PL187641B1 - Ochronnik indukcyjny adaptacyjny zespolony do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego - Google Patents

Abstract

1. Ochronnik indukcyjny adaptacyjny zespolony, do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego, składający się z szeregowo połączonych dwóch członów, z których każdy zawiera dławik i równolegle z nim połączoną diodę, oraz przekładnika prądowego, znamienny tym, że w każdym z dwóch członów (I i Π) równolegle z dławikami (1 i 6) są połączone trzy gałęzie, z których pierwsze gałęzie zawierają pierwsze diody (3 i 7), drugie gałęzie zawierają drugie diody (4, 8), włączone w tym samym kierunku, jak pierwsze diody (3, 7) w pierwszych gałęziach i źródła pomocniczych impulsów prądu, trzecie gałęzie zawierają trzecie diody (5, 9), włączone w tym samym kierunku, jak pierwsze diody (3, 7) w pierwszych gałęziach i źródła pomocniczych napięć przemiennych (ZP1, ZP2> przy czym w drugim członie (II) kierunki włączenia diod (7, 8, 9) względem kierunku prądu zasilającego chronione urządzenie, są przeciwne do kierunku włączenia diod (3, 4, 5) w pierwszym członie (I)

Description

Przedmiotem wynalazku jest ochronnik indukcyjny adaptacyjny zespolony, 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 chronioną część sieci, lub chronione urządzenie, ponad szczytową wartość okresowo zmiennego prądu zasilającego podczas normalnej pracy, czyli również ogranicza szybkość wzrostu prądu w czasie nieawaryjnych przeciążeń.

187 641

Ochronnik indukcyjny zespolony do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego, zwłaszcza części sieci prądu przemiennego, lub przekształtników napięcia przemiennego, według wynalazku, składa się z dwóch podobnych członów, z których każdy składa się z dławika i połączonych z nim równolegle trzech 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 o wartości proporcjonalnej do wartości prądu zasilającego chronioną część sieci, lub chronione urządzenie, trzecia gałąź zawiera trzecią diodę, włączoną w tym samym kierunku, jak dioda w pierwszej gałęzi, oraz szeregowo z trzecią diodą włączone źródło pomocniczego napięcia przemiennego. Drugi człon zawiera takie same elementy, tak samo połączone jak w pierwszym członie, lecz trzy 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 półokresów prądu zasilającego chronione urządzenie. Źródłami pomocniczego napięcia przemiennego mogą być wtórne uzwojenia dwóch transformatorów zasilanych z dowolnych źródeł napięcia przemiennego, lub dwa wtórne uzwojenia jednego transformatora zasilanego z dowolnego źródła napięcia przemiennego. 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 dwiema metodami można dobierać graniczną wartość prądu zasilającego chronioną część sieci lub 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, że w zakresie prądów zasilania mniejszych od dobranej wartości granicznej, ochronnik według wynalazku nie ogranicza szybkości narastania prądu zasilającego podczas nieawaryjnych przeciążeń. W ochronniku można jednocześnie realizować dwie metody doboru wartości granicznej prądu:

- przez dobór pomocniczych napięć przemiennych można dobrać stałe wartości graniczne prądu, niezależne od wartości prądu zasilającego w czasie poprzedzającym zwarcie,

- przez dobór przełożenia przekładnika prądowego można dobrać zmienną wartość graniczną w tym zakresie obciążeń, w którym prąd zasilający nieawaryjnie i relatywnie powoli, w porównaniu z prądami zwarciowymi, wzrasta ponad stałą wartość graniczną dobraną za pomocą pomocniczych napięć przemiennych. 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 o dużej indukcyjności i radykalnie ogranicza szybkość narastania prądu zwarciowego.

187 641

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.

Ochronnik według wynalazku, składa się z pierwszego członu I, drugiego członu II i przekładnika prądowego 10 włączonych szeregowo, w przedstawionym przykładzie między jednym biegunem źródła napięcia zasilającego U1 i jednym zaciskiem chronionego urządzenia 2, którym jest odbiornik o charakterze czynno - indukcyjnym. Pierwszy człon I zawiera dławik 1, pierwszą gałąź zawierającą diodę 3, włączoną równolegle do dławika 1, drugą gałąź składającą się z szeregowo połączonych drugiej diody 4 i wtórnego uzwojenia Z1 przekładnika 10, włączoną równolegle do dławika 1 i diody 3, trzecią gałąź składającą się z szeregowo połączonych trzeciej diody 5 i źródła ZP1 pomocniczego napięcia przemiennego U2, którym jest wtórne uzwojenie Z4 transformatora T1. włączoną równolegle do dławika 1, diody 3 i drugiej gałęzi. Drugi człon II zawiera dławik 6, pierwszą gałąź z diodą 7, włączoną równolegle do dławika 6, drugą gałąź składającą się z szeregowo połączonych drugiej diody 8 i wtórnego uzwojenia Z2 przekładnika 10, włączoną równolegle do dławika 6 i diody 7, oraz trzecią gałąź składającą się z szeregowo połączonych trzeciej diody 9 i źródła ZP2 pomocniczego napięcia przemiennego U3, którym jest wtórne uzwojenie Z6 transformatora T2, włączoną równolegle do dławika 6, diody 7 i drugiej gałęzi.

Kierunki włączenia diod 7, 8 i 9 względem kierunku prądu zasilającego chronione urządzenie, są w drugim członie II przeciwne do kierunku włączenia diod 3, 4 i 5 w pierwszym członie I. Kierunki włączenia uzwojeń Z1 i Z2 przekładnika 10 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 10 płynie w uzwojeniu Z1, a gdy prąd i2 ma wartości chwilowe ujemne, prąd wtórny przekładnika prądowego 10 płynie w uzwojeniu Z2. Dzięki temu w przekładniku prądowym 10 może być zachowana równowaga przepływów, nazywanych potocznie amperozwojami, uzwojeń pierwotnego i wtórnych.

W czasie normalnej pracy ustalonej chronionej przez ochronnik części sieci, lub urządzenia, w dławiku 1 ochronnika płynie prąd i1 o wartości prawie stałej. W zależności od wartości prądu i2, prawie stała wartość prądu i1 jest niezmienna, lub zmienia się w funkcji szczytowych wartości prądu i2:

- przy durych warto świacli prądh i2, drądi 1 ma prawie rtałą, lub zmieniającą «się: powoip wartość równą sumie szczytowej dodatniej wartości prądu zasilającego chronione urządzenie i2 i szczytowej wartości dodatnich impulsów prądu wymuszanych przez SEM w uzwojeniu Z1. Wartość szczytowa dodatnich impulsów prądu w uzwojeniu Z1 jest proporcjonalna do szczytowej wartości prądu i2, zgodnie z zasadą działania przekładnika prądowego. W przedziałach czasu, w których prąd zasilający i2 i prąd w uzwojeniu Z1 mają wartości mniejsze od maksymalnych, prąd i1 jest podtrzymywany kosztem SEM samoindukcji powstającej w dławiku 1, natomiast za dławikiem prąd i1 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 i1 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 i1 maleje powoli. Gdy prąd zasilający i2 i prąd w uzwojeniu Z1 przyjmują wartości dodatnie, prąd i3 płynie częściowo przez diodę 3, a częściowo przez gałąź składającą się z diody 4 i uzwojenia Z1. Gdy suma prądu i2 i prądu w uzwojeniu Z1 osiągnie aktualną wartość prądu i1, który od poprzednio osiągniętej wartości zdążył nieco zmaleć, w uzwojeniu Z1 przekładnika powstaje SEM tak duża, aby wystarczyła do wymuszenia wzrostu prądu i1 do poprzednio osiągniętej wartości maksymalnej i Gdy prąd zasilający i2 i prąd w uzwojeniu Z1 po osiągnięciu wartości szczytowej maleją, prąd i1 płynie kosztem SeM samoindukcji dławika 1 i powoli maleje. Gdy po upływie okresu prądu i2, prąd i2 i prąd

187 641 w uzwojeniu Z1 znów zbliżą się do wartości szczytowej, kosztem SEM w uzwojeniu Z1 prąd ii znów wzrośnie do poprzednio osiągniętej wartości maksymalnej. Jeśli na skutek wzrostu obciążenia wartość prądu i2 rośnie, wzrasta również wartość prądu w uzwojeniu Z1, a to wymusza również wzrost prądu ii. Jednak SEM indukowana w uzwojeniu Z1 nie może przekroczyć swojej maksymalnej możliwej wartości, zależnej od wartości strumienia nasycenia rdzenia przekładnika 10. Niewielka sEm indukowana w uzwojeniu Z1 nie może wymusić szybkiego wzrostu prądu ii. Wskutek tego prąd ii wzrasta proporcjonalnie do wzrostu prądu i2 tylko przy powolnych zmianach prądu i2.

- przy małych wartościacli prądu i2, warto ść prądu ir zal eży tylko odsocoytowej oodat niej wartości napięcia U2 powstającego w uzwojeniu Z2 i nie zależy od wartości prądu ii. W czasie, gdy napięcie U2 jest bliskie wartości maksymalnej, również prąd ii osiąga wartość maksymalną. W przedziałach czasu, w których napięcie U2 ma wartość mniejszą od maksymalnej, prąd ii jest podtrzymywany kosztem SEM samoindukcji powstającej w dławiku i i powoli maleje. Gdy po upływie okresu napięcia U2, napięcie to znów zbliży się do wartości szczytowej, kosztem tego napięcia prąd ii znów wzrośnie do poprzednio osiągniętej wartości maksymalnej.

Prawie stała, lub zmieniająca się powoli ze wzrostem prądu i2 wartość prądu ii 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 o przebiegu prądów ii oraz i3 w pierwszym członie I. Prawie stała, lub powoli zmieniająca się wartość prądu i4 jest jednocześnie dla prądu i2, zasilającego chronione urządzenie, wartością graniczną ujemną

Podczas normalnej pracy chronionego uaeąZzenrą, gdy szczytowe wartości prądu i2 są mniejsze od wartości prądów ii i i4, napięcia na dławikach i 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 Ui.

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 indukcyj^ści jednego dławika. W czasie zwarcia w każdym z członów, tworzących ochronnik, prądy ii 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 ti, gdy napięcie zasiiające Ui ma wartość dodatnią w czasie ti-^t2 prąd zwarcia i2 płynie przez dławik i, na diodach 3, 4 i 5 istnieje wtedy napięcie wsteczne równe napięciu na dławiku i, które w przypadku zwarcia jest w tym przedziale czasu prawie równe napięciu zasilającemu. Prąd nie płynie przez żadną z trzech gałęzi włączonych równolegle do dławika i, czyli prądy ii 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 i i na diodach 3, 4 i 5 istnieje duże napięcie wsteczne, SEM w uzwojeniu Zi 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 magnetocenego. Ponieważ zwarcie musi być szybko wyłączone, wzrost strat w rdzeniu przekładnika prądowego 5 nie stanowi realnego zagrożenia. W chwili t2, w której napięcie zasilające Ui 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 i 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 niezmienioną.

187 641

Po zmianie kierunku napięcia zasilającego U1, 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.

187 641

187 641

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

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Ochronnik indukcyjny adaptacyjny zespolony, do ochrony przeciwzwarciowej w obwodach prądu przemiennego, składający się z szeregowo połączonych dwóch członów, z których każdy zawiera dławik i równolegle z nim połączoną diodę, oraz przekładnika prądowego, znamienny tym, że w każdym z dwóch członów (I i II) równolegle z dławikami (1 i 6) są połączone trzy gałęzie, z których pierwsze gałęzie zawierają pierwsze diody (3 i 7), drugie gałęzie zawierają drugie diody (4, 8), włączone w tym samym kierunku, jak pierwsze diody (3, 7) w pierwszych gałęziach i źródła pomocniczych impulsów prądu, trzecie gałęzie zawierają trzecie diody (5, 9), włączone w tym samym kierunku, jak pierwsze diody (3, 7) w pierwszych gałęziach i źródła pomocniczych napięć przemiennych (ZP1, ZP2) przy czym w drugim członie (II) kierunki włączenia diod (7, 8, 9) względem kierunku prądu zasilającego chronione urządzenie, są przeciwne do kierunku włączenia diod (3, 4, 5) w pierwszym członie (I).
2. 2. Ochronnik według zastrz. 1, znamienny tym, że źródłem (ZP1) pomocniczego napięcia przemiennego w pierwszym członie (I) jest wtórne uzwojenia (Z4) transformatora (T1), a źródłem (ZP2) pomocniczego napięcia przemiennego w drugim członie (II) jest wtórne uzwojenie (Z6) transformatora (T2), zaś źródłami pomocniczych impulsów prądu są wtórne uzwojenia (Z1) 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.