УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КЛЮЧЕЙ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
DEVICE FOR MONITORING OF HIGH-VOLTAGE VALVE CONVERTER SWITCH CONDITION

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам контроля и защиты преобразователей, и может быть использовано для контроля состояния силовых ключей в высоковольтных преобразователях с напряжением 3-15 кВ, предназначенных, например, для запуска электродвигателей.
Указанные преобразователи содержат высоковольтные вентили с последовательно соединенными полупроводниковыми силовыми ключами.
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, принятым за прототип предлагаемого изобретения, является устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного 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.
Устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя содержит последовательно включенные силовые ключи 1 высоковольтного вентильного преобразователя, блоки контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентильного преобразователя 12 по числу силовых ключей, оптоприемники 7 по числу силовых ключей, соединенные с входами устройства управления и защиты преобразователя 8, каждый из блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентильного преобразователя 12 содержит выпрямитель 10, подключенный входами через токоограничивающий резистор 2 параллельно силовому ключу высоковольтного вентильного преобразователя 1, стабилизатор тока 11 и оптопередатчик 5, соединенные между собой последовательно и подключенные крайними выводами к выходам выпрямителя 10. Выходы оптопередатчиков 5 соединены с входами оптоприемников 7 оптоволокном 6.
Состояние силовых ключей других высоковольтных вентилей в устройстве плавного пуска контролируется аналогичными устройствами контроля силовых ключей.
Устройство УБПВД-ВМ работает при напряжении питающей сети 6 или 10 кВ. В процессе работы напряжение на силовом ключе изменяется от нуля до примерно 2,5 кВ, что существенно изменяет ток через токоограничивающий резистор. В прототипе ток оптопередатчика ограничен с помощью стабилизатора тока, что повышает ресурс работы оптопередатчика.
Недостатками данного устройства являются:
- большая потребляемая мощность. Это связано с тем, что оптопередатчики работают в непрерывном режиме и на токоограничивающих резисторах выделяются большие потери мощности (используются резисторы мощностью 100 Вт). Причем величина тока через резисторы определяется номинальным током оптопередатчика;
- сложность конструкции и высокая стоимость устройства, обусловленные использованием значительного количества выпрямителей, стабилизаторов тока, дорогостоящих оптоприемников, оптопередатчиков и оптоволокна для передачи сигналов от блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля к устройству управления и защиты;
- ограниченные функциональные возможности: не обладает возможностью контроля нагрева ключей.
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 ключей высоковольтного вентильного преобразователя, содержащее последовательно включенные силовые ключи высоковольтного вентиля, токоограничивающие резисторы по числу силовых ключей, оптопередатчик, соединенный оптоволокном с оптоприемником, выход которого соединен с входом устройства управления и защиты преобразователя, введены блок резисторов, блок измерения сигналов, силовые ключи высоковольтного вентиля разделены на две части, образующие среднюю точку, соединенную с общей шиной питания блока измерения сигналов, причем с одной стороны от средней точки токоограничивающие резисторы соединены с первыми выводами силовых ключей высоковольтного вентиля, а с другой - с их вторыми выводами, первые выводы каждого из резисторов блока резисторов подключены к общей шине питания блока измерения сигналов, а их вторые выводы соединены соответственно со вторыми выводами токоограничивающих резисторов и входами блока измерения сигналов, выходы которого соединены с входами оптопередатчика. Силовые ключи высоковольтного вентиля разделены, по крайней мере, на две равные или на неравные части. Устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя содержит датчик температуры, подключенный к общей шине питания и входу блока измерения сигналов, причем корпус датчика температуры и корпус силового ключа образуют тепловой контакт. Токоограничивающие резисторы выполнены, по крайней мере, высокоомными.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что благодаря введению в устройство блока измерения сигналов и блока резисторов и их оригинальному соединению с токоограничивающими резисторами обеспечивается уменьшение потерь мощности за счет появления возможности применения в устройстве токоограничивающих резисторов с повышенным сопротивлением и меньшей мощности (примерно в 7-10 раз по сравнению с прототипом), упрощение конструкции и сокращение стоимости устройства за счет сокращения числа элементов в устройстве (оптоприемников и оптопередатчиков). Наличие в устройстве датчика температуры расширило функциональные возможности устройства, а именно позволило обеспечить контроль температуры силовых ключей и возможность определения величины потерь мощности в силовых ключах за время пуска электродвигателя, а также время остывания ключей, и дало возможность прогнозировать количество пусков группы электродвигателей от одного тиристорного устройства плавного пуска и необходимое время до очередного пуска.
Наличие этих существенных признаков и оригинальная схема соединения позволили простыми средствами осуществить контроль состояния силовых ключей преобразователя, упростить конструкцию устройства, уменьшить потребляемую мощность, снизить стоимость и расширить функциональные возможности устройства.
На фиг.2 представлена принципиальная схема устройства для контроля состояния ключей одного высоковольтного вентиля преобразователя, где приняты обозначения:
1 - силовые ключи высоковольтного вентиля;
2 - токоограничивающие резисторы;
3 - блок резисторов;
4 - блок измерения сигналов;
5 - оптопередатчик;
6 - оптоволокно;
7 - оптоприемник;
8 - устройство управления и защиты преобразователя;
9 - датчик температуры.
Устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя содержит силовые ключи высоковольтного вентиля 1; токоограничивающие резисторы 2; блок резисторов 3; блок измерения сигналов 4; оптопередатчик 5; оптоволокно 6; оптоприемник 7; устройство управления и защиты преобразователя 8; датчик температуры 9.
В устройстве для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя силовые ключи высоковольтного вентиля 1 последовательно включенные токоограничивающие резисторы 2 - по числу силовых ключей высоковольтного вентиля 1 и выполнены, по крайней мере, высокоомными, оптопередатчик 5, соединенный оптоволокном 6 с оптоприемником 7, выход которого соединен с входом устройства управления и защиты преобразователя 8. Силовые ключи высоковольтного вентиля 1 разделены на две части, по крайней мере, равные или неравные, образующие среднюю точку, соединенную с общей шиной питания блока измерения сигналов 4, причем с одной стороны от средней точки токоограничивающие резисторы 2 соединены с первыми выводами силовых ключей высоковольтного вентиля 1, а с другой - с их вторыми выводами, первые выводы каждого из резисторов блока резисторов 3 подключены к общей шине питания блока измерения сигналов 4, а их вторые выводы соединены соответственно со вторыми выводами токоограничивающих резисторов 2 и входами блока измерения сигналов 4, выходы которого соединены с входами оптопередатчика 5. Датчик температуры 9 расположен между общей шиной питания и входом блока измерения сигналов 4. Корпус датчика температуры 9 и корпус силового ключа высоковольтного вентиля 1, соединенного со средней точкой высоковольтного вентиля, образуют тепловой контакт.
Устройство работает следующим образом.
Силовые ключи высоковольтного вентиля 1 закрыты и на них присутствует переменное напряжение, которое поступает на входы блока измерения сигналов 4 через токоограничивающие резисторы 2, где оно ограничивается резисторами блока резисторов 3, образующими с токоограничивающими резисторами 2 так называемые делители напряжения. При «пробитом» силовом ключе высоковольтного вентиля напряжение равно нулю. При исправном силовом ключе высоковольтного вентиля величина напряжения отлична от нуля. Блок измерения сигналов 4 измеряет величину напряжения на силовых ключах высоковольтного вентиля 1, соединенных со средней точкой высоковольтного вентиля непосредственно. Величину напряжения на остальных силовых ключах высоковольтного вентиля 1 блок измерения сигналов 4 определяет через разность напряжений между соседними делителями напряжения. Корпус датчика температуры 9 с корпусом одного из силовых ключей высоковольтного вентиля 1, соединенных со средней точкой высоковольтного вентиля, создает тепловой контакт, поэтому его сопротивление и падение напряжения на датчике температуры 9 изменяются в зависимости от температуры силового ключа высоковольтного вентиля 1. Сигнал в виде кода поступает с выхода блока измерения сигналов 4 через оптопередатчик 5, оптоволокно 6 и оптоприемник 7 на вход устройства управления и защиты преобразователя 8. Устройство управления и защиты преобразователя 8 сообщает в систему управления преобразователя, что все силовые ключи высоковольтного вентиля 1 исправны и разрешается работа преобразователя. В случае обнаружения поврежденного силового ключа высоковольтного вентиля, блок измерения сигналов 4 сообщает его номер, а устройство управления и защиты преобразователя 8 в зависимости от количества поврежденных силовых ключей высоковольтного вентиля разрешает или запрещает работу преобразователю. Питание блока измерения сигналов 4 и оптопередатчика 5 осуществляется от цепи высоковольтного вентиля.
Контроль состояния силовых ключей высоковольтного вентиля преобразователя выполняется в определенных условиях: до и после работы преобразователя, когда напряжение подано, но силовые ключи высоковольтного вентиля выключены (либо во время работы преобразователя в моменты выключенного состояния силового ключа). Во время работы преобразователя силовые ключи высоковольтного вентиля находятся в открытом состоянии, поэтому режим контроля их исправности и измерение их нагрева заявляемым устройством в этом случае блокируются.
В качестве силового ключа высоковольтного вентиля могут использоваться тиристоры, симисторы, IGCT, GTO и др. приборы.
Блок измерения сигналов может быть выполнен в виде микроконтроллера.
Предлагаемое техническое решение предназначено для устройства как с четным числом силовых ключей высоковольтного вентиля, так и нечетным.
При нечетном числе силовых ключей высоковольтного вентиля общая шина питания устройства подключена к смещенной средней точке, относительно которой в одну сторону четное число ключей, в другую - нечетное.
В сравнении с прототипом, введение в устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя блока измерения сигналов и блока резисторов, образующих с токоограничивающими резисторами делители напряжения, дало возможность применить токоограничивающие резисторы, выполнив их высокоомными с повышенным сопротивлением и на меньшую мощность в 7-10 раз мощности, а также позволило уменьшить количество оптоприемников и оптопередатчиков, тем самым уменьшить стоимость устройства. Передача информации по одному оптоволокну позволила резко упростить приемную часть устройства управления и защиты преобразователя.
Контроль температуры силовых ключей позволяет повысить надежность и оптимизировать работу преобразователя, например определять величину потерь мощности в силовых ключах высоковольтного вентиля за время пуска электродвигателя, также время остывания ключей. Это делает возможным прогнозировать количество пусков группы электродвигателей от одного тиристорного устройства плавного пуска и необходимое время до очередного пуска. Это позволит повысить производительность на магистральных нефте- и газопроводах, на промышленных предприятиях, т.е. там, где используются устройства плавного пуска электродвигателей.
Проведены испытания заявляемого устройства, показавшие положительные результаты. Планируется внедрение предлагаемого технического решения в устройствах плавного пуска высоковольтных электродвигателей и в тиристорных устройствах автоматического ввода резерва.