ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относиться к электротехнике, в частности, к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники.
Известны высоковольтные вентильные модули, широко применяемые в устройствах плавного пуска мощных электродвигателей переменного тока среднего напряжения 6 (10) кВ [1]. Данные модули содержат n (например, 4 или 6) последовательно включенных тиристоров или симисторов (встречно включенных пар тиристоров), каждый из которых зашунтирован защитной RC-цепью, и N устройств контроля исправности тиристора. Устройства контроля исправности тиристора состоят из последовательно включенных делителя напряжения, диодного моста, порогового и оптронных элементов. Выход оптронного элемента подключен к входу блока управления и защит. При выходе из строя одного и более тиристоров вентильного модуля повышается напряжение на последовательно соединенных исправных тиристорах. Устройства контроля исправности тиристоров фиксируют повышение напряжения на тиристорах и передают сигнал аварийного состояния в блок управления и защит через оптронные элементы.
Недостатком данного устройства является невысокая чувствительность реализованного в нем алгоритма выявления неисправного тиристора, - чем больше последовательно соединенных тиристоров, тем меньше повышается напряжение на исправных при выходе из строя одного. Соответственно, устройства контроля тиристоров могут не выявить неисправность при типовом допуске Δ=±5% на отклонение параметров элементов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взятому за прототип является высоковольтный вентильный модуль [2], содержащий n последовательно включенных тиристоров или симисторов, зашунтированных защитными RC-цепями, блок управления и защит, а также N блоков контроля тиристоров, содержащих пороговый и оптронный элементы, соединенные параллельно и подключенные в цепь между тиристором и RC-цепью, при этом выход оптронного элемента подключен к входу блока управления и защит.
RC
RC
В данном устройстве реализован алгоритм выявления неисправного тиристора по величине тока в защитной RC-цепи. Соответственно, при выходе из строя тиристора происходит закорачивание RC-цепи, и в ней отсутствует контролируемый ток i, а устройство контроля тиристора четко фиксирует аварийное состояние тиристора (i=0) при типовом допуске на отклонение параметров элементов высоковольтного вентильного модуля.
Однако, реализованный в устройстве алгоритм выявления неисправности тиристора содержит значительное количество устройств контроля, в которых оптронный элемент выполняется с применением оптоволоконной передачи аварийного сигнала в блок управления и защит. В устройствах среднего напряжения 6 (10) кВ по правилам ПУЭ данный канал связи должен выдерживать испытательное напряжение 36 (42) кВ. Соответственно, конструкция устройства, в целом, должна быть спроектирована с учетом обеспечения указанных требований защитных расстояний по поверхности оптоволоконной связи. В результате усложняется конструкция высоковольтного вентильного модуля и понижается надежность его работы. Интенсивность отказов увеличивается пропорционально количеству элементов в устройстве.
Технический результат - упрощение конструкции и повышение надежности заявляемого устройства.
Технический результат достигается тем, что в высоковольтном вентильном модуле, содержащем n последовательно включенных тиристоров или симисторов, зашунтированных защитными RC-цепями, блок управления и защит, а также устройства контроля тиристоров, содержащие параллельно включенные пороговый и оптронный элементы, при этом последний подключен по цепи выхода к входу блока управления и защит, в устройство контроля тиристоров введен диодный выпрямитель, входы которого последовательно соединены с защитными RC-цепями пары последовательно соединенных тиристоров или симисторов, выходы - с пороговым элементом, и один из выходов - с общей точкой пары последовательно соединенных тиристоров или симисторов.
Отличительной особенностью полезной модели является то, что упрощение и повышение надежности высоковольтного вентильного модуля достигается за счет того, что в устройство контроля тиристоров введен диодный выпрямитель, входы которого последовательно соединены с защитными RC-цепями пары последовательно соединенных тиристоров или симисторов, выходы - с пороговым элементом, и один из выходов - с общей точкой пары последовательно соединенных тиристоров или симисторов. Это позволяет выявлять неисправное состояния пары тиристоров с помощью одного устройства контроля.
Таким образом, в высоковольтном вентильном модуле сокращается в два раза требуемое количество устройств контроля тиристоров, что упрощает его конструктивное исполнение и уменьшает интенсивность отказов.
На фиг.1 приведена схема заявляемого высоковольтного вентильного модуля, на которой приняты следующие обозначения:
1, 2…(n-1), n - последовательно соединенные тиристоры или симисторы (встречно включенные пары тиристоров);
3, 4- защитные RC-цепи;
5 - блок управления и защит;
6 - устройства контроля тиристоров;
7 - пороговый элемент, например, стабилитрон;
8 - оптронный элемент, содержащий полупроводниковый излучатель, оптоволоконный канал передачи излучения и оптоприемник, например, фототранзистор;
9 - диодный выпрямитель (однофазный мост).
На фиг.2 приведена схема устройства плавного пуска высоковольтного электродвигателя переменного тока [3], выполненного на базе трех высоковольтных вентильных модулей по схеме трехфазного тиристорного (симисторного) регулятора переменного напряжения (тока), где приняты следующие обозначения:
ВВМ1…ВВМ3 - высоковольтные вентильные модули;
M1 - электродвигатель переменного тока;
П
~U - напряжение трехфазной питающей сети.
На фиг.3 представлены временные диаграммы сигналов (напряжения, токи) на основных элементах устройства:
U1(2) - напряжение на тиристорах 1 и 2;
i3(4) - токи в защитных RC-цепях 3 и 4;
CP
I - порог чувствительности оптронного элемента;
i8 - ток в цепи излучателя оптронного элемента;
Т - период времени напряжения питающей сети;
8 - состояние выходной цепи оптронного элемента (фототранзистора).
Предлагаемый высоковольтный вентильный модуль содержит n последовательно соединенных тиристоров (симисторов) 1, 2…n-1, n, зашунтированных защитными RC-цепями 3, 4, блок управления и защит 5 и устройства контроля тиристоров 6, состоящие из параллельно включенных порогового 7 и оптронного 8 элементов и диодного выпрямителя 9. Оптронный элемент 8 по цепи выхода подключен к входу блока управления и защит 5, входы диодного выпрямителя 9 последовательно соединены с защитными RC-цепями 3, 4 пары последовательно соединенных тиристоров (симисторов) 1, 2, выходы диодного выпрямителя 9 подключены к пороговому элементу 7, и один из выходов диодного выпрямителя 9 соединен с общей точкой пары последовательно соединенных тиристоров (симисторов) 1, 2.
3
4
Работу заявляемого высоковольтного вентильного модуля (ВВМ) в режиме тестирования исправности последовательно соединенных тиристоров или симисторов (встречно включенных пар тиристоров) рассмотрим на примере устройства плавного пуска (УПП) высоковольтного электродвигателя переменного тока M1 (см. фиг.2). УПП представляет собой трехфазный тиристорный регулятор переменного напряжения, выполненный на трех модулях ВВМ1…ВВМ3. Тестирование ВВМ производится при подключении УПП к питающей сети. Приложенное к ВВМ напряжение равномерно распределяется на исправных последовательно соединенных тиристорах (симисторах) 1, 2…(n-1), n на уровне  за счет защитных RC-цепей 3, 4 (см. фиг.1). Ток защитных RC-цепей 3, 4 (i=i) протекает через диодный выпрямитель 9, входную цепь оптронного элемента 8 и определяется как:
3
4
3
4
i=i≈U·ω·C=U·ω·C,
3
4
где, U, U - напряжения на RC-цепях 3, 4;
ω - частота питающей сети;
С - величина емкости конденсатора в RC-цепи.
В выходной цепи оптронного элемента происходит открывание опто-приемника, например, фототранзистора. Соответственно, на вход I блока управления и защит 5 поступает сигнал «Открыт» с выхода оптронного элемента 8. При положительной полярности тока RC-цепей 3, 4 и исправных тиристорах (симисторах) 1, 2 ток протекает через диод «а» выпрямителя 9, излучатель оптронного элемента 8 и диод «b» выпрямителя 9. При отрицательной полярности тока RC-цепей - через диод «d», излучатель 8 и диод «с» диодного выпрямителя 9. Излучатель 8 по оптоволокну передает сигнал «Открыт» исправного состояния тиристоров (симисторов) 1, 2 на вход I блока управления и защит 5.
Таким образом, в каждый период времени Т напряжения питающей сети, блок контроля тиристоров 6, состоящий из диодного выпрямителя 9, порогового 7 и оптронного 8 элементов поочередно передает два сигнала «Открыт» на вход I блока управления и защит 5, информирующих об исправном состоянии двух последовательно соединенных тиристоров (симисторов) 1, 2 (см. фиг.3, а).
3
В случае неисправности одного из тиристоров, например, тиристора 1, последний шунтирует RC-цепь 3 (i=0). При положительной полярности тока RC-цепи 4 ток протекает через неисправный тиристор 1, диод «в» выпрямителя 9 и RC-цепь 4, а при отрицательной - через неисправный тиристор 1, излучатель 8, диод «с» и RC-пепь 4. Соответственно, излучатель 8 передает на вход I блока управления и защит 5 сигнал «Открыт» только при отрицательной полярности тока (напряжения) питающей сети.
Таким образом, при неисправном тиристоре 1 отсутствует передача сигнала «Открыт» на вход I блока управления и защит 5 при положительной полярности тока (напряжения) и выполняется передача сигнала «Открыт» при отрицательной полярности, информирующего об исправном состоянии тиристора 2 (см. фиг.3, б). Аналогично происходит процедура выявления неисправного тиристора 2, с той лишь разницей, что неисправное состояние тиристора 2 фиксируется отсутствием сигнала «Открыт» при отрицательной полярности, а исправность тиристора 1 - наличием сигнала «Открыт» при положительной полярности.
В случае неисправного состояния двух тиристоров 1 и 2 RC-цепи 3, 4 шунтируются неисправными тиристорами, и блок контроля тиристоров 6 не осуществляет передачу сигнала «Открыт» на вход I блока управления и защит 5 (см. фиг.3, в).
Таким образом, в заявляемом устройстве реализуется достоверный контроль состояния каждой пары последовательно соединенных тиристоров (симисторов) с помощью оригинально выполненного одного блока контроля тиристоров, передающего информацию в блок управления:
- об исправности последовательно соединенных тиристоров в виде двух сигналов «Открыт» за период времени Т напряжения питающей сети;
- о неисправности одного из тиристоров в виде одного сигнала «Открыт» за период времени Т;
- о неисправности двух последовательно соединенных тиристоров в виде отсутствия сигналов «Открыт».
При необходимости обеспечивается определение номера тиристора (четный или нечетный) по полярности напряжения питающей сети.
В результате сокращается в два раза количество блоков контроля тиристоров для тестирования последовательно соединенных тиристоров ВВМ и количество входов блока управления, что, в целом, обеспечивает упрощение устройства и повышает его надежность. При этом сохраняются положительные свойства прототипа - повышенная чувствительность при тестировании исправности тиристоров и возможность проверки фазировки управляющих импульсов тиристоров.
Источники известности
[1] Патент РФ на полезную модель №31886 «Высоковольтный вентильный модуль» от 03.03.2003 г.
[2] Патент на полезную модель №101584 «Высоковольтный вентильный модуль» от 27.08.2010 г.
[3] Иванов А.Г. и др. Алгоритмы переключения и моделирования устройств плавного пуска электродвигателей - «Электротехника» 2006 г., №10, стр.61.