Устройство для защиты преобразователя Советский патент 1987 года по МПК H02H7/12 

Изобретение стнссится к преобразовательной технике, а именно к устройствам зашить) полупроводниковых преобразователей.

Цель изобретения - повышение надежности путем диагностирования наличия аварийного режима и состояния тиристорного) ключа с принудительной коммутацией и обеспечения автомати-- ческого повторного включения.

На фиг. 1 представлено устройство дпя защиты преобразователя;на (J

схема датчика напряжения|

фи г. 3

схема блока контроля и сигнализации; на фиг. 4 - схема блока автоматического noBTOpHOi O включения, .

Между преобразователем 1 и нагрузкой 2 х одсоединен обратно включенньм

диод 3 по отношению к току ка выходе преобразователя; Параллельно диоду 3 подключена цепь из последовательно соединенных источзжка 4 опорного тока, тиристорного ключа с принудительной коммута.цией 5 и дросселя 6. причем элементы 3 и 4 включены согласно. Датчик 7 скорости изменения и датчик 8 тока установлень; на вько- де преобразователя 1 с. Выход датчи1са 7 cKOpocT -s изменения тока подкл очек к входу компаратора 9, а выход датчика 8 тока подключен к блоку 10 контроля тока преобразователя,, к блоку 11 регулируемой задержки и к блоку 12 задания уставкиj выход которого подключен к входу блока 13 управления источника 4 опорного тока. Входы блока 14 контроля и сиг- нализаьщи срабатывания устройства защиты подключены соответственно: первый - к выходу компаратора 9 и к первому входу элемента ИЛИ i5,второй - к выходу блока 11 регулируемой задержки и к второму входу элемента ШШ 15. К третьему входу элемента ИЛИ 15 подключен вькод блока 16 руч- ного отключения Вьжод элекента ШШ 15 подключен к входу блока 17 управления отключением, тиристорным ключo с принудительной коммутацией 5, выход блока 17 управления подключен к первому управляющему входу тиристорного ключа с принудительной коммутацией 5. Вход первого датчика 18 lia- прялсения подключен к диоду 3, а вход второго датчика 19 напряжения подключен к узлу принудительной тации тиристорного ключа 5. Выход первого датчика напряжения 18 ггод- ключен к входу второго компаратора

0

20; а выход второго датчика па- пряжения подключен к входу третьего компаратора 21, Выходы компараторов 20 и 21 подключены соответственно к первому и второму входам первого элемента И 22, вь1ход которого под:;л1очен к пepвo гs входу второго элемента И 23 и к входу блока 24 автоматического повторного включения 5 выход которого подключен к выходу блока 25 ручного включения тиристорного ключа 5 с принудительной коммутацией и к второму входу второго элемента И 23s выход которого подключен к входу блока 26 управления включением ти рнсторного ключа. 5 с принудительной коммутацией, выход блока 26 подключен к второму управляющему вхо/гу тпристорного ключа 5 с принудительной коммутацией,, Входь блоков контроля 27 п сигнализапци -28 лодк.пюче- ны соответственно к выхода:.: второго

20 и трс

г о 21 компараторов,

0

На фиг. 2 представлена схема датчиков 18 и 19 напряжения на диоде 3 к на коммутирующем конденсаторе тиристорного к.люча 5 с искусственной ,ком:чутацией,- Вп полнен ;ь Й на мэ.гнито- диоде 29J помещенном в катушку индуктивности 30 с примене1 ие.м опера- п.ионного усилителя 31 с Катушка через диод 32 Л регулкруеньй резистор 33 подклпочается к контролируемой цепи (диоду 3 или коммутирующему конденсатору) , Диод 32 исключает протекание тока по катушке и возможное ложное срабат1)Гвание при изменении полярности KOHTpojiHpyeMOM депк „ Регулируемый резистор 33 позволяет обеспечить настройку датчика напряжения на заданный диапазон измерения контро- jHipyeMoro напр.чжекия S Резистор 34

ецкняющей нейнвертирующий вход с об- ш,й;й ггсточника питания, а ре- зис 1 ср Зо включен Б цепь обратной связи оператгл.снного усилителя 3 i , На фиг, 3 представлена схема б.по- 77 и

вь полненные на светодиоде 37 При появле1«ш входпог о }1анрялсепия через светодиод протекает чина которого ограничивается резистором 38J к сЕВтодиод 37 сигнализирует о наличии короткого замькання i-ijuj отсутствии заданного уровня на31

пряжения на коммутирующем конденсаторе .

На фиг, 4 представлена схема блока 24 автоматического повторного включения, выполненного на элe seнтe И 395 с использованием переключателя 40j резистора 41 и блока 42 временной задержки.

Устройство работает следующим образом,

При нормальной работе преобразователя 1 ток на его выходе 1 равен току нагрузки 21 и меньше тока срабатывания защиты Ij, (1„ 1ц Ij.., Источник 4 опорного тока создает опорный ток Ig 5 протекающий по цепи: источник 4 опорного тока - ти- ристорный ключ 5 с искусственной ко; ;мутащ-1ей - дроссель 6 диод 3. Для протекания опорного тока тирис- торный ключ 5 ,7,олжен быть включен Опорнрлй ток больше тока нагрузки на величину лТ 1 - 1„, ток через диод 3 равен разности опорного тока и тока преобразователя, т.е. 1л

-on п 1-оп - Т-и- Сигнал с выхода датчика 8 тока в блоке 12 задания уставки суммируется с сигналом пропорциональным току ul, и поступает на вход блока 13 управления не- точника 4 опорного тока. Величина опорного тока Т пропорциональна суммарному сигналу управления на вход блока 13 и при изменении тока нагрузки от нуля до тока Т,- опор- ньм ток изменяется от ul до (- , . В нормальном режиме работы преобразователя скорость изменения опорного тока Д1др (dt dlop)dt должна быть больше или равна максималь ной CKOpocT.fi изменения тока нагрузки (dl|(dt ) дц(,, чтобы исключить ложное срабатывание защиты, С учетом этого услЬвия выбирается и величина приращения тока ul,

При перегрузке тока на выходе преобразователя 1 становится больше опорного тока 1, сз Р зультате диод 3 запирается и ток че- рез него прерывается. Ток преобразователя начинает протекать по вспомогательной депи устройства защиты, которая шунтирует диод 3, Скорость нарастания тока перегрузки ограничи- вается дросселем 6, Если перегрузка преобразователя 1 кратковременна и ее время не превышает время задержки t.jg на срабатывание защита tf,gp

14

,r,i определенное для данного

зОД

преобразователя 1, то защита не отключает нагрузку 2 от преобразователя 1, После исключения кратковременной перегрузки; преобразователь 1 переходит Б нормальный . Время задержки определяется для каждого преобразователя и устанавливается блоком задержки 11 Причем время задержки может изменяться блоком 11 в зависимости от величины перегрузки. Сигнал с датчика тока 8 поступает также на вход блока 10 контроля тока, где происходит контроль ампер- часов на выходе преобразователя 1.

Если длительность перегрузки превышает заданную t р i- ходе блока регулируемой задержки 11 появляется сигнал, поступающий на второй вход элемента ИЛИ 15, на выходе которого также появляется сигнал, поступаюцгяй на вход блока 17 управления отключения тиристорного ключа 5 с принудительной коммутацией. Выходной сигнал с блока 17 поступает на первый управляющий вход тиристорного ключа 5, последний срабатывает, разрь вает вспомогательную цепь, шунтирующую диод 3 и ток в цепи преобразователя 1 и нагрузки 2 прекращается. Кроме того, сигнал с выхода блока 11 регулируемой задержки поступает так;ке на второй вход блока 14 контроля и сигнализации аварийного режима; который сигнализирует об аварийном режиме и о том, что аварийным режимом является перегрузка преобразователя 1,

При коротком замыкании в нагрузке -2,- на ее входе или между токопро- водами постоянного тока, соединяющими устройство 2 для быстродействующей защиты преобразователя 1 и нагрузку 2,, скорость изменения тока преобразователя больше максимальной скорости изменения тока нагрузки ( )j,aKc нормальном режиме работы преобразователя dl /dt

(dl|.|/dt)a . Сигнал, пропорциональный скорости изменения тока на выходе преобразователя 1, поступает с выхода датчика скорости изменения тока 7 на вход компаратора 9. Компаратор 9 настроен так, что при скорости изменения тока, соответствующей нормальному режим работы преобразователя 1 , на его выходе сигнал отсутствует. При коротком замыкании

5 13

скорость изменения тока преобразователя больше пороговог о значения,равного максимальной скорости изменения тока нагрузки (dlj,/dt)nop ( ),(.. В результате компара тор 9 срабатывает, сигнал с его выхода поступает на первьй вход элемента ИЛИ 15, который запускает блок 17 управления на отключение тока короткого замыкания тиристорным ключом с принудительной коммутацией 5. Сигнал с выхода компаратора 9 поступает также на первый вход блока 14 контроля и сигнализации аварийного режима, которьш сигнализирует, что произошло короткое замыкание, сработало устройство защиты.

В случае необходимости отключение нагрузки 2 от преобразователя 1 может производиться и в нормальном ре- жиме работы, с использованием ручного управления. 11дя этой цели предусмотрен блок 16 ручного отключения, который может быть выполнен на основе кнопки с замыкающим контактом, к одной пластине которого подсоединена клемма источника питания. При нажатии на кнопку на выходе блока 16 появляется сигнал, поступающий на третий вход элемента РОЖ 15„ В дальней- шем, как и в случае аварийного режима, срабатывает тиристорный ключ 5 с принудительной коммутацией и отключает нагрузку 2 от преобразователя.

Короткие замыкания в нагрузке и между токопроводами, а также перегрузки могут быть проходя11,И1 1и и устойчивыми. Важной особенностью уст- ройства защиты является то, что в случае наличия короткого замыкания .или перегрузки после срабатывания устройства защиты его нельзя включать, -так как оно не сможет отклю- чить в этом случае аварийный ток. Это объясняется высоким быстродействием устройства при отключении тока короткого замыкания и перегрузки, которое приводит к тому, что время включения тиристорного ключа 5 с принудительной коммутацией tp,,,, намного больше времени его отключения

откл/ б ;л. 7 откл. ) И поэтому за время включения тиристорпого ключа 5, при наличии непроходящего аварийного режима, произойдет его включение, затем отключение, а после этого вновь включение и ток короткого за146

DЫкaния уже пе сможет быть отключен, так как к этому не готов узел принудительной коммутации. Следовательно, при устойчивом коротком заг-1ыкании, а также перегрузке устройство защиты не должно включаться, так как это вызовет выход из строя элементов устройства защиты и преобразователя. Кроме того, аналогичные последствия будут иметь место в случае отсутствия готовности узла принудительной коммутации тиристорного ключа 5.Его готовность вьфажается в наличии необходимой величины и соответствующей полярности напряжения на коммутирующем конденсаторе. Если это требование не выполняется, то коммутация тиристорого ютюча не возможна,.а следовательно, невозможно и отключение тока короткого замыкания или перегрузки устройством защиты. При отключении аварийного режима происходит не только разряд кo мyтиpyющeгo конденсатора,, но и его перезаряд с обратной полярностью,

С целью исключения возможности несрабатывания защиты при включении устройства или при его повторном в}5лючении после отключения аварийного режима, как при использовании ручного так и автоматического управления, устройство снабжено двумя датчиками 18 и 19 напряжения. Первый . датчик напряжения 18 подключен к диоду 3 и контролирует на нем напряжение. В нормальном режиме работы преобразователя по диоду 3 протекает ток в прямом направлении и поэтому падение напряжения на диоде 3 не превышает 1-2 В. При отключенной нагрузке напряжение; на диоде равно нулю. Если в нагрузке или между токопроводами короткое замыкание, то напряжение на диоде 3 равно напряжению на выходе преобразователя. Пoэтo ry по вегп-1чине напряжения на диоде 3 можно судить о наличии или отсутствии короткого замыкания. При наличии короткого замыкания на выходе первого датчика 18 напряжения имеется сигнал поступающий на вход компаратора 20. При этом на его выходе сигнал отсутствует Из следовательно, отсутствуют сигналы на втором входе и выходе эле мента И 22, и также на первом входе и выходе элемента И 23, Поэтому отсутствует управляющий сигнал на входе блока 26 управления включением

71

иристорного ключа 5, что означает апрет на включение последнего. Даее, если появятся сигналы на выхоах блока 24 автоматического повторного включения или блока 25 ручного включения, тиристорный ключ 5 с исусственной коммутацией не включится з-за отсутствия сигнала на первом входе элемента И 23.

Также не произойдет включения тиристорного ключа 5 с искусственной коммутацией, если напряжение на комутирующем конденсаторе последнего не достигнет заданной величины, необходимой для надежной коммутации главного тиристора тиристорного ключа 5. Контроль за напряжением на коммутирующем конденсаторе осуществляет второй датчик напряжения 19.

Если напряжение на конденсаторе меньше заданного, то на выходе компаратора 21 сигнал отсутствует, и, следовательно, отсутствуют входной и выходной сигналы элемента И 22 и отсутствуют сигналы на первом входе и выходе элемента И 23, что означает запрет включения тиристорного ключа 5 с искусственной коммутацией. Как только напряжение на коммутирующем конденсаторе достигает заданного уровня сигнал на выходе второго датчика 19 напряжения оказывается достаточным для срабатывания компаратора 21, на выходе последнего появляется сигнал, поступающий на вход элемента И 22, что- означает разрешение на включение тиристорного ключа 5 .

Следовательно, только при отсутст ВИИ короткого замыкания в нагрузке 2 или токопрОБодах для ее подключения и при наличии напряжения на коммутирующем конденсаторе тиристорного ключа 5 с искусственной коммутацией,, достаточного для надежной коммутации главного тиристора тиристорного ключа 5, возможно включение последнего как блоком 25 ручного включения,так и блоком 24 автоматического повторного включения. Блоки 27 и 28 соответственно осуществляют контроль и сигнализацию наличия короткого замыкания в нагрузке 2 и отсутствие заданной величины напряжения на коммутирующем конденсаторе тиристорного кпюча 5 с искусственной коммутацией.

Если режим короткого замыкания в нагрузке 2 или перегрузка проходя14 , 8

щая, то блок 24 автоматического повторного включения -обеспечит автоматическое включение тиристорого ключа 5 с искусственной коммутацией при условии устранения короткого замыкания или перегрузки и при достижении напряжения на коммутирующем конденсаторе заданной величины.

Датчики 18 и 19 напряжения работают следующим образом. 1

При отсутствии измеряемого напряжения Ug или его малого значения, сопротивление магнитодиода 29 большое, входной ток операционного усилителя 31 мал и напряжение Ugtiix на его выходе равно нулю. С увеличением контролируемого напряжения U, увеличивается ток протекающий по катушке 30 и магнитная индукция в катушке 30, сопротивление магнитодиода 29 уменьшается, входной ток усилителя 31 увеличивается и увеличивается выходное напряжение Д тчик напряжения обладает малыми габаритами, обладает положительными свойствами, присущими элементам микроэлектроники и обеспечивает развязку силовых контролируемых цепей и

цепей управления устройства- защиты. Кроме магнитодиода может быть ис- пользова-н другой магнитоуправляемый полупроводниковый прибор, например, магниторезистор или магнитотранзис7°Р

Блок 24 автоматического повторного включения работает следующим образом. Для включения в работу блока

24 автоматического повторного включения переключатель 40 переходит из положения О, соответствующего запрету на функционирование режима автоматического повторного включения,

в положение 1, разрешающего данный режим. На первый вход элемента И 39 поступает сигнал от источника U через переключатель 40 и резистор 41. При появлении сигнала U, поступающего на вход блока 42 временной задержки, через заданную вьщержку времени, определяемую блоком 42 в соответствии с требованиями к режиму автоматического повторного включения,

на выходе блока 42 появляется сигнал. поступаюш 1й на второй вход элемента И 39. В результате появляется сигнал бых выходе блока автоматического повторного включения.

91

Описанное устройство цдя защить преобразователя повьшает надехаюсть путем диагностирования наличия короткого заг4ыкания или перегрузки в нагрузке преобразователя и состояния тиристориого ключа с принудительной коммутациейJ что иключает зозможкост включения устройства в cJ yчaяx5когда его срабатьюанр :е невозможно и5 следе вателыю исключает повреждение нре- образователя от протекания сверхтоков. Кроме ТОГО; устройство обеспечивает автоматическое повторное подключение нагрузки к преобразователю при проходящих перегрузках и коротки замыканиях в нагрузке и токопроводах дня ее подключения. Использование магнитоуправляемых полупроводниковых приборов в датчике напрялсения позволяет обеспечить потенциальную раз- вязку системы управления устройством и силовых цепей, а также повысить безопасность обслулш}зания устройства -ДЛЯ защиты. Использование элементов микроэлектроники обеспечивает малое потребление электроэнергии, миними- массогабаритных показателей устройства для защиты и получения всех положительных свойств присуа гх элементам микроэлектроники,

Формула и 3 о б р е т -е н и я

1, Устройство для защиты преобразователя, содерлсащее обратно включенный диод, подсоединенный анодом к одной из клемм для подключения нагрз з- ки, вторая клемма для подключения которой подсоединена с помощью общей шины к одной из выходных клемм преобразователя, вторая клемма которого через последовательно соединенные датчрж скорости изменения тока и датчик тока подсоединена к катоду диода, цепь из последовательно соединенных источника опорного тока, тирис- торного ключа с принудительной коммутацией и дросселя, подключенную соответственно к катоду и аноду диода, датчика скорости изменения тока через первый компаратор подк:110- чен к первому входу блока контроля и сигнализации аварийного режима и к первому входу трех зходового элемента ИШ-i, выход датчика тока через по-- следовательно соединенные блок зада- уставки и блок управления источ- НИКОМ опорного тока по;цаночен к управляющему входу источника onopi-oro

5 0 -5 О

5

0

10

Toica, выход датчика тока гтодкгг-- :б1. к входу блока контроля тока (...) i; ерез блок регулируемой задерх-;ки под клгачен к i3Toj )OMy блока контроля и сигнализации азарийно о уежика и к второму входу злеьгента ИЛИ а элемента ИЛИ через блок управления отклю чением тиристорного клГоча с принудительной коммутацией псдклю- т;ен к управляющему входу тиристорного кнюча с при1 удительной коммутациег 5 второй управляюи Дй вход которого подключен к выходу блока управления вклю чением тиристор но г о ключа с принудительной коммутацией, блок ручного включения тиристорного ключа с принудительной коммутацией, о т л и ч а :о щ е е с я тег-; что, с целью повьш ен;1я наделс ости путег--, диг гностирования нали - ия г;Ш1Л нно;.-и режима и сос ; оя1; Я тиристорного ключа с принуди ; ельной коммутацршй и обеспечения а:этоь;а пческого повтор - ного включения, в него введены два датчика напрял ения. второ; и третий компараторы,- ддза д ухзходовых элемента И и блок автоматического повторного вклю чения, причем вход пер- вого : -;апряжения подключен к Л.иоду, а выход, - через второй компаратор подключен к riepвo гy входу первого элемента И; вход второго датчика - напряженрья подк-пючен к узлу принудительной коммутащ-ш тиристорного ключа, а выход через третий компара-- тор подключен к второму входу перво го элемен ; а ;,;, вькод которого июд-- ключен к nepnoNfy входу второго элемента И и к входу блока авто атичес--- кого повторного включения, выход которого под,к-) почен к выходу блока ручного включения тиристорного ключа с примудителыюй коммутацией и к ато- poiviy входу второго элемента И; в-ькод которого подключен к входу блока уп-- равления включением т иристорного ключа с принудительной коммутапией,

2 о Устройство по п. 1. о т л и - ч а ю щ е е С- я тем, что в него -цр.н блок ручного отключения тиристор- ного ключа с принудительной коммутацией, выход которого под, к третьему входу элемента ИЛИ,

3. Устройство по пгт,1 -; 2, о т - л и ч а ю щ е е с я теМ; чт о в него введены два блока контроля н сигнагнт- ;зации, входгз которых подключены соП 13

ответственно к выходам второго и третьего компараторов.

4. Устройство по пп.1-3, о т л и- чающееся тем, что датчик напряжения выполнен на магнитодиоде,, помещенном в faгнитнoм поле катушки индуктивности, подключенной через первьм резистор и диод к контролируемой цепи5 анод магнитодиода соединен с положительной клеммой для подключения источника питания, а катод магнитодиода подключен через пер- вьш резистор к инвертирующему входу onepaipioHHoro усилителя, который через второй резистор подключен к выходу операгщонного усилителя, а неинвертирующий вход операционного усилителя подсоединен через третий резистор к общей Ш1не источника питания.

0

5

0

14 . J2

5.Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что блок контроля и сигнализации выполнен на све- тодиоде, анод которого подключен к выходу компаратора, а катод - через резистор подключен к общей шине источника питания

6.Устройство по пп,1-3, о т л и- чающееся тем, что блок автоматического повторного включения выполнен на элементе И, первый вход которого через резистор и контакт универсального переключателя подключен к положительному выводу для подключения источника питания, а второй вход через блок временной задержки подключен к входной клемме блока автоматического повторного включения, выходом которого является выход элемента И

. 2

и

Изобретение относится к электрс технике, а именно к устройствам для защиты полупроводниковых преобразователей. Целью изобретения является повышение надежности. При наличии короткого замыкания на выходе первого датчика напряжения 18 имеется сигнал, поступающий на вход компаратора 20, При этом сигнал на его выходе отсутствует. Отсутствует сигнал на втором входе, а следовательно, и выходе элемента И 22, поэтому отсутствует сигнал на входе блока 26 управления включением тиристорного ключа 5, что означает запрет на включение последнего. Также не происходит включения тиристорного ключа 5,если напряжение на коммутирующем конденсаторе последнего не достигнет заданной величины, необходимой для надежной коммутации главного тиристора тиристорного ключа 5, Контроль за напряжением на коммутирующем конденсаторе осуществляет второй датчик напряжения 19, 5 з.п, ф-лы, 4 ил. i (Л : ndl J i{ Риг.1

Составитель О.Мещерякова Редактор М.Товтин Техред А.КравчукКорректор Е. Рошко

™ -и ™««-- - -.,-«

Заказ 2216/53 Тираж 619Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий .113035, Москва. 1-35, Раушская наб., д.4/5

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