Устройство защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах от однофазного опрокидывания

 

Область использования: агрегаты и устройства, содержащие автономные инверторы на запираемых тиристорах: источники бесперебойного питания, электропривод асинхронных двигателей, преобразователи частоты устройства индукционного нагрева и так далее. Сущность изобретения: устройство защиты, в состав которого входят формирователи импульсов запирания обоих тиристоров одной фазы, формирователи импульсов включения обоих тиристоров той же фазы, датчики состояния, подключенные параллельно управляющим входам этих тиристоров, и блок первичных управляющих импульсов, выходы которого соединены с входами формирователей импульсов запирания и формирователями импульсов включения обоих тиристоров фазы инвертора, причем последовательно в цепь первичных импульсов включения каждого тиристора дополнительно установлено по нормально разомкнутому ключевому устройству, управляемому датчиком состояния другого тиристора так, что ключевое устройство замкнуто только тогда, когда датчик состояния фиксирует отрицательный потенциал на электроде управления запираемого тиристора. Техническим результатом является исключение развития аварии однофазного опрокидывания инвертора любого типа на базе силовых запирающих тиристоров. 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в различных агрегатах и устройствах, содержащих автономные инверторы на запираемых тиристорах: источниках бесперебойного питания, электроприводе асинхронных двигателей, преобразователях частоты, устройствах индукционного нагрева и так далее.

Известно устройство защиты инвертора, содержащее датчик состояния и полупроводниковый выключатель [1]. Такое устройство предотвращает протекание сверхтока через тиристоры при возникновении короткого замыкания на входе. Принципиальным его недостатком является то обстоятельство, что однофазное опрокидывание инвертора не предотвращается, а лишь исключается пробой тиристоров в процессе аварии. Кроме того, для силовых запираемых тиристоров (СЗТ) такой способ защиты технически трудно реализуем из-за относительно низкой по сравнению с традиционными тиристорами перегрузочной способности СЗТ.

Устройства [2, 3] содержат датчики напряжения между управляющими электродами переключающего элемента, но выдают сигналы синхронно только в период проводящего состояния этого элемента (плеча инвертора). Сигнал с датчика подается на схему защиты, которая срабатывает при превышении заданного значения либо током [2], либо длительностью сигнала [3]. Устройства [2, 3] характеризуются теми же недостатками, что и [1]: защита срабатывает при развитии аварии, что весьма нежелательно для СЗТ.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство защиты автономного инвертора на СЗТ, описанное в [4]. В состав этого устройства, принятого за прототип, входят формирователи импульсов управления всех запираемых тиристоров инвертора, датчики состояния, подключенные параллельно управляющим входам этих тиристоров, и система первичных управляющих импульсов инвертора. Концепция защиты инвертора этим устройством базируется на принципе защитного отключения. Состояние СЗТ регистрируется датчиками и сообщается назад в систему первичных управляющих импульсов инвертора. При появлении помехи на все СЗТ подается сигнал на отключение. Соответственно принимаются меры по подключению специальных устройств, исключающих перенапряжения в силовой цепи инвертора, вызванные нештатным прерыванием тока.

Недостаток устройства, выполненного по [4], состоит в том, что для того, чтобы система первичных импульсов могла отличать сигналы помехи от штатных во всех режимах работы инвертора, она должна быть оснащена весьма большой по оперативной памяти ЭВМ с высоким быстродействием. Эта диагностическая ЭВМ должна постоянно контролировать поступающие от периферийных систем (датчиков) сигналы и сравнивать эти фактические сигналы с заданными. Время обработки фактических и выдачи обратных сигналов вместе с временем формирования запирающего импульса должно быть не более времени нарастания тока в СЗТ до уровня номинального. В противном случае СЗТ теряет свою способность запираться управляющим сигналом, а неудачная попытка к запиранию приводит к пробою плеча инвертора. Кроме того, прерывание значительных токов требует установки специальных средств защиты оборудования от перенапряжений.

Задачей данного изобретения является создание устройства защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах, позволяющее исключить ложное включение одного плеча инвертора в данной фазе при включенном или закороченном другом плече той же фазы.

Сущность изобретения состоит в том, что у предлагаемого устройства защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах от однофазного опрокидывания, в состав которого входят формирователи импульсов запирания обоих тиристоров одной фазы, формирователи импульсов включения обоих тиристоров той же фазы, датчики состояния, подключенные параллельно управляющим входам этих тиристоров, и блок первичных управляющих импульсов, выходы которого соединены с входами формирователей импульсов запирания и формирователями импульсов включения обоих тиристоров фазы инвертора, имеются следующие особенности: последовательно в цепь первичных импульсов включения каждого тиристора дополнительно введено по нормально разомкнутому ключевому устройству, управляющий вход ключевого устройства, установленного в канал включения первого тиристора, соединен с выходом датчика состояния, подключенного к второму силовому запираемому тиристору, управляющий вход ключевого устройства, установленного в канал включения второго тиристора, соединен с выходом датчика состояния, подключенного к первому силовому запираемому тиристору.

При таком выполнении устройства защиты инвертора обеспечивается: исключение возможности формирования включающего импульса СЗТ от случайного помехового сигнала любого происхождения, невозможность включения второго плеча одной фазы инвертора при пробитом первом плече, что исключает развитие аварийного короткого замыкания на входе инвертора и в два раза уменьшает число пробитых СЗТ в случае пробоев какого-бы то ни было происхождения (например, при перенапряжениях), предотвращение, а не прерывание (как в прототипе) развития аварийного процесса короткого замыкания на входе инвертора, принцип защиты инвертора состоит не в защитном отключении, а в блокировке включения, что исключает особые требования к быстродействию электронных систем и не приводит к необходимости включения в состав первичной системы управления мощных ЭВМ, отсутствие дополнительных устройств защиты от перенапряжений.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах от однофазного опрокидывания.

Устройство защиты содержит формирователи импульсов запирания 1 и 2 для управления соответственно тиристором верхнего VG1 и нижнего VG2 плеча инвертора, формирователи импульсов включения 3 и 4 для VG1 и VG2 соответственно, два датчика состояния входного управляющего перехода 5 и 6, подсоединенные к управляющим входам VG1 и VG2 соответственно, и блок 7 первичных управляющих импульсов, выходы которого соединены с входами формирователей импульсов запирания и формирователями импульсов включения обоих тиристоров фазы инвертора. Последовательно в каждой из цепей первичного включающего сигнала содержится по нормально разомкнутому ключевому устройству 8 и 9, причем управляющий вход ключевого устройства 8 подсоединен к управляющему выходу датчика состояния 6, а управляющий вход ключевого устройства 9 - к управляющему выходу датчика 5.

Устройство работает следующим образом.

Блок 7 первичных управляющих импульсов инвертора посылает импульс на включение тиристора VG1 формирователем 3. Если в это время тиристор VG2 заперт, а его формирователь запирающих сигналов 2 исправен, то последний формирует на управляющем переходе VG2 отрицательное смещение, которое фиксируется датчиком 6; в этом случае датчик 6 выдает на ключевое устройство 8 сигнал на замыкание последнего и входной включающий импульс проходит к управляющему переходу VG1. СЗТ VG1 включается. Фаза инвертора находится в штатном рабочем состоянии: верхний тиристор включен, нижний заперт; ток в нагрузке Iн имеет направление, показанное на чертеже. Напряжение на управляющем переходе VG1 и входе датчика 5 неотрицательное (нулевое или небольшое, примерно 1-2В, положительное), что означает отсутствие сигнала на выходе датчика и приводит к разомкнутому состоянию ключевого устройства 9. Если в этот период времени по какой-бы то ни было причине по каналу включения VG2 формируется сигнал любой мощности, ключевое устройство 9 блокирует прохождение этого сигнала.

При переключении плечей инвертора на VG1 подается запирающий сигнал, а на VG2 - включающий. Как только на управляющем входе VG1 сформируется отрицательное напряжение (то есть за время задержки выключения тиристора), датчик 5 выдаст сигнал на замыкания ключевого устройства 9 и СЗТ VG2 включится. С этого момента ключ 8 разомкнут и исключает ошибочное включение VG1.

Аналогично работает устройство защиты в случае пробоя одного из СЗТ, поскольку при пробое структуры тиристора пробивается и его управляющий электрод. В этом случае на переходе управления не может сформироваться фиксируемое отрицательное напряжение, поскольку напряжение источника, входящего в состав формирователя запирающего сигнала 1 или 2, высаживается на собственном внутреннем сопротивлении формирователей. В итоге сигнал на размыкание ключевого устройства не может сформироваться никогда, инвертор выводится из работы, но авария не развивается.

В качестве датчика и ключевого устройства могут быть использованы, например, соответственно фотодиод, подключенный катодом к электроду управления СЗТ, и управляемый им по свету оптотранзистор, установленный последовательно в канале первичного импульса включения.

В качестве формирователей включающих и запирающих импульсов желательно использовать устройства, описанные в [5].

Таким образом, задача изобретения выполнена: исключена возможность ложного включения одного плеча инвертора в данной фазе при включенном или закороченном другом плече той же фазы. Тем самым исключается развитие аварии однофазного опрокидывания (короткого замыкания на входе) инвертора любого типа на базе СЗТ.

Источники информации.

1. РСТ (WO), европейский патент N 94/10733, кл. H 02 H 7/122, Устройство защиты инверторов.

2. Патент Японии N ВИ 4-74929, кл. H 02 H 7/12. Устройство защиты от максимального тока.

3. Патент Японии N ВИ 4-65614, кл. H 02 H 7/122. Устройство защиты токового инвертора.

4. Тяговое оборудование двухсистемного электровоза серии 1822 Австрийских федеральных железных дорог. Обзор АББ, N 4, 1992, с. 15-22.

5. А.С. СССР, кл. H 02 M 1/08, 7/20. Способ выключения запираемого тиристора. Л.Л. Балыбердин, М.К. Гуревич. Б.А. Шершнев. Опубл. Б.И. N 24, 1992.

Формула изобретения

Устройство защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах от однофазного опрокидывания, в состав которого входят два формирователя импульсов запирания двух запираемых тиристоров одной фазы, два формирователя импульсов включения двух запираемых тиристоров той же фазы, два датчика состояния, подключенные параллельно управляющим входам соответствующих запираемых тиристоров, и блок первичных управляющих импульсов включения и запирания, соответствующие выходы которого соединены с входами соответствующих формирователей импульсов включения и запирания двух запираемых тиристоров, отличающееся тем, что последовательно в цепь первичных управляющих импульсов включения каждого запираемого тиристора введено соответствующее нормально разомкнутое ключевое устройство, причем управляющий вход упомянутого ключевого устройства, установленного в цепь первичных управляющих импульсов включения первого запираемого тиристора, соединен с выходом датчика состояния, связанного со вторым запираемым тиристором, а управляющий вход ключевого устройства, установленного в цепь первичных управляющих импульсов включения второго запираемого тиристора, соединен с выходом датчика состояния, связанного с первым запираемым тиристором.

РИСУНКИ

Рисунок 1