устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя

Формула изобретения

1. Устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя, содержащее блоки контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля по числу последовательно соединенных силовых ключей, каждый блок контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля содержит выпрямитель, соединенный входами через резистор параллельно выходам, предназначенным для силового ключа высоковольтного вентиля, и оптопередатчик, одним выходом соединенный с первым выходом выпрямителя, оптоприемник, выходом соединенный с входом устройства управления и защит преобразователя отличающееся тем, что каждый блок контроля состояния силовых ключей содержит стабилитрон и конденсатор, соединенные параллельно выходам выпрямителя, узел синхронизации, узел задержки и формирования импульсов с соответствующими временными задержками и ключ, введенный между вторым выходом выпрямителя и вторым выходом оптопередатчика, выполненного в виде светодиода, причем управляющий вход ключа соединен через узел задержки и формирования импульсов с выходом узла синхронизации, соединенного одним входом с входом выпрямителя, а вторым входом - со вторым выходом выпрямителя, а оптоприемник выполнен, по крайней мере, в виде фотодиода и предназначен для всех блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля.

2. Устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя по п.1, отличающееся тем, что устройство управления и защит преобразователя содержит дополнительный вход для синхронизации с частотой напряжения высоковольтного вентиля.

3. Устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя по п.1, отличающееся тем, что ключ выполнен, по крайней мере, в виде транзистора с резистором в цепи коллектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к схемам контроля и защиты преобразователей, и может быть использовано для контроля состояния полупроводниковых ключей в высоковольтных преобразователях с напряжением 3-15 кВ.

Известно устройство для контроля тиристоров высоковольтного вентиля (RU № 1445501 с приоритетом от 30.03.1987), принятое за аналог, содержащее датчики напряжения по числу тиристоров в высоковольтном вентиле, подключенные входами к соответствующим тиристорам, а выходами - через световоды к блоку преобразования световых сигналов в электрические, соединенному выходами с входами системы обработки информации и защит. При этом каждый световод оснащен оптопередатчиком и оптоприемником.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и высокая стоимость устройства, вызванные необходимостью использования большого количества оптопередатчиков и оптоприемников со световодами (оптоволокнами), а также большого количества каналов в блоке преобразования световых сигналов в электрические и сложной схемой их дальнейшей обработки.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип предполагаемого изобретения, является устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя в устройстве плавного пуска высоковольтного двигателя серии УБПВД - ВМ (каталог «Электроприводная техника» ABS Holdings, сентябрь 2007 г.). На фиг.1 представлена принципиальная схема прототипа, где поз.1 - последовательно включенные силовые ключи высоковольтного вентиля. Устройство содержит блоки контроля состояния силовых ключей - 2 по числу силовых ключей высоковольтного вентиля, оптоприемники - 3 по числу силовых ключей высоковольтного вентиля, соединенные с входами устройства управления и защит преобразователя - 4, каждый из блоков контроля состояния силовых ключей - 2 содержит выпрямитель - 5, подключенный входами через резистор - 6 параллельно силовому ключу высоковольтного вентиля - 1, стабилизатор тока - 13 и оптопередатчик - 14, соединенные между собой последовательно и подключенные крайними выводами к выходам выпрямителя 5. Выходы оптопередатчиков 14 соединены с входами оптоприемников 3 оптоволокном 15.

Переменный ток, ограниченный резистором 6, выпрямляется выпрямителем 5 и поступает через стабилизатор тока 13 на вход оптопередатчика 14. Световые сигналы от оптопередатчиков 14 через оптоволокна 15 поступают на оптоприемники 3. Выходные электрические сигналы оптоприемников 3 поступают на входы устройства управления и защиты 4 устройства плавного пуска (далее по тексту - устройство защиты). Устройство защиты 4 контролирует состояние (исправность) всех силовых ключей высоковольтного вентиля 1 и разрешает или запрещает управление ими.

Устройство УБПВД-ВМ работает при напряжении питающей сети 6 или 10 кВ. В процессе работы напряжение на силовом ключе высоковольтного вентиля изменяется от нуля до примерно 2,5кВ, что существенно изменяет ток через оптопередатчик. В данном устройстве по сравнению с аналогом ток оптопередатчика ограничен с помощью стабилизатора тока, что повышает ресурс работы оптопередатчика.

Недостатками данного устройства являются:

- большая потребляемая мощность. Этот недостаток связан с тем, что оптопередатчики работают в непрерывном режиме, и на резисторах выделяются большие потери мощности;

- сложность конструкции и высокая стоимость устройства, обусловленные использованием дорогостоящих оптоприемников, оптопередатчиков и оптоволокна для передачи сигналов от блоков контроля состояния силовых ключей к устройству защиты;

- ограниченные функциональные возможности: не позволяет осуществлять контроль над возникновением электрической дуги в высоковольтном вентиле. Так как устройство не содержит открытого оптического канала для осуществления этой функции, при повреждении в конструкции высоковольтного вентиля или возникновении электрической дуги нет соответствующего сигнала (информации об аварии) для своевременного отключения устройства плавного пуска.

Технический результат заявляемого устройства - снижение потребляемой мощности и стоимости устройства, упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей.

Технический результат достигается тем, что в устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя, содержащее блоки контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля по числу последовательно соединенных силовых ключей высоковольтного вентиля, оптоприемник, выходом соединенный с входом устройства управления и защит преобразователя, каждый блок контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля содержит выпрямитель, соединенный входами через резистор параллельно силовому ключу, и оптопередатчик, одним выходом соединенный с первым выходом выпрямителя, введены в каждый блок контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля параллельно соединенные выходам выпрямителя стабилитрон и конденсатор, узел синхронизации, узел задержки и формирования импульсов с соответствующими временными задержками и ключ, введенный между вторым выходом выпрямителя и вторым выходом оптопередатчика, выполненного в виде светодиода, причем управляющий вход ключа соединен через узел задержки и формирования импульсов с выходом узла синхронизации, соединенного одним входом с входом выпрямителя, а вторым входом - со вторым выходом выпрямителя, а оптоприемник выполнен, по крайней мере, в виде фотодиода и предназначен для всех блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля. Устройство управления и защит преобразователя содержит дополнительный вход для синхронизации с частотой напряжения высоковольтного вентиля. Ключ выполнен, по крайней мере, в виде транзистора с резистором в цепи коллектора.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в устройстве контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя оптопередатчик выполнен в виде светодиода, а в каждый блок контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля введены стабилитрон, конденсатор, узел синхронизации и узел задержки и формирования импульсов, ключ, каждый узел задержки и формирования импульсов выполнен с разными временными задержками импульсов, оптоприемник выполнен, например, в виде фотодиода. Предлагаемое устройство вовремя обнаруживает неисправность силовых ключей по информации, которая передается по открытому оптическому каналу (воздуху) узкими импульсами света на оптоприемник и на устройство управления и защит преобразователя и вовремя блокирует работу преобразователя. В случае возникновения электрической дуги между проводниками в высоковольтном вентиле из-за внешнего перенапряжения или внутреннего повреждения конструкции вентиля устройство управления и защит преобразователя выдаст команду на отключение преобразователя от питающей сети. Если все силовые ключи исправны, устройство управления и защит преобразователя сообщает об этом в систему управления преобразователя, и работа преобразователя разрешается.

Наличие этих существенных признаков и оригинальная схема соединения позволили простыми средствами осуществить контроль за состоянием силовых ключей высоковольтного вентиля преобразователя и возникновением электрической дуги в конструкции высоковольтного вентиля, упростить конструкцию устройства, уменьшить потребляемую мощность, снизить стоимость и расширить функциональные возможности устройства.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.2 представлена принципиальная схема устройства для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя, поз.1 - силовые ключи высоковольтного вентиля, на фиг.3-5 приведены примеры диаграмм напряжений на выходах ряда блоков, поясняющих работу заявляемого устройства.

Устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя содержит блоки контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля 2 по числу силовых ключей высоковольтного вентиля, оптоприемник 3, подключенный к входу устройства управления и защит преобразователя 4. Каждый блок контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля 2 содержит выпрямитель 5, подключенный входами через резистор 6 параллельно силовому ключу высоковольтного вентиля 1, и оптопередатчик 7, выполненный в виде светодиода, соединенный первым выходом с первым выходом выпрямителя 5. Параллельно выходам выпрямителя 5 включены стабилитрон 8 и конденсатор 9, а ко второму выходу выпрямителя 5 и его первому входу, соединенному с резистором 6, подключены входы узла синхронизации 10. Выход узла синхронизации 10 соединен через узел задержки и формирования импульсов 11 с управляющим входом ключа 12. Ключ 12 включен между вторым выходом выпрямителя 5 и вторым выходом оптопередатчика 7. Узлы задержки и формирования импульсов 11 разных блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля имеют отличные друг от друга временные задержки импульсов.

При этом устройство управления и защит преобразователя 4 может работать в асинхронном режиме, либо может быть синхронизировано с частотой напряжения высоковольтного вентиля. За счет дополнительного входа в устройстве управления и защит преобразователя устройство синхронизируется. Оптоприемник 3 может быть выполнен, например, в виде фотодиода. Ключ 12 может быть выполнен в виде транзистора с резистором в цепи коллектора.

Устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя может работать в следующих режимах:

Силовые ключи высоковольтного вентиля 1 закрыты и на них присутствует переменное напряжение, которое поступает на входы выпрямителя 5 через сопротивление резистора 6. Выпрямленное напряжение затем поступает на оптопередатчик 7, стабилитрон 8 и конденсатор 9. Конденсатор 9 заряжается до напряжения, уровень которого органичен стабилитроном 8. Узел синхронизации 10 превращает переменное напряжение в прямоугольные импульсы, начало и окончание которых совпадают с моментом перехода синусоиды через ноль. Эти импульсы поступают на вход узла задержки и формирования импульсов 11, выполняющего необходимую временную задержку импульсов управления. При этом все узлы задержки и формирования импульсов 11 устройства имеют отличные друг от друга временные задержки импульсов управления, чтобы не было одновременного включения двух и более оптопередатчиков 7. Затем в узле 11 происходит формирование импульсов, поступающих на управляющий вход ключа 12. Ключ 12 открывается, и конденсатор 9 начинает разряжаться через оптопередатчик 7. Оптопередатчик 7 излучает узкий импульс света (длительностью около 0,5-0,8 миллисекунды), принимаемый оптоприемником 3. Так как импульс узкий, и энергия берется из конденсатора 9, появляется возможность значительно уменьшить потери на резисторе 6, сделав его высокоомным, тем самым значительно уменьшить потребляемую мощность. Оптоприемник 3 преобразует полученный световой сигнал в электрический, который поступает в устройство управления и защит преобразователя 4. При наличии импульсов со всех оптопередатчиков 7 устройство управления и защит преобразователя 4 сообщает в систему управления преобразователя, что все силовые ключи высоковольтного вентиля 1 исправны, и разрешается работа преобразователя. В случае, если один из силовых ключей высоковольтного вентиля 1 поврежден, и в нем образовалось короткое замыкание, то напряжение на входах блока контроля состояния ключей 2, который подключен параллельно поврежденному силовому ключу высоковольтного вентиля, будет отсутствовать. Этот блок не будет излучать импульсы света, а их отсутствие обнаружит устройство управления и защит преобразователя 4, который отключит преобразователь. В случае возникновения электрической дуги между проводниками А и Б (см. фиг.2 и фиг.5) в высоковольтном вентиле из-за внешнего перенапряжения или внутреннего повреждения конструкции вентиля на оптоприемник 3 поступит импульс света большой длительности. Устройство управления и защит преобразователя 4 в этом случае выдаст команду на отключение преобразователя от питающей сети.

Блок управления и защит 4 может быть как синхронизирован с частотой напряжения высоковольтного вентиля, так и не синхронизирован. В случае, если блок синхронизирован с частотой напряжения высоковольтного вентиля (на блок подан сигнал синхронизации, например, с системы регулирования преобразователя), имеется возможность точно определить момент начала и окончания импульсов с блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля 2 и номер поврежденного силового ключа высоковольтного вентиля, если таковой имеется.

В случае, если блок управления и защит 4 не синхронизирован с частотой напряжения высоковольтного вентиля, имеется возможность точного определения только количества поврежденных силовых ключей высоковольтного вентиля 1. Точная идентификация поврежденного силового ключа высоковольтного вентиля возможна в этом случае только при исправном состоянии крайних силовых ключей высоковольтного вентиля.

Контроль состояния силовых ключей высоковольтного вентиля преобразователя выполняется в определенных условиях: перед и после работы преобразователя или во время безтоковых пауз. Во время работы преобразователя силовые ключи находятся в открытом состоянии, поэтому режим контроля их исправности заявляемым устройством в этом случае блокируется, но остается контроль над возникновением дуги.

В качестве силового ключа могут использоваться следующие приборы: тиристоры, симисторы, IGBT, IGCT, GТО и др. приборы. Это не относится к заявляемому устройству. В качестве узла синхронизации может использоваться любой пороговый элемент - транзистор, логический элемент и т.д. В качестве узла задержки и формирования импульсов могут использоваться, например, транзистор или логический элемент с задерживающей RC-цепочкой на их входе (время перезаряда конденсатора определяет длительность задержки) и дифференцирующей RC-цепочкой на их выходе (время перезаряда конденсатора этой цепочки определяет длительность импульса). В качестве ключа могут использоваться: логический элемент микросхемы, транзистор с резистором в последовательной цепи со светодиодом (допустимо отсутствие резистора при одном из следующих условий: ограничении скорости включения ключа, малой емкости в конденсаторе, большой величине импульсного тока у ключа и светодиода).

В сравнении с прототипом предлагаемое изобретение за счет введения в устройство конденсатора, узла синхронизации, узла задержки и формирования импульсов и ключа позволяет передавать информацию узкими импульсами, что уменьшает потребляемую мощность и значительно увеличивает ресурс светодиодов. Это обстоятельство обеспечивает возможность применения резисторов с повышенным сопротивлением, меньших мощности и стоимости. Передача информации по открытому оптическому каналу (по воздуху) позволяет уменьшить количество оптоприемников, заменить дорогостоящие оптоволокно, оптопередатчики и оптоприемник на дешевые светодиоды и фотодиод. Расширились функциональные возможности предлагаемого устройства, а именно, появилась возможность осуществлять контроль состояния не только силовых ключей высоковольтного двигателя, но и при обнаружении повреждений в конструкции высоковольтного вентиля или возникновении электрической дуги своевременно отключать устройство плавного пуска.

Применение устройства для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя обеспечивает снижение потребляемой мощности и стоимости устройства, упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей. Эти преимущества позволяют получить значительный экономический эффект от внедрения данного изобретения.

Заявляемое устройство может быть реализовано на предприятии электротехнической промышленности и найти широкое применение в электроэнергетике.