СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ТИРИСТОРОВ Российский патент 1995 года по МПК H02H7/10 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для контроля состояния последовательно соединенных тиристоров высоковольтных преобразователей
например компенсаторов реактивной мощности.

Известен способ контроля состояния тиристоров, заключающийся в измерении падения напряжения на последовательно соединенных
цепях, включающих импульсные трансформаторы и выполненных по числу тиристоров, при протекании через них импульсов тока, при этом
импеданс каждой из этих цепей регулируют напряжением от соответствующего тиристора [1].

Недостатком указанного
способа является низкая помехозащищенность и, как следствие, низкая точность из-за того, что рабочий спектр частот импульсов тока
перекрывается спектром частот помех. Этот способ предусматривает недоиспользование тиристоров по напряжению. При пробое тиристоров, количество которых оказывается больше допустимого (резервного) значения, оставшиеся в работе тиристоры отключают от сети, хотя они могут продолжать работу, если воздействующее напряжение на них в пределах допустимого. В данном случае резерв по тиристорам выбирают с учетом максимально возможных рабочих напряжений и разбросов параметров цепей. Дополнительные отключения тиристоров от сети в результате действия помех, неполного использования тиристоров по напряжению ведут к увеличению простоев электрооборудования и затратам. Необходимо отметить сложность реализации указанного способа.

Известен способ контроля состояния тиристоров, заключающийся в формировании сигнала неисправности при появлении тока через тиристоры в отсутствие импульсов управления [2].

Недостатком указанного способа является низкая точность контроля состояния тиристоров при последовательном их соединении. При неисправности нескольких из n последовательно соединенных тиристоров снижается надежность оставшихся в работе тиристоров и, в случае возникновения полной проводимости последовательно соединенных тиристоров в результате их пробоя или самовключения по напряжению в отсутствие импульсов управления, что ведет к отключению силового напряжения, неизвестно какое количество тиристоров неисправно. Повторное включение силового напряжения возможно только после электрической прозвонки тиристоров. Если число неисправных тиристоров не превышает числа резервных,
то вышеуказанная прозвонка обуславливает дополнительные эксплуатационные затраты и простои электрооборудования.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности контроля и надежности тиристоров при последовательном их соединении, снижение эксплуатационных затрат и простоев электрооборудования.

Указанная цель в способе контроля состояния тиристоров, подключенных к сети, заключающемся в формировании сигнала неисправности при появлении тока через тиристоры в отсутствие импульсов управления, достигается тем, что каждый из тиристоров при последовательном их соединении принудительно отпирают при достижении
на нем напряжения порогового значения, формируют опорный сигнал, прямо пропорциональный пороговому значению напряжения и числу последовательно соединенных тиристоров, формируют сигнал самовключения, прямо пропорциональный напряжению, при котором принудительно отпирают контролируемые последовательно соединенные тиристоры, формируют разность между опорным сигналом и сигналом самовключения и по сигналу неисправности преобразуют эту разность в число неисправных тиристоров, причем сигнал самовключения можно формировать путем амплитудного детектирования напряжения на последовательно соединенных тиристорах либо в виде ЭДС коммутации на
тиристорах с последующим преобразованием ее прямо пропорционально коэффициенту демпфирования напряжения восстановления, при этом ЭДС коммутации формируют путем фиксации напряжения сети в момент появления тока через тиристоры.

На фиг.1 - 6 показан один из примеров реализации предлагаемого способа; на фиг.7 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит подключенные к линейному напряжению U_АВ сети последовательно соединенные реактор 1 и тиристорный вентиль 2 (фаза АВ тиристорно-реакторной группы компенсатора), в цепи которых включен датчик тока 3 (например, трансформатор тока), узел управления 4 (выполнен, например, аналогично блоку управления устройства, выполненного по а.с. СССР N 1261044, кл. Н 02 Н 3/18), выходом соединенный с входом управления тиристорного вентиля 2, датчик напряжения 5 (например, трансформатор напряжения), входом подключенный параллельно тиристорному вентилю 2 или к линейному напряжению U_АВ сети, узел контроля 6, соединенный первым, вторым и третьим входами с выходами, соответственно, датчика тока 3, узла управления 4 и датчика напряжения 5, и исполнительный орган 7 (представляет собой, например, масляный выключатель в цепи питания компенсатора), входом подключенный
к выходу узла контроля 6; причем тиристорный вентиль 2 выполнен в виде n последовательно соединенных антипараллельно включенных тиристоров 8 и 9, снабженных защитной RC-цепью 10 (последовательно соединенные резистор и конденсатор), включенные параллельно тиристорам 8 и 9, и цепью принудительного отпирания 11, которая входными выводами в и b соединена параллельно тиристорам 8 и 9, а выходными выводами с и d подключена к управляющим выводам тиристоров 8 и 9, при этом цепь принудительного отпирания 11 (фиг.2) выполнена в виде последовательно соединенных первого RC-элемента 12 (параллельно соединенные резистор и конденсатор), нелинейного элемента 13 (варистор) и второго RC-элемента 14 (параллельно соединенные резистор и конденсатор),
включенных между первым a и вторым b входными выводами цепи принудительного отпирания, и первого 15 и второго 16 динисторов, анод каждого из которых соединен с выводом нелинейного элемента 13 и выводом соответствующего RC-элемента 12 (14), а катодом - с соответствующим выходным выводом С (d) схемы принудительного отпирания; узел контроля 6 содержит (фиг.3) схему фиксации самовключения 17, формирователь напряжения самовключения 18, сумматор 19, формирователь опорного напряжения 20, преобразователь напряжения 21 и индикатор 22, причем первые входы схемы фиксации самовключения 17 и формирователя напряжения самовключения 18 соединены между собой и являются первым входом
узла контроля 6, второй вход схемы фиксации самовключения 17 и второй вход формирователя напряжения самовключения 18 являются вторым и третьим входами узла контроля 6, выход схемы фиксации самовключения 17 соединен с первым входом преобразователя напряжения 21, первый, второй и третий выходы которого соединены с соответствующими входами индикатора 22, а четвертый выход является выходом узла контроля, выход формирователя напряжения самовключения 18 соединен с вычитающим входом сумматора 19, а выход формирователя опорного напряжения 20 - с суммирующим входом сумматора 19, выход которого
соединен с вторым входом преобразователя напряжения 21; схема фиксации самовключения 17 (фиг. 4) содержит выпрямитель 23 (выполнен, например, по схеме рис. 7-2б, на с. 153 литературы: Гутников ВС. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергия, Ленинград. отделение, 1980, с. 284), вход которого является первым входом схемы фиксации самовключения, D-триггер 24, выход которого является выходом схемы фиксации самовключения, пороговый элемент 25 (выполнен, например, на компараторе - микросхеме серии К554САЗ), входом соединенный с выходом выпрямителя 23 и выходом - со счетным C- выходом D-триггера
24, и одновибратор 26 (выполнен, например, по схеме рис.9.6 на с. 250 литературы: Ланцов А. Л. и др. Цифровые устройства на комплементарных МДП интегральных микросхемах. - М.: Радио и связь, 1983, с.272.), у которого вход является вторым входом схемы фиксации самовключения, а выход соединен с информационным D-входом D-триггера 24; формирователь напряжения самовключения 18 может быть выполнен в виде симметричного пикового детектора аналогично схеме рис.8.17 на c.205 литературы: Сентурия С., Уэдлок Б. Электронные схемы и их применение. Пер. с англ. М.: Мир, 1977, при этом в формирователе напряжения самовключения
используется только второй вход, являющийся входом пикового детектора; формирователь напряжения самовключения 18 может быть выполнен также в виде (фиг. 5) первого 27 и второго 28 выпрямителей (выполнены аналогично выпрямителю 23), входы которых являются первым и вторым входами, соответственно, формирователя напряжения самовключения, усилители 29 (выполнен на операционном усилителе), выход которого является выходом формирователя напряжения самовключения, элемента выборки и хранения 30 (выполнен, например, на микросхеме типа КР1100СК2), сигнальный вход которого соединен с выходом второго выпрямителя 28, порогового элемента 31 (выполнен,
например, на компараторе - микросхема типа К554САЗА), и одновибратора 32 (выполнен, например, аналогично одновибратору 26), при этом выход первого выпрямителя 27 соединен через последовательно включенные пороговый элемент 31 и одновибратор 32 с управляющим входом элемента выборки-хранения 30, выход которого соединен с входом усилителя 29; преобразователь напряжения 21 выполнен на первом 33, втором 34 и третьем 35 D-триггерах, счетные С-входы которых соединены между собой и образуют первый вход преобразователя напряжения, на первом 36, втором 37 и третьем 38 пороговых элементах (компараторы - микросхема типа К554САЗ), входы которых
соединены между собой и образуют второй вход преобразователя напряжения, при этом выходы первого 36, второго 37 и третьего 38 пороговых элементов соединены с информационными D-входами, соответственно, первого 33, второго 34 и третьего 35 D-триггеров, выход третьего D-триггера 35 является первым выходом преобразователя напряжения, выход второго D-триггера 34 является вторым выходом преобразователя напряжения и соединен с R-входом установки в "0" третьего D-триггера 35 и выход первого D-триггера является третьим и четвертым выходами преобразователя напряжения и соединен с R-входами установки в "0" второго 34 и третьего 35 D-триггеров.

Устройство работает следующим образом. Напряжение сети U_АВ = U_А - U_В (временная диаграмма U_АВ на фиг.7) через тиристорный вентиль 2 прикладывается к реактору 1, через который протекает ток i_АВ (временная диаграмма i_АВ). Длительность приложения напряжения к реактору 1 определяется углом управления α (в каждом полупериоде отсчитывается от момента максимума напряжения U_АВ, как показано на фиг.7), в моменты которого (например, α₁ и α₂) с выхода системы импульсно-фазового управления 4 на тиристорный вентиль 2 подаются импульсы управления для отпирания тиристоров 8 (1)...8 (n) и 9 (1)...9 (n). В момент времени t₁отпираются тиристоры
8 (1). ..8(n) и через реактор 1 протекает ток i_АВ положительной полярности. В момент t₂ спада этого тока до нуля на тиристорном вентиле 2 восстанавливается напряжение отрицательной полярности (временная диаграмма U₂), образуя выброс, с амплитудой U_m1. В момент времени t₃отпираются тиристоры 9 (1). . . 9 (n). Через реактор 1 в течение времени от t₃ до t₄ протекает ток i_АВ отрицательной полярности. В момент времени t₄на
тиристорном вентиле восстанавливается напряжение положительной полярности с амплитудой U_m2. Защитные RC-цепи 10 (1)...10 (n) осуществляют демпфирование выбросов напряжения до требуемой величины и обеспечивают равномерное деление напряжения,
приложенного к тиристорному вентилю 2 (диаграмма U₂), по последовательно соединенным тиристорам 8 (1)...8 (n) и 9 (1)...9 (n). В момент времени t₂ (t₄) напряжение U_АВ равно величине Е1 (Н2) - ЭДС коммутации. Соотношение () называется коэффициентом демпфирования К_д 1 (К_д 2). Цепь принудительного отпирания (фиг.2) ограничивает перенапряжения на тиристорах 8 и 9 (фиг. 1) и обеспечивает их отпирание при недопустимых перенапряжениях, тем самым снижается возможность пробоя тиристоров. Это осуществляется следующим образом. Ограничение перенапряжений на тиристорах 8 и 9 обеспечивается варистором 13 (фиг. 2) через первый 12 и второй 14 RC-элементы, которые являются тепловой моделью варистора 13. Если напряжение на
тиристорах 8 и 9 достигает напряжения лавинообразования, то через варистор 13 начинает протекать ток, который заряжает конденсатор RC-элемента 12 (14). При достижении на этом конденсаторе напряжения порога срабатывания динистора 15 (16), соответствующего предельно допустимого значения температуры варистора 13, конденсатор разряжается через динистор 15 (16) на управляющий переход тиристора 9 (8) и отпирает последний. В процессе работы тиристорного вентиля 2 имеют место повреждения части тиристоров 8 и 9. Так как поврежденные тиристоры всегда могут считаться короткозамкнутыми, то вентиль 2 может продолжать работу при наличии
резерва по последовательно включенным тиристорам 8 (1)...8 (n) и 9 (1). . . 9(n). При недопустимых перенапряжениях на оставшихся в работе исправных тиристорах 8 и 9 последние включаются по цепям принудительного отпирания 11 вентиль 2 становится проводящим без воздействия импульсов управления с выхода системы импульсно-фазового управления 4. Этот режим фиксирует узел контроля 6 и выдает сигнал на исполнительный орган 7, который снимает высокое напряжение с фазы компенсатора и, следовательно, с тиристорного вентиля 2, и расшифровывает количество неисправных тиристоров, что осуществляется следующим образом. Токовый сигнал U_з, пропорциональный текущему
значению тока i_АВ через тиристорный вентиль 2, с выхода датчика тока 3, сигнал напряжения U₅, пропорциональный текущему значению напряжения U₂ на тиристорном вентиле 2, с выхода датчика напряжения 5 и импульсы управления с выхода системы импульсно-фазового управления 4 подаются на входы узла контроля 6. Токовый сигнал в узле контроля 6 поступает на первый вход схемы фиксации самовключения 17 (фиг.3), где (фиг.4) выпрямителем 23 преобразуется в абсолютное значение этого сигнала положительной полярности и затем пороговым элементом 25 - в прямоугольные импульсы, по времени совпадающие
с интервалами проводимости тиристорного вентиля 2 (временная диаграмма U₂₅). Импульсы управления поступают на второй вход схемы фиксации самовключения 17, где передним фронтом запускают одновибратор 26, который формирует инверсные прямоугольные импульсы. Длительность этих импульсов устанавливается немного больше чем временной сдвиг, между началом протекания тока i_АВ через тиристорный вентиль 2 и фронтом импульса с выхода порогового элемента 25 для всего диапазона изменения угла управления α . Импульсы с выходов порогового элемента 25 и одновибратора 26 поступают на счетный С и информационный D-входы
D-триггера 24. В режиме управления тиристорным вентилем 2 от системы импульсно-фазового управления 4 момент подачи импульса управления в каждом полупериоде напряжения U_АВ cовпадает с началом протекания тока i_АВ и, следовательно, фронт импульса на счетном С-входе совпадает с моментом протекания инверсного импульса на информационном D-входе D-триггера 24, который поэтому находится в состоянии "0", а на выходе схемы фиксации самовключения 17 формируется сигнал в виде "0". При достижении напряжения на каждом из тиристоров 8 и 9 порогового значения U_n вследствие внутренних (коммутационных) или внешних (сетевых) перенапряжений, или в результате
выхода из строя части тиристоров 8 и 9 вентиля 2, или из-за того и другого, происходит включение тиристоров 8 или 9 по цепям принудительного отпирания 11, т.е. самовключения тиристорного вентиля 2 для шунтирования перенапряжения. На фиг.7 иллюстрируется самовключение тиристорного вентиля 2 в момент времени t₅, соответствующего положительному максимуму выброса напряжения восстановления (временная диаграмма U₂). Самовключение тиристорного вентиля 2 вызывает
протекание положительной полуволны тока i_АВ, по началу протекания которого пороговый элемент 25 формирует импульс (временная диаграмма U₂₅, момент t₅), фронтом устанавливающий D-триггер 24 в состояние "1", так как на тиристорах 8 (1)...8 (n) в этот момент времени отсутствовали импульсы управления (отсутствовал инверсный импульс на выходе одновибратора 26). На выходе D-триггера 24 и выходе схемы фиксации самовключения 17 формируется сигнал в виде "1" (временная диаграмма U₁₇), который информирует о самовключении тиристорного вентиля 2. Определение причины самовключения тиристорного вентиля 2 осуществляется следующим образом. В узле контроля 6 (фиг.3) формирователь
напряжения самовключения 18 производит двухполярное амплитудное детектирование (временная диаграмма U₁₈) сигнала U₅, пропорционального напряжению U₂ на тиристорном вентиле 2 и поступающего с выхода датчика напряжения 5. Сигнал U₁₈ с выхода формирователя напряжения самовключения 18, пропорциональный амплитудным значениям (U_m1, U_m2) выбросов напряжения восстановления (напряжения U₂), сравнивается с опорным сигналом U₂₀ с помощью сумматора 19. Сигнал U₂₀ на выходе формирователя опорного напряжения 20 устанавливается при настройке прямо пропорциональным пороговому значению напряжения U_п и числу n последовательно соединенных тиристоров 8 или 9. Тогда на выходе сумматора
19 в момент времени t₅ формируется сигнал U₁₉, пропорциональный значению (U_n˙ n - U_m2). Пусть в вентиле 2 Х неисправных тиристоров 8 или 9. Тогда максимальное значение напряжения восстановления U_m2, при котором произойдет самовключение вентиля 2, равно U_п (n-X). Тогда (U_п˙n - U_m2) = U_п ˙X до момента времени t₅. Т.е. на выходе сумматора 18 формируется сигнал U₁₈, пропорциональный числу неисправных тиристоров Х. Сигнал U₁₉ преобразователем напряжения 21 преобразуется
в дискретный сигнал в виде "1" на одном из трех его выходов и запоминается. Сигнал U₁₉ подается на входы первого 36, второго 37 и третьего 38 пороговых элементов (фиг.6), пороги срабатывания которых настроены, например, на уровни этого сигнала, соответствующие 30%, 20% и 10%, соответственно, числа неисправных тиристоров. Сигналы с выходов пороговых элементов 36, 37 и 38 поступают на информационные D-входы соответствующих
D-триггеров 33, 34 и 35, на счетные С-входы которых подается сигнал U₁₇, устанавливающий передним фронтом эти D-триггеры в соответствии с сигналами на информационных входах. При установке в "1" первого D-триггера 33 последний формирует выходной сигнал, который поступает на вход исполнительного органа 7, на питание лампы "30%" индикатора 22 и на R-входы установки в "0" второго 34 и третьего 35 D-триггеров.

Исполнительный орган 7 в данном случае (неисправно 30% из n последовательно соединенных тиристоров) снимает высокое напряжение с тиристорного вентиля 2. При установке в "1" только второго D-триггера 34 сигнал в виде "1" с его выхода поступает на R-вход установки в "0" третьего D-триггера 35 (до этого момента третий D-триггер 35 находится в состоянии "1") и на лампу "20%" индикатора 22. При установке в "1" только
третьего D-триггера 35 горит лампа "10%" индикатора 22. В этом случае неисправно 10% тиристоров из n-го числа. Формирователь напряжения самовключения 18, выполненный в соответствии с фиг.5, работает следующим образом. Сигнал тока U₃ c выхода датчика тока 3 преобразуется вентилем 27 в абсолютное
значение I U₃ I . Пороговый элемент 31 формирует по этому сигналу прямоугольные импульсы, соответствующие интервалам проводимости тиристорного вентиля 2. По спаду импульсов с выхода порогового элемента 31 одновибратор 32 формирует короткие импульсы для управления элементом выборки-хранения 30, на сигнальный вход которого через выпрямитель 28 с выхода датчика напряжения 5 (в данном случае датчик напряжения 5 должен быть подключен на напряжение сети U_АВ) поступает сигнал U₅ . На выходе элемента выборки-хранения формируется сигнал, пропорциональный абсолютному значению ЭДС коммутации тиристорного вентиля 2 (/E1/, /E2/). Этот сигнал усилителем 29 преобразуется в сигнал, пропорциональный амплитудному значению выбросов напряжения восстановления (/U_m1/, /U_m2/). Коэффициент усиления
усилителя 29 устанавливается равным коэффициенту демпфирования К_д, который является практически постоянной величиной независимой от числа вышедших из строя тиристоров (К_д изменяется до 3% при пробое 30% тиристоров). Поскольку изменение угла управления при работе тиристорного вентиля 2 в составе компенсатора осуществляется относительно плавно, то самовключение тиристорного вентиля будет происходить на максимуме напряжения восстановления U_m2 (диаграмма U₂, момент времени t₅). Следовательно, и в этом случае на выходе формирователя напряжения самовключения 18 формируется сигнал, пропорциональный напряжению на тиристорном вентиле 2, при
котором произошло его самовключение.

Технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения видны из сопоставительного анализа с прототипом. В прототипе факт выхода из строя тиристора устанавливается по протеканию тока через него в отсутствиe импульсов управления. При последовательном соединении тиристоров неисправность одного или нескольких из них снижает надежность оставшихся в работе
тиристоров. В случае возникновения полной проводимости тиристоров в результате их пробоя или самовключения по напряжению в отсутствиe импульсов управления необходимо отключение силового напряжения. После отключения неизвестно какое количество тиристоров неисправно. Повторное включение силового напряжения возможно только после электрической прозвонки тиристоров. Если число неисправных тиристоров не превышает числа резервных, то вышеуказанная прозвонка обуславливает дополнительные эксплуатационные затраты и простои электрооборудования.

В предлагаемом способе оставшиеся в работе исправные тиристоры принудительно отпирают при достижении на них напряжения порогового значения, вычисляют разность напряжений, при которых осуществляется принудительное отпирание последовательно соединенных тиристоров в исходном - исправном и контролируемом их состоянии. При отключении силового напряжения величина вышеуказанной разности напряжений однозначно указывает число неисправных тиристоров.

Сущность изобретения заключается в том, что каждый из тиристоров принудительно отпирают при достижении на нем напряжения порогового значения, формируют опорный сигнал, прямо пропорциональный пороговому значению напряжения и числу последовательно соединенных тиристоров, формируют сигнал самовключения, прямо пропорциональный напряжению, при котором принудительно отпирают контролируемые последовательно соединенные тиристоры, формируют разность между опорным сигналом и сигналом самовключения и по сигналу неисправности, сформированному при появлении тока через тиристоры в отсутствии импульсов управления, преобразуют эту разность в число неисправных тиристоров, при этом сигнал самовключения может быть сформулирован путем амплитудного детектирования напряжения на последовательно соединенных тиристорах или сформирован в виде ЭДС коммутации на тиристорах с последующим преобразованием ее прямо пропорционально коэффициенту демпфирования напряжения восстановления. ЭДС коммутации может быть сформирована путем фиксации напряжения сети в момент появления тока через тиристоры. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ТИРИСТОРОВ, подключенных к сети, заключающийся в формировании сигнала неисправности при проявлении тока через тиристоры в отсутствии импульсов управления, отличающийся тем, что каждый из тиристоров принудительно отпирают при достижении на нем напряжения порогового значения, формируют опорный сигнал, прямо пропорциональный пороговому значению напряжения и числу последовательно соединенных тиристоров, формируют сигнал самовключения, прямо пропорциональный напряжению, при котором принудительно отпирают контролируемые последовательно соединенные тиристоры, формируют разность между опорным сигналом и сигналом самовключения и по указанному сигналу неисправности преобразуют эту разность в число неисправных тиристоров. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигнал самовключения формируют путем амплитудного детектирования напряжения на последовательно соединенных тиристорах. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигнал самовключения формируют в виде ЭДС коммутации на тиристорах с последующим преобразованием ее прямо пропорционально коэффициенту демпфирования напряжения восстановления. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что ЭДС коммутации формируют путем фиксации напряжения сети в момент появления тока через тиристоры.