PL186488B1

PL186488B1 - Induction-type protector for providing short-circuit protection especially that of constant voltage transformers

Info

Publication number: PL186488B1
Application number: PL99330700A
Authority: PL
Inventors: Paweł Hempowicz
Original assignee: Politechnika Gdanska
Priority date: 1999-01-06
Filing date: 1999-01-06
Publication date: 2004-01-30
Also published as: PL330700A1

Abstract

1. Ochronnik indukcyjny do ochrony przeciwzwarciowej, zwłaszcza przekształtników napięcia stałego, zawierający dławik włączany pomiędzy chronione urządzenie a źródło napięcia zasilającego, oraz diodę pierwszą włączoną równolegle do dławika w kierunku przeciwnym do kierunku składowej stałej prądu płynącego przez ochronnik, znamienny tym, ze równolegle do dławika (1) i pierwszej diody (3) włączona jest gałąź składająca się z drugiej diody (4) i źródła (5) pomocniczego napięcia przemiennego, przy czym druga dioda (4), włączona szeregowo ze źródłem (5) pomocniczego napięcia przemiennego, jest włączona przeciwnie do kierunku składowej stałej prądu płynącego przez ochronnik.1. Inductive arrester for short-circuit protection, especially DC voltage converters, containing a choke inserted between the protected ones the device and the supply voltage source, and the diode the first connected parallel to the choke in the direction of opposite to the direction of the constant component of the flowing current by an arrestor, characterized in that it is parallel to the choke (1) and the first diode (3) on there is a branch consisting of the second diode (4) and the source (5) auxiliary alternating voltage, whereby second LED (4) connected in series with the source (5) auxiliary AC voltage is switched on opposite to the direction of the constant component of the flowing current through the protector.

Description

Przedmiotem wynalazku jest ochronnik indukcyjny, do ochrony przeciwzwarciowej, zwłaszcza półprzewodnikowych przekształtników napięcia stałego.The subject of the invention is an inductive protector for short-circuit protection, in particular of semiconductor DC voltage converters.

Przekształtniki półprzewodnikowe pobierają ze źródła napięcia zasilającego prąd okresowo zmienny o wartościach chwilowych zmieniających się w czasie normalnej pracy z dużą szybkością co powoduje, że do ochrony takich przekształtników nie można stosować znanych dławików zwarciowych.Semiconductor converters receive from the voltage source periodically alternating current with instantaneous values changing during normal operation at high speed, which means that the known short-circuit reactors cannot be used to protect such converters.

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 stałego, 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-155004 jest to, ze 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 przeciążeń, oraz to, że w czasie pracy ustalonej powoduje okresowe przysiady napięcia zasilającego chronione urządzenie w krótkich przedziałach czasu przed chwilami, w których prąd zasilający osiąga szczytową wartość.In the known solutions, fuses or high-speed circuit breakers are used to protect semiconductor converters. The disadvantage of such solutions is that they do not limit the rate of rise of the short-circuit current, as a result of which the current tends to reach a high value during the short-circuit breaking process. The Polish patent description PL-156004 describes an inductive protector for the protection of DC voltage converters, which during the normal steady operation of the protected device does not limit the rate of change of the instantaneous value of the current consumed by the protected device from the power source, so it can be used to protect semiconductor converters, however, when the current rises above the peak value achieved during normal steady operation, the arrester radically limits the rate of rise of the current, i.e. it acts as a short-circuit reactor. The advantage of the inductive arrester known from the Polish patent description PL-155004 is that it facilitates short-circuit breaking, even by internal commutation of the converter and limits the value of the short-circuit current, while the disadvantages are that it limits the rate of each rise of the supply current above the peak value of the periodically alternating supply current during normal operation, i.e. it also limits the rate of current increase during non-emergency overloads, and the fact that during steady operation, it causes periodic dips in the voltage supplying the protected device for short periods of time before the moments when the supply current reaches its peak value.

Ochronnik indukcyjny do ochrony przeciwzwarciowej, zwłaszcza przekształtników napięcia stałego, zawierający dławik włączany pomiędzy chronione urządzenie a źródło napięcia zasilającego, oraz pierwszą diodę włączoną równolegle do dławika w kierunku przeciwnym do kierunku składowej stałej prądu płynącego przez ochronnik, charakteryzuje się tym, ze równolegle do dławika i pierwszej diody włączona jest gałąź składająca się z drugiej diody i źródła pomocniczego napięcia przemiennego. Druga dioda włączona szeregowo ze źródłem pomocniczego napięcia przemiennego, jest włączona w takim samym kierunku, jak pierwszaAn inductive arrester for short-circuit protection, especially DC voltage converters, comprising a choke connected between the protected device and the supply voltage source, and a first diode connected in parallel to the choke in the direction opposite to the direction of the constant component of the current flowing through the arrestor, is characterized by parallel to the choke and of the first diode, the branch consisting of the second diode and an auxiliary AC voltage source is turned on. The second diode, connected in series with the auxiliary AC voltage source, is turned on in the same direction as the first

186 488 dioda, czyli tak, że albo jej katoda jest połączona z katodą pierwszej diody, a anoda jest połączona z jednym biegunem źródła pomocniczego napięcia przemiennego, którego drugi biegun jest połączony z anodą pierwszej diody, albo jej anoda jest połączona z anodą pierwszej diody, a katoda jest połączona z drugim biegunem źródła pomocniczego napięcia przemiennego, którego pierwszy biegun jest połączony z katodą pierwszej diody.186 488 diode, i.e. so that either its cathode is connected to the cathode of the first diode and the anode is connected to one pole of the auxiliary AC voltage source, the second pole of which is connected to the anode of the first diode, or its anode is connected to the anode of the first diode, and the cathode is connected to a second pole of an auxiliary AC voltage source, the first pole of which is connected to the cathode of the first diode.

W korzystnym wariancie wynalazku źródłem pomocniczego napięcia przemiennego jest wtórne uzwojenie transformatora, którego pierwotne uzwojenie jest zasilane z dowolnego źródła napięcia przemiennego.In a preferred variant of the invention, the auxiliary AC voltage source is the secondary winding of the transformer, the primary winding of which is powered from any AC voltage source.

Zaletą ochronnika według wynalazku jest to, że przez dobór wartości pomocniczego napięcia przemiennego, można dobierać graniczną wartość prądu zasilającego chronione urządzenie, po przekroczeniu której ochronnik zaczyna działać podobnie jak dławik zwarciowy, a poniżej której ochronnik ten nie ogranicza szybkości zmian prądu zasilającego. Ta graniczna wartość nie może być mniejsza od szczytowej wartości okresowo zmiennego prądu zasilającego, ale może być znacznie większa. Dzięki temu w zakresie prądów zasilania mniejszych od dobranej wartości granicznej, ochronnik nie ogranicza szybkości narastania prądu zasilającego podczas nieawaryjnych przeciążeń, oraz nie powoduje powstawania przysiadów napięcia zasilającego chronione urządzenie.An advantage of the arrestor according to the invention is that by selecting the value of the auxiliary alternating voltage, it is possible to select the limit value of the current supplying the protected device, beyond which the arrester starts to operate similarly to a short-circuit choke, and below which the arrestor does not limit the rate of changes in the supply current. This limit value may not be less than the peak value of the periodically alternating supply current, but may be much greater. Thanks to this, in the range of supply currents lower than the selected limit value, the arrester does not limit the rate of increase of the supply current during non-emergency overloads, and does not cause voltage squats supplying the protected device.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy ochronnika w przykładzie zastosowania do ochrony falownika napięcia, fig. 2. przedstawia przebiegi prądów w układzie przedstawionym na schemacie fig. 1.The subject of the invention is explained in more detail in the embodiment shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic diagram of the arrester in an example of application to protect a voltage inverter, Fig. 2 shows the current waveforms in the circuit shown in the diagram in Fig. 1.

Ochronnik, zawiera dławik 1 włączony między źródło napięcia zasilającego Ul a chronione urządzenie, którym jest falownik napięcia 2, pierwszą diodę 3 włączoną równolegle do dławika 1, oraz gałąź składającą się z szeregowo połączonych drugiej diody 4 i wtórnego uzwojenia Z2 transformatora 6, włączoną równolegle do dławika 1 i pierwszej diody 3. Dla uproszczenia przebiegów na rysunku fig. 2 przyjęto, że falownik 2, typu PWM, pracuje z niewielką częstotliwością impulsów, a pierwotne uzwojenie Z1 transformatora 6 jest zasilane z sieci napięcia przemiennego. Falownik jest obciążony odbiornikiem o charakterze czynno - indukcyjnym.The arrester comprises a choke 1 connected between the supply voltage U1 and the protected device, which is a voltage inverter 2, a first diode 3 connected in parallel to the inductor 1, and a branch consisting of a series connected second diode 4 and a secondary winding Z2 of the transformer 6, connected in parallel to of the choke 1 and the first diode 3. In order to simplify the waveforms in Fig. 2, it has been assumed that the inverter 2, of the PWM type, operates with a low pulse frequency, and the primary winding Z1 of the transformer 6 is supplied from the AC voltage network. The inverter is loaded with an active-inductive load.

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 siły elektromotorycznej samoindukcji powstającej w dławiku 1, natomiast za dławikiem 1 prąd il rozgałęzia się na dwie składowe. Jedną z nich jest prąd i2, zależny od stanu pracy falownika 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 pierwszą diodę 3 Ponieważ napięcie na dławiku 1 jest równe napięciu na pierwszej 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 drugiej diody 4 i uzwojenia Z2. Gdy napięcie U2 przyjmuje wartości dodatnie większe od progu napięciowego drugiej diody 4 , czyli powyżej około 0,8 V, prąd il nie jest już podtrzymywany kosztem siły elektromotorycznej 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 siły elektromotorycznej samoindukcji dławika 1 i powoli maleje. Gdy po upływie okresu napięcia U2, napięcie to znów zblizy się do wartości szczytowej, kosztem tego napięcia prąd il znów wzrośnie do poprzednio osiągniętej wartości maksymalnej.During normal steady operation of the device protected by the arrester, a current il flows in the choke 1 of the arrestor with an almost constant value, depending on the peak positive value of the voltage U2 arising in the winding Z2. In the time intervals in which the voltage U2 is lower than the maximum value, the current il is maintained at the expense of the electromotive force of self-induction generated in the inductor 1, while after the inductor 1, the current il branches into two components. One of them is the current i2, which depends on the operating state of the inverter 2, the second component i3 is always equal to the difference between the currents il and i2, taking into account the sign of the current i2. When the voltage U2 is negative, the current i3 flows through the first diode 3 Since the voltage across the choke 1 is equal to the voltage across the first diode 3, i.e. it does not exceed about 1 V, and the inductance of the choke 1 is large, the current il decreases slowly. When the voltage U2 is positive, the current i3 flows through the branch consisting of the second diode 4 and the winding Z2. When the voltage U2 becomes positive values greater than the voltage threshold of the second diode 4, i.e. above about 0.8 V, the current il is no longer supported at the expense of the electromotive force of the self-induction of the choke 1, but flows under the influence of the voltage U2 and increases to a value depending on the peak voltage value U2. When the voltage U2 decreases after reaching the peak value, the current il flows at the expense of the electromotive force of the induction of the inductor 1 and slowly decreases. When, after the period of the voltage U2 has elapsed, this voltage again approaches its peak value, at the expense of this voltage, the current il will again increase to the previously reached maximum value.

Prawie stała wartość prądu il jest dla prądu i2, zasilającego chronione urządzenie, wartością graniczną.The almost constant value of the current il is the limit value for the current i2, which supplies the protected device.

Podczas normalnej pracy chronionego urządzenia, gdy szczytowe wartości prądu i2 są mniejsze od wartości prądu il, napięcie na dławiku 1 ma niewielką wartość i nie wpływa w sposób znaczący na pracę chronionego urządzenia, w szczególności nie wpływa znacząco na przebieg prądu i2 i jego pochodnej względem czasu.During normal operation of the protected device, when the peak values of the current i2 are lower than the value of the current il, the voltage on the choke 1 has a small value and does not significantly affect the operation of the protected device, in particular, it does not significantly affect the course of the current i2 and its derivative with respect to time .

186 488186 488

W chwili, gdy następuje zwarcie w odbiorniku lub zwarcie skrośne w falowniku 2, prąd i2 skokowo wzrasta do aktualnej wartości prądu il. Na dławiku 1 powstaje spadek napięcia równy różnicy między wartością napięcia zasilającego Ul i niewielką lub zerową wartością napięcia na zaciskach wejściowych falownika 2, a prądy il i i2 są sobie równe i od osiągniętej skokowo wartości dalej rosną z ograniczoną prędkością. Ułatwia to wyłączenie zwarcia. Obecność dławika 1 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 obwodzie utworzonym przez dławik 1 i pierwszą diodę 3 i maleje z niewielką szybkością.When there is a short-circuit in the receiver or a cross-circuit in the inverter 2, the current i2 increases rapidly to the current value of the current il. There is a voltage drop across the choke 1 equal to the difference between the supply voltage U1 and a low or zero value of the voltage at the input terminals of the inverter 2, and the currents il and i2 are equal to each other and continue to increase with a limited speed from the step value reached. This makes it easier to switch off the short circuit. The presence of the reactor 1 in the short-circuit circuit does not cause any overvoltage at the moment of switching off the short-circuit current, because from the moment of switching off the short-circuit, when the current stops flowing before and after the arrester, this current continues in the arrester itself in the circuit formed by the reactor 1 and the first diode 3 and it decreases at a slow rate.

186 488186 488

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 złPublishing Department of the UP RP. Circulation of 50 copies. Price PLN 2.00

Claims

Patent claims

1.Inductive arrester for short-circuit protection, in particular DC voltage converters, comprising a choke connected between the protected device and the supply voltage source, and a first diode connected in parallel to the choke in the direction opposite to the direction of the constant component of the current flowing through the arrestor, characterized in that it is parallel to the choke (1) and the first diode (3) the branch consisting of the second diode (4) and an auxiliary AC voltage source (5) is turned on, while the second diode (4) connected in series with the auxiliary AC voltage source (5) is on the contrary to the direction of the constant component of the current flowing through the arrester.

2. The arrestor according to claim A method according to claim 1, characterized in that in the branch connected in parallel to the inductor (1) and the first diode (3), the source (5) of the auxiliary alternating voltage is the secondary winding (Z2) of the transformer (6), the primary winding (Zl) of which is supplied from any AC voltage source.