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

Изобретение относится к области электротехники, а именно к схемам контроля и защиты преобразователей, и может быть использовано для контроля состояния полупроводниковых ключей в высоковольтных преобразователях с напряжением 3-15 кВ.
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, взятым за прототип предполагаемого изобретения, является устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля 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, где поз.1 - последовательно включенные силовые ключи высоковольтного вентиля. Устройство содержит блоки контроля состояния силовых ключей - 2 по числу силовых ключей высоковольтного вентиля, оптоприемники - 3 по числу силовых ключей высоковольтного вентиля, соединенные с входами устройства управления и защит преобразователя - 4, каждый из блоков контроля состояния силовых ключей - 2 содержит выпрямитель - 5, подключенный входами через резистор - 6 параллельно силовому ключу высоковольтного вентиля - 1, стабилизатор тока - 13 и оптопередатчик - 14, соединенные между собой последовательно и подключенные крайними выводами к выходам выпрямителя 5. Выходы оптопередатчиков 14 соединены с входами оптоприемников 3 оптоволокном 15.
Переменный ток, ограниченный резистором 6, выпрямляется выпрямителем 5 и поступает через стабилизатор тока 13 на вход оптопередатчика 14. Световые сигналы от оптопередатчиков 14 через оптоволокна 15 поступают на оптоприемники 3. Выходные электрические сигналы оптоприемников 3 поступают на входы устройства управления и защиты 4 устройства плавного пуска (далее по тексту - устройство защиты). Устройство защиты 4 контролирует состояние (исправность) всех силовых ключей высоковольтного вентиля 1 и разрешает или запрещает управление ими.
Устройство УБПВД-ВМ работает при напряжении питающей сети 6 или 10 кВ. В процессе работы напряжение на силовом ключе высоковольтного вентиля изменяется от нуля до примерно 2,5кВ, что существенно изменяет ток через оптопередатчик. В данном устройстве по сравнению с аналогом ток оптопередатчика ограничен с помощью стабилизатора тока, что повышает ресурс работы оптопередатчика.
Недостатками данного устройства являются:
- большая потребляемая мощность. Этот недостаток связан с тем, что оптопередатчики работают в непрерывном режиме, и на резисторах выделяются большие потери мощности;
- сложность конструкции и высокая стоимость устройства, обусловленные использованием дорогостоящих оптоприемников, оптопередатчиков и оптоволокна для передачи сигналов от блоков контроля состояния силовых ключей к устройству защиты;
- ограниченные функциональные возможности: не позволяет осуществлять контроль над возникновением электрической дуги в высоковольтном вентиле. Так как устройство не содержит открытого оптического канала для осуществления этой функции, при повреждении в конструкции высоковольтного вентиля или возникновении электрической дуги нет соответствующего сигнала (информации об аварии) для своевременного отключения устройства плавного пуска.
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 высоковольтного вентиля преобразователя, содержащее блоки контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля по числу последовательно соединенных силовых ключей высоковольтного вентиля, оптоприемник, выходом соединенный с входом устройства управления и защит преобразователя, каждый блок контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля содержит выпрямитель, соединенный входами через резистор параллельно силовому ключу, и оптопередатчик, одним выходом соединенный с первым выходом выпрямителя, введены в каждый блок контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля параллельно соединенные выходам выпрямителя стабилитрон и конденсатор, узел синхронизации, узел задержки и формирования импульсов с соответствующими временными задержками и ключ, введенный между вторым выходом выпрямителя и вторым выходом оптопередатчика, выполненного в виде светодиода, причем управляющий вход ключа соединен через узел задержки и формирования импульсов с выходом узла синхронизации, соединенного одним входом с входом выпрямителя, а вторым входом - со вторым выходом выпрямителя, а оптоприемник выполнен, по крайней мере, в виде фотодиода и предназначен для всех блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля. Устройство управления и защит преобразователя содержит дополнительный вход для синхронизации с частотой напряжения высоковольтного вентиля. Ключ выполнен, по крайней мере, в виде транзистора с резистором в цепи коллектора.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в устройстве контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя оптопередатчик выполнен в виде светодиода, а в каждый блок контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля введены стабилитрон, конденсатор, узел синхронизации и узел задержки и формирования импульсов, ключ, каждый узел задержки и формирования импульсов выполнен с разными временными задержками импульсов, оптоприемник выполнен, например, в виде фотодиода. Предлагаемое устройство вовремя обнаруживает неисправность силовых ключей по информации, которая передается по открытому оптическому каналу (воздуху) узкими импульсами света на оптоприемник и на устройство управления и защит преобразователя и вовремя блокирует работу преобразователя. В случае возникновения электрической дуги между проводниками в высоковольтном вентиле из-за внешнего перенапряжения или внутреннего повреждения конструкции вентиля устройство управления и защит преобразователя выдаст команду на отключение преобразователя от питающей сети. Если все силовые ключи исправны, устройство управления и защит преобразователя сообщает об этом в систему управления преобразователя, и работа преобразователя разрешается.
Наличие этих существенных признаков и оригинальная схема соединения позволили простыми средствами осуществить контроль за состоянием силовых ключей высоковольтного вентиля преобразователя и возникновением электрической дуги в конструкции высоковольтного вентиля, упростить конструкцию устройства, уменьшить потребляемую мощность, снизить стоимость и расширить функциональные возможности устройства.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.2 представлена принципиальная схема устройства для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя, поз.1 - силовые ключи высоковольтного вентиля, на фиг.3-5 приведены примеры диаграмм напряжений на выходах ряда блоков, поясняющих работу заявляемого устройства.
Устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя содержит блоки контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля 2 по числу силовых ключей высоковольтного вентиля, оптоприемник 3, подключенный к входу устройства управления и защит преобразователя 4. Каждый блок контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля 2 содержит выпрямитель 5, подключенный входами через резистор 6 параллельно силовому ключу высоковольтного вентиля 1, и оптопередатчик 7, выполненный в виде светодиода, соединенный первым выходом с первым выходом выпрямителя 5. Параллельно выходам выпрямителя 5 включены стабилитрон 8 и конденсатор 9, а ко второму выходу выпрямителя 5 и его первому входу, соединенному с резистором 6, подключены входы узла синхронизации 10. Выход узла синхронизации 10 соединен через узел задержки и формирования импульсов 11 с управляющим входом ключа 12. Ключ 12 включен между вторым выходом выпрямителя 5 и вторым выходом оптопередатчика 7. Узлы задержки и формирования импульсов 11 разных блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля имеют отличные друг от друга временные задержки импульсов.
При этом устройство управления и защит преобразователя 4 может работать в асинхронном режиме, либо может быть синхронизировано с частотой напряжения высоковольтного вентиля. За счет дополнительного входа в устройстве управления и защит преобразователя устройство синхронизируется. Оптоприемник 3 может быть выполнен, например, в виде фотодиода. Ключ 12 может быть выполнен в виде транзистора с резистором в цепи коллектора.
Устройство для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя может работать в следующих режимах:
Силовые ключи высоковольтного вентиля 1 закрыты и на них присутствует переменное напряжение, которое поступает на входы выпрямителя 5 через сопротивление резистора 6. Выпрямленное напряжение затем поступает на оптопередатчик 7, стабилитрон 8 и конденсатор 9. Конденсатор 9 заряжается до напряжения, уровень которого органичен стабилитроном 8. Узел синхронизации 10 превращает переменное напряжение в прямоугольные импульсы, начало и окончание которых совпадают с моментом перехода синусоиды через ноль. Эти импульсы поступают на вход узла задержки и формирования импульсов 11, выполняющего необходимую временную задержку импульсов управления. При этом все узлы задержки и формирования импульсов 11 устройства имеют отличные друг от друга временные задержки импульсов управления, чтобы не было одновременного включения двух и более оптопередатчиков 7. Затем в узле 11 происходит формирование импульсов, поступающих на управляющий вход ключа 12. Ключ 12 открывается, и конденсатор 9 начинает разряжаться через оптопередатчик 7. Оптопередатчик 7 излучает узкий импульс света (длительностью около 0,5-0,8 миллисекунды), принимаемый оптоприемником 3. Так как импульс узкий, и энергия берется из конденсатора 9, появляется возможность значительно уменьшить потери на резисторе 6, сделав его высокоомным, тем самым значительно уменьшить потребляемую мощность. Оптоприемник 3 преобразует полученный световой сигнал в электрический, который поступает в устройство управления и защит преобразователя 4. При наличии импульсов со всех оптопередатчиков 7 устройство управления и защит преобразователя 4 сообщает в систему управления преобразователя, что все силовые ключи высоковольтного вентиля 1 исправны, и разрешается работа преобразователя. В случае, если один из силовых ключей высоковольтного вентиля 1 поврежден, и в нем образовалось короткое замыкание, то напряжение на входах блока контроля состояния ключей 2, который подключен параллельно поврежденному силовому ключу высоковольтного вентиля, будет отсутствовать. Этот блок не будет излучать импульсы света, а их отсутствие обнаружит устройство управления и защит преобразователя 4, который отключит преобразователь. В случае возникновения электрической дуги между проводниками А и Б (см. фиг.2 и фиг.5) в высоковольтном вентиле из-за внешнего перенапряжения или внутреннего повреждения конструкции вентиля на оптоприемник 3 поступит импульс света большой длительности. Устройство управления и защит преобразователя 4 в этом случае выдаст команду на отключение преобразователя от питающей сети.
Блок управления и защит 4 может быть как синхронизирован с частотой напряжения высоковольтного вентиля, так и не синхронизирован. В случае, если блок синхронизирован с частотой напряжения высоковольтного вентиля (на блок подан сигнал синхронизации, например, с системы регулирования преобразователя), имеется возможность точно определить момент начала и окончания импульсов с блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля 2 и номер поврежденного силового ключа высоковольтного вентиля, если таковой имеется.
В случае, если блок управления и защит 4 не синхронизирован с частотой напряжения высоковольтного вентиля, имеется возможность точного определения только количества поврежденных силовых ключей высоковольтного вентиля 1. Точная идентификация поврежденного силового ключа высоковольтного вентиля возможна в этом случае только при исправном состоянии крайних силовых ключей высоковольтного вентиля.
Контроль состояния силовых ключей высоковольтного вентиля преобразователя выполняется в определенных условиях: перед и после работы преобразователя или во время безтоковых пауз. Во время работы преобразователя силовые ключи находятся в открытом состоянии, поэтому режим контроля их исправности заявляемым устройством в этом случае блокируется, но остается контроль над возникновением дуги.
В качестве силового ключа могут использоваться следующие приборы: тиристоры, симисторы, IGBT, IGCT, GТО и др. приборы. Это не относится к заявляемому устройству. В качестве узла синхронизации может использоваться любой пороговый элемент - транзистор, логический элемент и т.д. В качестве узла задержки и формирования импульсов могут использоваться, например, транзистор или логический элемент с задерживающей RC-цепочкой на их входе (время перезаряда конденсатора определяет длительность задержки) и дифференцирующей RC-цепочкой на их выходе (время перезаряда конденсатора этой цепочки определяет длительность импульса). В качестве ключа могут использоваться: логический элемент микросхемы, транзистор с резистором в последовательной цепи со светодиодом (допустимо отсутствие резистора при одном из следующих условий: ограничении скорости включения ключа, малой емкости в конденсаторе, большой величине импульсного тока у ключа и светодиода).
В сравнении с прототипом предлагаемое изобретение за счет введения в устройство конденсатора, узла синхронизации, узла задержки и формирования импульсов и ключа позволяет передавать информацию узкими импульсами, что уменьшает потребляемую мощность и значительно увеличивает ресурс светодиодов. Это обстоятельство обеспечивает возможность применения резисторов с повышенным сопротивлением, меньших мощности и стоимости. Передача информации по открытому оптическому каналу (по воздуху) позволяет уменьшить количество оптоприемников, заменить дорогостоящие оптоволокно, оптопередатчики и оптоприемник на дешевые светодиоды и фотодиод. Расширились функциональные возможности предлагаемого устройства, а именно, появилась возможность осуществлять контроль состояния не только силовых ключей высоковольтного двигателя, но и при обнаружении повреждений в конструкции высоковольтного вентиля или возникновении электрической дуги своевременно отключать устройство плавного пуска.
Применение устройства для контроля состояния высоковольтного вентиля преобразователя обеспечивает снижение потребляемой мощности и стоимости устройства, упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей. Эти преимущества позволяют получить значительный экономический эффект от внедрения данного изобретения.
Заявляемое устройство может быть реализовано на предприятии электротехнической промышленности и найти широкое применение в электроэнергетике.