Драйвер тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей
THYRISTOR KEY DRIVER FOR HIGH-VOLTAGE CONVERTERS

Изобретение относится к области преобразовательной техники, в частности к драйверам тиристорных ключей, состоящих из встречно-параллельно включенных тиристоров и может быть использовано для управления тиристорами.
Известен драйвер тиристора [патент RU на полезную модель №107003, МПК Н02М 1/06, опубл. 27.07.2011, бюл. №21], содержащий генератор импульсного переменного напряжения, трансформатор, реактор, выпрямительный мост, конденсатор, оптопару или оптоприемник, резисторы, стабистор, транзистор. Электрическая изоляция в нем обеспечивается трансформатором и оптопарой или оптоприемником управляющего импульса любой длительности, амплитуда форсажного импульса тока ограничивается стабистором в базовой и резистором в эмиттерных цепях транзистора, а ток удержания ограничивается реактором, включенным между вторичной обмоткой трансформатора и выпрямителем.
Недостатком данного технического решения является его низкие функциональные возможности, связанные с отсутствием контроля состояния исправности тиристора, контроля поступления импульса управления на драйвер, контроля прохождения импульса управления на выход драйвера.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является драйвер тиристора для высоковольтных преобразователей [патент RU на изобретение №2641661, МПК Р02М 1/092, опубл. 19.01.2018, бюл. №2], который содержит источник питания, узел контроля питания, оптоизлучатель, узел логики, узел термозащиты, узел контроля напряжения на тиристоре, узел контроля сигнала управления на тиристоре, оптоприемник, узел задержки, усилитель, узел термозащиты, узел контроля напряжения на тиристоре, узел контроля сигнала управления на тиристоре, узел задержки, узел логики, светодиодные индикаторы. Выход узла термозащиты соединен с входом узла логики, а вход с термодатчиком, установленным на охладителе катодной стороны тиристора, выход узла контроля напряжения на тиристоре соединен со вторым входом узла логики, а вход с резистивным делителем напряжения тиристора, выход узла контроля сигнала управления на тиристоре соединен с третьим входом узла логики, а вход с выходом усилителя, выход оптоприемника соединен с четвертым входом узла логики и с входом узла задержки, выход которого соединен с входом усилителя, выходы узла контроля стабилизированного напряжения соединены с пятым и шестым входами узла логики, выходы узла логики соединены с оптоизлучателем и светодиодными индикаторами.
Недостатком данного технического решения является его ограниченные функциональные возможности, связанные с отсутствием непрерывной диагностики за состоянием тиристора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей драйвера посредством управления двунаправленным тиристорным ключом.
Технический результат заключается в повышении надежности управления за счет реализации контроля тока тиристорного ключа и непрерывной диагностики тиристорного ключа во включенном и в выключенном его режимах работы.
Это достигается тем, что в драйвере тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей, содержащем источник питания, узел контроля напряжения питания драйвера, первый и второй выходы которого соединены с входами узла логики, оптоприемник, вход которого соединен с входом управления драйвера, а его выход соединен с соответствующим входом узла логики и одним из входов усилителя, выходы которого соответственно подключены к управляющему электроду и катоду первого тиристора, узел контроля напряжения на тиристоре, вход которого соединен с выходом внешнего резистивного делителя, а его выход соединен с соответствующим входом узла логики, узел термозащиты, вход которого соединен с внешним термодатчиком, а выход узла термозащиты соединен с соответствующим входом узла логики, светодиодные излучатели, подключенные к соответствующим выходам узла логики, оптоизлучатель, снабженном узлом диагностики и дополнительным каналом цепи управления второго тиристора, включенного встречно-параллельно с первым тиристором, которые совместно образуют двунаправленный тиристорный ключ, а дополнительный канал цепи управления второго тиристора выполнен в виде блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом, выпрямительного блока, первого, второго и третьего узлов контроля тока, при этом выход источника питания соединен с входом первого узла контроля тока, входом второго узла контроля тока, с соответствующим входом узла диагностики, а первый выход первого узла контроля тока соединен с соответствующим дополнительным входом узла логики, а его второй выход соединен с дополнительным входом усилителя, а первый выход второго узла контроля тока соединен с соответствующим дополнительным входом узла логики, а его второй выход соединен с первым входом блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом, а второй вход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом соединен с выходом оптоприемника, при этом выход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом соединен с входом выпрямительного блока, выходы которого соединены соответственно с управляющим электродом и катодом второго тиристора, а вход третьего узла контроля тока соединен с выходом внешнего трансформаторного датчика тока, последовательно соединенного с двунаправленным тиристорным ключом, а его выход подключен к соответствующему дополнительному входу узла логики и второму входу узла диагностики, при этом первый вход узла диагностики соединен с выходом узла логики, а его третий вход соединен с выходом узла контроля напряжения на тиристоре, четвертый вход с выходом оптоприемника, а пятый вход с выходом источника питания, при этом выход узла диагностики соединен с входом оптоизлучателя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана функциональная схема драйвера тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей, на фиг.2 - пример временной диаграммы формирования последовательности импульсов на выходе узла диагностики.
Драйвер тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей содержит: источник питания 1, выход которого соединен с входом узла контроля напряжения питания драйвера 2, с входами первого узла 3 и второго узла 4 контроля тока, усилитель 5, первый вход которого соединен с выходом оптоприемника 6, дополнительный второй вход усилителя 5 соединен со вторым выходом первого узла 3 контроля тока, при этом первый выход усилителя 5 соединен с управляющим электродом первого тиристора 7, а второй его выход с катодом первого тиристора 7, блок высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8, первый вход которого соединен со вторым выходом второго узла 4 контроля тока, а второй вход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8 соединен с выходом оптоприемника 6, при этом выход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8 соединен с входом выпрямительного блока 9, при этом первый выход выпрямительного блока 9 соединен с управляющим электродом второго тиристора 10, а второй выход выпрямительного блока 9 соединен с катодом второго тиристора 10, узел логики 11, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выходами узла контроля напряжения питания драйвера 2 соответственно, дополнительный третий вход узла логики 11 соединен с первым выходом первого узла контроля тока 3, дополнительный четвертый вход узла логики 11 соединен с первым выходом второго узла 4 контроля тока, пятый вход узла логики 11 соединен с выходом оптоприемника 6, шестой вход узла логики 11 соединен с выходом узла контроля напряжения на тиристоре 12, вход которого соединен с выходом внешнего резистивного делителя 13, дополнительный седьмой вход узла логики 11 соединен с выходом третьего узла контроля тока 14, вход которого соединен с выходом внешнего трансформаторного датчика тока 15, при этом восьмой вход узла логики 11 соединен с выходом узла термозащиты 16, вход которого соединен с внешним термодатчиком 17, а первый, второй, третий, четвертый выходы узла логики 11 соединены с первым, вторым, третьим, четвертым входами светодиодных излучателей 18, при этом пятый выход узла логики 11 с первым входом узла диагностики 19. При этом узел логики 11 содержит первый R-S триггер 11.1 и второй R-S триггер 11.2, входы R, которых соединены с первым входом узла логики 11, вход S первого R-S триггера 11.1 соединен с восьмым входом узла логики 11, вход S второго R-S триггера 11.2 соединен с дополнительным седьмым входом узла логики 11, а выходы Q первого и второго R-S триггеров 11.1, 11.2 соединены с первым и вторым выходам узла логики 11 соотвественно, а дополнительные третий и четвертый входы узла логики 11 соединены к двум входам логического элемента 3И 11.3, третий вход которого соединен с выходом логического элемента НЕ 11.4, вход которого соединен с пятым входом узла логики 11, а выход логического элемента 3И 11.3 соединен с входом элемента временной задержки 11.5, выход которого соединен с одним из входов логического элемента 2И 11.6, другой вход которого соединен с шестым входом узла логики 11, а выход логического элемента 2И 11.6, соединен с одним из входов логического элемента 4И-НЕ 11.7, а три других его входа соединены со вторым, дополнительным седьмым и восьмым входами узла логики 11, выход логического элемента 4И-НЕ 11.7 соединен с одним из входов логического элемента 2ИЛИ-НЕ 11.8, другой вход которого соединен с пятым входом узла логики 11, выход логического элемента 2ИЛИ-НЕ 11.8 соединен с пятым выходом узла логики 11. Узел диагностики 19, второй вход которого соединен с выходом третьего узла контроля тока 14, третий вход узла диагностики 19 соединен с выходом узла контроля напряжения на тиристоре 12, четвертый вход узла диагностики 19 соединен с выходом оптоприемника 6, пятый вход узла диагностики 19 соединен с выходом источника питания 1, при этом выход узла диагностики 19 соединен с входом оптоизлучателя 20. Блок высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8, выпрямительный блок 9, первый узел контроля тока 3, второй узел контроля тока 4 и третий узел контроля тока 14 образуют дополнительный канал цепи управления вторым тиристором 10. Второй тиристор 10 включен встречно-параллельно с первым тиристором 7, и совместно образуют двунаправленный тиристорный ключ.
Драйвер тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей работает следующим образом.
Оптический сигнал управления поступает на вход оптоприемника 6, на выходе которого в течение длительности оптического сигнала управления присутствует уровень логического нуля. Сигнал с выхода оптоприемника 6 поступает на первый вход усилителя 5, на второй вход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8, на пятый вход узла логики 11, на четвертый вход узла диагностики 19. Логический ноль с выхода оптоприемника 6 разрешает работу усилителя 5 и блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8. При этом усилитель 5 формирует импульс тока управления первым тиристором 7, а блок высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8 формирует гальванически развязанный переменный токовый сигнал, поступающий на вход выпрямительного блока 9, который преобразует переменный токовый сигнал в постоянный и, тем самым, формируется импульс тока управления вторым тиристором 10.
Для обнаружения нарушения работы драйвера или возникновения аварийной ситуации во время проводящего состояния тиристорного ключа, т.е. при наличии оптического сигнала управления, осуществляется контроль за напряжением питания драйвера, контроль за температурой нагрева тиристорного ключа, контроль напряжения на тиристорном ключе, контроль тока тиристорного ключа, контроль тока в каналах питания цепи управления первым и вторым тиристором.
При возникновении аварийных ситуаций во время непроводящего состояния тиристорного ключа, т.е. при отсутствии оптического сигнала управления осуществляется контроль напряжения на тиристорном ключе и контроль тока тиристорного ключа.
Узел контроля напряжения питания драйвера 2 обеспечивает контроль за напряжением питания драйвера. При нормальном напряжении питания драйвера на втором выходе узла контроля напряжения питания драйвера 2 появляется уровень логической единицы, который поступает на второй вход узла логики 11, что приводит к формированию на четвертом выходе узла логики 11 уровня логической единицы, поступающий на четвертый вход светодиодных излучателей 18, чем обеспечивается включение светодиодный индикатор «Питание».
Узел термозащиты 16 осуществляет контроль за температурой нагрева тиристорного ключа. В случае нормальной температуры тиристорного ключа на выходе узла термозащиты 16 появляется уровень логической единицы. В случае нагрева тиристорного ключа выше допустимого значения на выходе узла термозащиты 16 появляется уровень логического нуля, который приводит к формированию на первом выходе узла логики 11 уровня логической единицы, который поступает на первый вход светодиодных излучателей 18, чем обеспечивается включение светодиодного индикатора «Перегрев».
Узел контроля напряжения на тиристоре 12 осуществляет контроль напряжения на тиристорном ключе, На вход которого поступает сигнал с внешнего резистивного делителя 13, присоединенного параллельно тиристорному ключу. В случае отсутствия напряжения на тиристорном ключе на выходе узла контроля напряжения на тиристоре 12, который соединен с шестым входом узла логики 11 и с третьим входом узла диагностики 19 появляется уровень логической единицы. В случае наличия высокого напряжения на тиристорном ключе на выходе узла контроля напряжения на тиристоре 12 появляется уровень логического нуля
При нормальной работе тиристорного ключа при поступлении оптического сигнала управления напряжение на тиристорном ключе должно отсутствовать. В случае наличия высокого напряжения на тиристорном ключе при поступлении оптического сигнала управления (по причине выхода тиристорного ключа в состояние обрыва или других неисправностей) на выходе узла контроля напряжения на тиристоре 12 появляется уровень логического нуля, который приводит к формированию на третьем выходе узла логики 11 уровня логической единицы, который поступает на третий вход светодиодных излучателей 18, чем обеспечивается включение светодиодного индикатора «U тир».
Третий узел контроля тока 14 осуществляет контроль тока тиристорного ключа, на вход которого поступает сигнал с внешнего трансформаторного датчика тока 15. При протекании тока через тиристорный ключ ниже допустимого значения на выходе третьего узла контроля тока 14 появляется уровень логической единицы. В случае превышения допустимого значения тока через тиристорный ключ (по причине перегрузки по току или короткого замыкания) при поступлении оптического сигнала управления на выходе третьего узла контроля тока 14 появляется уровень логического нуля, который приводит к формированию на втором выходе узла логики 11 уровня логической единицы, который поступает на второй вход светодиодных излучателей 18, чем обеспечивается включение светодиодного индикатора «I кз».
Первый узел контроля тока 3 осуществляет контроль тока в канале питания цепи управления первым тиристором 7. В момент поступления оптического сигнала управления начинает протекать ток в канале питания цепи управления первым тиристором 7 с выхода источника питания 1 через вход первого узла контроля тока 3 и далее со второго выхода первого узла контроля тока 3 на дополнительный второй вход усилителя 5. В случае допустимого значения тока в канале питания цепи управления первым тиристором 7 на первом выходе первого узла контроля тока 3, который соединен с дополнительным третьим входом узла логики 11 появляется уровень логической единицы. В случае отсутствия тока в канале питания цепи управления первым тиристором 7 (по причине обрыва цепи управления тиристором или других неисправностей) на первом выходе первого узла контроля тока 3 появляется уровень логического нуля.
Второй узел контроля тока 4 осуществляет контроль тока в канале питания цепи управления вторым тиристором 10. В момент поступления оптического сигнала управления начинает протекать ток в канале питания цепи управления вторым тиристором 10 с выхода источника питания 1 через вход второго узла контроля тока 4 и далее со второго выхода второго узла контроля тока 4 на первый вход блока высокочастотного преобразователя с трансформаторным выходом 8. В случае допустимого значения тока в канале питания цепи управления вторым тиристором 10 на первом выходе второго узла контроля тока 4, появляется уровень логической единицы. В случае отсутствия тока в канале питания цепи управления вторым тиристором (по причине обрыва цепи управления тиристором или других неисправностей) на первом выходе второго узла контроля тока 4 появляется уровень логического нуля.
При нормальной работе драйвера и тиристорного ключа во время наличия оптического сигнала управления на втором, дополнительном третьем, дополнительном четвертом, шестом, дополнительном седьмом, восьмом входах узла логики 11 присутствует уровень логической единицы и на пятом выходе узла логики 11 появляется также уровень логической единицы, который поступает на первый вход узла диагностики 19.
В случае нарушения работы драйвера или возникновения аварийных событий при работе тиристорного ключа (наличие оптического импульса управления) на пятом выходе узла логики 11 появляется уровень логического нуля, который который поступает на первый вход узла диагностики 19.
Светодиодные излучатели 18, а именно светодиодный индикаторы «I кз» и светодиодный индикатор «Перегрев», включаются RS-тригтерами в узле логики 11 при превышении тока тиристорного ключа выше допустимого значения и при перегреве тиристорного ключа соответственно. Для сброса триггеров в исходное состояние после срабатывания защиты необходимо отключить и включить питание драйвера. В момент после появления питания драйвера узел контроля напряжения питания драйвера 2 формирует импульс на первом выходе, устанавливающий RS-триггеры в узле логики 11 в исходное состояние.
Узел диагностики 19 преобразует все входные сигналы в периодическую последовательность импульсов, которые с выхода узла диагностики 19 поступает на вход оптоизлучителя 20, на выходе которого формируется периодический импульсный оптический сигнал диагностики, передаваемый по оптокабелю во внешнюю систему управления преобразователем. Внешняя система управления при этом непрерывно получает оптические импульсы диагностики и тем самым отслеживает состояние тиристорного ключа во включенном и выключенном его режимах работы.
В случае нормального состояния тиристорного ключа на выходе узла диагностики 19 формируется последовательность импульсов с коэффициентом заполнения 0.7, в случае аварийного состояния на выходе узла диагностики 19 формируется последовательность импульсов с коэффициентом заполнения 0.3. На фиг.2 представлен пример временной диаграммы формирования последовательности импульсов на выходе узла диагностики 19 в нормальном и аварийном состоянии тиристорного ключа. В таблице 1 представлены состояния тиристорного ключа в зависимости от комбинации логических сигналов на входах узла диагностики.
Использование драйвера тиристорного ключа для высоковольтных преобразователей расширяет его функциональные возможности за счет реализации управления двунаправленным тиристорным ключом, контроля тока, протекающего через него и непрерывной диагностики состояния тиристорного ключа, тем самым повышая надежность управления.