УСТРОЙСТВО МНОГОУРОВНЕВОЙ ЗАЩИТЫ ДВУНАПРАВЛЕННОГО ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
DEVICE FOR BIDIRECTIONAL INVERTER MULTILEVEL PROTECTION

Устройство относится к преобразовательной технике и может использоваться как в активных выпрямителях, так и в инверторах напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с одной или тремя фазами, построенных на базе транзисторов MOSFET или IGBT.
Известно устройство, отвечающее за защиту от ложных импульсов управления, содержащее двоичный счетчик со сбросом /1/. В этом устройстве-аналоге при превышении количества импульсов с порогового элемента заданного значения срабатывает защита, причем задающий генератор имеет частоту импульсов ниже, чем частота импульсов от порогового элемента, что не позволяет применять данное схемное решение с целью точного выявления импульсов управления с чрезмерно большой длительностью.
Известно также устройство, отвечающее за защиту инвертора от токовых перегрузок в звене постоянного тока /2/. В этом устройстве-аналоге при превышении тока в звене постоянного тока заданной величины срабатывает компаратор, подающий сигнал системе управления. Устройство имеет существенный недостаток: оно не может корректно отрабатывать защитные функции при переменном токе, что необходимо при защите преобразователя напряжения со стороны переменного тока.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство комбинированной защиты и контроля преобразователя напряжения, имеющее узел импульсного преобразователя, защиту от перегрузки по току, короткого замыкания в нагрузке и преобразователе, и защиты от выхода частоты преобразования за допустимый диапазон, содержащую сдвиговые регистры, RS-триггеры и логические элементы /3/. Для обеспечения работы схемы используются два генератора, формирующие временные интервалы, определяющие периоды срабатывания защиты от выхода частоты преобразования за допустимый диапазон.
Недостаток известного устройства заключается в том, что в нем отсутствует возможность изменения порогов срабатывания защиты, нет защиты каждого силового полупроводникового прибора от мгновенных токовых перегрузок, вызванных короткими замыканиями. Недостатком также является наличие токоограничительного резистора, что не позволяет применять данную схему защиты в преобразователях большой мощности, используемая в устройстве элементная база не в полной мере удовлетворяет требованиям по унификации, надежности, габаритным показателям, помехозащищенности цепей.
Задача изобретения - повышение надежности работы преобразователя электрической энергии, защита его коммутационных элементов от токовых перегрузок с различными постоянными времени переходного процесса, а также от ложных или зафиксированных на длительное время в активном состоянии импульсов управления от системы управления. Дополнительная задача - использование принципов универсальности системы защит, программируемого изменения параметров, увеличение быстродействия системы.
Предлагаемое устройство многоуровневой защиты двунаправленного инвертора напряжения, содержащее преобразователь напряжения, включающий в себя входной и выходной фильтры, датчик постоянного тока, систему управления преобразователем, в схему введены шесть схем управления ключами со встроенной защитой от коротких замыканий, три датчика переменного тока, четыре двуполярных компаратора, программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), причем выходы всех четырех датчиков тока подключены к входам аналогово-цифрового преобразователя и соответствующим входам четырех двуполярных компараторов, каждый из которых состоит из двух источников опорного напряжения, двух компараторов, и логического элемента «НЕ», причем входной сигнал подключен к инверсному входу первого компаратора и неинверсному входу второго компаратора, выход первого источника опорного напряжения подключен к неинверсному входу первого компаратора, выход второго источника опорного напряжения подключен к инверсному входу второго компаратора, выходы компараторов объединены и подключены ко входу элемента «НЕ», выход которого является выходом двуполярного компаратора; выходы двуполярных компараторов подключены к соответствующим входам ПЛИС; выход АЦП подключен к системе управления (СУ); выходы схем управления ключами, сигнализирующие о срабатывании защиты ключа, подключены к соответствующим шести входам ПЛИС; шесть выходов управления ключами СУ подключены к соответствующим шести входам ПЛИС; шесть выходов управления ключами от ПЛИС подключены к соответствующим шести входам схем управления ключами; выход ПЛИС, сигнализирующий о срабатывании защиты, подключен к соответствующему входу СУ; выход СУ для сброса защиты подключен к входу сброса защиты ПЛИС; ПЛИС содержит в себе шесть идентичных блоков, каждый из которых состоит из первого элемента «НЕ», генератора высокочастотных импульсов, двоичного счетчика, шестнадцатиразрядного компаратора, второго элемента «НЕ», элемента «3И», шестнадцатиразрядной ячейки памяти, элемента «4ИЛИ», элемента «6ИЛИ», элемента «3ИЛИ», RS триггера, буфера с выходом типа «открытый коллектор», причем соответствующий выход ШИМ системы управления подключен к входу первого элемента «НЕ» и к входу элемента «3И», выход первого элемента «НЕ» соединен со входом сброса двоичного счетчика, выход генератора высокочастотных импульсов соединен с тактовым входом двоичного счетчика, выход которого соединен с первым входом шестнадцатиразрядного компаратора, второй вход которого соединен с выходом шестнадцатиразрядной ячейки памяти, выход шестнадцатиразрядного компаратора соединен со входом второго элемента «НЕ», выход которого соединен со вторым входом элемента «3И»; выходы двуполярных компараторов подключены к входу элемента «4ИЛИ», выход которого подключен к второму входу элемента «3ИЛИ», первый вход которого подключен к выходу шестнадцатиразрядного компаратора, а второй вход подключен к выходу элемента «6ИЛИ», входы которого подключены к выходам схем управления ключами, сигнализирующим о срабатывании защиты ключей; выход элемента «3ИЛИ» подключен к установочному входу RS триггера, инверсный выход которого соединен с третьим входом элемента «3И», неинверсный выход соединен с буфером, выход которого соединен со входом защиты системы управления, а вход сброса триггера соединен с выходом сброса системы управления; выход элемента «3И» подключен к входу схемы управления ключом.
При поиске аналогичных запатентованных устройств не выявлено технических решений с эквивалентными заявляемому устройству защиты признаками. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию научной новизны.
Принципиальным отличием модуля защиты от превышения длительности импульсов управления предлагаемого устройства является то, что одновременно с сигналом защиты блокируются импульсы управления, подаваемые на силовые ключи, а сигналом задания для защиты является число импульсов тактового генератора, частота которого значительно выше частоты импульсов управления, что позволяет повысить быстродействие устройства защиты преобразователя. Защита срабатывает, если длительность активного состояния управляющего импульса превысит заданный двоичным кодом допустимый интервал времени, определяемый числом опорных импульсов тактового генератора. Предлагаемый принцип построения данного блока позволяет изменять величину интервала срабатывания защиты по длительности управляющего импульса, что в свою очередь позволяет расширить допустимый диапазон частоты ШИМ, без потери работоспособности системы защиты.
В отличии от устройства-прототипа, предлагаемое устройство защиты имеет существенное преимущество, заключающееся в возможности программируемых режимов работы цифрового устройства защиты на базе ПЛИС, и позволяет контролировать токи не только в звене постоянного тока, но также и в звене переменного тока.
Принцип работы схемы поясняется рисунками. На фиг.1 изображена общая схема предлагаемого устройства, где 1 - фильтр высокочастотных составляющих, 2-7 - схемы управления силовыми ключами, 8 - фильтр звена постоянного тока, 9-12 - датчики тока, 13-16 - модули защиты от токовых перегрузок, 17 - коммутатор и схема защиты от ложных импульсов управления на базе ПЛИС, 18 - АЦП, 19 - система управления; на фиг.2 - представлена схема на основе логических элементов, реализованной на базе ПЛИС защиты от ложных импульсов управления, соответствующая блоку 17 на общей схеме, где 17.1.1 - логический элемент «НЕ», 17.1.2 - тактовый генератор, 17.1.3 - двоичный счетчик, 17.1.4 - компаратор, 17.1.5 - ячейка памяти, 17.1.6 - логический элемент «НЕ», 17.1.7 - логический элемент «3И», 17.1.8 - логический элемент «4ИЛИ», 17.1.9 - логический элемент «6ИЛИ», 17.1.10 - логический элемент «3ИЛИ», 17.1.11 - RS триггер, 17.1.12 - буфер с выходом по схеме «открытый коллектор»; на фиг.3 изображены временные диаграммы, поясняющие работу схемы защиты от ложных импульсов управления; на фиг.4 изображена схема защиты от перегрузок по току, соответствующая каждому из блоков 13-16 на общей схеме, где 13.1 - источник опорного напряжения положительного порога защиты, 13.2. - источник опорного напряжения отрицательного порога защиты, 13.3, 13.4 - компараторы, 13.5 - логический элемент «НЕ».
В состав устройства входят схемы управления силовыми ключами 2-7, датчики тока 9-12, модули защиты от токовых перегрузок на основе двуполярных компараторов 13-16, коммутатор и схема защиты от ложных импульсов управления на базе ПЛИС 17, аналогово-цифровой преобразователь 18, система управления 19, силовая схема инвертора напряжения состоящая из: фильтра высокочастотных составляющих 1, фильтра звена постоянного тока 8, полупроводниковых ключей с встроенными антипараллельными диодами 20-25.
Блоки 2-7 передают импульсы управления на ключи 20-25 соответственно, а также осуществляют детектирование повышенного падения напряжения на открытом ключе с целью выключения ключа при перегрузке и подачи сигнала о срабатывании защиты в блок 17.
Блоки 13-16 осуществляют подачу сигнала перегрузки в блок 17, когда амплитуда сигнала с соответствующего датчика тока 9-12 превысит заданный порог срабатывания как в положительном, так и в отрицательном направлении протекания тока.
Блок 17 осуществляет мониторинг сигналов защиты от блоков 2-7 и 13-16 и в случае единичного сигнала хотя бы от одного из этих блоков, мгновенно срабатывает защита и блокируются все импульсы управления ключами 20-25, поступающие на блоки 2-7, при этом передается сигнал на блок 19 о срабатывании защиты. Сброс защиты и восстановление нормального режима работы системы производятся подачей сигнала «Сброс» с блока 19 в блок 17.
Блок 18 осуществляет аналогово-цифровое преобразование всех измеряемых токов датчиками тока 9-12 и передачу измеренных значений токов в блок 19. При этом в блоке 19 осуществляются обработка измеренных данных и принятие решения о выключении преобразователя при раннем обнаружении перегрузки, когда пороги срабатывания датчиков перегрузки 13-16 еще не достигнуты.
Блок 17 содержит шесть идентичных блоков 17.1-17.6, каждый из которых соответствует схеме, представленной на фиг.2, состоящей из элемента «НЕ» 17.1.1, подключенного выходом к двоичному счетчику 17.1.3, генератора 17.1.2, передающего импульсы в счетчик 17.1.3, шестнадцатибитного компаратора 17.1.4, сравнивающего содержимое счетчика 17.1.3 с максимальным допустимым значением, хранящимся в ячейке памяти 17.1.5, инвертора 17.1.6, подключенного к входу элемента «3И» 17.1.7, логического элемента «4И» 17.1.8, передающего сигнал элементу 17.1.10, логического элемента «6И» 17.1.9, передающего сигнал элементу 17.1.10, логического элемента «3И» 17.1.10, подключенного к установочному входу триггера 17.1.11, RS триггера 17.1.11, передающего сигнал о срабатывании защиты в блок 19, через буфер 17.1.12, и сигнал блокировки на элемент 17.1.7, элемента «3И» 17.1.7, передающего сигнал на соответствующий блок управления полупроводниковым ключом (блоки 2-7).
Диаграммы, поясняющие работу блока 17, изображены на фиг.3.
Блоки 13-16 работают следующим образом (фиг.4): при превышении сигнала с датчика величины, определяемой первым источником опорного напряжения 13.1, первый компаратор 13.3 посылает нулевой сигнал на логический инвертор 13.5, где сигнал преобразуется в единичный сигнал срабатывания защиты, подаваемый на блок 17; аналогичным образом происходит срабатывание нижнего компаратора 13.4, когда сигнал с датчика тока выходит за допустимое отрицательное значение, определяемое вторым источником опорного напряжения 13.2.
Блок 17 работает следующим образом: сигнал управления полупроводниковым ключом поступает на элементы 17.1.1 и 17.1.7, при этом единичный сигнал управления преобразуется блоком в нулевой сигнал на выходе элемента 17.1.1 и разрешает работу счетчика импульсов 17.1.3, поступающих с генератора 17.1.2, при этом, чем больше длительность импульса управления, поступившего на вход блока 17, тем больше число в счетном регистре счетчика 17.1.3; при достижении импульсом управления максимальной допустимой длительности содержимое счетчика 17.1.3 становится равно содержимому регистра сравнения 17.1.5, и с компаратора 17.1.4 подается сигнал о равенстве входных чисел, блокирующий через элемент 17.1.6 импульс управления полупроводниковым ключом, дополнительно сигнал с элемента 17.1.4 поступает на вход элемента 17.1.10, через который осуществляется срабатывание триггера 17.1.11 и происходит долговременная блокировка всех импульсов управления от блока 19; элементы 17.1.8 и 17.1.9 осуществляют детектирование сигналов перегрузки от блоков 2-7 и 13-16 и передают сигнал о перегрузке через элемент 17.1.10 в элемент 17.1.11, осуществляя блокировку всех импульсов управления и передачу сигнала о перегрузке в блок 19.
В качестве примера работы системы защиты рассмотрим случай с выходом из строя системы управления и подачи постоянного сигнала на открытие ключа 20. В этом случае в схеме неизбежно начнется нарастание тока, который будет измерен датчиком тока 9, сигнал с датчика выйдет за диапазон, соответствующий допустимому току, что вызовет срабатывание двуполярного компаратора, который подаст сигнал в ПЛИС о срабатывании защиты, это приведет к принудительному выключению ключей 20-25 независимо от сигнала системы управления. В схеме возможен вариант, когда защита сработает еще до выхода тока за допустимый диапазон, что осуществимо благодаря применению системы измерения длительности импульсов управления, реализованной в ПЛИС, при этом сигнал управления будет снят с ключа 20, когда счетный регистр 17.1.3 досчитает импульсы с генератора 17.1.1 до значения, хранящегося в ячейке памяти 17.1.5, что вызовет перебрасывание компаратора 17.1.4 и срабатывание защиты. При выходе из строя ключа 20 и подаче сигнала отпирания на ключ 23 последний окажется под полным напряжением звена постоянного тока, в этом случае сработает встроенная защита от коротких замыканий блока 5, которая выключит ключ 23 и подаст сигнал о срабатывании защиты в блок 17, для выключения остальных ключей и подачи сигнала защиты в СУ. Для временного сужения диапазона допустимых токов предназначен АЦП, сигнал о мгновенных значениях токов поступает в СУ, где принимается решение, включать ли защиту, что способствует более гибкой настройке порогов защиты преобразователя, до срабатывания апаратных защит на блоках 2-7 и 13-17. Таким образом, надежность защиты преобразователя существенно повышается, схема защиты реагирует как на короткие замыкания, так и на токовые перегрузки и имеет защиту от сигналов управления с недопустимой длительностью импульсов. Использование ПЛИС позволяет повысить быстродействие и увеличить надежность системы благодаря уменьшению числа цифровых элементов в схеме защиты, а также увеличить гибкость в настройке системы защиты, благодаря возможности программного изменения логической схемы внутри ПЛИС с целью изменения необходимых параметров срабатывания защиты.
Источники информации
1. Патент РФ №2275723.
2. Патент РФ №77730.
3. Патент РФ №2011261 - прототип.