Устройство для защиты силового тиристора высоковольтного вентиля от перенапряжений Советский патент 1992 года по МПК H02H7/12 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в высоковольтных тиристорных вентилях.

Известно устройство защиты силового тиристора от перенапряжений, содержащее защитную цепь, образованную последовательным соединением токоограничивающе- го режистора, высоковольтного диода, диодного тиристора, формирующего конденсатора, шунтированного резистором, и подключенную к главным выводам силового тиристора, управляющий электрод которого соединен через пороговый элемент с общей точкой формирующего конденсатора и диодного тиристора.

Уровень включения силового тиристора в известном устройстве сохраняется неизменным при эпизодических и периодически повторяющихся перенапряжениях. Последние возникают на силовом тиристоре высо- ковольтного вентиля при отказе формирователя регулярных импульсов управления и сопровождаются снижением надежности силового тиристора ввиду увеличения скорости нарастания анодного тока во время включения и периодического воздействия импульсов напряжения предельно допустимой величины.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство защиты силового тиристора высоковольтного вентиля, содержащее опорный стабилитрон, пороговый элемент, выполненный в виде тиристора, управляющий электрод которого подключен к аноду первого стабилитрона, катод предназначен для подключения к управляющему электроду силового тиристора, а анод подключен к одному выводу накопительного конденсатора, другой вывод которого предназначен для подключения к катоду силового тиристора через формирующий конденсатор, шунтированный первым резистором, а к аноду силового тиристора - через высоковольтный конденсатор.

При периодических перенапряжениях уровень срабатывания порогового элемента снижается после первого включения силового тиристора и поддерживается на низком уровне в течение всего периода повторения перенапряжений, Помехоустойчивость известного устройства снижа- ется, что служит причиной ложных включений силового тиристора при воздействии на высоковольтный вентиль1 коммутационных перенапряжений, возникающих во время работы в составе преобразовательного устройства при коммутациях смежных вентильных плеч.

Цель изобретения состоит в повышении помехоустойчивости при периодически повторяющихся перенапряжениях.

Поставленная цель достигается тем, что

в устройство введены симметричный ограничитель напряжений, обратный диод, второй стабилитрон, диодный оптрон, тиристорный оптрон, одновибратор, второй и токоограничивающий резисторы, причем

0 симметричный ограничитель напряжений подключен параллельно высоковольтному конденсатору, обратный диод подключен параллельно формирующему конденсатору, катод первого стабилитрона подключен к

5 аноду второго стабилитрона, катод которого подключен к одному выводу накопительного конденсатора непосредственно, а к другому - через последовательно соединенные встречновключенный светодиод диодного

0 оптрона и опорный стабилитрон, при этом фотодиод диодного оптрона и второй резистор соединены в последовательную цепочку, которая включена параллельно накопительному конденсатору, одновибра5 тор по цепи питания подключен параллельно накопительному конденсатору, вход одновибратора подключен к общей точке соединения фотодиода диодного оптрона и второго резистора, а выход одновибратора

0 через светодиод тиристорного оптрона и токоограничивающий резистор подключен к другому выводу накопительного конденсатора, при этом фототиристор оптрона включен встречно параллельно второму

5 стабилитрону

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - вариант схемы одновибратора.

Устройство защиты содержит порого0 вый элемент 1, выполненный в виде тиристора 2, анод которого соединен с управляющим электродом цепочкой стабилитронов 3 и 4, а катод - с управляющим электродом силового тиристора 5 через раз5 делительный диод 6. Последовательно соединенные накопительный конденсатор 7 и формирующий конденсатор 8, шунтированный резистооом 9 и обратным диодом 10, включены между анодом тиристора като0 дом силового тиристора 5. К накопительному конденсатору 7 подключены по питанию одновибратор 11 и две последовательные цепи, одна из которых образована опорным стабилитроном 12 и светодиодом диодного

5 оптрона 13, другая - фотодиодом диодного оптрона 13 и резистором 14.

Вход одновибратора 11 соединен с общей точкой фотодиода диодного оптрона 13 и резистора 14, причем последний подключен к положительному выводу накопительного конденсатора 7, как показано на фиг. 1, если запуск одновибратора 11 осуществляется спадом входного напряжения. При запуске скачком входного напряжения катод фотодиода диодного оптрона 13 соединен с положительным выводом, а резистор 14 - с отрицательным выводом накопительного конденсатора 7 (на фиг. 1 показано пунктирными линиями). Выход одновибратора 11 соединен через токоограничиваю- щий резистор 15 и светодиод тиристорного оптрона 16 с положительным выводом накопительного конденсатора 7. Фототиристор тиристорного оптрона 16 включен встречно параллельно стабилитрону 4. Общий вывод формирующего конденсатора 8 и накопительного конденсатора 7 соединен с анодом силового тиристора 5 через симметричный ограничитель 17 напряжения, шунтированный высоковольтным конденсатором 18.

Одновибратор 11 может быть выполнен на базе интегрального таймера 19 типа КР1006ВИ1 (фиг. 2), снабженного внешней времязадающей цепочкой, образованной конденсатором 20, резистором 21 и помехо- подавляющим конденсатором 22. Цифровые индексы, показанные на фиг. 2, соответствуют маркировке выводов корпуса интегрального таймера.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии перенапряжений ток высоковольтного конденсатора 18 и ток утечки 1ут симметричного ограничителя 17 напряжения суммируются на интервале нарастания положительного анодного напряжения и протекают практически полностью через резистор 9, создавая падение напряжения Ug, равное

Ug (ут + Сш -2 ) Rg ,

где UT - анодное напряжение силового ти- ристора 5;

Cie - величина емкости высоковольтного конденсатора 18;

Rg - величина сопротивления резистора 9.

Величина сопротивления Rg выбирается достаточно малой, чтобы Ug не превышало сумму напряжений стабилизации 11з и LM стабилитронов 3 и 4, определяющих уровень срабатывания порогового элемента 1. Тиристор 2 закрыт, напряжение на накопительном конденсаторе 7 и, соответственно, питание одновибратора 11 отсутствуют, силовой тиристор 5 не включается.

Первое перенапряжение на силовом тиристоре 5 сопровождается зарядом формирующего конденсатора 8 током

высоковольтного конденсатора 18 на интервале нарастания анодного напряжения до уровня лавинообразования 1)л симметричного ограничителя 17 напряжения. Напря- 5 жение Us формирующего конденсатора 8 при Се Cie, которое обычно выполняется на практике, достигает величины

Ue-OV-Uro) -,(1)

0 где UTO - величина анодного напряжения силового тиристора 5 перед воздействием перенапряжения;

Се - величина емкости формирующего конденсатора 8.

5 Соотношение (1) справедливо, если длительность фронта перенапряжения меньше постоянной времени r Cs Rg, т.е. практически всегда при отсутствии регуляторного импульса управления силовым тиристором

0 5 во время включения высоковольтного вентиля. Напряжение Us не должно превышать сумму напряжений Ua + Uk, чтобы исключить ложное включение тиристора 2 порогового элемента 1 на фронте первого перенапря5 жения.

Когда достигается уровень лавинообразования ил, формирующий конденсатор 8 дозаряжается лавинным током до напряжения Уз + U4 и через стабилитроны 3 и 4

0 протекает ток, включающий тиристор 2 порогового элемента 1. Начинается разряд формирующего конденсатора 8 через накопительный конденсатор 7, тиристор 2 и разделительный диод 6 на управляющий

5 переход силового тиристора 5. Последний включается, и ток через симметричны ограничитель 17 напряжения прекращается, а высоковольтный конденсатор 18 разряжается, причем ток разряда протекает практи0 чески полностью через формирующий конденсатор 8. Накопительный конденсатор 7 заряжается током формирующего конденсатора 8 до напряжения стабилизации Ut2 опорного стабилитрона 12, если

5C8 (U3 + U4)-Cl8-Ufl Ul2-C7,

где Су - величина емкости накопительного конденсатора 7.

Во время заряда накопительного кон- 0 денсатора 7 через опорный стабилитрон 12 и светодиод диодного оптрона 13 ток не протекает и на выходе одновибратора 11 напряжение отсутствует. Через светодиод тиристорного оптрона 16 протекает ток, оп- 5 ределяемый напряжением накопительного конденсатора 7 и сопротивлением токоогра- ничивающего резистора 15, однако фототиристор тиристорного оптрона 16 не включается ввиду отсутствия напряжения

на стабилитроне 4 при включенном тиристоре 2.

С момента заряда накопительного конденсатора 7 до напряжения Ui2 ток разряда формирующего конденсатора 8 протекает через опорный стабилитрон 12 и светодиод диодного оптрона 13, вызывающий спад напряжения на фотодиоде диодного оптрона 13. Одновибратор 11 срабатывает, и на выходе появляется напряжение, практически равное U12. Ток через светодиод тиристор- ного оптрона 16 прекращается, фототиристор находится в закрытом состоянии, и уровень срабатывания порогового элемента 1 равен Оз + U4, т.е. поддерживается на высоком уровне. Длительность выходного импульса Ти одновибратора 11 должна удовлетворять условию

Ти (m-l)Tn,(2)

где Тп, m - соответственно длительность интервала повторяемости и пульсность преобразовательного устройства, в составе которого работает высоковольтный вентиль, содержащий силовой тиристор 5.

Все коммутационные перенапряжения, возникающие при коммутациях смежных вентильных плеч преобразовательного устройства, воздействуют на высоковольтный вентиль, содержащий силовой тиристор 5, на интервале (т-1) Тп, во время которого поддерживается высокий уровень срабатывания порогового элемента 1, равный Кз + +U4, и обеспечивается максимальная помехоустойчивость. По окончании интервал Ти одновибра.тор 11 возвращается в исходное состояние, через светодиод тиристорного оптрона 16 начинает протекать ток и уровень .срабатывания порогового элемента 1 снижается до величины 11з, поскольку фототиристор шунтирует стабилитрон 4.

За время Ти накопительный конденсатор 7 частично разряжается током одновиб- ратора 11, длительность выходного импульса которого не должна зависеть от напряжения питания, как в схеме, показанной на фиг. 2. Выходной импульс интегрального таймера 19 заканчивается в момент заряда конденсатора 20 времязадающей цепи до напряжения 1 /3 U (U - напряжение накопительного конденсатора 7 и, соответственно, питания одновибратора 11). В результате длительность Ти выходного импульса определяется только параметрами времязадающей цепи и остается постоянной при изменении напряжения питания от минимального уровня 5 В до максимального уровня 15В. Дополнительное преимущество использования интегрального таймера 19 типа КР1006ВИ1 обусловлено наличием достаточно мощного выхода (до 200 мА), позволяющего непосредственно управлять свете диодом тиристорного оптрона 16.

При повторном перенапряжении на силовом тиристоре 5 ток высоковольтного конденсатора 18 заряжает формирующий конденсатор 8 до напряжения Us Us + U. С этого момента через фототиристор тиристорного оптрона 16 и стабилитрон 3 начинает протекать ток, включающий тиристор

2. Анодное напряжение UT.C силового тиристора 5 в момент срабатывания порогового элемента 1 равно:

UT.C . UTO (U3 + Us)

С8

Cl8

(3)

Как видно из (3), выбором параметров стабилитрона 3 порогового элемента 1, высоковольтного конденсатора 18 и формирующего конденсатора 8 можно обеспечить соотношение UT.c IV Например, при

+ U - 20 В, Св - 0,5 мкФ, Cia 0,01 мкФ скачок анодного напряжения на силовом тиристоре 5 во время включения высоковольтного вентиля составит 500 В, т.е. значительно меньше повторяющегося напряжения современных силовых тиристоров, достигающего 3-5 кВ.

Формирующий конденсатор 8 разряжается через тиристор 2 порогового элемента 1 на управляющий переход силового тиристора 5, подзаряжая одновременно накопительный конденсатор 7 до уровня Ui2. Через опорный стабипитрон 12 и светодиод диодного оптрона 13 протекает ток, вызывающий срабатывание одновибратора 11.

Фототиристор тиристорного оптрона 16 выключается, обеспечивая на время Ти высокий уровень срабатывания Us + U4 порогового элемента 1. В дальнейшем, при повторении перенапряжений на силовом

тиристоре 5 через равные промежутки времени, предлагаемое устройство работает аналогичным образом.

Если перенапряжение на силовом тиристоре 5 имеет эпизодический характер, накопительный конденсатор 7 разряжается токами питания одновибратора 11 и свето- диода тиристорного оптрона 16. Время разряда накопительного конденсатора 7 не должно превышать (т + 1)Тп, чтобы к моменту появления перенапряжений, обусловленных коммутациями вентильных плеч, устройство вернулось в исходное состояние и обладало максимальной помехоустойчивостью.

При обратном перенапряжении лавинный ток симметричного ограничителя 17 напряжения протекает через обратный диод 10. Формирующий конденсатор 8 не заряжается, и импульс управления силовым тиристором 5 не формируется.

В переходных режимах, протекание которых сопровождается уменьшением угла включения высоковольтного вентиля, а период повторения перенапряжений на силовом тиристоре 5 становится меньше Ти, анодное напряжение достигает уровня ла- винообразоеания симметричного ограничителя 17 напряжения, поскольку уровень срабатывания порогового элемента 1 на интервале Ти равен Кз + U4. После окончания переходного режима период повторения перенапряжений становится неизменным и превышающим Ти, а силовой тиристор 5 по- прежнему включается при низком уровне срабатывания (Уз) порогового элемента 1 и

UT.C Ул.

Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается положительный эффект повышения помехоустойчивости при периодически повторяющихся перенапряжениях за счет снижения уровня срабатывания порогового элемента только, на короткий интервал, во время которого на силовом тиристоре появляется перенапряжение, вызванное включением высоковольтного вентиля.

Формула изобретения Устройство для защиты силового тиристора высоковольтного вентиля от перенапряжений, содержащее опорный стабилитрон, пороговый элемент, выполненный в виде тиристора, управляющий электрод которого подключен к аноду первого стабилитрона, катод предназначен для подключения и управляющему электроду силового тиристора, а анод подключен к одному выводу накопительного конденсатора,

другой вывод которого предназначен для подключения к катоду силового тиристора через формирующий конденсатор, шунтированный первым резистором, а к аноду силового тиристора - через высоковольтный конденсатор, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости при периодически повторяющихся перенапряжениях, введены симметричный ограничитель напряжения, обратный диод, второй стабилитрон, диодный оптрон, тиристорный оптрон, одновибратор, второй и токоогра- ничивающий резисторы, причем симметричный ограничитель напряжения

подключен параллельно высоковольтному

конденсатору, обратный диод подключен

параллельно формирующему конденсатору,

катод первого стабилитрона к аноду второго

стабилитрона, катод которого подключен к

одному выводу накопительного конденсатора непосредственно, а к другому - через последовательно соединенные встречновк- люченный светодиод диодного оптрона и опорный стабилитрон, при этом фотодиод

диодного оптрона и второй резистор соединены в последовательную цепочку, которая включена параллельно накопительному конденсатору, одновибратор по цепи питания подключен параллельно накопительному конденсатору, вход одновибратора подключен к общей точке соединения фотодиода диодного оптрона и второго резистора, а выход одновибратора через светодиод тиристорного оптрона и токоограничивающий резистор подключен к другому выводу накопительного конденсатора, при этом фототиристор тиристорного оптрона включен встречно параллельно вто рому стабилитрону.

Фиг. 2

Сущность изобретения: к направляющему переходу силового тиристора 5 подключены пороговый элемент 1, выполненный на базе тиристора 2 и стабилитронов 3,4, накопительный конденсатор 7 и формирующий конденсаторе, шунтированный резистором 9, обратным диодом 10. Общая точка накопительного конденсатора 7 и формирующего конденсатора 8 связана через симметричный ограничитель 17 напряжений и высоковольтный конденсатор 18 с анодом силового тиристора 5. К накопительному конденсатору подключен по питанию одновибратор 11, запуск которого осуществляется сигналом фотодиода диодного опт- рона 13, а к выходу подключен светодиод тиристорного оптрона 16, фототиристор которого шунтирует стабилитрон 4, Каждое из периодически повторяющихся с частотой питающей сети перенапряжений вызывает срабатывание одновибратора 11, который снижает уровень срабатывания порогового элемента 1 на короткий интервал времени, когда должно воздействовать очередное перенапряжение. Включение силового тиристора 5 происходит при анодном напряжении, существенно меньшем уровня лавинообразования симметричного ограничителя 17 напряжений. При воздействии однократного перенапряжения накопительный конденсатор 7 не заряжен, одновибратор 11 обесточен, а силовой тиристор 5 включается с уровня лавинообразования симметричного ограничителя 17 напряжений, 2 ил. Ё VI fc. О Јь О Фиг