Способ защиты автономного мостового тиристорного инвертора напряжения и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК H02H7/122 

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к способам и устройствам защиты гштономных многофазных мостовых инверторов напряжения от сквозных коротких замыканий при опрокгвдыва- нии моста инвертирующих тиристоров.

Цель изобретения - повышение надежности, быстродействия, КПД и снижение массогабаритных показателей .

На фиг.1 представлена принципи-i альная схема устройства для осуще- ствления способа; на фиг.2 - эквива лентные схемы замещения контура раз ряда конденсатора фильтра для отдельных этапов процесса разряда; на фиг.З - временные диаграммы, иллюстрирующие электромагнитные -процессы в предлагаемом устройстве защиты при его срабатьшании; на фиг.4 - принципиальная схема устройства, второй вариант.

На схемах / фиг. 1 ,2 и 4) обозначены 1-1СТОЧНИК 1 входного переменного напряжения с выводами А ., 5 , С неуправляемый мостовой выпрямитель 2 t +) и (-) соответственно положитель--- пый I отрицательный полюсы звена постоянного напряжения резистор 3 и диод 4 гасящей RD-цепи,трансформатор 5 с первичной обмоткой 6 (точкой обо- начало обмотки); конденсатор 7 фильтра, вторичные обмотки 8 - 3, главные (инвертирующие) тиристоры инвертирующего моста 14 - 19, обратные диоды 20 - 25, тиристор- ный короткозамыкатель 26, датчик 27 опрокидывания инвертора, пороговый блок 28, блок 29 формирования импульса управления тиристорами корот- козамыкателя, запоминающий элемент 30, система 31 управления инвертора, блок 32 формирования сигналов управления инвертирующими тиристорами, при этом IJ(. - напряжение на конден. - ток конденсаторе 7 фильтра;

сатора 7 фильтра; ij; - ток гасящей

RD- цепи; Q - суммарный ток конденсатора фильтра и гасящей R5 -цепи;

« - ток тиристорного короткозамы- кателя.

,На фиг.З приведены кривые перечис ленных токов и напряжений при срабатьшании защиты в функции текущего электрического угла б, связанного с текущим временем t соотношением

-

1

10

15

ЭО

25

и.

- С ,

HLC

где L - приведенная к первичной

обмотке 6 эквивалентная индуктивность обмоток трансформатора 5;

С - емкость конденсатора 7 фильтра.

В момент срабатывания защиты условно принято значение угла , характерные точки по оси 0 обозначены: Q,,,..., Q . В схеме по фиг. 1 к полюсам звена постоянного напряжения подключаются непосредственно .выходные зажимы выпрямителя 2, входные зажимы инвертирующего моста на тиристорах 4 - 19 и диодах 20-25, а также фильтр с гасящей R-D-цепью и тиристорньй короткозамыкатель, условно показанный в виде тиристора 26. Первичная обмотка 6 трансформатора 5 включена последовательно с конденсатором 7 фильтра и в нормальном режиме работы инвертора выполняет роль токоограничива- ющего реактора LC-фильтра, а при срабатьшании защиты обеспечивает колебательный характер процесса разряда конденсатора 7, вторичные обмотки 8,11,9,12,10 и 13 трансформатора 5 включены в плечах моста инвертирующих тиристоров согласно по отнощению к первичной обмотке 6 и в нормальном режиме работы инвертора вьтолняют роль реакторов, устанавливаемых в плечах моста инвертирующих тиристоров, а -при срабатывании защиты -ЯВЛЯЮТСЯ источниками противо-ЭДС в плечах упомянутого моста, т.е. ЭДС, направленных встречно по отношению к нормальной полярности звена постоянно го напряжения. Коэффициент трансформации трансформатора 5 от первичной обмотки 6 и его вторичным обмоткам выбирается достаточно большим (порядка k (10 - 20) , исходя из условия обеспечения надежной коммутации тока нагрузки в тиристорах инвертирующего моста за счет противо-ЭДС во вторичных обмотках трансформатора 5.

Таким образом, число витков вторичных обмоток трансформатора 5 55 может быть выбрано достаточно малым С порядка 1 - 2 витка), что, с одной стороны, обуславливает малое влияние электромагнитных нроцессов

30

35

40

45

50

в фильтре на соответствующие процессы в фазах инвертора и малое . взаимовлияние последних-в нормальном режиме работы инвертора, а с другой стороны, облегчает требовани к конструкции трансформатора 5 в составе инвертора. В то же время индуктивность первичной обмотки 6 трансформатора 5, выполняющей роль токоограничивающего реактора фильтра, выбирается достаточно малой-по сравнению с приведенной к звену постоянного напряжения индуктивностью статорных обмоток генератора 1 и, таким образом, включен-ие упомянутой вторичной обмотки последовательно с конденсатором 7 фильтра практически не ухудщает работу фильтра.

Датчик 27 опрокидывания илверто- ра (.датчик аварийного состояния ) может, быть выполнен в виде .трансформатора, первичная обмотка которого включена последовательно с конденсатором 7 фильтра, а вторичная обмотка является выходом датчика опрокидьшания, который подключен к входу порогового блока 28. Вьпсод блока 28 подключен к входу блока 29 формирования импульсов управления тиристорами короткозамыкателя 26. Блок 29 может быть выполнен, например, в виде одновибратора с, выходными развязьшающими усилителями, подключенными своими выходными цепями к управляющим электродам тиристоров короткозамыкателя 26. Выход порогового блока 28 подключен также к входу запоминающего элемента 30 ( вьтолненного,например, на триггере), выход которого подключен к блокирующему входу блока 32 формирования сигнала управления инвер- тируюшда1И тиристорами, к другому входу блока 32 подключен выход системы 31 управления инвертора, а выход блока 32 подключен к управляющим электродам инвертирующих тиристоров 14 - 19.

Устройство работает следующим образом.

При опрокидывании инвертора (сквозном включении двух тиристор- ных плеч в какой-либо из фаз инвертора) напряжение конденсатора 7 фильтра приложено к обмоткам трансформатора 5, а также к первичной обмотке трансформатора датчика 27 опрокидьшания. При этом на вторич036294

ной обмотке трансформатора датчика 27 опрокидьюания формируется импульс напряжения, который подается на вход порогового блока 28. В момент

5 превышения амплитуды этого импульса установленного уровня пороговый блок 28 формирует сигнал, которьй с одной стороны через блок 29 формирования импульса управления тиристо10 рами короткозамыкателя формирует импульс-фиксированной длительности управление тиристорами ко- роткозамьжателя 26, а с другой стороны через запоминающий элемент 30

ts блокирует подачу импульсов управления на инвертирующие тиристоры 14 - 19 от системы 31 управления. Тем самым на все тиристоры короткозамыкателя 26 подается тгравление с од20 новременным снятием управления со всех инвертирующих тиристоров, и конденсатор 7 фильтра начинает разряжаться по цепи обкладка конденсатора 7, подклю енная к началу обмот 25 ки 6, - начало первичной обмотки 6 трансформатора 5 - конец первичной обмотки 6 трансформатора 5 - тирис- торкый короткозамыкатель 26 - обкладка конденсатора 7, подключенная

3Q К отрицательному полюсу (-) звена . постоянного напряжения. При этом, с одной стороны, тиристоры коротко- замкнутой фазы опрокинувшегося инвертора .разгружены от тока разряда конденсатора фильтра, а с другой стороны, положительный импульс разрядного тока i конденсатора 7 фильтра через первичную обмотку 6 транс4)орматора 5 индуцирует во вторичных обмотках 8 13, вк.таоченных в плечах инвертирующего моста, протнво-ЭДС, направленные встреч ю по отношению к нормальной полярности звена постоянного напр5Г :ения за счет которых на интервале первой полуволны разряда конденсатора фильтра обеспечивается вытеснение тока нагрузки из плеч моста инверти- рунзщих тиристоров в цепь короткозамыкателя и их отключение. Параметры колебательного процесса разряда конденсатора 7 фильтра в начальной стадии процесса определяются емкостью С конденсатора 7 и эквивалентной приведенной к первич55 ной обмотке 6 индуктивностью L трансформатора 5. Эквивалентная схема замещения контура разряда конденсатора 7 на начальном участке

35

40

45

50

разряда при О - S t

представлена на фиг,2а. На этом участке токи и напряжения в контуре разряда с достаточной точностью определяется соотношениями

и. и,. собЭ.

i- Со 3

(2) t3)

где Ufj,- начальное значение напряж ПИЯ и, на конденсаторе фильтра при 1 - амплитуда разрядного тока конденсатора фильтра, опре деляемая согласно выражению

()

г напря - .,. При значениях б б-,

жение согласно (3) меняет : знак и становится отрицательным, вследствие чего включается диод 3 гасящей RO -цепи и параметры к оле- бательного процесса разряда конденсатора 7 определяются в соответст-. ВИИ с эквивалентной схемой замещения по фиг.2&. При этом токи и напряжения могут быть рассчитаны по следующим выражениям:

I.

5 С05 tp

,6-2|С05Ц;-Ц ,

. (5)

СОоЦ)

e-°(.(9-|)cosc.,(6)

,.I,,n((7)

Т)5Ч Ь(8)

где D - коэффициент затухания, определяемый согласно формуле

D - -JT O 5 2Rlc

где С - емкость сглаживающего конденсатора 7;

U - сумма индуктивностей реакторов 8,11 или 9,12 или 10,13 соответственно, при подстановке со-, ответствующих значений L и С ( причем рассматривается область значений параметра D 1);

- угол затухания, связанный с коэффициентом затухания D соотношением

D dinl .(9)

Соотношения (5) - (8) справедливы для описания электромагнитных про- цессов в контуре перезаряда конденсатора 7 на интервале 9 t ts 9 б 9v , где 6 определяется в соответствии с выражением

10

, , „..

(10)

На этом интервале при значениях

угла & 0 , где б |

t

+ -J-X

2 D0(f

ток конденсатора 7 меняет знак, обеспечивая при б 62 заряд конденсатора 7 в положительном по отношению к нормальной полярности

(П)

20

звена постоянного напряжения от

уровня напряжения

,ifif(, . (12) Uc49.,e ,

При значениях угла Q - 0 , где 01 определяется по формуле

(3)

«, 5-г.Л)

положительный ток t фильтра протекает от начала к концу первичной обмотка 6 трансформатора 5 по цепи короткозамьжателя 26 при примерном соблюдении равенства i т i s трч- ностью до пренебрежения составляющей тока нагрузки и составляющими тока вторичных обмоток трансформатора 5. При этом во вторичных обмотках трансформатора 5 индуктируются импульсы коммутационного тока, направленные встречно по отношению к нормальной полярности звена постоянного напряжения и обеспечивающие коммутацию инвертирующих тиристоров 14 19 во время полуволнь перезаряда конденсатора фильтра. При значениях Q ток i g меняет знак, становится отрицательным и замыкается через диоды неуправляемого вьшрямителя 2, обеспечивая отключение тиристоров короткозамыкателя 26 QK этому времени управление тиристорами короткозамыкателя 26 должно быть снято). Таким образом для обеспечения снятия импульсов управления тиристоров короткозамыкателя по истечении времени первого полупериода колебательного разряда конденсатора

LC-фильтра длительность

т кч

импульса управления тиристорами корот- козамыкателя 26, задаваемая одно- вибратором в блоке формирования 29, должна удовлетворять неравенству

t..e,,

где Q определяется согласно фор- уле 13).: при значениях угла S 0 4 5 определяемом согласно формуле (1Э), изменяется полярность напряжения на конденсаторе 7, в результате чего закрьшается диод 3 гасящей КО -цепи, и контур заряда конденсатора 7 определяется снова в соответствии с эквивалентной схемой замещения по формулам

с

-1,

(

,е -cos

IflA Г 2Uco

-litd iJ

b .

sm

CoZ(f I

г coetpj

K14)

(15)

of

Процесс

заряда конденсатора 7

5

где

момент W

9 определяется по

е,1г(

1 +

costp

(16)

При этом напряжение на торе 7.

У,19

ЧТО при выбранном значении И 0,5 обеспечивает уменьшение напряжения Up на конденсаторе 7 до 16,3% от его начального уровня. При протекании описанного процесса обеспечивается коммутация главных тиристоров инвертора короткозамыкателя, причем коммутация главных тиристоров инвертора происходит на интервале

0 е

ё9 при протекании первой

фильтра через первичную обмотку 6 трансформатора 5 за счет коммутирую ющего тока во вторичных обмотках Трансформатора 5 в плечах инвертора при примерном соблюдении равенства

,.

где VT- - коэффициент трансформации трансформатора 5, а коммутация тиристоров короткозамьжателя 26 обеспечивается на интервале при протекании второй ( отрицательной) полуволны тока ig фильтра

0

5

0

5

0

5

0

5

5

через диоды неуправляемого выпрями- теля 2,

Таким образом, длительности . импульсов коммутир тощих токов для главных тиристоров инвертора tj-r и для тиристоров короткозамыкателя i определяются в соответствии с выражениями

.- :;s

t, fLCtЭ5-00

kT 0.

2 3

0 б

где 0,0 и bj - определяются согласно формулам (11) , (13) и (,16),

Все приведенные расчетные соот- ношення, характеризующие электромагнитные процессы в преобразователе при реализации предлагаемого способа защиты, по. Б предположении о малости тока нагрузки 1.р по срав- неншо с амплитудой 1, разрядного тока конденсатора фильтра. Такое предположение имеет место при рассмотрении релотмов работы тяговых инверторов и вполне допустимо при качественном анализе упомянутых электромагнитных процессов.

Второй вариант схемы устройства отличается от схемы по фиг.1 тем, трансформатор 5 конструктивно выполнен в виде двух трансформаторов., обеспечивагощих аналогичные функции гашення инвертирующих тиристоров соответственно анодной и катодной групп в процессе прямой полуволны разряда конденсатора фильтра.

Указанное разделение трансформатора при определенных условиях позволяет упростить конструкцию трансформатора. Работа схемы по фиг.4 происходит аналогично работе схемы по фиг,1,

Предлагаемое устройство защиты автономного инвертора напряжения, реализуя способ защиты инвертора при опрокидьгоаниях гашением инвертирующих тиристоров током прямой пол тзолны разряда конденсатора фильтра, обеспечивает повышение быстродействия защиты и надежности указанного продасса гашения инвертирующих тиристоров, не требует установки специального разделительного реактора, загр рконного в нормальном работы инвертора полным током преобразователя, что обеспечивает повышение КПД и сниже- ниа маесогабаритных показателей

9.1203629

по сравнению с известным устройством. Одновременно исключены ударные токи со стороны источника питания и нагрузки инвертора через коротко- замкнутое звено постоянного напря- жения при опрокидывании инвертора, также обеспечено существенное меньшение восстанавливаемого в проессе перезаряда конденсатора фильта напряжения в звене постоянного апряжения, прикладьшаемого к инертирующему мосту, и, следовательо, запаса энергии в конденсаторе ильтра.

Формула изобретения

1. Способ защиты автономного мостового тиристорного инвертора напряжения, снабженного тиристорным короткозамыкателем, шунтирующим зве- но постоянного напряжения, и входным LC-фильтром, заключающийся в том, что в момент возникновения аварийного процесса подают импульсы управления на тиристоры короткозамыкателя, снимают импульсы управления с тири-. сторов короткоз 1мыкателя по истечении полупериода колебательного разряда конденсатора фильтра и снимают импульсы управления с тиристоров инвертора, отличают, и й- с я тем, что, с целью повышения надежности, быстродействия, КПД и снижения массогабаритньпх показателей, одновременно с подачей импульсов управления на тиристоры короткозамыкателя снимают импульсы управления с тиристоров инвертора, вводят противо-ЭДС в плечи моста

ти пе ра . и

5 уп ка

но ра

10 . мо вс об не пр

15 на сл и ко на

20 но де ва че вх

25 уп ка ме к ва

30 ющ щ ше КП за

- ро

вк то пр ин

Q по

10

тиристоров инвертора на интервале первого полупериода колебательного разряда конденсатора LC -фильтра и после этого снимают импульсы

управления с тиристоров короткозамы кателя.

2. Устройство для защиты автоном ного мостового тиристорного инвертора напряжения, включающего в себя

. мост инвертирующих тиристоров с встречно-параллельно включенными обратными диодами и питаемого от неуправляемого вьшрямителя через промежуточное звено постоянного

напряжения, содержащее цепь из последовательно включенныз резистора и диода, подключенную параллельно конденсатору фильтра в запирающем направлении по отношению к нормальной полярности напряжения на конденсаторе фильтра, датчик опрокидывания инвертора, выход которого через пороговьш блок подключен к входу блока формирования импульса

управления тиристорами короткозамыкателя, а через запоминающий элемент предназначен для подключения к блокирующему входу блока формирования сигналов управления инвертирующими тиристорами, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, быстродействия, КПД и снижения массогабаритных показателей, оно снабжено трансформато-

ром, первичная обмотка которого

включена последовательно с конденсатором фильтра, а вторичные обмотки предназначены дпя включения в плечи инвертирующих тиристоров согласно

по отношению к первичной обмотке.

L.

Фиг. /

-T c

sS

5 1т

О

&i

вг

п I.

т

Оз

Q

05 S

в

Изобретение позволяет повысить надежность, быстродействие, КПД и снизить массогабаритные показатели. Это достигается тем, что в способе защиты автономного мостового тиристорного инвертора напряжения одновременно с подачей импульсов управления на тиристоры короткоза- мыкателя снимают импульсы управления Q тиристоров инвертора. Вводят противо-ЭДС в плечи моста тиристоров инвертора на интервале первого полупериода колебательного разряда конденсатора J-C -Лильтра и после этого снимают импульсы управления с тиристоров короткозамыкателя.4 ил. S (Л Од 05 кэ ;о

f C

I

т

в

фиг.З

Составитель О.Мещерякова Редактор О,Головач Техред М.Пароцай - Корректор В.Бутяга

8426/57

Тираж 619Подписное

ВНШ ШН Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35э Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП Патент, г.Ужгород, ул.Проектная,4

Фиг.