СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО СОХРАНЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОГО МОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
METHOD OF AUTOMATIC SURVIVABILITY OF TRANSFORMER-THYRISTOR BRIDGE RECTIFIER

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в источниках питания для исключения в них коротких замыканий при «пробое» тиристоров и сохранения выходного напряжения.
Известно устройство для контроля полупроводниковых приборов, входящих в состав выпрямителя, подключаемое к контролируемому полупроводниковому прибору с помощью щупов. Это устройство производит контроль режимов работы и определяет исправность (техническое состояние) прибора путем оценки его реакции на стимулирующее воздействие в виде прямоугольных импульсов, следующих от специального генератора [1].
Недостатком данного аналога является то, что при использовании этого устройства необходимо обеспечивать контактное соединение контролирующего устройства с объектом контроля (полупроводниковым прибором), что существенно снижает эффективность и надежность контроля.
Известно устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей [2]. 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 является необходимость предварительной ориентации оси чувствительности датчика напряженности магнитного поля относительно объекта контроля (трансформатора выпрямителя), так как при некотором его положении относительно силовых линий магнитного поля его выходной сигнал будет равен нулю и устройство работать не будет.
Известен способ экспресс-диагностики выпрямительных элементов блоков питания [3], наиболее близкий по совокупности существенных признаков заявляемому изобретению. Сущность способа, выбранного за прототип, заключается в том, что из сигнала датчика магнитного поля, пропорционального напряженности внешнего магнитного поля трансформатора блока питания, с помощью узкополосных фильтров, настроенных на частоты ω, 2ω и 3ω (ω - частота питающего блок напряжения), выделяется информативный параметр в виде спектра амплитуд соответствующих частот, после чего осуществляется сравнение полученных величин с эталонными (опорными) сигналами. После этого в зависимости от комбинаций соотношений амплитуд указанных сигналов реализуется один из вариантов выходного сигнала, касающийся исправности выпрямительных элементов блока питания.
Данный способ содержит большое количество выполняемых операций, что существенно усложняет схемы устройств, его реализующих, и снижает их надежностные характеристики. Кроме этого, недостатком способа является зависимость формы выходного сигнала датчика (а, следовательно, и результата работы устройства в целом) от ориентации его оси чувствительности и отсутствие возможности сохранения выходного напряжения блоков питания при выходе из строя контролируемых полупроводниковых приборов.
Целью изобретения является:
1. Исключение влияния неисправностей типа «пробой» тиристоров (или коротких замыканий тиристоров) на работоспособность мостового выпрямителя в целом.
2. Сохранение выходного напряжения трансформаторно-тиристорного мостового выпрямителя при появлении в нем неисправности типа «пробой» тиристора, т.е. сохранение работоспособности потребителей электроэнергии.
3. Исключение влияния положения оси чувствительности датчика напряженности магнитного поля относительно контролируемого мостового выпрямителя.
4. Сокращение числа выполняемых операций при реализации способа.
Поставленная цель достигается тем, что:
- при реализации заявляемого способа в случае возникновения в мостовом трансформаторно-тиристорном выпрямителе неисправности типа «пробой» тиристора электроснабжение потребителей продолжается через неисправный короткозамкнутый тиристор, а ситуация однополупериодного короткого замыкания, которая возникает при этом, исключается за счет выключения из работы двух смежных тиристоров, имеющих непосредственную гальваническую связь с вышедшим из строя тиристором;
- вместо датчика напряженности магнитного поля с ориентируемой осью чувствительности применяется датчик, который размещается в микроиндуктивном соленоиде-концентраторе в цепи первичной обмотки трансформатора и состоящем из нескольких витков подводящего питание провода, намотанного на диэлектрическую цилиндрическую трубку. В этом случае исключается операция по ориентированию его оси чувствительности.
Принцип действия заявляемого способа автоматического сохранения работоспособности трансформаторно-тиристорного мостового выпрямителя заключается в следующем.
Если мостовой трансформаторно-тиристорный выпрямитель работает в номинальном эксплуатационном режиме и все его элементы исправны, то в спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности магнитного поля, размещенного в соленоиде-концентраторе на токоподводящих проводах, будут присутствовать сигналы только нечетных спектральных составляющих 3ω, 5ω, 7ω, …, кратных основной частоте питающего выпрямитель напряжения ω. Форма выходного сигнала датчика при этом будет симметричной относительно оси абсцисс.
В случае изменения технического состояния тиристоров схемы выпрямления (появление неисправностей типа «обрыв» или «пробой» тиристоров) в спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности магнитного поля тока дополнительно появляются сигналы четных спектральных составляющих 2ω, 4ω, 6ω, …, кратных основной частоте ω. Форма сигнала при этом теряет симметрию, то есть площадь положительного (либо отрицательного - в зависимости от номера плеча мостовой схемы, в котором произошла неисправность) полупериода становится больше площади отрицательного полупериода (либо положительного полупериода).
При возникновении неисправности типа "пробой" тиристора в мостовой схеме выпрямления реализуется ситуация однополупериодного короткого замыкания, при этом форма сигнала датчика напряженности магнитного поля становится резко ассиметричной относительно оси абсцисс, а амплитуды четных спектральных составляющих (прежде всего на частоте 2ω) резко возрастают.
Длительная работа мостового трансформаторно-тиристорного выпрямителя с такой неисправностью может привести к дальнейшему развитию аварийной ситуации и выходу из строя трансформатора выпрямителя (вследствие резкого возрастания тока во вторичной обмотке). Кроме того, существенно искажается форма средневыпрямленного напряжения и снижается его качество, что оказывает негативное влияние на работу потребителей электроэнергии.
Таким образом, факт появления четных спектральных составляющих в спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности внешнего магнитного поля тока, протекающего в схеме мостового трансформаторно-тиристорного выпрямителя (в том числе и в токоподводящих проводах) будет однозначным свидетельством появления неисправности типа «пробой» тиристоров в схеме выпрямления, приводящей к ухудшению качества выходного напряжения выпрямителя и последующего возникновения аварийного режима работы, могущего привести к выходу из строя как самого выпрямителя, так и подключенных к нему устройств. Помимо этого, для определения номера плеча мостовой схемы (номера тиристора), в котором произошел «пробой», требуется сравнение по модулю средних значений положительного и отрицательного полупериодов выходного напряжения датчика напряженности магнитного поля.
Устройство, реализующее способ автоматического сохранения работоспособности трансформаторно-тиристорного мостового выпрямителя, работает следующим образом. Датчик (фиг.1) напряженности магнитного поля (Д) 1 тока, протекающего в токоподводящих проводах между источником питания и тиристорным выпрямителем (ТВ), размещен в микроиндуктивном соленоиде-концентраторе, состоящем из нескольких витков подводящего провода в первичной обмотке трансформатора и намотанном на диэлектрическую цилиндрическую трубку. В процессе работы мостового трансформаторно-тиристорного выпрямителя ток, протекающий в токоподводящих проводах, создает магнитное поле, напряженность которого в микроиндуктивном соленоиде-концентраторе однозначно связана с силой тока в схеме выпрямления. Выход датчика подключен к усилителю сигнала датчика (У) 3, выход которого, в свою очередь, в логическом блоке (ЛБ) 4 подключен к узкополосному фильтру (Ф), настроенному на частоту 2ω, а также через встречно включенные разделительные диоды VD1 и VD2 к интегрирующим устройствам ИУ1 и ИУ2. Выход ИУ1 подключен к первому компаратору K1, выход ИУ2 - ко второму компаратору К2, выход Ф подключен к третьему компаратору К3. Выход К1 подключен к первому входу первой логической схемы 2И 1, выход К2 подключен к первому входу второй логической схемы 2И 2, на вторые входы логических схем 2И 1 и 2И 2 поступает выходной сигнал от К3. Выходы логических схем подключены к системе управления тиристорным выпрямителем (СУТВ) 5, который формирует импульсы на соответствующие управляющие электроды тиристоров схемы выпрямления.
Датчик напряженности внешнего магнитного поля формирует сигнал, пропорциональный величине протекающего тока. В том случае, если тиристоры мостовой схемы выпрямления исправны, сигнал с выхода датчика после усиления через встречно включенные разделительные диоды VD1 и VD2 поступает на интегрирующие устройства ИУ1 и ИУ2, выходных сигналов которых в этом случае недостаточно для срабатывания компараторов К1 и К2, а также на узкополосный фильтр, где его дальнейшее преобразование прекращается в связи с отсутствием в нем составляющей сигнала с частотой 2ω. Логические схемы 2И 1 и 2И 2 при этом не срабатывают и управляющие сигналы на СУТВ не поступают.
При возникновении в мостовой схеме выпрямления неисправности типа «пробой» тиристора появившийся в выходном сигнале датчика сигнал четной спектральной составляющей с частотой 2ω проходит через фильтр и поступает на входы логических схем 2И 1 и 2И 2. Одновременно вследствие появления ассиметрии формы выходного сигнала датчика относительно оси абсцисс выходной сигнал одного из интегрирующих устройств ИУ1 или ИУ2 (в зависимости от номера плеча схемы выпрямления, в котором произошла неисправность) достигает напряжения срабатывания соответствующего компаратора К1 или К2. Сработавший компаратор подает сигнал на первый вход соответствующей логической схемы (2И 1 или 2И 2), после чего сигнал со сработавшей логической схемы на закрытие соответствующей пары тиристоров поступает на СУТВ, которая непосредственно и формирует команды на выключение из работы соответствующих тиристоров. Например, при «пробое» тиристора VS4 должны выключаться из работы тиристоры VS2 и VS3.
В выключенном состоянии тиристоры имеют максимальное сопротивление и можно предположить, что в этих плечах имеет место обрыв цепи. В этом случае мостовая схема будет работать как обычный исправный однополупериодный выпрямитель.
Таким образом, предлагаемый способ обладает существенным положительным эффектом, заключающимся:
- в исключении режима короткого замыкания в мостовой схеме, что, в свою очередь, защищает от выхода из строя трансформатор выпрямителя;
- в реализации возможности обеспечивать наличие на выходе средне-выпрямленного напряжения однополупериодной схемы выпрямления в случае появления неисправности типа «пробой» тиристора в мостовой схеме выпрямления за счет выключения из работы тиристоров, имеющих прямую гальваническую связь с неисправным;
- в повышении надежности работы устройства, реализующего способ, за счет исключения влияния на результат измерения положения оси чувствительности датчика относительно объекта и необходимости его предварительной ориентации перед проведением измерений.
Источники информации
1. Маркин В.В., Миронов В.Н., Обухов С.Г. Техническая диагностика вентильных преобразователей. М.: Энергоатомиздат, 1985.
2. Сукиязов А.Г., Вербов В.Ф., Просянников Б.Н., Просянников Г.Б. Устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей. Патент РФ на полезную модель №66820, 2007.
3. Сукиязов А.Г., Просянников Б.Н. Способ экспресс-диагностики выпрямительных элементов блоков питания. Авт. свид. СССР №1718159, 1989.