Выпрямитель с защитой от токов короткого замыкания

(19) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) 1.Авторское свидетельство СССРУ 873354, кл. Н 02 М 7/04, 1979.2,Ситник Н.Х.,Силовая полупроводниковая техника. М "Энергия", 1968,с. 206, рис. 4-30 а,(54)(57) ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ЗАЩИтой ОТТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, содержащий силовой трехфазный трансформатор,первичные обмотки которого предназначены для подключения через автоматический выключатель к соответствующейфазе напряжения сети, а вторичные -соединены с силовой частью выпрямителя, блок диагностики и защиты оттоков короткого замьпсания, выходомподключенный к входу блока управления отключением автоматического выключателя, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения ремонтопригодности .выпрямителя и быстродействия его защиты от токов короткогозамыкания в цепи силовых диодов, внего введены три датчика проводимости, силовая часть выпрямителя содержит диоды, включенные по схеме трехфазного выпрямителя с нулевым выводом, трехфазный трансформатор выполнен по схеме "Звезда"звезда" с нулевым выводом на вторичной стороне,а блок диагностики и защиты от токовкороткого замыкания включает источник сигнала логической единицы, три 4(51) Н 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 Кб -триггера со светодиодными индикаторами на выходе, трехвходовий элемент ИЛИ, ключевой элемент с размыкающим и замьпсающим 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, 11562второго и третьего двухвходовых элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены с 0=входами Ж-триггеров и предназначены для подключения к шине нулевого потенциала через размыкающий контакт ключевого элемента, эамцкаЮщий контакт которого подключен к источнику сигнала логической единицы, выходы первого, второго и третьего двухвходовцх элементов ИЛИ соединены с С-входами соответствен" но первого, второго и третьего РБ -13триггеров, 5 -входы первого, второгои третьего Ь "триггеров соответственно через четвертый, пятый ишестой элементы задержки подключенык выходу датчика проводимости диодафазы А, В и С соответственно, выходыпервого, второго и третьего ЙБ-триггеров подключены к соответствующимвходам трехвходового элемента ИЛИ,выход которого является выходомблока диагностики и защиты от токовкороткого замыкания.Изобретение, относится к силовойпреобразовательной технике и можетприменяться в источниках питаниясистем управления технологическимипроцессами.Известен преобразователь электрической энергии, состоящий нз трехпараллельно работающих систем импульсно-фазового управления (СИФУ),блоков диагностирования и ключевогокоммутатора. В устройстве примененспособ многократного резервированияСИФУ, диагностирование работоспособности которых осуществляется с по"мощью блоков диагностирования (БД),включающих последовательно включенныеделитель частоты, пропорциональнодифференцнрующее звено и демодулятор 11,Однако известный преобразовательимеет недостаточно высокую надежность иэ-за отсутствия в нем быстродействующей защиты от токов короткого замыкания в блоке силовых тиристоров.Наиболее близким к изобретениюявляется устройство, содержащее силовой трехфазный трансформатор, первичные обмотки которого предназначены для подключения через автоматический выключатель к соответствующейфазе напряжения сети, а вторичныесоединены с силовой частью выпрямителя, блок диагностики и защиты оттоков короткого замыкания, выходомподключенный к входу блока управления отключением автоматического вц-".ключателя 2 . Недостатком данного устройстватакже является низкое быстродействиезащиты по току., Кроме того, схема %токовой защиты выпрямителя не обеспечивает локализации места неисправности в силовой схеме вцпрямления,что ухудшает ремонтопригодность устройства в целом.Целью изобретения является повышение ремонтопригодности выпрямителяи быстродействия его защиты от токовкороткого замыкания в цени силовыхдиодов.Поставленная цель достигаетсятем, что в выпрямитель с защитой оттоков 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 частьювыпрямителя, блок, диагностики и защиты от токов короткого замыкания,выходом подключенный к входу блокауправления отключением автоматического выключателя, введены три датчика проводимости, силовая часть вынрямителя содержит диоды, включенные по Зф схеме трехфазного выпрямителя с нулевым выводом, трехфазный трансформатор выполнен по схеме фЗвезда-звезда"с нулевым выводом на вторичной стороне, а блок диагностики и защиты 33.от токов короткого замыкания вкаочаетисточник сигнала логической единицы,три компаратора, три элемента НЕ,три двухвходовцх элемента И-НЕ, шестьго 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 транс. форматор 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 13 диагностики и защиты от токов короткого замыкания, клеммы 14-23 для подключения блока 13 диагностики и защиты, шины 24, 25 и 26.соответст венно напряжений 0 (Е), 0 ь (й), 0 (й) 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-НЕ, первый 36, второй 37, третий 38, четвертый 39, пятый 40 и вестой 41 элементы задержки, первый 42, второй 43 и третий 44 двухвходовые элементы ИЛИ, трехвходовый элемент ИЛИ 45, Вь -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 1 (Фиг. 1) выполнен по схеме "Звезда-звезда" с нулевым выводом на вторичной стороне.фьДиоды 4, 5 и 6 предназначены для выпрямпения вторичного напряжения трансформатораДатчики проводимости 78 и 9 диодов 4, 5 и 6 имеют нулевое значение выходного напряжения (клеммы 14, 15 и 16) в случае нецроводящего 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 "1".Автоматический выключатель 11 включается и выключается вручную. Кроме того, при воздействии сигнала логической единицы на вход блока 12 з 1156213 элементов задержки, три двухвходовых элемента ИЛИ, три синхронизированных КЬ триггера со светодиодными индикаторами на выходе и трехвходовый элемент ИЛИ, ключевой элемент с размы кающим н замыкающим контактами, причем каждый датчик проводимости подключен к диоду соответствующей фазы выпрямителя, первый и второй входы первого компаратора предназначены 10 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 ния сети, а первый и второй входы третьего компаратора предназначены для подключения соответственно к фазам Ви С напряжения сети, выходы первого и второго компараторов под ключены к входам первого двухвходового элемента И-НЕ и соединены с входом соответственно первого и второго элементов НЕ, выход третьего компаратора подключен к входу третьего 25 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- З 0 ключены к соответствующим входам третьего двухвходового элемента И-НЕ, выходы первого, второго и третьего двухвходовых элементов И-НЕ подключены к входу первого, второгои тре- З35 тьего элементов задержки соответственно, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого, второго и третьего двухвходовых элементов ИЛИ, вторые входы которых 40 соединены с Й-входами Й 5-триггеров и предназначеныдля подключения к шине нулевого потенциала через размыкающий контакт ключевого элемента, замыкающий контакт которого подключен. к источнику сигнала логической единицы, выходы первого, второго и третьего двухвходовых элементов ИЛИ соединен с С-входами соответственно первого,второго и третьего КВ- триггеров, -входы первого, второго и третьего-триггеров соответственно через четвертый, пятый и шестойэлементы задержки подключены к выходу датчика проводимости диода фазы А В и С соЭ 55 ответственно, выходы первого, второго и третьего Я-триггеров подключени к соответствующим входам трехвходово 1156213происходит автоматическое отключение выпрямителя от напряжения сети,Компараторы 27, 28 и 29 (фиг. 2) имеют выходной сигнал уровня логической "1", когда сигнал на их пер вом входе (клеммы 17, 19 и 21) превыпает уровень сигнала на втором входе (клеммы 18, 20 и 22), в противном случае выходной сигнал компараторов 27, 28 и 29 равен нулю. 1 ОЭлементы 30, 31 и 32 НЕ инвертируют уровень выходных сигналов компараторов 27, 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 1 по отношению к пе ф реднему фронту входного сигнала, а задние Фронты входного и выходного воздействий совпадают.Разрешение на изменение состояния Й 5-триггеров 46, 47 и 48 осуществляется подачей на синхронизирующие входы С сигнала логической "1", при этом на выходе Формируется снал лоиеской "1", если на вход 6 подана логическая " 1", а на вход ЗОсигнал логического "О". Перевод триггеров 46, 47 и 48 осуществляется путем подачи на входы С и Й сигнала логической "1" при нулевом урон- не воздействия на входе 6 . 33Логические 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 49 логическая "1"Устройство работает следующим образомДиоды 4,5 и 6 находятся в проводящем (открытом) состоянии в иитерва лах времени, лежащих между точками естественной коммутации 55-57, 57-58 и 59-55 диодов (Фиг. Зсд, В результате в цепи нагрузки 10 (фиг, 1) формируется выпрямленное напряжение 5 Э 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 З 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 в результате выхода из строя могут оказаться элементамн с двухсторонней проводимостью.Аналогичным образом в течение времени, ограниченного точками естественной коммутации 57, 59 и 59, 55 (фиг. За), необходимо производить диагностирование состояния диодов 4, б и 4, 5 соответственно. Контроль же диодов 5 (интервал 55-59) и б (интервал 59-55) с позиций сохранения у них свойств односторонней проводимости в данном случае нецелесооб" разен, так как с точки зрения работоспособности схемы выпрямителя это является непринципиальным.Кроме того, принцип диагностирования состояния диодов 4, 5 и б в предлагаемом устройстве базируется не иа количественном анализе пара" метров событий (величина тока через вентиль, ток короткого заюжания (КЗ) в цепи вентилей и т.д,), как зто обычно реализуется в известных устройствах, а на констатации самого Факта появления того или иного событияеДействительно, вряд ли целесооб" разно, например в интервале времени 55-57 (Фиг. За) измерять величину тока через диод 5 или б, когда сам Факт наличия тока через один из 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 обес156213 71лечить максимальное быстродействиесхемы защиты выпрямителя от токовкороткого замыкания.в цепи диодов4, 5 и 6,Процесс диагностирования состояния силовых элементов выпрямителяпроисходит следующим образом.С помощью компаратора 27 (фиг.2)сравниваются уровни напряженийБай) и Уц (Фиг. Зо), КогдаБ (1) ) У(1) на выходе компаратора 27 аориируетсн сигнал Хнр(С)логической "1" (фиг. 3 Я .Компаратор 28 осуществляет сравнение напряжений 0,1(С) и Ус(С)(Фиг. Зо) сравниваются. В итоге навыходе блока 33 появляется сигналХя(Фиг. 3) интервал паузы(состояние логической "О") которогосоответствует отрезку времени, ограниченному точками естественной коммутации 55-57 (Фиг, ЗсОКомпаратор 29, сравнивающий напряжения 0и Бс формируетна выходе сигнал логической "1",длительность которого (фиг. 3 )соответствует отрезку времени междуточками коммутации 56-59 (Фиг. За)С помощью блока ЗО сигнал Хд(Фиг. Зо) на выходе компаратора 27(Фиг. 2) инвертируется (Фиг. 3) исравнивается с помощью элемента И-НЕс сигналом Хрс(й) (фиг Зе),В результате на выходе элементаИ-НЕ 34 Формируется сигнал Х И)(Фиг. Зэ) интервал паузы которогосоответствует длительности рабочегосостояния диода 5 (Фиг. Зй интервал57-58).С помощью элементов 31 и 32 НЕпроисходит инвертирование выходныхсигналов компараторов 28 и 29(Фиг. 3 , блок 32), длительностькоторых соответствует отрезкам времени между точками 58-55 и 59-56(Фиг, Зд).Сравнение сигналов Х 4 иХса й) (Фиг. Зк) приводит к Формированию на выходе элемента И-НЕ 35 5 10 И 36 23 3 35 46) 4 Ю 53 интервала паузы, который соответствует длительности рабочего состояния вентиля 6 (фиг, Зам) точки 59-55.Элементы задержки 36, 37 н 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 С (Фиг. 34 Ин сигналы Х , Х (й), Хсна 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 логи 11 11ческ ого О при выключении диодов 4 , 5 и 6 . Сигнал на выходе элементов 4 2 , 4 3 и 4 4 полностью повторяет форму выходных импульсов блоков 36 , 3 7 и 3 8 (Фиг е 3 3 34 Ч ) еЭлементы задержки 3 9 , 40 и 4 1 осущес твляют задержку переднего фронта выходного сигнала Р 7 ( 1. )г ()2 () датчиков 7 , 8 и 9 уровня логического 11 11 ч1 на величину 11. при включении диодов 4, 5 и 6 (фиг, Зсин).Элементы 36-41 позволяют избежать неоднозначности состояния элементов схемы диагностирования в моменты времени коммутации токов через диоды 4, 5 и 6.При этом выходные сигналы логической "1" Дд (й) (ФигЗд)) (Фиг Ъ) 1) (с) (фиг. Зн) датчиков 7, 8 и 9 находятся как бы "внутри" интервалов паузы (логический "О") сигналов Х (7:), ХВ (Г), Х (1:) (Фиг. Зди,н) синхронизации тригге" ров 46, 47 и 48.В течение времени й интервалаД55-58 (Фиг, Зсд на входе С триггера Формируется сигнал Х (й) (Фиг. ЗЫ1 21 Алогического О , который осуществляет запрет на его переключение в. состояние логической "1". При этом на входпоступает сигнал Я (й)который не приводит к переключению триггера 4 б, так как Х (й) = О (Фиг.Зд).За время СВкогда диод 4 должен бить закрыт, сигнал Х (Е) = логиМческой "1" и триггер 46 может переклю. читься в состояние логической "1" сигналом с выхода датчика 7 проводимости. Последнее окажется возможным, если диод 4 в интервале й выйдетВС из строя и станет элементом с двухсторонней проводимостью. Тогда выход1156213 Таким образом предлагаемое устройство обладает новыщной ремонтопригодностью выпрямителя и быстродей 1ствием его защиты от токов короткого И замыкания. ной сигнал триггера 46 станет равным логической "1 ф, на выходе элемента ИЛИ 45 также сформируется напряжение логической "1", которое, воздействуя на блок 12 (фиг. 1), вызовет отключе йие автомата 11.Аналогичньм образом в течение времени С (фиг. Зи) и йс (фиг. Зн) рабочего состояния диодов 5 н 6 осуществляется запрет на переключение триггеров 47 и 48 в состояние логической "1", а в интервалах времени йс(фиг. Зц) и й(фиг. Зн) контролируется состояние их проводимости. Если в течение времени й Идв) диод 5(6) перейдет в открытое состояние, то соответствующий из триггеров 47 или 48 перейдет в состояние логи" ческой "1", н выпрямитель отключится .от напряжения сети, 36Одновременно 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 диодвыпрямителя. Например, включениеиндикатора 50 свидетельствует о необходимости замены диода 5 фазы В.Таким образом, локализуется местонеисправности в схеме выпрямителяи сокращается время на его ремонт,чем повышается ремонто-пригодностьустройства.Ключ 52 служит для установкитриггеров 46, 47 и 48 в исходноенулевое состояние. Для этого контактключа 52 замыкается и на входы С и Й.триггеров подается сигнал. логическойИ нпри этом на входе 5 присутствуетсигнал логического "0", так как си"ловой блок выпрямителя на включен нС Й)Рь (й) фИ)" логическому "0",