Устройство защиты тиристорного преобразователя

Использование: в тиристорных регуляторах напряжения для плавного пуска асинхронных электродвигателей. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и надежности при защите тиристорного регулятора и асинхронного электропривода от исчезновения фазного напряжения. В состав устройства входят разделительный трансформатор, демодулятор, пороговый элемент и контур определения времени. Контур определения времени состоит из генератора импульсов, первого и второго элементов «2И», элемента «НЕ», двухпозиционного ключа, n-разрядного двоичного счетчика, элемента «kИ», элемента «Повторитель» и источника опорного напряжения. 2 ил.

 

Устройство относится к области преобразовательной техники и может использоваться в тиристорных регуляторах напряжения для плавного пуска асинхронных электродвигателей.

Известно устройство защиты тиристорного преобразователя (Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. Справочное пособие. - Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1989. - 320 с.), которое используется для защиты тиристорного преобразователя (ТП) от пропадания пилообразного напряжения в системе импульсно-фазового управления. В его состав входят сумматор и пороговый элемент с памятью. Принцип действия устройства основан на суммировании пилообразных сигналов всех каналов управления тиристорного преобразователя, когда на выходе сумматора формируется постоянный сигнал с пульсацией, пропорциональной частоте сигналов "пилы". При исчезновении хотя бы одного из пилообразных напряжений на выходе сумматора формируется "провал", который фиксируется пороговым элементом. Подобного рода устройство защиты (УЗ) может использоваться также для контроля за исчезновением фазного напряжения в тиристорных регуляторах для плавного пуска асинхронных электродвигателей.

Недостатком известного устройства является его низкая помехоустойчивость, так как в основе устройства защиты заложен принцип контроля за мгновенным значением контролируемого напряжения. При этом устройство защиты срабатывает на любой кратковременный "провал" напряжения, который фактически не привел бы к срыву работы тиристорного преобразователя, так как является следствием действия импульсной помехи малой длительности из-за срабатывания релейно-контакторной аппаратуры либо коммутационного провала напряжения сети.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство защиты (Е.А.Чернов. Станочные электроприводы переменного тока: Справочное пособие. - М.: Вираж Центр, 1997. - с.194-195), содержащее разделительный трансформатор, выпрямитель-сумматор, пороговый элемент. Трансформатор производит гальваническое разделение входной цепи устройства защиты и понижение контролируемого напряжения до требуемой величины. Выпрямитель-сумматор производит демодуляцию переменного напряжения с выхода трансформатора. Пороговый элемент фиксирует момент исчезновения фазного напряжения.

Недостатком устройства-прототипа является его низкая помехоустойчивость при работе с сетью, характеризующейся высоким уровнем коммутационных провалов фазного напряжения. Например, срабатывание защиты может вызвать как исчезновение фазного напряжения, так и кратковременный коммутационный провал, при котором нет необходимости отключать асинхронный электропривод от сети, так как его появление фактически не проводит к изменениям характеристик электропривода.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении помехоустойчивости работы устройства защиты от исчезновения фазного напряжения.

Предлагаемое устройство защиты тиристорного преобразователя содержит последовательно включенные источник трехфазного напряжения, разделительный трансформатор, демодулятор, пороговый элемент и отличается от известного устройства тем, что в него введен дополнительный контур определения времени, состоящий из генератора импульсов, первого и второго элементов "2И", элемента "kИ", где k - число входов, двоичного n-разрядного счетчика, элемента "Повторитель", элемента "НЕ", двухпозиционного ключа и источника опорного напряжения, причем выход порогового элемента соединен с первым входом первого элемента "2И", выход которого соединен с С-входом двоичного n-разрядного счетчика, выход генератора импульсов подключен к первому входу второго элемента "2И", выход которого соединен с входом нормально закрытого контакта двухпозиционного ключа, выход двухпозиционного ключа подключен к R-входу двоичного n-разрядного счетчика, нормально открытый контакт двухпозиционного ключа соединен с источником опорного напряжения, соответствующие выходы двоичного n-разрядного счетчика подключены к соответствующим входам элемента "kИ", выход которого соединен с входом элемента "Повторитель", выход которого является "выходом УЗ" и одновременно соединен с входом элемента "НЕ", выход которого соединен с вторыми входами первого и второго элементов "2И".

При исследовании предлагаемого устройства по патентной и научно-технической литературе не выявлены технические решения, содержащие признаки, эквивалентные признакам заявляемого устройства защиты и, следовательно, данное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Поставленная техническая задача достигается за счет введения в устройство защиты контура определения времени, в течение которого исчезновение фазного напряжения не является опасным для работоспособности асинхронного электропривода. При этом устройство защиты реагирует только на стационарный поток импульсов, однозначно связанных с фактом исчезновения напряжения сети, а не с ее возможными кратковременными коммутационными искажениями.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает повышенной помехоустойчивостью при работе с сетью, искаженной коммутационными провалами фазного напряжения.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства;

фиг.2 - временные диаграммы сигналов предлагаемого устройства.

В состав устройства защиты входят (фиг.1) последовательно включенные разделительный трансформатор 1, получающий питание от источника трехфазного напряжения ("вход УЗ"), демодулятор 2, пороговый элемент 3 и контур определения времени 4.

В контур определения времени входят генератор импульсов 5, первый 6 и второй 7 элементы "2И", причем первые входы первого 6 и второго 7 элементов "2И" соединены соответственно с выходами порогового элемента 3 и генератора импульса 5, вторые входы которых соединены с выходом элемента 8 "НЕ". Выход второго 7 элемента "2И" соединен с входом нормально закрытого контакта двухпозиционного ключа 9. Выходы первого 6 элемента "2И" и двухпозиционного ключа 9 подключены соответственно к С-входу и R-входу двоичного n-разрядного счетчика 10, выходы которого соединены с соответствующими входами элемента 11 "kИ". Выход элемента 11 подключен к входу элемента 12 "Повторитель", выход которого является "выходом УЗ" и одновременно соединен с входом элемента 8 "НЕ". Нормально открытый контакт двухпозиционного ключа 9 соединен с источником опорного напряжения 13.

Блоки устройства защиты имеют следующие характеристики:

Трансформатор 1 служит для потенциального разделения цепи вход-выход устройства защиты и представляет собой трехфазный понижающий трансформатор типа "звезда-звезда".

Демодулятор 2 (выпрямитель) выполнен, например, по схеме трехфазного диодного выпрямителя с нулевым выводом.

Пороговый элемент 3 переходит в состояние "1", когда сигнал на его входе превышает заранее заданный пороговый уровень.

Генератор импульсов 5 формирует импульсы стабильной длительности и амплитуды.

Элементы 6, 7, 11 переключаются в состояние "1" при условии наличия "1" состояний на каждом из их входов.

Элемент 8 производит инвертирование уровня входного логического сигнала.

Двухпозиционный ключ 9 служит для установки счетчика 10 в нулевое состояние.

Счетчик 10 работает в двоичном коде и тактируется, например, задним фронтом импульсов на С-входе.

Сигнал на выходе элемента 12 повторяет уровень его входного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

При наличии всех трех фаз напряжения сети на "входе УЗ" выходной сигнал демодулятора 2 представляет собой постоянное напряжение отрицательной полярности с пульсирующей составляющей, определяемой схемой выпрямления демодулятора 2. В исходном состоянии постоянная составляющая напряжения с его выхода превышает порог срабатывания порогового элемента 3. Поэтому последний находится в состоянии "0".

Отсутствие импульсов на выходе порогового элемента 3 приводит к статическому состоянию счетчика 10, нулевое положение которого периодически подтверждается импульсами с выхода генератора 5. При этом элементы 11, 12 находятся в состоянии "0", а элемент 8 - в состоянии "1".

Выходные импульсы генератора 5 следуют с допустимым интервалом Т_ДОП (фиг.2,а), в течение которого исчезновение фазного напряжения считается для асинхронного электропривода допустимым (например, 4-5 периодов сети).

При исчезновении, например, одной из фаз сетевого напряжения сигнал на выходе демодулятора 2 формируется с провалами, и в моменты времени, когда они оказываются меньше порога срабатывания порогового элемента 3, на выходе последнего появляется состояние "1". Таким образом, на выходе порогового элемента 3 формируются импульсы (фиг.2,б), под действием которых начинается счет числа N(t) в счетчике 10 (фиг.2,в). В момент достижения в счетчике 10 заранее заданного максимального числа N_MAX, которое равно допустимому интервалу времени работы электропривода в асимметричном по фазному напряжению режиме, на выходе элементов 11, 12 появляется состояние "1" (фиг.2,г). Элементы 6, 7 закрываются, т.к. элемент 8 переключается в состояние "0", и счет в счетчике 10 прекращается.

Новый запуск в работу устройства защиты ("сброс" защиты) происходит после кратковременного нажатия ключа 9, когда на вход "R" счетчика 10 от источника опорного напряжения 13 подается уровень, соответствующий состоянию "1".

Элемент 12 предназначен для подавления импульсов малой длительности ("иголок") за счет собственной инерционности, которые могут возникать при переключении триггеров счетчика 10 по причине их различного быстродействия.

В отличие от устройства-прототипа предлагаемое устройство защиты имеет более высокую помехоустойчивость, так как реагирует не на мгновенное изменение контролируемого сигнала, а на его "интегральное" значение, соответствующее заранее заданному числу периодов сети. Тем самым повышается помехоустойчивость устройства защиты и достоверность его срабатывания.

Промышленная применимость

Опытный образец рассмотренного устройства был опробован в электроприводах воздухообменников цеха №6 ОАО "Челябинский трубопрокатный завод" с применением тиристорных станций управления для плавного пуска асинхронных электродвигателей. Как оказалось, его введение позволит улучшить помехоустойчивость при работе с сетью, при этом снижается поток отказов электро- и технологического оборудования. А значит, снижаются затраты на ремонт и обслуживание и повышается экономическая эффективность. Также снижаются затраты на электроэнергию, потребляемую при "ложных" пуске и торможении, вызванных, например, кратковременный коммутационным провалом напряжения.

Устройство защиты тиристорного преобразователя, содержащее последовательно включенные источник трехфазного напряжения, разделительный трансформатор, демодулятор, пороговый элемент, отличающееся тем, что в него введен контур определения времени, состоящий из генератора импульсов, первого и второго элементов «2И», элемента «kИ», где k - число входов, двоичного n-разрядного счетчика, элемента «Повторитель», элемента «НЕ», двухпозиционного ключа и источника опорного напряжения, причем выход порогового элемента соединен с первым входом первого элемента «2И», выход которого соединен с С-входом двоичного n-разрядного счетчика, выход генератора импульсов подключен к первому входу второго элемента «2И», выход которого соединен с входом нормально закрытого контакта двухпозиционного ключа, выход двухпозиционного ключа подключен к R-входу двоичного n-разрядного счетчика, нормально открытый контакт двухпозиционного ключа соединен с источником опорного напряжения, соответствующие выходы двоичного n-разрядного счетчика подключены к соответствующим входам элемента «kИ», выход которого соединен с входом элемента «Повторитель», выход которого является «выходом УЗ» и одновременно соединен с входом элемента «НЕ», выход которого соединен с вторыми входами первого и второго элементов «2И».