Устройство для защиты реверсивного преобразователя от короткого замыкания и перегрузки

 

Устройство для защиты реверсивного преобразователя от короткого замыкания и перегрузки, содержащее два встречновключенных диода и два встречновключенных тиристора, к анодам которых подключены катоды тиристоров через последовательно соединенные тиристорный ключ с искусственной коммутацией, источник опорного тока и дроссель, последовательно с диодами и тиристорами включены четыре датчика направления тока, выходы которых подключены к входам блока сигнализации неисправности диодов и тиристоров и входам первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к исполнительному органу и первому входу второго элемента ИЛИ, к второму входу которого подключен через компаратор датчик тока преобразователя, а выход второго элемента ИЛИ подключен через блок управления отключением к первому управляющему входу тиристорного ключа с искусственной коммутацией, к второму входу которого подключен выход блока включения тиристорного ключа с искусственной коммутацией. 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к устройствам защиты полупроводниковых преобразователей, в частности реверсивных преобразователей.

Известно устройство для защиты реверсивного преобразователя от короткого замыкания и перегрузки, содержащее датчик тока и первый диод, включенные последовательно между однополярным выводом для подключения преобразователя и нагрузки, источник опорного тока, один вывод которого подключен к катоду диода, а другой через дроссель соединен с первым выводом тиристорного ключа с принудительной коммутацией, и блок задания уставки, вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход через блок управления источником опорного тока соединен с управляющим входом источника опорного тока [1] .

Это устройство обладает высоким быстродействием и экономичностью.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство для защиты реверсивного преобразователя от короткого замыкания и перегрузки, содержащее тиристорный ключ с искусственной коммутацией, два встречновключенных диода, датчик тока, первый вывод которого подключен к первой клемме для подключения преобразователя, а выход датчика тока через последовательно соединенные блок задания уставки и блок управления источника опорного тока подключен к управляющему входу источника опорного тока, один вывод которого подключен к одному выводу дросселя [2] .

Недостатком известных устройств является низкая надежность, обусловленная невозможностью их срабатывания при перегрузках и коротких замыканиях и, следовательно, невозможностью защиты реверсивного преобразователя при выходе из строя в результате пробоя диодов.

Цель изобретения - повышение надежности.

В устройство для защиты реверсивного преобразователя от короткого замыкания и перегрузки введены два встречновключенных тиристора, два формирователя импульсов управления, формирователь запускающих импульсов, датчик нулевого тока, компаратор, блок отключения тиристорного ключа с искусственной коммутацией и блок включения тиристорного ключа с искусственной коммутацией, четыре датчика направления тока, два элемента ИЛИ и блок неисправности диодов и тиристоров, причем первый вывод первого датчика направления тока подключен к аноду первого диода, а второй - к второму выводу датчика тока и через второй датчик направления тока к катоду первого тиристора, первый вывод третьего датчика направления тока подключен к аноду второго диода, а второй - к первой клемме для подключения нагрузки и через четвертый датчик направления тока к катоду второго тиристора, причем выходы датчиков направления тока подключены к входам блока сигнализации неисправности диодов и тиристоров и входам первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к исполнительному органу и первому входу второго элемента ИЛИ, к второму входу которого подключен выход компаратора, вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход второго элемента ИЛИ подключен к входу блока управления отключением тиристорного ключа с искусственной коммутацией, выход которого подключен к первому управляющему входу тиристорного ключа с искусственной коммутацией, к второму управляющему входу которого подключен выход блока включения тиристорного ключа с искусственной коммутацией, один вывод тиристорного ключа с искусственной коммутацией подключен к катодам диодов, а другой - к другому выводу источника опорного тока, при этом первый вывод датчика нулевого тока соединен с клеммой для подключения преобразователя, а второй - с второй клеммой для подключения нагрузки, выход датчика нулевого тока через формирователь запускающих импульсов и соответствующие формирователи импульсов управления подключен к управляющим цепям первого и второго тиристоров, аноды которых подключены к другому выводу дросселя.

На чертеже представлено предлагаемое устройство.

Между преобразователем 1 и нагрузкой 2 подключены датчик 3 тока, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 датчики направления тока, первый 8 и второй 9 диоды, первый 10 и второй 11 тиристоры и датчик 12 нулевого тока. Первая клемма для подключения преобразователя 1 подключена через последовательно соединенные датчики 3 и 4 к аноду первого диода 8. Анод второго диода 9 подключен через третий датчик 6 к первой клемме для подключения нагрузки. Катод первого тиристора 10 подключен через второй датчик 5 к общей точке соединения датчиков 3 и 4. Катод второго тиристора 11 подключен через четвертый датчик 7 к первой клемме для подключения нагрузки 2. Первый вывод датчика 12 соединен с второй клеммой для подключения преобразователя 1, а второй - с второй клеммой для подключения нагрузки 2.

Выход датчика 12 через формирователь 13 и соответствующие первый 14 и второй 15 формирователи подключен к управляющим цепям первого 10 и второго 11 тиристоров. Аноды первого 8 и второго 9 диодов через последовательно соединенные тиристорный ключ 16 с искусственной коммутацией, источник 17 опорного тока и дроссель 18 подключены к анодам тиристоров 10 и 11, выход датчика 3 подключен через последовательно соединенные блок 10 задания уставки и блок 20 управления источника опорного тока к управляющему входу источника 17, выходы датчиков 4-7 подключены к входам блока 21 сигнализации неисправности диодов и тиристоров и входам первого элемента ИЛИ 22, выход которого подключен к исполнительному органу 23 и первому входу второго элемента ИЛИ 24, к второму входу которого подключен выход датчика 3 через компаратор 25. Выход второго элемента ИЛИ 24 подключен через блок 26 управления отключением тиристорного ключа с искусственной коммутацией к первому управляющему входу тиристорного ключа 16, к второму управляющему входу которого подключен выход блока 27 включения тиристорного ключа с искусственной коммутацией.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме преобразователя 1 ток I_п на его выходе равен току нагрузки I_н и меньше тока срабатывания защиты I_с.з. (I_п = I_н < I_с.з.). Источник 17 опорного тока создает опорный ток, протекающий по одной из двух цепей: первая цепь - источник 17, дроссель 18, тиристор 11, четвертый датчик 7, третий датчик 6, диод 9, тристорный ключ 16; вторая цепь - источник 17, дроссель 18, тиристор 10, второй датчик 5, первый датчик 4, диод 8, тиристорный ключ 16. Условие протекания опорного тока по первой цепи: диод 8 направлен согласно, а диод 9 - встречно по отношению к направлению тока, протекающего по верхнему токопроводу, соединяющему преобразователь 1 и нагрузку 2; тиристорный ключ 16 с искусственной коммутацией должен быть включен и тиристор 11 должен находиться в открытом состоянии. Условия протекания опорного тока по второй цепи: диод 8 направлен встречно, а диод 9 - согласно по отношению к направлению тока преобразователя 1 в верхнем токопроводе; тиристорный ключ 16 с искусственной коммутацией должен быть включен и тиристор 10 должен находиться в открытом состоянии. Функционирование первой цепи соответствует режиму передачи энергии от преобразователя 1 к нагрузке 2, а второй цепи - наоборот.

Опорный ток больше тока нагрузки на величину ΔI = I_оп - I_н и поэтому ток, протекающий через диоды 8 и 9, а также тиристоры 10 и 11, равен разности опорного тока и тока преобразователя, т. е. I_д = I_т = Δ I = I_оп - I_п = I_оп - I_н. В диапазоне увеличения тока преобразователя от величины (I_с.з. - Δ I) до I_с.з. опорный ток остается величиной постоянной и равным току срабатывания защиты I_с.з. = I_оп. = сonst, а ток, протекающий по диодам и тиристорам, уменьшается от Δ I до нуля.

Рассмотрим нормальный режим работы преобразователя 1 при передаче мощности от преобразователя 1 к нагрузке 2, т. е. по верхнему токопроводу ток протекает от преобразователя 1 к нагрузке 2. Сигнал U_тп с выхода датчика 3 в блоке 19 задания уставки суммируется с сигналом U_Δ , пропорциональным величине опорного Δ I(U_тп + U_Δ = U_з.у.). Сигнал U_з.у. пропорционален току (I_п + Δ I) и поступает на вход блока 20, который обеспечивает протекание опорного тока по цепи: источник 17, дроссель 18, тиристор 11, датчик 7, датчик 6, диод 9, тиристорный ключ 16. При этом тиристорный ключ 16 открыт в результате подачи управляющего сигнала на открывание от блока 27 включения тиристорного ключа, а также открыт тиристор 11 в результате формирования импульсов на выходе формирователя 13 запускающих импульсов и формирователя 15 импульсов управления тиристора 11. В нормальном режиме работы преобразователя 1 скорость изменения опорного тока dI_оп/dt должна быть больше или равна максимальной скорости изменения тока нагрузки (dI_н/dt)max, чтобы исключить ложное срабатывание защиты. С учетом этого условия должна выбираться величина приращения тока Δ I.

При перегрузке ток на выходе преобразователя 1 становится больше опорного тока I_п > I_оп = I_с.з. В результате диод 9 запирается и ток через него прерывается. Ток нагрузки начинает протекать по вспомогательной цепи устройства защиты: диод 8, тиристорный ключ 16, источник 17 опорного тока, дроссель 18, тиристор 11, датчик 7 направления тока. Скорость нарастания тока перегрузки ограничивается дросселем 18. По достижении тока нагрузки величины тока срабатывания защиты сигнал с выхода датчика тока 3 становится достаточным для срабатывания компаратора 25, выходной сигнал которого поступает на второй вход второго элемента ИЛИ, на выходе которого появляется сигнал, поступающий на вход блока 26 управления, который формирует сигнал на втором управляющем входе тиристорного ключа 6 с искусственной коммутацией, обеспечивающий закрывание ключа 16 и прерывание тока перегрузки, а, следовательно, отключение преобразователя 1 от нагрузки 2 и прерывание аварийного режима.

При коротком замыкании в нагрузке 2, на ее входе или между токопроводами, соединяющими устройство защиты и нагрузку 2, ограничивание скорости нарастания тока короткого замыкания, его прерывание и отключение преобразователя 1 от нагрузки 2 аналогично.

При передаче мощности от нагрузки 2 к преобразователю 1 по верхнему токопроводу ток протекает от нагрузки 2 к преобразователю 1. Например, такой режим соответствует рекуперации энергии в питающую сеть при переводе нагрузки 2 в генераторный режим и наличии реверсивного преобразователя 1. Источник 17 опорного тока при его включении блоком 20 управления обеспечивает протекание опорного тока в нормальном режиме работы преобразователя 1 по цепи: источник 17, дроссель 18, тиристор 10, датчик 5, датчик 4, диод 8, тиристорный ключ 16. В остальном функционирование устройства защиты в нормальном режиме работы системы преобразователь 1 - нагрузка 2, при перегрузке и коротком замыкании в преобразователе 1 или на его выходе аналогично рассмотренному.

При изменении направления тока или мощности на выходе реверсивного преобразователя 1, например при переходе его из выпрямительного режима в инверторный, ток уменьшается до нуля, а затем изменяет свое направление. В момент перехода тока через нуль на выходе датчика 12 нулевого тока появляется сигнал, поступающий на вход формирователя 13 запускающих импульсов. Этот сигнал запускает формирователь 13 и на его выходе появляются сигналы до тех пор, пока ток на выходе преобразователя 1 равен нулю, которые поступают на входы формирователей 14 и 15 тиристорами 10 и 11. Формирователи 14 и 15 формируют управляющие импульсы на тиристоры 10 и 11, которые открываются и по ним протекают токи под действием источника 17 опорного тока, равные по величины 0,5 Δ I, до тех пор, пока на выходе преобразователя 1 не появляется ток. Протекание тока на выходе преобразователя 1 обуславливает прекращение сигнала на выходе датчика 12 и импульсов на выходах формирователей 13 и 14, 15. Кроме того, закрывается один из тиристоров 10 или 11, а именно тот, который оказывается включенным встречно направлению тока на выходе преобразователя. Это приводит к работе защиты в нормальном режиме преобразователя 1, как было рассмотрено.

В случае целостности диодов 8 и 9 тиристоров 10 и 11 ток через них, как при нормальном функционировании защиты во всех режимах работы реверсивного преобразователя, так и в аварийных режимах, протекает только в одном направлении, от анода к катоду. Поэтому на выходах датчиков 4-7 сигналы отсутствуют, следовательно, отсутствуют сигналы на входах первого элемента ИЛИ 22 и блока 21 сигнализации неисправности диодов и тиристоров, который выдает информацию о целостности диагностируемых полупроводниковых вентилей.

При пробое одного или нескольких из указанных полупроводниковых приборов направление тока через неисправный диод или тиристор изменяется под действием напряжения преобразователя 1. В результате на выходе датчика направления тока, контролирующего неисправный полупроводниковый прибор, появляется сигнал. Этот сигнал поступает на один из входов блока 21 сигнализации неисправности диодов и тиристоров, который сигнализирует в виде световой (звуковой) информации о выходе из строя данного полупроводникового прибора. Сигнал одновременно поступает на один из входов первого элемента ИЛИ 22, на выходе которого также появляется сигнал, поступающий на первый вход второго элемента ИЛИ 24. Элемент ИЛИ 24 срабатывает, на его выходе появляется сигнал, поступающий на вход блока 26 управления отключением тиристорного ключа 16 с искусственной коммутацией, который прерывает цепь источника опорного тока. При этом, сигнал с выхода первого элемента ИЛИ 22 поступает на вход исполнительного органа 23, который отключает преобразователь 1 от сети. Отключение преобразователя 1 необходимо, так как при неисправном диоде 8 или 9, а также неисправном тиристоре 10 или 11 в случае возникновения перегрузки или короткого замыкания устройство защиты не может отключить эти аварийные токи, что приводит к выходу из строя исправных полупроводниковых приборов устройства защиты, а главное вентилей преобразователя 1. Устройство защиты функционирует аналогично и при выходе из строя более чем одного из полупроводниковых приборов. При этом только блок 21 сигнализирует о каждом из вышедших из строя полупроводниковых приборов.

Применение блоков сигнализации неисправности диодов 8 и 9 и тиристоров 10 и 11 с датчиками 4-7 направления тока и системой функционирования коммутации главных цепей преобразователя 1 и устройства для защиты обеспечивает существенное повышение надежности устройства за счет диагностирования основных силовых полупроводниковых приборов устройства. При этом исключается выход из строя дорогостоящих полупроводниковых приборов преобразователя 1 в случае неисправности диагностируемых диодов и тиристоров и возникновения аварийных режимов. Кроме того, исключается выход из строя, в этом случае, силовых полупроводниковых приборов: ключа 16, источника 17 и исправных диодов и тиристоров из числа диагностируемых. Кроме того, их диагностирование позволяет существенно сократить простой преобразователя при замене неисправного диода или тиристора.

Устройство для защиты не вносит в главную цепь между реверсивным преобразователем и нагрузкой индуктивное сопротивление при любом направлении тока на выходе преобразователя.

Датчики направления тока могут быть выполнены на базе магнитоуправляемых контактов или полупроводниковых приборов (магнитодиоды, магнитотранзисторы и др. ). исключая разрыв главных цепей.

Блок сигнализации неисправности диодов и тиристоров может быть выполнен на основе светодиодов и полупроводниковых приборов. Такое выполнение датчиков направления тока и указанного блока вызывает незначительные затраты, малые массогабаритные показатели и незначительное потребление электроэнергии. Применение устройства для защиты позволяет получить значительный экономический эффект.

Экспериментальные исследования устройства для защиты реверсивного преобразователя показали, что оно сохраняет такие положительные свойства известного (прототипа), как высокое быстродействие, простота в обслуживании, высокие энергетические показатели и другие и позволяет существенно повысить надежность. Устройство позволяет защищать реверсивные преобразователи, обеспечивающие передачу мощности в обоих направлениях, а также преобразователи и нагрузки переменного тока с малыми внутренними сопротивлениями. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 974494, кл. Н 02 Н 7/12, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР N 1023513, кл. Н 02 Н 7/12, 1982.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ РЕВЕРСИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ПЕРЕГРУЗКИ, содержащее тиристорный ключ с искусственной коммутацией, два встречно включенных диода, датчик тока, первый вывод которого подключен к первой клемме для подключения преобразователя, а выход датчика тока через последовательно соединенные блок задания уставки и блок управления источника опорного тока подключен к управляющему входу источника опрного тока, один вывод которого подключен к одному выводу дросселя, отличающееся тем, что в него введены два встречно включенных тиристора, два формирователя импульсов управления, формирователь запускающих импульсов, датчик нулевого тока, компаратор, блок отключения тиристорного ключа с искусственной коммутацией и блок включения тиристорного ключа с искусственной коммутацией, четыре датчика направления тока, два элемента ИЛИ и блок неисправности диодов и тиристоров, причем первый вывод первого датчика направления тока подключен к аноду первого диода, а второй вывод - к второму выводу датчика тока и через второй датчик направления тока - к катоду первого тиристора, первый вывод третьего датчика направления тока подключен к аноду второго диода, а второй вывод - к первой клемме для подключения нагрузки и через четвертый датчик направления тока к катоду второго тиристора, причем выходы датчиков направления тока подключены к входам блока сигнализации неисправности диодов и тиристоров и к входам первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к исполнительному органу и к первому входу второго элемента ИЛИ, к второму входу которого подключен выход компаратора, вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход второго элемента ИЛИ подключен к входу блока управления отключением тиристорного ключа с искусственной коммутацией, выход которого подключен к первому управляющему входу тиристорного ключа с искусственной коммутацией, к второму управляющему входу которого подключен выход блока включения тиристорного ключа с искусственной коммутацией, один вывод тиристорного ключа с искусственной коммутацией подключен к катодам диодов, а другой вывод - к другому выводу источника опорного тока, при этом первый вывод датчика нулевого тока соединен с второй клеммой для подключения преобразователя, а второй вывод соединен с второй клеммой для подключения нагрузки, выход датчика нулевого тока через формирователь запускающих импульсов и соответствующие формирователи импульсов управления подключен к управляющим цепям первого и второго тиристоров, аноды которых подключены к другому выводу дросселя.

РИСУНКИ

Рисунок 1