Устройство для защиты импульсного преобразователя мостового типа Советский патент 1987 года по МПК H02H7/12 G05B23/02 

112

Изобретение относится к автоматике и электротехнике и может быть использовано при построении силовых импульср ых преобразователей частот- но широтно-импульс ых сигналов.

Цель изобретения - повышение на- дежпости и расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения диагностирования отказавшей пары ключей в мосте преобразователя.

На фиг,1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - функциональная схема блока защиты и диагностирования; на фиг.З и 4 - временные диаграммы работы устройства; на фиг.З - вариант датчика состояния ключей для последовательного соединения с ключом; на фиг,6 то же, для параллельного соединения с ключом.

На схемах обозначены первьш 1 и второй 2 элементы НЕ, элементы ЗАПРЕТ З-б, ключи У-Ю, датчики 11-14 состояния ключей, нагрузка 15 блок 16 защиты и диагностирования, информационные входы 17--20 блока 16, выходы 21-25 блока 16, блок 26 управ- Ленин ключами, управляемый выключатель 275 первый-четвертый эле-- менты ЗЮ Ш 28-31, первьш-третий элементы 2ШШ 32-34, первый 35 и второй 36 триггеры, первый-четвертьй элементы 37-40 задержки, первый 41 и второй 42 светодиодные индикаторы, переключатель 43, первьш 44 и второй 45 неподвижные контакты переключателя, импульсный трансформатор 46, первичная 47 и вторичная 48 обмотки трансформатора, перемагничивающая обмотка 49 трансф.орматора, резистор 50, конденсатор 51, операционный усилитель 52s транзистор 53j, им- пульсньй трансформатор 54, первичная 55 и вторичная 56 обмотки трансформа- тора, выходная вторичная обмотка 57 трансформатора 9 конденсатор 58, генератор 59 несущей частоты, выпрямитель 60, конденсатор 61 и элемент НЕ 62, Кроме того, на диаграммах символов Y(t),, Yg (t) и т.д. обозначены выходные сигналы элементов 1, 2 и др,

,На фигtГ обозначены также точки А и Б в блоке 26 формирования управляющих сигналов на открытие и закры- тие соответствующей пары ключей,

Датчики 11-14 состояния ключей формируют на выходе сигнал Лог.1 при замыкании ключей и сигнал

o

5

0

5Д

5

5 д „

-

35

752

Лог,О при их переходе в разомкнутое состояние. Они могут быть реализованы на оптодиодных парах либо по схемам, представленнь м на фиг. 5 и 6, и могут включаться в плечи моста (к контролируемому ключу) как последовательно, так и параллельно.

Устройство работает следующим образом.

Нулевое значение сигналов Y (t) и Y,. (t) в точках А и Б блока 26 обес5

печивает сигнал Лог,1 на выходе элементов НЕ 1 и 2 (фиг,1),

В дальнейшем полагаем, что ключи 7-10 замыкаются при формировании на их управляющих входах сигнала Лог.1 и переходят в разомкнутое состояние при сигнале Лог.О, управляемый выключатель 27 при подаче на его управляющий вход сигнала Лог,1 размыкается.

Если сигналы на выходах 21, 22, 24 и 25 равны нулю, то элементы ЗАПРЕТ 3-6 работают в режиме повторителя входного сигнала.

При оговоренных условиях ключи 7 и 9 (фиг.О находятся в разомкнутом состоянии, а ключи 8 и 10 замыкаются (сигналы на вькодак 22 и 25 блока 16 равны О) и напряжение на нагрузке 15 равно нулю.

Наличие сигнала управления Y(t) в точке А блока 26 (фиг,За), имеющего вид широтно-импульсной модуляции, приводит к формированию на выходе элемента НЕ 1 сигнала Y (t) (фиг,36), который по амплитуде равен уровню 1 в интервалах паузы между импульсами Y (t) (фиг,За)

В результате замкнутое состояние ключа 9 (фиг.Зж) соответствует длительности импульса Y(t) (фиг,За), а продолжительность замкнутого состояния ключа 10 (фиг.Зз) равна ширине импульса Y (t) (фиг„3б).

При этом сигнал управления Y (t) (фиг,3в) в точке Б блока 26 равен уровню О, а на выходе элемента НЕ 2 соответствует уровню 1 (фиг.Зг). Это приводит к , что ключ 8 постоянно находится в замкнутом состоянии (фиг.Зд), а ключ 7 - в разомкнутом (фиг,3е).

Таким образом, один из выводов нагрузки J5 преобразователя (фиг.1) постоянно через ключ 8 подключен к шине -и„, а второй вывод нагрузки 15 периодически подключается с помощью

ключей 9 и 10 к тинам +11, и -1) . Пр этом одновременное зам1.1кание ключей 8 и 10 п паузах (подключение к обои выводам нагрузки 15 -U,) обеспечивает непрерывное протекание тока при индуктивной нагрузке. Это приводит к формированию на нагрузке 15 одно- тактйых (однополярных) импульсов Y(t) с частотно-широтно-импульсной модуляцией (фиг.Зи), т.е. на нагрузку подано определённое импульсное напряжение, например, положительной полярности.

При изменении управляющих сигналов в точках Аи Б (т,е, когда Y(t) равно О, а Yg(t) - широтно- импульсная модуляция) элементы 2, 5 и 6 работают аналогичным образом, а элементы 1, 3 и 4 переходят в статическое состояние. В этом случае ключ 9 постоянно разомкнут, а ключ 10 .находится в статически замкнутом положении. Напряжение на нагрузке 15 формируется за.счет периодического переключения ключей 7 и 8 и меняет полярность по отношению к исходной. Низкая надежность моста преобразователя обусловлена возможностью протекания через цепи ключей 7, 8 или 9; 10 сквозных токов короткого замыкани (при пробое одного из ключей) или тем, что момент размыкания ключа 8 (10) запаздывает по отношению к моменту времени.включения ключа 7(9).

Для устранения этого в схему устройства введен блок 16 защиты (фиг.2), который обеспечивает также диагностирование отказавшей пары последовательно соединенных ключей моста,

С помощью датчиков 11-14 состояния ключей 7-10 и блока 16 (фиг,2) осуществляется процесс диагностирования алгоритма работы мостового преобразователя, который сводится к следзтащему.

Если замкнут ключ 8, то ключ 7 разомкнут, а клюЧ-и 9 и 10 находятся в режиме противофазных переключений. При изменении сигналов управления Y (t) на Yg(t) ключ 10 переходит в статическое замкнутое положение, а ключ 9 - в статическое разомкнутое положение, т.е. в режим противофазной коммутации входят ключи 7 и В.

Недопустимым (аварийным) считается состояние, когда одна из пар ключей 7, В или 9, 10, а также обе

находятся в замкну

5

0

5

0

5

0

5

0

5

пары одновремеин( том состоянии.

Предположим, что ключи усилите,пя мощности устройства функционируют правильно, а вид входных управляюпщх сигналов Y(t) и Yg(t) соответствует диаграммам на фиг.З, Тогда сигнал Yj (t) на выходе датчика 12 ключа 8 соответствует уровню 1, который подается на вход S триггера 35 (фиг.2) и на вход элемента ЗИЛИ 2В..

На клемме выхода 21 блока 16 (фиг.1) формируется сигнал Лог.1, что препятствует прохождению ложного импульса через элемент 6 в управляющую .цепь ключа 7, который функционирует в заданном статическом разомкнутом состоянии.

Триггер 35 сохраняет свое нулевое состояние, так как сигнал на входе элемента 38 задержки и на выходе элемента 2ИЛИ 33 равен нулю.

Ключи 9 и 10 находятся в режиме противофазных переключений, когда на входы S и С триггера 35 в проти- вофазе поступают сигналы 1 и О. Такой режим входньпс сигналов триггера 35 обеспечивает сохранение его нулевого состояния. Если ключ 10 замкнут, то на выходной клемме 24 блока 16 (на выходе блока ЗИЛИ 30) присутствует сигнал Лог.1, который запрещает прохождение сигнала через -элемент 3, фиксируя тем самым ключ 9 в разомкнутом состоянии.

Когда ключ 9 замыкается, а ключ 10 размыкается, на клемме 25 блока 16 (на выходе элемента ЗИЛИ 31 появляется сигнал 1 запрета на прохождение управляющего импульса (или помехи) в цепь ключа 19,

Тем самым, с помощью элементов 3-6 и 16 дублируется алгоритм работы трактов А, 1 и Б,2 блока 26 и повьша.- ется надежность работы преобр.азова- теля.

Предположим, что ключ 8 находится в статически замкнутом состоянии и в результате своей неработоспособности в замкнутое положение перешел ключ 7, Б этом случае сигнал Y (t) на выходе датчика 11 .проводимости становится равным 1, что переводит триггер 36 в единичное состояние. При этом на всех выходных клеммах формируется урсгвень напряжения 1. Под действием сигналов на клеммах 21 , 22, 24 и 25 блока 16 элементы 3-6

S12954

закрьшаются, при этом исключается возможность прохождения во входные цепи ключей 7-10 импульсов управления. Ключи 8-10 размьдааются, препятствуя тем caMbifi возникновению в 5 преобразователе кратной неисправности, т.е. последующему выходу из строя ключа 8.

Под действие сигнала Лог,1 на выходе 23 блока 16 срабатывает внеш- Ю НИИ элемент защиты устройства - управляемый выключатель 27, отключая источник стилевого напряжения от

клеммы -t-V . Триггер 36 сохраняет

свое единичное состояние, а индикация с помощью светодиодного индикатора 42 указьтает на неисправную левую пару ключей 7 и 8. В результат уменьшается время на поиск неисправности в схеме преобразователя. Отка- зы в правой паре индицирует свето- диод 41 после срабатывания триггера 35. При этом также блокируются цепи управления ключей 7-10 и преобразователь отключается внешним устройством защиты (выключателем 27) от источника силового напряжения.

После устранения неисправности возврат триггеров 36 и 35 в нулевое состояние происходит путем замыкания нормально разомкнутого контакта переключателя 43, когда на входы С и R триггеров 35 и 36 подаются сиг

Y,. (t)

45

налы 1 (сигналы Y,, (t) Y,3 (t) Y, (t) 0). Схема блока 35 16 устанавливается в исходное (рабочее) состояние.

Элементы 37-4О задержки (фиг.2) введены в устройство по следующим причинам. .40

Датчики 11-13 проводимости (фиг.1) независимо от их конкретной реализации обладают собственным порогом чувствительности С (фиг.4а).

.При выключении, например, ключа 9 сигнал Y, (t) Лог.О на выходе датчика 13:(фиг.4) формируется раньше, чем ключ 9 полностью разомкнется (фиг.4а, ig(t} - ток через ключ 9). Если в течение времени at (фиг.4а,б) включится ключ 10, то через ключи 9 и 10 протекает сквозной ток, т.е. ток короткого замыкания, что может неблагоприятно сказаться на режимах работы ключей и надежности преобра- 5 зователя.

С помощью элементов 37-40 (фиг.2), в частности за счет блока 40, дли50

Ь

5

Ю

15

20

5

0

5

5

0

5

0

тельность сигнала Y (t) (фиг.чб) увеличивается на время t а t (фиг. 4в). В течение времени т принудительно блокируется цепь управления ключа 10, который включается (фиг.4д) не синхронно с задним фронтом сигнала на выходе блока 1 (фиг.4г), а после окончания импульса Y (t) (фиг.48), когда ключ 9 полностью перейдет в разомкнутое состояние.

Рассмотрим влияние неисправности элементов 3-6. Предположим, что один из них (например элемент 6) самопроизвольно установился в состояние 1, Это воспринимается блоком 16 как неисправность ключа 7, что приводит к формированию на выходе элементов 3-5 сигнала О, ключи 8-10 размыкаются, а внешняя защита отключает преобразователь от источника силового напряжения.

Аналогично схема ведет себя при самопроизвольной установке на выходах элементов блока 16 сигналов 1, так как в процессе работы устройства создается ситуация, эквивалентная аварии режиму работы преобразователя.

На схеме (фиг.5) в цепь ключа, например 9, включается первичная обмотка 47 импульсного трансформатора 46. Вторичная обмотка 48 соединена с входом регенеративного компара- на операционном усилителе 52, на выходе которого включен транзистор 53. Дифференцирующая RC-цепь 50, 51 предназначена для установки усилителя 52 в исходное состояние при включении схемы устройства. Обмотка 49 служит для перемагничивания трансформатора 46. При протекании импульса тока в обмотке 47 компаратор 52 срабатывает и на выходе появляется сигнал Лог.1.

На фиг.1 представлен один из возможных вариантов реализации датчика проводимости при его параллельном подключении к силовому ключу, где параллельно цепи ключа 9 через разделительный конденсатор 58 включается первичная обмотка 55 импульсного трансформатора 54. Вторичная обмотка 56 присоединена к генератору 59 вы- сокой частоты. Выходная вторичная обмотка 57 присоединена к выпрямительному мосту 60, к выходу которого подключены фильтрующий конденсатор 61 и элемент НЕ 62.

При замиканин ключа амплитуда генерации либо резко падает, либо генерация срывается, и на выходе элемента НЕ 62 псявляется сигнал 1.

Прохождение управляющих сигналов блока 26 через элементы ЗАПРЕТ 3-6 возможно только при наличии на выходах 21, 22, 24 и 25 блока 16 сигналов Лог,О, При сигнале 1 на выходах 21, 22, 24 и 25 блока 16 вы- ходное напряжение элементов 3-6 равно нулю независимо от уровня сигнала на их входе, подключенном к блоку 26 управления. Логические схемы защиты и диагностики объединены в блок 16, Передний фронт сигнала на выходе элементов 37-40 задержки (фиг,2) формируется синхронно с началом переднего фронта импульса на входах 17- 20 блока 16, а формирование заднего фронта запаздывает на время t по отношению к заднему фронту сигнала от датчиков 11-14 состояния ключей.

Переключение триггеров 35 и 36 в единичное состояние происходит при нулевом значении сигнала на R-входе и единичном уровне воздействия на С- и S-входах, Обратное переключение триггеров 35 и 36 происходит за счет подачи на R- и С-входы сигнала Лог, 1, а на вход S - сигнала Лог,О, Отсутствие сигнала Лог.1 на С-вход запрещает переключение триггеров 35 и 36, Элементы 41 и 42 предназначены для индикации единичного состояния триггеров 35 и 36 и локализации тем самым места неисправности в мосте преобразователя,

Сигнал Лог.1 на выходе элементов 28-34 формируется при наличии хотя бы на одном из их входов сигнала Лог,1, Переключатель 43 с источником опорного напряжения, подключаемым к неподвижному контакту 45 (сигнал Лог.1), служит для перево- да триггеров 35 и 36 в нулевое состояние. Выход 23 блока 16 служит для отключения источника питания усилителя с помощью управляемого выключателя 27,

Формула изобрете.ния

Устройство для защиты импульсного преобразователя мостового-типа, со738

держащее, управляемый выключатель в цепи питания, а также по числу ключей в мосте преобразователя датчики состояния ключа и элементы ЗАПРЕТ, подключенные прямыми входами к соответствующим выходам блока управления ключами, а выходами - к управляющим входам соответствующих ключей, и первый элемент задержки, отличающееся тем, что, с.целью повышения надежности и расширения функциональных возможностей устройства путем обеспечения диагностирования отказавшей пары ключей в мосте преобразователя, в него введены второй, третий и четвертый элементы задержки, три элемента 2ИЛИ, четыре элемента ЗИЛИ, два триггера, два светодиодных индикатора и переключатель, первый неподвижный контакт которого соединен с общей тиной, второй неподвижный контакт - с источником опорного напряжения, а подвижный контакт - с входами сброса триггеров и с первыми входами первого и второго элементов 2ИЛИ, вторые входы которых подключены к выходам соответственно второго и.четвертого элементов задержки, вход каждого элемента задержки подключен к выходу соответствующего датчика состояния ключа, выходы элементов задержки подключены к первым входам соответствующего элемента ЗИЛИ, второй вход каждого из которых соединен с прямым выходом первого триггера, с первым входом третьего элемента 2ИЛИ и первым светодиодным индикатором, прямой выход второго триггера подключен к третьим входам элементов ЗИЛИ, второму входу третьего элемента 2ИЛИ и второму .светодиодному индикатору, выходы с первого по четвертый элементов ЗИЛИ подключены к инверсным входам соответствующих элементов ЗАПРЕТ, выход третьего элемента 2Ш1И соединен с управляющим входом управляемого выключателя, единичные входы первого и второго триггеров подключены к выходам соответственно третьего и первого элементов задержки, входы синхронизации - к выходам первого и второго элементов 2Ш1И соответственно.

гг

.J -tf ll L.J.yri t)

-TfcrrrrrrL Л

ч I

г

45

.

iPui.l

f9

M

tt

(t)

5 g

д О

«л. 9

47

l9(t)

(Рт.5

S8

Sff

/K/f9

55.

5-4

Редактор И.Николайчук

Составитель В.Иванов Техред В.Кадар

Заказ 624/59Тираж 619Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул. Проектная, 4

us.6

Корректор В.Бутяга

Изобретение относится к области автоматики и электротехники и может быть использовано при построении силовых импульсных- преобразователей частотно-широтно-импульсных сигналов. Цель изобретения - повышение надежности и расширение функциональных возможностей устройства. Устройство содержит элементы НЕ 1 и 2, элементы ЗАПРЕТ 3-6, защищаемый преобразователь в виде моста на ключах 7-10 с датчиками 11-14 состояния ключей, нагрузку 15 и блок 16 защиты и диаг-( ностирования. Датчики состояния ключей выходами подключены к входам блока 16 защиты и диагностирования, содержащего логические элементы и элементы сигнализации, срабатывающие при обнаружении пробоя ключей. При этом на выходе блока 16 появляются сигналы, которые с помощью элементов ЗАПРЕТ 3-6 исключает подачу управляющих сигналов на ключи, а также посредством управляемого выключателя 27 снимают питающее напряжение с моста преобразователя. Устройство обеспечивает сохранение защитных функций при ряде собственных отказов. 6 ил. fke1