PL186487B1 - Ochronnik indukcyjny do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego - Google Patents

Abstract

1. Ochronnik indukcyjny do ochrony pizeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego, składający się z dwóch szeregowo połączonych członów, połączonych szeregowo z chronioną częścią sieci, lub z chronionym urządzeniem, z których każdy człon zawiera dławik oraz diodę włączoną równolegle do dławika, znamienny tym, że w pierwszym członie (I) równolegle do dławika (1) 1 pierwszej diody (3) włączona jest gałąź składająca się z szeregowo połączonych źródła (5) pomocniczego napięcia przemiennego (U2) 1 drugiej diody (4) włączonej w kierunku zgodnym z kierunkiem włączenia diody (3), oraz w drugim członie II równolegle do dławika (6) i pierwszej diody (7) włą­ czona jest gałąź składająca się z szeregowo połączonych źródła (9) pomocniczego napięcia przemiennego (U3) 1 drugiej diody (8) włączonej w kierunku zgodnym z kierunkiem włączenia pierwszej diody (7), przy czym kierunki włączenia diod (7, 8) w drugim członie są względem kierunku prądu (i2) zasilającego chronione urządzenie, przeciwne do kierunku włą­ czenia diod (3, 4) w pierwszym członie.

Description

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

Do ochrony przeciwzwarciowej urządzeń pobierających prąd o przebiegu sinusoidalnym są stosowane dławiki zwarciowe, lecz ich indukcyjność nie może być duża, gdyz 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 wadami 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 oraz to, ze w czasie pracy ustalonej powoduje okresowe przysiady napięcia zasilają186 487 cego chronione urządzenie w krótkich przedziałach czasu przed chwilami, w których prąd zasilający osiąga szczytową wartość.

Ochronnik indukcyjny do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego, według wynalazku, składa się z dwóch 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 pomocniczego napięcia przemiennego, którym może być wtórne uzwojenie transformatora zasilanego z dowolnego źródła napięcia przemiennego 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 sinusojdalnie zmiennego prądu zasilającego, to w drugim członie diody są włączone zgodnie z kierunkiem dodatniej połówki tego prądu. Człony, tworzące ochronnik, są włączone szeregowo między źródło przemiennego napięcia zasilającego a chronione urządzenie, przy czym kolejność włączenia pierwszego członu, drugiego członu i chronionego urządzenia jest dowolna.

W wariantach realizacji wynalazku źródłami pomocniczego napięcia przemiennego mogą być wtórne uzwojenia transformatorów, zasilanych z dowolnych źródeł napięcia przemiennego, lub wtórne uzwojenia jednego transformatora zasilanego z dowolnego źródła napięcia przemiennego.

Zaletą ochronnika według wynalazku jest to, że przez dobór wartości pomocniczych napięć przemiennych, które mogą w obu członach być sobie równe, można dobierać graniczne wartości dodatnią i ujemną, prądu zasilającego chronione urządzenie, po przekroczeniu których ochronnik zaczyna działać podobnie jak dławik zwarciowy, a poniżej których ochronnik nie ogranicza szybkości zmian prądu zasilającego. Te graniczne wartości nie mogą być mniejsze od szczytowych wartości dodatniej i ujemnej okresowo zmiennego prądu zasilającego, ale mogą być znacznie większe. Dzięki temu w zakresie prądów zasilania mniejszych od dobranych wartości granicznych, ochronnik nie ogranicza szybkości narastania prądu zasilającego podczas nieawaryjnych przeciążeń, oraz nie powoduje powstawania przysiadów napięcia zasilającego chronione urządzenie.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy ochronnika w zastosowaniu do ochrony odbiornika napięcia przemiennego, fig. 2 przedstawia przebiegi prądów w układzie przedstawionym na schemacie fig. 1, fig. 3 i fig. 4 pokazują ten sam ochronnik w tym samym zastosowaniu, jak ochronnik pokazany na fig. 1, lecz w odmiennej konfiguracji elementów, z których ochronnik jest zbudowany.

Przykład I. Ochronnik składa się z pierwszego członu I i drugiego członu II, które są włączone szeregowo między jednym biegunem źródła napięcia zasilającego Ul i jednym zaciskiem chronionego urządzenia, którym jest odbiornik o charakterze czynno - indukcyjnym 2. Człon I zawiera dławik 1, pierwszą diodę 3 włączoną równolegle do dławika 1, oraz gałąź składającą się z szeregowo połączonych drugiej diody 4 i źródła 5 pomocniczego napięcia przemiennego U2, którym jest wtórne uzwojenie Z2 transformatora Tl, 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 źródła 9 pomocniczego napięcia przemiennego U3, którym jest wtórnego uzwojenia Z4 transformatora T2, 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.

Przebiegi napięcia i prądów w ochronniku przedstawiono na rysunku fig. 2. Dla uproszczenia przebiegów na rysunku fig.2. przyjęto, że transformatory Tl i T2 są zasilane tym samym napięciem Ul, którym jest zasilane chronione urządzenie.

W czasie normalnej pracy ustalonej urządzenia chronionego przez ochronnik, w dławiku 1 ochronnika płynie prąd il o wartości prawie stałej, zależnej od szczytowej dodatniej wartości napięcia U2 powstającego w uzwojeniu Z2. W przedziałach czasu, w których napięcie U2 ma wartość mniejszą od maksymalnej, prąd il jest podtrzymywany kosztem SEM

186 487 samoindukcji powstającej w dławiku 1, 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 napięcie U2 ma wartości ujemne, prąd i3 płynie przez diodę 3. Ponieważ 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 napięcie U2 przyjmuje wartości dodatnie, prąd i3 płynie przez gałąź składającą się z diody 4 i uzwojenia Z2. Gdy napięcie U2 przyjmuje wartości dodatnie większe od progu napięciowego diody 4, czyli powyżej około 0,8 V, prąd il nie jest już podtrzymywany kosztem SEM samoindukcji dławika 1, lecz płynie pod wpływem napięcia U2 i rośnie do wartości zależnej od szczytowej wartości napięcia U2. Gdy napięcie U2 po osiągnięciu wartości szczytowej maleje, prąd il płynie kosztem SEM samoindukcji dławika 1 i powoli maleje. Gdy po upływie okresu napięcia U2, napięcie to znów zbliży się do wartości szczytowej, kosztem tego napięcia prąd il znów wzrośnie do poprzednio osiągniętej wartości maksymalnej. Prawie stała wartość prądu il jest 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 o przebiegu prądów il oraz i3 w pierwszym członie I. Prawie stała wartość prądu i4 jest 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 równą ilorazowi 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. Przykładowo, 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, a nie płynie przez diodę 3 włączoną równolegle do dławika 1. Na diodzie 3 istnieje wtedy napięcie wsteczne równe napięciu na dławiku 1, które w przypadku zwarcia jest w tym przedziale czasu prawie równe napięciu zasilającemu. W tym przedziale czasu w drugim członie II prąd zwarcia i2 płynie przez diodę 7. 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 pierwszym członie I 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. W poprzednim okresie prąd w dławiku 6 tego drugiego członu II, osiągnął graniczną wartość i utrzymał ją prawie niezmienioną. 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 jeden z dławików 1 lub 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.

186 487

Przykład Π. Ochronnik składa się z tych samych elementów 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, Z2, Z4 i połączonych w tej samej konfiguracji, jak w przykładzie I, lecz uzwojenia Z2 i Z4 są wtórnymi uzwojeniami jednego transformatora T3. Przebiegi prądów są identyczne, jak w przykładzie I.

Przykład III. Człony I i II składają się z takich samych elementów i mają taką samą konfigurację jak w przykładzie I, również diody 7, 8 i uzwojenie Z4 są włączone względem kierunku prądu i2 tak samo, jak w przykładzie I, lecz pierwszy człon I jest włączony między jeden biegun napięcia Ul i jeden zacisk odbiornika 2, a drugi człon II jest włączony między pozostały biegun napięcia Ul i pozostały zacisk odbiornika 2. Przebiegi prądów są identyczne, jak w przykładzie I.

fig.2.

186 487

fig.3.

186 487

fia.4.

186 487

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

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe ί Ochronnik indukcyjny do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego, składający się z dwóch szeregowo połączonych członów, połączonych szeregowo z chronioną częścią sieci, lub z chronionym urządzeniem, z których każdy człon zawiera dławik oraz diodę włączoną równolegle do dławika, znamienny tym, że w pierwszym członie (I) równolegle do dławika (1) i pierwszej diody (3) włączona jest gałąź składająca się z szeregowo połączonych źródła (5) pomocniczego napięcia przemiennego (U2) i drugiej diody (4) włączonej w kierunku zgodnym z kierunkiem włączenia diody (3), oraz w drugim członie II równolegle do dławika (6) i pierwszej diody (7) włączona jest gałąź składająca się z szeregowo połączonych źródła (9) pomocniczego napięcia przemiennego (U3) i drugiej diody (8) włączonej w kierunku zgodnym z kierunkiem włączenia pierwszej diody (7), przy czym kierunki włączenia diod (7, 8) w drugim członie są względem kierunku prądu (i2) zasilającego chronione urządzenie, przeciwne do kierunku włączenia diod (3, 4) w pierwszym członie.
2. 2. Ochronnik według zastrz. 1, znamienny tym, że źródłem (5) pomocniczego napięcia przemiennego w pierwszym członie (I) jest wtórne uzwojenie (Z2) transformatora (Tl), a źródłem (9) pomocniczego napięcia przemiennego w drugim członie (II) jest wtórne uzwojenie (Z4) transformatora (T3).
3. 3. Ochronnik według zastrz. 1, znamienny tym, że źródłem (5) pomocniczego napięcia przemiennego w pierwszym członie (I) i źródłem (9) pomocniczego napięcia przemiennego w drugim członie (II) są wtórne uzwojenia (Z2) i (Z3) jednego transformatora (T3).