteme, že za tuto dobu vzrostl el. proud na hodnotu 896A. Tento proudový nárůst je již nepřijatelný a lze ho označit za kritický. V provozních podmínkách pak zřejmě dochází k vybavení jisticích prvků. Z tohoto výpočtu je zřejmé, že nejsou správně navržené hodnoty indukčnosti a odporu z hlediska přechodového děje. obr.2 Naměřené údaje v provozních podmínkách L=7mH R=0,15 časová základna osciloskopu - 20ms/dílek čas zapálení - 321ms mezera mezi elektrodami při startu nastavena na 0,9mm Z obrázku je patrné, že regulátor začíná regulovat až po 10ms od zapálení plazmy, za tuto dobu byl nárůst el. proudu 450A. Při této zkoušce nedošlo k vybavení jisticích prvků. Zapalovací zdroj se podařilo spustit v nekritický čas. 44-4
4.Výpočet L, R obvodu s parametry L = 14mH, R = 0,15Ω předpokládané podmínky: napětí zdroje při plně otevřených tyristorech U z = 580V ss odpor vinutí tlumivky je zanedbán bezpečnostní úhel γ zanedbán t x - proměnná hodnota času nacházející se v časovém intervalu T1-T2 - viz obr.1 V tomto případě bude výpočet prováděn jen pro nejnepříznivější stav, tj. když k zapálení plazmy dojde v okamžiku t x a hodnota elektrického proudu v čase T2 dosáhne 359A. Ze vztahu (2) vypočteme čas,kdy k tomuto stavu dochází: T2 - t x = 9,1ms Regulátor v první periodě napětí u1 (viz obr.1 - časový úsek T1-T2) i první periodě napětí u2 (viz obr.1 - časový úsek T2-T3) spíná tyristory s nejmenším možným spínacím úhlem α, tzn. tyristory jsou plně otevřené. První perioda napětí u3 (viz obr.1 - časový úsek T3-T4) je již regulována. Podle vzorce (1) vypočteme čas po který pracuje třífázový polořízený můstek s plně otevřenými tyristory: t c1 = t 1 + t 2 + t 3 = 6,7 + 1 + 6,7 = 14,4ms Dle vztahu (2) vypočteme, že za tuto dobu vzroste hodnota el. proudu na hodnotu 553A. Tento proudový nárůst je v souladu s navrženými prvky a ještě má dostatečnou rezervu. V tomto případě by nemělo docházet k provozním problémům. obr.3 Naměřené údaje v provozních podmínkách 44-5
L=14mH R=0,15Ω časová základna osciloskopu 0 20ms/dílek čas zapálení - 321ms mezera mezi elektrodami při startu nastavena na 0,9mm Z obrázku je patrné, že regulátor začíná regulovat až po 18ms od zapálení plazmy, za tuto dobu byl nárůst el. proudu pouze 200A. Při této zkoušce nedošlo k vybavení jisticích prvků neboť proudový nárůst byl v souladu s navrženými prvky po celou dobu přechodového děje s velkou rezervou. obr.4 Naměřené údaje v provozních podmínkách L=14mH R=0,15Ω časová základna osciloskopu - 10ms/dílek čas zapálení - 323ms mezera mezi elektrodami při startu nastavena na 0,9mm Tento obrázek ukazuje průběh napětí a proudu při opakovaném startu při stejných parametrech obvodu jako obr.3 s tím rozdílem, že byla změněna časová základna osciloskopu na 10ms/dílek. 44-6
5. Výpočet L, R obvodu s parametry L = 14mH, R = 0,3Ω předpokládané podmínky: napětí zdroje při plně otevřených tyristorech U z = 580V ss odpor vinutí tlumivky je zanedbán bezpečnostní úhel γ zanedbán t x - proměnná hodnota času nacházející se v časovém intervalu T1-T2 - viz obr.1 V tomto případě je výpočet prováděn jen pro nejnepříznivější stav, tj. když k zapálení plazmy dojde v okamžiku t x a hodnota elektrického proudu v čase T2 dosáhne 359A. Ze vztahu (2) vypočteme čas, kdy k tomuto stavu dochází: T2 - t x = 9,6ms Regulátor v první periodě napětí u1 (viz obr.1 - časový úsek T1-T2) i první periodě napětí u2 (viz obr.1 - časový úsek T2-T3) spíná tyristory s nejmenším možným spínacím úhlem α, tzn. tyristory jsou plně otevřené. První perioda napětí u3 (viz obr.1 - časový úsek T3-T4) je již regulována. Podle vzorce (1) vypočteme čas po který pracuje třífázový polořízený můstek s plně otevřenými tyristory: t c1 = t 1 + t 2 + t 3 = 6,7 + 1 + 6,7 = 14,4ms Dle vztahu (2) vypočteme, že za tuto dobu vzroste hodnota el. proudu na hodnotu 513A. Tento proudový nárůst souhlasí s navrženými prvky a ještě má dostatečnou rezervu. V tomto případě by nemělo docházet k provozním problémům. obr.5 Naměřené údaje v provozních podmínkách L=14mH R=0,3Ω 44-7
časová základna osciloskopu - 10ms/dílek čas zapálení - 323ms mezera mezi elektrodami při startu nastavena na 0,9mm Z obrázku je patrné, že regulátor začíná regulovat až po 13ms od zapálení plazmy. Za tuto dobu byl nárůst el. proudu 220A. Při této zkoušce nedošlo k vybavení jisticích prvků neboť proudový nárůst souhlasí s navrženými prvky po celou dobu přechodového děje s velkou rezervou. obr.6 Naměřené údaje v provozních podmínkách L=14mH R=0,3Ω časová základna osciloskopu - 10ms/dílek čas zapálení -323ms mezera mezi elektrodami při startu nastavena na 1,6mm Tento obrázek ukazuje průběh napětí a proudu při opakovaném startu při stejných parametrech obvodu jako obr.5. V tomto případě je však časový průběh proudu a napětí odlišný od předchozího obrázku. Regulace napětí začala až po 24ms, tzn. že regulátor neměl splněnu podmínku ve třech po sobě jdoucích periodách u1, u2, u3 (T1-T2, T2-T3, T3-T4) a začal regulovat až v druhé periodě napětí u1 (T4-T5). Z toho lze usoudit, že hodnoty indukčnosti a odporu jsou již příliš velké a pozvolný nárůst elektrického proudu zpomaluje regulaci a činí ji nestabilní (obr.6). 6.Výpočet L, R obvodu s parametry L = 7mH, R = 0,3Ω předpokládané podmínky: 44-8
napětí zdroje při plně otevřených tyristorech U z = 580V ss odpor vinutí tlumivky je zanedbán bezpečnostní úhel γ zanedbán t x - proměnná hodnota času nacházející se v časovém intervalu T1-T2 - viz obr.1 V tomto případě je opět výpočet prováděn jen pro nejnepříznivější stav, tj. když k zapálení plazmy dojde v okamžiku t x a hodnota elektrického proudu v čase T2 dosáhne 359A. Ze vztahu (2) vypočteme čas, kdy k tomuto stavu dochází: T2 - t x = 4,8ms Regulátor v první periodě napětí u1 (časový interval T1-T2) i první periodě napětí u2 (časový interval T2-T3) spíná tyristory s nejmenším možným spínacím úhlem α, tzn. tyristory jsou plně otevřené. První perioda napětí u3 (časový interval T3-T4) je již regulována. Podle vzorce (1) vypočteme čas po který pracuje třífázový polořízený můstek s plně otevřenými tyristory: t c1 =t 1 + t 2 + t 3 = 4,8 + 1 + 6,7 = 12,5ms Ze vztahu (2) vypočteme, že za tuto dobu vzroste hodnota el. proudu na hodnotu 802A. Tento proudový nárůst je již dostatečný k tomu, aby mohlo dojít k zareagování jisticích prvků a ukazuje, že nejsou správně navržené hodnoty indukčnosti a odporu. obr.7 Naměřené údaje v provozních podmínkách L=7mH R=0,3Ω časová základna osciloskopu - 20ms/dílek čas zapálení - 320ms mezera mezi elektrodami při startu nastavena na 0,9mm 44-9
Z obrázku je patrné, že regulátor začíná regulovat až po 8ms od zapálení plazmy, za tuto dobu byl nárůst el. proudu 300A. Při této zkoušce nedošlo k vybavení jisticích prvků poněvadž vn zapalovací zdroj byl náhodně spuštěn v čase, který se neblíží nejnepříznivějšímu stavu. 7.Výpočet L, R obvodu s parametry L = 10mH, R = 0,3Ω předpokládané podmínky: napětí zdroje při plně otevřených tyristorech U z = 580V ss odpor vinutí tlumivky je zanedbán bezpečnostní úhel γ zanedbán t x - proměnná hodnota času nacházející se v časovém intervalu T1-T2 - viz obr.1 V tomto případě je výpočet prováděn pro nejnepříznivější stav, tj. když k zapálení plazmy dojde v okamžiku t x a hodnota elektrického proudu v čase T2 dosáhne 359A. Ze vztahu (2) vypočteme čas, kdy k tomuto stavu dochází: T2 - t x = 4,8ms Regulátor v první periodě napětí u1 (časový úsek T1-T2) i první periodě napětí u2 (časový úsek T2-T3) spíná tyristory s nejmenším možným spínacím úhlem α, tzn. tyristory jsou plně otevřené. První perioda napětí u3(časový úsek T3-T4) je již regulována. Podle vzorce (1) vypočteme čas, po který pracuje třífázový polořízený můstek s plně otevřenými tyristory: t c1 =t 1 + t 2 + t 3 = 4,8 + 1 + 6,7 = 12,5ms Dle vztahu (2) vypočteme, že za tuto dobu vzroste hodnota el. proudu na hodnotu 605A. Tento proudový nárůst souhlasí s navrženými prvky a ještě má dostatečnou rezervu. V tomto případě by nemělo docházet k provozním problémům. Takto navržené hodnoty indukčnosti a odporu jsou mnohem výhodnější pro průběh přechodového děje než v současnosti použité hodnoty L=7mH a R=0,15Ω. 8.Závěr Výsledky zkoušek potvrdily teoretické výpočty s použitím zjednodušujících zadávacích podmínek, že při současně navržených hodnotách indukčnosti a odporu může dojít k reakci jisticích prvků v době přechodového děje, který probíhá od okamžiku zapálení plazmy do doby započetí regulace napětí regulátorem v řídící jednotce tyristorů. Vše záleží na okamžiku spuštění vn zapalovacího zdroje. Jelikož je tato doba náhodná, je i počet úspěšných a neúspěšných startů náhodný, tzn. záleží v kterém časovém okamžiku dojde k zapálení plazmy. Čím více se tento čas blíží nejnepříznivějšímu stavu (viz bod 3, kap. B), tím je větší pravděpodobnost reakce jistících prvků na nadproud. Dále se prokázalo, že návrh vyhlazovací tlumivky a rezistoru není možné provádět jen pro ustálený provozní stav, ale je nutno ho přizpůsobit i přechodovému ději, který nastává v okamžiku nárůstu elektrického proudu do okamžiku začátku regulace napětí třífázovým polořízeným můstkem. Pro příklad je uveden návrh sériového obvodu L,R (bod 7) s vhodnějšími hodnotami indukčnosti a odporu. Závěrem je nutno dodat, že tento článek řeší přechodový děj v čistém mezielektrodovém prostoru plazmatronu. Pokud je mezielektrodový prostor vyplněn uhelným práškem, dochází 44-10
při startu plazmatronu vždy k reakci jisticích prvků. To je však jiná problematika, kterou se tyto zkoušky nezabývaly. 9.Použitá literatura [1] Vondrášek, F. Výkonová elektronika-teorie měničů, Vysoká škola strojní a elektrotechnická v Plzni, Plzeň 1981-Ediční srředisko VŠSE, 139 stran [2] Heřman, J. a kol. Příručka silnoproudé elektrotechniky, SNTL-Nakladatelství technické literatury, Praha 1984, str.203-289, DT 621.3.027.3(075) [3] Nečásek, S. Radiotechnika do kapsy, druhé upravené a doplněné vydání, SNTL- Nakladatelství technické literatury, Praha 1981, str. 73-79 [4] Kruml, V. Štefl, M. Transformátory pro obloukové svařování, třetí upravené vydání, SNTL-Nakladatelství technické literatury, Praha 1985, 242 stran [5] ČKD Polovodiče a.s., Katalog tyristorů, ČKD Polovodiče a.s.,str. 7-24 Příspěvek zpracován v rámci řešení projektu GAČR 101/05/0643 - Využití plazmové technologie v uhelné energetice 44-11