Устройство для защиты полупроводникового преобразователя

(19) (11) 2 Н 7/ САН ТЕНИЯ тГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ(ТИИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(71) Южное отделение Ордена Октябрьской Революции 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 У 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, входкоторого 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 фПамять связан со вторым сигнальным элементом, о л и ч а ю щ е е с я 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 фПамятьф соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с 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, расширитель 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 в 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 И непосредственно, а с вторым входом четвертого элемента И - через второйэлемент времени, третьи входы четвертого и пятого элементов И соединены с выходом третьего, выходы четвертого и пятого элементов И соединены с входами элемента ИЛИ, выходкоторого через релейный усилительподключен к цепям отключения преобразователя.Изобретение 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 1 3.15Недостаток 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 последовательно первичная обмотка трансформатора и конденсатор. К 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- З 5 разован релейным элементом, порог срабатывания которого больше зоны нечувствительности входного усилителя первого канала 2 .Отличительные признаки известно" го 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 из" мерительного моста срабатывает сигнальный элемент, при пробое второго ювентиля сопротивления плеч моста,образованных цепью вентилей, выравниваются, напряжение небаланса надиагонали измерительного моста уме;т шается, на выходе элемента НЕ первого канала логического блока появляется сигнал логической 1, на.выходе элемента Память такжеимеется сигнал логической фф 1",на выходе элемента И при этом появляется сигнал логической 1, иустройство вырабатывает сигнал наотключение преобразователя.В режиме нагрузки преобразователя на диагонали измерительного моста существует напряжение небаланса,которое определяется различием динамических характеристик отдельных вен.тилей.Амплитуда напряжения небалансаможет достигать, а в отдельных случаях превышать амплитуду обратного напряжения на одном вентиле, при этомнапряжение небаланса оказываетсясоизмеримым с Фиксируемым значениемнапряжения на диагонали измерительного моста при пробое одного вентиляплеча преобразователя, Выполнениетребованияотстройки от напряжениянебаланса в нагрузочном режиме гриводит к загоублению защиты и существенному уменьшению чувствительности.Если после пробоя одного вентиляпроисходит пробой еще двух вентилей,расположенных по другую сторону отточки подключения трансформатора,то изменится полярность напряженияна диагонали моста, а значение егосохранится. При этом сигнал на отключение преобразователя не поступит.Работа преобразователя с тремя поврежденными вентилями в одном плечезначительно увеличивает вероятностьпробоя плеча, и, вследствие этого,повышается вероятность выхода изстроя преобразователя на длительноевремя.Таким образом, указанные недостатки известного устройства снижают егонадежность.Цель изобретения - повышение на"дежности устройства защиты,Поставленная цель достигается тем,что в устройство для защиты полупроводникового преобразователя, содержащего измерительный мост, образованный цепью вентилей плеча преобра"зователя и делителем напряжения,включающее в себя трансформатор, являющийся чувствительным элементом,первичная обмотка которого черезконденсатор включена в диагональ измерительного моста, а вторичная обмотка подключена к двухканальному логическому блоку, причем выходнымэлементом первого канала являетсяэлемент задержки, подключенный входом к выходу элемента И, к входамкоторого подключены выходы элементовПамять и НЕ, входы которых подключены к выходу входного усилителя,вход которого является входом двух" 15канального логического блока, а второй канал образован релейным элементом, порог срабатывания которогобольше зоны нечувствительности входного усилителя первого канала, приэтом выходы элемента задержки и релейного элемента связаны с входомвыходного усилителя логического блока, выход которого подключен к исполнительному элементу и первому сигнальному элементу, а выход элементаПамять связан с вторым сигнальнымэлементом, введены пять элементов И,два диода, два преобразователя длительности импульса в пропорциональное напряжение, два дифференцирующих 30элемента, два выпрямителя, четырепороговых элемента, два сглаживающихэлемента, два расширителя импульсов,три элемента времени, элемент ИЛИ ирелейный усилитель, причем выход элемента задержки соединен с первымвходом первого элемента И, выход которого соединен с входом выходногоусилителя, выход элемента "Память"соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен свходом второго сигиального элемента,к выходу чувствительного элементачерез два разнополярно включенныхдиода подсоединены две цепи, каждая 45из которых содержит последовательно соединенные преобразователь длительности импульсов в пропорциональное напряжение, пороговый элемент,расширитель импульсов, выходы расширителей импульсов подсоединены к 50входам третьего элемента И, выходкоторого через элемент времени соединен с вторыми входами первого и второго элемента И, к входам обоих преобразователей длительности импульсов 55в пропорциональное напряжение подсоединены две цепи, каждая из которых.состоит из последовательно соединенных дифференцирующего элемента, выпрямителя, сглаживающего элемента и 6 Опорогового элемента, причем выходпорогового элемента первой цепи соединен с первым входом четвертого1элемента И непосредственно, а 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 - 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 1 и сигнальным элементом (второй элемент И). Выработка устройством сигнала или команды на отключение преобразователя происходит только после появления на вторых входах первого и второго эле" ментов 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 измерительно" го моста в нагрузочном режиме преобразователя практически в три раза меньше, чем длительность импульсов напряжения при пробое вентиля в контролируемом 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 напря 1046830жение на диагонали измерительногомоста имеет форму импульсов, содержащих апериодическую составляющую ивысшие 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 однаполуволна напряжения на вторичнойобмотке трансформатора содержит высния на величину постоянной составляющей, имеет Форму импульсов с практически неизменными мгновенными значе" ниями напряжения. Производная первой полуволны напряжения трансформаторапредставляет собой знакопеременный.сигнал со значительной амйлитудой,а производная второй полуволны значительно отличается от нуля толькона интервалах возрастания напряжения 20 и снижения его до нулевого значения,длительносТь которых существенноменьше времени существования импульса напряжения этой полуволны. Сигна 25 лы, соответствующие каждой полуволне,выпрямляются, сглаживаются и йодаютсяна входы пороговых элементов. При 30 этом один пороговый элемент, на вход которого подается сигнал больше уставки, срабатывает, а другой пороговый элемент не срабатывает.Дополнительный логический блок,подключаемый к выходу дополнительного измерительного блока, вырабатывает команду на отключение только приизменении уровня сигналов пороговыхэлементов измерительного блока напротивоположный,что соответствуетпробою двух вентилей после пробояпервого вентиля, расположенного подругую сторону относительно точкиподключения трансформатора, В этомслучае изменяется полярность напряжения на диагонали измерительногомоста и форма напряжения на входахдифференцирующих элементов И, соответственно, меняется на противоположный уровень сигналов на входахпороговых элементов,На Фиг. 1 приведена Функциональная схема устройства; на фиг. 2 - осциллограммы,поясняющие работу цели, вкоторой осуществляется выявлениепробоя вентиля по длительности полу" 55.волн напряжения трансформатора, включенного в диагональ измерительногомоста ( и - нормальный режим; б - пробой вентиля); на фиг. 3 и 4 - осцил"лограммы, иллюстрирующие работу дополнительных элементов устройства,обеспечивающих отключение преобразователя при пробое одного, а затемдвух вентилей, расположенных в первом и втором плечах 1.1 и 1.2 изме" шие гармоники, а полуволна, образованная .за счет смещения кривой напряже" рительного моста (ю - нормальный режим, б - пробой одного Вентиля в 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 включены последовательно конденсатор и первичная обмотка трансформатора, первое и второе плечо 1.1 и 1.2 измерительного моста, конденсатор 2, трансформатор (чувствительный элемент) 3, усилитель 4, элемент НЕ 5, элемент Память б, 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 импульсов, элемент И, 24, дифференцирующие элементы 25 и 26, выпрямители 27 и 28, сглаживающие элементы 29 и 30, пороговые элементы 31 и 32, элементы 33 и 34 времени, элементы И 35 .и 36, элемент ИЛИ 37, релейный усилитель 38, элемент 39 времени.На фиг. 2-4 приняты следующие обозначения:О ; О- напряжения на двух группах вентилей плечей преобразователя, образующих соответственно первое и второе плечо 1,1, 1.2 измерительного моста; О - напряжение на диагонали измерительного моста; О - напряжение на вторичной обмотке трансформатора 3; О -О - напряжение на выходах соответствующих элементов; О - напряжение срабатывания пороговых элементов 20 и 21;1 р, - момент пРобоя вентиля в пЛече 1.1; 1 р - момент пробоя двух вентилей н плече 1. 2; О, Ов, О О 2 О - напряжение на соответствующих элементах; Оср - напряжение срабатывания пороговых элементов 31 и 32.Устройство работает следующим образом.При работе преобразователя в нагрузочном режиме напряжение О и О отличается на малых отрезках времени иэ-за различия динамических характеристик вентилей, в результате напряжение на диагонали измерительного моста О, имеет характер импульсов,значительно меньших импульса обратного напряжения (фиг, 2 а). 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. Полу- волны этого сигнала разделяются с помощью диодов 16 и 17 и поступают на вход преобразователей длительности импульсов в пропорциональное напряжение 18 и 19, на выходах которых появляются импульсы треугольнойформы. Амплитуда импульса, соответствующая полуволне с меньшей длительностью, меньше установки срабатывания пороговых элементов 20 и 21, аамплитуда импульса, соответствующая второй полуволне, больше уставкисрабатывания. Поэтому в рассматриваемом случае может сработать один из 10двух 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 ходе одного из пороговых элементов 20или 21 на выходе соответствующегорасширителя 22 или 23 импульсов появится постоянный сигнал, на выходеэлемента И 24 сигнал не появится,поэтому на вторых входах элементовИ 14 и 15, установленных в цепях отключения и сигнализации известногоустройства, будет блокирующий сигналлогический 10,При пробое вентиля в плече 1.1или 1.2 измерительного моста длительность импульсов напряжения на егодиагонали равна длительности импульсов обратного напояжения на вентилях.Длительности полуволн напряжения на 30трансформаторе 3 примерно одинаковы ив несколько раз превышают длительность импульсов напряжения небаланса (Фиг. 2 б). В результате амплитудасигналов на выходах преобразователей 3518 и 19 превышает уставки срабатывания пороговых элементов 20 и 21, сигнал, соответствующий логической 1появляется на обоих входах элементаИ 24,на его выходе и одновременно на 4 Овторых входах элементов И 14 и 15появляется разрешающий сигнал - логическая 1. В этом случае присрабатывании известного устройствапоявляется сигнал о пробое вентиляв плече преобразователя.При пробое второго вентиля в другом плече (12 или 1.1) напряжение надиагонали 0 выравнивается и сигнална выходе элемента И 24 .исчезает,однако разрешающий сигнал на вторыхвходах элементов И 14 и 15 сохраняется благодаря действию элемента 39времени на время, достаточное дляотработки команды на отключение выключателя, вырабатываемой известным 55устройством.При нормальной работе выпрямителяна вход диффеоенцирующих элементов25 и 26 поступают полуволны напряжения небаланса трансФорматора, одна из которых представляет собой узкий импульс, а другая - импульс, близкий по Форме к прямоугольному импульсу с малой амплитудой (фиг. За). Навыходе 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 полу" волна напряжения на диагонали измерительного моста О, 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 дифференцирующегоэлемента 25 знакопеременные сигналыбудут иметь длительность, равнуюдлительности 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 пороговогоэлемента 31 будет иметь большее значение, чем сигнал на входе порогового элемента 32, от значения которогопроизводится 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, на его второмвходе сохранится сигнал 0, на третьем входе, связанном с выходом элемента И 24 сигнал равен логической 1, на выходе элемента И 35 сигнал равен логическому 011.На первом входе элемента И 36 сигнал равен логическому ф 0, на втором входе после срабатывания порогового элемента 31 появится сигнал логической 1, на третьемвходе сигнал также равен логической 1, на выходе элемента И 36 сигнал равен логическому О 1.В момент 12 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 И 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 выдержкувремени на пропадание сигнала, В результате происходит срабатывание релейного усилителя, вырабатывающего команду на отключение преобразователя.Логические и Функциональные эле менты дополнительного устройства могут быть реализованы с использованием полупроводниковой техники.Технико-экономическая эФФективность устройства определяется повыше- О НИЕМ НадЕжНОСтн Защятц ПресбраЭОВателя при пробое отдельных вентилей за счет усиления отстройки защиты от напряжения небаланса, а также за счет предотвращения отказа защитыпри пробое одного, а затем двух вентилей, расположенных в разных плечахизмерительного моста. ЭкономическийэФФект обусловлен исключением ложныхсрабатываний защиты, сопровождающихся отключением преобразователя и недоотпуском электроэнергии подключенных к нему потребителей, а такжеобеспечением надежного срабатываниязащиты и отключения преобразователяпри последовательном во времени пробое одного иэ двух вентилей и предотвращением выхода из строя большогочисла вентилей плеча преобразователя.1046 ВЗО ВНИИПИ Заказ 7741/51 ТиражодписПП "Патент", г.Ужгород, Фипиалоектная,