ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ БЛОК С УСТРОЙСТВОМ КОНТРОЛЯ Российский патент 2005 года по МПК H02H7/10 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты высоковольтных преобразователей различного назначения, в частности для защиты управляемых (тиристорных) и неуправляемых (диодных) выпрямителей и инверторов, ведомых сетью.

Известны устройства контроля последовательно соединенных полупроводниковых приборов, использующие трансформаторы, включенные вторичными обмотками в шунтирующие полупроводниковые приборы, защитные RC-цепи, первичные обмотки которых через измерительный орган подключены к генератору импульсов. Данные устройства обеспечивают возможность контроля полупроводниковых приборов до подачи силового напряжения на схему преобразователя (Заявка РСТ (WO) 86/03897, МПК Н 02 Н 7/10, 1986).

Недостатком указанных устройств является большое количество (по числу полупроводниковых приборов) высоковольтных трансформаторов и сложность монтажа их обработок, выполняемых высоковольтным проводом.

Известны высоковольтные блоки с устройством контроля, содержащие последовательно соединенные полупроводниковые приборы, защитные RC-цепи (по числу полупроводниковых приборов) и входящие в устройство контроля трансформаторы с несколькими вторичными обмотками, причем первичные обмотки трансформаторов через измерительный орган подключены к генератору импульсов, а защитные RC-цепи соединены между собой в последовательные цепочки по две и по три, которые подключены к соответствующим последовательно соединенным полупроводниковым приборам своими концами непосредственно, а точками своих межсоединений - через вторичные обмотки трансформатора устройства контроля, в случае упомянутой цепочки по три точки ее межсоединений подключаются к соответствующим полупроводниковым приборам через две согласно включенные вторичные обмотки одного из трансформаторов устройства контроля (А.с. №1700715, МПК Н 02 М 7/00, Н 02 Н 7/10. Высоковольтный блок с устройством контроля/ Б.Б.Новик, В.В.Руденский, И.П.Неугодников. - Опубл. 23.12.91. БИ №47) - ПРОТОТИП.

Недостатком указанного устройства является большая величина тока, протекающего в первичной обмотке трансформатора устройства контроля, которая прямо пропорциональна числу последовательно соединенных полупроводниковых приборов, вследствие этого увеличиваются выходной ток генератора импульсов и потребляемый ток источника питания устройства контроля, т.е. снижаются надежность и экономичность работы устройства контроля.

Другим недостатком данного устройства является большое количество (по числу плеч преобразователя) генераторов импульсов, необходимых для контроля полупроводниковых приборов преобразователя (выпрямителя или инвертора), т. к. высоковольтный блок представляет собой одно плечо преобразователя. Например, для контроля полупроводниковых приборов 6-пульсового преобразователя, выполненного по трехфазной мостовой схеме, требуется шесть генераторов импульсов, а соответственно для 12-пульсового преобразователя, состоящего из двух последовательно или параллельно соединенных трехфазных мостов, необходимо двенадцать генераторов импульсов и т. д.

Целью изобретения является упрощение устройства контроля и повышение экономичности его работы.

Указанная цель достигается тем, что контроль последовательно соединенных полупроводниковых приборов двух противофазно работающих плеч преобразователя (выпрямителя или инвертора) осуществляется одним генератором импульсов, который формирует за период напряжения сети переменного тока два импульса контроля высокочастотного напряжения, совпадающих с моментами времени появления токов через данную пару противофазно работающих плеч преобразователя, причем длительность каждого импульса контроля принимается не более длительности интервала повторяемости работы преобразователя, равного где m - число пульсаций выпрямленного напряжения преобразователя.

Сущность изобретения заключается в том, что высоковольтный блок с устройством контроля содержит два противофазно работающих плеча трехфазного мостового преобразователя, причем в качестве полупроводниковых приборов используют силовые тиристоры или диоды, а в устройство контроля дополнительно введены второй измерительный орган и второй генератор импульсов, причем первичные обмотки трансформаторов устройства контроля первого и второго противофазно работающих плеч высоковольтного блока подключены через соответствующий измерительный орган к выходу первого генератора импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом второго генератора импульсов.

На фиг.1 приведена схема высоковольтного блока с устройством контроля; на фиг.2 - временные диаграммы работы высоковольтного блока с устройством контроля.

Высоковольтный блок содержит два противофазно работающих плеча 1 и 2 (одну фазу) трехфазного мостового преобразователя (выпрямителя или инвертора). Полярность выводов постоянного напряжения (крайние выводы) высоковольтного блока показана на фиг.1 для выпрямителя, а в скобках - для инвертора. Средний вывод (точка соединения плеч 1 и 2) высоковольтного блока предназначен для подсоединения одной из фаз сети переменного тока. Каждое плечо (1 или 2) содержит последовательно соединенные полупроводниковые приборы 3, защитные RC-цепи, состоящие из резисторов 4 и конденсаторов 5, и входящие в устройство контроля многообмоточные трансформаторы 6. Защитные RC-цепи соединены между собой в последовательные цепочки по две и по три. Указанные цепочки своими концами подключены непосредственно к соответствующим полупроводниковым приборам 3, а точками своих межсоединений - через вторичные обмотки трансформаторов 6, причем в случае цепочки по три точки ее межсоединений подключены к соответствующим полупроводниковым приборам 3 через две согласно включенные вторичные обмотки трансформатора 6. В качестве полупроводниковых приборов 3 могут быть использованы тиристоры или диоды (для выпрямителя) и тиристоры (для инвертора).

Устройство контроля дополнительно содержит первый и второй генераторы импульсов 7 и 8 (соответственно с управляющими входами 9 и 10), первый и второй измерительные органы 11 и 12 (соответственно с выходами 13 и 14), причем первичные обмотки трансформаторов 6 обоих противофазно работающих плеч 1 и 2 подключены соответственно через измерительный орган 11 и 12 к выходу первого генератора импульсов 7, управляющий вход 9 которого подсоединен к выходу второго генератора импульсов 8.

Кроме того, на фиг.2 обозначены: ι₁ и ι₂ - токи, протекающие через противофазно работающие соответственно плечи 1 и 2 высоковольтного блока (одной из фаз трехфазного мостового преобразователя).

Принцип действия устройства контроля поясняется временными диаграммами на фиг.2, где показана работа устройства в нормальном режиме работы трехфазного мостового преобразователя (моменты времени t₁ и t₂), а также при нарушении проводимости полупроводникового прибора плеча 1 и пробое полупроводникового прибора плеча 2 (момент времени t₃).

Высоковольтный блок с устройством контроля работает следующим образом.

Высокочастотное напряжение контроля от первого генератора импульсов 7 поступает через измерительные органы 11 и 12 соответственно на первичные обмотки трансформаторов 6 противофазно работающих плеч 1 и 2 высоковольтного блока. Генератор импульсов 7 формирует за период напряжения сети переменного тока два импульса контроля высокочастотного напряжения, совпадающих с моментами времени появления токов через данную пару противофазно работающих плеч преобразователя, причем длительность каждого импульса контроля λ_и принимается в диапозоне:

где - минимальная длительность импульса контроля;

- максимальная длительность импульса контроля;

δ_нес - параметр, учитывающий несимметрию напряжения сети переменного тока (несимметрию пульсаций выпрямленного напряжения).

Например, при контроле полупроводниковых приборов 6-пульсового преобразователя (выпрямителя или инвертора), выполненного по трехфазной мостовой схеме, максимальная длительность импульса контроля равна а в случае 12-пульсового преобразователя, состоящего из двух последовательно или параллельно соединенных трехфазных мостов, соответственно равна

Моменты времени формирования высокочастотных импульсов контроля и их длительность определяются вторым генератором импульсов 8, который на выходе формирует сигналы логической единицы, разрешающие работу первого генератора импульсов 7, синхронно с моментами времени протекания тока через противофазно работающие плечи 1 и 2 высоковольтного блока. В результате за один период напряжения сети переменного тока формируется два высокочастотных импульса контроля, один из которых определяет состояние полупроводниковых приборов первого плеча в период проводимости, а второго плеча соответственно - в период непроводимости. Последующий импульс контроля определяет состояние полупроводниковых приборов первого плеча в период непроводимости, а второго плеча - в период проводимости и т. д.

Ток в первичной обмотке трансформаторов 6 определяется следующим образом, если контроль осуществляется в течение интервала непроводимости плеча при выключенных (закрытых) полупроводниковых приборах:

где ιμ - ток намагничивания трансформатора;

к - число последовательно соединенных полупроводниковых приборов в плече преобразователя;

ι - ток через емкость выключенного (закрытого) полупроводникового прибора, обусловленный напряжением одной из вторичных обмоток трансформатора 6 (без учета разброса параметров защитных RC-цепей и трансформатора 6 токи через емкости выключенных полупроводниковых приборов равны между собой).

При наличии в плече одного включенного (закороченного) полупроводникового прибора в течение интервала непроводимости измерительный орган 11 (или 12) соответственно на выходах 13 (или 14) регистрирует вместо тока ι(0) ток ι(1):

где Δι - ток через включенный (закороченный) полупроводниковый прибор, обусловленный напряжением соответствующей вторичной обмотки трансформатора 6.

Разность токов ι(1)-ι(0)=Δι-ι служит для обнаружения (выявления) факта неисправности (пробоя) полупроводникового прибора, передаваемого выходом 13 (или 14) измерительного органа 11 (или 12).

При ιμ=ι=0,1А и Δι=0,6А разность токов ι(1)-ι(0)=0,5 А, если к=5, то ι(0)=0,7 А и ι(1)=1,2 А, что достаточно для надежного различения повреждения (пробоя) одного из пяти полупроводниковых приборов.

Ток в первичной обмотке трансформаторов 6 определяется следующим образом, если контроль осуществляется в течение интервала проводимости плеча при включенных (открытых) полупроводниковых приборах:

При наличии в плече одного не включенного (закрытого) полупроводникового прибора в течение интервала проводимости измерительный орган 11 (или 12) соответственно на выходах 13 (или 14) регистрирует вместо тока ι(3) ток ι(4):

Разность токов ι(3)-ι(4)=Δι служит для обнаружения (выявления) факта неисправности (нарушения проводимости) полупроводникового прибора, передаваемого выходом 13 (или 14) измерительного органа 11 (или 12).

При ιμ=ι=0,1А и Δι=0,6А разность токов ι(3)-ι(4)=0,6А, если к=5, то ι(4)=3,1А и ι(3)=3,7А, что достаточно для надежного различения повреждения (нарушения проводимости) одного из пяти полупроводниковых приборов.

При нарушение проводимости плеча (наличие всех закрытых полупроводниковых приборов) в течение интервала проводимости измерительный орган 9 (или 10) регистрирует вместо тока ι(3) ток ι(0).

Разность токов ι(3)-ι(0)=(к+1)(Δι-ι) служит для обнаружения (выявления) факта непроводимости плеча (невключения всех полупроводниковых приборов), передаваемого выходом 13 (или 14) измерительного органа 11 (или 12).

При ιμ=ι=0,1А, Δι=0,6А и к=5, то ι(3)=3,7А и ι(0)=0,7А, а разность токов ι(3)-ι(0)=3,0 А, что достаточно для надежного различения повреждения (нарушения проводимости плеча при пяти полупроводниковых приборах).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет уменьшить в два раза количество высокочастотных генераторов импульсов, необходимых для контроля полупроводниковых приборов m-пульсового преобразователя (выпрямителя или инвертора). Например, для контроля полупроводниковых приборов 6-пульсового преобразователя, выполненного по трехфазной мостовой схеме, требуется три генератора импульсов вместо шести, а соответственно для 12-пульсового преобразователя, состоящего из двух последовательно или параллельно соединенных трехфазных мостов, необходимо шесть генераторов импульсов вместо двенадцати, т.е. упрощается устройство контроля.

Кроме того, так как длительность импульсов контроля не превышает периода повторяемости работы преобразователя (выпрямителя или инвертора), то контроль полупроводниковых приборов всех плеч преобразователя будет выполняться в разные моменты времени. Это приводит к снижению максимального и среднего значения тока источника питания (на схеме не показан) устройства контроля, что позволяет упростить устройство контроля и повысить экономичность его работы.

Использование: для защиты высоковольтных преобразователей различного назначения. Технический результат заключается в упрощении и повышении экономичности работы устройства контроля. Высоковольтный блок содержит два противофазно работающих плеча (одну фазу) трехфазного мостового преобразователя (выпрямителя или инвертора), причем в качестве полупроводниковых приборов используют силовые тиристоры или диоды, а в устройство контроля дополнительно введены второй измерительный орган и второй генератор импульсов, причем первичные обмотки трансформаторов устройства контроля первого и второго противофазно работающих плеч высоковольтного блока подключены через соответствующий измерительный орган к выходу первого генератора импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом второго генератора импульсов. 2 ил.

Высоковольтный блок с устройством контроля, содержащий в плече преобразователя последовательно соединенные полупроводниковые приборы, защитные RC-цепи по числу полупроводниковых приборов и входящие в устройство контроля первый генератор импульсов, первый измерительный орган и два трансформатора с несколькими вторичными обмотками, причем защитные RC-цепи соединены между собой в последовательные цепочки по две и по три, которые подключены к соответствующим последовательно соединенным полупроводниковым приборам своими концами непосредственно, а точками своих межсоединений через соответствующие вторичные обмотки трансформатора устройства контроля, отличающийся тем, что высоковольтный блок содержит два противофазно работающих плеча трехфазного мостового преобразователя, причем в качестве полупроводниковых приборов используют силовые тиристоры или диоды, а в устройство контроля дополнительно введены второй измерительный орган и второй генератор импульсов, причем первичные обмотки трансформаторов устройства контроля первого и второго противофазно работающих плеч высоковольтного блока подключены через соответствующий измерительный орган к выходу первого генератора импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом второго генератора импульсов.