УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ СИЛОВЫХ МОДУЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
DEVICE FOR CONTROLLING THERMAL CONDITIONS OF POWER MODULES OF CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контроля теплового состояния силовых модулей, входящих в состав преобразователей напряжения и частоты различного типа и назначения.
Известно устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя (патент RU 2417498, МПК H02H 7/10, 27.04.2011), содержащее последовательно включенные силовые ключи высоковольтного вентиля, токоограничивающие резисторы, оптопередатчик с оптоприемником, устройство управления и защиты преобразователя, дополнительный блок резисторов, блок измерения сигналов и датчик температуры, имеющий тепловой контакт с корпусом силового ключа и подключенный к входу блока измерения сигналов. Недостаток устройства заключается в том, что контролю теплового состояния подвергается только один силовой ключ, что не гарантирует от тепловой перегрузки других ключей ввиду разброса их характеристик.
Известно защитное устройство для последовательно соединенных IGBT транзисторов (патент CN 201708690, МПК H02H 7/10, H02M 1/32, 12.01.2011), содержащее последовательно соединенные IGBT транзисторы, каждый из которых расположен на отдельном радиаторе и снабжен датчиками напряжения между эмиттером и коллектором и между затвором и эмиттером и датчиком температуры, контактирующим с радиатором. Устройство включает в себя также датчик тока и блок обработки снимаемой с датчиков информации. Недостатком устройства является необходимость оценки теплового состояния каждого IGBT транзистора, что обуславливает большие аппаратные затраты, снижение быстродействия и надежности устройства.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство управления двигателем (патент US 6268986, МПК H02H 5/04, 31.07.2001), содержащее двигатель, полупроводниковый преобразователь мощности, запитанный от сети постоянного тока, и управляющий компьютерный блок. Преобразователь мощности включает в себя три силовых модуля, каждый из которых выполнен на двух IGBT транзисторах, двух обратных диодах и термочувствительном диоде, запитанном от источника постоянного тока и связанном через блок фиксации перегрева и блок защиты с затворами IGBT соответствующего силового модуля. Недостаток устройства заключается в необходимости придания каждому модулю своих блоков фиксации перегрева и защиты, а также в отсутствии информации о температуре наиболее нагретого модуля, достижении ею предупредительного и аварийного значений и о конкретном месте расположения (номере) перегретого модуля, сохраняющейся и после выключения преобразователя.
Предлагаемое устройство основано на автоматическом выделении сигнала датчика температуры от наиболее нагретого силового модуля, выведении его на индикатор температуры, сравнении с предупредительным и аварийным значениями и выдаче исполнительных команд на блок сигнализации или блок управления преобразователем. Кроме того, устройство обеспечивает определение номера наиболее нагретого модуля и сохранение этой информации после выключения преобразователя.
На чертеже представлена функциональная схема устройства контроля тепловых режимов силовых модулей преобразователя. Устройство содержит трехфазный преобразователь 1 напряжения, вход которого соединен с источником 2 постоянного напряжения, а выход - с нагрузкой 3. Преобразователь 1 выполнен на трех силовых модулях 4, 5, 6, на каждом из которых установлен датчик 7 температуры. Выходы блока 8 управления преобразователем 1 связаны с затворами IGBT транзисторов 9, 10 модулей 4, 5, 6. Устройство также снабжено блоком 11 выделения наибольшего напряжения, блоком 12 индикации номера одного из силовых модулей 4, 5, 6 с наибольшей температурой, индикатором 13 температуры, компараторами 14, 15 предупредительного и аварийного значений температуры и блоком 16 сигнализации. При этом датчики 7 модулей 4, 5, 6 подключены к входам блока 11, основной выход 17 которого связан с входами индикатора 13 и компараторов 14, 15, а дополнительные выходы 18, 19, 20 - с первыми тремя входами блока 12. Выход компаратора 14 подключен к блоку 16, а выход компаратора 15 - к входу блока 8 и к четвертому входу блока 12.
Блок 11 выполнен на трех операционных выпрямителях 21, входы которых подключены к входам блока 11. Выходы 22 выпрямленного напряжения выпрямителей 21 объединены и связаны с выходом 17 блока 11, а выходы 23 невыпрямленного напряжения подключены к выходам 18, 19, 20.
Блок 12 выполнен на транзисторных ключах 24, входы которых подключены к первым трем входам блока 12. Выходы ключей 24 через инверторы 25 связаны с входами S синхронных RS триггеров 26, к входам С которых подключен четвертый вход блока 12. При этом к коллекторам транзисторов 24 и к выходам триггеров 26 подсоединены светодиоды 27 и 28.
Устройство контроля тепловых режимов силовых модулей преобразователя работает следующим образом.
При включении преобразователя 1 и работе его на нагрузку 3 на модулях 4, 5, 6 выделяется тепловая энергия, приводящая к повышению их температуры. В зависимости от величины нагрузки 3, режима работы преобразователя 1, климатических условий окружающей среды и индивидуальных характеристик модулей 4, 5, 6 меняется степень их нагрева. На выходах датчиков 7 модулей 4, 5, 6 появляются постоянные напряжения, пропорциональные установившимся на них температурам. В блоке 11 на объединенных выходах 22 выпрямителей 21 выделяется наибольшее входное напряжение, например, от датчика 7 модуля 4. Это напряжение поступает на выход 17 блока 11. Одновременно с этим на выходе 23 нижнего по схеме выпрямителя 21 появляется положительное напряжение, а на выходах 23 других выпрямителей 21 - отрицательные напряжения, под действием которых в блоке 12 открывается нижний ключ 24 и закрываются верхние ключи 24. При этом загорается нижний светодиод 27, сигнализирующий о том, что наибольшая температура установилась на модуле 4. Кроме того, выходные сигналы ключей 24 через инверторы 25 поступают на входы S триггеров 26, подготавливая их к запоминанию номера модуля (4) с наибольшей температурой после защитного выключения преобразователя 1. Аналогично работает устройство и при поступлении наибольшего напряжения от датчика 7 модуля 5 или датчика 7 модуля 6. При этом загорается средний или верхний светодиод 27.
Напряжение с выхода 17 блока 11 поступает на индикатор 13, отображающий температуру наиболее нагретого модуля, и на входы компараторов 14, 15. Компаратор 14 настроен на предупредительное значение, а компаратор 15 - на аварийное значение температуры. При достижении температурой одного из наиболее нагретых модулей 4, 5, 6 предупредительного значения срабатывает компаратор 14, который, в свою очередь, включает блок 16, информирующий персонал о предаварийном состоянии преобразователя 1. При достижении температурой аварийного значения срабатывает компаратор 15, под действием которого блок 8 запирает транзисторы 9, 10 модулей 4, 5, 6, выключая тем самым преобразователь 1. Одновременно с этим сигнал от блока 15 поступает на четвертый вход блока 12, устанавливая триггер 26, соответствующий модулю с наибольшей температурой, в единичное состояние, при котором зажигается соответствующий светодиод 28, дублирующий гаснущий после остывания преобразователя 1 светодиод 27.
Таким образом, устройство при минимальном количестве дополнительных элементов осуществляет автоматический контроль теплового состояния наиболее нагруженного силового элемента. При этом обслуживающий персонал обеспечивается всей необходимой информацией как в процессе работы преобразователя, так и при его выключении.
Наиболее целесообразно использование устройства в мощных и высоковольтных преобразователях с большим числом модулей, соединенных параллельно и/или последовательно. В этом случае увеличивается лишь число каналов в блоках 11,12.
Устройство может быть реализовано на широко распространенной элементной базе и отличается низкой стоимостью, малыми габаритами и весом.