RU101584U1 - HIGH VOLTAGE VENT MODULE - Google Patents

Abstract

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. A high-voltage valve module containing N series-connected power units, each of which contains a thyristor or a pair of on-parallel thyristors connected by a protective RC circuit and an equalizing resistor, a control and protection unit, as well as N thyristor control devices containing threshold and optocoupler elements , characterized in that an additional load resistor is connected to it, connected by the first output to the input of the first power unit or to the output of the last, and the second to the "General" circuit, threshold the element of the thyristor control device is connected in series to the protective RC circuit, and the optocoupler element is connected along the input circuit parallel to the threshold element, along the output circuit to the control and protection unit.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники.The utility model relates to electrical engineering, in particular, to the areas of automated electric drive and converter technology.

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.Known high-voltage valve modules for thyristor devices [1]. These modules contain N series-connected thyristors, each of which is shunted by a protective RC circuit and an equalizing resistor.

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.A disadvantage of the known devices according to [1] is the lack of devices for monitoring the health of serially connected thyristors, therefore, when one or more thyristors fails, the voltage increases on the healthy thyristors of the module and their avalanche-like “breakdown”. The reliability of these modules is ensured by the corresponding redundancy in the number of thyristors connected in series with a corresponding increase in weight and size indicators and cost.

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.The closest in technical essence to the claimed solution and taken as a prototype is a high-voltage gate module [2], containing a block of series-connected thyristors, blocks of RC circuits and leveling resistors, thyristor control devices connected in parallel to the thyristors, and a protection device (control and protection unit ) Control devices consist of a series-connected resistive voltage divider, a diode bridge, threshold and optocoupler elements. In the event of an emergency overvoltage on the thyristors (U _{DIVIDER ≥U} THRESHOLD _ELEMENT ), the optocoupler generates an alarm signal to the control and protection unit, which disconnects the module from the mains supply.

В целом данное устройство выявляет неисправность тиристора типа замыкание цепи анод - катод.In general, this device detects a malfunction of the thyristor type circuit short circuit anode - cathode.

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.The disadvantages of the prototype are the inability to detect a malfunction of the thyristors in the device shockless soft start of high voltage motors (UBPVD) [3] after starting and low sensitivity when detecting a faulty thyristor in a module consisting of a block of series-connected thyristors, a block of RC circuits and alignment resistors, monitoring devices thyristors connected in parallel to the thyristors, and the control and protection unit, due to the presence of a resistive divider in each thyristor control device I'm stress.

Технический результат заявляемого устройства - расширение функциональных возможностей устройства и повышение его чувствительности.The technical result of the claimed device is the expansion of the functionality of the device and increase its sensitivity.

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.The technical result is achieved by the fact that in a high-voltage valve module containing N series-connected power units, each of which contains a thyristor or a pair of on-parallel thyristors connected by a protective RC circuit and an alignment resistor, a control and protection unit, as well as N control devices thyristors containing threshold and optic elements, a load resistor is additionally introduced, connected by the first output to the input of the first power unit or to the output of the last, and the second to the circuit "О General ”, the threshold element of the thyristor control device is connected in series to the protective RC circuit, and the optocoupler element is connected along the input circuit parallel to the threshold element, along the output circuit to the control and protection unit.

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.An excellent feature of the utility model is that expanding the functionality and increasing the sensitivity of the device is achieved by additionally introducing a load resistor connected by the first output to the input of the first power unit or to the output of the last, and the second to the “General” circuit, switching on the threshold element of the control device thyristors in series into the protective RC circuit and connecting the optocoupler element - along the input circuit parallel to the threshold element, along the output circuit - to the control and protection unit.

На фиг.1 приведена схема заявляемого высоковольтного вентильного модуля, где приняты следующие обозначения:Figure 1 shows a diagram of the inventive high-voltage valve module, where the following notation:

1 - силовой блок;1 - power unit;

2 - тиристор или пара встречно включенных тиристоров;2 - thyristor or a pair of counterclockwise thyristors;

3 - защитная RC-цепь;3 - protective RC circuit;

4 - выравнивающий резистор;4 - leveling resistor;

5 - блок управления и защит;5 - control and protection unit;

6 - устройство контроля тиристоров;6 - thyristor control device;

7 - пороговый элемент (стабилитрон);7 - threshold element (zener diode);

8 - оптронный элемент;8 - optronic element;

9 - нагрузочный резистор.9 - load resistor.

На фиг.2 приведена схема работы заявляемого устройства, где:Figure 2 shows the scheme of operation of the claimed device, where:

U₂ - напряжение на тиристоре 2 (силовом блоке 1);U ₂ - voltage at thyristor 2 (power unit 1);

i₃ - ток RC-цепи 3;i ₃ is the current of the RC circuit 3;

i₈ - ток во входной цепи оптронного элемента 8;i ₈ is the current in the input circuit of the optocoupler element 8;

i_ср - ток срабатывания оптронного элемента 8;i _cf is the response current of the optocoupler element 8;

U₈ - состояние выходной цепи оптронного элемента;U ₈ is the state of the output circuit of the optocoupler element;

На фиг.3 представлена схема устройства плавного пуска группы двигателей [3], выполненная на базе заявляемых высоковольтных вентильных модулей (ВВМ), где приняты следующие обозначения:Figure 3 presents a diagram of a soft starter of a group of engines [3], made on the basis of the inventive high-voltage valve modules (VVM), where the following notation:

QF1 - пусковой выключатель;QF1 - starting switch;

Q1.1..Q1.6 - рабочие выключатели;Q1.1..Q1.6 - operating switches;

K1.1..K1.6 - контакторы;K1.1..K1.6 - contactors;

M1..М6 - двигатели переменного тока;M1..M6 - AC motors;

U_П - напряжение питающей сети 6 (10) кВ.U _P - voltage of the supply network 6 (10) kV.

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».The high-voltage valve module contains N series-connected power units 1, each of which contains a thyristor or a pair of thyristors 2 connected in parallel-parallel, shunted by a protective RC circuit 3 and an equalizing resistor 4; control and protection unit 5, N thyristor control devices 6 containing a threshold element 7 connected in series to the protective RC circuit 3, and an optocoupler 8 connected along the input circuit parallel to the threshold element 7, along the output circuit to the control and protection unit 5 ; load resistor 9, connected by the first output to the input of the first power block 1 or to the output of the last power block N, and the second to the circuit "General".

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 ВВМ1…ВВМ3 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.The operation of the inventive high-voltage valve module will consider the example of its use as part of the soft starter of high-voltage electric motors [3], Fig.3. When the starting switch QF1 and contactor K1.1 are turned on, the supply voltage U _П = 6 (10) kV is applied to the high-voltage valve modules VVM1 ... VVM3. Protective RC circuits 3 with equalizing resistors 4 ensure uniform distribution of the supply voltage on the thyristors 2 of the high-voltage valve module at (see figure 2), not exceeding the safe values. Under the influence of a voltage U ₂ to the input circuit thyristor control device an alternating current protective circuits RC-i _3. With a positive half-wave, it flows through the input circuit of the optocoupler element 8 and through the threshold element 7, for example, a zener diode, and with a negative one only through the threshold element 7. As a result, the output signal “Open” is generated in the output circuit of the optocoupler element 8 of the thyristor control devices, with a duration of equal half-cycle supply voltage, which is input to control unit 5 to protection and mains frequency. The presence of N signals “Open” at the inputs of the control and protection unit is reliable information about the health of all thyristors of the high-voltage valve module. When a thyristor fails, for example 2, the protective RC circuit 3 and the input circuit of the corresponding thyristor control device 6 are bypassed. As a result, the input of the control and protection unit 5 receives (N-1) “Open” signals from the outputs of the control thyristor control devices , which is the thyristor malfunction information. It should be noted that the inclusion of the reference and optocoupler elements in series in the protective RC circuit and the exclusion of the resistive voltage divider provides the maximum sensitivity of thyristor health monitoring devices.

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.In addition, the output signals of the thyristor control devices are issued with a constant phase angle ( ) with respect to the voltage of the corresponding phase A (B, C) of the supply voltage. Accordingly, these signals at the stage of testing the status of the soft starter [3] can be checked for the correct phasing of the control pulses of the thyristors.

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.Thus, the inventive device as part of a soft start device for high voltage motors [3] provides a clear test of the thyristors and the correct phasing of the control pulses before starting the M1 engine. Next, a smooth start of the M1 motor is performed using high-voltage thyristor modules with the supply of control pulses to the thyristors. At the final stage of the soft start, the operating switch Q1.1 is turned on, which connects the M1 motor directly to the mains, bypassing the high-voltage valve modules. Then the control pulses are removed from the thyristors, and the QF1 start switch is turned off. At the same time, the voltage from the motor is applied to the high-voltage valve module due to the additionally introduced load resistor 9 connected to the input of the first power unit 1 or the output of the last power unit N. The current flowing in the indicated circuit ensures the operability of the thyristor 6 control devices and, accordingly, health testing thyristors after completion of a soft start, similar to the above. At the end of testing, the contactor K1.1 is disconnected and, accordingly, the voltage is removed from the high-voltage valve modules.

При типовой чувствительности известных оптронных элементов I_СР=1·10^-3 [А] величина нагрузочного резистора должна быть не более ,With the typical sensitivity of the known optronic elements I _CP = 1 · 10 ^-3 [A] the value of the load resistor should be no more ,

здесь К_З - коэффициент запаса.here K ₃ - safety factor.

Сопротивление защитной RC-цепи и выравнивающего резистора R4 не учитывается ввиду их малых значений (типовые Z_RC≈3 [кОм], R_B=20 [kOm])The resistance of the protective RC circuit and the alignment resistor R4 is not taken into account due to their small values (typical Z _RC ≈3 [kOhm], 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].Power loss on the load resistor is not significant and practically does not affect the efficiency of the soft starter of high-voltage engines with power from 1 · 10 ⁶ [W] to 12.5 · 10 ⁶ [W].

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.Compared with the known high-voltage valve modules [1, 2], used as part of the soft starters of high-voltage motors and providing a check of the thyristors only before starting the engine, the claimed high-voltage valve module has expanded functionality: it identifies faulty thyristor (s) before and after starting due to the additionally introduced load resistor, it has the ability to check the phasing of control pulses of thyristors with a supply voltage of 6 (10) kV, and also has increased sensitivity and, consequently, low power losses.

Источники известности:Sources of fame:

[1] Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Сахаров Ю.В. Силовые полупроводниковые приборы. Изд-во «Энергия», М., 1975 г.[1] Chebovsky OG, Moiseev L.G., Sakharov Yu.V. Power semiconductor devices. Publishing House "Energy", M., 1975

[2] Патент РФ на полезную модель №31886 «Высоковольтный вентильный модуль» от 03.03.2003 г.[2] RF patent for utility model No. 31886 "High-voltage valve module" dated 03.03.2003.

[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).[3] Shamis M.A., Altshuller M.I. and other devices of smooth shock-free start-up of high-voltage alternating current motors. The journal "Industrial Energy" No. 12, 2002 (p.31-32).

Claims (1)

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.

A high-voltage valve module containing N series-connected power units, each of which contains a thyristor or a pair of on-parallel thyristors connected by a protective RC circuit and an equalizing resistor, a control and protection unit, as well as N thyristor control devices containing threshold and optocoupler elements , characterized in that a load resistor is additionally introduced into it, connected by the first output to the input of the first power unit or to the output of the last, and the second to the "General" circuit, threshold the element of the thyristor control device is connected in series to the protective RC circuit, and the optocoupler element is connected along the input circuit parallel to the threshold element, along the output circuit to the control and protection unit.