Трехфазный мостовой инвертор напряжения с защитой Советский патент 1987 года по МПК H02M7/521 H02H7/122 

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено на электроподвижных составах, использующих электропривод с асинхронными двигателями и автономными инверторами напряжения со звеном постоянного тока.

Целью изобретения является повышение надежности защиты тиристоров инвертора путем ограничения нарастания тока короткого замыкания при опрокидывании инвертора.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства защиты трехфазного мостового инвертора напряжения; на фиг. 2 - функциональная схема управления инвертором; на фиг. 3 - кривая намагничивания управляемого дросселя насыщения; на фиг. 4 - кривые нарастания тока короткого замыкания при опрокидывании инвертора в двух случаях: с управляемым подмагни- чиванием дросселя насыщения и без него.

Инвертор напряжения с предлагаемым устройством защиты (фиг. 1) содержит главные тиристоры 1-6, обратные диоды 7-12, коммутирующие тиристоры 13-18 и подключен к источнику 19 постоянного тока. В звене постоянного тока инвертора установлен конденсатор 20 фильтра и включенный последовательно с ним датчик 21 тока, который соединен с системой 22 управления инвертором. Коммутирующие цепи инвертора, кроме тиристоров 13-18, содержат коммутирующие конденсаторы 23-28 и коммутирующие дроссели 29, 30 и 31. На входе инвертора включен быстродействующий автоматический выключатель 32. В каждом анодном и катодном плечах инвертора установлены дроссели 33-38 насыщения с управляемым подмагничиванием. Каждый дроссель выполнен в виде трех обмоток. Первая- рабочая обмотка 39 (40-44) - включена, последовательно с главным тиристором 1 (3, 5, 4, 6, 2) плеча инвертора. Вторая обмотка - обмотка 45 (46-50) смещения- магнитно связана с рабочей обмоткой 30 (40-44) и подключена к маломощному источнику 51 питания постоянного тока. Третья обмотка - обмотка 52 (53-57) отрицательной обратной связи - магнитно связана с первыми двумя 39 и 45 (40-44 и 46-50). При этом обмотка 52 (53, 54) отрицательной обратной связи дросселя 33 (34, 35) анодного плеча своим концом подключена к фазе А (В, С) нагрузки, а начало ее соединено с началом обмотки 55 (56, 57) отрицательной обратной связи дросселя 36 (37, 38) катодного плеча той же фазы А (В, С) инвертора. Конец обмотки 55 (56, 57) обратной отрицательной связи дросселя 36 (37, 38) соединен со средней точкой 58 (59, 60) той же фазы А (В, С). Рабочая обмотка 39 (40-44) и обмотка 52 (53-57) отрицательной обратной связи одного и того же дросселя 33 (34-38) имеют одинаковое число витков и намотаны на сердечник в одном

5

5

направлении, а обмотка 45 (46-50) смещения того же дросселя намотана в противоположном направлении. На выходе инвертора в цепи переменного тока включен трехфазный быстродействующий автоматический выключатель 61 с отключающей катушкой 62, вход 63 которой подключен к выходу 64 усилителя 65, вход 66 которого подключен- к выходу блока 67 сравнения, вход 68 которого подключен к выходу датчика 31 тока,

О при этом выход 64 усилителя 65 подключен также к входу 69 отключающей катушки 70 быстродействующего автоматического выключателя 32.

Система 22 управления инвертором (фиг. 2) содержит ряд функциональных блоков: задающий генератор 71, блок 72 фиксаторов кратност|1, счетчик-распределитель 73, формирователь 74 длительности, формирователь 75 задержек коммутирующих импульсов относительно главных, фор0 мирователь 76 общих коммутируюц.1их импульсов, формирователь 77 задержек между главными и коммутирующими импульсами, формирователь 78 задержек конкретных тиристоров, формирователь 79 импульсов управления главными тиристорами, форми- poBaTevTb 80 импульсов управления коммутирующими тиристорами. При этом все блоки системы управления выполнены на стандартных элементах (триггерах, операционных усилителях, логических элементах).

На фиг. 3 кривая намагничивания управляемого дросселя насыщения обозначена цифрой 81. На фиг. 4 кривая 82 изображает ток короткого замыкания через тиристоры 1 и 4 в случае, когда анодный и катодный дроссели 33 и 36 инвертора выполнены толь ко с одной рабочей обмоткой. Кривая 83 тока короткого замыка:чия соответствует режиму короткого замыкания с использованием дополнительных обмоток дросселя - обмотки смещения и обмотки отрицательной обратной связи.

В рабочем режиме обмоткой 45 (46-50) смещения, питающейся от маломощного источника 51 питания, устанавливается рабочая точка дросселя 33 (34-38) в зоне насыщения. Магнитная проницаемость выбирается такою же, как з схеме прототипа, т. е. при условии отсутствия в дросселях 33-38 обмоток 45-50 смещения и обмоток 52-57 обратной отрицательной связи и наличия только рабочих обмоток 39-44.

Рассмотрим работу фаз А и С нагрузки, когда ток протекает по цепи: источник 19 питания ,- рабочая обмотка 39 дросселя 33 - главный тиристор 1 - средняя точка 59 - обмотка 55 отрицательной связи дросселя 36 - обмотка 52 отрицательной обратной связи дросселя 33 - фаза А а5 грузки - фаза С нагрузки - обмотка 54 отрицательной обратной связи дросселя 35- обмотка 57 отрицательной обратной связи дросселя 38 - средняя точка 60 - главный

0

0

5

0

тиристор 2 - рабочая обмотка 44 дросселя 38 - источник 19 питания. При этом магнитное состояние дросселей 33 и 38, обусловленное током обмоток 45 и 50 смещения, не изменяется по сравнению с прототипом, так как при однонаправленной намотке и равном числе витков рабочей обмотки 39 (44) обмотки 52 (57) отрицательной обратной связи рабочие токи в них направлены встречно друг другу и взаимно компенсируются.

Допустим, при коммутации тока с главного тиристора I на главный тиристор 4 коммутация не произошла. Происходит короткое замыкание источника 19 питания по фазе А инвертора через открытые тиристоры 1 и 4. При этом датчик 21 тока в цепи конденсатора 20 фильтра фиксирует аварийное значение тока разряда конденсатора 20 и посылает сигнал на систему 22 управления инвертором, которая, в свою очередь, посылает короткие импульсы на все главные тиристоры инвертора, не работавшие до этого момента. Происходит сквозное короткое замыкание по всем трем фазам инвертора, и ток короткого замыкания, приходившийся только по фазе А, будет уже распределяться по трем фазам инвертора. Однако это не улучшает до конца состояние тиристоров «больной фазы и не создает благоприятных условий для включившихся в работу тиристоров других фаз инвертора. При этом аварийном состоянии инвертора ток короткого замыкания со стороны источника 19 постоянного тока протекает только по рабочим обмоткам 39 и 42 (40 и 43, 41 и 44) дросселей 33 и 36 (34 и 37, 35 и 38) насыщения. Током нагрузки в режиме короткого замыкания можно пренебречь ввиду его незначительной величины по сравнению с током короткого замыкания и, таким образом, считать, что обмотки 52 и 55 (53 и 56, 54 и 57) отрицательной обратной связи током со стороны нагрузки не обтекаются. Коммутирующий импульс при это.м протекает по рабочим обмоткам 39 и 42 (40 и 43, 41 и 44) и по обмоткам 52 и 55 (53 и 56, 54 и 57) отрицательной обратной связи, однако практически он не изменяет магнитного состояния дросселей 33 и 36 (34 и 37, 35 и 38) также из-за его незначительной величины по сравнению с током короткого замыкания.

В результате ампер-витки обмоток 52 и 55 отрицательной обратной связи можно не учитывать, так как они в этом режиме значительно меньше ампер-витков рабочих обмоток 39 и 42, и рабочая точка дросселей 33 и 36 перемещается (фиг. 3) по кривой 8 в зону с большей магнитной проницаемостью сердечника

lia.f.ifaf

где и,.,р - магнитная проницаемость аварийного режима;

Црив - магнитная проницаемость рабочего режима.

5

Этот процесс происходит до полного нере- магничивания сердечников дросселей 33 и 36 и их насыщения.

В процессе перемагничивания при ap lipa6 индуктивность рабочих обмо- ток 39 и 42 в аварийном режиме резко возрастает и много больше индуктивности их в рабочем режиме La.,,Lpa&, так как

/ - -S

г

где ,ц - магнитная проницаемость сердечника дросселя;

ж - число витков рабочей обмотки; 5 - сечение сердечника; f- длина сердечника. При резком возрастании индуктивности резко возрастает и постоянная времени Г контура короткого замыкания чсроч ки 39 и 42 дросселей 33 и 3(i

20

Т-

-R

pa6o4cii обмотки

5

где /- - индуктивность

дросселя;

R - активное сопротивление Таким образом, процесс nepeNia ния сердечников дросселей 33 и 3() дит автоматически и за конечное время, oiiix дсляемое конструктивными парамотрам); д)осселя и магнитными свойствами мак-риала сердечника. В результате возрастания Q магнитной проницаемости сердечников и индуктивности рабочих обмоток дроссе.чей ограничивается нарастание тока короткого замыкания на конечное время Гиер перема - ничивания дросселей 33 и 36 (фиг. 4).

На фиг. 4 кривая 82 изображает ток 5 короткого замыкания через тиристоры 1 и 4 в случае, когда анодный и катодный дроссели 33 и 36 инвертора выполнены только с одной рабочей обмоткой. Ток короткого замыкания в этом случае нарастает очень быстро и определяется индуктивностью L,,aS. рабочей обмотки 39 (42). Кривая 83 тока короткого замыкания соответствует режиму короткого замыкания с использованием дополнительных обмоток дросселя - обмотки смещения и обмотки отрицательной обрат- 5 ной связи. На участке ) нарастание тока короткого замыкания определяется, индуктивностью рабочей обмотки в аварийном режиме ,ae- С момента времени /о ток короткого замыкания нарастает так же как и в случае отсутствия в дросселе дополнительных об.моток - обмотки смешения и обмотки отрицательной обратной связи. Энергии конденсатора 20 фильтра при его перезаряде может быть недостаточно для закрытия тиристоров всех плеч инвертора. Кривая 83 тока короткого замыкания построена с учетом тока разряда конденсатора 20 фильтра. В момент времени /.) срабатывает быстродействующий автоматический выключатель 32, сигнал на отключаю0

0

5

тую катушку 70 Koropoi o поступает с датчика 21 тока через блок 67 сравнения и усилитель 65, все цепи короткого замыкания ипвертора теряют питание, система 22 управления снимает сигналы со всех главных тиристоров 1-6. Таким образом, все глав- lu.ii тиристоры 1-6 выводятся из аварийного режима инвертора.

Тепловое состояние тиристора определяется величиной / -Л/, где / - ток, проте- каюн;ий через тиристор; Л/ - время дей- ствия этого тока.

Кривая 83 показывает, что через тиристоры 1 -6 инвертора протекает опасный для них ток короткого замыкания только в течение времени .i-/2. При этом амплитуда тока короткого замыкания не достигает установившегося значения, так как в момент срабатывает автоматический выключатель 32. При соответствующем расчете дросселя можно добиться такого результата, при котором опасный для тиристоров проме- жуток времени можно свести до минимума (до нуля). Такие же процессы происходят во всех остальных дросселях 34-38 инвертора.

В тормозном режиме нагрузки асинхронного двигателя изменяется знак скольжения двигателя. Направление электрической энергии от асинхронного двигателя также меняет свой знак. Двигатель работает в генераторном режиме, и активный ток со стороны асинхронного двигателя через преобразователь течет в обратном направлении. При этом принцип работы преобразователя и принцип работы всех защитных цепей не изменяются. Поэтому при коротком замыкании инвертора в тормозном режиме привода все процессы, происходящие в обмотках дросселей, аналогичны описанным, а отклю- чаюи1,им аппаратом является трехфазный быстродействующий автоматический выключатель 61, установленный на стороне неременного тока инвертора.

Формула изобретения

Трехфазный мостовой инвертор напряжения с защитой, содержащий главные и коммутирующие тиристоры, обратные диоды конденсатор фильтра в звене постоянного тока, коммутирующие конденсаторы и дроссели, анодные и катодные дроссели насыщения в каждой фазе инвертора, датчик тока в цепи конденсатора фильтра, подключенный своим выходом к системе управления инвертора, быстродействующий автоматический выключатель на входе инвертора, причем коммутирующие конденсаторы всех фаз инвертора включены в звено постоянного тока так, что первая обкладка анодного конденсатора и вторая обкладка катодного кон- денсатора для каждой фазы инвертора со

5

5

0

0

0

5

0

5

5

0

единены соответственно с плюсовой и минусовой шина.ми звена постоянного тока, а вторые обкладки анодного и первая обкладка катодного конденсаторов для каждой фазы инвертора соединены между собой и через соответствующий коммутирующий дроссель соединены с анодно-катодным зажимом соответствующей пары встречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров, другой катодно-анодный зажим которой предназначен для соединения с соответствующей фазой нагрузки, отличающийся тем, что, с целью новь1Н ения надежности защиты тирг.сторов инвертора путем ограничения нарастания тока короткого замыкания при опрокидывании инвертора, в него введены маломощный источник питания постоянного тока, трехфазный быстродействующий автоматический выключатель, усилитель и блок сравнения, а каждый анодный дроссель и катодный дроссель насыщения выполнены с управляемым подмагничиванием в виде трех обмоток, первая,из которых, рабочая, включена последовательно с главным тиристором плеча инвертора, вторая обмотка - обмотка смещения -- магнитно связана с рабочей обмоткой и подключена к .маломощному источнику питания постоянного тока, третья обмотка - обмотка отрицательной обратной связи - магнитно связана с первыми двумя, причем обмотка отрицательной обратной связи анодного дросселя своим концом предназначена для подключения к фазе нагрузки, а начало ее соединено с началом обмотки отрицательной обратной связи катодного дросселя той же фазы, а конец обмотки отрицательной обратной связи катодного дросселя, в свою очередь, соединен со средней точкой этой же фазы инвертора, причем рабочая обмотка и обмотка отрицательной обратной связи одного и того же дросселя намотаны на сердечник в одном нанравлении и с одинаковым числом витков, а обмотка смещения того же дросселя намотана в противоположном нанравлении, и, кроме того, на выходе инвертора включен трехфазный быстродействующий автоматический выключатель, причем управляющий вход трехфазного быстродействую- ui,ero автоматического выключателя на выходе инвертора и управляющий вход быстродействующего автоматического выключателя на входе инвертора подключены к выходу усилителя постоянного тока, первый вход которого подключен к выходу ма,1о- МОН1НОГО источника питания постоянного тока, а второй вход уси:1ителя постоянного тока подключен к выходу блока сравнения, первый вход которого соединен с выходом маломощного источника питания постоянного тока, а второй вход блока сравнения соединен с выходом датчика тока в цепи ко.чденсатора фильтра.

От cucfTie/ ь/

Onjcucmeffdl ffS/TJO Cf- /77WeC/fuSO

рег /лиро- П Sa/yi/я I-I

Vycm.

- +

КглаВнь/м mU Ккомм /та- ристорам ин- р1/н:)щим ти- бершора ристором тора

Изобретение относится к электроте.х- нике и может быть применено на электроподвижных составах, использующих электропривод с асинхронными двигателями и автономными инверторами напряжения со звеном постоянного тока. Целью изобретения является повышение надежности защиты тиристоров инвертора путем ограничения нарастания тока короткого лсшыкипия при опрокидывании инвертора. Поставленная 1,ель достигается тем, что к ano.iH.i)ix и катодных плечах инвертора дроссс.л 33 38 насыщении вьпюлиены с упп;1 ;.. ;яемы : подмагничиванием в виде трех оохчггок: рабочей 39 (40-44), обмотки 52 (53-57) отрицательной обратной связи п (тбмогк 45 (46-50) смещения, а на выходе инвертора установлен трехфазный бысг|Х1. |ейст- вующий автоматический выключитесь 61, отключающая катушка 62 через усилитель 65 и блок 67 сравнения подк,-1юче- на к выходу датчика 21 тока. Это позволяет ограничить ток короткого замыкания через тиристоры -6 автоматическим изменением индуктивности рабочей обмотки 39 (40-44) дросселя 33 (34-38). Наличие быстродействующего автоматического выключателя 61 со стороны нагрузки обеспечивает отключение инвертора от нагрузки при коротком замыкании в тормозном режиме. 4 ил. т ,й СО faa О со -vj фие.1 Наерузна

(раза А

ffClfpySHU

ФигЗ

Ампер-витки аЪматок ffpoccfM S paSnven елп/ме