Устройство для защиты полупроводникового преобразователя

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, содержащего измерительный мост, образованный цепью вентилей плеча преобразователя и делителем напряжения,. включающее в себя трансформатор, являющийся чувствительным -элементом, первичная обмотка которого через конденсатор включена в диагональ, измерительного моста, а вторичная обмотка подключена к двухканальному логическому блоку, причем выходным элементом первого канала является элемент задержки, подключенный входом к выходу элемента И, к входам которого подключены выходы элементов Память и/НЕ, входы которых подключены к выходу входного усилителя, вход которого является входом двухканального логического блока, а второй канал образован релейным элементом , порог срабатывания которого больjiie зоны нечувствительности входного усилителя первого канала, при этом выходы задержки и релейного элемента связаны с входом выходного усилителя .логического блока, выход которого подключен к исполнительному элементу и первому сигнальному элементу, а выход элемента Память связан со вторым сигнальным элементом, о тличающееся тем, что, с целью повышения надежности, в него введены пять элементов И, два диода, два преобразователя длительности импульса в пропорциональное напряжение, два дифференцирующих элемента, два выпрямителя, четыре пороговых элемента , два сглаживающих элемента, два расширителя импульсов, три элемента времени, элемент ИЛИ и релейный усилитель, причем выход элемента задержки соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входом выходного усилителя, выход элемента Память соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом второго сигнального элемента, (Л к выходу чувствительного элемента через два разнополярно включенных (Циода подсоединены две цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные преобразователь длительности импульсов в пропорциональное напряжение, пороговый элемент, расширитель импульсов, йыходы расширителей импульсов подсоединены к входам третьего элемента И, выход кото4 рого через элемент времени соединен О) с вторыми входами первого и второго элементов И, к входам обоих преобра00 зователей длительнос.ти импульсов в СлЭ пропорциональное напряжение подсоединены две цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных дифференцирующего элемента, выпрямителя , сглаживающего элемента и порогового элемента, причем выход порогового элемента первой цепи соединен с первым входом четвертого элемента И непосредственно, ас вторым входом пятого элемента И - через первый элемент времени; выход порогового элемента второй цепи соединен с первым входом пятого элемента И непосредственно, .а с вторым входом четвертого элемента И - через вегорой

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ .

РЕСПУБЛИН

1(Я) Н 02 Н 7/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3439062/24-07 (22) 20.05.82 (46) 07.10.83. Бюл. Р 37 (72) M.E. Изотов, В.С. Молодцов и М.М. Середин (71) Южное отделение Ордена Октябрьской Pеволюции всесоюзного государственного проектно-изыскательского и научно-исследовательского института энергетических систем и электрических сетей Энергосетьпроект (53) 621.316.925.4(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 150906, кл. Н 02 Н 7/12, 1961.

2. Авторское свидетельство СССР

9 383155, кл. Н 02 Н 7/12, 1968. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, содержащего измерительный мост, образованный цепью вентилей плеча преобразователя и делителем напряжения,. включающее в себя трансформатор, являющийся чувствительным элементом, первичная обмотка которого через конденсатор включена в диагональ,измерительного моста, а вторичная обмотка подключена к двухканальному логическому блоку, причем выходным элементом первого канала является элемент задержки, подключенный входом к выходу элемента И, к входам которого подключены выходы элементов Память и НЕ, входы которых подключены к выходу входного усилителя, вход которого является входом двухканального логического блока, а второй канал образован релейным элементом, порог срабатывания которого больше зоны нечувствительности входного усилителя первого канала, при этом выходы задержки и релейного элемента связаны с входом выходного усилителя логического блока, выход которого подключен к исполнительному элементу и первому сигнальному элементу, а выход элемента Память связан со вторым сигнальным элементом, о т„„Я0„„1О4683О А л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежностц, в него введены пять элементов И, два диода, два преобразователя длительности импульса в пропорциональное напряжение, два дифференцирующих элемента, два выпрямителя, четыре пороговых элемента, два сглаживающих элемента, два расширителя импульсов, три элемента времени, элемент ИЛИ и релейный усилитель, причем выход элемента задержки соединен с первым входом первого элемента И выход которого соединен с входом выходного .усилителя, выход элемента Память соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с а входом второго сигнального элемента, @ к выходу чувствительного элемента через два разнополярно включенных ,диода подсоединены две цепи, каждая ( из которых содержит последовательно соединенные преобразователь длительности импульсов в пропорциональное напряжение, пороговый элемент, рас- . ширитель импульсов, выходы расширителей импульсов подсоединены к входам третьего элемента И, выход которого через элемент времени соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, к входам обоих преобразователей длительности импульсов пропорциональное напряжение подсоеди иены две цепи, каждая из которых сос тоит из последовательно соединенных дифференцирующего элемента, выпрямителя, сглаживающего элемента и порогового элемента, причем выход порогового элемента первой цепи соединен с первым входом четвертого элемента И непосредственно, а с вторым входом пятого элемента И - через первый элемент времени; выход порогового элемента второй цепи соединен с первым входом пятого элемента M непосредственно, а с вторым входом четвертого элемента И вЂ” через второй

1046830 элемент времени, третьи входы четвертого и пятого элементов И соединены с выходом третьего, выходы четвертого и пятого элементов И соедиИзобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам эа» щиты вентнльных преобразователей, реагирующих на повреждение отдельных вентилей при их последовЬтельнопараллельном соединении.

Изветно устройство, для защиты полупроводникового преобразователя, содержащего измерительный мост, образованный вентилями плеча преобразователя и делителем напряжения, включающее в себя трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ измерительного моста, а вторичная обмотка подключена к исполнительному элементу fl ).

Недостаток этого устройства,низкая надежность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для защиты полупроводни- К кового преобразователя, содержащее измерительный мОст, образованный цепью вентилей плеча поеобразователя и делителем напряжения, в диагональ которого включены последователь-25 но первичная обмотка трансформатора и конденсатор. K вторичной обмотке трансформатора подключен двухканальный логический блок, выходным элементом первого канала является эле- ЗО мент задержки, подключенный к элементу И, к входам которого подключены элементы Память и НЕ, входы которых подключены через усилитель к трансформатору, а второй канал об- 3g разован релейным элементом, порог срабатывания которого больше зоны нечувствительности входного усилителя первого канала (2 3.

Отличительные признаки известного устройства обеспечивают выработку сигнала о пробое любого вентиля плеча и выработку сигнала на отключение преобразователя при пробое двух вентилей в последовательной цепи независимо от их расположения относительно точек подключения первичной обмотки трансформатора и конденсатора. Причем при пробое двух вентилей, расположенных по разные сторочы от точки подключения трансформатора, 50 при пробое первого вентиля и возникновении напряжения на диагонали измерительного моста срабатывает сигнальный элемент, при пробое второго нены с входами элемента ИЛИ, выход которого через релейный усилитель подключен к цепям отключения преобразователяя.

3 вентиля сопротивления плеч моста, образованных цепью вентилей, выравниваются, напряжение небаланса на диагонали измерительного моста уме;-. -шается, на выходе элемента НЕ первого канала. логического блока появля-ется сигнал логической 1, на .выходе элемента Память также имеется сигнал логической ™ 1, на выходе элемента И при этом появляется сигнал логическ ой 1, и устройство вырабатывает сигнал на отключение преобразователя.

В режиме нагрузки преобразователя на диагонали измерительного моста существует напряжение небаланса, которое определяется различием динамических характеристик отдельных вен.тилей.

Амплитуда напряжения небаланса может достигать, а в отдельных случаях превышать амплитуду обратного напряжения на одном вентиле, при этом напряжение небаланса оказывается соизмеримым с фиксируемым значением напряжения на диагонали измерительного моста при пробое одного вентиля плеча преобразователя. Выполнение требования отстройки от напряжения небаланса в нагрузочном режиме гриводит к загрублению защиты и существенному уменьшению чувствительности.

Если после пробоя одного вентиля происходит пробой еще двух вентилей, расположенных по другую сторону от точки подключения трансформатора, то изменится полярность напряжения на диагонали моста, а значение его сохранится. При этом сигнал на отключение преобразователя не поступит.

Работа преобразователя с тремя поврежденными вентилями в одном плече значительно увеличивает вероятность пробоя плеча, и, вследствие этого, повышается вероятность выхода из строя преобразователя на длительное время.

Таким образом, указанные недостатки известного устройства снижают его

НЗДЕЖНОСТ6 °

Цель изобретения - повышение на" дежности устройства защиты.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для защиты полупроводникового преобразователя, содержащего измерительный мост, образо1046830 ванный цепью вентилей плеча преобразователя и делителем напряжения, включающее в себя трансформатор, являющийся чувствительным элементом, первичная обмотка которого через конденсатор включена в диагональ из- 5 мерительного моста, а вторичная обмотка подключена к двухканальному логическому блоку, причем выходным элементом первого канала является элемент задержки, подключенный вхо- 1() дом к выходу элемента И, к входам которого подключены выходы элементов Память и НЕ, входы которых подключены к выходу входного усилителя, вход которого является входом двух- 15 канального логического блока, а второй канал образован релейным элементом, порог срабатывания которого больше зоны нечувствительности входного усилителя первого канала, при этом выходы элемента задержки и релейного элемента связаны с входом выходного усилителя логического блока, выход которого подключен к исполнительному элементу и первому сигнальному элементу, а выход элемента Память связан с вторым сигнальным элементом, введены пять элементов И, два диода, два преобразователя длительности импульса в пропорциональное напряжение, два дифференцирующих 3() элемента, два выпрямителя, четыре пороговых элемента, два сглаживающих элемента, два расширителя импульсов, три элемента времени, элемент ИЛИ и релейный усилитель, причем выход эле- 35 мента задержки соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входом выходного усилителя, выход элемента "Память " соединен с первым входом второго эле- 4р мента И, выход которого соединен с входом второго сигиального элемента, к выходу чувствительного элемента через два разнополярно включенных диода подсоединены две цепи, xa ast 45 из которых содержит последовательно соединенные преобразователь длительности импульсов в пропорциональное напряжение, пороговый элемент, расширитель импульсов, выходы расширителей импульсов подсоединены к входам третьего элемента И, выход которого через элемент времени соединен с вторыми входами первого и второго элемента И, к входам обоих преобразователей длительности импульсов 55 в пропорциональное напряжение подсоединены две цепи, каждая из которых .состоит из последовательно соединенных дифференцирующего элемента, выпрямителя, сглаживающего элемента и Я) порогового элемента, причем выход порогового элемента первой цепи соединен с первым входом четвертого

I элемента И непосредственно, à с вторым входом пятого элемента И - через 65 первый элемент времени, выход порогового элемента второй цепи соединен с первым входом пятого элемента И непосредственно, а с вторым входом четвертого элемента И вЂ” через второй элемент времени, третьи входы четвертсго и пятого элементов И соединены с выходом третьего элемента И, выходы четвертого и пятого элементов И соединены с входами элемента ИЛИ, вы- . ход которого через релейный усилитель подключен к цепям отключения преобра- . зователя.

Повышение отстройки от напряжения небаланса в нагрузочном режиме достигается введением дополнительных первого и второго элементов И, включенных .в блоке логики известного устройства между элементом задержки и усилителем (первый элемент И) и между элементом Память и сигнальным элементом (второй элемент И). Выработка устройством сигнала или команды на отключение преобразователя происходит только после появления на вторых входах первого и второго элементов И разрешающих сигналов, вырабатываемых цепью, в которой осуществляется измерение и сравнение длительности импульсов.полуволн направг ления на диагонали измерительного моста с заданным временем. Разрешающий сигнал появляется при превышении длительностей импульсов обоих полуволн напряжения на диагонали измерительного моста заданного времени.

Длительность импульсов напряжения небаланса на диагонали измерительного моста в нагрузочном режиме преобразователя практически в три раза меньше, чем длительность импульсов напряжения при пробое вентиля в конт.ролируемом плече. Поэтому введение в схему дополнительных элементов обеспечивает срабатывание защиты в случае пробоя вентиля при одновременном достижении надежной отстройки от импульсов напряжения небаланса по их длительности в нагрузочном режиме.

Если после пробоя одного вентиля происходит пробой еще двух вентилей, расположенных по другую сторону от точки подключения трансформатора;известное устройство, как указывалось выше, не вырабатывает команду на отключение. Для устранения этого недостатка введены дополнительные измерительный и логический блоки.

Измерительный блок состоит из двух цепей, содержащих последовательно соединенные дифференцирующий элемент, выпрямитель, сглаживающий элемент и пороговый элемент, причем эти цепи подключены к вторичной обмотке трансформатора через разнополярно включенные диоды. При.пробое вентиля напря1046830 жение на диагонали измерительного моста имеет форму HMITóëüñoâ, содержащих апериодическую составляющую и высшие гармоники. Напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора, включенного в диагональ измерительного моста, не содержит апериодическую составляющую напряжения, которая полностью падает на разделительном конденсаторе. При этом одна полуволна напряжения на вторичной обмотке трансформатора содержит нысния на величину постоянной составляющей, имеет форму импульсов с практическ и неизменными мгнонениьнуи значениями напряжения. Производная первой полуволны напряжения трансформатора представляет собой знакопеременный .сигнал со значительной амйлитудой, а производная второй полунолны значительно отличается от нуля только на интервалах возрастания напряжения

20 и снижения его до нулевого значения, длительность которых существенно меньше времени существования импульса напряжения этой полунолны. Сигна25 лы, соответствующие каждой полуволне, выпрямляются, сглаживаются и йодаются на входы пороговых элементов. При

30 этом один по".»oãoíûé элемент, на вход.которого подается сигнал больше уставки, срабатывает, а другой пороговый элемент не срабатывает.

Дополнительный логический блок, подключаемый к выходу дополнительногo измерительного блока, вырабатывает команду на отключение только при изменении уровня сигналов пороговых элементов измерительного блока на противоположный,что соотнетствует пробою двух вентилей после пробоя первого вентиля, расположенного по другую сторону относительно точки подключения трансформатора. В этом случае изменяется полярность напряжения на диагонали измерительного моста и форма напряжения на входах дифференцирующих элементов И, соответственно, меняется на противоположный уровень сигналов на входах пороговых элементов..

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - осциллограммы,поясняющие работу цели, н которой осуществляется выявление пробоя вентиля по длительности полу"

55.волн напряжения трансформатора, включенного н диагональ измерительного моста (а — нормальный режиму б — пробой вентиля); на фиг. 3 и 4 - осциллограммы, иллюстрирующие работу дополнительных элементов устройства, обеспечивающих отключение преобразователя при пробое одного, а затем двух вентилей, расположенных н первом и втором. плечах 1.1 и 1.2 изме" шие гармоники, а полунолна, образованная .за счет смещения кривой напряже- рительного моста (a - нормальный режим, б — пробой одного вентиля н плече 1.1, б — пробой двух вентилей в плече 1.2).

Устройство содержит измерительный мост, образованный вентилями плеча преобразователя и делителем напряжения, в диагональ которого нключены последовательно конденсатор и первичная обмотка трансформатора, перное и второе плечо 1.1 и 1.2 измерительного моста, конденсатор .2, трансформатор (чувствительный элемент) 3, усилитель 4, элемент НЕ 5, элемент Память 6, релейный элемент 7, элемент И 8, элемент 9 задержки, Усилитель 10, сигнальный элемент 11, исполнительный элемент 12, сигнальный элемент 13, элементы И 14 и 15, диоды 16 и 17, преобразователи 18 и 19 длительности импульсов в пропорциональное напряжение, пороговые элементы 20 и 21, расширители 22 и 23 импульсон, элемент И, 24, дифференцирующие элементы 25 и 26, выпрямители 27 и 28, сглажинающие элементы

29 и 30, пороговые элементы 31 и 32, элементы 33 и 34 нремени, элементы

И 35 .и 36, элемент ИЛИ 37, релейный усилитель 38, элемент 39 времени.

На фиг. 2-4 приняты следующие обозначения:U„„ ; U„z- напряжения на двух группах вентилей плечей преобразователя, образующих соотнетственно первое и второе плечо 1.1, 1.2 измерительного моста; U* - напряжение на диагонали измерительного моста;

U — напряжение на вторичной обмотке трансформатора 3; () -(у — напряжение на выходах соответствующих элементов; 0 — напряжение срабатывания пороговых элементов 20 и 21;

1„р, — момент пробоя вентиля в пЛече

1.1; 4„р — момент пробоя двух вентилей н плече 1.2; U>, () 6, 0„,,02 напряжение на соответствующих элементах; Uc — напряжение срабатывания пороговых элементов 31 и 32.

Устройстно работает следующим образом.

При работе преобразователя в нагрузочном режиме напряжение U è О„ отличается на малых отрезках времени иэ-за различия динамических характеристик нентилей, в результате напряжение на диагонали измерительного моста U, имеет характер импульсов, значительно меньших импульса обратного напряжения (фиг. 2а). Напряжение на вторичной обмотке трансформатора 3 не содержит апериодической составляющей и представляет собой двухполярный сигнал, одна полуволна которого по длительности в несколько раз меньше другой. Полуволны этого сигнала разделяются с помощью диодов 16 и 17 и поступают на вход преобразователей длительнос1046830 ти импульсов в пропорциональное напряжение 18 и 19, на выходах которых появляются импульсы треугольной формы. Амплитуда импульса, соответствующая полуволне с меньшей длительностью, меньше установки срабатыва- 5 ния пороговых элементов 20 и 21, а амплитуда импульса, соответствующая второй полуволне, больше уставки срабатывания. Поэтому в рассматриваемом случае может сработать один из 10 двух пороговых элементов 20 или 21.

Выходы преобразователей 18, 19 соединены с входами элемента И через расширители 22 и 23 импульсов. При возникновении импульсных сигналов на вы- 5 ходе одного из пороговых элементов 20 или 21 на выходе соответствующего расширителя 22 или 23 импульсов появится постоянный сигнал, на выходе элемента И 24 сигнал не появится,поэтому на вторых входах элементов

И 14 и 15, установленных в цепях отключения и сигнализации известного устройства, будет блокирующий сигналлогический 0 .

При пробое вентиля в плече 1.1 или 1.2 измерительного моcTà длительность импульсов напряжения на его диагонали равна длительности импульсов обратного напояжения на вентилях.

Длительности полуволн напряжения на трансформаторе 3 примерно одинаковы и в несколько раз превышают длитель ность импульсов напряжения небаланса (Фиг. 2б). В результате амплитуда сигналов на выходах преобразователей 35

18 и 19 превышает уставки срабатывания пороговых элементов 20 и 21, сигнал, соответствующий логической 1 появляется на обоих входах элемента

И 24,на его выходе и одновременно на 4О вторых входах элементов И 14 и 15 появляется разрешающий сигнал — логическая 1 . B этом случае при срабатывании известного устройства появляется сигнал о пробое вентиля в плече преобразователя.

При пробое второго вентиля в друroM плече (12 или 1.1) напряжение на диагонали U выравнивается и сигнал на выходе элемента И 24.исчезает, однако разрешающий сигнал на вторых входах элементов И 14 и 15 сохраняется благодаря действию элемента 39 времени на время, достаточное для отработки команды на отключение выключателя, вырабатываемой известным 55 устройством.

При нормальной работе выпрямителя на вход дифференцирующих элементов

25 и 26 поступают полуволны напряжения небаланса трансформатора, од- 60 на из которых представляет собой узкий импульс, а другая — импульс, близкий по форме к прямоугольному импульсу с малой амплитудой (фиг. За). На выходе дифференцирующих элементов 65

25 и 26 в этом случае появятся узкие одиночные импульсы, на выходе выпрямителей 27 и 28 эти импульсы будут иметь одну полярность, амплитуда импульсов на выходах сглаживающих элементов 29,30 будет меньше напряжения срабатывания пороговых элементов 31 и 32.При этом логичес-" кий блок, .состоящий из элементов

33-37, не срабатывает. В момент „р происходит пробой первого вентиля, например в плече 1,1. При этом полуволна напряжения на диагонали измерительного моста И „, поступающая на вход дифференцирующего элемента 25, имеет ярко выраженные высшие гармоники, а другая полуволна, поступающая на вход элемента 26, не имеет ярко выраженных высших гармоник. Поэтому на выходе дифференцирующего элемента 2 5 зн акоперемен ные сигналы будут. иметь длительность, равную длительности импульсов обратного напряжения на вентилях, а на выходе дифференцирующего элемента 26 сигналы будут иметь длительность, равную времени нарастания и снижения значения напряжения импульса, которая существенно меньше первой. В данном случае выпрямленный и сглаженный сигнал на выходе порогового элемента 31 будет иметь большее значение, чем сигнал на входе порогового элемента 32, от значения которого производится отстройка по напряжению срабатывания, В рассматриваемом случае срабатывает пороговый элемент 31, а элемент

32 не сработает. При этом на первом входе элемента И 35 появится сигнал логической 1, íà его втором входе сохранится сигнал 0, на третьем входе, связанном с выходом элемента И 24 сигнал равен логической 1, на выходе элемента И 35 сигнал равен логическому 0 .

На первом входе элемента И 36 сигнал равен логическому 0 ., на .втором входе после срабатывания порогового элемента 31 появится сигнал логической 1, на третьем входе сигнал также равен логической 1, на выходе элемента И 36 сигнал равен логическому 0 .

B момент 1 2 происходит пробой сразу двух вентилей в плече 1.2.

Напряжение на диагонали моста меняет полярность, при этом сигнал иа выходе порогового элемента 31 исчезает, а на выходе элемента 32 появляется. Одновременно с этим появляется сигнал логической 1 на выходе элемента H 36 и элемента ИЛИ 37, поскольку сигнал логической 1 на втором входе элемента И 36 существует дольше, чем на выходе порогового элемента 31 благодаря действию элемента 33 времени, имеющего выдержку

1О времени на пропадание сигнала. В результате происходит срабатывание релейного усилителя, вырабатывающего команду на отключение преобразователя.

Логические и Функциональные эле- 5 менты дополнительного устройства могут быть реализованы с использованием полупроводниковой техники.

Технико-экономическая эффективность устройства определяется повыше- )g

НИЕМ НадЕжНОСтн ЗащятЫ ПресбраЭОВателя при пробое отдельных вентилей за счет усиления отстройки защиты от напряжения небаланса, а также за счет предотвращения отказа защиты при пробое одного, а затем двух вентилей, расположенных в разных плечах измерительного моста. Экономический эФФект обусловлен исключением ложных срабатываний защиты, сопровождающихся отключением преобразователя и недоотпуском электроэнергии подключенных к нему потребителей, а также обеспечением надежного срабатывания защиты и отключения преобразователя при последовательном во времени пробое одного иэ двух вентилей и предотвращением выхода из строя большого числа вентилей плеча преобразователя.

)046830

1046ВЗО ар/ ïðå д

57

Р г. 4

ВНИИПИ Заказ 7741/51 Тираж 617 Подписное

Филиал IIIIfI "Патент", r.Óæãîðoä, ул.Проектная,4