устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя

Формула изобретения

1. Устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя, содержащее последовательно включенные силовые ключи высоковольтного вентиля, токоограничивающие резисторы по числу силовых ключей, оптопередатчик, соединенный оптоволокном с оптоприемником, выход которого соединен с входом устройства управления и защиты преобразователя, отличающееся тем, что введены блок резисторов, блок измерения сигналов, силовые ключи высоковольтного вентиля разделены на две части, образующие среднюю точку, соединенную с общей шиной питания блока измерения сигналов, причем с одной стороны от средней точки токоограничивающие резисторы соединены с первыми выводами силовых ключей высоковольтного вентиля, а с другой - с их вторыми выводами, первые выводы каждого из резисторов блока резисторов подключены к общей шине питания блока измерения сигналов, а их вторые выводы соединены соответственно со вторыми выводами токоограничивающих резисторов и входами блока измерения сигналов, выходы которого соединены с входами оптопередатчика.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что силовые ключи высоковольтного вентиля разделены, по крайней мере, на равные части или на неравные части.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит датчик температуры.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что датчик температуры подключен к общей шине питания и входу блока измерения сигналов.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что корпус датчика температуры и корпус силового ключа образуют тепловой контакт.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что токоограничивающие резисторы выполнены, по крайней мере, высокоомными.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам контроля и защиты преобразователей, и может быть использовано для контроля состояния силовых ключей в высоковольтных преобразователях с напряжением 3-15 кВ, предназначенных, например, для запуска электродвигателей.

Указанные преобразователи содержат высоковольтные вентили с последовательно соединенными полупроводниковыми силовыми ключами.

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, принятым за прототип предлагаемого изобретения, является устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного 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.

Устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя содержит последовательно включенные силовые ключи 1 высоковольтного вентильного преобразователя, блоки контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентильного преобразователя 12 по числу силовых ключей, оптоприемники 7 по числу силовых ключей, соединенные с входами устройства управления и защиты преобразователя 8, каждый из блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентильного преобразователя 12 содержит выпрямитель 10, подключенный входами через токоограничивающий резистор 2 параллельно силовому ключу высоковольтного вентильного преобразователя 1, стабилизатор тока 11 и оптопередатчик 5, соединенные между собой последовательно и подключенные крайними выводами к выходам выпрямителя 10. Выходы оптопередатчиков 5 соединены с входами оптоприемников 7 оптоволокном 6.

Состояние силовых ключей других высоковольтных вентилей в устройстве плавного пуска контролируется аналогичными устройствами контроля силовых ключей.

Устройство УБПВД-ВМ работает при напряжении питающей сети 6 или 10 кВ. В процессе работы напряжение на силовом ключе изменяется от нуля до примерно 2,5 кВ, что существенно изменяет ток через токоограничивающий резистор. В прототипе ток оптопередатчика ограничен с помощью стабилизатора тока, что повышает ресурс работы оптопередатчика.

Недостатками данного устройства являются:

- большая потребляемая мощность. Это связано с тем, что оптопередатчики работают в непрерывном режиме и на токоограничивающих резисторах выделяются большие потери мощности (используются резисторы мощностью 100 Вт). Причем величина тока через резисторы определяется номинальным током оптопередатчика;

- сложность конструкции и высокая стоимость устройства, обусловленные использованием значительного количества выпрямителей, стабилизаторов тока, дорогостоящих оптоприемников, оптопередатчиков и оптоволокна для передачи сигналов от блоков контроля состояния силовых ключей высоковольтного вентиля к устройству управления и защиты;

- ограниченные функциональные возможности: не обладает возможностью контроля нагрева ключей.

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 ключей высоковольтного вентильного преобразователя, содержащее последовательно включенные силовые ключи высоковольтного вентиля, токоограничивающие резисторы по числу силовых ключей, оптопередатчик, соединенный оптоволокном с оптоприемником, выход которого соединен с входом устройства управления и защиты преобразователя, введены блок резисторов, блок измерения сигналов, силовые ключи высоковольтного вентиля разделены на две части, образующие среднюю точку, соединенную с общей шиной питания блока измерения сигналов, причем с одной стороны от средней точки токоограничивающие резисторы соединены с первыми выводами силовых ключей высоковольтного вентиля, а с другой - с их вторыми выводами, первые выводы каждого из резисторов блока резисторов подключены к общей шине питания блока измерения сигналов, а их вторые выводы соединены соответственно со вторыми выводами токоограничивающих резисторов и входами блока измерения сигналов, выходы которого соединены с входами оптопередатчика. Силовые ключи высоковольтного вентиля разделены, по крайней мере, на две равные или на неравные части. Устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя содержит датчик температуры, подключенный к общей шине питания и входу блока измерения сигналов, причем корпус датчика температуры и корпус силового ключа образуют тепловой контакт. Токоограничивающие резисторы выполнены, по крайней мере, высокоомными.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что благодаря введению в устройство блока измерения сигналов и блока резисторов и их оригинальному соединению с токоограничивающими резисторами обеспечивается уменьшение потерь мощности за счет появления возможности применения в устройстве токоограничивающих резисторов с повышенным сопротивлением и меньшей мощности (примерно в 7-10 раз по сравнению с прототипом), упрощение конструкции и сокращение стоимости устройства за счет сокращения числа элементов в устройстве (оптоприемников и оптопередатчиков). Наличие в устройстве датчика температуры расширило функциональные возможности устройства, а именно позволило обеспечить контроль температуры силовых ключей и возможность определения величины потерь мощности в силовых ключах за время пуска электродвигателя, а также время остывания ключей, и дало возможность прогнозировать количество пусков группы электродвигателей от одного тиристорного устройства плавного пуска и необходимое время до очередного пуска.

Наличие этих существенных признаков и оригинальная схема соединения позволили простыми средствами осуществить контроль состояния силовых ключей преобразователя, упростить конструкцию устройства, уменьшить потребляемую мощность, снизить стоимость и расширить функциональные возможности устройства.

На фиг.2 представлена принципиальная схема устройства для контроля состояния ключей одного высоковольтного вентиля преобразователя, где приняты обозначения:

1 - силовые ключи высоковольтного вентиля;

2 - токоограничивающие резисторы;

3 - блок резисторов;

4 - блок измерения сигналов;

5 - оптопередатчик;

6 - оптоволокно;

7 - оптоприемник;

8 - устройство управления и защиты преобразователя;

9 - датчик температуры.

Устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя содержит силовые ключи высоковольтного вентиля 1; токоограничивающие резисторы 2; блок резисторов 3; блок измерения сигналов 4; оптопередатчик 5; оптоволокно 6; оптоприемник 7; устройство управления и защиты преобразователя 8; датчик температуры 9.

В устройстве для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя силовые ключи высоковольтного вентиля 1 последовательно включенные токоограничивающие резисторы 2 - по числу силовых ключей высоковольтного вентиля 1 и выполнены, по крайней мере, высокоомными, оптопередатчик 5, соединенный оптоволокном 6 с оптоприемником 7, выход которого соединен с входом устройства управления и защиты преобразователя 8. Силовые ключи высоковольтного вентиля 1 разделены на две части, по крайней мере, равные или неравные, образующие среднюю точку, соединенную с общей шиной питания блока измерения сигналов 4, причем с одной стороны от средней точки токоограничивающие резисторы 2 соединены с первыми выводами силовых ключей высоковольтного вентиля 1, а с другой - с их вторыми выводами, первые выводы каждого из резисторов блока резисторов 3 подключены к общей шине питания блока измерения сигналов 4, а их вторые выводы соединены соответственно со вторыми выводами токоограничивающих резисторов 2 и входами блока измерения сигналов 4, выходы которого соединены с входами оптопередатчика 5. Датчик температуры 9 расположен между общей шиной питания и входом блока измерения сигналов 4. Корпус датчика температуры 9 и корпус силового ключа высоковольтного вентиля 1, соединенного со средней точкой высоковольтного вентиля, образуют тепловой контакт.

Устройство работает следующим образом.

Силовые ключи высоковольтного вентиля 1 закрыты и на них присутствует переменное напряжение, которое поступает на входы блока измерения сигналов 4 через токоограничивающие резисторы 2, где оно ограничивается резисторами блока резисторов 3, образующими с токоограничивающими резисторами 2 так называемые делители напряжения. При «пробитом» силовом ключе высоковольтного вентиля напряжение равно нулю. При исправном силовом ключе высоковольтного вентиля величина напряжения отлична от нуля. Блок измерения сигналов 4 измеряет величину напряжения на силовых ключах высоковольтного вентиля 1, соединенных со средней точкой высоковольтного вентиля непосредственно. Величину напряжения на остальных силовых ключах высоковольтного вентиля 1 блок измерения сигналов 4 определяет через разность напряжений между соседними делителями напряжения. Корпус датчика температуры 9 с корпусом одного из силовых ключей высоковольтного вентиля 1, соединенных со средней точкой высоковольтного вентиля, создает тепловой контакт, поэтому его сопротивление и падение напряжения на датчике температуры 9 изменяются в зависимости от температуры силового ключа высоковольтного вентиля 1. Сигнал в виде кода поступает с выхода блока измерения сигналов 4 через оптопередатчик 5, оптоволокно 6 и оптоприемник 7 на вход устройства управления и защиты преобразователя 8. Устройство управления и защиты преобразователя 8 сообщает в систему управления преобразователя, что все силовые ключи высоковольтного вентиля 1 исправны и разрешается работа преобразователя. В случае обнаружения поврежденного силового ключа высоковольтного вентиля, блок измерения сигналов 4 сообщает его номер, а устройство управления и защиты преобразователя 8 в зависимости от количества поврежденных силовых ключей высоковольтного вентиля разрешает или запрещает работу преобразователю. Питание блока измерения сигналов 4 и оптопередатчика 5 осуществляется от цепи высоковольтного вентиля.

Контроль состояния силовых ключей высоковольтного вентиля преобразователя выполняется в определенных условиях: до и после работы преобразователя, когда напряжение подано, но силовые ключи высоковольтного вентиля выключены (либо во время работы преобразователя в моменты выключенного состояния силового ключа). Во время работы преобразователя силовые ключи высоковольтного вентиля находятся в открытом состоянии, поэтому режим контроля их исправности и измерение их нагрева заявляемым устройством в этом случае блокируются.

В качестве силового ключа высоковольтного вентиля могут использоваться тиристоры, симисторы, IGCT, GTO и др. приборы.

Блок измерения сигналов может быть выполнен в виде микроконтроллера.

Предлагаемое техническое решение предназначено для устройства как с четным числом силовых ключей высоковольтного вентиля, так и нечетным.

При нечетном числе силовых ключей высоковольтного вентиля общая шина питания устройства подключена к смещенной средней точке, относительно которой в одну сторону четное число ключей, в другую - нечетное.

В сравнении с прототипом, введение в устройство для контроля состояния ключей высоковольтного вентильного преобразователя блока измерения сигналов и блока резисторов, образующих с токоограничивающими резисторами делители напряжения, дало возможность применить токоограничивающие резисторы, выполнив их высокоомными с повышенным сопротивлением и на меньшую мощность в 7-10 раз мощности, а также позволило уменьшить количество оптоприемников и оптопередатчиков, тем самым уменьшить стоимость устройства. Передача информации по одному оптоволокну позволила резко упростить приемную часть устройства управления и защиты преобразователя.

Контроль температуры силовых ключей позволяет повысить надежность и оптимизировать работу преобразователя, например определять величину потерь мощности в силовых ключах высоковольтного вентиля за время пуска электродвигателя, также время остывания ключей. Это делает возможным прогнозировать количество пусков группы электродвигателей от одного тиристорного устройства плавного пуска и необходимое время до очередного пуска. Это позволит повысить производительность на магистральных нефте- и газопроводах, на промышленных предприятиях, т.е. там, где используются устройства плавного пуска электродвигателей.

Проведены испытания заявляемого устройства, показавшие положительные результаты. Планируется внедрение предлагаемого технического решения в устройствах плавного пуска высоковольтных электродвигателей и в тиристорных устройствах автоматического ввода резерва.