УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ МОСТОВЫМ ТИРИСТОРНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ
DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL OVER BRIDGE THYRISTOR RECTIFIER

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для бесконтактного автоматизированного управления величиной средневыпрямленного напряжения мостового тиристорного выпрямителя при возникновении в схеме выпрямления неисправностей, связанных с «обрывом» или «пробоем» тиристоров.
Известно устройство для контроля полупроводниковых приборов, входящих в состав выпрямителя, подключаемое к контролируемому полупроводниковому прибору с помощью щупов, которое производит контроль режимов работы и определение исправности прибора (его технического состояния) путем оценки реакции полупроводникового прибора на стимулирующее воздействие в виде прямоугольных импульсов, следующих от специального генератора [Маркин В.В. и др. Техническая диагностика вентильных преобразователей / В.В.Маркин, В.Н.Миронов, С.Г.Обухов. - М.: Энергоатомиздат. 1985].
При использовании данного устройства необходимо обеспечить контактное соединение контролирующего устройства с объектом контроля - полупроводниковым прибором.
Известно устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей [А.Г.Сукиязов и др. Устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей. Патент на ПМ №66820, 2007 г.]. 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 определенном его положении относительно силовых линий магнитного поля выходной сигнал будет равен нулю и устройство работать не будет.
Известно устройство бесконтактного определения технического состояния тиристоров источника питания, наиболее близкое по совокупности существенных признаков заявляемому изобретению [А.Г.Сукиязов и др. Устройство бесконтактного определения технического состояния тиристоров источника питания. Патент на изобретение №2185632, 2002 г.]. Устройство содержит измеритель-преобразователь (датчик) внешнего магнитного поля, усилитель, два фазовых детектора, устройство формирования управляющей фазы, два усилителя-формирователя уровня, устройство логической обработки информации и устройство отображения информации.
Недостатками устройства, выбранного за прототип, являются низкая надежность работы устройства за счет большого количества элементов и функциональных связей между ними, сложности алгоритма получения информации, а также зависимость формы выходного сигнала датчика (а следовательно, и результата работы устройства в целом) от ориентации его оси чувствительности и отсутствие возможности влияния на выходное напряжение источника питания при выходе из строя контролируемых тиристоров.
Целью изобретения является повышение надежности работы устройства за счет исключения влияния положения оси чувствительности датчика напряженности магнитного поля относительно контролируемого мостового тиристорного выпрямителя, снижения структурной сложности устройства и алгоритма его работы, а также обеспечение возможности поддержания заданного значения средневыпрямленного напряжения в случае появления неисправностей тиристоров в мостовой схеме выпрямления за счет изменения величины угла управления тиристорами.
вx.К2
вх.К1
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве автоматизированного управления мостовым тиристорным выпрямителем датчик (фиг.1) напряженности магнитного поля (Д) 3 тока, протекающего в токоподводящих проводах между источником питания (ИП) 1 и тиристорным выпрямителем (ТВ) 2, размещен в микроиндуктивном соленоиде-концентраторе из нескольких витков питающего провода, намотанного на диэлектрическую цилиндрическую трубку. Выход датчика (фиг.3) подключен к усилителю сигнала датчика (У) 4, выход которого подключен к узкополосному фильтру (Ф) 5, настроенному на частоту 2ω (ω - частота питающего тиристорный выпрямитель напряжения), выход которого подключен к логическому блоку (ЛБ) 6, содержащему первый компаратор (К1) и второй компаратор (К2), переключение выходных напряжений (срабатывание) которых происходит при различных значениях входных напряжений, причем U>U, выход компаратора К1 подключен ко входам логических схем 2И-НЕ и 2И, а выход компаратора К2 подключен ко второму входу логической схемы 2И-НЕ и ко второму входу системы управления тиристорным выпрямителем, выход логической схемы 2И-НЕ подключен ко второму входу логической схемы 2И. Выход логической схемы 2И подключен к первому входу системы управления тиристорным выпрямителем (СУТВ) 7.
Принцип действия заявляемого устройства автоматизированного управления мостовым тиристорным выпрямителем заключается в следующем. В процессе работы мостового тиристорного выпрямителя ток, протекающий в токоподводящих проводах, создает магнитное поле, магнитный поток которого в микроиндуктивном соленоиде-концентраторе однозначно связан с силой тока в схеме выпрямления.
Если мостовой тиристорный выпрямитель работает в номинальном эксплуатационном режиме и все его элементы исправны, в спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности магнитного поля, размещенного на токоподводящих проводах, будут присутствовать сигналы только нечетных спектральных составляющих, кратных основной частоте питающего выпрямитель напряжения ω (3ω, 5ω, …). В случае изменения технического состояния тиристоров схемы выпрямления в спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности магнитного поля тока дополнительно появляются сигналы четных спектральных составляющих, кратных основной частоте ω (2ω, 4ω, 6ω…).
dα1
1
На фиг.2 представлены диаграммы напряжений однофазного мостового тиристорного выпрямителя, поясняющие сущность предлагаемого технического решения. При исправно работающем мостовом тиристорном выпрямителе величина средневыпрямленного (выходного) напряжения Uопределяется величиной угла управления α, поступающего от системы управления (фиг.2а-в).
dα2
Если один из тиристоров выходит из строя, например имеет место неисправность типа "обрыв" тиристора, мостовая схема трансформируется в однополупериодную и величина средневыпрямленного (выходного) напряжения U уменьшается вдвое (фиг.2г). В этом случае ток, протекающий в схеме, имеет существенную величину только для одного полупериода. В результате в спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности магнитного поля тока дополнительно появляются сигналы четных спектральных составляющих, кратных основной частоте ω (2ω, 4ω, …), причем на частоте 2ω амплитуда спектральной составляющей будет наиболее существенной.
2
dα1
Для восстановления величины средневыпрямленного (выходного) напряжения до номинального значения (например, при отсутствии возможности устранения неисправности) необходимо уменьшить величину угла управления до соответствующего значения α (фиг.2д), что позволит восстановить величину средневыпрямленного напряжения до первоначального значения U (фиг.2е).
Если же возникает неисправность типа "пробой" тиристора, то в мостовой схеме выпрямления реализуется ситуация однополупериодного короткого замыкания, при этом форма сигнала датчика напряженности магнитного поля тока отличается от формы сигнала в ситуации с "обрывом" тиристора, а амплитуды четных спектральных составляющих и, прежде всего, на частоте 2ω резко возрастут. Для предотвращения развития аварийной ситуации необходимо прекратить работу схемы, уменьшив величину угла управления тиристорами до нуля.
Таким образом, факт появления четных спектральных составляющих в спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности внешнего магнитного поля тока, протекающего в схеме мостового тиристорного выпрямителя (в том числе, и в токоподводящих проводах), будет однозначным свидетельством либо появления неисправности тиристоров в схеме выпрямления, приводящей к ухудшению качества выходного напряжения выпрямителя, либо возникновения аварийного режима работы, могущего привести к выходу из строя как самого выпрямителя, так и подключенных к нему устройств.
Аналогичные физические процессы будут происходить в трехфазном мостовом тиристорном выпрямителе.
Устройство автоматизированного управления мостовым тиристорным выпрямителем работает следующим образом. Датчик напряженности внешнего магнитного поля, размещенный внутри микроиндуктивного соленоида-концентратора, формирует сигнал, пропорциональный величине протекающего выпрямленного тока. В том случае, если тиристоры мостовой схемы выпрямления исправны, сигнал с выхода датчика после усиления поступает на узкополосный фильтр, где его дальнейшее преобразование прекращается в связи с отсутствием в нем составляющей сигнала с частотой 2ω.
вх.К2
вx.К1
вх.К1
вх.К2
При возникновении в мостовой схеме выпрямления неисправности типа «обрыв» или «пробой» тиристора появившийся в выходном сигнале датчика сигнал четной спектральной составляющей с частотой 2ω проходит через фильтр и поступает на входы компараторов К1 и К2 логического блока, настроенных на срабатывание при различных напряжениях входного сигнала, причем U>U. Использование двух компараторов в логическом блоке, настроенных на срабатывание при различном входном напряжении, позволяет однозначно определить техническую ситуацию, возникшую в мостовой схеме выпрямителя. В том случае, когда в одном из плечей мостовой схемы происходит «обрыв» тиристора, выходное напряжение фильтра Ф становится больше U, но меньше U, компаратор К1 срабатывает. С его выхода поступает сигнал на первый вход (А) логический схемы 2И-НЕ, таблица состояний которой представлена на фиг.4а, и на первый вход (А) логической схемы 2И, таблица состояний которой представлена на фиг.4б.
Так как на втором входе (В) схемы 2И-НЕ сигнал отсутствует, то на выходе (Q) схемы 2И-НЕ в соответствии с ее таблицей состояний сформируется выходной сигнал, который будет поступать на второй вход (В) схемы 2И. В соответствии с таблицей состояний этой схемы на ее выходе сформируется сигнал, который поступит на первый вход системы управления тиристорным выпрямителем. В результате этого система управления уменьшит величину угла управления, что приведет к восстановлению значения средневыпрямленного напряжения до необходимого значения.
вx.К1
вx.К2
При возникновении критической аварийной ситуации («пробой» тиристора мостовой схемы выпрямления), могущей привести к выходу из строя всего выпрямителя, вследствие резкого возрастания амплитуды сигнала четной спектральной составляющей с частотой 2ω, когда выходное напряжение фильтра Ф больше U и U, компараторы К1 и К2 срабатывают. С выхода компаратора К1 поступает сигнал на первые входы (А) логических схем 2И-НЕ и 2И. С выхода компаратора К2 поступает сигнал на второй вход (В) схемы 2И-НЕ. Одновременно сигнал поступает на второй вход системы управления тиристорным выпрямителем, в результате чего система управления уменьшает величину угла управления до нуля, и выпрямитель отключается. В соответствии с таблицей состояний схемы 2И-НЕ сигнал на ее выходе Q, а следовательно, и на втором входе (В) схемы 2И будет отсутствовать. В соответствии с таблицей состояний схемы 2И сигнал на ее выходе будет отсутствовать.
Предлагаемое устройство обладает существенным положительным эффектом, заключающимся в повышении надежности работы устройства за счет исключения влияния положения оси чувствительности датчика напряженности магнитного поля относительно мостового тиристорного выпрямителя и необходимости его предварительной ориентации перед проведением измерений. Помимо этого устройство, имеющее простую конструкцию и алгоритм функционирования, позволяет поддерживать заданное значение средневыпрямленного напряжения в случае появления неисправности в мостовой схеме выпрямления за счет изменения величины угла управления.