ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТИРИСТОРНЫЙ ВЕНТИЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к устройствам защиты и контроля статических преобразователей напряжения и может быть использована в устройствах среднего напряжения 6/10 кВ выполненных на высоковольтных тиристорных вентилях (ВТВ).
Известны ВТВ (RU 31886 U1, опубликовано 27.08.2003; RU 101584 U1, опубликовано 20.01.2011; RU 106464 U1, опубликовано 10.07.2011) содержащие последовательно соединенные тиристоры с защитными RC-цепями и устройствами контроля неисправности тиристоров, обеспечивающие выявление «пробоя» одного из тиристоров ВТВ и формирования команды предаварийного состояния, в случае выбора количества тиристоров ВТВ с запасом по принципу (N+1). Таким способом устраняется «пробой» всех тиристоров ВТВ и уменьшаются расходы на ремонтно-восстановительные работы.
Общим недостатком указанных ВТВ является отсутствие в них устройства защиты от перегрева тиристоров.
Известны способ защиты и диагностики ВТВ и устройства его осуществления (RU 2535290 C1, опубликовано 10.12.2014; RU 2417498 C1, опубликовано 27.04.2011; RU 162658 U1, опубликовано 27.06.2016) содержащие N последовательно соединенных тиристоров с защитными RC-цепями.
В устройстве для осуществления способа защиты и диагностики последовательно соединенных тиристоров (RU 2535290 C1 опубликовано 10.12.2014) каждый тиристор оснащен драйвером управления тиристоров, термодатчиком, устройством контроля исправности тиристора и специальным источником питания. В данном устройстве реализована защита тиристоров от перегрева. Управление ВТВ и передача информации о состоянии тиристоров в блок управления и защиты выполняется с помощью оптоволоконных линий связи.
Недостатком аналога является сложность устройства из-за наличия N специальных источников питания и N датчиков температуры. В частности, перегрев тиристоров ВТВ допустимо контролировать с помощью одного термодатчика, так как в последовательной цепи тиристоров происходит одинаковый их нагрев.
Указанный недостаток частично устранен в устройстве (RU 2417498 C1 опубликовано 27.04.2011), содержащем N последовательно соединенных тиристоров с защитными RC-цепями, блок контроля исправности тиристоров и датчик температуры,которые общей точкой питания и измерения присоединены к средней точке последовательно соединенных тиристоров. Соответственно устройство содержит один специальный источник питания.
Недостатками аналога устройства являются:
необходимость использования прецизионных делителей напряжения, имеющих высокую стоимость и значительные габариты;
отсутствие технической реализации специального источника питания.
В устройстве (RU 162658 U1 опубликовано 27.06.2016), содержащем N последовательно соединенных тиристоров с защитными RC-цепями, устройства контроля исправности тиристоров, каждое из которых содержит пороговый и оптронный элементы, включенные последовательно в защитную RC-цепь соответствующего тиристора, два датчика температуры, включенные своими выходом последовательно в цепь оптронного элемента двух дополнительно введенных устройств контроля неисправности тиристора. Выходы оптронных элементов присоединены к входам блока управления и защит по оптоволоконной линии связи.
В данном устройстве питание устройств контроля исправности тиристоров и датчиков температуры выполнено с отбором мощности от защитной RC-цепи. При использовании данного ВТВ по назначению в устройствах плавного пуска контроль неисправности тиристоров выполняется до и после завершения пуска электродвигателя, так как в процессе запуска тиристоры ВТВ периодически (с частотой питающей сети) открываются и шунтируют защитные RC-цепи с устройствами контроля неисправности тиристоров и датчиками температуры.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности контроля температуры ВТВ в процессе плавного пуска электродвигателя, что может привести к перегреву тиристоров в случаи нештатной процедуры, например установки некорректных уставок по величине пускового тока или продолжительности запуска электродвигателя.
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению, принятым за прототип, является высоковольтный тиристорный вентиль (Гринштейн Б.И. д.т.н., Колоколкин А.Н. к.т.н. Опыт разработки и внедрения тиристорных преобразователей для пуска и регулирования частоты вращения мощных синхронных машин, ж. «Электрические станции», 2015 г., № 8, с. 46, рис. 1), содержащий N последовательно соединенных тиристоров, каждый с защитной RC-цепью и блоком контроля неисправности, N импульсных трансформаторов с первичной и вторичной обмотками, N диодных выпрямителей, блок формирования управляющих импульсов и блок управления и защит, вторичная обмотка импульсного трансформатора присоединена к управляющей цепи соответствующего тиристора через диодный выпрямитель, первичные обмотки N трансформаторов соединены последовательно и присоединены к выходу блока формирования импульсов, выходы блоков контроля неисправности тиристоров и входы блока формирования импульсов соединены с соответствующими входами/выходами блока управления и защит.
В прототипе реализовано эффективное управление последовательно соединенными тиристорами через малогабаритные импульсные трансформаторы по так называемой трансформаторно-кабельной цепи с одновитковой первичной обмоткой импульсного трансформатора, обеспечивающей требуемое качество управляющих импульсов и прочность изоляции (основные требования при проектировании устройств и среднего напряжения 6/10 кВ). Кроме того, в нем предусмотрены функциональные блоки по защите от коммутационных перенапряжений и контролю исправности тиристоров.
Недостатком прототипа является отсутствие защиты от перегрева тиристоров.
Технический результат заявленного устройства - обеспечение защиты от перегрева тиристоров ВТВ.
Технический результат достигается тем, что в ВТВ, содержащий N последовательно соединенных тиристоров, каждый с защитной RC-цепью и блоком контроля исправности тиристора, N импульсных трансформаторов с первичной и вторичной обмотками, N диодных выпрямителей, блок формирования управляющих импульсов и блок управления и защит. Вторичная обмотка импульсного трансформатора присоединена к управляющей цепи соответствующего тиристора через диодный выпрямитель. Первичные обмотки N трансформаторов соединены последовательно и присоединены к выходу блока формирования импульсов. Выход блока контроля исправности тиристора и вход блока формирования импульсов соединены с входами/выходами блока управления и защит. Дополнительно в ВТВ введены импульсный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, оптопередатчик, датчик температуры, диод и симметричный стабилитрон. Первичная обмотка введенного трансформатора соединена последовательно с первичными обмотками N трансформаторов. Входная цепь оптопередатчика и выходная цепь датчика температуры соединены параллельно и присоединены через диод к выводам симметричного стабилитрона и вторичной обмотки введенного трансформатора. Выходная цепь оптопередатчика присоединена к дополнительно введенному входу блока управления и защит с помощью оптоволоконной цепи связи.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что за счет введенных дополнительных элементов и оригинального их подключения обеспечивается защита тиристоров ВТВ от перегрева. Заявляемое устройство выявляет перегрев тиристоров на интервалах открытого состояния тиристоров ВТВ, когда по ним протекает ток нагрузки и происходит их нагрев.
На фиг. 1. представлена принципиальная схема ВТВ, где приняты следующие обозначения:
1…,N - тиристоры;
2.1…, 2.N - защитные RC-цепи и устройства контроля исправности тиристоров;
3.1…, 3.N - импульсные трансформаторы;
4.1…, 4.N - диодные выпрямители;
5 - блок формирования импульсов (БФИ);
6 - блок управления и защит;
7 - дополнительный импульсный трансформатор;
8 - оптопередатчик;
9 - датчик температуры, например электромеханический термостат;
10, 11 - диод и симметричный стабилитрон.
На фиг. 2. представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, где приняты следующие обозначения:
1…,N
8
I, I - импульсные токи, протекающие по цепи управления тиристоров 1…N и оптопередатчику 8;
7
U - напряжение на вторичной обмотке импульсного трансформатора 7.
ВТВ содержит N последовательно соединенных тиристоров 1…,N каждый с защитной RC-цепью и блоком контроля его исправности 2.1…, 2.N, N импульсных трансформаторов с первичной и вторичной обмотками 3.1…, 3.N, N диодных выпрямителей 4.1…, 4.N, блок формирования управляющих импульсов 5 и блок управления и защит 6. Вторичная обмотка импульсного трансформатора 3.1…, 3.N присоединена к управляющей цепи соответствующего тиристора 1…,N через диодный выпрямитель 4.1…, 4.N. Первичные обмотки трансформаторов 3.1…, 3.N соединены последовательно и присоединены к выходу блока формирования импульсов 5. Вход блока формирования импульсов 5 и выход блока контроля неисправности тиристоров 2.1…, 2.N соединены с соответствующими входами/выходами блока управления и защит 6.
В ВТВ дополнительно введен импульсный трансформатор 7 с первичной и вторичной обмотками, оптопередатчик 8, датчик температуры 9, диод 10 и симметричный стабилитрон 11.
Первичная обмотка введенного трансформатора 7 соединена последовательно с первичными обмотками N трансформаторов 3.1…, 3.N. Входная цепь оптопередатчика 8 и выходная цепь датчика температуры 9 соединены параллельно и присоединены через диод 10 к выводам симметричного стабилитрона 11 и вторичной обмотки введенного трансформатора 7. Выходная цепь оптопередатчика 8 присоединена к дополнительно введенному входу блока управления и защит 6 с помощью оптоволоконной линии связи.
Работу заявляемого устройства рассмотрим в соответствии с рекомендациями по формированию управляющих импульсов тиристоров, например фирмы ABB (электронный ресурс http://Library.abb/public/fe9dd0f01cf78e78c12573ed0036eb9/Gate-drive recommendations for) см. page 6, Fig. 9. и описанием принципа работы прототипа. В соответствии с вышеуказанным управляющий сигнал тиристора требуемой длительности формируется блоком 5 в виде «пачки» высокочастотных f=(20÷100) кГц однополярных импульсов тока.
Для определенности изложения будем считать, что ВТВ используется по назначению в составе устройств плавного пуска электродвигателей среднего напряжения:
трехфазных тиристорных регуляторов напряжения (soft start);
тиристорных инверторах тока, выполненных на базе трехфазных выпрямителей.
В данных устройствах длительность управляющих сигналов ВТВ равна -  периода питающей сети и соответствует длительности протекания тока через ВТВ, а регулирование выходного напряжения (тока) осуществляется за счет фазового управления.
Работа заявляемого устройства происходит следующим образом: блок управления и защит 6 генерирует управляющие сигналы для ВТВ в виде «пачки» высокочастотных импульсов с требуемым фазовым углом управления (по фронту первого импульса в «пачке») длительностью  периода напряжения питающей сети. Блок формирования импульсов 5 формирует аналогичную «пачку» однополярных импульсов тока см. фиг. 2., которые подаются на последовательно соединенные первичные обмотки трансформаторов 3.1…, 3.N и 7. Токами вторичных обмоток трансформаторов 3.1…, 3.N отпираться тиристоры 1…,N ВТВ. В результате через ВТВ протекает заданный ток нагрузки и происходит его нагрев. Одновременно во вторичной обмотке трансформатора 6 через диод 9 и оптопередатчик 7 протекает аналогичная «пачка» импульсов тока. Величина тока определяется коэффициентом трансформации  трансформатора 6. С выходной цепи оптопередатчика данные импульсы передаются на дополнительный введенный вход блока управления и защит по оптоволоконной линии связи. Наличие указанных импульсов является достоверной информацией об отсутствии перегрева ВТВ и исправности блока формирования импульсов. В случаи нагрева тиристоров ВТВ до температуры, близкой к предельно-допустимой, происходит срабатывание датчика температуры, шунтирование входной цепи оптопередатчика выходной цепью датчика температуры и соответственно снятие импульсов на дополнительно введенном входе блока управления и защит. Блок управления и защит по данному признаку выдает аварийную команду на блокирование работы устройства. Таким образом отсутствие импульсов на дополнительном входе блока управления, при их подаче на вход блока формирования импульсов является информацией о перегреве ВТВ или неисправности блока формирования импульсов. В обоих случаях работа устройства должна быть прекращена.
3
Следует отметить, что работоспособность импульсных трансформаторов 3.1…, 3.N, 6 при протекании однополярных импульсов тока в первичной обмотке обеспечивается в схеме прототипа наличием W и диода, а в предлагаемом устройстве симметричного стабилитрона 11. Через эти элементы в бестоковых паузах высокочастотных импульсов происходит размагничивание материала сердечника.
8
Требуемая работоспособность устройства защиты обеспечивается при протекании импульсов тока через оптопередатчик 8 величиной I=20 мA (Например Т-1523, Avago в частотном диапазоне f=(20÷100)кГц). Указанное значение тока обеспечивается соответствующим выбором коэффициента трансформатора 7. Питание заявляемого устройства происходит с отбором незначительной мощности от блока формирования импульсов 5.
Оценим степень влияния заявленного устройства на блок формирования импульсов. Импульсная мощность, необходимая для гарантируемого открытия тиристоров ВТВ, равна:
, здесь:
н
N - количество последовательно соединенных тиристоров ВТВ, например для исполнения U=6 кB;
упр
ΔU - падение напряжения в цепи управления тиристоров 1…,N;
д
ΔU - падение напряжения на диодах 4.1…, 4.N;
и
k - коэффициент импульсного управления тиристорами;
- типовое номинальное значение тока управления тиристоров ABB.
Импульсная мощность заявляемого устройства равна:
3
8
10
8
-3
-3
Р=(ΔU+ΔU)I=(2,0+1,0)⋅20⋅10=60⋅10 [Вт]
3
упр
Р<<P
8
10
здесь: ΔU, ΔU - падение напряжения на оптопередатчике 8 и диоде 10;
Таким образом оригинально выполненное устройство защиты ВТВ в сравнении с известными, обеспечивает:
надежную защиту тиристоров ВТВ от перегрева;
диагностику работоспособности блока формирования управляющих импульсов тиристоров;
минимальные массогабаритные показатели и потребляемую мощность;
аналогичную прототипу прочность изоляции.
Проведены испытания устройства. Планируется использовать его в составе устройств плавного пуска серии ШПТУ.