ОБНАРУЖЕНИЕ КОРОТКОЗАМКНУТЫХ ДИОДОВ Российский патент 2018 года по МПК G01R31/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и контроллеру для обнаружения короткозамкнутого диода в мостовом выпрямителе, а также к мостовой выпрямительной системе.

Уровень техники

Обычно трехфазные мостовые выпрямители или диодные мосты содержат три последовательно соединенных пары диодов, подключенных параллельно, которые соединяют источник трехфазного напряжения переменного тока с нагрузкой постоянного тока.

Нормально функционирующий диод обычно имеет очень низкое сопротивление в одном (проводящем) направлении электрического тока и очень высокое сопротивление в другом (блокирующем) направлении. Как и любой электронный компонент, диоды подвержены износу и иногда могут выходить из строя. Обычной неисправностью является так называемый короткозамкнутый диод, при этой неисправности очень высокое сопротивление в блокирующем направлении деградирует и диод проводит ток в обоих направлениях.

Поскольку неисправность в виде короткозамкнутого диода может привести к появлению очень сильных токов в мостовом выпрямителе и в соединенном с выпрямителем оборудовании, после обнаружения такого неисправного короткозамкнутого диода может потребоваться очень быстро отключить входной ток и/или выходной ток мостового выпрямителя, что делает надежное обнаружение такой неисправности очень важным.

Например, в US 2011/0216449 A1, измеряют напряжение на паре диодов для определения соотношения между напряжениями на индивидуальных диодах. Затем это соотношение анализируется, чтобы определить, не вышел ли один из этих диодов из строя.

Раскрытие изобретения

Целями настоящего изобретения является обнаружение неисправности диода быстро, надежно и достаточно простым способом.

Эти цели достигаются посредством изобретения по независимым пунктам формулы. Другие примеры реализации настоящего изобретения очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения и последующего описания.

Первый аспект настоящего изобретения относится к способу обнаружения короткозамкнутого диода в мостовом выпрямителе или диодном мосте, который, в частности, может быть мостовым выпрямителем среднего напряжения. Как уже отмечено, короткозамкнутый диод может представлять собой диод, проводящий ток в обоих направлениях.

Мостовой выпрямитель может содержать по два соединенных последовательно диода в каждой фазе. Фазный вход может быть создан в средней точке между двумя последовательно соединенными диодами пары. Пары соединенных последовательно диодов могут быть соединены параллельно для получения выходного напряжения постоянного тока от мостового выпрямителя. Например, мостовой выпрямитель может быть 6-импульсного типа (с тремя парами диодов) или представлять собой какое-либо сочетание таких выпрямителей (т.е. выпрямитель 12-импульсного типа, 24-импульсного типа, 36-импульсного типа и т.п.).

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения способ содержит этапы: определение междуфазного напряжения между двумя фазными входами мостового выпрямителя, где каждый фазный вход находится в точке соединения между двумя последовательно соединенными диодами в соответствующей фазе; и индикация неисправности в виде короткозамкнутого диода путем определения, остается ли междуфазное напряжение равным нулю в продолжение промежутка времени больше времени переключения мостового выпрямителя. Возможно определение всех междуфазных напряжений между фазными входами.

В ходе нормальной работы (неисправности нет) междуфазное напряжение для всех фазных входах остается близким к нулевому напряжению (например, ближе некоторого порога), когда происходит процесс переключения соответствующих диодов. Например, когда напряжение первой фазы становится выше напряжения второй фазы, соответствующий первый диод еще открыт и проводит ток, а соответствующий второй диод начинает проводить ток. В течение этого промежутка времени выпрямитель закорачивает указанные фазы. Соединенные с фазными входами фазные индуктивности (такие как обмотки трансформатора) должны поддерживать этот ток короткого замыкания в течение конечного времени переключения. Это время переключения является специфичным для каждой конкретной выпрямительной системы и во время нормальной работы обычно не превышает некоторой величины для худшего случая.

В случае выхода диода из строя (короткое замыкание) мостовой выпрямитель также создает короткое замыкание входных фаз. Однако в этой ситуации короткое замыкание присутствует дольше указанного времени переключения. Соответствующее междуфазное напряжение остается близким к нулю дольше, чем время переключения для худшего случая в рассматриваемой выпрямительной системе. Предлагаемый способ использует этот факт для обнаружения выхода диода из строя. В частности, в случае обнаружения или определения, что междуфазное напряжение остается равным или близким к нулю дольше времени переключения для худшего случая, может быть обнаружена неисправность диода и/или может быть передан выходной сигнал неисправности диода.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения междуфазное напряжение определяют путем выполнения следующих этапов: измеряют первое фазное напряжение на первом фазном входе мостового выпрямителя; измеряют второе фазное напряжение на втором фазном входе мостового выпрямителя; и вычисляют междуфазное напряжение как разность между первым фазным напряжением и вторым фазным напряжением. Например, фазные напряжения (например, три таких напряжения) могут быть измерены относительно одного и того же опорного напряжения. Междуфазные напряжения могут быть вычислены как разности между этими фазными напряжениями.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения считают, что междуфазное напряжение равно нулю, когда абсолютная величина этого междуфазного напряжения меньше заданной пороговой величины напряжения. Например, в системе среднего напряжения величина фазных напряжений может варьироваться в пределах от нуля до уровня свыше 1000 В (вследствие чего междуфазные напряжения могут превышать 2000 В). В этом случае величина междуфазного напряжения ниже 100 В, например, 80 В, может обозначать нулевое (почти) напряжение. В общем случае, пороговая величина напряжения может быть меньше примерно 10% от максимального фазного напряжения на фазном входе мостового выпрямителя.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения, считают, что междуфазное напряжение остается равным нулю дольше, чем время переключения мостового выпрямителя, когда промежуток времени, в течение которого междуфазное напряжение равно нулю, дольше заданной пороговой величины промежутка времени (т.е. времени переключения для худшего случая). Например, когда фазные напряжения имеют частоту 50 Гц или 60 Гц, время переключения может быть около 2 мс. В этом случае пороговая величина промежутка времени может быть около 3 мс. В общем случае, пороговая величина промежутка времени может быть меньше 20% периода напряжения переменного тока на фазном входе мостового выпрямителя.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения мостовой выпрямитель имеет по меньшей мере три фазных входа, и по меньшей мере три междуфазных напряжения определяют между этими по меньшей мере тремя фазными входами выпрямителя. Как уже сказано, мостовой выпрямитель может быть 12-импульсным выпрямителем.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения способ дополнительно содержит этапы: определение, разомкнут ли автоматический выключатель, соединенный с фазными входами; и индикация факта наличия короткозамкнутого диода, только когда автоматический выключатель замкнут (т.е. не разомкнут). Кроме того, состояние автоматического выключателя может быть определено для маскирования сигнала неисправности, если автоматический выключатель разомкнут. В противном случае затухающие напряжения при размыкании автоматического выключателя могут быть интерпретированы как неисправность диода.

Поскольку в результате реакции на неисправность диода выходы мостового выпрямителя могут быть закорочены, что может привести к большим потерям энергии и сильному износу компонентов выпрямительной системы, маскирование неправильно обнаруженных неисправностей диодов может привести к уменьшению потерь и увеличению срока службы системы.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения определяют, что автоматический выключатель разомкнут, на основе обнаружения, что абсолютная величина по меньшей мере двух или всех междуфазных напряжений равна нулю или меньше заданного порогового напряжения. Состояние (разомкнутое или замкнутое) автоматического выключателя может быть определено на основе тех же самых измерений напряжения, какие использовались при обнаружении неисправности диодов.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к контроллеру для мостового выпрямителя, так, что этот контроллер выполняет этапы способа, описанного как выше, так и в последующем. Контроллер может представлять собой часть выпрямительной системы или субмодуль контроллера этой системы. Например, способ может быть реализован аппаратно или посредством программы, выполняемой процессором контроллера.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения контроллер содержит программируемую пользователем логическую матрицу (FPGA). Возможен также вариант, когда предлагаемый способ управления реализован в такой матрице FPGA. Например, котроллер может содержать плату измерения напряжения, позволяющую измерять средние напряжения на фазном входе мостового выпрямителя, и/или может содержать плату матрицы FPGA, которая может обрабатывать измеренные величины с целью обнаружения неисправных диодов.

Следующий аспект настоящего изобретения относится к мостовой выпрямительной системе, содержащей мостовой выпрямитель, имеющий по два соединенных последовательно диода для каждой фазы, так что фазный вход располагается в точке соединения между диодами пары, и пары последовательно соединенных диодов для каждой фазы соединены параллельно с выходом напряжения постоянного тока для мостового выпрямителя; и контроллер, как описано выше и в дальнейшем. В случае мостового выпрямителя с повышенным числом импульсов (12-импульсный, 24-импульсный и т.п.) предлагаемый способ может быть применен индивидуально к каждому трехфазному выпрямителю, входящему в состав сложного мостового выпрямителя. Диоды могут представлять собой диоды, рассчитанные на работу при средних напряжениях.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения мостовая выпрямительная система дополнительно содержит трансформатор, соединяющий фазные входы мостового выпрямителя с источником напряжения. Контроллер может измерять фазное напряжение, присутствующее на фазном входе мостового выпрямителя, между трансформатором и этим фазным входом. В общем случае, способ также применим для выпрямительных систем, не имеющих трансформатора, а соединяемых с сетью переменного тока непосредственно.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения мостовая выпрямительная система дополнительно содержит автоматический выключатель, предназначенный для отсоединения источника напряжения от мостового выпрямителя. Этот автоматический выключатель может соединять электрическую сеть в качестве источника напряжения с трансформатором, который затем питает мостовой выпрямитель.

Следует понимать, что признаки способа, как они описаны выше и в последующем, могут быть признаками контроллера и/или мостовой выпрямительной системы, как она описана выше и в последующем, и наоборот.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны и освещены со ссылками на описанные далее варианты.

Краткое описание чертежей

Сущность настоящего изобретения будет описана более подробно в последующем тексте со ссылками на примеры вариантов, иллюстрируемые прилагаемыми чертежами.

Фиг. 1 представляет упрощенную схему мостовой выпрямительной системы согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг. 2 представляет логическую схему способа обнаружения короткозамкнутого диода согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг. 3 представляет диаграмму междуфазных напряжений во время нормальной работы системы, показанной на Фиг. 1.

Фиг. 4 представляет диаграмму междуфазных напряжений, когда система, показанная на Фиг. 1, неисправна.

Символы позиционных обозначений, использованные на чертежах, и значения этих символов приведены в списке символов позиционных обозначений. В принципе, идентичным компонентам присвоены на чертежах одинаковые символы позиционных обозначений.

Подробное описание примеров осуществления изобретения

Фиг. 1 представляет выпрямительную систему 10, соединяющую источник 12 питания (сеть переменного тока), генерирующий многофазное напряжение переменного тока, с нагрузкой 14 по постоянному току. Выпрямительная система 10 содержит мостовой выпрямитель 16 с выходом 18 постоянного тока и тремя фазными входами 20, соединенными с трансформатором 22, получающим напряжение переменного тока от источника 12 питания через автоматический выключатель 24.

Мостовой выпрямитель 16 содержит три пары диодов 26, соединенных параллельно с выходом 18 постоянного тока. Два диода 26 в каждой паре диодов 26 соединены последовательно, а точка соединения между ними образует один из фазных входов 20 переменного тока. Показанный мостовой выпрямитель 16 представляет собой 6-импульсный выпрямитель. Соответствующие 12-, 24- или 36-импульсные выпрямители будут иметь 6,12, … фазных входов и пар диодов.

Для повышения напряжения, которое может выдерживать выпрямитель 16, каждый одиночный диод 26 может быть заменен цепочкой из соединенных последовательно двух или более диодов (например, шестиимпульсный выпрямитель будет тогда иметь по четыре диода в каждом фазном плече: всего 12 диодов).

Контроллер 28 выпрямительной системы 10 содержит плату 30 для измерения напряжений, которая измеряет фазные напряжения V_a, V_b, V_c на фазных входах 20, а также плату 32 для обнаружения неисправностей, которая оценивает измеренные фазные напряжения и генерирует сигнал 34 в случае обнаружения неисправного диода.

Например, плата 32 обнаружения неисправностей может быть построена на основе матрицы FPGA, принимающей измеренные фазные напряжения, преобразованные в цифровую форму, и обрабатывающую их, как будет описано со ссылками на Фиг. 2.

Фиг. 2 представляет логическую схему способа обнаружения короткозамкнутого диода 26 в составе выпрямителя 16, который может быть реализован контроллером 28.

На этапе S10 измеряют фазные напряжения V_a, V_b, V_c относительно общего опорного напряжения (такого, как потенциал заземления) и преобразуют в цифровую форму посредством платы 30 измерения напряжений. Измеренные величины фазных напряжений V_a, V_b, V_c затем передают на вход платы 32 обнаружения неисправностей, которая выполняет следующие этапы с S12 по S16.

На этапе S12 вычисляются междуфазные напряжения V_ab, V_bc, V_ca между фазными входами 20 как разности между фазными напряжениями V_a, V_b, V_c.

На этапе S14 определяют, разомкнут ли автоматический выключатель 22. Междуфазные напряжения V_ab, V_bc, V_ca сравнивают с пороговой величиной напряжения. Если абсолютные величины всех трех междуфазных напряжений V_ab, V_bc, V_ca оказались меньше пороговой величины напряжения, предполагается, что автоматический выключатель разомкнут.

Если на этапе S14 определено, что автоматический выключатель разомкнут, плата 32 обнаружения неисправностей определяет на этапе S16, остается ли междуфазное напряжение V_ab, V_bc, V_ca нулевым дольше, чем время переключения мостового выпрямителя для худшего случая.

Сначала междуфазные напряжения V_ab, V_bc, V_ca сравниваются с пороговой величиной напряжения (которая может быть такой же или отличной от величины, использованной на этапе S14), чтобы определить, является ли одно из этих напряжений равным нулю, когда абсолютная величина соответствующего напряжения меньше пороговой величины напряжения.

Если одно из междуфазных напряжений V_ab, V_bc, V_ca считается равным нулю, определяют продолжительность промежутка времени, в течение которого это напряжение равно нулю. Например, этапы способа могут повторяться регулярно на каждом временном шаге, и число в счетчике для соответствующего междуфазного напряжения V_ab, V_bc, V_ca может увеличиваться, если это напряжение равно нулю. Затем можно рассчитать продолжительность соответствующего промежутка времени как произведение продолжительности временного шага на число в счетчике.

Если продолжительность промежутка времени, когда междуфазное напряжение V_ab, V_bc, V_ca равно нулю, больше пороговой величины промежутка времени (дольше времени переключения для худшего случая), тогда предполагают, что диод 26 был короткозамкнут, и генерируют соответствующий сигнал 34 неисправности.

В качестве примера, Фиг. 3 представляет диаграмму трех междуфазных напряжений V_ab, V_bc, V_ca во время нормальной работы мостового выпрямителя 16. Время 36 переключения диодов 26 всегда составляет около 2 мс.

На Фиг. 4 показана соответствующая диаграмма, на которой короткое замыкание диода произошло в момент 0,1 с. Промежуток 38 времени, в течение которого междуфазное напряжение V_ca близко к нулю, оказывается намного дольше промежутка 36 времени переключения. Таким образом, уже в момент 40 времени способ может обнаружить и показать неисправность диода.

Хотя настоящее изобретение было изображено и описано подробно на чертежах и в предшествующем описании, такие изображение и описание следует рассматривать только в качестве иллюстраций и примеров, но не в качестве ограничений; настоящее изобретение рассмотренными вариантами не ограничивается. Специалисты в рассматриваемой области смогут понять и осуществить различные вариации заявляемого изобретения на основе изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а неопределенный артикль "а" или "an" не исключает множественного числа. Один процессор, контроллер или другое устройство может выполнять функции различных объектов, указанных в формуле изобретения. Сам факт, что некоторые меры упомянуты в разных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих мер не может быть с успехом использовано. Никакие ссылки в формуле изобретения не следует толковать как ограничивающие его объем.

Список обозначений

10 выпрямительная система

12 источник питания

14 нагрузка

16 мостовой выпрямитель

18 выход постоянного тока

20 фазный вход переменного тока

22 трансформатор

24 автоматический выключатель

26 диод

28 контроллер

V_a, V_b, V_c фазное напряжение

30 плата измерения напряжения

32 плата обнаружения неисправности

34 сигнал индикации неисправности

V_ab, V_bc, V_ca междуфазное напряжение

36 время переключения

38 время короткого замыкания диода

40 момент индикации неисправности.

Изобретение относится к обнаружению короткозамкнутого диода в мостовом выпрямителе. Сущность: способ включает определение междуфазного напряжения (V_ab, V_bc, V_ca) между двумя фазными входами (20) мостового выпрямителя (16), причем фазный вход (20) обеспечен между двумя последовательно соединенными диодами (26) соответствующей фазы, и индикацию неисправности в виде короткозамкнутого диода посредством определения, является ли междуфазное напряжение равным нулю дольше, чем время переключения мостового выпрямителя (16). Технический результат: возможность быстрого, надежного и простого обнаружения неисправности диода. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обнаружения короткозамкнутого диода в мостовом выпрямителе (16), содержащем по два соединенных последовательно диода (26) в каждой фазе мостового выпрямителя, включающий:

определение междуфазного напряжения (V_ab, V_bc, V_ca) между двумя фазными входами (20) мостового выпрямителя (16), причем фазный вход (20) обеспечен между указанными двумя последовательно соединенными диодами (26) соответствующей фазы; и

индикацию неисправности в виде короткозамкнутого диода посредством определения, является ли междуфазное напряжение равным нулю дольше, чем время (36) переключения мостового выпрямителя (16).

2. Способ по п. 1, в котором при определении междуфазного напряжения:

измеряют первое фазное напряжение (V_a, V_b, V_c) на первом фазном входе (20) мостового выпрямителя (16);

измеряют второе фазное напряжение на втором фазном входе мостового выпрямителя; и

вычисляют междуфазное напряжение в виде разности между первым фазным напряжением и вторым фазным напряжением.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором определяют, является ли междуфазное напряжение равным нулю, когда междуфазное напряжение меньше заданной пороговой величины напряжения.

4. Способ по п. 3, в котором пороговая величина напряжения меньше 10% максимального фазного напряжения на фазном входе мостового выпрямителя.

5. Способ по п. 1, в котором определяют, является ли междуфазное напряжение равным нулю дольше, чем время (36) переключения мостового выпрямителя, путем определения, что время, в течение которого междуфазное напряжение равно нулю, является более продолжительным, чем заданная пороговая величина времени.

6. Способ по п. 5, в котором пороговая величина времени составляет меньше 20% периода напряжения переменного тока на фазном входе мостового выпрямителя.

7. Способ по п. 1, в котором мостовой выпрямитель (16) имеет по меньшей мере три фазных входа (20), при этом по меньшей мере три междуфазных напряжения определяют между указанными по меньшей мере тремя фазными входами выпрямителя.

8. Способ по п. 1, в котором дополнительно

определяют, разомкнут ли автоматический выключатель (24), соединенный с фазными входами (20);

выполняют индикацию наличия короткозамкнутого диода, только если автоматический выключатель (24) замкнут.

9. Способ по п. 8, в котором определяют, что автоматический выключатель (24) разомкнут, посредством определения, что три междуфазных напряжения меньше заданного порогового напряжения.

10. Контроллер (28) для мостового выпрямителя (16), характеризующийся тем, что выполнен с возможностью осуществления этапов способа по одному из пп. 1-9.

11. Контроллер (28) по п. 10, содержащий программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA).

12. Мостовая выпрямительная система (10), содержащая:

мостовой выпрямитель (16) с двумя последовательно соединенными диодами (26) для каждой фазы, обеспечивая фазный вход (20) между ними, при этом последовательно соединенные диоды для каждой фазы соединены параллельно с выходом (18) постоянного тока мостового выпрямителя; и

контроллер (28) по п. 10 или 11.

13. Мостовая выпрямительная система (10) по п. 12, дополнительно содержащая:

трансформатор (22), соединяющий фазные входы (20) мостового выпрямителя с источником напряжения, при этом контроллер (28) выполнен с возможностью измерять фазное напряжение на фазном входе (20) мостового выпрямителя (16) между трансформатором (22) и фазным входом (20).

14. Мостовая выпрямительная система (10) по п. 12 или 13, дополнительно содержащая автоматический выключатель (24), выполненный с возможностью отсоединения источника (12) напряжения от мостового выпрямителя (16).

15. Мостовая выпрямительная система (10) по п. 12, в которой диоды (26) представляют собой диоды среднего напряжения.