Выпрямитель с защитой от токов короткого замыкания

 

ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ЗАВДТОЙ ОТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, содержащий силовой трехфазньй трансформатор, первичные обмотки которого предназначены для подключения через автоматический выключатель к соответствугацей фазе напряжения сети, а вторичные соединены с силовой частью вьтрямителя , блок диагностики и защиты от токов короткого замьжания, выходом подключенный к входу блока управления отключением автоматического выключателя , отличающийся тем, что, с целью повышения ремонтопригодности .вьшрямителя и быстродействия его защиты от токов короткого замыкания в цепи силовьпс диодов, в него введены три датчика проводимости , силовая часть выпрямителя содержит диоды, включенные по схеме трехфазного вьтрямителя с нулевым вьгеодом , трехфазньй трансформатор выполнен по схеме Звезда-звезда с нулевым выводом на вторичной стороне, а блок диагностики и защиты от токов короткого замыкания включает источник сигнала логической единицы, три компаратора, три элемента НЕ, три двухвходовых элемента Й-НЕ, шесть элементов задержки, три двухвходовых элемента ИЛИ, три синхронизированных RS -триггера со светодиодными индикаторами на выходе, трехвходовнй элемент ИЛИ, ключевой элемент с размыкающим и замыкагацим контактами, причем каждьй датчик проводимости подключен к диоду соответствукндей фазы выпрямителя, первьй и второй входы первого компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам А и В напряжения сети, первый и второй входы второго компаратора предназначены для соединения соответстсл венно с фазами А и С напряжения сети, а первый и второй входы третьего компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам В и С напряжения сети, при этом выходы первого и второго компараторов подключены к входам первого двухвходового элемента И-НЕ и соединены с входом соответственно первого и второго элеЛ ментов НЕ, выход третьего компарато35 ра подключен к входу третьего элею мента НЕ и соединен с первым входом второго двухвходового элемента И-НЕ, :о второй вход которого подключен к выходу Первого элемента НЕ, выходы второго и третьего элементов НЕ подключены к соответствуняцим входам третьего двухвходового элемента И-НЕ, выходы первого, второго и третьего двухвходовых элементов И-НЕ подключены к входу первого, второго и третьего элементов задержки соответственно , выходы которых подключены к первым входам соответственно первого.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (э) (>>) У ° 47

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3664625/24-07 (22) 24. 11. 83 (46) 15.05.85. Бюл. В 18 (72) Л.И.Цытович и Н.В.Поваров (») Челябинский политехнический институт им. Ленинского комсомола (53) 621.314.6:621.31б.925.4 (088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

9 873354, кл. Н 02 М 7/04, 1979.

2,Ситник Н.Х.,Силовая полупроводниковая техника. N. "Энергия", 1968, с. 20б, рис. 4-30а. (54)(57) ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ЗЖЦИТОЙ ОТ

ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, содержащий силовой трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого предназначены для подключения через автоматический выключатель к соответствующей фазе напряжения сети, а вторичные— соединены с силовой частью выпрямителя, блок диагностики и защиты от токов короткого замыкания, выходом подключенный к входу блока управления отключением автоматического выключателя, отличающийся тем, что, с целью повышения ремонтопригодности .выпрямителя и быстродействия его защиты от токов короткого замыкания в цепи силовых диодов, в него введены три датчика проводимости, силовая часть выпрямителя содержит диоды, включенные по схеме трех фазного выпрямителя с нулевым выводом, трехфазный трансформатор выполнен по схеме "Звезда-звезда" с нулевым выводом на вторичной стороне, а блок диагностики и защиты от токов короткого замыкания включает источник сигнала логической единицы, три

«Si) H 02 М 7/04 ° Н 02 Н 7/125 компаратора, три элемента НЕ, три двухвходовых элемента И-НЕ, шесть элементов задержки, три двухвходовых элемента ИЛИ, три синхронизированных

g5 -триггера со светодиодными индикаторами на выходе, трехвходовий элемент ИЛИ, ключевой элемент с размыкакицим и замыкающим контактами, причем каждый датчик проводимости подключен к диоду соответствующей фазы выпрямителя, первый и второй входы первого компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам А и В напряжения сети, первый и второй входы второго компаратора пред назначены для соединения соответст, венно с фазами А и С напряжения сети, а первый и второй входы третьего компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам В и С напряжения сети, при этом выходы первого и второго компараторов подключены к входам первого двухвходового элемента И-НЕ и соединены с входом соответственно первого и второго элементов НЕ, выход третьего компаратора подключен к входу третьего элемента НЕ и соединен с первым входом второго двухвходового элемента И-НЕ,. второй вход которого подключен к выходу первого элемента НЕ, выходы второго и третьего элементов НЕ подключены к соответствующим входам третьего двухвходового элемента И-НЕ, выходы первого, второго и третьего двухвходовых элементов И-НЕ подключены к входу первого, второго и третьего элементов задержки соответственно, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого, 11562 второго и третьего двухвходовых элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены с R--входами Я5-триггеров и предназначены для подключения к шине нулевого потенциала через размыкающий контакт ключевого элемента, эамыкаЮщий контакт которого подключен к источнику сигнала логической единицы, выходы первого, второго н третьего двухвходовых элементов ИЛИ соединены с С-входами соответственно первого, второго и третьего Р$—

13 триггеров, 5 -входы первого, второго и третьего А5 -триггеров соответственно через четвертый, пятый и шестой элементы задержки подключены к выходу датчика проводимости диода фазы А, В и С соответственно, выходы первого, второго и третьего RS-триггеров подключены к соответствующим входам трехнходового элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока диагностики и защиты от токов короткого замыкания.

Изобретение, относится к силовой преобразовательной технике и может применяться в источниках питания систем управления технологическими процессамн.

Известен преобразователь электрической энергии, состоящий нз трех параллельно работающих систем импульсно-фазового управления (СИФУ), блоков диагностирования и ключевого коммутатора. В устройстве применен способ многократного резервирования

СИФУ, диагностирование работоспособности которых осуществляется с помощью блоков диагностирования (БД), включающих последовательно включенные делитель частоты, пропорциональнодифференцирующее звено и демодулятор $1) .

Однако известный преобразователь имеет недостаточно высокую надежность из-за отсутствия в нем быстродействующей защиты от токов короткого замыкания s блоке силовых тиристоpos, Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее силовой трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого предназначены для подключения через автоматический выключатель к соответствующей фазе напряжения сети, а вторичные соединены с силовой частью выпрямителя, блок диагностики и защиты от токов короткого замыкания, выходом подключенный к входу блока управления отключением автоматического вы-. ключателя (2) .

Недостатком данного устройства также является низкое быстродействие защиты по току., Кроме того, схема

% токовой защиты выпрямителя не обеспечивает локализации места неисправности s силовой схеме выпрямления, что ухудшает ремонтопригодность устройства в целом.

@ Целью изобретения является повышение ремонтопригодности выпрямителя и быстродействия его защиты от токов короткого замыкания в цени силовых диодов.

Поставленная цель достигается тем, что в выпрямитель с защитой от токов короткого замыкания, содержа" щий силовой трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого предназначены для подключения через автоматический выключатель к соответствующей фазе напряжения сети, а вторичные соединены с силовой частью выпрямителя, блок, диагностики и защиты от токов короткого замыкания, выходом подключенный к входу блока управления отключением автоматического выключателя, введены три датчика проводимости, силовая часть вынрямителя содержит диоды, включенные по схеме трехфазного выпрямителя с нулевым выводом, трехфазный траис4юрматор выполнен по схеме "Звезда-звезда" с нулевым выводом на вторичной стороне, а блок диагностики и защиты

ЭЗ.от токов короткого замыкания вкавчает источник сигнала логической единицы, три компаратора, три элеиеита НЕ, три двухвходовых элемента И-НЕ, шесть го элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока диагностики и защиты от токов короткого замыкания.

На фиг. 1 представлена функциональная схема выпрямителя с защитой от токов короткого замыкания; на фиг.2— функциональная схема блока диагностики и защиты от токов короткого замыкания; на фиг. 3 — временные диаграммы работы выпрямителя с защитой.

Устройство содержит силовой трансформатор 1 с первичными 2 и вторичными 3 обмотками, диоды 4, 5 и 6, датчики проводимости 7,8 и 9, блок

10 нагрузки выпрямителя, автоматический выключатель 11 с блоком 12 управления его отключением, блок f3 диагностики и защиты от токов короткого замыкания, клеммы 14-23 для подключения блока f3 диагностики и защиты, шины 24, 25 и 26.соответст венно напряжений U> (t), U> (t), U (t) фаэ А, В, С сети выпрямителя, первый 27, второй 28 и третий 29 компараторы, первый 30, второй 31 и третий 32 элементы НЕ, первый 33, второй 34 и третий 35 двухвходовые элементы И-HE первый 36, второй 37, третий 38, четвертый 39, пятый 40 и шестой 41 элементы задержки, первый 42, второй 43 и третий 44 двухвходовые элементы ИЛИ, трехвходовый элемент ИЛИ 45, йь -триггеры 46, 47 и 48, светодиодные индикаторы 49, 50 и 51, ключевой элемент 52, клемму 53 для подключения источника сигнала логической единицы и шину 54 нулевого потенциала.

Силовой трансформатор f (фиг.f) выполнен по схеме "Звезда-звезда" с нулевым выводом на вторичной сто,.роне. фь

Диоды 4, 5 и 6 предназначены для выпрямпения вторичного напряжения трансформатора

Датчики проводимости 7 ° 8 и 9 диодов 4, 5 и 6 имеют нулевое значение выходного напряжения (клеммы 14, 15 и 16) в случае непроводящего состояния диодов 4, 5 и 6. В случае открытого состояния диодов 4, 5 и 6 сигнал на выходе датчиков 7, 8 и 9 соответствует уровню логической "f"

Автоматический выключатель 11 включается и выключается вручную.

Кроме того, при воздействии сигнала логической единицы на вход блока 12 з 11562 f 3 элементов задержки, три двухвходовых элемента ИЛИ, три синхронизированных

КЬ триггера со светодиодными индикаторами на выходе и трехвходовый элемент ИЛИ, ключевой элемент с размы- 5 кающим н замыкающим контактами, причем каждый датчик проводимости подключен к диоду соответствующей фазы выпрямителя, первый и второй входы первого компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам А и В напряжения сети, первый и второй входы второго компаратора предназначены для соединения соответственно с фазами А и С напряже- 15 ния сети, а первый и второй входы третьего компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам В и С напряжения сети, выходы первого и второго компараторов под- 20 ключены к входам первого двухвходового элемента И-НЕ и соединены с входом соответственно первого и второго элементов НЕ, выход третьего компаt ратора подключен к входу третьего элемента НЕ и соединен с первым входом второго двухвходового элемента

И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу первого элемента НЕ, выходы второго и третьего элементов НЕ под- зо ключены к соответствующим входам третьего двухвходового элемента И-НЕ, выходы первого, второго и третьего двухвходовых элементов И-НЕ подключены к входу первого, второго и тре- З

35 тьего элементов задержки соответственно, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого, второго и третьего двухвходовых элементов ИЛИ, вторые входы которых gp соединены с Я-входами Q5-триггеров и предназначеныдля подключения к шине нулевого потенциала через размыкающий контакт ключевого элемента, замыкающий контакт которого подключенк источнику сигнала логической единицы, выходы первого, второго и третьего двухвходовых элементов ИЛИ соединен с С-входами соответственно первого,второго и третьего КВ- триггеров, Я-входы первого, второго и третьего -триггеров соответственно через четвертый, пятый -и шестой элементы задержки подключены к выходу датчика проводимости диода фазы А В и С соЭ 55 ответственно, выходы первого, второго и третьего gg-триггеров подключени к соответствующим входам трехвходово1156213 происходит автоматическое отключение выпрямителя от напряжения сети, Компараторы 21, 28 и 29 (фиг. 2) имеют выходной сигнал уровня логической 1, когда сигнал на их пер- э вом входе (клеммы 17, 19 и 21) превыаает уровень сигнала на втором входе (клеммы 18, 20 и 22), в противном случае выходной сигнал компараторов 27, 28 и 29 равен нулю.

Элементы 30, 31 и 32 НЕ инвертируют уровень выходных сигналов компараторов 21, 28 и 29.

Элементы 33, 34 и 35 И-НЕ формируют сигнал логической единицы при отсутствии сигналов на нх входах.

Элементы задержки 36-41 функционируют таким образом, что передний фронт их выходного сигнала запаздывает на время по отношению к переднему фронту входного сигнала, а задние фронты входного и выходного воздействий совпадают.

Разрешение на изменение состояния Р5-триггеров 46, 47 и 48 осуществляется подачей на синхронизирующие входы С сигнала логической при этом на выходе формируется сигнал логической "1", если на вход

G подана логическая f р а на вход сигнал логического "О". Перевод триггеров 46, 47 и 48 осуществляется путем подачи на входы С и к сигнала логической "1" при нулевом уронне воздействия на входе 6 . 35

Логические 42, 43 и 44 двухвходо" вые элементы ИЛИ и трехвходовый элемент ИЛИ 45 формируют на выходе сигнал логической "1", если хотя бы иа один из входов подано воздействие 46 логическая "1" °

Устройство работает следующим образом.

Диоды 4,5 и 6 находятся в проводящем (открытом) состоянии в иитерва- 43 лах времени, лежащих между точками естественной коммутации 55-53 51-58 и 59-55 диодов (фиг. ЗаД, В результате в цепи нагрузки 10 (фиг. 1) формируется выпрямленное напряжение $6 с частотой пульсаций, превышающей в три раза частоту напряжения сети выпрямителя.

Датчики проводимости 7, 8 и 9 диодов 4, 5 и 6 формируют сигнал логи- 5З ческой "1" в том случае, когда соот" ветствующий им вентиль находится в проводящем состоянии.

Блок диагностики и защиты 13 выполняет функции быстродействующего контура защиты выпрямителя от токов короткого замыкания в цепи силовых диодов 4, 5 и б.

Принцип диагностирования состояния диодов 4, 5 и б базируется на следующих положениях.

В интервале времени, ограниченном точками 55 и 57 (фиг. За), в проводящем состоянии находится диод 4 фазы А. Очевидно, что в рамках данного диапазона нет необходимости контролировать состояние диода 4, так как опасным для работы устройства является короткое замыкание в цепи диодов 5 и б, когда онн s результате выхода из строя могут оказаться элементами с двухсторонней проводимостью.

Аналогичным образом в течение времени, ограниченного точками естественной коммутации 57, 59 H 59, 55 (фиг. За), необходимо производить диагностирование состояния диодов

4, б и 4, 5 соответственно. Контроль же диодов 5 (интервал 55-59) и

6 (интервал 59-55) с позиций сохранения у них свойств односторонней проводимости в данном случае нецелесооб" равен, так как с точки зрения работоспособности схемы выпрямителя это является непринципиальным.

Кроме того, принцип диагностирования состояния диодов 4, 5 и 6 в предлагаемом устройстве базируется не иа количественном анализе параметров событий (величина тока через вентиль, ток короткого заььжания (K3} в цепи вентилей и т.д.), как зто обычно реализуется в известных устройствах, а иа констатации самого факта появления того или иного события i

Действительно, вряд ли целесообразно, например в интервале времени

55-51 (4жг. За} измерять величину тока через диод 5 или 6, когда сам факт наличия тока через один ив этих диодов уже говорит о неработоспособности схемы выпрямителя и. необходимости ее отключения от напряжения сети в течение минимально возможного времени. Такой подход к принципу диагностирования состояния силовых элементов схемы выпрямителя позволяет существенно упростить конструкцию устройства в целом и обесi 56213

1 лечить максимальное быстродействие . схемы защиты выпрямителя от токов короткого замыкания в цепи диодов

4, 5 и 6, Процесс диагностирования состояния силовых элементов выпрямителя происходит следующим образом.

С помощью компаратора 27 (фиг.2) сравниваются уровни напряжений

U<(t} и Ug(t) (фиг. Зо). Когда

U (t) > U (t) на выходе компаратора 27 аориируетсн сигнал Хнр (С) логической "1" (фиг. 3 Я .

Компаратор 28 осуществляет сравнение напряжений U (t) и U<(t) (фиг. 3a). В результате в течение времени, ограниченного точками 1-4, на выходе компаратора 28 формируется сигнал Х г{й} логической "1" (Фиг. 38).

С помощью элемента 33 И-НЕ сигналы Х в (t) (фиг. 36) и Х с(t) (фиг. Зо) сравниваются. В итоге на выходе блока 33 появляется сигнал

Х (t) (фиг. 31), интервал паузы (состояние логической "0"} которого соответствует отрезку времени, ограниченному точками естественной коммутации 55-57 (Фиг. 30) °

Компаратор 29, сравнивающий напряжения U (t) и + (t), формирует на выходе сигнал логической "1", длительность которого (фиг. 3 ) соответствует отрезку времени между точками коммутации 56-59 (Фиг. За)

С помощью блока 30 сигнал Хд () (фиг. Зо) на выходе компаратора 27 (фиг. 2) инвертируется (фиг. ЗР и сравнивается с помощью элемента И-HE с сигналом X (t) (фиг. Зе} .

В результате на выходе элемента

И-BE 34 формируется сигнал Х ()

{фиг. Зэ), интервал паузы которого соответствует длительности рабочего состояния диода 5 (Фиг. Зд, интервал

57-58).

С помощью элементов 31 и 32 HE происходит инвертирование выходных сигналов компараторов 28 и 29 (фиг..Зв,e) Формирование импульсов

Хс,1(й) (фиг. Зк, блок 3 1) и Х (t) (фиг. 3, блок 32), длительность которых соответствует отрезкам времени между точками 58-55 и 59-56 (фиг. Зд).

Сравнение сигналов CA{t) и

Х а (t) (фиг. Зк,g) приводит к формированию на выходе элемента И-НЕ 35 интервала паузы, который соответствует длительности рабочего состояния вентиля 6 (фиг, За,м} точки 59-55.

Элементы задержки 36, 37 и 38

{фиг. 2) приводят к запаздыванию формирования переднего фронта сигнала логической."1" на выходе элементов

42, 43 и 44 ИЛИ и синхронизирующем входе С триггеров 46, 47 и 48. Величина задержки 7 {фиг. 34,И,H сигналы Х (t), Х (t), Х (t) на выходе блоков 36, 37 и 38 соответственно) выбирается из условия сокончания переходного процесса в датчиках проводимости 7, 8 и 9 (фиг. 1) при уменьшении их выходного сигнала до уровня логиtt 11 ческого 0 при выключении диодов 4, 5 и 6. Сигнал на выходе элементов 42, 43 и 44 полностью повторяет форму выходных импульсов блоков 36, 37 и

38 (фиг. Зд,и,Ч).

Элементы задержки 39, 40 и 4 1 осуществляют задержку переднего фронта выходного сигнала Р (t), (t), p (t) датчиков 7, 8 и 9 уровня логического

71 77

1 на величину 1 при включении диодов 4, 5 и 6 (фиг, 3b,и,н).

Элеме нты 36-4 1 по з в оля ют из бежат ь неоднозначности состояния элементов схемы диагностирования в моменты времени коммутации токов через диоды 4, 5и6.

При этом выходные сигналы логической "1" p@ (t) (фиг. Зд}, (t} (фиг. ЗИ), Р И) (фиг. Зн} датчиков

7, 8 и 9 находятся как бы "внутри" интервалов паузы (логический "0") сигналов Х {t), Хв (Г}, Х (t) (фиг. Зд,и,н) синхронизации триггеров 46, 47 и 48.

В течение времени и интервала

А

55-58 (фиг, Зц) на входе С триггера

Формируется сигнал Х (t) (Фиг. ЗЫ

22 27 А логического 0, который осуществляет запре т на его переключение в. с остоя ние логической " 1 " . При этом на вход $ поступает сигнал P> (t ), который не приводит к переключению триггера 46, так как Х (t) = 0 (фиг.Зд).

За время В, когда диод 4 должен бить закрыт, сигнал Х (t) = логиМ ческой "1" и триггер 46 может переключиться в состояние логической "1" сигналом с выхода датчика 7 проводимости. Последнее окажется возможным, если диод 4 в интервале t выйдет

ВС из строя и станет элементом с двухсторонней проводимостью. Тогда выход1156213

Таким образом„ предлагаемое устройство обладает повышенной ремонто пригодностью выпрямителя и быстродей-! ствием его защиты от токов короткого

И замыкания. ной сигнал триггера 46 станет равным логической "1", на выходе элемента

ИЛИ 45 также сформируется напряжение логической "1", которое, воздействуя на блок 12 (фиг. 1), вызовет отключейие автомата 11.

Аналогичнъм образом s течение времени t+ (фиг. Зц) и йс (фиг. Зн) рабочего состояния диодов 5 н 6 осуществляется запрет на переключение триггеров 47 и 48 s состояние логической "1", а в интервалах времени

t, (фиг. Зц) и и в(фиг. ЗН) контролируется состояние их проводимости.

Если в течение времени Й (tan) дйод 5(6) перейдет в открытое состояние, то соответствующий из триггеров

47 или 48 перейдет в состояние логической "1", и выпрямитель отключится ,от напряжения сети. 36

Одновременно с переходом триггеров 46, 47 и 48 в состояние логической "1" включается световая индикация на основе светодиодных блоков

49, 50 и 51, наличие которой сразу указывает на неработоспособный диод выпрямителя. Например, включение индикатора 50 свидетельствует о необходимости замены диода 5 фазы В.

Таким образом, локализуется место неисправности в схеме выпрямителя и сокращается время на его ремонт, чем повышается ремонто-пригодность устройства.

Ключ 52 служит для установки триггеров 46, 47 и 48 в исходное нулевое состояние. Для этого контакт ключа 52 замыкается и на входы С и R триггеров подается сигнал логической

И ФФ при этом на входе Б присутствует сигнал логического "0", так как силовой блок выпрямителя на включен н

fP (t) (t) f (t) ) логическому "0".

1156213

1156213

Составитель О.Мещерякова

Редактор А.Гулько Техред О.Ващишина Корректор Л.Пилипенко

Заказ 3192/53 Тираж 646 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная,4