Устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для бесконтактного дистанционного непрерывного контроля (мониторинга) технического состояния полупроводниковых элементов однофазных и многофазных мостовых выпрямителей, содержащих понижающие трансформаторы. При работе устройства производится анализ информационного содержания сигнала датчика напряженности магнитного поля, размещенного вблизи трансформатора выпрямителя, при этом в качестве информационного параметра используется амплитуда спектральной составляющей сигнала датчика, кратной 2 ( - частота питающей сети). Факт появления в сигнале датчика этой спектральной составляющей будет свидетельствовать о неисправности полупроводниковых элементов в мостовой схеме выпрямления, а величина ее амплитуды позволит однозначно определить тип неисправности - «пробой» или «обрыв» диодов.

Предлагаемая полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для бесконтактного дистанционного непрерывного контроля (мониторинга) технического состояния полупроводниковых элементов однофазных и многофазных мостовых выпрямителей, содержащих понижающие трансформаторы.

Известно устройство для контроля полупроводниковых приборов, входящих в состав выпрямителя, подключаемое к контролируемому полупроводниковому прибору с помощью щупов, которое производит контроль исправности прибора (определение 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, наиболее близкое к совокупности существенных признаков полезной модели, реализующее способ экспресс-диагностики выпрямительных элементов блоков питания. [А.Г.Сукиязов, Б.Н.Просянников Способ экспресс-диагностики выпрямительных элементов блоков питания. А.с. №1718159, 1989 г.]. Устройство содержит датчик напряженности магнитного поля, размещенный вблизи трансформатора блока питания, подключенный к группе полосовых фильтров и схеме логической обработки сигналов. Принцип действия устройства заключается в том, что из сигнала датчика

магнитного поля, пропорционального напряженности внешнего магнитного поля трансформатора блока питания, с помощью узкополосных фильтров, настроенных на частоты , 2 и 3 ( - частота питающего напряжения), выделяется информативный параметр в виде спектра амплитуд соответствующих частот, после чего осуществляется сравнение полученных величин с эталонными (опорными) сигналами. После этого в логическом блоке в зависимости от комбинаций соотношений амплитуд указанных сигналов реализуется один из вариантов выходного сигнала, касающихся исправности выпрямительных элементов.

Устройство, определенное в качестве прототипа, содержит большое количество элементов и функциональных связей, что снижает надежностные характеристики его работы.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое устройство, заключается в повышении надежности работы устройства за счет уменьшения количества входящих в его состав элементов, сокращения числа функциональных связей и упрощения алгоритма работы. Технические результаты выражаются в повышении надежности работы устройства, упрощении алгоритма работы и повышении достоверности результатов контроля.

Указанные технические результаты достигаются тем, что устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей (фиг.1) включает датчик (Д) напряженности измеряемого внешнего магнитного поля трансформаторов, входящих в состав выпрямителей, выход которого подключен к усилителю (У), выход которого подключен к узкополосному фильтру (Ф), настроенному на частоту 2 ( - частота питающего напряжения), выход которого подключен к первому компаратору (К1) и второму компаратору (К2), переключение выходных напряжений (срабатывание) которых происходит при различных значениях входных напряжений, причем U_вх.К2 >U_вх.К1, выход компаратора К1 подключен ко входам логических схем 2И-НЕ и 2И, а выход компаратора К2

подключен ко второму входу логической схемы 2И-НЕ, выход которой подключен ко второму входу логической схемы 2И. Выход логической схемы 2И подключен к первому индикатору (Инд.1), а выход компаратора К2 - ко второму индикатору (Инд.2).

Принцип действия предлагаемой полезной модели - устройства бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей - заключается в следующем. В процессе работы трансформатора полупроводникового выпрямителя под действием магнитного поля тока первичной обмотки происходит периодическое перемагничивание его магнитной системы, доменная структура которой весьма чувствительна к режиму работы трансформатора, в особенности к наличию постоянного магнитного поля, подмагничивающего магнитную систему. Ток нагрузки, протекающий во вторичной обмотке трансформатора через выпрямительную мостовую схему и нагрузку, также создает магнитный поток в магнитной системе трансформатора и дает свой вклад в его внешнее магнитное поле.

Если все полупроводниковые элементы в мостовой схеме выпрямителя исправны, то ток во вторичной обмотке трансформатора имеет равную величину для обоих полупериодов питающего напряжения, в результате постоянная составляющая тока через вторичную обмотку будет равна нулю. Вследствие симметричной формы петли гистерезиса в этом случае несинусоидальная кривая магнитного потока будет симметрична относительно оси абсцисс и, следовательно, не будет содержать четных гармоник. Таким образом, в спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности магнитного поля будут присутствовать сигналы только нечетных спектральных составляющих, кратных основной частоте (3, 5, 7...).

На фиг.2 изображены осциллограммы сигнала датчика напряженности магнитного поля (кривая 1), тока нагрузки (кривая 2), а также результаты

спектрального разложения сигнала датчика напряженности магнитного поля применительно к однофазному мостовому выпрямителю.

Если один из диодов выходит из строя, например, имеет неисправность типа "обрыв" (фиг.2б), то ток во вторичной обмотке имеет существенную величину только для одного полупериода; появляющаяся в результате постоянная составляющая тока нагрузки приводит к дополнительному намагничиванию магнитной системы трансформатора. В результате резко возрастает амплитуда внешнего магнитного поля, изменяется его форма и нарушается симметрия кривой выходного сигнала датчика относительно оси абсцисс. В спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности магнитного поля дополнительно появляются сигналы четных спектральных составляющих, кратных основной частоте (2, 4, 6...), причем на частоте 2 амплитуда спектральной составляющей будет наиболее существенной.

Если же диод имеет неисправность типа "пробой" (рис.2в), то в схеме выпрямления реализуется ситуация однополупериодного короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора, что приводит к еще более резкому искажению внешнего магнитного поля, создаваемого обеими обмотками, при этом форма сигнала датчика напряженности магнитного поля отличается от формы сигнала в ситуации с "обрывом" диода, а амплитуды четных спектральных составляющих и, прежде всего, на частоте 2 резко возрастут.

Аналогичные физические процессы будут происходить в трехфазном мостовом полупроводниковом выпрямителе.

В результате факт появления четных спектральных составляющих в спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности внешнего магнитного поля трансформатора будет однозначным свидетельством факта появления неисправности полупроводниковых элементов в однофазных и трехфазных мостовых выпрямителях, содержащих понижающие трансформаторы, а их амплитуды (особенно на частоте 2) будут различными для технических ситуаций "обрыв" и "пробой" диода.

В связи с тем, что измерение параметров внешнего магнитного поля трансформаторов осуществляется бесконтактно и дистанционно (т.е. вмешательства в процесс функционирования выпрямителей не происходит), то контроль технического состояния полупроводниковых элементов однофазных и многофазных мостовых выпрямителей можно организовать с любой периодичностью, в том числе и непрерывно, т.е. речь в данном случае идет именно о мониторинге полупроводниковых элементов выпрямителей.

Таким образом, устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей работает следующим образом. Датчик магнитного поля, установленный вблизи трансформатора выпрямителя, формирует сигнал, пропорциональный напряженности внешнего магнитного поля трансформатора. В том случае, если полупроводниковые элементы 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 2.

При возникновении неисправности типа "обрыв" диода сигнал четной спектральной составляющей с частотой 2, проходит через фильтр и поступает на входы компараторов К1 и К2, настроенных на срабатывание при различных напряжениях входного сигнала, причем U_вx.K2>U _вх.К1. Компаратор К1 срабатывает. С его выхода поступает сигнал на первый вход (А) логический схемы 2И-НЕ, таблица состояний которой представлена на фиг.3а и на первый вход (А) логической схемы 2И, таблица состояний которой представлена на фиг.3б.

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 вызовет срабатывание первого индикатора (Инд.1), фиксирующего появление неисправности типа «обрыв» диода.

При возникновении неисправности типа "пробой" диода вследствие резкого возрастания амплитуды сигнала четной спектральной составляющей с частотой, кратной 2, 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 происходит срабатывание индикатора (Инд.2), фиксирующего появление неисправности типа «пробой» диода. 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, следовательно, первый индикатор (Инд.1) в этой ситуации не сработает.

Предлагаемая полезная модель обладает существенным положительным эффектом, заключающимся в повышении надежности работы устройства за счет уменьшения количества входящих в его состав элементов, сокращения числа функциональных связей между ними, упрощения алгоритма работы устройства и повышения достоверности результатов мониторинга.

Устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей, включающее размещенный вблизи трансформатора выпрямителя датчик напряженности магнитного поля, усилитель сигнала датчика и полосовой фильтр, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности работы устройства за счет упрощения структуры и алгоритма работы сигнал с выхода полосового фильтра, настроенного на частоту 2, где - частота питающего напряжения, подается на входы двух компараторов, имеющих различные уровни срабатывания, к выходу компаратора, имеющего меньший уровень срабатывания, подключены входы логических схем 2И-НЕ и 2И, ко второму входу логической схемы 2И-НЕ подключен выход компаратора с большим уровнем срабатывания, который подключен также ко второму индикатору, а выход логической схемы 2И-НЕ подключен ко второму входу логической схемы 2И, выход которой подключен к первому индикатору.