УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
DEVICE FOR AUTOMATIC CONTACT-FREE INSPECTION OF TECHNICAL STATE OF DIODE RECTIFIER

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для автоматического бесконтактного контроля технического состояния мостовых диодных выпрямителей при возникновении в них неисправностей, связанных с «обрывом» и «пробоем» диодов.
Известно устройство для контроля полупроводниковых приборов, входящих в состав выпрямителя, подключаемое к контролируемому полупроводниковому прибору с помощью щупов, которое производит контроль режимов работы и определение исправности прибора (его технического состояния) путем оценки реакции полупроводникового прибора на стимулирующее воздействие в виде прямоугольных импульсов, следующих от специального генератора [1].
Недостатком данного устройства является необходимость обеспечения контактного соединения контролирующего устройства с объектом контроля - полупроводниковым прибором.
Известно устройство бесконтактного контроля исправности полупроводниковых элементов мостовых выпрямителей [2]. Устройство содержит датчик напряженности внешнего магнитного поля (ВМП), размещенный на токоотводящих проводах в цепи нагрузки выпрямителя и подключенный по схеме трансформатора тока, соединенного с последовательно включенными усилителем, полосовым фильтром, компаратором и индикатором. В случае появления в сигнале датчика спектральной составляющей, кратной частоте питающей сети, фиксируется факт появления неисправности в схеме выпрямления. Недостатком устройства является невозможность определения типа возникшей неисправности: «обрыв» или «пробой» диода.
Известно устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей [3], наиболее близкое по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству. Устройство содержит датчик напряженности магнитного поля, размещенный вблизи трансформатора выпрямителя, усилитель сигнала датчика и полосовой фильтр, настроенный на частоту 2ω (ω - частота питающего выпрямитель напряжения), выход которого подключен к логической части устройства, которая, в зависимости от величины амплитуды выходного сигнала фильтра, формирует сигнал о техническом состоянии полупроводниковых элементов на соответствующие индикаторы.
Недостатком устройства, выбранного за прототип, является необходимость предварительной ориентации оси чувствительности датчика напряженности магнитного поля относительно объекта контроля (трансформатора преобразователя), так как при определенном его положении относительно силовых линий магнитного поля трансформатора выходной сигнал будет равен нулю и устройство работать не будет. Кроме того, в силу различных причин (например, дополнительного подмагничивания магнитной системы трансформатора, вызванного появлением неисправностей в нем, и связанного с этим насыщением железа) сигнал датчика с частотой 2ω может появиться и при исправных диодах схемы выпрямления, что приведет к ложному срабатыванию устройства.
Целью изобретения является повышение надежности работы устройства за счет исключения влияния положения оси чувствительности датчика напряженности внешнего магнитного поля относительно контролируемого мостового диодного выпрямителя, а также за счет исключения возможности ложных срабатываний устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматического бесконтактного контроля технического состояния диодного выпрямителя наряду с узкополосным фильтром, настроенным на частоту 2ω, и индикатором дополнительно введены два датчика напряженности внешнего магнитного поля, включенных по схеме трансформатора тока, первый - в токопровод первичной обмотки трансформатора выпрямителя, второй - в токопровод нагрузки выпрямителя, второй узкополосный фильтр, настроенный на частоту ω, три компаратора, логический элемент И-НЕ, два логических элемента И и второй индикатор, причем выход первого датчика напряженности ВМП связан с входом первого фильтра, выход которого подключен к входам двух компараторов с различными порогами срабатывания, выход первого компаратора (с меньшим порогом срабатывания) соединен с первыми входами элемента И-НЕ и первого элемента И, выход второго компаратора (с большим порогом срабатывания) подключен к второму входу элемента И-НЕ и к первому входу второго элемента И, выход элемента И-НЕ связан с вторым входом первого элемента И, а выход второго датчика напряженности ВМП через второй фильтр связан с входом третьего компаратора, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, а выходы обоих элементов И связаны с входами соответствующих индикаторов.
1
2
П
Н
1
2
1
2
1
2
П
1
2
3
1
1
2
2
3
2
1
1
2
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства автоматического бесконтактного контроля технического состояния диодного выпрямителя. В состав устройства входят два датчика напряженности внешнего магнитного поля 1 и 1 (Д1 и Д2), включенных соответственно в цепь питания переменным напряжением ~U мостового диодного выпрямителя 2 (диоды VD1, VD2, VD3, VD4) и в цепь нагрузки 3 (R) данного выпрямителя. Каждый датчик напряженности ВМП состоит из чувствительного элемента, размещенного в микроиндуктивном соленоиде-концентраторе из нескольких витков питающего провода, намотанного на диэлектрическую цилиндрическую трубку. Данные датчики подключаются в указанные цепи по схеме трансформатора тока. Выходы датчиков 1 и 1 подключены к соответствующим входам узкополосных фильтров 4 и 4 (Ф1 и Ф2). Первый фильтр 4 настроен на частоту 2ω, а второй фильтр 4 - на частоту ω (ω - частота питающего выпрямитель напряжения ~U). Выход первого фильтра связан с входами компараторов 5 и 5 (К1 и К2), а выход второго фильтра связан с входом третьего компаратора 5 (К3). Выход первого компаратора 5 подключен к первому входу логического элемента И-НЕ 6 и к первому входу первого логического элемента И1 7. Выход второго компаратора 5 подключен к второму входу логического элемента И-НЕ 6 и к первому входу второго логического элемента И2 7. Выход третьего компаратора 5 подключен к второму входу второго логического элемента И2 7. Выход логического элемента И-НЕ 6 связан с вторым входом первого логического элемента И1 7, а выходы логических элементов И1 и И2 связаны с соответствующими входами индикаторов 8 и 8 (ИНД.1 и ИНД.2).
Н
Принцип действия предлагаемого устройства заключается в следующем. В процессе работы диодного выпрямителя ток, протекающий в токоподводящих проводах, создает магнитное поле, магнитный поток которого в микроиндуктивном соленоиде-концентраторе однозначно связан с силой тока в схеме выпрямителя [4]. Ток нагрузки, протекающий во вторичной обмотке трансформатора Т через выпрямительную мостовую схему и нагрузку R, также создает магнитный поток и создает свой вклад во внешнее магнитное поле тока первичной обмотки.
Если все полупроводниковые элементы VD1, VD2, VD3, VD4 в мостовой схеме 2 исправны, то в спектре амплитуд выходного сигнала первого датчика напряженности магнитного поля Д1 будут присутствовать сигналы только нечетных спектральных составляющих, кратных основной частоте ω (ω, 3ω, 5ω, 7ω, …). Как известно, частота пульсаций выпрямленного напряжения исправного мостового выпрямителя составляет 2ω. Следовательно, в спектре амплитуд выходного сигнала второго датчика напряженности магнитного поля Д2 будут присутствовать сигналы только четных спектральных составляющих, кратных основной частоте ω (2ω, 4ω, 6ω, …), при этом сигнал на частоте 2ω будет доминирующим [5].
Если один из диодов выходит из строя, например имеет неисправность типа «обрыв», то в спектре амплитуд выходного сигнала первого датчика напряженности магнитного поля Д1 дополнительно появляются сигналы четных спектральных составляющих, кратных основной частоте ω (2ω, 4ω, 6ω …), причем на частоте 2ω амплитуда спектральной составляющей будет наибольшей относительно остальных четных составляющих. Так как в этом случае мостовой выпрямитель трансформируется в однополупериодный (с частотой пульсаций ω), то в спектре амплитуд выходного сигнала второго датчика напряженности магнитного поля Д2 появится сигнал спектральной составляющей частотой ω [5].
Если же один из диодов имеет неисправность типа «пробой», то в схеме выпрямления реализуется ситуация однополупериодного короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора, при этом форма сигнала первого датчика напряженности магнитного поля Д1 отличается от формы сигнала в ситуации с «обрывом» диода, а амплитуды четных спектральных составляющих и, прежде всего, на частоте 2ω существенно возрастут. Также резко возрастет амплитуда спектральной составляющей частотой ω, содержащейся в сигнале второго датчика Д2 [5].
Аналогичные физические процессы будут происходить в трехфазном мостовом диодном выпрямителе.
В результате факт появления четных спектральных составляющих в спектре амплитуд выходного сигнала первого датчика напряженности магнитного поля Д1 будет свидетельством факта появления неисправности диода. Амплитуды (особенно на частоте 2ω) будут различными для ситуаций «обрыв» и «пробой» диода. Однозначным же свидетельством, подтверждающим факт изменения технического состояния диодов и исключающим ложное срабатывание устройства, будет наличие спектральной составляющей частотой ω в сигнале, снимаемом со второго датчика напряженности магнитного поля Д2.
Таким образом, устройство автоматического бесконтактного контроля технического состояния диодов выпрямителя работает следующим образом. Датчик напряженности магнитного поля Д1 формирует сигнал, пропорциональный напряженности внешнего магнитного поля тока, протекающего в токоподводящих проводах. В том случае, если все диоды исправны, сигнал с выхода датчика Д1 поступает на узкополосный фильтр Ф1, где его дальнейшее преобразование прекращается в связи с отсутствием в нем составляющей сигнала с частотой 2ω. Аналогично не происходит дальнейшее преобразование сигнала с выхода датчика Д2 в связи с отсутствием в нем составляющей сигнала с частотой ω.
вх.К2
вх.К1
При возникновении «обрыва» любого диода сигнал четной спектральной составляющей с частотой 2ω с выхода первого датчика Д1 проходит через фильтр Ф1. Сигнал с выхода фильтра Ф1 поступает на входы компараторов К1 и К2, настроенных на срабатывание при различных напряжениях входного сигнала, причем U>U. Компаратор К1 срабатывает. Сигнал с его выхода поступает на первый вход логического элемента И-НЕ, таблица состояний которого представлена ниже, и на первый вход логического элемента И1, таблица состояний которого также представлена ниже.
Таблица состояний элемента И-НЕ
Таблица состояний элементов И
A
B
Q
A
B
Q
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
Так как на втором входе схемы И-НЕ сигнал отсутствует, то на выходе элемента И-НЕ в соответствии с его таблицей состояний сформируется единичный выходной сигнал, который будет поступать на второй вход элемента И1. В соответствии с таблицей состояний этого элемента на его выходе сформируется единичный сигнал, который вызовет срабатывание первого индикатора (ИНД.1), фиксирующего появление неисправности типа «обрыв» диода.
При возникновении «пробоя» любого диода вследствие резкого возрастания амплитуды в выходном сигнале датчика Д1 четной спектральной составляющей с частотой, кратной 2ω, оба компаратора К1 и К2 срабатывают. С выхода компаратора К1 поступает сигнал на первые входы логических элементов И-НЕ и И1. С выхода компаратора К2 сигнал поступает на второй вход логического элемента И-НЕ и на первый вход логического элемента И2. В связи с тем, что средневыпрямленное напряжение из двухполупериодного с частотой пульсаций, равной 2ω, трансформировалось в однополупериодное с частотой ω, на выходе фильтра Ф2 также появляется выходной сигнал. Компаратор К3 сработает и его единичный выходной сигнал поступает на второй вход элемента И2. На выходе этого элемента появляется единичный сигнал, под действием которого происходит срабатывание индикатора (ИНД.2), фиксирующего появление неисправности типа «пробой» диода.
В соответствии с таблицей состояний элемента И-НЕ сигнал на его выходе, а следовательно, и на втором входе элемента И1 будет отсутствовать. Это означает, что сигнала на выходе элемента И1 не будет и, следовательно, первый индикатор (ИНД.1) в этой ситуации не сработает.
Таким образом, предлагаемое изобретение обладает существенным положительным эффектом, заключающимся в повышении надежности его работы за счет исключения влияния положения оси чувствительности датчика напряженности магнитного поля относительно контролируемого мостового диодного выпрямителя, а также исключения возможности ложного срабатывания устройства за счет повышения достоверности и глубины контроля.
Источники информации
1. Маркин В.В., Миронов В.Н., Обухов С.Г. Техническая диагностика вентильных преобразователей. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
2. Устройство бесконтактного контроля исправности полупроводниковых элементов мостовых выпрямителей. - Патент Российской Федерации на полезную модель №89246, 2009.
3. Устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей. - Патент Российской Федерации на полезную модель №66820, 2007.
4. Смирнов В.И. Методы и средства функциональной диагностики и контроля технологических процессов на основе электромагнитных датчиков. - Ульяновск: УлГТУ, 2001.
5. Багуц В.П., Ковалев Н.П., Костроминов A.M. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. - М.: Транспорт, 1991.