Выпрямитель с защитой от токов короткого замыкания Советский патент 1985 года по МПК H02M7/04 H02H7/125 

второго и третьего двухвходовых элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены с R-входами ftS-триггеров и предназначены для подключения к шине нулевого потенциала через размыкакнций контакт ключевого элемента, замыкаидаий контакт которого подключен к источнику сигнала логической единицы, выходы первого, второго и третьего двухвходовых элементов ИЛИ соединены с С-входами соответственно первого, второго и третьего RB триггеров, S -входы первого, второго и третьего Й5 -триггеров соответственно через четвертый, пятый и шестой элементы задержки подключены к выходу датчика проводимости диода фазы А, В и С соответственно, выходы первого, второго и третьего RS-триггеров подключены к соответствующим входам трехвходового элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока диагностики и защиты от токов короткого замыкания.

ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ЗАВДТОЙ ОТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, содержащий силовой трехфазньй трансформатор, первичные обмотки которого предназначены для подключения через автоматический выключатель к соответствугацей фазе напряжения сети, а вторичные соединены с силовой частью вьтрямителя, блок диагностики и защиты от токов короткого замьжания, выходом подключенный к входу блока управления отключением автоматического выключателя , отличающийся тем, что, с целью повышения ремонтопригодности .вьшрямителя и быстродействия его защиты от токов короткого замыкания в цепи силовьпс диодов, в него введены три датчика проводимости, силовая часть выпрямителя содержит диоды, включенные по схеме трехфазного вьтрямителя с нулевым вьгеодом, трехфазньй трансформатор выполнен по схеме Звезда-звезда с нулевым выводом на вторичной стороне, а блок диагностики и защиты от токов короткого замыкания включает источник сигнала логической единицы, три компаратора, три элемента НЕ, три двухвходовых элемента Й-НЕ, шесть элементов задержки, три двухвходовых элемента ИЛИ, три синхронизированных RS -триггера со светодиодными индикаторами на выходе, трехвходовнй элемент ИЛИ, ключевой элемент с размыкающим и замыкагацим контактами, причем каждьй датчик проводимости подключен к диоду соответствукндей фазы выпрямителя, первьй и второй входы первого компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам А и В напряжения сети, первый и второй входы второго компаратора предназначены для соединения соответстсл венно с фазами А и С напряжения сети, а первый и второй входы третьего компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам В и С напряжения сети, при этом выходы первого и второго компараторов подключены к входам первого двухвходового элемента И-НЕ и соединены с входом соответственно первого и второго элеЛ ментов НЕ, выход третьего компарато35 ра подключен к входу третьего элею мента НЕ и соединен с первым входом второго двухвходового элемента И-НЕ, :о второй вход которого подключен к выходу Первого элемента НЕ, выходы второго и третьего элементов НЕ подключены к соответствуняцим входам третьего двухвходового элемента И-НЕ, выходы первого, второго и третьего двухвходовых элементов И-НЕ подключены к входу первого, второго и третьего элементов задержки соответственно, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого.

1

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может применяться в источниках питания систем управления технологическими процессами.

Известен преобразователь электрической энергии, состоящий из трех параллельно работакяцих систем импульско-фазового управления (СИФУ), блоков диагностирования и ключевого коммутатора. В устройстве применен способ многократного резервирования СИФУ, диагностирование работоспособности которых осуществляется с помощью блоков диагностирования (ЦД), включающих последовательно включенны делитель частоты, пропорциональнодифференцирующее звено и демодулятор 1J .

Однако известный преобразователь имеет недостаточно высокую надежность из-за отсутствия в нем быстродействунлцей защиты от токов короткого замыкания в блоке силовых тиристоров.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее силовЫ трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого предназначены для подклю ения через автоматический выключатель к соответствуннцей фазе напряжения сети а вторичные соединены с силовой частью выпрямителя, блок диагностики и защиты от токов короткого замыкания, выходом подключенный к входу блока управления отключением автоматического выключателя 2.

Недостатком данного устройства также является низкое быстродействие завщты по току.. Кроме того, схема токовой защиты выпрямителя не оберп чивает локализации места неисправности в силовой схеме выпрямления, что ухудшает ремонтопригодность уст- ройства в целом.

Целью изобретения является повы шение ремонтопригодности выпрякителя и быстродействия его защиты от токов короткого заражения в цепи силовых диодов.

Поставленная цель достигается тем, что в вш1рямитель с защитой от токов короткого з пшкання, содержащий силовой трехфазный траисфорнатор первичные обмотки которого преднаэначены для подключения через автоматический выключатель к соответствующей фазе напряжения сети, а вторичные соединены с силовой част} выпрямителя блок, диагностики и эащиты от токов короткого 3afre iKaHiui, выходом подключекш к входу блока управления отключением автоматического выключателя введены три датчика проводимости, силовая часть вьшрямитепя содерясит диоды, цключеяяые по схеме трехфазного выпрямителя с нулевым выводом, трехфззш трансфо матор выполнен по схеме Звезда-звезда с нулев1Ф1 вьгаодом на вторичной стороне, а блок диагностики и згаа}агы

5 от токов короткого зшшкания включает источник сигнала логической единицы, три компаратора, три элемента НЕ, три двухвходовых элемента И-НЕ, шесть элементов задержки, три двухвходовых элемента РШИ, три синхронизированных RS триггера со светодиодными индикаторами на выходе и трехвходовый элемент ИЛИ, ключевой элемент с размыкающим и замыкающим контактами, причем каждый датчик проводимости подключен к диоду соответствующей фазы вьтрямителя, первьй и второй входы первого компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам Аи В напряжения сети, первый и второй входы второго кон/шратора предназначены для соединения соответственно с фазами А и.С напряжения сети, а первый и второй входы третьего компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам В и С напряжения сети, выходы первого и второго компараторов подключены к входам первого двухвходового элемента И-НЕ и соединены с вхо дом соответственно первого и второго элементов НЕ, выход третьего компаратора подключен к входу третьего элемента НЕ и соединен с первым входом второго двухвходового элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу первого элемента НЕ, выходы второго и третьего элементов НЕ под|Ключены к соответствующим входам третьего двухвходового элемента И-НЕ выходы первого, второго и третьего двухвходовых элементов И-НЕ подключены к входу первого, второго и третьего элементов задержки соответственно, выходы которых подключены к первь входам соответственно первого .второго и третьего двухвходовых элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены с R-входами ftS-триггеров и предназначены для подключения к нине нулевого потенциала через размыкающий контакт ключевого элемента, замыкакхций контакт которого подключенк источнику сигнала логической единицы, выходы первого, второго и третьего двухвходовых элементов ИЛИ сое динен с С-входами соответственно пер вого,второго и третьего S-триггеров, S-входы первого, второго и третьего RS-триггеров соответственно через четвертый, пятый и шестой элементы задержки подключены к выходу датчика проводимости диода фазы А, В и С соответственно,выходы первого, второго и третьего й -триггеров подключены к соответствующим входам трехвходовоИ13 . 4 го элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока диагностики и защиты от токов короткого замыкания. На фиг. 1 представлена функциональная схема вьтрямителя с защитой от токов короткого замыкания; на фиг.2 функциональная схема блока диагностики и за1циты от токов короткого замыкания; на фиг. 3 - временные диаграммы работы выпрямителя с защитой. Устройство содержит силовой трансформатор 1 с первичными 2 и вторичными 3 обмотками, диоды 4, 5 и 6, датчики проводимости 7,8 и 9, блок 10 нагрузки выпрямителя, автоматический выключатель 11с блоком 12 управления его отключением, блок 13 диагностики и защиты от токов короткого замыкания, клеммы 14-23 для подключения блока 13 диагностики и защиты, шины 24, 25 и 26.соответст-. венно напряжений U(t), Uj (t), U(t) фаз A, В, С сети выпрямителя, первый 27, второй 28 и третий 29 компараторы, первый 30, второй 31 и третий 32 элементы НЕ, первый 33, второй 34 и третий 35 двухвходовые элементы И-НЕ, первый 36, второй 37, третий 38, четвертый 39, пят 40 и шестой 41 элементы задержки, первьй 42, второй 43 и третий 44 двухвходовые элементы ИЛИ, трехвходовый элемент ШШ 45, RS-триггеры 46, 47 и 48, светодиодные индикаторы 49, 50 и 51, ключевой элемент 52, Knevaty 53 для подключения источника сигнала логической единицы и шину 54 нулевого потенциала. Силовой трансформатор Т (фиг.1) выполнен по схеме Звезда-звезда с иулевым выводом на вторичной ctoроне. Диоды 4, 5 и 6 предназначены для выпрямления вторичного напряжения трансформатора 1. Датчики проводимости 7, 8 и 9 диодов 4, 5 и 6 имеют нулевое значение выходного напряжения (клеммы 14, 15 и 16) в случае непроводящего состояния диодов 4 5 и 6. В слзгчае открытого состояния диодов 4, 5 и 6 сигнал на выходе датчиков 7, 8 и 9 соответствует уровню логической 1. Автоматический выключатель 11 включается и выключается вручную. Кроме того, при воздействии сигнала логической единицы на вход блока 12 происходит автоматическое отключени вьшрямитёля от напряжения сети, KoNmaparopbi 27, 28 и 29 (фиг. 2) имеют выходной сигнал уровня логической 1, когда сигнал на их первом входе (клеммы 17, 19 и 21) превышает уровень сигнала на втором входе (клеммы 18, 20 и 22), в противном случае выходной сигнал компа раторов 27, 28 и 29 равен нулю. Элементы 30, 31 и 32 НЕ инвертируют уровень выходных сигналов комп раторов 27, 28 и 29. Элементы 33, 3 и 35 И-НЕ формируют сигнал логической единицы при отсутствии сигналов на их входах. Элементы задержки 36-41 функционируют таким образом, что передний фронт ик выходного сигнала запаздывает на время t по отношению к переднему фронту входного сигнала, а задние фронты входного и выходного воздействий совпадают. Разрешение на изменение состояния Р5-триггеров 46, 47 и 68 осуществляется подачей на синхронизиру кяцие входы С сигнала логической 1, при этом на выходе формируется сигнал логической 1% если на вход S подана логическая t, а на вход R сигнал логического О. Перевод триггеров 46, 47 и 48 осуществляется путем подачи на ;входы С и R сигн ла логической 1 при нулевом уровне воздействия на входе S . Логические 42, 43 и 44 двухвкодо вые элементы ИЛИ и трехвходовый эле мент ШШ 45 формируют на выходе сиг нал логической 1, если хотя бы на один из входов подано воздействие логическая 1. Устройство работает следукяцим образом. Диоды 4,5 и 6 находятся в проводящем (открытом)состоянии в интерва лах времени, лежащие м&кду точками естественной коммутации 55-57, 57-5 и 59-55 диодов (фиг. Зо). В результате в цепи нагрузки 10 (фиг. 1) формируется выпрямленное напряжение с частотой пул19са1щй, превышаи ей в три раза частоту напряжения сети вы прямителя . Датчики проводимости 7, 8 и 9 ди одов 4, 5 и 6 формируют сигнал логи ческой 1 в том случае, когда соот ветствующий им вентиль находится в проводящем состоянии. 13 Блок диагностики и защиты 13 выполняет функции быстродействующего контура защиты вьшрямителя от токов короткого замыкания в цепи силовых диодов 4, 5 и 6. Принцип диагностирования состояния диодов 4, 5 и 6 базируется на следующих положениях. В интервале времени, ограниченном точками 55 и 57 (фиг. Зог), в проводящем состоянии находится диод 4 фазы А. Очевидно, что в рамках данного диапазона нет необходимости контролировать состояние диода 4, так как опасным для работы устройства является короткое замыкание в цепи диодов 5 и 6, когда они в результате выхода из строя могут оказаться элементами с двухсторонней проводимостью. Аналогичным образом в течение времени, ограниченного точками естественной коммутации 57, 59 и 59, 55 (фиг. За), необходимо производить диагностирование состояния диодов 4, 6 и 4, 5 соответственно. Контроль же диодов 5 (интервал 55-59) и 6 (интервал 59-55) с позиций сохранения у ник свойств односторонней проводимости в данном случае нецелесообразен, так как с точки зрения работоспособности схемы выпрямителя это является непринципиальным. Кроме того, принцип диагностирования состояния диодов 4, 5 и 6 в предлагаемом устройстве базируется не на количественном анализе параметров событий (величина тока через вентиль, ток короткого зa a жaния (КЗ) в цепн вентилей и т.д.), как это обычно реализуется в известных устройствах, а на констатации самого факта появления того или иного события. Действительно, вряд ли целесообразно, например в интервале времени 55-57 (фкг. За) измерять величину тока через диод 5 или 6, когда сам факт наличия тока через один из этих диодов уже говорит о неработоспособности схемы выпрямителя и необходимости ее отключения от напряжения сети в течение минимально возможного времени. Такой подход к принципу )вр1агностирования состояния силовьос элементов схемы выпрямителя позволяет существенно упростить конструкцию устройства в целом и обесечить максимальное быстродействие хемы защиты выпрямителя от токов ороткого замыкания.в цепи диодов , 5 и 6.

Процесс диагностирования состояия силовых элементов выпрямителя роисходит следующим образом.

С помощью компаратора 27 (фиг.2) сравниваются уровни напряжений Uд(t) и Ug(t) (фиг. За). Когда U,(t) Ug(t) на выходе компарато1)а 27 формируется сигнал (t) логической 1 (фиг. 3S).

Компаратор 28 осуществляет сравнение напряжений U(t) и U(-(t) (фиг. За). В результате в течение времени, ограниченного точками 1-4, на выходе компаратора 28 формируется сигнал Хд(.(1) логической 1 (фиг. 3S).

С помощью элемента 33 И-НЕ сигналы (t) (фиг. 3(5) и Xдc(t) (фиг. Зб) сравниваются. В итоге на выходе блока 33 появляется сигнал Х| (t) (фиг. Зг), интервал паузы (состояние логической О) которого соответствует отрезку времени, ограниченному точками естественной коммутации 55-57 (фиг. За).

Компаратор 29, сравнивающий напряжения Un(t) и .(t), формирует на вькоде сигнал логической 1, длительность которого (фиг. 3 ) соответствует отрезку времени между точками коммутации 56-59 (фиг. За). С помощью блока 30 сигнал Xд(t) (фиг. ЗЗ) на выходе компаратора 27 (. 2) инвертируется (фиг. Зф) и сравнивается с помощью элемента И-НЕ с сигналом Xgc(t) (фиг. Зв).

В результате на выходе элемента Й-НЕ 34 формируется сигнал Хр (t) (фиг. Зз) интервал паузы которого соответствует длительности рабочего состояния диода 5 (фиг. За, интервал 57-58),

С помсщыо элементов 3t и 32 НЕ гфоисходит инвертирование выходных сигналов компараторов 2.8 и 29 (фиг. 3,в) формирование импульсов (t) (фиг. Зк, блок 31) и Xcg,(t) (фиг. 3 , блок 32), длительность которых соответствует отрезкам времени между точками 58-55 и 59-56 (фиг. За).

Сравнение сигналов (t) и Xte (t) (фиг. Зк,л) приводит к фор ированию на выходе элемента И-НЕ 35

интервала паузы, которьш соответствует длительности рабочего состояния вентиля 6 (фиг. 3Q,Ai) точки 59-55.

Элементы задержки 36, 37 и 38 (фиг. 2) приводят к запаздьтанию формирования переднего фронта сигнала логической- 1 на выходе элементов 42, 43 и 44 ИЛИ и синхронизирующем входе С триггеров 46, 47 и 48. Величина задержки f; (фиг. 3,W,H, сигналы X (t), Х (t), X (t) на выходе блоков 36, 37 и 38 соответственно) выбирается из условия сокончания переходного процесса в датчиках проводимости 7, 8 и 9 (фиг. 1) при уменьшении их выходного сигнала до уровня логического О при выключении диодов 4, 5 и 6. Сигнал на выходе элементов 42, 43 и 44 полностью повторяет форму .

выходных импульсов блоков 36, 37 и |38 (фиг. Зд,м ,к).

Элементы задержки 39, 40 и 41 осуществляют задержку переднего фронта выходного сигнала р (t), f (t),f(t)

датчиков 7, 8 и 9 уровня логического 1 на величину при включении диодов 4, 5 и 6 (фиг. ЗЙ,и,н).

Элементы 36-41 позволяют избежать неоднозначности состояния элементов

схемы диагностирования в моменты времени коммутации токов через диоды 4, 5 и 6..

При этом выходные сигналы логической (t) (фиг. 3d), pg (t)

(фиг. 3ц), (t) (фиг. Зн) датчиков 7, 8 и 9 находятся как бы внутри интервалов пауэы (логический О) сигналов Хд(г), X (t), X (t) (фиг, Зд,) синхронизации триггеров 46j 47 и 48.

В течение времени t. интервала 55-58 (фиг. За) на входе С триггера формируется сигнал Хд (t) (фиг. 3d)

логического О, который осуществлявт запрет на его переключение в. состояние логической 1. При этом на вход S поступает сигнал ft (t), который не приводит к переключению триггера 46 так как Х (t) 0 (фиг.3d).

За время t., когда диод 4 должен быть закрьзт, сигнал X д (t) логической t и триггер 46 может переключиться в состояние логической 1 сигналом с выхода датчика 7 проводимости. Последнее окажется возможным, если диод 4 в интервале t выйдет из строя и станет элементом с двухсторонней проводимостью. Тогда выходной сигнал триггера 46станет равным логической 1, на выходе элемента ИЛИ 45 также сформируется напряжение логической 1, которое, воздействуя на блок 12 (фиг. 1), вызовет отключе tme автомата 11. Анапогичнь образом в течение вре мени tg (фиг. 3м) и t (фиг. Зн) рабочего состбя1шя диодов 5 и 6 осуществляется запрет на перекЗвючение триггеров 47 и 48 в состояние логической 1, а в интервалах времени Зи) и 1д(фиг. Зн) контролируется состояние их проводимости. Если в течение времени t (t) диод 5(6) перейдет в открытое состоя ние, то соответствующий из триггеров 47 или 48 перейдет в состояние логической 1, и вьтрямитель отключится от напряжения сети. Одновременно с переходом триггеров 46, 47 и 48 в состояние логйческоЛ 1 включается световая индикация на основе светодиодных блоков 49, 50 и 51, наличие которой сразу 1310 указьшает на неработоспособньй диод вьтрямит ля. Например, включение индикатора 50 свидетельствует о необходимости замены диода 5 фазы В. Таким образом, локализуется место неисправности в схеме вьтрямителя и сокращается время на его ремонт, чем повышается ремонто-пригодность устройства. Ключ 52 служит для установки триггеров 46, 47 и 48 в исходное нулевое состояние. Для зтого контакт ключа 52 замыкается и на входы С и R триггеров подается сигнал логической 1, при зтом на входе S присутствует сигнал логического О, так как силовой блок выпрямителя на включен и СРА (t) р (t) « fj. (t) - логическому О. Таким образом, предлагаемое устойство обладает повышенной ремонторигодностью вьтрямителя и быстродейтвием его защиты от токов короткого амыкания.