PL186486B1 - Ochronnik indukcyjny adaptacyjny do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego - Google Patents

Abstract

Ochronnik indukcyjny adaptacyjny do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego, składający się z dwóch szeregowo połączonych członów, z których każdy składa się z dławika i połączonych z nim równolegle dwóch gałęzi, z których pierwsza gałąź zawiera diodę, znamienny tym, że drugie gałęzie zawierają drugie diody (4, 8), włączone w tym samym kierunku, jak diody (3, 7) w pierwszych gałęziach i źródła pomocniczych impulsów prądu, przy czym w drugim członie (Π) kierunki włączenia diod (7, 8) względem kierunku prądu zasilającego chronione urządzenie, są przeciwne do kierunku włączenia diod (3, 4) w pierwszym członie (I).

Description

Przedmiotem wynalazku jest ochronnik indukcyjny adaptacyjny do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego, zwłaszcza do ochrony części sieci prądu przemiennego, lub półprzewodnikowych przekształtników napięcia przemiennego.

Do ochrony przeciwzwarciowej urządzeń pobierających prąd o przebiegu sinusoidalnym są stosowane dławiki zwarciowe, lecz ich indukcyjność nie może być duża, gdyż spadki napięcia na tej indukcyjności powodują pogorszenie stabilności napięcia zasilającego. Do ochrony urządzeń pobierających prąd o charakterze impulsowym, zwłaszcza do ochrony przekształtników półprzewodnikowych, dławików zwarciowych nie można stosować.

W znanych rozwiązaniach do zabezpieczania przekształtników półprzewodnikowych stosuje się bezpieczniki topikowe lub wyłączniki szybkie. Wadą takich rozwiązań jest to, że nie ograniczają szybkości narastania prądu zwarciowego, wskutek czego w czasie procesu wyłączania zwarcia prąd zdąża osiągnąć dużą wartość. Z polskiego opisu patentowego PL-156004 znany jest ochronnik indukcyjny do ochrony przekształtników napięcia przemiennego, który w czasie normalnej pracy ustalonej chronionego urządzenia nie ogranicza szybkości zmian wartości chwilowej prądu pobieranego przez chronione urządzenie z źródła zasilania, dzięki czemu może być stosowany do ochrony przekształtników półprzewodnikowych, natomiast gdy prąd wzrasta ponad wartość szczytową osiąganą w czasie normalnej pracy ustalonej, ochronnik radykalnie ogranicza szybkość narastania prądu, czyli spełnia wtedy rolę dławika zwarciowego. Zaletą ochronnika indukcyjnego, znanego z polskiego opisu patentowego PL-156004, jest to, że ułatwia wyłączanie zwarcia, nawet przez komutację wewnętrzną przekształtnika i ogranicza wartość prądu zwarciowego, natomiast wadą jest to, że ogranicza szybkość każdego narastania prądu zasilającego ponad szczytową wartość okresowo zmiennego prądu zasilającego podczas normalnej pracy, czyli również ogranicza szybkość wzrostu prądu w czasie nieawaryjnych przeciązeń.

Ochronnik indukcyjny adaptacyjny do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego, zwłaszcza przekształtników napięcia przemiennego lub części sieci prądu przemiennego, według wynalazku, składa się z dwóch podobnych członów, z których każdy składa się z dławika i połączonych z nim równolegle dwóch gałęzi. W pierwszym członie pierwsza gałąź zawiera diodę pierwszą druga gałąź zawiera drugą diodę, włączoną w tym samym kierunku, jak dioda w pierwszej gałęzi, oraz szeregowo z drugą diodą włączone źródło prądowe, wymuszające okresowo jednokierunkowe impulsy prądu. Drugi człon zawiera

186 486 takie same elementy, tak samo połączone jak w pierwszym członie, lecz obie diody są włączone względem kierunku prądu zasilającego chronione urządzenie w kierunku przeciwnym do kierunku włączenia diod w pierwszym członie, czyli jeśli w pierwszym członie diody są włączone na przykład przeciwnie do kierunku dodatniej połówki sinusoidalnie zmiennego prądu zasilającego, to w drugim członie diody są włączone zgodnie z kierunkiem dodatniej połówki tego prądu.

W wariancie realizacji wynalazku dwoma źródłami prądowymi w dwóch członach ochronnika, są dwa wtórne uzwojenia przekładnika prądowego, przez którego pierwotne uzwojenie przepływa prąd zasilający chronione urządzenie, przy czym kierunek połączenia uzwojeń wtórnych, względem kierunku przewodzenia diod włączonych szeregowo z tymi uzwojeniami, jest taki, żeby prądy w tych dwóch uzwojeniach wtórnych płynęły na przemian w czasie kolejnych półokresach prądu zasilającego chronione urządzenie. Człony, tworzące ochronnik, oraz - w przypadku gdy źródłami prądowymi są uzwojenia przekładnika prądowego - pierwotne uzwojenie przekładnika prądowego, są włączone szeregowo między źródło przemiennego napięcia zasilającego a chronione urządzenie, przy czym kolejność włączenia pierwszego członu, drugiego członu, przekładnika i chronionego urządzenia, jest dowolna.

Zaletą ochronnika według wynalazku jest to, że przez dobór przełożenia przekładnika, można dobierać graniczną wartość prądu zasilającego chronione urządzenie, po przekroczeniu której ochronnik według wynalazku zaczyna działać podobnie jak dławik zwarciowy, a poniżej której ochronnik nie ogranicza szybkości zmian prądu zasilającego. Ta graniczna wartość nie może być mniejsza od szczytowych wartości okresowo zmiennego prądu zasilającego, ale może być znacznie większa, co w efekcie eliminuje wyżej wymienioną wadę ochronnika znanego z polskiego opisu patentowego PL-156004. Wyeliminowanie tej wady polega na tym, ze w zakresie prądów zasilania mniejszych od dobranej wartości granicznej, ochronnik według wynalazku nie ogranicza szybkości narastania prądu zasilającego podczas nieawaryjnych przeciążeń. Przy powolnych zmianach wartości prądu zasilającego chronione urządzenie, graniczna wartość prądu również zmienia się, lecz szybkość zmian granicznej wartości prądu jest ograniczona. Dzięki temu przy powolnym wzroście prądu zasilającego chronione urządzenie, ochronnik nie wpływa na przebieg tego prądu, niezależnie od jego wartości, natomiast przy szybkim wzroście tego prądu, na przykład na skutek zwarcia, po przekroczeniu tej wartości granicznej, która ustaliła się przed chwilą zwarcia, ochronnik działa jak dławik zwarciowy 0 dużej indukcyjności i radykanie ogranicza szybkość narastania prądu zwarciowego.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, na którym fig. 1. przedstawia schemat ideowy ochronnika w przykładzie zastosowania do ochrony odbiornika napięcia przemiennego, fig. 2. przedstawia przebiegi prądów w układzie przedstawionym na schemacie fig. 1. , fig. 3. przedstawia wariant szeregowego połączenia obu członów ochronnika i chronionego urządzenia.

Ochronnik według wynalazku, składa się z pierwszego członu I i drugiego członu II i przekładnika prądowego 5, włączonych szeregowo, w przedstawionym przykładzie między jednym biegunem źródła napięcia zasilającego Ul i jednym zaciskiem chronionego urządzenia 2, którym jest odbiornik o charakterze czynno - indukcyjnym. Pierwszy człon I zawiera dławik 1, pierwszą diodę 3 włączoną równolegle do dławika 1, oraz gałąź składającą się z szeregowo połączonych drugiej diody 4 i wtórnego uzwojenia Z1 przekładnika 5, włączoną równolegle do dławika 1 i diody 3. Drugi człon II zawiera dławik 6, pierwszą diodę 7 włączoną równolegle do dławika 6, oraz gałąź składającą się z szeregowo połączonych drugiej diody 8 i wtórnego uzwojenia Z2 przekładnika 5, włączoną równolegle do dławika 6 i diody 7. Kierunki włączenia diod 7, 8 względem kierunku prądu zasilającego chronione urządzenie, są w drugim członie II przeciwne do kierunku włączenia diod 3, 4 w pierwszym członie I. Kierunki włączenia uzwojeń Z1 i Z2 przekładnika 5 są takie, że w przedziale czasu, gdy prąd i2 zasilający chronione urządzenie ma wartości chwilowe dodatnie, to SEM w uzwojeniu Z1 ma kierunek zgodny z kierunkiem przewodzenia diody 4, a kierunek SEM w uzwojeniu Z2 jest przeciwny do kierunku przewodzenia diody 8. W efekcie w przedziałach czasu, gdy prąd i2 ma wartości chwilowe dodatnie, prąd wtórny przekładnika prądowego 5 płynie w uzwojeniu Zl, a gdy prąd i2 ma wartości chwilowe ujemne, prąd wtórny przekładnika prądowego 5 płynie

186 486 w uzwojeniu 22. Dzięki temu w przekładniku prądowym 5 może być zachowana równowaga przepływów, nazywanych potocznie amperozwojami, uzwojeń pierwotnego i wtórnych.

Istnieje możliwość dobrania różnych przełożeń między uzwojeniami pierwotnym i wtórnym Zl, oraz pierwotnym i wtórnym Z2. W takiej sytuacji wartość graniczna prądu i2 zasilającego chronione urządzenie byłaby różna dla dodatnich i ujemnych wartości chwilowych tego prądu.

W czasie normalnej pracy ustalonej urządzenia chronionego przez ochronnik, w dławiku 1 ochronnika płynie prąd il o wartości prawie stałej, równej sumie szczytowej dodatniej wartości prądu zasilającego chronione urządzenie i2 i szczytowej wartości dodatnich impulsów prądu wymuszanych przez SEM w uzwojeniu Zl. W przedziałach czasu, w których prąd zasilający i2 i prąd w uzwojeniu Zl mają wartości mniejsze od maksymalnych, prąd il jest podtrzymywany kosztem SEM samoindukcji powstającej w dławiku ł, natomiast za dławikiem prąd il rozgałęzia się na dwie składowe. Jedną z nich jest prąd i2 , zależny od stanu pracy chronionego urządzenia 2 , druga składowa i3 jest zawsze równa różnicy między prądami il a i2 , z uwzględnieniem znaku prądu i2. Gdy prąd i2 ma wartości ujemne, prąd i3 płynie przez diodę 3 . Ponieważ wtedy napięcie na dławiku 1 jest równe napięciu na diodzie 3, czyli nie przekracza wartości około 1 V, a indukcyjność dławika 1 jest duża, prąd il maleje powoli. Gdy prąd zasilający i2 i prąd w uzwojeniu Zl przyjmują wartości dodatnie, prąd i3 płynie częściowo przez diodę 3, a częściowo przez gałąź składającą się z diody 4 i uzwojenia Zl. Gdy suma prądu i2 i prądu w uzwojeniu Zl osiągnie aktualną wartość prądu il, który od poprzednio osiągniętej wartości zdążył nieco zmaleć, w uzwojeniu Zl przekładnika powstaje SEM tak duża, aby wystarczyła do wymuszenia wzrostu prądu il do poprzednio osiągniętej wartości maksymalnej. Gdy prąd zasilający i2 i prąd w uzwojeniu Zl po osiągnięciu wartości szczytowej maleją, prąd il płynie kosztem SEM samoindukcji dławika 1 i powoli maleje. Gdy po upływie okresu prądu i2, prąd i2 i prąd w uzwojeniu Zl znów zbliżą się do wartości szczytowej, kosztem SEM w uzwojeniu Zl prąd il znów wzrośnie do poprzednio osiągniętej wartości maksymalnej. Prawie stała wartość prądu il jest jednocześnie dla prądu i2, zasilającego chronione urządzenie, wartością graniczną dodatnią. Istota zjawisk decydujących o przebiegu prądów i4 oraz i5 w drugim członie II jest taka sama, jak istota zjawisk decydujących 0 przebiegu prądów il oraz i3 w pierwszym członie I. Prawie stała wartość prądu i4 jest jednocześnie dla prądu i2, zasilającego chronione urządzenie, wartością graniczną ujemną.

Podczas normalnej pracy chronionego urządzenia, gdy szczytowe wartości prądu i2 są mniejsze od wartości prądów il i i4, napięcia na dławikach 1 i 6 mają niewielką wartość i nie wpływają w sposób znaczący na pracę chronionego urządzenia, w szczególności nie wpływają znacząco na przebieg prądu i2 i jego pochodnej względem czasu. Prąd i2 ma przebieg zależny od napięcia zasilającego i od chronionego urządzenia, w przedstawianym przykładzie sinusoidalny, opóźniony względem napięcia Ul.

Od chwili wystąpienia zwarcia ochronnik ogranicza szybkość narastania prądu i2. Prąd i2 płynie zawsze w kierunku zgodnym z kierunkiem napięcia zasilającego, a jego wartość rośnie z pochodną o wartości bliskiej wartości ilorazu chwilowej wartości napięcia zasilającego i indukcyjności jednego dławika. W czasie zwarcia w każdym z członów, tworzących ochronnik, prądy il i i4 rosną w przedziałach czasu, w których napięcie zasilające jest skierowane zgodnie z kierunkiem prądu płynącego przez dławik danego członu ochronnika. Na przykład w sytuacji przedstawionej na rysunku fig. 2, jeśli zwarcie nastąpiło w chwili tl, gdy napięcie zasilające Ul ma wartość dodatnią, w czasie tl + t2 prąd zwarcia i2 płynie przez dławik 1, na diodach 3 i 4 istnieje wtedy napięcie wsteczne równe napięciu na dławiku 1, które w przypadku zwarcia jest w tym przedziale czasu prawie równe napięciu zasilającemu. Prąd nie płynie przez diodę 3 włączoną równolegle do dławika 1, ani przez gałąź zawierającą diodę 4, czyli prądy il i i2 są sobie równe. W tym przedziale czasu w drugim członie II prąd zwarcia i2 płynie przez diodę 7. W czasie zwarcia, gdy prąd i2 szybko rośnie, a na dławiku 1 i na diodach 3 i 4 istnieje duze napięcie wsteczne, SEM w uzwojeniu Zl nie wystarcza do wymuszenia przepływu prądu w tym uzwojeniu. W efekcie zostaje utracona równowaga przepływów w uzwojeniach przekładnika prądowego 5, a rdzeń przekładnika prądowego 5 wchodzi w stan nasycenia magnetycznego. Ponieważ zwarcie musi być szybko wyłączone, wzrost strat w rdzeniu przekładnika prądowego 5 nie stanowi realnego zagrożenia. W chwili t2, w której napięcie zasilające Ul zmienia znak, prąd zwarciowy i2 zmienia kierunek i zaczyna płynąć przez diodę 3, a spadek napięcia na członie I ochronnika przyjmuje wartość spadku napięcia na diodzie 3, czyli około IV. Od tej chwili prąd w dławiku 1 utrzymuje prawie stałą, powoli malejącą wartość i zamyka się przez diodę 3. Jednocześnie od tej chwili o wartości prądu zwarciowego zaczyna decydować drugi człon II ochronnika. W poprzednim okresie prąd w dławiku 6 tego drugiego członu II ochronnika, osiągnął graniczną wartość i utrzymał ją prawie nie zmienioną. Po zmianie kierunku napięcia zasilającego Ul, prąd zwarciowy i2 skokowo rośnie do aktualnej wartości prądu w dławiku 6 i od tej wartości rośnie z pochodną proporcjonalną do chwilowych wartości napięcia zasilającego.

W czasie trwania zwarcia prąd zwarcia i2 płynie zawsze przez dławik 1 lub dławik 6, których indukcyjność ogranicza szybkość narastania prądu zwarciowego i2. Ponieważ dławiki 1 i 6 nie wpływają na prąd i2 w czasie normalnej pracy odbiornika, indukcyjności dławików 1 i 6 mogą być duże, znacznie większe niż w stosowanych dotychczas dławikach zwarciowych. Ułatwia to wyłączenie zwarcia. Obecność dławików 1 i 6 w obwodzie zwarciowym nie powoduje w chwili wyłączenia prądu zwarcia żadnego przepięcia, gdyż od chwili wyłączenia zwarcia, gdy prąd przestaje płynąć przed ochronnikiem i za nim, w samym ochronniku prąd ten nadal płynie w obwodach utworzonych przez dławik 1 i diodę 3, oraz dławik 6 i diodę 7 i maleje z niewielką szybkością.

186 486

186 486

fig.3.

186 486

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Ochronnik indukcyjny adaptacyjny do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego, składający się z dwóch szeregowo połączonych członów, z których każdy składa się z dławika i połączonych z nim równolegle dwóch gałęzi, z których pierwsza gałąź zawiera diodę, znamienny tym, że drugie gałęzie zawierają drugie diody (4, 8), włączone w tym samym kierunku, jak diody (3, 7) w pierwszych-gałęziach i źródła pomocniczych impulsów prądu, przy czym w drugim członie (II) kierunki włączenia diod (7, 8) względem kierunku prądu zasilającego chronione urządzenie, są przeciwne do kierunku włączenia diod (3, 4) w pierwszym członie (I).
2. 2. Ochronnik indukcyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że źródłami pomocniczych impulsów prądu są wtórne uzwojenia (Zl) i (Z2) przekładnika prądowego (5), którego pierwotne uzwojenie włączone jest tak, że płynie w nim prąd zasilający chronione urządzenie lub chronioną część sieci prądu przemiennego.