Дистанционная диагностика состояния полупроводниковых приборов устройств силовой электроники

В настоящее время современные силовые преобразователи электрической энергии реализуются на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП), соединяющихся в виде групповых последовательных цепей (ГПЦ). В ходе эксплуатации все СПП подвергаются электрическим и тепловым перегрузкам, что обуславливает возникновение в них процессов старения и деградации, в результате которых на определенном этапе жизненного цикла часть СПП отказывает катастрофически или от изменения величин параметров [1; 3; 5]. В связи с этим для выявления потенциально ненадежных, а также уже отказавших приборов периодически проводится диагностика и контроль СПП с последующим ремонтом преобразователей. Данные операции сложны и затратны, а также требуют высокой квалификации обслуживающего персонала и применения сложной и высокоточной диагностической аппаратуры. При этом современные методы диагностики СПП требуют предварительного полного их демонтажа из преобразователя, проведения испытаний и дальнейшего монтажа в преобразователь. Это обусловлено отсутствием методов и аппаратуры для диагностики состояния СПП в составе преобразователя. В этой связи в настоящее время остается актуальной проблема выявления вышедших из строя полупроводниковых приборов в не демонтированных силовых преобразователях. Анализ литературных источников показывает, что в настоящее время диагностика состояния СПП в составе групповых   последовательных   цепей преобразователей практически отсутствует [2; 4; 6; 7].

Создание устройства, позволяющего проводить диагностику СПП в преобразователе, отключив лишь ГПЦ от силовой линии в месте его работы, с дистанционным контролем и управлением устройства, позволит:

– обеспечить безопасность проведения диагностики;

– повысить производительность технического обслуживания;

– существенно снизить затраты энергии при испытании;

– свести к минимуму функции работника при контроле состояния приборов;

– избавиться от множества соединительных проводов;

– минимизировать размеры испытательного устройства.

Для выявления потенциально ненадежного СПП в групповой последовательной цепи требуется тщательный контроль по различным информативным параметрам в состоянии низкой проводимости полупроводниковых приборов. Для этого разрабатывается устройство, реализуемое на основе функциональной схемы, представленной на рисунке 1.

Рис. 1. Функциональная схема диагностического оборудования.

Основные блоки диагностического оборудования включают:

– силовой испытательный блок (СИБ);

– блоки контроля напряжения (БКН1–БКН4);

– блок контроля тока (БКТ);

– блок дистанционного управления (БДУ);

– персональный компьютер (ПК).

СИБ выполняет функцию формирования испытательного импульса напряжения полусинусоидальной формы u R (рисунок 2) и подачи его на испытуемую цепь группового последовательного соединения VS 1– VS 4. Процесс диагностики проводится в состоянии низкой проводимости полупроводниковых приборов.

Us, В

Рис. 2. Временные зависимости обратного напряжения на тиристорах VS 1– VS 4 в СНП.

БКН1–БКН4 и БКТ, предназначены для считывания величины значения информативного сигнала u R1 –u R4 (рис. 2) и передачи его по беспроводной сети на БДУ. Блоки контроля выполнены в виде навесных автономных устройств с внутренним питанием. Соответственно энергопотребление в таких устройствах является одним из важных факторов. В связи с этим сеть передачи будет реализована на основе Wi-Fi модулей ESP8266 компании Espressif Systems, так как энергопотребление ESP8266 около 60 uA в режиме глубокого сна (с работающими часами реального времени) и меньше 0,5 mA в режиме поддержания связи с точкой доступа Wi-Fi [4; 8].

БДУ выполняет функцию приемника информативного сигнала с БКН1–БКН4 и БКТ и передачи его на ПК. Также БДУ выступает в качестве управляющего блока, позволяющего по беспроводной сети управлять работой БКН1–БКН4, БКТ и СИБ.

ПК является панелью оператора, с помощью которой можно задавать режимы работы всех блоков диагностического устройства, получить и вывести на экран все информативные параметры о состоянии испытуемой цепи. При наличии всех информативных параметров, оператор, проводящий диагностику, с уверенностью может дать заключение о состоянии СПП в групповой последовательной цепи.

Создание устройства, позволяющего проводить диагностику СПП в преобразователе на месте его работы, с дистанционным выведением всех информативных параметров и дистанционным управлением усовершенствует процесс диагностики по многим факторам. Во-первых, диагностика преобразователя проводится без демонтажа всего устройства, от силовой линии отключается только ГПЦ, что позволит уменьшить временные и финансовые затраты. Во-вторых, процесс диагностики станет более безопасным, так как оператор будет находиться на безопасном расстоянии. В-третьих, блоки устройства имеют малые габариты, а количество соединительных проводов сведено к логическому минимуму.