Тиристорный преобразователь

ТИЧЕСНИХ СПУБ 7/515 1) Н МЕСйЯЗЩр ОПИОА ЗОБРЕТЕНИ ВТОРСНОМУ ЕТ н. о СС80.СССР оты ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПЪФ(71) Уфимский ордена Ленина авиацный институт им. Серго Орджоникид,Н 02 М 7/515, 1981,(54)(57) 1. ТИРИСТОРНЬЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий тиристорный мост совстречно-параллельными диодами, однадиагональ которого образована последовательно соединенными коммутирующими конденсатором и дросселем, адругая - последовательно соединеннымизащитным дросселем, разделительнымконденсатором и клеммами для подключения нагрузки и подключена черезвходной дроссель к клеммам для подключения источника питания, блокуправления и защиты, канал контроляпрямого падения напряжения на тиристорах, включающий в себя датчики напряжения, подключенные параллельнотиристорам, и аналого-цифровой преобразователь, входами через ключи подключенный к выходам датчиков напряжения, а выходом подключенный к входу контроля прямого падения напряжения микропроцессора, выходы которогосоединены с входом индикатора и входом блока управления и защиты, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения надежности раб.,80113499 и выявления потенциально ненадежныхтиристоров за счет прогнозированиявыхода их иэ строя, он снабжен блоками выделения измеряемого параметрапервой и второй групп тиристоровсинфазных плеч тиристорного моста,каналом контроля тока тиристоров,включающим в себя датчики тока, ключи и аналого-цифровой преобразователь, каналом контроля тока утечкитиристоров, включающим в себя датчики тока, ключи и аналого-цифровойпреобразователь, блок умножения н деления, причем датчики тока каналаконтроля тока тиристоров включеныв анодные цепи тиристоров противоЖфазных плеч тиристорного моста, выходы указанных датчиков тока через соответствующие ключи соединены с входами соответствующего аналого-цифро- фМого преобразователя, выходы аналого-цифровых преобразователей каналовконтроля прямого падения напряжения фффффна тиристорах и тока тиристоров под- Эффиключены к входам блока умножения и ф 3деления, выход которого подключенк входу контроля мощности потерь микропроцессора, управляющие входы ключей каналов контроля прямого падениянапряжения и тока первой и второй1 рупп тиристоров синфаэных плеч тиристорного моста соединены с выходами блоков выделения измеряемого параметра первой и второй групп тиристоров синфазных плеч тиристорного моста, датчики тока канала контролятока утечки тиристоров включеныв анодные цепи тирйсторов, выходыуказанных датчиков тока через соот. ветствующие ключи соединены с входами соответствующего аналого-цифрово1134997 го преобразователя, выход которогоподключен к входу контроля тока утечки микропроцессора, управляющие входы ключей первой группы тиристоровсинфазных плеч тирцсторного мостасоединены с входом блока вьщеленияизмеряемого параметра второй группытиристоров синфазных плеч, а управляющие входы ключей второй группы тиристоров синфазных плеч тиристорногомоста соединены с входом блока выдеИзобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании источников питания электротермических установок.Известен тиристорный преобразователь, содержащий мост, основные тиристоры которого зашунтированы резервными тиристорами и диодами обрат. ного тока, и блок управления, включающий в себя последовательно соединенные между собой задающий генератор и формирователь импульсов, выход которого связан с распределителем импульсов для управления .основными тиристорами моста, причем между выводами переменного тока этого моста включены последовательно соединен- ные коммутирующие конденсатор и дроссель, один вывод постоянного тока моста подключен через токоограничи 1 вающий дроссель к одному силовому входному выводу, через фильтро, вый конденсатор - к одному выходному выводу, а другие силовой входной и выходной выводы образованы другим выводом постоянного тока инверторного моста, пороговый элемент, датчики обратного тока, включенные в цепи основных тиристоров, выходы которых подсоединены через блок выделения сигнала, пропорционального обратному току, к пороговому элементу, дополнительные ключи и дополнительный распределитель импульсов управления резервными тиристорами, причем формирователь импульсов своим выходом через дополнительные ключи подключен к основному и дополни,тельному распределителям импульсов,ления измеряемого параметра первой группы тиристоров синфазных плеч тиристорного моста,2. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что блок выделения измеряемого параметра содержит два одновибратора; дифференцирующую ЙС -цепь и диод, причем одновибраторы соединены между собой через дифференцирующую РС-цепь, резистор которой защунтирован диодом. 2а управляющие входы этих ключей подключены к входу порогового элемента 11 .Недостатками данного преобразователя являются сложность системы измерения и выделения обратного токатиристоров, а также невозможностьпрогнозировать состояние тиристоров,что не позволяет выявлять потенци ально ненадежные, снижая надежностьработы преобразователя.Наиболее близким к предлагаемомуявляется тиристорный преобразователь,содержащий тиристорный мост с встреч.15 но-параллельными диодами, одна диагональ которого образована последовательно соединенными коммутирующимиконденсатором и дросселем, а другая -последовательно соединенными защитным щ дросселем, разделительным конденсатором и клеммами для подключения нагрузки и подключена через входной дроссель к клеммам для подключения источника питания, блок управления и защи ты, канал контроля прямого падениянапряжения на тиристорах, включающийв себя датчики напряжения, подключенные параллельно тиристорам и аналого-цифровой преобразователь, входами ЗО через ключи подключенныи к выходамдатчиков напряжения, а выходом - квходу контроля прямого падения напряжения микропроцессора, выходы которого соединены с входами индикатора и 35блока управления и защиты 23Основным интегральным критериемсостояния силовых тиристоров являетсятемпература полупроводниковой структуры. Однако температуру структурытиристора работающего преобразователя измерить непосредственно трудно, и обычно ее оценивают косвенно с помощью пермочувствительных параметров, легка поддающихся измерению в условиях эксп луатации. Б данной схеме преобразователя в качестве термочувствительного параметра использовано прямое падение напряжения на тиристорах, которое само по себе не является интегральным критерием их состояния и поэтому не обеспечивает достаточную надежность прогнозирования их работоспособности, а значит и выявления потенциально ненадежных, и их эабла говременную замену, что снижает надежность работы преобразователя в целом.Для обеспеченйя высокой надежности работы преобразователя необходимо 20 иметь информацию о возможно большем количестве термочувствительных параметров, что позволит заблаговременно заменить те тиристоры, которые в процессе раббты изменили свои параметры и достигли критических величин.Цель изобретения - повьппение надежности работы и выявление потенциально ненадежных тиристоров за счет прогнозирования выхода их иэ строя. 30Поставленная цель достигается тем, что тиристорный преобразователь, содержащий тиристорный мост со . встречно-параллельными диодами, одна диагональ которого образована после- З 5 довательно соединенными коммутирующими конденсатором и дросселем, а другая - последовательно соединенными защитным дросселем, разделительным конденсатором и клеммами для 40 подключения нагрузки и подключена через входной дроссель к клеммам для подключения источника питания, блок управления и защиты, канал контроля прямого падения напряжения на тирис торах, включающий в себя датчики напряжения, подключенные параллельно тиристорам, аналого-цифровой преобразователь, входами через ключи подключенный к выходам датчиков напря жения, а выходом подключенный к входу контроля прямого падения напряжения микропроцессора, выходы которого соединены с входом индикатора и входом блока управления и защиты, снабжен блоками вьщеления измеряемого параметра первей и второй групп тиристоров синфазных плеч тиристорного моста каналом контроля тока тиристоров, включающим в себя датчики тока,.ключи и аналого-цифровой преобразователь, каналом контроля тока утечки тиристоров, включающим в себя датчики тока, ключи и аналого-цифровой преобразователь, блок умножения и деления, причем датчики тока канала контроля тока тиристоров 1 включены в анодные цепи тиристоров противофаэных плеч тиристорного моста, выходы указанных датчиков тока через соответствующие ключи соединены с входами соответствующего аналого-цифрового преобразователя, выходы аналого-цифровых преобразователей каналов контроля прямого падения напряжения на тиристорах и тока тиристоров подключены к входам блока умножения и деления, выход которого подключен к входу контроля мощности потерь микропроцессора, управляющие входы ключей каналов контроля прямого падения напряжения и тока первой и второй групп тиристоров синфазных плеч тиристорного моста соединены с выходами блоков вьщеления измеряемого параметра первой и второй групп тиристоров синфазных плеч тиристорного моста, датчики тока канала контроля тока утечки тиристоров включены в анодные цепи тиристоров, выходы указанных датчиков тока через соответствующие ключи соединены с входами соответствующего аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу контроля тока утечки микропроцессора, управляющие входы ключей первой;.группы тиристоров синфазных плеч тиристорного моста соединены с входом блока вьщеления измеряемого параметра второй группы тиристоров синфазных плеч, а управляющие входы ключей второй группы тиристоров синфазных плеч тиристорного моста соединены с входом блока вьщеления измеряемого параметра пер" вой группы тиристоров синфаэных плеч тиристорного моста.Кроме того, блок вьщеления измеряемого параметра содержит два одновибратора, дифференцирующую КС-цепь и диод, причем одновибратбры соединены между собой через дифференцирующую КС-цепь, резистор которой зашунтирован диодом.На фиг. 1 приведена электрическая схема тиристорного преобразователя;на фиг, 2 - схема реализации устройства выделения измеряемого параметра; на фиг. 3 - диаграммы, поясняющие принцип действия преобразователя.Тиристарный преобразователь содер жит тиристорный мост - тиристоры 1, 2, 3 и 4 с встречно-параллельными диодами 5,6,7 и 8, одна диагональ которого образована последовательно соединенными коммутирующими конден 10 .сатором 9 и дросселем 10, а другая последовательно соединенными защитным дросселем 11, разделительным конденсатором 12 и нагрузкой 13 и подключена через входной дроссель 14 х источнику 15 питания, блок 16 управления и защиты, канал контроля прямого падения напряжения на тиристорах 1-4, образованный датчиками 17- 20 напряжения, подключенными параллельно тиристорам 1-4, аналого-цифровым преобразователем 21, микропроцессором 22, индикатором 23, причем входы аналого-цифрового преобразователя 21 соединены через ключи 24-.27 с датчиками 17-20 напряжения, а выходы связаны с входами микропроцессора 22, выходы последнего соединены с индикатором 23 и блоком 16 управления и защиты, блоки .28 и 29 выделения, 30 измеряемого параметра первой 1,3 и второй 2,4 групп тиристоров синфазных плеч тиристорного моста и дополнительные каналы контроля тока тиристоров 1-4 и их тока утечки, при этом 35 канал контроля тока тиристоров 1-4 состоит из датчиков 30 и 31 тока, введенных в анодные цепи тиристоров 4,3 противофазных плеч тиристорного моста, выходы которых через ключи 32 и 33 связаны с входами анологоцифрового преобразователя 34, а выходы аналого-цифровых преобразователей 21 и 34 каналов контроля прямого падения напряжения на тиристорах 1-4 45 и тока тиристоров 1-4 подключены к блоку 35 умножения и деления, вы" ход которого связан с входом микропроцессора 22, а управляющие входы ключей 24,25; 26, 27; 33,32 каналов 50 контроля прямого падения напряжения и тока первой 1,3 и второй 2,4 групп тиристоров 1-4 синфазных плеч тиристорного моста соединены с выходами блоков 28 и 29 выделения измеряемого 5. параметра первой 1,3 и второй 2;4 групп тиристоров синфазных плеч (24,25; 33-28; 26,27; 32-29) . Канал контроля тока утечки тиристоро 1-4содержит датчики 36-39 тока, включен-.,ные в анолные цепи тиристоров 1-4,выходы которых через ключи 40-43связаны с входами аналого-цифровогопреобразователя 44 выход которогоподключен к входу микропроцессора 22,а управляющие входы ключей 40,41первой группы тиристоров 1,3 синфаэ. ных плеч тиристорного моста соединены с блоком 29 выделения измеряемогопараметра второй группы тиристоров 2,4 синфазных плеч. Управляющие входыключей 42, 43 второй группы тиристоров 2,4 синфаэных плеч соединеныс блоком 28 выделения измеряемого параметра первой группы тиристоров 1,3синфазных плеч тиристорного моста.Блок 28 (29) выделения измеряемо- .го параметра образован двумя одновибраторами 45 и 46, связанными между собой через дифференцирующуюКС-цепочку 47, 48, резистор 47, который зашунтирован диодом 49,На фиг. 3 обозначены 113 2 Ф 2 з - отпирающие импульсы тиристоров 1,3; 2,4, запускающие блокивыделения измеряемого параметра 28,29; 1- ток нагрузки 13; П/напряжение на тиристорах 1,3; 12 -напряжение на тиристорах 2,4;1 ток тиристоров 1,3, 12токтиристоров 2,4; Нэ 1 - напряжениена выходе одновибратора 45 блока 28вь еления измеряемого параметра;П, - напряжение на выходе КС-цепочкй 47, 48 блока 28; П,.62 - напряжение на выходе одновибратора 46блока 28; П , - напряжение на выходе одновибратора 45. блока 29 выделения измеряемого параметРа; Пгэ 1напряжение на выходе КС-цепочки 47,48 блока 29;1 в напряжение наФ 1 2 Мвыходе одновибратора 46 блока 29.Тиристорный преобразовательв квазиустановившемся режиме работаетследующим образом.Пусть разделительный конденсатор 12 нормально заряжен до напряжения источника 15 питания через входной дроссель 14, защитный дроссель 11и нагрузку 13. И пусть коммутирующийконденсатор 9 имеет полярность напряжения, указанную на фиг. 1.Блок 16 управления и защиты выдает отпирающие импульсы 1 (фиг. За)на тиристоры 1,3, и начинается процесс перезаряда коммутирующего кондецсатора 9. После того, как напряжение ца конденсаторе 9 станет вьше напряжения источника 15 питания и кабельцьп 1 ток тиристорон 1,3 (фиг. Зд) пройдет через нуль, оци выключаются, 5 и тогда через нагрузку 13 начинает протекать ток в обратном направлении (фиг. Зб), благодаря включившимся диодам 5,7.Как только коммутирующий конден 10 сатор 9 разрядится до напряжения, меньшего напряжения источника 15, диоды 5 и 7 также выключаются.Далее аналогично работают тиристоры 2,4, их включают импульсами 1,415 (фиг. За,е), а после их выключения диоды 6,8, и процесс повторяется.Напряжения П 3 и 02 4 на тирис1,зторах 1,3 и 2,4 показайы иа фиг.Зв,г.Характерным видом отказа тиристорных преобразователей является выход из строя силовых тиристоров. Поэтому для повышения надежности преобразователей в процессе эксплуатации целесообразно знать техническое состояние25 каждого из тиристоров и уметь прогнозировать его. Это позволяет своевременно определить наличие потенциально ненадежных тиристоров в преобразователе, произвести замену и 30 тем самым предотвратить возможный отказ.Основным интегральным критериемсостояния силовых тиристоров является температура полупроводниковой З 5 структуры. Однако температуру структуры тиристора работающего преобразователя измерить непосредственно трудно, обычно ее оценивают косвенно с помощью термочувствительных 40 параметров тиристора, легко поддающихся измерению .в условиях эксплуа- , тации.Для обеспечения высокой надежности работы преобразователя необходимо 45 иметь информацию о возможно большем количестве термочувствительных параметров, поэтому с целью повышения надежности и своевременного выявле-. ния потенциально ненадежных тиристо О ров в предлагаемом преобразователе контролируют прямое падение напряжения на тиристорах 1 - 4; прямой токтиристоров 1 - 4, который перемножается с помощью устройства 35 умно жения и деления, получая важный термочувствительный параметр - мощность потерь; ток утечки тиристоров 1 - 4. В соответствии с этим схем тиристорного преобразователя имеет триканала контроля; прямого падеция напряжения на тиристорах; прямого токатиристоров (мощности потерь); токаутечки тиристоров,В схему преобразователя входят дваважных элемента - блоки 28 и 29 выделения .измеряемого параметра, основное назначение, которых обеспечиватьаналого-цифровые преобразователи 21,34, 44 и лыкропроцессор 22 достоверной информацией для анализа работытиристоров 1-4. Для достижения этойцели каждый из блоков 28 и 29 (фиг.2;образован двумя одцовибраторами 45и 46, связанными между собой посредством диффереццирующей ВС-цепочки 47,48, резистор 47 которой зашуцтировацдиодом 49,что позволяет получить длительность импульсов на выходе блока 28 (29) выделения измеряемого параметра, управляющих ключами 24-27;32,33; 40-43, меньше рабочего полупериода (фиг. Зж-м) и измерять не переходный процесс включения тиристоров 1-4, а достоверные данные о прямом падении напряжения, прямом токеи токе утечки этих тиристоров.Каналы контроля работают следующимобразом.При работе канала контроля прямогопадения напряжения на тиристорах 2-4блок 16 управления и защиты одновременно подает отпирающие импульсы д( ц:г. За) на включение1 ДВтиристоров 1,3 .и запускает блок 28выделения измеряемого паваметра.По окончании переходного процессавключения тиристоров 1,3 блок 28выдает сигнал (фиг. Зи) и на включение ключей 24,25, При этом прямоепадение напряжения тиристоров 1,3(фиг. Зв) подается с помощью датчиков 17 и 19 через ключи 24 и 25на вход аналого-цифрового преобразователя 21, который преобразует ихв коды, управляющие микропроцессором 22.Аналогично работает канал контроля при включении очередных тиристоров 2,4. В этом случае включаетсяблок 29 выделения измеряемого параметра, запускающий ключи 26, 27,и прямое нацение напряжения на тирис.торах 2,4 (фиг. Зг) подается с помощью датчиков 18,20 через ключи 26,27 на вход аналого-цифрового преобра1134997 10 измеряемых параметров тиристоров 1-4:ЬП - прямое падение напряжения;Ьр - мощность потерь,-ток утечки.Прогнозирование технйческого сос тояния каждого из тиристоров осуществляется по пЗ замерам параметров,полученным при последовательных измерениях с интервалом Т=100 ч. Исходной информацией для индивидуального 10прогнозирования служат три матрицызамеров параметров порядка 4 хп 1: ДО Ю ЬО11 12 1 п21 г ." г21 22" 2 п31 52-. ЗпДи,аи, Ьи,42" 4 п 2 РггРгп32" 15 ЬР 1 ЬР ЬР4 п лей 21 и 34 подаются на блок 35 умно.жения и деления, д р=ЬПперемножаются и поступают на вход микропроцессора 22, управляя им.Аналогично работает канал контроляпри включении очередных тиристоров 2, 4, только в этом случае включается блок 29, запускающий ключ 32,и сигнал снимается с датчика 30 тока.Канал контроля тока утечки тиристоров 1-4 работает следующим образом.Так как ток утечки тнристоров - 30это ток, протекающий через тиристорпри разомкнутой цепи управления ипри приложении к нему напряженияв прямом направлении, одновременнос включением тиристоров 1,3 и запус- З 5ком блока 28 выделения измеряемогопараметра по истечении переходногопроцесса включения тиристоров.блок 28 включает ключи 42, 43, Сигналы, пропорциональные току утечки 40тиристоров 2 и 4 с датчиков 37и 39 тока через ключи 42., 43, поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 44, который преобразуетих в коды, управляющие микропроцессором 22,Аналогично работает канал контроля при включении очередных тиристоров 2, 4. Отличие заключается в том,что блок 29 включает ключи 40, 41 5 ои сигнал, пропорциональный току утечки тиристоров 1, 3, поступает с датчиков 36, 38 тока через ключи 40, 41на тот же аналого-цифровой преобразо;ватель 44. 55В память микропроцессора 22 последовательно через каждые 100 ч работыпреобразователя заносятся значения 12 " т 1 ЗТ 11 зт 2 т 21 т 32" М 1ль дПОф- ЬО; ьОзователя 21, который преобразует их в коды, управляющие микропроцессором 22.Канал контроля тока тиристоров 1- 4 (мощности потерь) работает следующим образом.Бло 5 16 управления и защиты одновременно подает отпирающие импульсы на включение тиристоров. 1,3 и запускает блок 28 выделения измеряемого параметра (фиг. За). По окончании переходного процесса включения тиристоров 1,3 блок 28 включает ключ 33 и сигнал, пропорциональный току тиристоров 1,3 с датчика 31 тока через ключ 33 поступает на вход аналогоцифрового преобразователя 34Коды с аналого-цифровых преобразоватет 41 1 т 42 Зт 4 п прямое падение напряже ния на 1-м тиристоре в 1-й момент времени; мощность потерь в 1-м тиристоре в 1-й момент времени; ток утечки в х-м тирис торе в 1-й момент врем ни. Первые столбцы всех трех матрицмогут быть получены по результатамвходного контроля тиристоров передих установкой в преобразователь. Номер строки в каждой матрице равенпорядковому номеру тиристора, причемпоследний соответствует номеру, указанному на панели силовой схемы преобразователя. Количество столбцовво всех трех матрицах одинаково и соответствует числу замеров параметров,хранящихся в памяти микропроцессора 22,Для того, чтобы можно было сравнить значения этих имеющих разныеразности параметров, их нужно привести к абсолютным размерным единицам.С этой целью в программе микропроцессора 22 все значения параметров йП, Ьр,1 преобразуются и дляупрощения программы обозначаютсяследующим образом:%из всех физически возможных ДБ,ДР еПереход от размерных величинк безразмерным осуществляется в микропроцессоре 22 последовательнов реальном масштабе времени по мерепоступления замеров параметров, такчто в его памяти хранятся только матЗначения ДУидр заносятся 25Ъ ув память микропроцессора 22 предварительно.Для более точного прогноза программа микропроцессора 22 предусматривает определение приращений всех трех параметров для каждого тиристора за все предыдущие межконтрольные интервалы времени т по формуле В результате получаем три матрицы,приращений порядка 4 х(п) д х фЕ ;: 1,.1= 1,4, 9=1,2,3 ПО алГ Ориу аналогичному Вырэже 45 нию (4), для каждого тиристора 1-4 прогнозируется среднее значение всех трех параметров х, х 2, хэ к будущему контрольному времени й =+ в соответствии с формулами 4у( )= (х к, .,),., (ви+1 1 1 . ь3й 11Ж(91 551=,) 1 ь в с; -(и/ . р Р ; +1-) После осуществления прогноза для 1 беэраэмерных параметров х, х, хз программа микропроцессора 22 делает пересчет прогноза по формулам, обратным к (2) - (4), и получаются прогнозируемые средние значения прямого падениЯ напРЯжениЯ. М .(ЬЦ), тока утечки М .( ) и мощности почттерь М;(Ьр). Далее проверяется для каждого тиристора 1 - 4, попадаетсяли точка М;(ЬБ), М(1 у), М(др) в допустимую область Я . для дан ного типа тиристоров. Если для д-го тиристора(М(ЬП) э М (у ) э М (ЬР) Йдр то микропроцессор 22 выдает сигнал на индикатор 23 "Заменить тиристор М Г, предупреждая тем самым о воз-, можности отказа преобразователя в следующие часов эксплуата-, ции. Если же при непрерывном контроле параметров ЬУ, д , др фиксируется значение хотя бы одного иэ них, равное максимально допустимому для данного типа тиристоров, то микропроцессор 22 выдает сигнал на блок 16 управления и защиты, который выключает преобразователь. Таким образом, контролир:уя состояние тиристоров преобразователя с помощью предложенной системы, удается предотвратить аварийную ситуацию, которая имеет тяжелые последствия в тех случаях, когда преобразователь является источником питания установок ответственных, дорогостоящих и уникальных технологических процессов, таких как вакуумная плавка металлов и спецсплавов, литье алюминия в электромагнитный кристаллизатор, что существенно повьппает надежность работы преобразователя и сокращает производственные потери., Кроме того, благодаря выявлению потеницально ненадежных тиристорови заблаговременной их замены удаетсяисключить отключение преобразователя в процессе работы. Изобретение можетбыть применено и в других типах преобразователей.11349972 д 2 Ж ИИПИ Заказ 10099/4 рах 646 Подписное Филиал ППП патент" г. Ухгород, ул. Проектная,