Выпрямитель с защитой Советский патент 1986 года по МПК H02M7/04 H02H7/125 

разуют две трехфазные нулевые схемы выпрямления, в цепь нагрузки которых включены вторичные обмотки 25, 26 разделительного трансформатора 24, Первичная обмотка 27 разделителного трансформатора 2А зашунтирова- на релейным элементом 28 и соединена последовательно с первичной обмоткой 38 разделительного трансформатора 37 и токоограничивающим резистором 54, а через последовательную цепь из фильтра 48, демодулятора 46, порогового злемента 50 - с одним из входов элемента ИЛИ 52. Вторичная обмотка 45 разделительного трансформатора 37 соединена с входом демодулятора 47, выход которого через фильтр 49 и пороговый элемент 51 соединен с другим входом элемента ИЛИ 52, выходом соединен

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника питания постоянного тока в системах управления технологическими процессами.

Цель изобретения - повышение надежности выпрямителя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема выпрямителя с защитой; на фиг. 2 - характеристики элементов выпрямителя с защитой; на фиг. 3-6 - временные диаграммы сигналов; на фиг. 7 - варианты реализации функциональных узлов выпрямителя.

В состав выпрямителя (фиг. 1) входят клеммы 1-3 для подключения устройства к трехфазной системе напряжений (фазы А, В и с), автоматический выключатель 4 с блоком 5 управления , силовой трансформатор 6 с первичными 7-9 и вторичными 10-15 обмотками, вентили 16-21, блоки 22 (первьм) и 23 (второй) нагрузки, первый разделительный трансформатор 24 с вторичными 25 и 26 и первичной 27 обмотками, релейный элемент 28, резистор 29, шина 30 нулевого потенциала, разделительные конденсаторы 31-36, второй разделительньм трансфоматор 37 с первичной 38 и вторичными

ного через селектор длительности импульсов 53 с входом блока управления 5. Вторичные обмотки 39-44 разделительного трансформатора 37 через разделительные конденсаторы 31- 36 соединены с анодами вентилей 1.6- 21. Нулевые точки звезд.обмоток .39- 41 и 42-44 соединены с катодами вентилей 16-18 и 19-21 соответственно. При разрыве в цепи какого-либо 16-21 канал, включающий демодулятор 47, фильтр 49, пороговый - элемент 51, отключает устройство от сети путем увеличения амплитуды импульсов на вторичной обмотке 45 вследствие уменьшения нагрузки трансформатора 37. При этом команда на отключение дублируется по каналу: релейный элемент 28, фильтр 4, демодулятор 46, пороговый элемент 50.7ит

39-45 обмотками, первьш 46 и второй 47 демодуляторы, первый 48 и второй 49 фильтры, пороговые элементы 50 и 51, элемент ИЛИ 52,. селектор 53 дли- тельности импульсов, токоограничива- ющий резистор 54.

Блок 28 (фиг. 1) выполнен с симметричными относительно нуля порогами переключения, В и инвертирую- щей петлей гистерезиса (фиг. 2 q ) и может быть реализован на операцион-- ном усилителе 55 по схеме регенеративного компаратора с резисторами 56-58 (фиг. 7 6 ). При этом выходной сигнал: блока 28 меняется дискретно в пределах iA.

Демодуляторы 46 и 47 выполнены с характеристикой, показанной на фиг. 25. Фильтры 48 и 49 реализуются на RC-цепи или LC-цепях (фиг.2 г) и предназначены для подавления высокочастотного спектра входного сигнала.

Пороговый элемент 50 переключается в состояние +А, когда его входной сигнал превышает пороговый уровень Сд (фиг. 26 ). Выходной сигнал элемента 51 равен нулю в том случае, когда входной сигнал находится внут

ри зоны Со.1 - Сд (фиг. 2к

10

3. 1246287

Напряжение на выходе элемента 52.равно Лог. 1 при условии наличия хотя бы на одном из входов сигнала Лог. 1 (фиг. 29,е,яс).

Селектор 53 длительности импульсов формирует на выходе сигнал Лог. 1 только в том случае, когда длительность входного импульса превышает заданную величину t (фиг. 23, 1 ).

Выключатель 4 включается вручную, а его отключение может быть осуществлено Как вручную, так и путем подачи на вход блока 5 сигнала Лог.1

На чертежах введены следующие обозначения: U(t), Ug(t), U,(t) - трехфазная система первичного напряжения выпрямителя; п напряжение на выходе первого трехфазного выпрямителя; Y (t) - сигнал на выходе релейного элемента 28;

ляется активной. В интервале време-„ ни, ограниченном точками I и 2 естественной коммутации (фиг. 3q), в открытом состоянии находятся венти- 5 ли 16 и 19 (фиг. 3г.). В точке II; (фиг. 3q ) диоды 16 и 19 закрываются, а в открытое состояние переходят вентили 17 и 20 (фиг. 3), которые проводят ток в интервале, ограниченном точками II-III (фиг. За). Далее, в интервале Г11-1 в проводящем состоянии находятся диоды 18 и 21 (фиг. Зе). В дальнейшем процесс пери- одичеб ки повторяется и на нагрузках 22 и 23 формируется постоянное напря- жение, форма которого показана на фиг.35 (индуктивность обмоток 25 и 26 пренебрежимо мала, поэтому ее влияние на форму вьтрямленного напряжения/тока не учитьт.ается).

Тракт диагностирования состояний элементов силовой и вспомогательной выпрямительньк схем состоит из двух каналов. Первьш канал, включающий

20

Vjt)напряжение на резисторе 29;. У) напряжение на обмотке 45 трансформатора 37; V(t)- Yjj (t) - сигналы

на выходе блоков 47-53 соответствен- 25 звенья 24-29 выполняет функции датчи- но; i(t) - ток, протекающий через блок 22 нагрузки; t.,, t -циклы развертывающего преобразования; интервал дискретизации импульсов на

30

т выходе релейного элемента 28; t - момент перехода вентиля 16 в аварийный режим двухсторонней проводимости; t, toj- момент времени появления на выходе элементов 50 и 51 сигнала Лог. ±А - амплитуда импульсов на выходе демодулятора 47 в исправной схеме выпрямителя; дА - амплитуда импульсаций на выходе демодулятора 47.

На фиг. Зг,е и 76,яс уровень Лог. 1 обозначает переход соответствующего вентиля 16-21 в открытое состояние.

Выпрямитель работает следующим образом.

Две выпрямительные схемы реализованы на диодах 16-18 и 19-21 сока тока в цепи нагрузки 22 и 23, а второй канал, состоящий из блоков, 31-45, 47 и 49, играет роль датчика проводимости, с помощью которого оценивается число вентилей, одновре- менно находящихся в проводящем состоянии.

. Датчик тока (фиг. 4 о ) представляет собой автоколебательную частот35 но-щиротно-импульсную систему, которая работает следующим образом.

При нулевом значении тока в обмотке 25 (фиг. 1, 4я) на выходе релейного элемента 28 формируются импуль-

40 сы .типа меандр с нулевым уровнем постоянной составляющей (фиг.4Е|). Переключение релейного элемента 28 осуществляется импульсами напряжения, формируемыми на резисторе 29 (фиг.1,

45 4 Q) в моменты времени насьщения магнитопровода трансформатора 24 (фиг. 45).

Предположим, что через обмотку 25 протекает постоянный ток (фиг.4 г).

ответственно. Схема, включающая дио- 50 соответствующий току нагрузки 22 силовой схемы выпрямителя (пульсирующей составляющей тока нагрузки пренебрегаем с целью упрощения временных диаграмм датчика тока). В интервале 55 времени t., (фиг. 4 е ) перемагничи- вание трансформатора 24 осуществляется под действием разности токов, протекающих через обмотки 25 и 27

дь1 16-18, является силовой, которая работает на полезную нагрузку 22, а схема, состоящая из вентилей 19- 21, представляет собой, физическую модеЙь силовой схемы вьтрямления напряжения сети. Принцип действия силовой и вспомогательной схем идентичен. Считаем, что нагрузка 22 яв

ляется активной. В интервале време-„ ни, ограниченном точками I и 2 естественной коммутации (фиг. 3q), в открытом состоянии находятся венти- ли 16 и 19 (фиг. 3г.). В точке II; (фиг. 3q ) диоды 16 и 19 закрываются, а в открытое состояние переходят вентили 17 и 20 (фиг. 3), которые проводят ток в интервале, ограниченном точками II-III (фиг. За). Далее, в интервале Г11-1 в проводящем состоянии находятся диоды 18 и 21 (фиг. Зе). В дальнейшем процесс пери- одичеб ки повторяется и на нагрузках 22 и 23 формируется постоянное напря- жение, форма которого показана на фиг.35 (индуктивность обмоток 25 и 26 пренебрежимо мала, поэтому ее влияние на форму вьтрямленного напряжения/тока не учитьт.ается).

Тракт диагностирования состояний элементов силовой и вспомогательной выпрямительньк схем состоит из двух каналов. Первьш канал, включающий

звенья 24-29 выполняет функции датчи-

- 25 звенья 24-29 выполняет функции датчи-

30

ка тока в цепи нагрузки 22 и 23, а второй канал, состоящий из блоков, 31-45, 47 и 49, играет роль датчика проводимости, с помощью которого оценивается число вентилей, одновре- менно находящихся в проводящем состоянии.

. Датчик тока (фиг. 4 о ) представляет собой автоколебательную частот35 но-щиротно-импульсную систему, которая работает следующим образом.

При нулевом значении тока в обмотке 25 (фиг. 1, 4я) на выходе релейного элемента 28 формируются импуль-

40 сы .типа меандр с нулевым уровнем постоянной составляющей (фиг.4Е|). Переключение релейного элемента 28 осуществляется импульсами напряжения, формируемыми на резисторе 29 (фиг.1,

45 4 Q) в моменты времени насьщения магнитопровода трансформатора 24 (фиг. 45).

Предположим, что через обмотку 25 протекает постоянный ток (фиг.4 г).

соответствующий току нагрузки 22 силовой схемы выпрямителя (пульсирующей составляющей тока нагрузки пренебрегаем с целью упрощения временных диаграмм датчика тока). В интервале времени t., (фиг. 4 е ) перемагничи- вание трансформатора 24 осуществляется под действием разности токов, протекающих через обмотки 25 и 27

5

(фиг. 4г, е ), а в интервале t, - по действием суммы этих токов. В результате ,j (фиг. 4е ), а постоянная составляющая импульсного потока на выходе релейного элемента 28 за время Т„ устанавливается пропорциональной току нагрузки 22.

В предлагаемом устройстве защита выпрямителя от тока к.з. в цепи блока 22 осуществляется путем сравнения значений токов, протекающих в выходных цепях силовой и вспомогательной выпрямительных схем. При этом обмотки 25 и 26,, ампер-витки которых равны, включаются .встречно одна относительно другой (фиг. 1). В результате при исправном состоянии вьтрямительных схем на выходе релейного элемента 28 формируется сигнал со средним нулевым значением (фиг. 4&), частота которого значительно превьппает частоту питающего напряжения (фиг, За,6 ) В peanbHbixjcxeMax, прошедших лаборатоные испытания, частота сигнала

Y,2g (t) составляет 100-300 кГц при частоте первичного напряжения 50 Гц

В предлагаемом устройстве датчик тока выполняет также функции генератора несущих колебаний для датчика проводимости на элементах 31-49, принцип действия которого следующий. Емкость конденсаторов 31-36 (фиг. 1) выбирается таким образом, чтобы их сопротивление на частоте выходного сигнала релейног элемента 28 было минимальным, а на частоте напряжения сети - небольшим. Тем самым практически исключается влияние да работу датчика проводимости вторичного напряжения трансформатора 6.

Алгоритм диагностирования работспособности устройства базируется на следующем элементарном положени В случае исправного состояния вьтрмительных схем в проводящем состоянии находятся два из шести вентиле 16-21 (фиг. Зг,,е ), что обеспе- , чивает, с одной стороны, равенство

ампер-витков вторичных цепей 25 и датчика тока и нулевой уровень его выходного сигнала, а с другой - постоянную во времени величину нагруки трансформатора 37. Действительн в интервале времени I-II (фиг. 3-в) окрыты вентили 16 и 19 (фиг. 1, 3г.) и на вторичной стороне трансформат

ра 37 (фиг. 1, 5а ) под нагрузкой находятся обмотки 39 и 44, подключенные параллельно диодам 16 и 19 (L - сопротивление р- Ь-перехода дио- да на частоте импульсов выходного сигнала блока 28). Обмотки 40-43 (фиг. 5 а) в этом случае ненагружены. Б интервале н-ж (фиг. За) диоды 17 и 20 открыты (фиг. 3) и трансформатор 37 нагружен со стороны обмоток

40и 43, а сопротивление нагрузки обмоток 39, 41, 42 и 44 (фиг.1,5 а ) достаточно большое и может не учитываться .

Далее, в интервале времени Ш-1 нагрузка включается в цепь обмоток

41и 42 (фиг. 3 а,е, 5а), а обмотки 39, 40, 43 и 44 работают в режиме холостого хода. Таким образом, в исправной схеме устройства результирующая нагрузка трансформатора 37 определяется величинами 0,5Га и г (фиг. 5S), где i-g - входное сопро. тивление. тракта 47, 49, 51 (фиг. 1), что обеспечивает формирование на входе демодулятора 47 сигнала с амплитудой iA (фиг. Зх. С пойощью блока 47 импульсы с выхода обмотки 45 выпрягетяются (фиг. 3 ) и фильтруются (фиг. Зи).

Пороги срабатьгоания элемента 51 (фиг. 1) выбираются из условия (t). -i С, что обеспечивает в исправной схеме .выпрямителя

фор)У1Ирование на выходе элементу 51 сигнала Лог. О (.фиг. Зи) . На выходе элемента 50 также формируется Лог. О, так как постоянная составляющая выходных импульсов элемента 28 равна нулю. (фиг. 2(; , 4g , фиг. 5& ). В этом случае на выходе блоков 52 и 53 уровень напряжения соответствует. Лог. О и выключатель 4 находится в замкнутом состоянии.

Предположим, что вентиль 16 в момент времени t (фиг.65 ) вьш1ел из строя и оказался элементом с двухсторонней проводимостью (заштрихованная область). Тогда в интервале П-Ш (фиг.. 6а ) в открытом состоянии находятся сразу три (а не два) вентил;я (фиг. бй,й, ), что приводит к следующим процессам в каналах диагностирования.

Режим короткого замыкания в силовой выпрямительной схеме вызьгоает разбаланс ампер-витков обмоток 25

и 26 датчика тока, и на выходе релейного элемента 28 измеряется скваность импульсов (фиг. б). Это влечет за собой нарастание выходного сигнала блоков 48 и 46 (фиг. 6к), и на выходе элемента 52 в момент вре- меди tj, (фиг. 6 к ) формируется сигнал Лог. О (фиг. 6н ), которьш обеспечивает напряжение Лог. 1 на выходе элемента 52 (фиг. 6 ).

С другой стороны, в интервале П-Ш (фиг. 6а), когда открыты вентили 16, 17 и 20, увеличивается нагрузка на трансформатор 37. Это влечет за собой уменьшение амплитуды импульсов на входе демодулятора 47. Форсированный характер снижения амплитуды импульсов V (t) достигается (фиг. 6 и ) также за счет того, что через первичную обмотку 38 трансформатора 37 начинает протекать постоянный ток (фиг, 6j), обусловленный, разбалансом ампер-витков обмоток 25 и 26 трансформатора 24 и приводящий к насыщению магнитной системы трансформатора 37. В результате сигнал на выходе фильтра 49 о( момент времени 02 oi выходе элемента 52 формируется напряжение Лог.1. С задержкой Т сигнал Лог. 1 появляется на выходе селектора 53 (фиг. б.р) , что приводит к- выключению автоматического.выключателя 4.

Канал 47, 49, 51 датчика проводимости является более быстродействующим, чем тракт 48, 46, 50 датчика тока. Это обусловлено тем, что постоянная времени фильтра 48 выбирается из условия подавления высокочастотного спектра импульсов Yg(t), имеющихся по амплитуде в пределах ±А (фиг. 56), а инерционность фильтра 49 зависит от пульсации л А сигнала на выходе демодулятора 47 (фиг. 5г,) . Учитьшая, что , инерционность, фильтра 49 гораздо ниже инерционности фильтра 48.

При разрыве в цепи какого-либо диода 16-21 канал 47, 49, 51 обеспечивает отключения от сети за счет того, что амплитуда импульсов увеличивается на соответствующем ; интервале коммутации вследствие уменьшения результирующей нагрузки трансформатора 37. Кроме того, дан246287 ньгй

8

вариант неисправности выпрямителя приводит к разбалансу ампер-витков обмоток 25 и 26 и команда на отключение выпрямителя дублируется 5 по каналу 28, 48, 46, 50 датчика тока.

Рассмотрим работу схемы при различных неисправностях в трактах диагностирования.

10 1. Предположим, что релейный элемент 28 вьщ1ел из строя и его выходной сигнал принял фиксированный уровень, например +А. В этом случае проис:а;одит срыв режима автоколеба 5 НИИ в датчике тока и сигнал на выходе блока 50 достигает уровня Лог. 1. С другой стороны, отсутствие импульсного сигнала на выходе элемента 28 обеспечивает сигнал

20

25

30

35

на выходе демодулятора: . на выходе элемента 51. В результате выключатель 4 отключается. Аналогичным образом система ведет себя при разрыве в цепях обмотки 27 и резистора 29.

2.Предположим, что в цепи одной из обмоток 25, 26 трансформатора 24 произошел разрыв. Тогда вследствие разбаланса ампер-витков во вторичных цепях датчика тока изменится скважность импульсов

3.Считаем, что блок 50 перешел в неуправляемое состояние Лог. О. Тогда тракт 48, 46, 50 оказывается неработоспособным, однако это не отражается на работоспособности защиты выпрямителя в целом, так как контроль за исправным состоянием элементов 16, 17 и 18 силовой схемы сохраняется по каналу датчика проводимости.

4.В случае перехода блока 51 в неуправляемое нулевое состояние работоспособность схемы защиты сохраня ется по каналу 28, 48, 46, 50 датчика тока. Однако в этом случае быстродействие защиты выпрямителя ухудшается за счет того, что фильтр 48 обладает более высокой инерционностью

по сравнению с фильтром 49 датчика проводимости.

5.Разрыв в цепи конденсаторов 3136или обмоток 39-44 эквивалентен разрьшу в цепи одного из вентилей

55 16-21, что вызывает уменьшение результирующей нагрузки трансформатора

37и приводит к повьппению на выходе , блоков 51, 52, 53 сигнала Лог. 1,

40

в результате чего происходит срабатывание автоматического выключателя 4, Аналогичным образом схема диагностирования реагирует и на обрьш в цепи обмоток 45 и 38.

6, Режим к.з. в цепях обмоток трансформатора 37 приводит к уменьшению амплитуды сигнала на выходе

фильтра 49 до величины V (t)

С

выпрямитель отключается от сети.

Таким образом, практически любая неисправность как в вьтрямительных схемах, так и в каналах диагностирования влечет за собой срабатывание выключателя 4,

Селектор 53 введен в схему с цель исключения ложных срабатываний выключателя 4-ввиду выходных импульсов элемента 52, обусловленных рассогласованием параметров силовой и вспо- могательной выпрямительных схем. Сигнал Лог. 1 появляется на выходе селектора 53 с задержкой f , т.е. j только тогда, когда- он однозначно связан с фактом неработоспособности элементов выпрямителя и его блоков диагностирования.

При реализации датчика тока целесообразно обмотки 25 и 26 выполнять непосредственно шинопроводом, с помощью которого блоки 22 и 23 подключаются к выходу соответствующей выпрямительной схемы (фиг. 7as.).

Формула изобретени

Выпрямитель с защитой, содержащий блок силовых вентилей, блок вспомогательных вентилей с собственным блоком нагрузки, селектор дли- тельности импульсов и блок отключения преобразователя, включакщий в себя автоматический выключатель на первичной стороне блока силовых тиристоров и блок управления его отключением, выходом подключенный к управляющему входу автоматическог выключателя, а входом - к выходу селектора длительности импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности выпрямителя, в него введены силовой транформатор, датчик тока, выполненный на первом разделительном трансформа

10

25

30

е

ью 20г

я 35

4QоSO с-

246287, О

торе, релейный элемент, резистор, второй разделительный трансформатор, два демодулятора, два фильтра, два пороговых элемента, элемент ИЛИ, шесть разделительных конденсаторов, и токоограничивающий резистор, причем первичные обмотки силового трансформатора через автоматический выключатель соединены с клеммами для подк.гаочения трехфазной системы питающего напряжения, а вторичные обмотки в совокупности с шестью вентилями блока силовых вентилей и блока вспо- могапьных вентилей образуют две 15 трехфазные нулевые схемы вьтрямле- ния переменного напряжения, первичная обмотка первого разделительного трансформатора включена между входом и выходом релейного элемента, вход которого через резистор подключен к шине нулевого потенциала, первая вторичная обмотка первого разделительного трансформатора включена на выходе блока силовых вентилей последовательно с клеммами для под- ключения нагрузки данного блока, вторая вторичная обмотка первого разделительного трансформатора включена на выходе блока вспомогательных

с

45

вентилей последовательно с клеммами для подключения собственной нагрузки этого блока, щесть вторичных обмоток второго разделительного трансформатора через соответствующие раз- делительные конденсаторы подключены паралл«гльно вентилям блоков силовых и вспомогательных вентилей, выход релейного элемента через последовательно соединенные первичную-обмотку второго разделительного трансформатора и токоограничивающий резистор подвлсюченный к шине нулевого потенциала и через последовательно сое - динешные первый фильтр, первый демодулятор и первый пороговый элемент - к п€;рвому входу элемента ИЛИ, седьмая вторичная обмотка второго разделительного трансформатора через пос- I ледовательно включенные второй демодулятор, второй фильтр и второй пороговый элемент подключена к второму входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу селектора длительности импульсов.

Выл

8 Вж. jT

Вых

fl

-А

вх

ВАвш Вх Выл

о-СЭ- -о

I

I

.д У 5 fft;

. ff.-- Г

R

flвх

. 50 Вм

t

и О

П П

,| 1 о

fi W

тг

f« Сог ж

X

fat. 2

Открыт I

0ткрб1т

0ткрь1т

yusdj

(t/

ПИТГШГ t

,Уча (t)

..,ltl

Фиг.З

35

uJ fiiidj

Fl «((Л

я r r- UUTJ f

36

37.

Щ r«rirf«(iy

«i Ы

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника питания постоянного тока с защитой в системах управления технологическими процессами. Цель изобретения - повьшение надежности. Выпрямитель содержит силовой трансформатор 6, первичная обмотка которого через автоматический выключатель 4 с блоком управления 5 соединена с входными клеммами 1-3 для подключения трехфазной питающей сети. Вторичные обмотки 10-15 силового трансформатора 6 совместно с вентилями 16-21 i (Л с laUl