УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ СИЛОВЫХ МОДУЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
CONVERTERS POWER MODULES THERMAL CONDITIONS CONTROL DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контроля теплового состояния силовых модулей, входящих в состав преобразователей напряжения и частоты различного типа и назначения.
Известно устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя (патент RU 2417498, МПК Н02Н 7/10, 27.04.2011), содержащее последовательно включенные силовые ключи, токоограничивающие резисторы, оптопередатчик с оптоприемником, устройство управления и защиты, дополнительный блок резисторов, блок измерения сигналов и датчик температуры, имеющий тепловой контакт с корпусом силового ключа и подключенный к блоку измерения сигналов. Недостаток устройства заключается в том, что с помощью одного датчика температуры невозможна дифференцированная оценка теплового состояния всех силовых ключей, входящих в преобразователь.
Известно защитное устройство для последовательно соединенных IGBT транзисторов (заявка CN 201708690, МПК Н02Н 7/10, Н02М 1/32, 12.01.2011), содержащее последовательно соединенные IGBT транзисторы, каждый из которых расположен на отдельном радиаторе и снабжен датчиками напряжения между эмиттером и коллектором, между затвором и эмиттером, а также датчиком температуры, контактирующим с радиатором, датчиком тока и блоком обработки снимаемой с датчиков информации. Недостатком устройства является обработка большого объема информации, что существенно усложняет устройство и снижает его надежность и быстродействие.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство управления двигателем (патент US 6268986, МПК Н02Н 5/04, 31.07.2001), содержащее двигатель, полупроводниковый преобразователь мощности, запитанный от сети постоянного тока и управляющий компьютерный блок. Преобразователь мощности включает в себя три силовых модуля, каждый из которых выполнен на двух IGBT транзисторах, двух обратных диодах и термочувствительном диоде, запитанном от источника постоянного тока и связанном через блоки фиксации перегрева и защиты с затворами IGBT соответствующего силового модуля. Недостаток устройства заключается в необходимости придания каждому модулю своих блоков фиксации перегрева и защиты, а также в низкой наглядности, не позволяющей обслуживающему персоналу оценить тепловое состояние устройства в целом, своевременно предупредить возникновение аварийных ситуаций и определить наиболее уязвимые в тепловом отношении элементы преобразователя.
Предлагаемое устройство основано на автоматическом определении температур наиболее и наименее нагретых модулей, температурного разбаланса между ними и средней температуры силовых модулей. Кроме того, устройство обеспечивает определение номеров (мест расположения) наиболее и наименее нагретых модулей. Наличие указанной информации позволяет обслуживающему персоналу своевременно провести профилактические работы по оптимизации тепловых режимов силовых модулей преобразователя.
На чертеже представлена функциональная схема устройства контроля тепловых режимов силовых модулей преобразователя. Устройство содержит трехфазный преобразователь 1 напряжения, вход которого соединен с источником 2 постоянного напряжения, а выход - с нагрузкой 3. Преобразователь 1 выполнен на силовых модулях 4, 5, 6, на каждом из которых установлен датчик 7 температуры. Выходы блока 8 управления преобразователем 1 связаны с затворами IGBT транзисторов 9, 10 модулей 4, 5, 6. Устройство также снабжено двумя блоками 11, 12 выпрямления и выделения наибольшего напряжения, суммирующим 13 и разностным 14 усилителями, блоками 15, 16 индикации номеров силовых модулей с наибольшей и наименьшей температурой нагрева, индикатором 17 средней температуры модулей 4, 5, 6, индикаторами 18, 19 наибольшей и наименьшей температур модулей, индикатором 20 разности температур между ними и двумя компараторами 21, 22. Датчики 7 модулей 4, 5, 6 подключены к входам усилителя 13 и к входам блока 11, основной выход (наибольшего напряжения) 23 которого связан с одним из входов усилителя 14 и с входами индикатора 18 и компаратора 21. Первая группа выходов 24, 25, 26 блока 11 связана с входами блока 15, а вторая группа выходов 27, 28, 29 - с входами блока 12. Основной выход (наибольшего напряжения) 30 блока 12 соединен со вторым входом усилителя 14, с входом индикатора 20 и с входом компаратора 22, а первая группа выходов 31, 32, 33 блока 12 связана с входами блока 16. Выходы усилителей 13, 14 подключены соответственно к индикаторам 17, 19.
Блоки 11, 12 выполнены на операционных выпрямителях 34, 35, 36 с диодно-резистивными обратными связями. Количество входящих в блоки 11, 12 операционных выпрямителей определяется количеством контролируемых силовых модулей, содержащихся в преобразователе 1, и практически ничем не ограничено. Многоуровневые, высоковольтные и преобразователи большой мощности, как правило, содержат большое количество силовых модулей, нуждающихся в контроле. Входы операционных выпрямителей 34, 35, 36 подключены к входам блоков 11, 12. Выходы выпрямленного напряжения одной полярности (отрицательной) 37, 38, 39 выпрямителей 34, 35, 36 блоков 11, 12 объединены и соединены соответственно с выходами 23, 30. Выходы невыпрямленного напряжения 40, 41, 42 выпрямителей 34, 35, 36 блоков 11, 12 связаны с первыми группами выходов, соответственно 24, 25, 26 и 31, 32, 33. А выходы выпрямленного напряжения другой полярности (положительной) 43, 44, 45 выпрямителей 34, 35, 36 блока 11 соединены с его второй группой выходов 27, 28, 29.
Блоки 15, 16 выполнены на транзисторных ключах 46, 47 48, входы которых подключены к входам блоков, а к коллекторам ключей подсоединены светодиоды 49, 50, 51, индицирующие номера соответствующих модулей.
Устройство контроля тепловых режимов силовых модулей преобразователя работает следующим образом.
4
5
6
4
6
4
5
4
5
При включении преобразователя 1 и его работе на нагрузку 3 на модулях 4, 5, 6 выделяется тепловая энергия, приводящая к повышению их температуры. В зависимости от величины нагрузки 3, режима работы преобразователя 1, климатических условий окружающей среды, особенностей примененных систем охлаждения и индивидуальных характеристик модулей 4, 5, 6 изменяется степень их нагрева. На выходах датчиков 7 модулей 4, 5, 6 появляются постоянные (положительные) напряжения, пропорциональные установившимся на них температурам - Т, Т, Т. В блоке 11 на объединенных выходах 37, 38, 39 выпрямителей 34, 35, 36 выделяется наибольшее (по величине) входное напряжение, например, от датчика 7 модуля 4. При этом на выходе 42 усилителя 36 блока 11 появляется отрицательное напряжение, а на выходах 40, 41 усилителей 34, 35 - положительные напряжения, под действием которых в блоке 15 открывается ключ 48 и закрываются ключи 46, 47. В результате в блоке 15 загорается светодиод 51, сигнализирующий о том, что наибольшая температура установилась на модуле 4. Одновременно с этим на выходе 45 усилителя 36 устанавливается нулевой потенциал, а на выходах 43 и 44 выпрямителей 34 и 35 появляются напряжения пропорциональные разностям температур Т-Т и Т-Т. Блок 12 из указанных напряжений также выделяет наибольшее напряжение, пропорциональное максимальной разности температур, например Т-Т. Очевидно, что одно из входящих в эту разность напряжений пропорционально максимальной температуре модуля 4, а другое - минимальной температуре модуля 5. При этом на выходе 41 усилителя 35 блока 12 появляется отрицательное напряжение, а на выходах 40, 42 усилителей 34, 36 - положительные напряжения, под действием которых в блоке 16 открывается ключ 47 и закрываются ключи 46, 48. В результате в блоке 12 загорается светодиод 50, сигнализирующий о том, что наименьшая температура установилась на модуле 5.
Напряжение с выхода 23 блока 11 поступает на входы индикатора 18 наибольшей температуры и на вход компаратора 21, сигнализирующего о перегреве соответствующего модуля. Напряжения с выходов датчиков 7 всех модулей 4, 5, 6 подаются на входы суммирующего усилителя 13, вычисляющего среднеарифметическое значение температуры модулей, входящих в преобразователь 1. Выход усилителя 13 подключен к индикатору 17 средней температуры. Напряжение с выхода 23 блока 11, пропорциональное максимальной температуре, и напряжение с выхода 30 блока 12, пропорциональное разности максимальной и минимальной температур, поступают на входы разностного усилителя 14, вычисляющего минимальную температуру соответствующего модуля. Выход усилителя 14 подключен к индикатору 19 температуры наименее нагретого модуля (под номером 5). Выход 33 блока 12 подсоединен также к индикатору 20 разности температур наиболее и наименее нагретых модулей и к компаратору 22, сигнализирующему о недопустимом температурном разбалансе в преобразователе 1.
Таким образом, устройство обеспечивает всесторонний контроль теплового состояния модулей, входящих в состав преобразователя напряжения и частоты. Благодаря этому достигается своевременное обнаружение перегруженных или недогруженных модулей и, как следствие, повышается надежность эксплуатации преобразователя. Наиболее эффективно применение устройства в преобразователях с большим числом силовых модулей, включенных последовательно и/или параллельно. Устройство реализовано на широко распространенной элементной базе и характеризуется низкой стоимостью, малыми весом и габаритами.