Устройство для защиты агрегата бесперебойного питания Советский патент 1992 года по МПК H02H7/10 

Изобретение относится к области силовой полупроводниковой техники и может быть использовано в агрегатах бесперебой- . него питания с параллельной работой двух ветвей литания, состоящих из выпрямителя, 5 инвертора для определения и отключения неисправной ветви питания от нагрузки, и является усовершенствованием известного устройства, описанного в а.с. № 1390695. Известное устройство для защиты агре- 10

гата бесперебойного питания содержит две параллельные ветви, работающие на общую нагрузку, каждая из которых состоит из последовательно соединенных выпрямителя и инвертора, содержащее каналы защиты 15 по числу параллельных ветвей агрегата, причем каждый канал защиты содержит полупроводниковый выключатель, предназначенный для включения последовательное соответствующим инвертором, блок иден- 20 тификации аварийных режимов, выполненный на пороговых элементах, датчик входного тока, выходом подключенный к входу соответствующего порогового элемента блока идентификации аварийных р.е- 25 жимов, .блок датчиков инвертораГ выходом подключенный к входу соответствующего порогового элемента блока идентификации аварийных режимов и датчик выходного тока, в каждом канале защиты содержится так- 30 же сумматор, пороговый узел, блок контроля неисправности полупроводникового выключателя, электромеханический контактор, два элемента И, элемент ИЛИ, причем электромеханический контактор 35 включен последовательно с полупроводниковым выключателем, выход датчика выходного тока каждого канала защиты подключен к первому входу сумматора данного канала защиты и второму входу сумма- 40 тора параллельного канала защиты, при этом в каждом канале защиты выход сумматора подключен к входу порогового узла и к выходу соответствующего порогового элемента блока идентификации аварийных ре- 45 жимов, вход блока контроля неисправности полупроводникового выключателя подключен к силовым элементам полупроводникового выключателя, выход идентификации невключения силовых элементов полупро- 50 водникового выключателя блока контроля неисправности полупроводникового выключателя подключен к первому входу первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу порогового узла, а вы- 55 ход- к первому входу элемента ИЛИ, выход идентификации пробоя полупроводниково- / го выключателя блока контроля неисправ- ности полупроводникового выключателя подключен к первому входу второго элемента И, выход которого подключен к второму входу элемента ИЛИ, третий вход которого подключен к выходу блока идентификации аварийных режимов, а выход подключен к управляющим входам полупроводникового выключателя и электромеханического контактора, при этом выход электромеханического контактора данного канала защиты подключен к второму входу второго элемента И параллельного канала защиты. В обоих каналах защиты второй элемент И выполнен трехвходоёым, причем третий вход подключен к выходу порогового узла.

Недостатком данного устройства является малый диапазон работы защиты полупроводникового выключателя, что приводит к возможности питания нагрузки однопо- лчрным напряжением (не проводит один из силовых полупроводниковых элементов).

Цель изобретения - расширение диапазона работы защиты.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для защиты агрегата бесперебойного питания, выполненном по а.с. № 1390695, и включающем в себя две параллельные ветви, работающие на общую нагрузку, каждая из которых состоит из последовательно соединенных выпрямителя и инвертора, содержащее каналы защиты по числу параллельных ветвей агрегата, причем каждый канал защиты содержит полупроводниковый выключатель, предназначенный для включения последовательно с соответствующим инвертором, блок идентификации аварийных режимов, выполненный на пороговых элементах, датчик входного тока, выходом подключенный к входу соответствующего порогового элемента блока идентификации аварийных режимов, блок датчиков инвертора, выходом подключенный к входу соответствующего порогового элемента блока идентификации аварийных режимов, и датчик выходного тока, каждый канал защиты состоит из сумматора, порогового узла, блока контроля неисправности полупроводникового контактора, выключателя электромеханического контактора, двух элементов И, элемента ИЛИ, причем электромеханический контактор включен последовательно с полупроводниковым выключателем, выход датчика выходного тока каждого канала защиты подключен к первому входу сумматора данного канала защиты и второму входу сумматора параллельного канала защиты, при этом в каждом канале защиты выход сумматора подключен к входу порогового узла и к входу соответствующего порогового элемента блока идентификации аварийных ре- кимов, вход блока контроля неисправности

полупроводникового выключателя подключен к силовым элементам полупроводникового выключателя, выход идентификации невключения силовых элементов полупроводникового выключателя блока контроля неисправности полупроводникового выключателя подключен к первому входу первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу порогового узла, а выход - к первому входу элемента ИЛИ, выход идентификации пробоя полупроводникового выключателя блока контроля неисправности полупроводникового выключателя подключен к первому входу второго элемента И, выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, третий вход которого подключен к выходу блока идентификации аварийных режимов, а выход подключен к управляющим входам полупроводникового выключателя и электромеханического контактора, при этом выход электромеханического контактора данного канала защиты подключен к второму входу второго элемента И параллельного канала защиты, при этом в каждую ветвь питания введен узел согласования, а пороговый узел выполнен с входом регулирования порога, который через узел согласования подключен к контактам состояния электромеханического контактора параллельной ветви питания.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема блока идентификации аварийных режимов; на фиг. 3 - схемы порогового узла и узла согласования.

Устройство (фиг. 1) содержит две параллельные ветви 1 и 2 питания, работающие на общую нагрузку 3. Каждая из ветвей питания содержит последовательно сбе - диненные выпрямитель 4, к входу которого подключен датчик 5 входного тока, инвертор 6, полупроводниковый выключатель 7, к входу которого подключен датчик 8 ЁЫ- ходного тока, и электромеханический контактор 9, причем каждая ветвь питания содержит также блок 10 датчиков инвертора, вход которого подключен к инвертору 6, сумматор 11, входы которого подключены к выходам датчиков 8 обеих ветвей 1 и 2 питания, блок 12 идентификации аварийных режимов, входы которого подключены к выходам датчика 5 входного тока, блока 10 датчиков инвертора и сумматора 11, блок контроля неисправности 13 полупроводникового выключателя, содержащий блок 14 датчиков контроля силовых элементов, блок идентификации пробоя и блок 16 подключения силовых элементов, причем входы блоков 15 и 16 подключены к выходу блока

14, вход которого подключен к полупроводниковому выключателю 7, выходы блоков 15 и 16 являются соответственно выходами пробоя и невключения блока 13, пороговый

узел 17, вход которого подключен к выходу сумматора 11, первый 18 и второй 19 двух- входовые элементы И, первые входы которых подключены соответственно к выходам невключения и пробоя блока 13, а вторые

0 входы первого 18 и второго 19 элементов И подключены соответственно к выходу порогового узла 17 и выходу электромеханической контактора1 параллельного канала защиты, элемент ИЛИ 20, входы которого

5 подключены к выходам элементов И 18 и 19 к блоку 12,а выход - к отключающим входам полупроводникового выключателя 7 и электромеханического контактора 9, узел согласования 21, вход которого подключен к

0 контактам состояния электромеханического контакта параллельной ветви питания, а выход - к входу регулирования порогового узла.

В устройстве (фиг. 1) датчик 8 выходного

5 тока подключен к входу полупроводникового выключателя 7, хотя он может быть подключен к выходу полупроводникового выключателя или электромеханического контактора.

0 Блок 12 идентификации аварийных режимов (фиг. 2) каждой ветви включает в себя пороговые элементы 22 и 23, входы у которых подключены к выходам датчика 5 входного тока, блока 10 датчиков инвертора и

5 сумматора 11 (фиг. 1), триггер 24, пусковой вход которого подключен к выходу порогового элемента 23, первый элемент НЕ 25, вход которого подключен к пусковому входу триггера 24, второй элемент НЕ 26 и первый

0 элемент 27 выдержки времени, входы которых подключены к выходу триггера 24, второй элемент 28 выдержки времени, выход которого подключен к стоповому входу триггера 24, первый элемент И-НЕ 29, входы

5 которого подключены к выходам элемента 22, второй элемент И-НЕ 30, первый вход которого подключен к выходу элемента 29, а второй - к выходу элемента НЕ 26, третий элемент И-НЕ 31, первый вход которого под0 ключей к выходу элемента 27 и входу элемента 28, а второй вход - к выходу элемента НЕ 25, четвертый элемент И-НЕ 32, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам элементов И-НЕ 30 и

5 31, а выход элемента И-НЕ 32 подключен к одному из входов элемента ИЛИ 20 (фиг. 1). Пороговый узел 17 и узел согласования 21 могут иметь несколько технических решений, одно из которых приведено на фиг, 3.

Пороговый узел 17 включает в себя операционный усилитель 33, первый 34, второй 35и третий 36 резисторы, первые выводы которых объединены и подключены к первому входу операционного усилителя, а вторые выводы подключены соответственно к входу порогового узла 17, к входу регулирования порогового узла 17 и эталонному источнику 37. Второй вход операционного усилителя 33 подключен к общему проводу питания, а выход - к выходу порогового узла. Узел согласований 21 включает в себя транзистор 38, коллектор которого подключен к выходу узла согласования 21 и подключен через резистор 39 к источнику питания 40, база транзистора 38 через резистор 41 подключена к входу узла согласования 21, а эмиттер - к общему проводу питания.

В устройстве (фиг. 1) датчик 8 выходного тока выдается сигнал, пропорциональный току нагрузки. Блок 14 датчиков контроля состояния силовых элементов следит за состоянием (открыт-закрыт) силовых элементов полупроводникового выключателя 7. Блок 15 выдает единичный сигнал о пробое полупроводникового выключателя 7, если длительность проводящего состояния хотя бы одного из его силовых элементов превышает половину периода выходного напряжения агрегата. Блок 16 выдает сигнал о невключении силового элемента пролупро- водникового выключателя 7, если силовой элемент в нужный момент времени не включился. Датчики, используемые в блоке 14 устройства, включаются последовательно с каждым силовым элементом выключателя 7, и по величине сопротивления силовых элементов определяют длительность их проводящего и непроводящего состояний. Датчики блока 14 могут быть подключены параллельно силовым элементам выключателя 7, и по величине и полярности напряжения на них также определяют длительность проводящего и непроводящего состояний каждого силового элемента выключателя 7. В этом случае для исключения выдачи ложного сигнала о пробое в элемент И 19 введен третий вход, который подключен к выходу порогового узла 17. Полупроводниковые выключатели 7 предназначены для отключения от нагрузки 3 неисправного инвертора 6 и выпрямителя 4. При этом для исключения возможности работы исправной ветви питания на неисправную время отключения полупроводниковых выключателей должно быть значительно меньше времени отключения электромеханических контакторов. Поэтому силовые элементы полупроводниковых выключателей могут быть выполнены либо на базе

однооперационных тиристоров с искусственной коммутацией, либо на базе транзисторов, либо на базе запираемых тиристоров.

Устройство работает следующим образом.

При параллельной работе обеих ветвей 1 и 2 питания на выходах обоих датчиков 8 имеются сигналы, которые складываются по

0 амплитуде сумматорами 11. Пороговый узел 17 контролирует суммарную величину этих сигналов. Если сумматорный сигнал превышает величины, определяемую минимальным током нагрузки, при котором обес5 печивается проводимость всех силовых элементов выключателей 7 в течение половины периода выходной частоты инверторов 6, то пороговый узел 17 выдает разрешающий сигнал на вход элемента И

0 18. Если блок 16 выдает сигнал о невключении силового элемента выключателя 7, то этот сигнал при наличии разрешающего сигнала на выходе порогового узла 17 поступает на элемент ИЛИ 20,а затем на

5 отключающие входы выключателя 7 и контактора 9, что приводит к их отключению. При пробое силового элемента выключателя 7 аварийный сигнал с блока 15 поступает на первый вход элемента И 19, а затем через

0 элемент ИЛИ 20 проходит на отключающие входы выключателя 7 и контактора 9 при наличии разрешающего сигнала с контактора 9 параллельной ветви, который выдается при включенном состоянии его контактов

5 главной цепи с выхода сигнализирующего состояния контактора 9. В этом случае ветвь питания с пробитым силовым элементом полупроводникового выключателя 7 также отключается от нагрузки. Если работает на

0 нагрузку только одна ветвь питания, то при пробое силового элемента выключателя 7 работающей ветви аварийный сигнал на выход элемента И 19 не проходит, а, следовательно, не отключается работающая ветвь.

5 Если же произойдет невключение силового элемента, то аварийный сигнал с выхода блока 16 пройдет через элемент И 18 на элемент ИЛИ 20 и вызовет отключение полупроводникового выключателя 7 и электро0 механического контактора 9. При этом пороговый узел 17 за счет поступления с узла согласования 21 на вход регулирования соответствующего сигнала, выдает разрешающий (единичный) сигнал на элемент И

5 18 с тока нагрузки значительно меньшего, чем при параллельной работе обеих ветвей 1, 2 питания, Минимальная величина этого тока определяется током, при котором силовые элементы начинают проводить ток в те- чение половины периода выходной частоты

инвертора 6. В случае использования в полупроводниковых выключателях 7 тиристоров минимальный ток нагрузки 3, при котором пороговый узел 17 выдает разрешающий сигнал, равен току удержания тиристоров.

Устройство обеспечивает также отключение соответствующей ветви от нагрузки при аварии в ней выпрямителя 4 или инвертора 6. Для этого используется блок 10, контролирующий длительность работы тиристоров и напряжение на коммутирующих конденсаторах инвертора 6, датчик входного тока выдающий сигнал, пропорциональный току выпрямителя 4, и блок 13. Сигналы с блоком 5 и 10 поступают на пороговые элементы 22 блоков 12 (фиг. 2).

Пороговые элементы 22, анализируя эти сигналы, выдают аварийные нулевые сигналы при отказе выпрямителя 4 или инвертора 6, которые при отсутствии короткого замыкания в нагрузке 3, после трехкратного инвертирования элементами И-НЕ 29, 30 и 32 поступают через элемент ИЛИ 20 на отключающие входы выключателя 7 и контактора 9, вызывая их отключение. При коротком замыкании в нагрузке 3 сигнал с сумматора 11 вызывает срабатывание порогового элемента 23. Это приводит к появлению на его выходе нулевого сигнала и к срабатыванию триггера 24. С выхода последнего единичный сигнал инвертируется элементом НЕ 26 и подается на второй вход элемента И-НЕ 30, запрещая прохождение аварийных сигналов сформированных из-за короткого замыкания в нагрузке на выходах порогового элемента 22, на отключающие входы выключателя 7 и контактора 9. Единичный сигнал с выхода триггера 24 подается также через элемент 27 выдержки времени на первый вход элемента И-НЕ 31 и на вход элемента 28 выдержки времени. На второй вход элемента И-НЕ 31 поступает инвертированный элементом НЕ 25 сигнал с порогового элемента 23. Если за время выдержки времени элемента 27 короткое замыкание в нагрузке исчезает, то на втором входе элемента И-НЕ 31 нулевой сигнал от элемента НЕ 25 появляется раньше единичного сигнала от элемента 27. Поэтому блок 12 отключающего единичного сигнала на своем выходе не формирует. Если же длительность короткого замыкания больше времени выдержки элемента 27, то в момент появления на обоих входах элемента И-НЕ 31 единичных сигналов на его выходе формируется нулевой сигнал, который инвертируется элементом И-НЕ 32 и поступает на вход элемента ИЛИ 20. В результате выключатель 7 и контактор 9 отключаются и тем самым защищает устройство от длительного воздействия короткого замыкания в нагрузке. Элемент 28 выдержки времени обеспечивает автоматический перевод триггера 24 в исходное состояние. При этом для формирования на выходе блока 12 отключающего единичного сигнала нужной для срабатывания выключателя 7 и контактора 9 длительности элемент 28 выдержки времени

0 задерживает сигнал установки триггера 24 на время, равное этой длительности.

Пороговый узел 17 и узел согласования 21, представленные на фиг. 3, работают следующим образом.

5 При замкнутом состоянии электромеханических контакторов 9 с выходов, сигнализирующих состояние их контакторов на вход узла согласования поступает единичный сигнал. Этот сигнал через резистор 41

0 попадает на базу транзистора 38. Транзистор 38 открывается. В результате на вход регулирования порогового узла 17 поступает нулевой сигнал. На первый вход операционного усилителя 33 через резистор

5 34 с сумматора 11 поступает положительный сигнал пропорциональный току нагрузки, через резистор 36 - отрицательное напряжение эталонного источника 34, а через резистор 35 нулевой сигнал с узла согла0 сования 21. На выходе операционного усилителя 33 единичный (разрешающий) сигнал формируется при заданном значении тока нагрузки. При отключении электромеханического контактора 9 параллельной

5 ветви питания на вход узла согласования поступает нулевой сигнал, это приводит к запиранию транзистора 38. Через резистор 39 от источника питания 40 на вход регулирования порогового узла 17 поступает еди0 ничный сигнал, который приводит к тому, что операционный усилитель 33 переходит в единичное состояние при меньшем уровне сигнала на входе порогового узла 17, т.е. при меньшей нагрузке. Наминалы резисто5 ров 34, 35, 36, 39 и напряжения источников 32, 40 выбираются исходя из уровней токов нагрузки, при которых как при одиночной работе инверторов 6, так и при параллельной их работе блоки 15 и 16 не формируют

0 ложно аварийные сигналы.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить диапазон работы защиты агрегата бесперебойного питания, а - тем самым уменьшить вероятность работы

5 нагрузки от неисправного источника. Формула изобретения Устройство для защиты агрегата бесперебойного питания по авт. св. № 1390695, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона работы защиты, дополнительно в каждый канал защиты введен рый через узел согласования подключен к узел согласования, а пороговый узел выпол- выходу электромеханического контактора нен с входом регулирования порога, кото- параллельного канала защиты.

Ш

А- %

i чч

Й

«4

уГ tyWf&ffeW

Рм.З

& /л w«, -i

0/7 fytftfa/r 0gЈ

fbt.J

1

1

/ A3/ff 4/S r/ M St7 -Г™ jWeft&rp

.w;s /tfЈp p

l