Способ защиты автономного мостового тиристорного инвертора напряжения и устройство для его осуществления

(51) 4 ОСУДАРСО ДЕЛА ИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ОР ЕННЫИ КОМИТЕТ СССР ЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ У СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт тяжелого электро- машиностроения Харьковского завода Электротяжмаш" им. В.И.Ленина (72) Ю,И.Гусевский, С.Н.Полторак, А,Т.Бурков, Ю.П.Васильев, В.М.Федоров и О.И.Шатнев(53) 62.316.925.4(088.8) (56) Федоров В.М. Система защиты автономного инвертора в тяговом электроприводе тепловоза ТЭ 120. Межвуз сб,тр. "Полупроводниковая техника в устройствах электрических железных дорог", ЛИИЖТ, 1981, с,29-34.Авторско Р630701, к 7. е свидетельство ССС л. Н 02 Н 7/10, 197(54) СПОСОБ ЭАИИТЪ 1 АВТОНОМНОГО МОСТОВОГО ТИРИСТОРНОГО ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУШЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение позволяет повыситнадежность, быстродействие, КПДи снизить массогабаритные показатели. Это достигается тем, что в способе защиты автономного мостовоготиристорного инвертора напряженияодновременно с подачей импульсовуправления на тиристоры короткозамыкателя снимают импульсы управления с тиристоров инвертора. Вводятпротиво-ЭДС в плечи моста тиристоров инвертора на интервале первого олупериода колебательного разрядаонденсатора 1.С -фильтра и послетого снимают импульсы управлениятиристоров короткозамыкателя.4 ил.1203629 Изобретение относится к преобра: овательной технике, в частностик способам и устройствам защитыавтономных многофазных мостовыхинверторов напряжения от сквозныхкоротких замыканий при опрокидывании моста инвертирующих тиристоров.Цель изобретения - повышениенадежности, быстродействия, КПДк снижение массогабаритных показателей.На Фиг. представлена принципи альная схема устройства для осуще-.ствления способа; на фиг.2 - эквивалентные схеь 1 ы замещения контура разряда конденсатора Фильтра для отдельных этапов процесса разряда;на Фиг.З - временные диаграммы,иллюстрирующие электромагнитные процессы в предлагаемом устройствезащиты при его срабатывании; нас 1 иг.4 - принципиальная схема устройства, второй варкант,На схемах (Фиг.,2 и 4) обозначены источник 1 входного переменного напряжения с выводами А, В,С ; неуправляемый мостовой выпрямитель 2 ( + ) и ( в ) соотвегственно положительный и отрицательный полюсы звена постоянного напряжения резистор 3 и диод 4 гасящей Во-цепи, трансформатор 5 с первичной обмоткой 6 (точкой обозначено начало обмотки); конденсатор 7 фильтра, вторичные обмотки 8 - 13, главные ( кнвертирующие) ткристоры инвертирующего моста 14 19, обратные диоды 20 - 25, тиристорный короткозамыкатель 26, датчик 27 опрокидывания инвертора, пороговый блок 28, блок 29 формирования импульса управления тиристорами короткозамыкателя, запоминающий элемент 30, система 31 управления инвертора, блок 32 формирования сигналов управления инвертирующими тиристорамк, при этом 0 - напряжение на конденсаторе 7 фкльтра; 1, - ток конденсатора 7 фкльтра; 1, - ток гасящей К) - цепи;- суммарный ток конденсатора Фильтра и гасящей 15 -цепи;- ток тиристорного короткозамыкателя. На Фиг.З приведены кривые перечис" ленных токов и напряжений при срабатывании защиты в Функции текущего электрического угла 8, связанного с текущим временем ь соотношением 1 О 5 О 25 30 35 40 45 50 16 = -- г. (1)-Д,сгде 1, - приведенная к первичнойобмотке 6 эквивалентная индуктивность обмоток трансформатора 5;С - емкость конденсатора 7 Фильтра.В момент срабатывания защитыусловно принято значение угла С = О,характерные точки по оси И обозначены: Ц, ( , В схеме по фиг,1к полюсам звена постоянного напряжения подключаются непосредственновыходные зажимы выпрямителя 2,входные зажимы инвертирующего мостана тиристорах 4 - 19 и диодах20 - 25, а также фильтр с гасящейЮ-цепью и тиристорный короткозамыкатель, условно показанный в видетиристора 26. Первичная обмотка 6трансформатора 5 включена последовательно с конденсатором 7 фильтраи в нормальном режиме работы инвертора выполняет роль токоограничивающего реактора .С -Фкльтра, а присрабатывании защиты обеспечиваетколебательный характер процессаразряда конденсатора 7, вторичныеобмотки 8,11,9,12,10 и 13 трансформатора 5 включены в плечах мостаинвертирующих тиристоров согласнопо отношению к первичной обмотке 6и в нормальном режиме работы инвертора выполняют роль реакторов,устанавливаемых в плечах моста инвертирующих тиристоров, а при срабатывании защиты .являются источ -никами противо-ЭДС в плечах упомянутого моста, т.е, ЭДС, направленных встречно по отношению к нормальной полярности звена постоянного напряжения, Коэффициент трансФормации трансформатора 5 от первичной обмотки 6 к его вторичным обмоткам выбирается достаточно большим (порядка= (1 О - 20) , исходя из условия обеспечения надежной коммутации тока нагрузки втиристорах инвертирующего мостаза счет противо-ЭДС во вторичныхобмотках трансформатора 5,Таким образом, число витков вторичных обмоток трансформатора 5 может быть выбрано достаточно малым (порядка 1 - 2 вктка), что, с одной стороны, обуславливает малое влияние электромагнитных процессовв фильтре на соответствующие про - цессы в фазах инвертора и малое . взаимовлияние последних в нормальном режиме работы инвертора, а с другой стороны, облегчает требования к конструкции трансформатора 5 всоставе инвертора. В то же время индуктивность первичной обмотки 6 трансформатора 5, выполняющей роль токоограничивающего реактора Фильтра, выбирается достаточно малой по сравнению с приведенной к звену постоянного напряжения индуктивностью статорных обмоток генератора 1 и, таким образом, включение упомянутой вторичной обмотки последовательно с конденсатором 7 Фильтра практически не ухудшает работу Фильтра.Датчик 27 опрокидывания инвертора (датчик аварийного состояния ) может. быть выполнен в виде трансформатора, первичная обмотка которого включена последовательно с конденсатором 7 фильтра, а вторичная обмотка является выходом датчика опрокидывания, который подключен к входу порогового блока 28, Выход, блока 28 подключен к входу блока 29 формирования импульсов управления тиристорами короткозамыкателя 26. Блок 29 может быть выполнен, например, в виде одновибратора с выходными развязывающими усилителями, подключенными своими выходными цепями к управляющим электродам тиристоров короткозамыкателя 26, Выход порогового блока 28 подключен также к входу запоминающего элемента 30 ( выполненного, например, на триггере), выход которого подключен к блокирующему входу блока 32 формирования сигнала управления инвертирующими тиристорами, к другому входу блока 32 подключен выход системы 31 управления инвертора, а выход блока 32 подключен к управляющим электродам инвертирующих тири - сторов 14 - 19. Устройство работает следующим образом.При опрокидывании инвертора (сквозном включении двух тиристорных плеч в какой-либо из фаз инвертора) напряжение конденсатора 7 фильтра приложено к обмоткам трансформатора 5, а также к первичной обмотке трансформатора датчика 27 опрокидывания. При этом на вторич 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ной обмотке трансформатора датчика27 опрокидывания формируется импульснапряжения, который подается навход порогового блока 28. В моментпревышения амплитуды этого импульса установленного уровня пороговыйблок 28 формирует сигнал, который содной стороны через блок 29 формирования импульса управления тиристорами короткозамыкателя формируетимпульс фиксированной длительностисна управление тиристорами короткозамыкателя 26, а с другой стороны через запоминающий элемент 30блокирует подачу импульсов управления на инвертирующие тиристоры 1419 от системы 31 управления, Темсамым на все тиристоры короткозамыкателя 26 подается управление с одновременным снятием управления совсех инвертирующих тиристоров, иконденсатор 7 фильтра начинает разряжаться по цепи обкладка конденсатора 7, подключенная к началу обмоьки 6, - начало первичной обмотки 6:трансформатора 5 - конец первичнойобмотки 6 трансформатора 5 - тиристорный короткозамыкатель 26 - обкладка конденсатора 7, подключеннаяк отрицательному полюсу ( в 1 звенапостоянного напряжения. При этом, содной стороны, тиристоры короткозамкнутой фазы опрокинувшегосяинвертора разгружены от тока разряда конденсатора фильтра, а с другой стороны, положительный импульсразрядного токаконденсатора 7Фильтра через первичную обмотку 6трансформатора 5 индуцирует во вторичных обмотках 8 - 13, включенныхв плечах инвертирующего моста,противо-ЭДС, направленные встречнопо отношению к нормальной полярности звена постоянного напряженияза счет которых на интервале первойполуволны разряда конденсатораФильтра обеспечивается вытеснениетока нагрузки из плеч моста инвертирующих тиристоров в цепь короткозамыкателя и их отключение. Параметры колебательного процесса разряда конденсатора 7 фильтра в на -чальной стадии процесса определяются емкостью С конденсатора 7 иэквивалентной приведенной к первичной обмотке 6 индуктивностьютрансформатора 5. Эквивалентнаясхема замещения контура разрядаконденсатора 7 на начальном участкеразряда при- Я Д пред 2 ставлена ка Лиг,24. На этом участке токи и напряжения в контуре разряда с достаточной точностью определяется соотношениями(2) Ос= О сочв 13) где (з( - начальное значение напряжения О ка конденсатореФильтра при (з = О;1 - амплитуда разрядного токаконденсатора фильтра, опре.деляемая согласно выраже- нию 1 =( - О, (4)При значениях 6 ) 6 = - напря 1 2 жение согласно Формуле (3) меняет знак и становится отрицательным, вследствие чего включается диод 3 гасящей 1(0 -цепи и параметры колебательного процесса разряда конденсатора 7 определяются в соответст-, вии с эквивалентной схемой замещения по фиг.2 о, При этом токи и напряжения могут быть рассчитаны по следующим выражениям: т - (0-9 е со 5(6 - 1 сояч (1( е созеВ- -со( (1(1;(6)соз)6 г о-о(в-О,=-е э(л,9- - , сое Ч (,8) со ц) где О - коэффициент затухакия)определяемый согласкоФормуле где С - емкость сглаживающего конденсатора 7;- сумма индуктивностей реакторов 8,11 или 9,12 или 10,13 соответственно, при подстановке соответствующих значений 1, и С ( причем рассматривается область значений параметра 3 с 1);( - угол затухания, связанныйс коэффициентом затухания 7 соотношениемР. о У, (9)Соотношения 15) - ( 8) справедливы для описания электромагнитных процессов в контуре перезаряда конденсатора 7 на интервале 6(6 Ю(где 04 определяется в соответствиис выражением 10 На этом интервале пи значенияхугла 96 , где 8 = - +Э2 2 соеу(-,. у,ток конденсатора 7 меняет знак,обеспечивая при 8 ) Взаряд конденсатора 7 в положительном поотношению к нормальной полярностизвена постоянного напряжения отуровня напряжения(1 2) При значениях угла 66 , где.( определяется по Формуле 25 13)2 соэ(1 2 30 35 40 45 50 55 положительнь(й ток (- фильтра протекает от начала к концу первичнойобмотка 6 трансформатора 5 по цепикороткозамыкателя 26 при примерномсоблюдении равенства 1 Т = э с точностью до пренебрежения составляющейтока нагрузки и составляющими токавторичных обмоток трансформатора 5.При этом во вторичных обмотках трансформатора 5 индуктируются импульсыкоммутационного тока, направленныевстречно по отношению к нормальнойполярности звена постоянного напряжения и обеспечивающие коммутациюинвертирующих тиристоров 14 - 19во время полуволны перезаряда кон-денсатора Фильтра. При значениях86 токэ меняет знак, становится отрицательным и замыкается черездиоды неуправляемого выпрямителя 2,обеспечивая отключение тиристоровкороткозамыкателя 26 (к этому времени управление тирис.орами короткозамыкателя 26 должно быть снято).Таким образом для обеспечения снятия импульсов управления тиристоров короткозамыкателя по истечениивремени первого полупериода колебательного разряда конденсатораС-Фильтра длительность Г, им 1203629пульса управления тиристорами короткозамыкателя 26, задаваемая одновибратором в блоке Формирования 29,должна удовлетворять неравенствуТ=4 ьс 9где и определяется согласно еор 1 ауле 131.: при значениях угла Н т р з, определяемом согласно Формуле (13), изменяется полярность напряжения на конденсаторе 7, в результате чего закрывается диод 3 гасящей 1 О -цепи, и контур заряда конденсатора 7 определяется снова в соответствии с эквивалентной схемой замещения по формулам1 з ,.-1 е соз 1 е- - "- - "О:Ц ео 8- - "- - "1. (15)Процесс заряда конденсатора 7завершается в момент 9 = 9 у где значение угла 65 определяется по Формуле9=11 1+ - - . -созУ 1При этом напряжение на конденсаторе 7-дЯ (17)Очто при выбранном значении П = 0,5 обеспечивает уменьшение напряжения 0 на конденсаторе 7 до 16,3 Е от его начального уровня. При протекании описанного процесса обеспечивается коммутация главных тиристоров инвертора короткозамыкателя, причем коммутация главных тиристоров инвертора происходит на интервале 08 а 8 нри протекании первой3положительной полуволны тока 15 1 фильтра через первичную обмотку 6 трансформатора 5 за счет коммутируег ющего токаво вторичных обмотках трансформатора 5 в плечах инвертора при примерном соблюдении равенствагде 1 - коэффициент трансформации трансформатора 5, а коммутация тиристоров короткозамыкателя 26 обеспечивается на интервале 0 а6В при протекании второй ( отрицательной) полУволны тока 1 з ФильтРа через дкодь 1 неуправляемого выпрямителя 2.Таким образом, длительности,Импульсов коммутирующих токов для5 главных тирксторов кнвертора г идля тиристоров короткозамыкателяопределу 1 ются В соответствии свыражениями"дт зз 5 3 т 2 ргде 8 Ол и Ь 5 - определяются согласно Формулам (11) р 1,13) и (6).15Все приведень 1 ые расчетные соотношения, характеризующие электромагнитные процессы в преобразователепрк реализации предлагаемого способа защиты, получены В предположениио малости тока нагРУзки 1 л по сРавНЕНИЮ С аМПЛКТУДО 1"; Т,т, РНЗРЯДНОГОтока конденсатора Фильтра, Такоепредположение 1 ьмеет место при рассмо трегпли режтгмов работы тяговыхкнзерторов к вполне допустимо прикачественном анализе упомянутыхЭЛЕ 1 ТРО 1 ч 1 аГНКТН 1 т 1 Х ПРОЦЕССОВ,Второй вариант схемы устройстваФиг.4 отличается от схемы по фиг.1тем, что трансформатор 5 конструктив- ЗОно выполнен в В 1 лпс двух трансформатороз, обеспеч 1 лвающ 1 лх аналогичныефункции гашения кнвертирующих тиристорав соответственно анодной и катодной гру 11 п в процессе прямойполуволны разряда конденсатораЬтя-ЬтрУказанное разделение трансформатора пзк оппепеленных условиях поззоляет упростить конструкцию трансформатора, Тзабота схемы по фиг.4происходит аналогично работе схемыпо Фкг,1,Предлагаемое устройство защитыавтономного инвеРтоРа напР 1 иенкЯу ф 5 реализуя способ защиты инверторапрк опрокидываниях гашением инзертирующих тирксторов током прямойполузолны разряда конденсатораФильтра ОбеспечкВает поВышениеОыстродейстзкя зашиты и надежностиуказанного проц; сса гашения кнверткрующих тиркстороз, не требуетУСтаНОВКИ СПЕЦкатЬНОГО РаЗДЕЛИтЕЛЬно 1 о реактора, "агруженного в нор мальком режиме работы инвертораполным током преобразователя, чтоОбеспечкВает повь 1 шение КПД и снижеН 11 з массогабарктных показателей9 1 по сравнению с известным устройством, Одновременно исключены ударные токи со стороны источника питания и нагрузки инвертора через коротко- замкнутое звено постоянного напря.жения при опрокидывании инвертара, а также обеспечено существенное уменьшение восстанавливаемого в процессе перезаряда конденсатора фнльт ра напряжения в звене постоянного напряжения, прикладываемого к инвертирующему мосту, и, следовательно, запаса энергии в конденсаторе фильтра.Формула изобретения1. Способ защиты автономного мостового тиристорного инвертора напряжения, снабженного тиристорным короткозамыкателем, шунтирующим зве но постоянного напряжения, и входным б-фильтром, заключающийся в том, что в момент возникновения аварийного процесса подают импульсы управления на тиристоры короткозамыкателя, снимают импульсы управления с тиристоров короткозамыкателя по истечении полупериода колебательного разряда конденсатора фильтра и снимают импульсы управления с тиристоров инвертора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения надежности, быстродействия, КПД и снижения массогабаритных показателей, одновременно с подачей импульсов управления на тиристоры короткозамыкателя снимают импульсы управления с тиристоров инвертора, вводят противо-ЭДС в плечи моста 203629тиристоров инвертора на интервалепервого полупериода колебательногоразряда конденсатора 1.С -фильтра. и после этого снимают импульсы 5 управления с тиристоров короткозамыкателя.2. Устройство для защиты автономного мостового тиристорного инвертора напряжения, включающего в себя 1 О мост инвертирующих тиристоров свстречно-параллельно включеннымиобратными диодами и питаемого отнеуправляемого выпрямителя черезпромежуточное звено постоянного 15 напряжения, содержащее цепь из последовательно включенньв резистораи диода, подключенную параллельноконденсатору фильтра в запирающемнаправлении по отношению к нормаль ной полярности напряжения на конденсаторе фильтра, датчик опрокидывания инвертора, выход которогочерез пороговый блок подключен квходу блока формирования импульса 25 управления тиристорами короткозамыкателя, а через запоминающий элемент предназначен для подключенияк блокирующему входу блока формирования сигналов управления инвертиру. ЗО ющими тиристорами, о т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности, быстродействия,КПД и снижения массогабаритных показателей, оно снабжено трансформатором, первичная обмотка котороговключена последовательно с конденсатором фильтра, а вторичные обмоткипредназначены для включения в плечиинвертирующих тиристоров согласнопо отношению к первичной обмотке," Тираж 619 НИИПИ Государственного по делам изобретений 5, Москьа, Ж, Раушск