СПОСОБ КОНТРОЛЯ И КОММУТАЦИИ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЕНТИЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H02H7/125 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к превентивному контролю коммутации управляемых вентилей как при одиночном, так и при последовательно-параллельном их соединении, и может быть использовано как для управления и защиты полупроводниковых преобразователей, так и технологических устройств, от них питаемых.

Известен способ выявления пропусков управляющих импульсов преобразователя [1], при котором контролируют фазные токи.

Недостатком известного способа является то, что контроль происходит по факту не состоявшейся коммутации, которая не позволяет выявить дефект до совершения коммутации.

Наиболее близким является способ контроля коммутации тиристоров преобразователя [2], выбранный заявителем в качестве прототипа, с импульсно-фазовой системой управления (СИФУ), заключающийся в том, что состоявшуюся коммутацию определяют по проводящему состоянию тиристоров и при несостоявшейся коммутации отключают преобразователь. Отличительной особенностью известного способа, по мнению автора, позволяющей упростить и повысить надежность контроля, является то, что измеряют сигналы импульсных коммутационных помех преобразователя, сравнивают их с соответствующими выходными импульсами СИФУ преобразователя, определяют проводящее состояние тиристора по совпадению сигнала импульсной коммутационной помехи с соответствующим импульсом управления, а при отсутствии такого совпадения фиксируют не состоявшуюся коммутацию данного тиристора.

Как утверждает автор известного способа контроля по фиксации коммутационной помехи устройством контроля и сравнения ее с фактором сигнала управления на соответствующий тиристор, способ позволяет повысить надежность и упростить контроль. При этом в коммутации участвуют два тиристора: один вступает в работу, другой ее заканчивает. Из последнего следует, что число помех при коммутации как минимум в два раза выше, чем при коммутации одного тиристора. Это объясняется как неравенством фактического времени включения и выключения тиристором, так и разбросом из паспортных характеристик. При этом помехи, возникающие в цепях управления, в силовых цепях преобразователя дополняются еще помехами, возникающими при разряде демпфирующей RC-цепи, вступающего в работу тиристора по собственному внутреннему контуру через тиристор и помехами в демпфирующих RC-цепях выходящего из работы тиристора.

При таком избытке и неопределенности информации ее достоверность вызывает вполне обоснованные сомнения по факту ее надежности. В случае работы двух преобразователей, например, типа выпрямитель - инвертор для питания и управления электрических машин уровень наложения помех так высок, что ни о какой надежности данного способа говорить не приходится. Но основной недостаток данного способа заключен в том, что контроль производится по сигналу помехи состоявшейся коммутации, т. е. "сначала включим, а потом проконтролируем". Известно огромное число типов полупроводниковых преобразователей, питающих технологические процессы, на коммутации вентилей которых накладывают ограничения переходные процессы как апериодического, так и колебательного характера. При этом перед включением очередного вентиля необходимо знать как его готовность к работе, так и факт восстановления управляемости вышедшего из работы вентиля. Известный способ не позволяет учесть указанное обстоятельство, что является безусловно его недостатком, сужающим область технологических возможностей использования.

Известно устройство, выбранное заявителем в качестве прототипа (а.с. N 1272395, МКИ H 02 H 7/10, 1984), для контроля блока N последовательно соединенных тиристоров, снабженных блоком управления тиристоров (то же самое, что и СИФУ), каждый из которых шунтирован демпфирующей RC-цепью. Отличительная особенность, по мнению авторов, состоит в том, что повышение надежности достигнуто за счет введения элемента выдержки времени. N датчиков тока, N выпрямителей, элементов индикации (по числу тиристоров), токоограничивающих, стабилизирующих элементов и световодов, в качестве релейного элемента использован регистр, а в качестве датчика - импульсные трансформаторы тока, причем в качестве первичной обмотки каждого импульсного трансформатора тока использован токонесущий провод соответствующей демпфирующей RC-цепи, а вторичная обмотка каждого трансформатора тока через соответствующие токоограничивающий, стабилизирующий элемент и выпрямитель подключена к входу соответствующего элемента индикации, каждый из N входов регистра через световод подключен к выходу соответствующего элемента индикации, N+1-й вход регистра подключен к выходу элемента выдержки времени, вход которого предназначен для подключения к выходу блока управления тиристорами.

Основной недостаток данного устройства (а.с. 1272395), как и указанного выше способа [2] , сужающего возможность технологического использования, заключен в том, что устройством фиксируется факт коммутации тиристора (т.е. факт его включения), но не фиксируется готовность его к коммутации, не фиксируется факт восстановления его управляемости. Отсутствие возможности превентивного контроля состояния управляемого вентиля и его демпфирующей RC-цепи (т.е. вентильной ячейки) до коммутации, т.е. готовность, отсутствие контроля за восстановлением вентиля, т.е. восстановление запирающих свойств вентиля, приводит к тем же недостаткам, которые указаны выше при анализе недостатков известного способа.

Технический результат, достигаемый изобретением, - расширение технологических возможностей применения при одновременном повышении надежности безаварийной работы управляемых вентилей и устройств на их основе.

Данный технический результат достигается тем, что готовность управляемого вентиля к включению по команде системы импульсно-фазового управления, факт включения и последующее восстановление управляемости вентиля после окончания периода проводимости контролируются системой управления по наличию на аноде управляемого вентиля положительного потенциала, снимаемого с низковольтного плеча емкостного делителя демпфирующей его RC-цепи, при этом часть энергии того же плеча емкостного делителя используется для энергопитания цепи управляющего электрода в период проводимости вентиля.

Устройство для контроля и коммутации управляемых вентилей, снабженных системой импульсно-фазового управления, каждый из которых шунтирован демпфирующей RC-цепью, содержащее датчики, элементы выпрямительные, элементы токоограничивающие, элементы стабилизирующие, световоды по числу управляемых вентилей, подключено электрически к низковольтному плечу, являющемуся элементом энергопитания и одновременно датчиком наличия и знака потенциала на аноде управляемого вентиля, емкостного делителя, выполненного как часть последовательно подключенной емкости демпфирующей RC-цепи каждого управляемого вентиля, и к катоду, и к управляющему электроду соответствующего вентиля, при этом параллельно датчику энергопитания подключены элемент стабилизующий, последовательно соединенные элемент индикации, например светодиод, элемент токоограничивающий и элемент выпрямительный, подключен управляющий электрод соответствующего вентиля через элемент ключевой, например транзистор, управляющая цепь которого, в свою очередь, содержит также элементы - токоограничивающий, выпрямительный и управляемый ключ, например фототранзистор, причем светодиод через световод связан с входом, а фототранзистор, также через световод - с выходом системы импульсно-фазового управления.

Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что способ контроля и коммутации управляемых вентилей отличается тем, что готовность управляемого вентиля и вентильной ячейки в целом к включению по команде системы управления, факт включения и последующее восстановление управляемости вентиля после окончания периода проводимости контролируется системой управления по наличию на аноде вентиля положительного потенциала, снимаемого с низковольтного плеча емкостного делителя его демпфирующей RC-цепи, при этом часть энергии того же плеча емкостного делителя используется для энергопитания цепи управляющего электрода в период проводимости вентиля.

Устройство для контроля и коммутации управляемых вентилей, отличающееся тем, что оно подключено электрически к низковольтному плечу, являющемуся одновременно элементом энергопитания и датчиком наличия и знака потенциала на аноде управляемого вентиля, емкостного делителя, выполненного как часть последовательно подключенной емкости демпфирующей RC-цепи каждого управляемого вентиля, и к катоду, и к управляющему электроду соответствующего управляемого вентиля, при этом параллельно емкостному датчику - источнику энергопитания подключены элемент стабилизирующий, последовательно соединенные элемент индикации, например светодиод, элемент токоограничивающий и элемент выпрямительный, подключен управляющий электрод соответствующего управляемого вентиля через элемент ключевой, например транзистор, управляющая цепь которого, в свою очередь, содержит также элементы - токоограничивающий, выпрямительный и управляемый ключ, например фототранзистор, причем светодиод как элемент индикации через световод связан с входом, а фототранзистор, как управляемый ключ, также через световод - с выходом системы импульсно-фазового управления.

Сравнение заявляемых решений не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них данной совокупности признаков. А именно, вышеуказанная совокупность признаков позволяет достигнуть необходимый технический результат, т.е. расширение технологических возможностей применения при одновременном повышении надежности безаварийной работы управляемых вентилей, вентильных ячеек и устройств на их основе.

Известно, что основное полезное свойство управляемых вентилей (тиристоров, транзисторов, семисторов и т.п.) заключено в их управляемости в рамках возможностей, заданных их паспортом. Управляемость вентилей заключается в том, что они должны выдерживать рабочее напряжение как в прямом ("+" на аноде), так и в обратном ("+" на катоде) направлении до получения сигнала управления заданной полярности, величины и длительности на управляющий электрод от системы импульсно-фазового управления и переключаться (коммутироваться) в заданных паспортом временных интервалах. Известно также, что почти на всех полупроводниковых преобразователях, выполненных на управляемых вентилях так или иначе применены демпфирующие RC-цепи как защита от части динамических перегрузок управляемых вентилей. Поэтому вполне правомерно (с технической точки зрения) рассматривать управляемый вентиль в комплексе с параллельно подключенной к нему демпфирующей RC-цепью как вентильную ячейку. При этом исправность вентильной ячейки необходимо понимать как взаимообусловленную исправность структуры: управляемый вентиль - демпфирующая RC-цепь. На последнем и построено заявляемое техническое решение.

Задача по включению управляемого вентиля не лишена физического смысла только в том случае, если вентиль исправен и на его аноде присутствует положительный потенциал. Известно, что управляемый вентиль (как правило) выступает в роли активного ключевого элемента. При этом потенциал на элементах шунтирующей его демпфирующей RC-цепи изменяется пропорционально частоте и модулю питающего напряжения в период закрытого состояния управляемого вентиля. В период проводящего состояния управляемого вентиля потенциал на элементах демпфирующей RC-цепи пропорционален падению напряжения на открытом вентиле. Следовательно, сам контролируемый вентиль (совместно с шунтирующей его RC-цепью - вентильная ячейка) может быть представлен как генератор информации по контролю его состояния и вентильной ячейки на его основе.

Для иллюстрации осуществления предложенного способа предназначено устройство, графически представленное на фиг. 1 (блок-схема) и фиг. 2 (принципиальная электрическая схема).

Управляемый вентиль 1 ("А" - анод, "K" - катод, У - управляющий электрод на примере тиристора) и шунтирующая его RC-цепь: резистор 2 и емкость 3 образуют вентильную ячейку. Число ячеек в преобразователе в общем случае N. Число входов устройства ввода 4, число выходов устройства вывода 5 системы импульсно-фазового управления (СИФУ) 6 равно числу контролируемых вентилей 1 или ячеек (т.е. N=M). Линии связи "ячейка-вход" и "выход-ячейка" выполнены на световодах 7 и 8 соответственно (т.е. волоконно-оптические линии связи). Предлагаемое устройство контроля коммутации вентилей (УККВ) 9 (ограничено пунктиром) подключено к низковольтному плечу-емкости 10 емкостного делителя напряжения, состоящего из емкости 3 и 10, катоду "К" и к управляющему электроду "У" вентиля 1. Параллельно емкости 10, являющейся одновременно датчиком и источником энергопитания для элементов УККВ 9, подключены стабилизирующий элемент 11 (стабилизация в направлении от "А" к "К"), последовательно соединенные элемент индикации 12 (световод), элемент токоограничивающий 13 (резистор), элемент выпрямительный 14 (диод). Управляющий электрод "У" вентиля 1 через элемент ключевой 15 (транзистор), управляющая цепь которого содержит элемент токоограничивающий 16 (резистор), элемент выпрямительный 17 (диод), элемент ключевой 18 (фоторезистор). Светодиод 12 через оптический разъем 19 и световод 7 связан с входом 1 устройства ввода 4 СИФУ 6. Фототранзистор 18 через оптический разъем 20 и световод 8 связан с выходом 1 устройства вывода 5 СИФУ 6.

Устройство для осуществления способа контроля и коммутации управляемых вентилей работает следующим образом.

После подачи питания на СИФУ 6 подают питающее напряжение на преобразователь (не показан), составленный из вентильных ячеек на основе вентилей 1 и шунтирующих их RC-цепей 2 и 3. В общем случае число вентилей 1 может составлять N штук. Тот вентиль, которому на анод "А" будет подан положительный потенциал (+), будет готов к работе, если он исправен. Исправность вентиля 1 и готовность его к работе (коммутации) будет определена следующим образом. После приложения "+" к "А" через его демпфирующую RC-цепь 2, 3, 10 с некоторой постоянной времени будет протекать электрический ток в направлении от "А" к "K". По окончании процесса на емкости 3 будет напряжение, например U3, а на емкости 10 будет напряжение, например U10. Распределение напряжений по емкостям 3 и 10 должно быть таким, чтобы на емкости 10 было напряжение U10 меньше или равно напряжению, безопасному для управляющего электрода "У" вентиля 1. Остальные элементы УККВ 9 необходимо выбирать, исходя из этого же обстоятельства. Случайные выбросы напряжения через емкость 10 в направлении от "А" к "К" будут зашунтированы элементом 11 как стабилизирующим элементом, а в обратном направлении от "К" к "А" - как обратным диодом. Заряд емкости 10 до напряжения порога срабатывания элемента 12 вызовет появления тока через цепь: 13, 12, 14. При этом возникают условия для срабатывания элемента 12 как индикатора наличия "+" на "А" вентиля 1.

Эта информация в виде светового потока через элементы 19, 7, выход (например 1) элемента 4 поступает с СИФУ 6, где и будет воспринята как информация синхроготовности вентиля 1 (ячейки) к коммутации. Если СИФУ 6 "решит", что пора включать данный вентиль 1 согласно алгоритму работы преобразователя, то импульс синхронизации в виде светового потока от СИФУ 6 через устройство вывода 5, световод 8, оптический разъем 20 поступит на элемент 18. Срабатывание элемента 18 вызовет появление электрического тока в цепи: емкость 10 - ключ 15 (эмиттер-база) - элементы 16 - 18 - 17 - 10, что вызовет срабатывание ключа 15 и соединит "+" емкости 10 через элемент 15 с "У" вентиля 1. В результате емкость 10 окажется замкнутой по цепи: емкость 10 - 15 - "У" - (вентиль 1 - "К") - 10 и вызовет включение вентиля 1. Включение вентиля 1 вызывает шунтирование его RC-цепи и потенциал на ее элементах будет не выше, чем падение напряжения на вентиле 1. Емкость 3 разрядится по цепи: 2-1-10-3. Разряд емкости 10 вызовет прекращение тока в цепях: 10-13-12-14-10, 10-15-1-10. прекращение тока через элемент 12 вызовет прекращение поступления светового потока через элементы 19-7-4, что будет воспринято СИФУ 6 как сигнал о включении вентиля 1, т.е. коммутации включения. Далее, по окончании периода проводимости вентиля 1 (тиристора в данном примере) положительный потенциал "+" будет приложен к катоду "K" вентиля 1, (который по величине и продолжительности зависит от алгоритма работы преобразователя на основе вентилей 1). Последнее обстоятельство должно привести к выключению вентиля 1. Готовность данного вентиля 1 к дальнейшей работе будет определена СИФУ 6 описанным выше способом при подачи на его анод "А" вновь положительного потенциала.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что предложенное устройство 9, предназначенное для реализации предложенного способа контроля и коммутации управляемых вентилей 1 и ячеек на их основе, полностью соответствует цели технического результата предлагаемого изобретения. Устройство 9 осуществляет превентивный контроль состояния вентилей 1 и коммутации их включения. Контроль коммутации выключения вентиля 1 непосредственно после ее окончания не целесообразен, т.к. приведет к существенному усложнению схемы устройства 9, но не повысит ее информативность. Последнее обстоятельство обосновано тем, что перед подачей импульса управления на включение вентиля 1 последний обязательно проходит контроль на готовность к последующему включению. Если вентиль 1 или его RC-цепь непрерывны, то СИФУ 6 вырабатывает сигнал запрета подачи управления на соответствующий вентиль 1 и соответственно учитывает целесообразность продолжения реализации алгоритма работы преобразователя на основе вентилей 1. Таким образом, превентивно зафиксированная посредством предлагаемого устройства УККВ 9 неисправность вентиля 1 или RC-цепей 2, 3, 10 делает включение соответствующего вентиля 1 актом, лишенным физического смысла, воспринимается СИФУ 6 как авария, которая могла бы произойти, повышая тем самым надежность работы управляемых вентилей и расширяя технологические возможности применения управляемых вентилей, преобразователей на их основе и технологических устройств, от них питаемых.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат достигается тем, что готовность управляемого вентиля и вентильной ячейки в целом к включению по команде системы импульсно-фазового управления, факт включения и последующее восстановление управляемости вентиля после окончания периода проводимости контролируется системой импульсно-фазового управления по наличию на аноде управляемого вентиля положительного потенциала "+", снимаемого с низковольтного плеча емкостного делителя его демпфирующей RС-цепи, при этом часть энергии того же плеча емкостного делителя используется для необходимого и достаточного энергопитания цепи управляющего электрода в период проводимости управляемого вентиля. Устройство подключено электрически к низковольт- ному плечу, являющемуся одновременно элементом энергопитания, датчиком наличия и знака потенциала на аноде управляемого вентиля, емкостного делителя, выполненного как часть последовательно подключенной емкости демпфирующей RС-цепи каждого управляемого вентиля к катоду и к управляющему электроду соответствующего управляемого вентиля, при этом параллельно емкостному датчику - источнику энергопитания подключены стабилизирующий элемент, последовательно соединенные элемент индикации, например свето-диод, элемент токоограничивающий и элемент выпрямительный, подключен управляющий электрод соответствующего управляемого вентиля через ключевой элемент, например, транзистор, управляющая цепь которого, в свою очередь, содержит также элементы: токоограничивающий, выпрямительный и управляемый ключ, например фототранзистор, прич м светодиод как элемент индикации через световод связан с входом, а фототранзистор как управляемый ключ также через световод - с выходом системы импульсно-фазового управления. Количество устройств равно числу вентильных ячеек в преобразователе. Число световодов, соединяющих элемент индикации управляемого вентиля с входом системы импульсно-фазового управления, равно числу вентильных ячеек. Число световодов, соединяющих управляемый ключ управляемого вентиля с выходом системы импульсно-фазового управления, равно числу вентильных ячеек. 2 с.п. ф-лы. 2 ил.

1. Способ контроля и коммутации управляемых вентилей преобразователя с системой импульсно-фазового управления, при котором контролируют исправность каждого управляемого вентиля, отличающийся тем, что готовность каждого управляемого вентиля к включению по команде системы импульсно-фазового управления, факт включения и последующее восстановление управляемости вентиля после окончания периода проводимости контролируется соответствующей системой импульсно-фазового управления по наличию на аноде управляемого вентиля положительного потенциала, снимаемого с низковольтного плеча емкостного элемента, выполненного в виде емкостного делителя и принадлежащего включенной параллельно каждому управляемому вентилю демпфирующей RC-цепи, при этом часть энергии того же плеча емкостного делителя используется для необходимого и достаточного энергопитания цепи управляющего электрода соответствующего управляемого вентиля в период проводимости, которое осуществляется лишь при готовности соответствующего управляемого вентиля к включению по команде системы импульсно-фазового управления. 2. Устройство для контроля и коммутации управляемых вентилей, снабженное системой импульсно-фазового управления, включенной параллельно каждому управляемому вентилю RC-цепью, содержащее, кроме того, выпрямительные элементы, элементы индикации, токоограничивающие элементы, стабилизирующие элементы и световоды, отличающееся тем, что емкостный элемент каждой RC-цепи выполнен в виде емкостного делителя, при этом его низковольтное плечо подключено через ключевой элемент к управляющему электроду соответствующего управляемого вентиля, параллельно каждому низковольтному плечу емкостного делителя подключены стабилизирующей элемент, последовательно соединенные элемент индикации, токоограничивающий элемент и выпрямительный элемент, при этом управляющая цепь управляемого ключа содержит другие токоограничивающий и выпрямительный элементы и другой управляемый ключ, связанный входом управления через световод с выходом системы импульсно-фазового управления, выход элемента индикации через световод связан с входом системы импульсно-фазового управления.