СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИСПРАВНОСТИ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ Российский патент 2017 года по МПК H02H7/125 

Область техники

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для построения защитных и диагностических устройств, контролирующих исправный режим работы преобразователя переменного тока в постоянный, использующего в качестве вентильных элементов диоды, тиристоры, транзисторы или иные элементы.

Известны различные схемы построения преобразователей переменного напряжения в постоянное, отличающиеся числом фаз переменного напряжения - одна или несколько, схемой соединения - нулевая или мостовая, способом управления - с регулировкой угла открытия или неуправляемые, а также с разным типом используемых полупроводниковых вентилей - диодов, тиристоров или транзисторов.

Известно, что в процессе работы преобразователей могут возникать неисправности, связанные, как правило, либо с нарушениями подачи импульсов управления вентилями, либо с состоянием силовой части и самих вентильных элементов. Такие нарушения приводят к возникновению несимметричных режимов работы и значительных пульсаций как в выпрямленном напряжении, так и в токах сети, питающей преобразователь, что отрицательно сказывается на задаче преобразования энергии - возникают повышенные нагревы оборудования, увеличивается уровень электромагнитных помех, излучаемых преобразователем, возникают повышенные пульсации выпрямленного напряжения. Изобретение предлагает способ, позволяющий выявить такие нарушения режима работы преобразователя и создать устройство, отключающее преобразователь или сигнализирующее о наступлении неблагоприятного режима. Технический результат достигается тем, что в качестве диагностической информации о состоянии преобразователя используется явление возникновения коммутационных перенапряжений при коммутации тока вентилями преобразователя. Коммутационные перенапряжения присутствуют в выпрямленном напряжении, как в исправном, так и в неисправном преобразователе. В случае исправности преобразователя ток переходит от одного вентиля к другому с заданной цикличностью, при этом интервал времени между двумя последующими коммутациями одинаков, в рамках небольшой допустимой погрешности.

При неисправности в силовой части преобразователя или в системе управления, временной интервал следования коммутационных перенапряжений нарушается - неисправный вентиль не вступает вовремя в работу или, наоборот, выполняет коммутацию раньше намеченного срока. При реализации заложенного изобретением способа контроль работы преобразователя осуществляется измерением временных интервалов между импульсами коммутационных напряжений и сравнением их с диапазоном допустимых значений. Следует отметить, что в целом коммутационные перенапряжения являются вредным явлением, отрицательно влияющим на ресурс преобразователя. Для демпфирования коммутационных перенапряжений, в простейшем случае, применяют демпирующие RC-цепочки. Для более качественного демпфирования могут применяться специальные устройства, подобные описанным в RU 512546. В предлагаемом изобретении коммутационные перенапряжения - явление, безусловно, вредное для преобразователя в целом, используется как источник качественного диагностического сигнала, поскольку обладает следующими характерными признаками:

1. Характеризуется амплитудами напряжений, значительно превышающими уровень напряжения переменного тока, поступающего в преобразователь, что позволяет однозначно отличить коммутационное перенапряжение от рабочих напряжений преобразователя;

2. Характеризуется значительными скоростями нарастания и спадания напряжения, что позволяет идентифицировать его применением дифференцирующих цепочек на основе измерения тока конденсатора, подключенного к выходным шинам преобразователя;

3. Наличием высокочастотной составляющей напряжения, возникающей в процессе коммутации вентиля, с частотой, в десятки раз превышающей рабочую частоту преобразователя, что позволяет применить для его идентификации радиочастотные или акустические датчики.

Данные признаки позволяют достаточно точно идентифицировать прохождение процесса коммутации вентиля с помощью широко известных в технике устройств:

1. Порогового элемента - датчика напряжения, настраиваемого на заданную величину, в случае использования признака амплитуды напряжения;

2. Дифференцирующей цепи, в случае использования признака скорости изменения напряжения;

3. Антенны, резонансного контура и детектора, в случае использования высокочастотной составляющей токов коммутационных перенапряжений;

4. Акустического детектора, настроенного на узкий диапазон частот, в случае использования высокочастотной составляющей тока и достаточного уровня акустического излучения, производимого конструкционными элементами преобразователя и демпфирующими RC-цепями.

Уровень техники

В технике известны аналогичные изобретения, направленные на решение проблемы обнаружения неисправности преобразователя, например RU 2562968. Недостатком этого решения является необходимость установки в каждой фазе преобразователя датчиков тока, имеющих возможность измерения как переменной, так и постоянной составляющей тока с высокой точностью, а также вычислительного устройства, выполняющего математические операции с высокой скоростью. Кроме того, указанный способ не может быть применен для использования в уже действующих преобразователях, поскольку требует значительного вмешательства в их конструкцию при установке датчиков тока на шины преобразователя. Настоящее изобретение лишено указанных недостатков, не требует применения высокоточных измерителей и может применяться для контроля уже действующих преобразователей.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является обнаружение отклонения режима преобразователя от нормального и формирование сообщение об этом.

Предметом изобретения является способ контроля, состоящий в измерении интервалов времени между коммутационными перенапряжениями, возникающими при коммутации вентилей преобразователя и сравнении его с заданным допустимым диапазоном. Если измеренный интервал не попадает в заданный диапазон, формируется признак неисправности преобразователя. В основном варианте изобретения, фиксация интервалов коммутационных перенапряжений производится с помощью порогового элемента, срабатывающего при заданном напряжении и подключенном непосредственно к шинам выпрямленного напряжения преобразователя.

Изобретение имеет дополнительные развития, состоящие в том, что:

1. Пороговый элемент подключается к шинам выпрямленного напряжения преобразователя через конденсатор, являющийся звеном, дифференцирующим коммутационное перенапряжение, реагирующим на производную изменения коммутационного перенапряжения;

2. Пороговый элемент выполнен в виде радиочастотного детектора, состоящего из магнитной антенны, резонансного контура, настроенного на частоту возникающих коммутационных перенапряжений, и детектора-усилителя;

3. Пороговый элемент представляет собой акустический датчик, формирующий сигнал при улавливании звука вибрации конструкционных элементов преобразователя в диапазоне частот коммутационных перенапряжений.

Осуществление изобретения

Для реализации изобретенного способа необходимо, применив описанные выше методы идентификации коммутационных напряжений, измерить интервалы между следующими друг за другом коммутациями и определить, входят ли они в допустимый диапазон. Допустимый диапазон может быть задан эмпирически, но в общем случае, определяется как частное от периода частоты, питающей преобразователь, и пульсности схемы преобразователя с расширением в большую и меньшую сторону на величину, вносимую погрешностью схемы измерения. В случае, если измеренные интервалы не попадают в заданный диапазон, преобразователь признается неисправным.

Промышленная применимость

Изобретенный способ содержит описание необходимых параметров и выполняемых действий, позволяющих произвести оценку исправности преобразователя в автоматическом режиме, создав устройство, работающее на основании данного способа.

Так, для наиболее распространенной трехфазной мостовой шестипульсной схемы выпрямления коммутация каждого следующего вентиля преобразователя происходит через интервал времени в одну шестую периода частоты питающей сети. Для частоты питающей сети 50 Гц расчетный интервал следования коммутационных напряжений будет порядка 3,4 мс. При возникновении неисправности, например, при исчезновении одной фазы питания, преобразователь перейдет в четырехпульсный режим работы. При этом интервалы между коммутациями вентилей увеличатся, став одной четвертой периода (5 мс для приведенного примера), выйдя из заданного диапазона, что приведет к формированию признака неисправности.

При осуществлении изобретения возможно построение устройств контроля, с использованием серийно выпускаемых узлов промышленной электроники - датчиков, для использования в качестве пороговых элементов и микропроцессоров, в качестве таймеров-счетчиков измерения и оценки интервалов времени. Вопрос применимости той или иной схемы развития решается индивидуально, для каждого случая применения способа, исходя из конкретных имеющихся возможностей внедрения.

Источники информации

1. Патент RU 512546. Устройство для демпфирования коммутационных перенапряжений.

2. Патент RU 2562968. Способ и система для обнаружения неисправного выпрямителя в преобразователе переменного тока в постоянный ток.

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение сигнализации и отключения преобразователя при выявлении нарушений его работы. Согласно способу измеряют интервалы времени между последовательными срабатываниями порогового элемента, подключенного к шинам выпрямленного напряжения преобразователя и реагирующего на коммутационные перенапряжения, возникающие при коммутации вентилей преобразователя, и в случае выхода измеренного интервала времени за заданный диапазон формируют признак неисправности. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ контроля исправности работы преобразователей переменного тока в постоянный, при котором измеряют интервалы времени между последовательными срабатываниями порогового элемента, подключенного к шинам выпрямленного напряжения преобразователя и реагирующего на коммутационные перенапряжения, возникающие при коммутации вентилей преобразователя и, в случае выхода измеренного интервала времени за заданный диапазон, формируют признак неисправности.

2. Способ контроля по п. 1, отличающийся тем, что пороговый элемент подключается к шинам выпрямленного напряжения преобразователя через конденсатор, являющийся звеном, дифференцирующим коммутационное перенапряжение и реагирующим на производную изменения коммутационного перенапряжения.

3. Способ контроля по п. 1, отличающийся тем, что пороговый элемент выполнен в виде радиочастотного детектора, состоящего из магнитной антенны и резонансного контура, настроенного на высокочастотные составляющие коммутационных перенапряжений.

4. Способ контроля по п. 1, отличающийся тем, что пороговый элемент представляет собой акустический датчик, формирующий сигнал при улавливании звука вибрации конструкционных элементов преобразователя в диапазоне высокочастотных составляющих коммутационных перенапряжений.