Выпрямитель с защитой

-07 В 2 ический омсомол полите нинскогоич, В. Г. ер 2: 621, 316. 9 тельство СССРР 13/16, 1982.льство СССРМ 5/257, 1983.ельство СССРН 7/12,свид идет Н 02 идет Н 02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ А ВТОРСКОМУ СВИД(57) Изобретение относится к областиэлектротехники и может быть использовано в качестве источника питания постоянного тока с защитой всистемах управления технологическими процессами. Цель изобретенчя -повышение надежности. Выпрямительсодержит силовой трансформатор 6,первичная обмотка которого черезавтоматический выключатель 4 с блоком управления 5 соединена с входными клеммами 1-3 для подключениятрехфазной питающей сети. Вторичныеобмотки 10-15 силового трансформатора 6 совместно с вентилями 16-21 об1246287 разуют две трехфазные нулевые схемывыпрямления, в цепь нагрузки которых включены вторичные обмотки 25,26 разделительного трансформатора24. Первичная обмотка 27 разделитель.ного 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 - содним из входов элемента ИЛИ 52.Вторичная обмотка 45 разделительного трансформатора 37 соединена свходом демодулятора 47, выход которого через Фильтр 49 и пороговыйэлемент 51 соединен с другим входомэлемента ИЛИ 52, выходом соединен 1Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано 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 ного через селектор длительности импульсов 53 с входом 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 скатодамивентилей 16-18 и 19-21 соответственно. При разрыве в цепи какого-либовентиля 16-21 канал, включающий демодулятор 47, фильтр 49, пороговыйэлемент 51, отключает устройство отсети путем увеличения амплитуды импульсов на вторичной обмотке 45вследствие уменьшения нагрузки трансформатора 37. При этом команда наотключение дублируется по каналу:релейный элемент 28, фильтр 48, демодулятор 46,пороговыйэлемент 50.7 ип. 239-45 обмотками, первый 46 и второй47 демодуляторы, первый 48 и второй49 фильтры, пороговые элементы 50 и51, элемент ИЛИ 52, селектор 53 длительности импульсов, токоограничивающий резистор 54,Блок 28 (фиг. 1) выполнен с симметричными относительно "нуля порогами переключения + В и инвертирую 10 щей петлей гистерезиса (фиг. 2 ц ) иможет быть реализован на операционном усилителе 55 по схеме регенеративного компаратора с резисторами56-58 (фиг. 7 Б ), При этом выходной15 сигнал: блока 28 меняется дискретнов пределах +А,Демодуляторы 46 и 47 выполнены схарактеристикой, показанной нафиг. 26. Фильтры 48 и 49 реализуют 2 О ся на 8 С-цепи или ЬС-цепях (фиг,2 г)и предназначены для подавления высокочастотного спектра входного сигнала.Пороговый элемент 50 переключается в состояние +А, когда его входнойсигнал превышает пороговый уровеньС (фиг. 2 б ). Выходной сигнал%элемента 51 равен нулю в том случае,когда входной сигнал находится внут 311 ри зоны С - С (фиг, 2).1246287 зНапряжение на выходе элемента 52.равно "Лог, 1" при условии наличия хотя бы на одном из входов сигнала "Лог. 1" (фиг. 2,е,мс).Селектор 53 длительности импульсов формирует на выходе сигнал "Лог. 1" только в том случае, когда длительность входного импульса превышает заданную величину(фиг.2, и ). оВыключатель 4 включается вручную, а его отключение может быть осуществлено как вручную, так и путем подачи на вход блока 5 сигнала "Лог.".На чертежах введены следующие 5 обозначения: У И ), У Й)11трехфазная система первичного напряжения выпрямителя; У (ь) - напряжение на выходе первого трехфазного выпрямителя; У, (1) - сигнал на вы ходе релейного элемента 28; К И )- напряжение на резисторе 29; К И )- напряжение на обмотке 45 трансформатора 37; У(1 )- (, (ь ) - сигналы на выходе блоков 47-53 соответствен но; (С) - ток, протекающий через блок 22 нагрузки; 1 , 1 - циклы развертывающего преобразования; Т- интервал дискретизации импульсов на выходе релейного элемента 28; момент перехода вентиля 16 в аварийный режим двухсторонней проводимости; 1 О, 1 о момент времени появления на выходе элементов 50 и 51 сигнала "Лог. 1"; +А - амплитуда импульсов на выходе демодулятора 47 в исправной схеме выпрямителя; йА - амплитуда импульсаций на выходе демодулятора 47. 40На фиг. Зг,е и 76,мс 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 19-21 со" ответственно. Схема, включающая дио" 50 ды 16-18, является силовой, которая работает на полезную нагрузку 22, а схема, состоящая из вентилей 19- 21, 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 11. (фиг. 3 ц ) диоды 16 и 19 закрываются, а в открытое состояние переходят вентили 17 и 20 (фиг. 3), которые проводят ток в интервале, ограниченном точками 11-111 (фиг. 3 а), Далее, в интервале 111-1 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 а ) представляет собой автоколебательную частотно-широтно-импульсную систему, которая работает следующим образом.При нулевом значении тока в обмотке 25 (фиг. 1, 4 а) на выходе релейного элемента 28 формируются импульсы,типа "меандр" с нулевым уровнем постоянной составляющей (фиг.46). Переключение релейного элемента 28 осуществляется импульсами напряжения, формируемами на резисторе 29 (фиг.1, 4 а) в моменты времени насыщения магнитопровода трансформатора 24 (фиг. 4 Б).Предположим, что через обмотку 25 протекает постоянный ток (фиг.4 г), соответствующий току нагрузки 22 силовой схемы выпрямителя (пульсирующей составляющей тока нагрузки пренебрегаем с целью упрощения временных диаграмм датчика тока). В интервале времени С, (фиг. 4 е ) перемагничивание трансформатора 24 осуществляется цод действием разности токов, протекающих через обмотки 25 и 27(фиг. 4, е ), а в интервале С - под действием суммы этих токов. В результате С,С (фиг. 4 е ), 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 У (С) 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. Зг е ), 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 Е-ЕЕ (фиг.Зе) открыты вентили 16 и 19 (фиг. 1, Зс.), и на вторичной стороне трансформато. ра 37 (фиг. 1, 5 д ) под нагрузкой находятся обмотки 39 и 44, подключенные параллельно диодам 16 и 19 (1 - сопротивление Р - Ь -перехода дио 9да на частоте импульсов выходногосигнала блока 28). Обмотки 40-43(фиг. 5 а ) в этом случае ненагружены.В интервале 11-111 (фиг. За) диоды 17Ои 20 открыты (фиг. З) и трансформатор 37 нагружен со стороны обмоток40 н 43, а сопротивление нагрузкиобмоток 39, 41, 42 и 44 (фиг.1,5 а )достаточно большое и может не учитываться,15Далее, в интервале времени Ш наг 1)узка включается в цепь обмоток41 и 42 (фиг. 3 а,е, 5 а), а обмотки39, 40, 43 и 44 работают в режимехолостого хода. Таким образом, висправной схеме устройства результирующая нагрузка трансформатора 37определяется величинами 0,5 г и 1(фиг. 55), где 1- входное сопротивление тракта 47, 49, 51 (фиг. 1),что обеспечивает формирование навходе демодулятора 47 сигнала с амплитудой +А (фиг. Зк), С поМощьюблока 47 импульсы с выхода обмоткиЗО345 выпрямляются (фиг, 3 ) и фильтруются (фиг. Зи).Пороги срабатывания элемента 511 фиг, 1) выбираются из условияС ( 1 цв (С ).С .что обеспечивааафет в исправной схеме выпрямителяформирование на выходе элемента 51сигнала "Лог. 0" (фиг. 31). На выходе элемента 50 также формируется"Лог, 0", так как постоянная составляющая выходных импульсов элемента10 28 равна нулю. (Фиг. 2 , 46фиг5 Ь ). В этом случае на выходе блоков 52 и 53 уровень напряжения соответствует "Лог. 0" и выключатель4 находится в замкнутом состоянии.Предположим, что вентиль 16 вмомент времени С (фиг.6 Б ) вышелиз строя и оказался элементом сдвухсторонней проводимостью (заштрихованная область). Тогда в интервале П-Й (фиг., ба ) в открытом состоянии находятся сразу три (а не два)вентиля (фиг. 6 8, б,), что приводик следующим процессам в каналахдиагностирования.55вбежим короткого замыкания в силовой выпрямительной схеме вызывает разбаланс ампер-витков обмоток 2571и 26 датчика тока, и на выходе релейного элемента 28 измеряется скважность импульсов (фиг. 6). Это влечет за собой нарастание выходногосигнала блоков 48 и 46 (фиг. 6 к), ина выходе элемента 52 в момент времеди 1(фиг. 6 к ) формируется сигнал "Лог. 0" (фиг. 6 н ), которыйобеспечивает напряжение "Лог. 1 "на выходе элемента 52 (фиг. 6 ).С другой стороны, в интервале П-Ш (фиг. 6 а), когда открыты вентили 16, 17 и 20, увеличивается нагрузка на трансформатор 37. Это влечет за собой уменьшение амплитудыимпульсов на входе демодулятора 47.форсированный характер сниженияамплитуды импульсов М (1 ) дости 5гается (фиг. 6 и ) также за счеттого, что через первичную обмотку38 трансформатора 37 начинает протекать постоянный ток (фиг. 61, обусловленный разбалансом ампер-витковобмоток 25 и 26 трансформатора 24и приводящий к насыщению магнитнойсистемы трансформатора 37. В результате сигнал на выходе фильтра 491 (1) (С, и в момент времени( 1 на выходе элемента 52 формируется напряжение "Лог.11. 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, чтопостоянная времени фильтра 48 выбирается из условия подавления высокочастотного спектра импульсов У (1), имеющихсяпо амплитуде вйределах +А (фиг. 56), а инерционность фильтра 49 зависит от пульса-,ции д А сигнала на выходе демодулятора 47 (фиг. 5,) . Учитывая, чтоьА ( 2/А/, инерционность. фильтра49 гораздо ниже инерционности фильтра 48. 246287 8ный вариант неисправности выпрямителя приводит к разбалансу ампер-витков обмоток 25 и 26 и команда наотключение выпрямителя дублируетсяпо каналу 28, 48, 46, 50 датчикатока.Рассмотрим работу схемы при различных неисправностях в трактахдиагностирования.10 1, Предположим, что релейный эле" 15 20 50 55 При разрыве в цепи какого-либодиода 16-21 канал 47, 49, 51 обеспе-чивает отключения от сети за счеттого, что амплитуда импульсов 1 (1)увеличивается на соответствующеминтервале коммутации вследствиеуменьшения результирующей нагрузкитрансформатора 37, .Кроме того, данмент 28 вышел из строя и его выходной сигнал принял фиксированныйуровень, например +А. В этом случаепроисходит срыв режима автоколеба"ний в датчике тока и сигнал на выходе блока 50 достигает уровня "Лог.1". С другой стороны, отсутствие1импульсного сигнала на выходе элемента 28 обеспечивает сигнал "Лог.О"на выходе демодулятора 47,"Лог.1"на выходе элемента 51. В результатевыключатель 4 отключается. Аналогичным образом система ведет себя приразрыве в цепях обмотки 27 и резистора 29.2, Предположим, что в цепи однойиз обмоток 25, 26 трансформатора 24произошел разрыв. Тогда вследствиеразбаланса ампер-витков во вторичных 30цепях датчика тока изменится скважность импульсов У (1 ).3. Считаем, что блок 50 перешелв неуправляемое оостояние Лог. 0",Тогда тракт 48, 46, 50 оказываетсянеработоспособным, однако это неотражается на работоспособности защиты выпрямителя в целом, так какконтроль за исправным состояниемэлементов 16, 17 и 18 силовой схемысохраняется по каналу датчика проводимости.4. В случае перехода блока 51 внеуправляемое нулевое состояние работоспособность схемы защиты сохраня ется по каналу 28, 48, 46, 50 датчика тока. Однако в этом случае быстродействие защиты выпрямителя ухудшается за счет того, что фильтр 48 обладает более высокой инерционностьюпо сравнению с фильтром 49 датчика,проводимости.5. Разрыв в цепи конденсаторов 31 -36 или обмоток 39-44 эквивалентен разрыву в цепи одного из вентилей16-21, что вызывает уменьшение результирующей нагрузки трансформатора37 и приводит к повышению на выходе блоков 51, 52, 53 сигнала "Лог. 1",124628 в результате чего происходит срабатывание автоматического вь 1 ключателя4. Аналогичным образом схема диагностирования реагирует и на обрывв цепи обмоток 45 и 38.56. Режим к.з. в цепях обмотоктрансформатора 37 приводит к уменьшению амплитуды сигнала на выходефильтра 49 до величины У, (С) с Свыпрямитель отключается от сети, 10Таким образом, практически любаянеисправность как в выпрямительныхсхемах, так и в каналах диагностирования влечет за собой срабатываниевыключателя 4, 15Селектор 53 введен в схему с цельюисключения ложных срабатываний выключателя 4.ввиду выходных импульсовэлемента 52, обусловленных рассогласованием параметров силовой и вспомогательной выпрямительных схем. Сигнал "Лог. 1" появляется на выходеселектора 53 с задержкой 1 , т,е., только тогда, когда он однозначно25связан с Фактом неработоспособностиэлементов выпрямителя и его блоковдиагностирования,При реализации датчика тока целесообразно обмотки 25 и 26 выполнять непосредственно шинопроводом,с помощью которого блоки 22 и 23подключаются к выходу соо гветствующей выпрямительной схемы (фиг. 7 а),ф Формула из обретения 35 Выпрямитель с защитой, содержащий блок силовых вентилей, блок вспомогательных вентилей с собственным блоком нагрузки, селектор дли 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 10торе, 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 .переменного 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 транс" форматора 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 демо" дулятор и первый пороговый элемент - к первому входу элемента ИЛИ, седьмая вторичная обмотка второго разде-. лительного трансформатора через пос 1 ледовательно включенные второй демодулятор, второй фильтр и второй пороговый элемент подключена к второму входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу селектора длительности импульсов.11246287 Х. д в Составитель О, МещеряковТехред:О.Сопко едактор В. Пет Корректор О.Луговая Заказ 4016 Т ВНИИПИ Государст по делам изобр 113035, Москва, Ж-35, Раушс ясное итета СССРкрытий я наб д,П водственно-полиграфическое предприятие г. Уг. жгород, ул. Проект