RU2119707C1

RU2119707C1 - Single-phase reversal protective device for off- line inverters built around turn-off thyristors

Info

Publication number: RU2119707C1
Application number: RU96118527A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Шершнев; Л.Л. Балыбердин; М.К. Гуревич
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 1998-09-27

Abstract

FIELD: units and devices incorporating off-line inverters built around turn-off thyristors, such as no-break power supplies, induction-motor drives, frequency changers of induction-heating devices, and the like. SUBSTANCE: device incorporating turn-off pulse shapers for both thyristors of one phase, turn-on pulse shapers for both thyristors of same phase, status sensors connected in parallel with control inputs of these thyristors, and primary control pulse unit whose outputs are connected to inputs of turn-off and turn-on pulse shapers for both thyristors is provided, in addition, with normally open switching device introduced in each thyristor controlled by status sensor of other thyristor so that switching device is closed only when status sensor responds to negative potential across gate electrode of cut- off thyristor. EFFECT: improved reliability in preventing accident developing due to single- phase reversal in any type of inverters built around turn-off power thyristors. 1 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в различных агрегатах и устройствах, содержащих автономные инверторы на запираемых тиристорах: источниках бесперебойного питания, электроприводе асинхронных двигателей, преобразователях частоты, устройствах индукционного нагрева и так далее. The invention relates to a conversion technique and can be used in various units and devices containing autonomous inverters with lockable thyristors: uninterruptible power supplies, electric drives of induction motors, frequency converters, induction heating devices, and so on.

Известно устройство защиты инвертора, содержащее датчик состояния и полупроводниковый выключатель [1]. Такое устройство предотвращает протекание сверхтока через тиристоры при возникновении короткого замыкания на входе. Принципиальным его недостатком является то обстоятельство, что однофазное опрокидывание инвертора не предотвращается, а лишь исключается пробой тиристоров в процессе аварии. Кроме того, для силовых запираемых тиристоров (СЗТ) такой способ защиты технически трудно реализуем из-за относительно низкой по сравнению с традиционными тиристорами перегрузочной способности СЗТ. A device for protecting an inverter is known, comprising a state sensor and a semiconductor switch [1]. Such a device prevents the overcurrent from flowing through the thyristors when a short circuit occurs at the input. Its principal drawback is the fact that single-phase overturning of the inverter is not prevented, but the breakdown of thyristors during the accident is only eliminated. In addition, for power lockable thyristors (NWT), this method of protection is technically difficult to implement due to the relatively low overload capacity of NWT compared to traditional thyristors.

Устройства [2, 3] содержат датчики напряжения между управляющими электродами переключающего элемента, но выдают сигналы синхронно только в период проводящего состояния этого элемента (плеча инвертора). Сигнал с датчика подается на схему защиты, которая срабатывает при превышении заданного значения либо током [2], либо длительностью сигнала [3]. Устройства [2, 3] характеризуются теми же недостатками, что и [1]: защита срабатывает при развитии аварии, что весьма нежелательно для СЗТ. Devices [2, 3] contain voltage sensors between the control electrodes of the switching element, but they give out signals synchronously only during the period of the conducting state of this element (inverter arm). The signal from the sensor is fed to the protection circuit, which is triggered when the specified value is exceeded either by current [2] or by the signal duration [3]. Devices [2, 3] are characterized by the same drawbacks as [1]: protection is triggered when an accident develops, which is highly undesirable for NWT.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство защиты автономного инвертора на СЗТ, описанное в [4]. В состав этого устройства, принятого за прототип, входят формирователи импульсов управления всех запираемых тиристоров инвертора, датчики состояния, подключенные параллельно управляющим входам этих тиристоров, и система первичных управляющих импульсов инвертора. Концепция защиты инвертора этим устройством базируется на принципе защитного отключения. Состояние СЗТ регистрируется датчиками и сообщается назад в систему первичных управляющих импульсов инвертора. При появлении помехи на все СЗТ подается сигнал на отключение. Соответственно принимаются меры по подключению специальных устройств, исключающих перенапряжения в силовой цепи инвертора, вызванные нештатным прерыванием тока. Closest to the proposed device is the protection of an autonomous inverter on NWT, described in [4]. The structure of this device, adopted as a prototype, includes shapers of control pulses of all lockable thyristors of the inverter, status sensors connected in parallel to the control inputs of these thyristors, and a system of primary control pulses of the inverter. The inverter protection concept of this device is based on the principle of protective shutdown. The state of NWT is recorded by the sensors and reported back to the inverter's primary control pulse system. When interference occurs, a signal to turn off is transmitted to all NWT. Accordingly, measures are being taken to connect special devices that exclude overvoltage in the inverter power circuit caused by abnormal current interruption.

Недостаток устройства, выполненного по [4], состоит в том, что для того, чтобы система первичных импульсов могла отличать сигналы помехи от штатных во всех режимах работы инвертора, она должна быть оснащена весьма большой по оперативной памяти ЭВМ с высоким быстродействием. Эта диагностическая ЭВМ должна постоянно контролировать поступающие от периферийных систем (датчиков) сигналы и сравнивать эти фактические сигналы с заданными. Время обработки фактических и выдачи обратных сигналов вместе с временем формирования запирающего импульса должно быть не более времени нарастания тока в СЗТ до уровня номинального. В противном случае СЗТ теряет свою способность запираться управляющим сигналом, а неудачная попытка к запиранию приводит к пробою плеча инвертора. Кроме того, прерывание значительных токов требует установки специальных средств защиты оборудования от перенапряжений. The disadvantage of the device made according to [4] is that in order for the system of primary pulses to be able to distinguish interference signals from the standard ones in all operating modes of the inverter, it must be equipped with a computer with a very large RAM memory with high speed. This diagnostic computer must constantly monitor the signals received from peripheral systems (sensors) and compare these actual signals with the set ones. The time of processing the actual and issuing feedback signals together with the time of formation of the blocking pulse should be no more than the time of the current rise in the NWT to the nominal level. Otherwise, NWT loses its ability to lock with a control signal, and an unsuccessful attempt to lock leads to a breakdown of the inverter arm. In addition, interruption of significant currents requires the installation of special equipment to protect equipment from overvoltages.

Задачей данного изобретения является создание устройства защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах, позволяющее исключить ложное включение одного плеча инвертора в данной фазе при включенном или закороченном другом плече той же фазы. The objective of the invention is to provide a protection device for an autonomous inverter with lockable thyristors, which eliminates the false inclusion of one arm of the inverter in this phase when the other arm of the same phase is switched on or shorted.

Сущность изобретения состоит в том, что у предлагаемого устройства защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах от однофазного опрокидывания, в состав которого входят формирователи импульсов запирания обоих тиристоров одной фазы, формирователи импульсов включения обоих тиристоров той же фазы, датчики состояния, подключенные параллельно управляющим входам этих тиристоров, и блок первичных управляющих импульсов, выходы которого соединены с входами формирователей импульсов запирания и формирователями импульсов включения обоих тиристоров фазы инвертора, имеются следующие особенности:
последовательно в цепь первичных импульсов включения каждого тиристора дополнительно введено по нормально разомкнутому ключевому устройству,
управляющий вход ключевого устройства, установленного в канал включения первого тиристора, соединен с выходом датчика состояния, подключенного к второму силовому запираемому тиристору,
управляющий вход ключевого устройства, установленного в канал включения второго тиристора, соединен с выходом датчика состояния, подключенного к первому силовому запираемому тиристору.The essence of the invention lies in the fact that the proposed device for protecting an autonomous inverter with lockable thyristors from single-phase overturning, which includes pulse shapers of blocking of both thyristors of the same phase, pulse shapers of switching on of both thyristors of the same phase, state sensors connected in parallel to the control inputs of these thyristors , and a block of primary control pulses, the outputs of which are connected to the inputs of the formers of the locking pulses and the formers of the switching pulses of of thyristors phase inverter, has the following features:
sequentially in the circuit of primary pulses of inclusion of each thyristor is additionally introduced through a normally open key device,
the control input of the key device installed in the channel for turning on the first thyristor is connected to the output of the state sensor connected to the second lockable power thyristor,
the control input of the key device installed in the channel for turning on the second thyristor is connected to the output of the state sensor connected to the first lockable thyristor.

При таком выполнении устройства защиты инвертора обеспечивается:
исключение возможности формирования включающего импульса СЗТ от случайного помехового сигнала любого происхождения,
невозможность включения второго плеча одной фазы инвертора при пробитом первом плече, что исключает развитие аварийного короткого замыкания на входе инвертора и в два раза уменьшает число пробитых СЗТ в случае пробоев какого-бы то ни было происхождения (например, при перенапряжениях),
предотвращение, а не прерывание (как в прототипе) развития аварийного процесса короткого замыкания на входе инвертора,
принцип защиты инвертора состоит не в защитном отключении, а в блокировке включения, что исключает особые требования к быстродействию электронных систем и не приводит к необходимости включения в состав первичной системы управления мощных ЭВМ,
отсутствие дополнительных устройств защиты от перенапряжений.With this embodiment, the inverter protection device provides:
the exclusion of the possibility of forming a switching pulse of NWT from a random interfering signal of any origin,
the impossibility of turning on the second arm of one phase of the inverter when the first arm is broken, which eliminates the development of an emergency short circuit at the inverter input and halves the number of broken NWTs in the event of breakdowns of any origin (for example, during overvoltage),
prevention, and not interruption (as in the prototype) of the development of the emergency process of a short circuit at the inverter input,
the protection principle of the inverter is not a protective shutdown, but a blocking of the inclusion, which eliminates the special requirements for the speed of electronic systems and does not lead to the need to include powerful computers in the primary control system,
lack of additional surge protection devices.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах от однофазного опрокидывания. The drawing shows a diagram of the proposed device for protecting an autonomous inverter with lockable thyristors from single-phase tipping.

Устройство защиты содержит формирователи импульсов запирания 1 и 2 для управления соответственно тиристором верхнего VG1 и нижнего VG2 плеча инвертора, формирователи импульсов включения 3 и 4 для VG1 и VG2 соответственно, два датчика состояния входного управляющего перехода 5 и 6, подсоединенные к управляющим входам VG1 и VG2 соответственно, и блок 7 первичных управляющих импульсов, выходы которого соединены с входами формирователей импульсов запирания и формирователями импульсов включения обоих тиристоров фазы инвертора. Последовательно в каждой из цепей первичного включающего сигнала содержится по нормально разомкнутому ключевому устройству 8 и 9, причем управляющий вход ключевого устройства 8 подсоединен к управляющему выходу датчика состояния 6, а управляющий вход ключевого устройства 9 - к управляющему выходу датчика 5. The protection device contains a shaper of locking pulses 1 and 2 for controlling the thyristor of the upper VG1 and lower VG2 of the inverter arm, shaper of switching pulses 3 and 4 for VG1 and VG2, respectively, two status sensors of the input control transition 5 and 6, connected to the control inputs VG1 and VG2 respectively, and the block 7 of the primary control pulses, the outputs of which are connected to the inputs of the formers of the locking pulses and formers of the switching pulses of both thyristors of the inverter phase. In series, each of the circuits of the primary switching signal contains a normally open key device 8 and 9, and the control input of the key device 8 is connected to the control output of the state sensor 6, and the control input of the key device 9 is connected to the control output of the sensor 5.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Блок 7 первичных управляющих импульсов инвертора посылает импульс на включение тиристора VG1 формирователем 3. Если в это время тиристор VG2 заперт, а его формирователь запирающих сигналов 2 исправен, то последний формирует на управляющем переходе VG2 отрицательное смещение, которое фиксируется датчиком 6; в этом случае датчик 6 выдает на ключевое устройство 8 сигнал на замыкание последнего и входной включающий импульс проходит к управляющему переходу VG1. СЗТ VG1 включается. Фаза инвертора находится в штатном рабочем состоянии: верхний тиристор включен, нижний заперт; ток в нагрузке Iн имеет направление, показанное на чертеже. Напряжение на управляющем переходе VG1 и входе датчика 5 неотрицательное (нулевое или небольшое, примерно 1-2В, положительное), что означает отсутствие сигнала на выходе датчика и приводит к разомкнутому состоянию ключевого устройства 9. Если в этот период времени по какой-бы то ни было причине по каналу включения VG2 формируется сигнал любой мощности, ключевое устройство 9 блокирует прохождение этого сигнала. Block 7 of the primary control pulses of the inverter sends a pulse to turn on the thyristor VG1 by the driver 3. If at this time the thyristor VG2 is locked and its driver of the blocking signals 2 is healthy, the latter generates a negative bias at the control transition VG2, which is detected by sensor 6; in this case, the sensor 6 gives to the key device 8 a signal to close the last one and the input switching pulse passes to the control transition VG1. NWT VG1 turns on. The inverter phase is in normal operating condition: the upper thyristor is on, the lower one is locked; the current in the load In has the direction shown in the drawing. The voltage at the control junction VG1 and sensor input 5 is non-negative (zero or small, approximately 1-2V, positive), which means that there is no signal at the sensor output and leads to the open state of the key device 9. If at any time there was a reason that a signal of any power is generated on the VG2 switching channel, the key device 9 blocks the passage of this signal.

При переключении плечей инвертора на VG1 подается запирающий сигнал, а на VG2 - включающий. Как только на управляющем входе VG1 сформируется отрицательное напряжение (то есть за время задержки выключения тиристора), датчик 5 выдаст сигнал на замыкания ключевого устройства 9 и СЗТ VG2 включится. С этого момента ключ 8 разомкнут и исключает ошибочное включение VG1. When switching the inverter arms, a blocking signal is supplied to VG1, and a switching signal is supplied to VG2. As soon as a negative voltage is generated at the control input VG1 (that is, during the time the thyristor is turned off), the sensor 5 will give a signal to the short circuits of the key device 9 and the NWT VG2 will turn on. From this moment, the key 8 is open and eliminates the erroneous inclusion of VG1.

Аналогично работает устройство защиты в случае пробоя одного из СЗТ, поскольку при пробое структуры тиристора пробивается и его управляющий электрод. В этом случае на переходе управления не может сформироваться фиксируемое отрицательное напряжение, поскольку напряжение источника, входящего в состав формирователя запирающего сигнала 1 или 2, высаживается на собственном внутреннем сопротивлении формирователей. В итоге сигнал на размыкание ключевого устройства не может сформироваться никогда, инвертор выводится из работы, но авария не развивается. The protection device works similarly in the event of a breakdown of one of the NWTs, since during the breakdown of the thyristor structure its control electrode also breaks through. In this case, a fixed negative voltage cannot be formed at the control transition, since the voltage of the source included in the shaper of the blocking signal 1 or 2 is deposited on the shapers' own internal resistance. As a result, the signal to open the key device can never be formed, the inverter is taken out of operation, but the accident does not develop.

В качестве датчика и ключевого устройства могут быть использованы, например, соответственно фотодиод, подключенный катодом к электроду управления СЗТ, и управляемый им по свету оптотранзистор, установленный последовательно в канале первичного импульса включения. As a sensor and a key device, for example, a photodiode connected by a cathode to an NWT control electrode and an optical transistor controlled by it, mounted in series in a channel of a primary switching pulse, can be used, respectively.

В качестве формирователей включающих и запирающих импульсов желательно использовать устройства, описанные в [5]. As shapers of switching and blocking pulses, it is desirable to use the devices described in [5].

Таким образом, задача изобретения выполнена: исключена возможность ложного включения одного плеча инвертора в данной фазе при включенном или закороченном другом плече той же фазы. Тем самым исключается развитие аварии однофазного опрокидывания (короткого замыкания на входе) инвертора любого типа на базе СЗТ. Thus, the objective of the invention is accomplished: the possibility of a false inclusion of one arm of the inverter in this phase when the other arm of the same phase is on or shorted is excluded. This excludes the development of a single-phase overturning accident (short circuit at the input) of any type of inverter based on NWT.

Источники информации. Sources of information.

1. РСТ (WO), европейский патент N 94/10733, кл. H 02 H 7/122, Устройство защиты инверторов. 1. PCT (WO), European patent N 94/10733, class. H 02 H 7/122, Inverter protection device.

2. Патент Японии N ВИ 4-74929, кл. H 02 H 7/12. Устройство защиты от максимального тока. 2. Japan Patent No. VI 4-74929, cl. H 02 H 7/12. Overcurrent protection device.

3. Патент Японии N ВИ 4-65614, кл. H 02 H 7/122. Устройство защиты токового инвертора. 3. Japan Patent No. VI 4-65614, cl. H 02 H 7/122. Current inverter protection device.

4. Тяговое оборудование двухсистемного электровоза серии 1822 Австрийских федеральных железных дорог. Обзор АББ, N 4, 1992, с. 15-22. 4. Traction equipment of a two-system electric locomotive of the 1822 series of the Austrian Federal Railways. ABB Review, N 4, 1992, p. 15-22.

5. А.С. СССР, кл. H 02 M 1/08, 7/20. Способ выключения запираемого тиристора. Л.Л. Балыбердин, М.К. Гуревич. Б.А. Шершнев. Опубл. Б.И. N 24, 1992. 5. A.S. USSR, class H 02 M 1/08, 7/20. The way to turn off the lockable thyristor. L.L. Balyberdin, M.K. Gurevich. B.A. Shershnev. Publ. B.I. N 24, 1992.

Claims

A device for protecting an autonomous inverter on lockable thyristors against single-phase overturning, which includes two pulse shapers of locking two lockable thyristors of one phase, two pulse shapers of switching on two lockable thyristors of the same phase, two status sensors connected in parallel to the control inputs of the corresponding lockable thyristors, and a unit primary control pulses of inclusion and locking, the corresponding outputs of which are connected to the inputs of the respective pulse shapers switching on and locking two lockable thyristors, characterized in that a corresponding normally open key device is introduced in series into the circuit of primary control pulses of each lockable thyristor, the control input of said key device installed in the circuit of primary control pulses of turning on the first lockable thyristor connected to the output the state sensor associated with the second lockable thyristor, and the control input of the key device installed in the circuit l primary control pulses of the inclusion of the second lockable thyristor, connected to the output of the state sensor associated with the first lockable thyristor.