Драйвер тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей
THYRISTOR KEY DRIVER FOR HIGH-VOLTAGE CONVERTERS

Изобретение относится к области преобразовательной техники, в частности к драйверам тиристорных ключей, состоящих из встречно-параллельно включенных тиристоров и может быть использовано для управления тиристорами.
Известно устройство [патент RU на полезную модель №107003, МПК Н02М 1/06, опубл. 27.07.2011, бюл. №21], содержащее гальванически развязанные цепи питания и управления и формирователь импульсов тока для включения тиристора. Электрическая изоляция в нем обеспечивается трансформатором и оптопарой или оптоприемником управляющего импульса любой длительности, амплитуда форсажного импульса тока ограничивается стабистором в базовой и резистором в эмиттерных цепях транзистора, а ток удержания ограничивается реактором, включенным между вторичной обмоткой трансформатора и выпрямителем.
Недостатком данного технического решения является его низкие функциональные возможности, связанные с отсутствием контроля состояния исправности тиристора, контроля поступления импульса управления на драйвер, контроля прохождения импульса управления на выход драйвера.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство [патент RU на изобретение №2641661, МПК Р02М 1/092, опубл. 19.01.2018, бюл. №2], которое содержит источник питания, узел контроля питания, оптоизлучатель, узел логики, узел термозащиты, узел контроля напряжения на тиристоре, узел контроля сигнала управления на тиристоре, оптоприемник, узел задержки, усилитель, узел термозащиты, узел контроля напряжения на тиристоре, узел контроля сигнала управления на тиристоре, узел задержки, узел логики, светодиодные индикаторы. Выход узла термозащиты соединен с входом узла логики, а вход с термодатчиком, установленным на охладителе катодной стороны тиристора, выход узла контроля напряжения на тиристоре соединен со вторым входом узла логики, а вход с резистивным делителем напряжения тиристора, выход узла контроля сигнала управления на тиристоре соединен с третьим входом узла логики, а вход с выходом усилителя, выход оптоприемника соединен с четвертым входом узла логики и с входом узла задержки, выход которого соединен с входом усилителя, выходы узла контроля стабилизированного напряжения соединены с пятым и шестым входами узла логики, выходы узла логики соединены с оптоизлучателем и светодиодными индикаторами.
Недостатком данного технического решения является его ограниченные функциональные возможности, связанные с невозможностью использования драйвера для управления двунаправленным тиристорным ключом, состоящим из встречно-параллельно включенных тиристоров, поскольку формирование импульсов тока управления для одного из тиристоров должно иметь гальваническую развязку, а также отсутствие контроля тока тиристорного ключа, что не позволяет отследить появления тока короткого замыкания в тиристорном ключе.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей драйвера для управления двунаправленным тиристорным ключом.
Технический результат заключается в повышении надежности управления за счет использования драйвера для управления двунаправленным тиристорным ключом и контроля тока, протекающего через него.
Это достигается тем, что драйвер тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей, содержащий встречно-параллельные включенные тиристоры, драйвер первого из которых содержит источник питания, первый выход которого соединен с входом узла контроля напряжения питания драйвера, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами узла логики, оптоприемник, на вход которого поступает внешний оптический сигнал управления, а его выход соединен с соответствующим входом узла логики и первым входом усилителя, выход которого подключен к цепи управления первого тиристора, узел контроля напряжения на тиристоре, вход которого соединен с выходом внешнего резистивного делителя, а его выход соединен с соответствующим входом узла логики, узел термозащиты, вход которого соединен с внешним термодатчиком, а выход узла термозащиты соединен с соответствующим входом узла логики, светодиодные излучатели, подключенные к соответствующим выходам узла логики, при этом снабжен дополнительным каналом цепи управления второго тиристора, содержащим блок высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом, выпрямительный блок, первого, второго и третьего узлов контроля тока, при этом дополнительный второй выход источника питания соединен с входом первого узла контроля тока, первый выход которого соединен с дополнительным третьим входом узла логики, а его второй выход соединен с дополнительным входом усилителя, а дополнительный третий выход источника питания соединен с входом второго узла контроля тока, первый выход которого соединен с дополнительным четвертым входом узла логики, а его второй выход соединен с первым входом блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом, а второй вход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом соединен с выходом оптоприемника, при этом выход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом соединен с входом выпрямительного блока, первый выход которого соединен с управляющим электродом второго тиристора, а второй выход с катодом второго тиристора, а вход третьего узла контроля тока соединен с выходом внешнего трансформаторного датчика тока, включенного последовательно с встречно-параллельно включенными тиристорами, а его выход подключен к соответствующему дополнительному входу узла логики.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена функциональная схема драйвера тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей.
Драйвер тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей содержит: источник питания 1, первый выход которого соединен с входом узла контроля напряжения питания драйвера 2, дополнительный второй выход с входом первого узла контроля тока 3, дополнительный третий выход с входом второго узла контроля тока 4; усилитель 5, первый вход которого соединен с выходом оптоприемника 6, на вход которого поступает внешний оптический сигнал управления, при этом первый выход усилителя 5 соединен с управляющим электродом первого тиристора 7, а второй выход усилителя 5 соединен с катодом первого тиристора 7, дополнительный второй вход усилителя 5 соединен со вторым выходом первого узла контроля тока 3; блок высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8, первый вход которого соединен со вторым выходом второго узла контроля тока 4, а второй вход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8 соединен с выходом оптоприемника 6, при этом выход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8 соединен с входом выпрямительного блока 9, при этом первый выход выпрямительного блока 9 соединен с управляющим электродом второго тиристора 10, а второй выход выпрямительного блока 9 соединен с катодом второго тиристора 10; узел логики 11, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выходами узла контроля напряжения питания драйвера 2 соответственно, дополнительный третий вход узла логики 11 соединен с первым выходом первого узла контроля тока 3, дополнительный четвертый вход узла логики 11 соединен с первым выходом второго узла контроля тока 4, пятый вход узла логики 11 соединен с выходом оптоприемника 6, шестой вход узла логики 11 соединен с выходом узла контроля напряжения на тиристоре 12, вход которого соединен с выходом внешнего резистивного делителя 13, дополнительный седьмой вход узла логики 11 соединен с выходом третьего узла контроля тока 14, вход которого соединен с выходом внешнего трансформаторного датчика тока 15, при этом восьмой вход узла логики 11 соединен с выходом узла термозащиты 16, вход которого соединен с внешним термодатчиком 17, а первый выход узла логики 11 соединен с входом оптоизлучателя 18, при этом второй, третий, четвертый, пятый выходы узла логики 11 соединены с первым, вторым, третьим, четвертым входами светодиодных излучателей 19.
Блок высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8, выпрямительный блок 9, первый узел контроля тока 3, второй узел контроля тока 4 и третий узел контроля тока 14 образуют дополнительный канал цепи управления вторым тиристором 10.
Драйвер тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей работает следующим образом.
Для включения тиристорного ключа из внешней системы управления преобразователем по оптокабелю поступает оптический сигнал управления на вход оптоприемника 6. На выходе оптоприемника 6 в течение длительности оптического сигнала управления присутствует уровень логического нуля. Сигнал с выхода оптоприемника 6 поступает на первый вход усилителя 5, на второй вход блок высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8, на пятый вход узла логики 11. Логический ноль с выхода оптоприемника 6 разрешает работу усилителя 5 и блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8. При этом усилитель 5 формирует импульс тока управления первым тиристором 7, а блок высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8 формирует гальванически развязанный переменный токовый сигнал, который поступает на вход выпрямительного блока 9, который преобразует переменный токовый сигнал в постоянный и, тем самым, формирует импульс тока управления вторым тиристором 10, в результате чего получается дополнительный канал цепи управления второго тиристора 10.
Для обнаружения нарушения работы драйвера или возникновения аварийных событий при работе тиристорного ключа осуществляются следующие виды контроля: контроль за напряжением питания драйвера, контроль за температурой нагрева тиристорного ключа, контроль напряжения на тиристорном ключе, контроль тока тиристорного ключа, контроль тока в каналах питания цепи управления первым и вторым тиристором.
Контроль за напряжением питания драйвера осуществляет узел контроля напряжения питания драйвера 2, вход которого соединен с первым выходом источника питания 1. В случае нормального напряжения питания драйвера на втором выходе узла контроля напряжения питания драйвера 2 появляется уровень логической единицы, который поступает на второй вход узла логики 11, который приводит к формированию на втором выходе узла логики 11 уровня логической единицы, который поступает на четвертый вход светодиодных излучателей 19 и включается светодиодный индикатор «Питание».
Контроль за температурой нагрева тиристорного ключа осуществляет узел термозащиты 16, выход которого соединен с восьмым входом узла логики 11. В случае нормальной температуры тиристорного ключа на выходе узла термозащиты 16 появляется уровень логической единицы. В случае нагрева тиристорного ключа выше допустимого значения на выходе узла термозащиты 16 появляется уровень логического нуля, который приводит к формированию на пятом выходе узла логики 11 уровня логической единицы, который поступает на первый вход светодиодных излучателей 19 и включается светодиодный индикатор «Перегрев».
Контроль напряжения на тиристорном ключе осуществляет узел контроля напряжения на тиристоре 12, на вход которого поступает сигнал с внешнего резистивного делителя 13, присоединенного параллельно тиристорному ключу. При нормальной работе тиристорного ключа при поступлении оптического сигнала управления должно отсутствовать напряжение на тиристорном ключе и на выходе узла контроля напряжения на тиристоре 12, который соединен с шестым входом узла логики 11 появляется уровень логической единицы. В случае наличия высокого напряжения на тиристорном ключе при поступлении оптического сигнала управления (по причине выхода тиристорного ключа в состояние обрыва или других неисправностей) на выходе узла контроля напряжения на тиристоре 12 появляется уровень логического нуля, который приводит к формированию на третьем выходе узла логики 11 уровня логической единицы, который поступает на третий вход светодиодных излучателей 19 и включается светодиодный индикатор «U тир».
Контроль тока тиристорного ключа осуществляет третий узел контроля тока 14, на вход которого поступает сигнал с внешнего трансформаторного датчика тока 15. При протекании тока через тиристорный ключ ниже допустимого значения на выходе третьего узла контроля тока 14, который соединен с дополнительным седьмым входом узла логики 11 появляется уровень логической единицы. В случае превышения допустимого значения тока через тиристорный ключ (по причине перегрузки по току или короткого замыкания) при поступлении оптического сигнала управления на выходе третьего узла контроля тока 14 появляется уровень логического нуля, который приводит к формированию на четвертом выходе узла логики 11 уровня логической единицы, который поступает на второй вход светодиодных излучателей 19 и включается светодиодный индикатор «I кз».
Контроль тока в канале питания цепи управления первым тиристором 7 осуществляет первый узел контроля тока 3. В момент поступления оптического сигнала управления начинает протекать ток в канале питания цепи управления первым тиристором 7 со второго выхода источника питания 1 через вход первого узла контроля тока 3 и далее со второго выхода первого узла контроля тока 3 на дополнительный второй вход усилителя 5. В случае допустимого значения тока в канале питания цепи управления первым тиристором 7 на первом выходе первого узла контроля тока 3, который соединен с дополнительным третьим входом узла логики 11 появляется уровень логической единицы. В случае отсутствия тока в канале питания цепи управления первым тиристором 7 (по причине обрыва цепи управления тиристором или других неисправностей) на первом выходе первого узла контроля тока 3 появляется уровень логического нуля.
Контроль тока в канале питания цепи управления вторым тиристором 10 осуществляет второй узел контроля тока 4. В момент поступления оптического сигнала управления начинает протекать ток в канале питания цепи управления вторым тиристором 10 с третьего выхода источника питания 1 через вход второго узла контроля тока 4 и далее со второго выхода второго узла контроля тока 4 на первый вход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8. В случае допустимого значения тока в канале питания цепи управления вторым тиристором 10 на первом выходе второго узла контроля тока 4, который соединен с дополнительным четвертым входом узла логики 11 появляется уровень логической единицы. В случае отсутствия тока в канале питания цепи управления вторым тиристором (по причине обрыва цепи управления тиристором или других неисправностей) на первом выходе второго узла контроля тока 4 появляется уровень логического нуля.
При нормальной работе драйвера и тиристорного ключа в момент поступления оптического сигнала управления на втором, третьем, четвертом, шестом, дополнительном седьмом, восьмом входах узла логики 11 присутствует уровень логической единицы и на первом выходе узла логики 11 появляется также уровень логической единицы, который включает оптоизлучатель 18. При этом оптоизлучатель 18 формирует ответный оптический сигнал диагностики, передаваемый по оптокабелю во внешнюю систему управления преобразователем.
В случае нарушения работы драйвера или возникновения аварийных событий при работе тиристорного ключа на первом выходе узла логики 11 появляется уровень логического нуля, который выключает оптоизлучатель 18, и ответный оптический сигнал диагностики не поступает во внешнюю систему управления преобразователем. Внешняя система управления обнаружив пропадание сигнала диагностики отключает оптические импульсы управления со всех драйверов тиристорных ключей преобразователя.
Светодиодные индикаторы «I кз» и светодиодный индикатор «Перегрев» включаются RS-триггерами в узле логики 11 при превышении тока тиристорного ключа выше допустимого значения и при перегреве тиристорного ключа соответственно. Для сброса триггеров в исходное состояние после срабатывания защиты необходимо отключить и включить питание драйвера. В момент после появления питания драйвера узел контроля питания 2 формирует импульс на первом выходе, который соединен с первым входом узла логики 11, устанавливающий RS-триггеры в узле логики 11 в исходное состояние.
Использование драйвера тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей расширяет его функциональные возможности за счет реализации управления двунаправленным тиристорным ключом и контроля тока, протекающего через него, тем самым повышая надежность управления.