УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 1998 года по МПК H02H7/08 B60L3/04 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям и защитным аппаратам электроподвижного состава, и предназначено для быстрого гашения поля главных полюсов тяговых двигателей, питаемых через тиристорные преобразователи.

В настоящее время для защиты тяговых двигателей на электровозах постоянного тока ВЛ15 обмотки главных полюсов питают через тиристорные преобразователи и применяют быстродействующие контакторы для защиты тяговых двигателей в аварийных режимах, при размыкании контактов которых ток тяговых двигателей начинает протекать через обмотки главных полюсов и выходные цепи преобразователя. При генераторном режиме работы тяговых двигателей их аварийных ток имеет направление, встречное по отношению к направлению тока возбуждения, протекающего от преобразователя. Поскольку величина аварийного тока дви гателей больше тока возбуждения, то результирующий ток через обмотки главных полюсов имеет направление, противоположное по отношению к направлению тока возбуждения. В результате этого происходит уменьшение магнитного потока, создаваемого главными полюсами, и ограничение максимального значения и длительности импульса аварийного тока. Однако длительность протекания аварийного тока через тяговые двигатели и выходные цепи преобразователя электровоза ВЛ15 с такой защитой в зависимости от характера повреждения составляет 0,07-0,15 с, а его максимальное значение достигает 2 кА для преобразователя и 1 кА для двигателей. В случае междувиткового замыкания обмотки якоря тягового двигателя аварийный ток через обмотки главных полюсов одной последовательной ветви двигателей имеет направление, совпадающее с направлением тока возбуждения. При этом вместо уменьшения магнитного потока, создаваемого главными полюсами, имеет место его возрастание, что вызывает дополнительное увеличение аварийного тока в цепи обмотки короткозамкнутой секции якоря. В результате этого повышается вероятность выхода из строя тяговых двигателей.

Известно устройство для защиты тяговых двигателей, обмотки главных полюсов которых подключены к выходу машинного преобразователя через быстродействующий ключ в аварийных режимах при рекуперативном торможении, содержащее конденсатор, подключенный к обмоткам главных полюсов тяговых двигателей через тиристор и диод, соединенные между собой встречно-параллельно, а управляющий переход указанного тиристора через трансформатор и дифференцирующую RC-цепь связан с его анодом и катодом. При наличии такого устройства срабатывание быстродействующего ключа в цепи питания обмоток главных полюсов вызывает резкое увеличение прямого напряжения на тиристоре и протекание короткого импульса тока через дифференцирующую RC-цепь. В результате этого отпирается тиристор и ток обмоток главных полюсов переходит в цепь конденсатора и с некоторого момента меняет свое направление на обратное и протекает через встречный диод. При этом импульс тока обратного направления обеспечивает размагничивание главных полюсов и уменьшает ЭДС тяговых двигателей и аварийный ток через якори. Недостатком такого устройства является невозможность его использования при питании обмоток главных полюсов через тиристорный преобразователь и зависимости амплитуды импульса обратного тока от величины тока возбуждения.

Целью изобретения является обеспечение возможности защиты тяговых двигателей электроподвижного состава быстрым снятием магнитного поля в воздушном зазоре при питании обмоток главных полюсов через тиристорный преобразователь.

Сущность изобретения и его отличительные признаки заключаются в том, что предлагаемое устройство содержит конденсатор, подключенный параллельно обмоткам главных полюсов тяговых двигателей через тиристор и диод, соединенные между собой встречно-параллельно, а управляющий переход указанного тиристора подключен к выходу формирователя импульса тока, вход управления которого соединен с датчиком аварийного тока. При этом обмотки главных полюсов тяговых двигателей подключены к выходным клеммам преобразователя через тиристор.

Сопоставление предлагаемого устройства защиты тяговых двигателей в режиме рекуперативного торможения с известным [1] дает основание считать, что в предлагаемом устройстве при питании обмоток главных полюсов тяговых двигателей через тиросторный преобразователь, зашунтированных в аварийном режиме конденсатором через тиристор и диод, соединенные встречно-параллельно, в отличие от известного управляющий переход указанного тиристора соединен с выходом формирователя импульса тока. При этом обмотки главных полюсов тяговых двигателей в нормальном состоянии соединены с выходными клеммами преобразователя, а указанный конденсатор предварительно заряжен до напряжения заданного уровня. В момент появления аварийного режима с выхода датчика тока поступает сигнал на вход управления ключа и указанного формирователя, происходит их срабатывание и отпирание тиристора и снятие импульсов управления с вентилей выпрямителя преобразователя. При этом заряженный конденсатор подключается к обмоткам главных полюсов двигателей и выходными клеммам преобразователя. Благодаря этому обеспечивается запирание тиристоров выпрямителя, ток через обмотки главных полюсов двигателей переходит в цепь конденсатора и через время, не более 1/4 периода собственных колебаний с момента отпирания тиристора, изменяет свое направление и обеспечивает гашение поля тяговых двигателей. При этом длительность обратной полуволны тока практически не зависит от величины тока возбуждения. Отсюда можно сделать вывод, что изобретение обладает существенными отличительными признаками и преимуществами по отношению к известному устройству.

На фиг. 1 приведены принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 временные диаграммы тока через обмотки главных полюсов и напряжения на конденсаторе, иллюстрирующие его работу; на фиг.3,4 приведены принципиальная схема устройства, обеспечивающего увеличение длительности обратной полуволны тока, и диаграммы напряжения и тока.

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит конденсатор 1, тиристор 2, диод 3, подключенный встречно-параллельно к тиристору, делитель напряжения 4, формирователь коротких импульсов тока 5 и датчик тока аварийного режима 6, выход которого соединен с входами управления указанного формирователя импульсов.

Конденсатор 1 предлагаемого устройства соединен с обмотками главных полюсов 11,12 тяговых двигателей 9,10 через тиристор 2 и диод 3.

Питание обмоток главных полюсов осуществляется от контактной сети через преобразователь, в состав которого входят выпрямитель, выполненный на диодах 13,14 и тиристорах 15,16, автономный инвертор напряжения 19 и силовой трансформатор 20. Управляющие переходы тиристоров инвертора соединены с выходами блока управления 17, а тиристоров 15,16 выпрямителя с выходами фазосдвигающего устройства 18, управляющий вход которого соединен с выходом указанного датчика тока аварийного режима.

Действие предлагаемого устройства заключается в следующем.

В исходном состоянии обмотки главных полюсов 11, 12 тяговых двигателей 9,10 получают питание от контактной сети через автономный инвертор 19, силовой трансформатор 20 и выпрямитель, содержащий диоды 13, 14 и тиристоры 15, 16. При этом конденсатор 1 предлагаемого устройства заряжен до напряжения через делитель 4, а тиристор 2 выключен.

При возникновении аварийного режима, обусловленного коротким замыканием в контактной сети или повреждением одного из тяговых двигателей, в цепи датчика тока 6 появляется резкий бросок тока и на его выходе появляется импульс напряжения U_y, обеспечивающий срабатывание формирователя импульсов тока 5, отпирание тиристора 2 и запирание ключей в цепи формирования импульсов тока на выходе фазосдвигающего устройства 18. В результате этого конденсатор 1 подключается к обмоткам главных полюсов 11,12, а тиристоры 15,16 выпрямителя выключаются и ток возбуждения переходит в цепь контура, образованного указанными обмотками, конденсатором 1 и тиристором 2. При этом напряжение на обмотках главных полюсов U_b (фиг.2) резко увеличивается до напряжения на конденсаторе U_co. В процессе перезаряда конденсатора 1 энергия, запасенная в обмотках главных полюсов, переходит в конденсатор и в момент времени t₂ ток через обмотки главных полюсов i_b становится равным 0, и тиристор 2 выключается. С этого момента ток через обмотки главных полюсов протекает в обратном направлении через диод 3, обеспечивая размагничивание магнитной системы тяговых двигателей и уменьшение их ЭДС до значения, близкого к нуля.

В момент времени t₃ напряжение на конденсаторе становится равным 0 и вся энергия реактивных элементов сосредотачивается в магнитном поле главных полюсов. Пренебрегая потерями в обмотках главных полюсов, максимальное значение тока возбуждения можно определить по формуле

где I_bo- ток через обмотки главных полюсов в момент отпирания тиристора 2;
U_co- напряжение на конденсаторе;
C емкость конденсатора;
L- индуктивность обмоток главных полюсов.

В случае использования предлагаемого устройства на электровозах серии ВЛ10, ВЛ11 параметры оборудования имеют значения L= 10 мГ, C 1000 мкФ, а ток возбуждения и напряжение на конденсаторе равны соответственно 400 A и 2000 B. При этом амплитуда обратной полуволны тока через обмотки главных полюсов при срабатывании устройства получается равной 700 A. При уменьшении тока возбуждения до 150 A амплитуда обратной полуволны тока через обмотки главных полюсов снижается до 611 A.

В момент времени t₄ ток через обмотки главных полюсов становится равным 0 и диод 3 выключается и напряжение на конденсаторе при заданных параметрах становится равным 2400 B.

Длительность импульса обратной полуволны тока через обмотки главных полюсов определяется выражением

и равна 0,01 с.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает протекание обратной полуволны тока через обмотки возбуждения амплитудой, превышающей начальное значение, и длительностью, большей времени срабатывания защитных аппаратов. Благодаря этому обеспечивается гашение поля магнитной системы тяговых двигателей в аварийном режиме.

С целью увеличения длительности обратной полуволны тока через обмотки главных полюсов до значений порядка 0,1-0,2 с предлагаемое устройство дополнено тиристорным ключом 7 и вторым формирователем импульсов тока (фиг.3), обеспечивающим отпирание тиристора указанного ключа в момент, когда напряжение на конденсаторе уменьшается до величины, близкой к нулю. При этом спад обратной полуволны тока через обмотки главных полюсов резко снижаются и повышается эффективность гашения магнитного поля тяговых двигателей благодаря более полному использованию энергии, запасенной в магнитном поле обмоток главных полюсов и конденсаторе.

Использование: в преобразовательной технике, транспортных средствах. Сущность: предлагаемое устройство содержит конденсатор, тиристор и диод, соединенные между собой встречно-параллельно, датчик аварийного тока двигателей, делитель напряжения, выход которого соединен с конденсатором, формирователь импульса тока, выход которого соединен с управляющим переходом тиристора. Кроме того, он снабжен дополнительным тиристором, подключенным к обмоткам главных полюсов, и вторым формирователем импульсов тока, выход которого соединен с управляющим переходом дополнительного тиристора. Это позволяет обеспечить защиту тяговых двигателей электроподвижного состава быстрым снятием магнитного поля в воздушном зазоре при питании обмоток главных полюсов через тиристорный преобразователь. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для защиты тяговых двигателей, содержащее датчик тока двигателей, накопительный конденсатор, тиристор и диод, соединенные между собой встречно параллельно, анод тиристора соединен с первым выводом конденсатора, а катод с первым выводом обмоток главных полюсов, второй вывод указанного конденсатора соединен с вторым выводом обмоток главных полюсов, отличающееся тем, что в него введены делитель напряжения, входные выводы которого соединены с выводами источника, а выходные выводы с первым и вторым выводами указанного конденсатора, и формирователь импульсов тока, выход которого связан с управляющим переходом указанного тиристора, а выход указанного датчика тока соединен с входами управления формирователя импульсов тока и управляющим входом фазосдвигающего устройства выпрямителя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введены дополнительный тиристорный ключ, анод которого соединен с катодом указанного тиристора, а катод с вторыми выводами конденсатора и обмоток главных полюсов, и второй формирователь импульса тока управления, выход которого соединен с управляющим переходом дополнительного ключа, а его входная цепь связана с анодом тиристорного ключа.