Выпрямитель с защитой

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника питания постоянного тока с защитой в системах управления технологическими процессами. Цель изобретения - повьшение надежности. Выпрямитель содержит силовой трансформатор 6, первичная обмотка которого через автоматический выключатель 4 с блоком управления 5 соединена с входными клеммами 1-3 для подключения трехфазной питающей сети. Вторичные обмотки 10-15 силового трансформатора 6 совместно с вентилями 16-21 i (Л с laUl

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51).4 Н 02 М 7/04; Н 02 Н 7/125

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ЗАЩИТОЙ (57) Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника питания постоянного тока с защитой в системах управления технологическими процессами. Цель изобретенчя— повышение надежности. Выпрямитель содержит силовой трансформатор 6, первичная обмотка которого через автоматический выключатель 4 с блоком управления 5 соединена с входными клеммами 1-3 для подключения трехфазной питающей сети. Вторичные обмотки 10-15 силового трансформатора 6 совместно с вентилями 16-21 обв с р

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3850414/24-07 (22) 31.01.85 (46) 23.07.86. Бюл. 9 27 (71) Челябинский политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) Л.И. Цытович, В.Г. Маурер и Е.В. Анании (53) 621.314.632:621. 316.925.4 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 1094129, кл. Н 02 P 13/16, 1982.

Авторское свидетельство СССР

У 1101990, кл. Н 02 М 5/257, 1983.

Авторское свидетельство СССР

У 1169115, кл. Н 02 Н 7/12, ., 13.12.83.

„„SU„„1246287 А 1

1246287 разуют две трехфазные нулевые схемы выпрямления, в цепь нагрузки которых включены вторичные обмотки 25, 26 разделительного трансформатора

24. Первичная обмотка 27 разделительного трансформатора 24 зашунтирована релейным элементом 28 и соединена последовательно с первичной обмоткой 38 разделительного трансформатора 37 и токоограничивающим резистором 54, а через последовательную цепь из фильтра 48, демодулятора 46, порогового элемента 50 — с одним из входов элемента ИЛИ 52.

Вторичная обмотка 45 разделительного трансформатора 37 соединена с входом демодулятора 47, выход которого через фильтр 49 и пороговый элемент 51 соединен с другим входом элемента ИЛИ 52, выходом соединен1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использована в качестве источника питания постоянного тока в системах управления технологическими процессами.

Цель изобретения — повышение надежности выпрямителя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема выпрямителя с защитой; на фиг. 2 — характеристики элементов выпрямителя с защитой; на фиг. 3-6— временные диаграммы сигналов; на фиг. 7 — варианты реализации функциональных узлов выпрямителя.

В состав выпрямителя (фиг. 1) входят клеммы 1-3 для подключения устройства к трехфазной системе напряжений (фазы А, В и С), автоматический выключатель 4 с блоком 5 управления, силовой трансформатор 6 с первичными 7-9 и вторичными 10 — 15 обмотками, вентили 16-21, блоки 22 (первый) и 23 (второй) нагрузки, первый разделительный трансформатор 24 с вторичными 25 и 26 и первичной 27 обмотками, релейный элемент 28, резистор 29, шина 30 нулевого потенциала, разделительные конденсаторы

31-36, второй разделительный трансформатор 37 с первичной 38 и вторичными нога через селектор длительности импульсов 53 с входам блока управления 5. Вторичные обмотки 39-44 разделительного трансформатора 37 через разделительные конденсаторы 31—

36 соединены с анодами вентилей 1.621. Нулевые точки эвезд, обмоток,3941 и 42-44 соединены с катодами вентилей 16-18 и 19-21 соответственно. При разрыве в цепи какого-либо вентиля 16-21 канал, включающий демодулятор 47, фильтр 49, пороговый элемент 51, отключает устройство от сети путем увеличения амплитуды импульсов на вторичной обмотке 45 вследствие уменьшения нагрузки трансформатора 37. При этом команда на отключение дублируется по каналу: релейный элемент 28, фильтр 48, демодулятор 46,пороговыйэлемент 50.7 ит.

39-45 обмотками, первый 46 и второй

47 демодуляторы, первый 48 и второй

49 фильтры, пороговые элементы 50 и

51, элемент KIH 52, селектор 53 длительности импульсов, токоограничивающий резистор 54.

Блок 28 (фиг. 1) выполнен с симметричными относительно "нуля паро— гами переключения + В и инвертирую10 щей петлей гистерезиса (фиг. 2 ц ) и может быть реализован на операцион-. ном усилителе 55 по схеме регенеративного компаратора с резисторами

56-58 (фиг. 7 Б ). При этом выходной

15 сигнал: блока 28 меняется дискретно в пределах +А.

Демодуляторы 46 и 47 выполнены с характеристикой, показанной на фиг. 26. Фильтры 48 и 49 реализуют2Î ся íà g C-цепи или LC-цепях (фиг. 2 г) и предназначены для подавления высо— качастотного спектра входного сигнала.

Пороговый элемент 50 переключается в состояние +А, когда ега входной сигнал превышает пороговый уровень

С (фиг. 2 6 ). Выходной сигнал

% элемента 51 равен нулю в том случае, когда входной сигнал находится внут36 ри завы С,, — С„(фиг. 2 g ) .

1246287

Напряжение на выходе элемента

52,равно "Лог, 1" при условии наличия хотя бы на одном из входов сигнала "Лог. 1" (фиг. 2,е,зк) °

Селектор 53 длительности импульсов формирует на выходе сигнал

"Лог. 1" только в том случае, когда длительность входного импульса превышает заданную величину (фиг.2, и ). !О

Выключатель 4 включается вручную, а его отключение может быть осуществлено как вручную, так и путем подачи на вход блока 5 сигнала "Лог.1".

На чертежах введены следующие !5 обозначения: )1„(t), U>(t), U (t) трехфазная система первичного напряжения выпрямителя, Y (t ) — напряжение на выходе первого трехфазного выпрямителя; Ч, (t) — сигнал на вы- 20 ходе релейного элемента 28; Y (t )напряжение на резисторе 29; К„ (1)напряжение на обмотке 45 трансформатоРа 37; У„(t) (5з (1) — сигналы на выходе блоков 47-53 соответствен- 2s но; i(t) — ток, протекающий через блок 22 нагрузки; t „ t — циклы развертывающего преобразования; Т интервал дискретизации импульсов на выходе релейного элемента 281 30 момент перехода вентиля 16 в аварийный режим двухсторонней проводимости; 1,, t — момент времени появления на выходе элементов 50 и 51 сигнала "Лог. 1"; +А — амплитуда импульсов на выходе демодулятора 47 в исправной схеме выпрямителя; 6A— амплитуда импульсаций на выходе демодулятора 47.

На фиг. Зг, е и 76, е уровень

"Лог. 1" обозначает переход соответствующего вентиля 16-21 в открытое состояние.

Выпрямитель работает следующим 45 образом.

Две выпрямительные схемы реализованы на диодах 16-18 к )9-21 со" ответственно. Схема, включающая дио" gp ды 16-18, является силовой, которая работает на полезную нагрузку 22, а схема, состоящая из вентилей 1921, представляет собой физическую модель силовой схемы выпрямпения напряжения сети. Принцип действия силовой и вспомогательной схем иден тички. Считаем, что нагрузка 22. является активной. В интервале време-, ни, ограниченном точками 1 и 2 естественной коммутации (фиг. За), в открытом состоянии находятся вентили 16 и 19 (фиг. Зг). В точке II (фиг. 3 q ) диоды !6 и 19 закрываются, а в открытое состояние переходят вентили 17 и 20 (фиг. Зч), которые проводят ток в интервале, ограниченном точками II-III (фиг. 3 а). Далее, в интервале III-1 в проводящем состоянии находятся диоды 18 и 21 (фиг. Зе). В дальнейшем процесс периодически повторяется и на нагрузках

22 и 23 формируется постоянное напряжение, форма которого показана на фиг.З Б (индуктивность обмоток 25 и

26 пренебрежимо мала, поэтому ее влияние .на форму выпрямленного напряжения/тока не учитывается).

Тракт диагностирования состояний элементов силовой и вспомогательной выпрямительных схем состоит из двух каналов. Первый канал, включающий звенья 24-29 выполняет функции датчика тока в цепи нагрузки 22 и 23, а второй канал, состоящий из блоков

31-45, 47 и 49, играет роль датчика проводимости, с помощью которого оценивается число вентилей, одновременно находящихся в проводящем состоянии.

Датчик тока (фиг. 4 a ) представляет собой автоколебательную частотно-широтно-импульсную систему, которая работает следующим образом.

При нулевом значении тока в обмотке 25 (фиг. ), 4а) на выходе релейного элемента 28 формируются импуль- . сы .типа "меандр" с нулевым уровнем постоянной составляющей (фиг.4Ь).

Переключение релейного элемента 28 осуществляется импульсами напряжения, формируемыми на резисторе 29 (фиг.), 4 а) в моменты времени насыщения магнитопровода трансформатора 24 (фиг. 4 S).

Предположим, что через обмотку

25 протекает постоянный ток (фиг.4 a), соответствующий току нагрузки 22 силовой схемы выпрямителя (пульсирующей составляющей тока нагрузки пренебрегаем с целью упрощения временных диаграмм датчика тока). В интервале времени t, (фиг. 4 e ) перемагничивание трансформатора 24 осуществляется цод действием разности токов, протекающих через обмотки 25 и 27

l 246287 в (фиг. 4, е ), а в интервале С вЂ” под действием суммы этих токов. В результате t >t (фиг. 4е ),„ а постоянная составляющая импульсного потока на выходе релейного элемента

28 за время Т устанавливается пропорциональной току нагрузки 22.

В предлагаемом устройстве защита выпрямителя от тока к.з. в цепи блока 22 осуществляется путем сравнения значений токов, протекающих в выходных цепях силовой и вспомогательной выпрямительных схем. При этом обмотки 25 и 26, ампер-витки которых равны, включаются встречно одна относительно другой (фиг. 1).

В результате при исправном состоянии выпрямительных схем на выходе реляйного элемента 28 формируется сигнал со средним нулевым значением (фиг. 46), частота которого значительно превышает частоту питающего напряжения (фиг. За,Ь ). В реальных схемах, прошедших лабораторные испытания, частота сигнала

Y (t ) составляет 100-300 кГц при частоте первичного напряжения 50 Гц.

В предлагаемом устройстве датчик тока выполняет также функции генератора несущих колебаний для датчика проводимости на элементах

31-49, принцип действия которого следующий. Емкость конденсаторов

31-36 (фиг. 1) выбирается таким образом, чтобы их сопротивление на частоте выходного сигнала релейного элемента 28 было минимальным, а на частоте напряжения сети — небольшим. Тем самым практически исключается влияние на работу датчика проводимости вторичного напряжения грансформатора 6.

Алгоритм диагностирования работоспособности устройства базируется на следующем элементарном положении.

В случае исправного состояния выпрямительных схем в проводящем состоянии находятся два из шести вентилей

16-21 (фиг. 3z,g, e ), что обеспе,чивает, с одной стороны, равенство ампер-витков вторичных цепей 25 и 26 датчика тока и нулевой уровень его выходного сигнала, а с другой — постоянную во времени величину нагрузки трансформатора 37. Действительно, в интервале времени I-ТЕ (фиг.Зц)открыты вентили 16 и 19 (фиг. 1, 3 ), и на вторичной стороне трансформатора 37 (фиг. 1, 5 д ) под нагрузкой находятся обмотки 39 и 44, подключенные параллельно диодам 16 и 19 (1 — сопротивление Р— h -перехода дио9 да на. частоте импульсов выходного сигнала блока 28). Обмотки 40-43 (фиг. 5 а ) в этом случае ненагружены.

В интервале 1!-Ф (фиг. За) диоды 17 !

О и 20 открыты (фиг. 3 э) и трансформатор 37 нагружен со стороны обмоток

40 н 43, а сопротивление нагрузки обмоток 39, 41, 42 и 44 (фиг.1,5 а ) достаточно большое и может не учитываться.

Далее, в интервале времени Ш-! нагрузка включается в цепь обмоток

41 и 4? (фиг. 3 а, е, 5 а), а обмотки

39, 40, 43 и 44 работают в режиме холостого хода. Таким образом, в исправной схеме устройства результирующая нагрузка трансформатора 37 определяется величинами 0,5 г и t (фиг. 55), где !" „ — входное сопротивление тракта 47, 49, 51 (фиг. 1), что обеспечивает формирование на входе демодулятора 47 сигнала с амплитудой +А (фиг. Зж), С поМощью блока 47 импульсы с выхода обмотки

ЗО

45 выпрямляются (фиг. 3 ) и фильтруются (фиг. Зи).

Пороги срабатывания элемента 51 (фиг. 1) выбираются из условия

С„ („ (t). < С,.что обеспечиваez ет в исправной схеме .выпрямителя формирование на выходе элемента 51 сигнала "Лог. 0" {фиг. 3 ). На выходе элемента 50 также формируется

"Лог. 0", так как постоянная составляющая выходных импульсов элемента

28 равна нулю (фиг. 2, 4, фиг.

5 Ь ). .В этом случае на выходе блоков 52 и 53 уровень напряжения соответствует. "Лог. 0" и выключатель

4 находится в замкнутом состоянии.

Предположим, что вентиль 16 в момент времени С (фиг.6 b ) вышел из строя и оказался элементом с двухсторонней проводимостью (заштрихованная область). Тогда в интервале П-Й (фиг, ба ) в открытом состоя нии находятся сразу три (а не два) вентиля (фиг. 6 8, б, y ), что приводит к следующим процессам в каналах диагностирования.

1 ежим короткого замыкания в силовой выпрямительной схеме вызывает разбаланс ампер-витков обмоток 25

7 1 и 26 датчика тока, и на выходе релейного элемента 28 измеряется скваж ность импульсов (фиг. 65). Это влечет за собой нарастание выходного сигнала блоков 48 и 46 (фиг. 6к), и на выходе элемента 52 в момент времеди 1 „ (фиг. 6 к ) формируется сигнал "Лог. 0" (фиг. 6 н ), который обеспечивает напряжение "Лог. 1 " на выходе элемента 52 (фиг. 6„ ).

С другой стороны, в интервале П-Ш (фиг. 6o), когда открыты вентили 16, 17 и 20, увеличивается нагрузка на трансформатор 37. Это влечет за собой уменьшение амплитуды импульсов на входе демодулятора 47. форсированный характер снижения амплитуды импульсов М (t ) дости 5 гается (фиг. 6 и ) также за счет того, что через первичную обмотку

38 трансформатора 37 начинает протекать постоянный ток (фиг. 6 1, обусловленный разбалансом ампер-витков обмоток 25 и 26 трансформатора 24 и приводящий к насыщению магнитной системы трансформатора 37. В результате сигнал на выходе фильтра 49 („ (t ) (С„ и в момент времени (t„ на выходе элемента 52 формируется напряжение "JIor.!" . С задержкой 7 сигнал "Лог. 1" появляется на выходе селектора 53 (фиг. 6 о), что приводит к. выключе-. нию автоматического.выключателя 4.

Канал 47, 49, 51 датчика проводимости является более быстродействующим, чем тракт 48, 46, 50 датчика тока. Это обусловлено тем, что постоянная времени фильтра 48 выбирается из условия подавления высокочастотного спектра импульсов (t), имеющихся по амплитуде в пределах +А (фиг. 5g), а инерционность фильтра 49 зависит от пульса-, ции л А сигнала на выходе демодулятора 47 (фиг. 5z,g) . Учитывая, что ьА (< 2/А/, инерционность фильтра

49 гораздо ниже инерционности фильтра 48.

246287 8 ный вариант неисправности выпрямителя приводит к разбалансу ампер-витков обмоток 25 и 26 и команда на отключение выпрямителя дублируется по каналу 28, 48, 46, 50 датчика тока.

Рассмотрим работу схемы при различных неисправностях в трактах диагностирования. 0 1. Предположим, что релейный эле"!

50

При разрыве в цепи какого-либо диода 16-21 канал 47, 49, 51 обеспе- чивает отключения от сети за счет того, что амплитуда импульсов У (t)

4 увеличивается на соответствующем интервале коммутации вследствие уменьшения результирующей нагрузки трансформатора 37..Кроме того, данмент 28 вышел из строя и его выходной сигнал принял фиксированный уровень, например +А. В этом случае происходит срыв режима автоколебаний в датчике тока и сигнал на выходе блока 50 достигает уровня "Лог.

1". С другой стороны, отсутствие

1 импульсного сигнала на выходе элемента 28 обеспечивает сигнал "Лог.0" на выходе демодулятора 47,"Лог.1"на выходе элемента 51. В результате выключатель 4 отключается. Аналогичным образом система ведет себя при разрыве в цепях обмотки 27 и резистора 29.

2. Предположим, что в цепи одной из обмоток 25, 26 трансформатора 24 произошел разрыв. Тогда вследствие разбаланса ампер-витков во вторичных

30 цепях датчика тока изменится скважность импульсов Y (t ) .

3. Считаем, что блок 50 перешел в неуправляемое оостояние "JIor. 0".

Тогда тракт 48, 46, 50 оказывается неработоспособным, однако это не отражается на работоспособности защиты выпрямителя в целом, так как контроль за исправным состоянием элементов 16, 17 и 18 силовой схемы

40 сохраняется по каналу датчика проводимости.

4. В случае перехода блока 51 в неуправляемое нулевое состояние работоспособность схемы защиты сохраня45 ется по каналу 28, 48, 46, 50 датчика аока. Однако в этом случае быстродействие защиты выпрямителя ухудшается за счет того, что фильтр 48 обладает более высокой инерционностью по сравнению с фильтром 49 датчика ,проводимости.

5. Разрыв в цепи конденсаторов 31—

36 или обмоток 39-44 эквивалентен разрыву в цепи одного из вентилей

16-21, что вызывает уменьшение результирующей нагрузки трансформатора

37 и приводит к повышению на выходе блоков 51, 52, 53 сигнала "JIor. 1", 124628 в результате чего происходит срабатывание автоматического вь ключателя

4. Аналогичным образом схема диагностирования реагирует и на обрыв в цепи обмоток 45 и 38.

6. Режим к..з. в цепях обмоток трансформатора 37 приводит к уменьшению амплитуды сигнала на выходе фильтра 49 до величины Y„. (С) < С выпрямитель отключается от сети, 10

Таким образом, практически любая неисправность как в выпрямительных схемах, так и в каналах диагностирования влечет за собой срабатывание выключателя 4. 15

Селектор 53 введен в схему с целью исключения ложных срабатываний выключателя 4.ввиду выходных импульсов элемента 52, обусловленных рассогласованием параметров силовой и вспо- 20 могательной выпрямительных схем. Сигнал "Лог. 1" появляется на выходе селектора 53 с задержкой 1, т.е., только тогда, когда он однозначно

25 связан с фактом неработоспособности элементов выпрямителя и его блоков диагностирования.

При реализации датчика тока целесообразно обмотки 25 и 26 выполнять непосредственно шинопроводом, с помощью которого блоки 22 и 23 подключаются к выходу соо гветствующей выпрямительной схемы (фиг. 7о,). р

Формула из обретения 35

Выпрямитель с защитой, содержащий блок силовых вентилей, блок вспомогательных вентилей с собственным блоком нагрузки, селектор дли- 4ц тельиости импульсов и блок отключения преобразователя, включающий в себя автоматический выключатель на первичной стороне блока силовых тиристоров и блок управления его 45 отключением, выходом подключенный к управляющему входу автоматического выключателя, а входом — к выходу селектора длительности импульсов, отличающийся тем, что, 50 с целью повышения надежности выпрямителя, в него введены силовой трансформатор, датчик тока, выполненный на первом разделительном трансформа-

7 10 торе, релейный элемент, резистор, второй разделительный трансформатор, два демодулятора, два фильтра, два пороговых элемента, элемент ИЛИ, шесть разделительных конденсаторов и токоограничивающий резистор, причем первичные обмотки силового трансформатора через автоматический выключатель соединены с клеммами для подключения трехфазной системы питающего напряжения, а вторичные обмотки в совокупности с шестью вентилями блока силовых вентилей и блока вспомогапьных вентилей образуют две трехфазные нулевые схемы выпрямления .переменноro напряжения, первичная обмотка первого разделительного трансформатора включена между входом и выходом релейного элемента, вход которого через резистор подключен к шине нулевого потенциала, первая вторичная обмотка первого разделительного трансформатора включена на выходе блока силовых вентилей последовательно с клеммами для подключения нагрузки данного блока, вторая вторичная обмотка первого разделительного трансформатора включена на выходе блока вспомогательных вентилей последовательно с клеммами для подключения собственной нагрузки этого блока, шесть вторичных обмоток второго разделительного трансформатора через соответствующие разделительные конденсаторы подключены параллельно вентилям блоков силовых и вспомогательных вентилей, выход релейного элемента через последовательно соединенные первичную обмотку второго разделительного трансформатора и токоограничивающий резистор подключенный к шине нулевого потенциала и через последовательно соединенные первый фильтр, первый демодулятор и первый пороговый элемент— к первому входу элемента ИЛИ, седьмая вторичная обмотка второго разде-. лительного трансформатора через пос1ледовательно включенные второй демодулятор, второй фильтр и второй пороговый элемент подключена к второму входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу селектора длительности импульсов.

246287

Выж

Вя. 8

Вл Вых Вх - Вых

В, г и 0,6I7, 8%

929 д

Вх.1

Вх.2 е

Вьа

М

Ю д а

-ь

Фиг.3

635J 6J М 6d 2ü

1246287

ФмЗ. 7

Редактор В. Петраш

Заказ 4016/51

Тираж 631

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подлисное

Производственно-полиграфическое предприя и . У т е, r. жгород, ул. Проектная, 4

У б 6 гп дй е1

ФО

Составитель О. Мещерякова

Техред 9.Сопко Корректор О.Луговая