Высоковольтный вентильный модуль

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники.

Высоковольтный вентильный модуль содержит N последовательно включенных силовых блоков, каждый из которых содержит тиристор или пару включенных встречно-параллельно тиристоров, зашунтированных защитной RC-цепью и выравнивающим резистором, блок управления и защит, N устройств контроля тиристоров, содержащих пороговый элемент, включенный последовательно в защитную RC-цепь, и оптронный элемент, подключенный по цепи входа параллельно пороговому элементу, по цепи выхода - к блоку управления и защит, нагрузочный резистор, подключенный первым выводом к входу первого силового блока или к выходу последнего, а вторым - к цепи «Общий.

Полезная модель позволяет расширить функциональные возможности устройства и повысить его чувствительность.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники.

Известны высоковольтные вентильные модули для тиристорных устройств [1]. Указанные модули содержат N последовательно включенных тиристоров, каждый из которых зашунтирован защитной RC-цепью и выравнивающим резистором.

Недостатком известных устройств по [1] является отсутствие устройств контроля исправности последовательно соединенных тиристоров, поэтому при выходе из строя одного и более тиристоров происходит повышение напряжения на исправных тиристорах модуля и их лавинообразный «пробой». Надежность работы данных модулей обеспечивается соответствующей избыточностью по количеству последовательно соединенных тиристоров с соответствующим увеличением массогабаритных показателей и стоимости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является высоковольтный вентильный модуль [2], содержащий блок последовательно включенных тиристоров, блоки RC-цепей и выравнивающих резисторов, устройства контроля тиристоров, подключенные параллельно тиристорам, и устройство защиты (блок управления и защит). Устройства контроля состоят из последовательно включенных резистивного делителя напряжения, диодного моста, порогового и оптронного элементов. В случае появления аварийных перенапряжений на тиристорах (U_{ДЕЛИТЕЛЯ}U_{ПОРОГ.ЭЛЕМЕНТА}) оптронный элемент выдает аварийный сигнал в блок управления и защит, который отключает модуль от питающей сети.

В целом данное устройство выявляет неисправность тиристора типа замыкание цепи анод - катод.

Недостатками прототипа являются невозможность выявления неисправности тиристоров в составе устройства безударного плавного пуска высоковольтных двигателей (УБПВД) [3] после запуска и невысокая чувствительность при выявлении неисправного тиристора в модуле, состоящем из блока последовательно включенных тиристоров, блока RC-цепей и выравнивающих резисторов, устройств контроля тиристоров, подключенных параллельно тиристорам, и блока управления и защит, из-за наличия в составе каждого устройства контроля тиристоров резистивного делителя напряжения.

Технический результат заявляемого устройства - расширение функциональных возможностей устройства и повышение его чувствительности.

Технический результат достигается тем, что в высоковольтный вентильный модуль, содержащий N последовательно включенных силовых блоков, каждый из которых содержит тиристор или пару включенных встречно-параллельно тиристоров, зашунтированных защитной RC-цепью и выравнивающим резистором, блок управления и защит, а также N устройств контроля тиристоров, содержащих пороговый и оптронный элементы, дополнительно введен нагрузочный резистор, подключенный первым выводом к входу первого силового блока или к выходу последнего, а вторым - к цепи «Общий», пороговый элемент устройства контроля тиристоров включен последовательно в защитную RC-цепь, а оптронный элемент подключен по цепи входа параллельно пороговому элементу, по цепи выхода - к блоку управления и защит.

Отличной особенностью полезной модели является то, что расширение функциональных возможностей и повышение чувствительности устройства достигается за счет дополнительного введения нагрузочного резистора, подключенного первым выводом к входу первого силового блока или к выходу последнего, а вторым - к цепи «Общий», включения порогового элемента устройства контроля тиристоров последовательно в защитную RC-цепь и подключения оптронного элемента - по цепи входа параллельно пороговому элементу, по цепи выхода - к блоку управления и защит.

На фиг.1 приведена схема заявляемого высоковольтного вентильного модуля, где приняты следующие обозначения:

1 - силовой блок;

2 - тиристор или пара встречно включенных тиристоров;

3 - защитная RC-цепь;

4 - выравнивающий резистор;

5 - блок управления и защит;

6 - устройство контроля тиристоров;

7 - пороговый элемент (стабилитрон);

8 - оптронный элемент;

9 - нагрузочный резистор.

На фиг.2 приведена схема работы заявляемого устройства, где:

U₂ - напряжение на тиристоре 2 (силовом блоке 1);

i₃ - ток RC-цепи 3;

i₈ - ток во входной цепи оптронного элемента 8;

i_ср - ток срабатывания оптронного элемента 8;

U₈ - состояние выходной цепи оптронного элемента;

На фиг.3 представлена схема устройства плавного пуска группы двигателей [3], выполненная на базе заявляемых высоковольтных вентильных модулей (ВВМ), где приняты следующие обозначения:

QF1 - пусковой выключатель;

Q1.1..Q1.6 - рабочие выключатели;

K1.1..K1.6 - контакторы;

M1..М6 - двигатели переменного тока;

U_П - напряжение питающей сети 6 (10) кВ.

Высоковольтный вентильный модуль содержит N последовательно включенных силовых блоков 1, каждый из которых содержит тиристор или пару включенных встречно-параллельно тиристоров 2, зашунтированных защитной RC-цепью 3 и выравнивающим резистором 4; блок управления и защит 5, N устройств контроля тиристоров 6, содержащих пороговый элемент 7, включенный последовательно в защитную RC-цепь 3, и оптронный элемент 8, подключенный по цепи входа параллельно пороговому элементу 7, по цепи выхода - к блоку управления и защит 5; нагрузочный резистор 9, подключенный первым выводом к входу первого силового блока 1 или к выходу последнего силового блока N, а вторым - к цепи «Общий».

Работу заявляемого высоковольтного вентильного модуля рассмотрим на примере использования его в составе устройства плавного пуска высоковольтных электродвигателей [3], фиг.3. При включении пускового выключателя QF1 и контактора К1.1 к высоковольтным вентильным модулям ВВМ1ВВМ3 прикладывается напряжение питающей сети U_П =6(10) кВ. Защитные RC-цепи 3 с выравнивающими резисторами 4 обеспечивают равномерное деление напряжения питающей сети на тиристорах 2 высоковольтного вентильного модуля на уровне (см. фиг.2), не превышающем безопасных значений. Под воздействием напряжения U₂ по входной цепи устройства контроля тиристоров протекает переменный ток защитных RC-цепей i₃ . При положительной полуволне он протекает по входной цепи оптронного элемента 8 и через пороговый элемент 7, например, стабилитрон, а при отрицательной - только через пороговый элемент 7. В результате в выходной цепи оптронного элемента 8 устройств контроля тиристоров формируется выходной сигнал «Открыт» длительностью, равной полупериоду напряжения питающей сети, который подается на вход блока управления и защит 5 с частотой питающей сети. Наличие N сигналов «Открыт» на входах блока управления и защит является достоверной информацией об исправности всех тиристоров высоковольтного вентильного модуля. При выходе из строя тиристора, например 2, происходит шунтирование защитной RC-цепи 3 и входной цепи соответствующего устройства контроля тиристора 6. В результате на вход блока управления и защит 5 поступает (N-1) сигналов «Открыт» с выходов устройств контроля исправных тиристоров, что является информацией о неисправности тиристора. Следует заметить, что включение опорного и оптронного элементов последовательно в защитную RC-цепь и исключение резистивного делителя напряжения обеспечивает максимальную чувствительность устройств контроля исправности тиристоров.

Кроме того, выходные сигналы устройств контроля тиристоров выдаются с постоянным фазовым углом () по отношению к напряжению соответствующей фазы А (В, С) напряжения питающей сети. Соответственно по этим сигналам на этапе тестирования состояния устройства плавного пуска [3] может быть выполнена проверка правильности фазировки управляющих импульсов тиристоров.

Таким образом, заявляемое устройство в составе устройства плавного пуска высоковольтных двигателей [3] обеспечивает четкое тестирование исправности тиристоров и проверку правильности фазировки управляющих импульсов до пуска двигателя M1. Далее выполняется плавный запуск двигателя M1, с помощью высоковольтных тиристорных модулей с подачей на тиристоры управляющих импульсов. На завершающем этапе плавного пуска включается рабочий выключатель Q1.1, который подключает двигатель M1 напрямую к питающей сети, шунтируя при этом высоковольтные вентильные модули. Затем производится снятие управляющих импульсов с тиристоров, отключение пускового выключателя QF1. При этом к высоковольтному вентильному модулю прикладывается напряжение со стороны двигателя за счет дополнительно введенного нагрузочного резистора 9, подключенного к входу первого силового блока 1 или выходу последнего силового блока N. Протекающий в указанной цепи ток обеспечивает работоспособность устройств контроля тиристора 6 и, соответственно, тестирование исправности тиристоров после завершения плавного пуска, аналогично вышеуказанному. По окончании тестирования производится отключение контактора К1.1 и, соответственно, снятие напряжения с высоковольтных вентильных модулей.

При типовой чувствительности известных оптронных элементов I_СР=1·10^-3 [А] величина нагрузочного резистора должна быть не более ,

здесь К_З - коэффициент запаса.

Сопротивление защитной RC-цепи и выравнивающего резистора R4 не учитывается ввиду их малых значений (типовые Z_RC3 [кОм], R_B=20 [kOm])

Мощность потерь на нагрузочном резисторе не значительна и практически не влияет на КПД устройства плавного пуска высоковольтных двигателей мощностью от 1·10⁶ [Вт] до 12,5·10⁶ [Вт].

По сравнению с известными высоковольтными вентильными модулями [1, 2], применяемыми в составе устройств плавного пуска высоковольтных двигателей и обеспечивающих проверку исправности тиристоров только до пуска двигателя, заявляемый высоковольтный вентильный модуль обладает расширенными функциональными возможностями: выявляет неисправный тиристор(ы) до и после пуска за счет дополнительно введенного нагрузочного резистора, обладает возможностью проверки фазировки управляющих импульсов тиристоров с напряжением питающей сети 6(10) кВ, а также имеет повышенную чувствительность и, соответственно, незначительную мощность потерь.

Источники известности:

[1] Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Сахаров Ю.В. Силовые полупроводниковые приборы. Изд-во «Энергия», М., 1975 г.

[2] Патент РФ на полезную модель 31886 «Высоковольтный вентильный модуль» от 03.03.2003 г.

[3] Шамис М.А., Альтшуллер М.И. и др. Устройства плавного безударного пуска высоковольтных двигателей переменного тока. Журнал «Промышленная энергетика» 12, 2002 г. (с.31-32).

Высоковольтный вентильный модуль, содержащий N последовательно включенных силовых блоков, каждый из которых содержит тиристор или пару включенных встречно-параллельно тиристоров, зашунтированных защитной RC-цепью и выравнивающим резистором, блок управления и защит, а также N устройств контроля тиристоров, содержащих пороговый и оптронный элементы, отличающийся тем, что в него дополнительно введен нагрузочный резистор, подключенный первым выводом к входу первого силового блока или к выходу последнего, а вторым - к цепи «Общий», пороговый элемент устройства контроля тиристоров включен последовательно в защитную RC-цепь, а оптронный элемент подключен по цепи входа параллельно пороговому элементу, по цепи выхода - к блоку управления и защит.