УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 1998 года по МПК H02H7/08 B60L3/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты тяговых электродвигателей (ТЭД) городского электротранспорта от перегрузок, связанных с толчками напряжения, возникающими в момент разрыва питающей электрической цепи, например, при прохождении подвижной единицей пересечек, нарушения контакта токоприемника с контактной сетью и т.п.

Как известно, перегрузки и короткие замыкания приводят к перегреву обмоток тяговых электродвигателей, аппаратов, проводов, кабелей, и при недостаточном быстродействии защиты могут вызвать повреждение отдельных элементов электрооборудования и нарушение нормальной коммутации электродвигателей.

Особенно опасные переходные процессы в ТЭД возникают при кратковременных отрывах токоприемников или ошибочном проезде под током изоляционных вставок в контактной сети. При этом происходит перерыв питания с последующим восстановлением напряжения.

Электрооборудование от перегрузок и коротких замыканий защищают с помощью автоматических выключателей, максимальных электромагнитных реле, действующих на линейные контакторы, и плавких предохранителей.

Так, например, в трамвайном вагоне типа КТМ-5М защита ТЭД от толчков тока, которые могут возникать при восстановлении напряжения в контактной сети после кратковременного его исчезновения, осуществляет реле напряжения, которое при пропадании напряжения действует на отключение линейных контакторов (см. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчет электрооборудования подвижного состава городского электротранспорта. М.: Высшая школа, 1976, с. 432).

Аналогичное реле напряжения предусмотрено в силовой схеме трамвайного вагона РВ3-6, которое срабатывает, когда напряжение в контактной сети снижается более 270 В и выключает линейный контактор (см. там же, с.421). В силовую схему вагона "Татра-З" включен контактор заряда SN, который во время исчезновения напряжения в контактной цепи своими блок-контактами отключает контакторы в определенной последовательности (см. там же, с.444).

Для защиты от толчков тока при кратковременных перерывах питания тягового электродвигателя троллейбуса ЗИУ-9Б, имеющего смешанное возбуждение с преобладающей последовательной обмоткой, также используют реле напряжения (нулевое реле). В момент снижения напряжения в контактной сети ниже 50% от номинального или полном его исчезновении якорь реле отпадает и размыкаются его контакты PH, выключая линейные контакторы КЛ1 и КЛ2 (см. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчет троллейбусов. Электрооборудование. 4.2. М.: Высшая школа.1981 с.237, рис.21.1).

Аналогично осуществляется защита электрооборудования в троллейбусе ЗИУ-5 с тяговым электродвигателем смешанного возбуждения и в сочлененном троллейбусе ТС-2 (см. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Электрооборудование и автоматизация подвижного состава городского электротранспорта. М.: Изд-во по строительству. 1965, с. 258- 277).

Однако рассмотренные выше релейно-контакторные схемы не могут обеспечить надежной защиты ТЭД от перепадов напряжения в сети, так как обладают недостаточным быстродействием и не обеспечивают плавного протекания переходных процессов в обмотках ТЭД при толчках напряжения. Кроме того, при каждом срабатывании реле их контакты размыкаются, и в этот момент между ними возникает сильное искрение, обусловленное явлением самоиндукции, возникающей в обмотке возбуждения ТЭД. Это искрение приводит к быстрому обгоранию контактов и снижению срока их службы.

Известно устройство для защиты обмотки электромагнита от обгорания контактов реле в ее цепи, включающее полупроводниковый диод, подключенный параллельно обмотке электромагнита (см. журнал "Радио", 1973 N 9, с. 25). При размыкании контактов ток самоиндукции замыкается через диод и обгорание контактов резко уменьшается. В устройстве может быть использован любой диод, допускающий в импульсном режиме ток около 2А. Однако данное устройство не сможет работать в условиях больших перепадов (толчков) тока, которые могут возникнуть в цепи обмотки тягового электродвигателя.

Резкие толчки напряжения в сети опасны для двигателей тем, что при быстром нарастании тока в якоре в станине и в сердечниках добавочных полюсов возникают вихревые токи, задерживающие нарастание магнитного потока добавочных полюсов. Вследствие этого получается недокомпенсация реактивной ЭДС в коммутирующих секциях, что может вызвать вспышку под щетками. Для защиты электродвигателя от таких явлений параллельно обмотке возбуждения ТЭД подсоединяют разрядное сопротивление, которое способствует снижению перенапряжения. Такое решение применено, например, в силовой схеме вагона КТМ-5МЗ (см. Корягина Е.Е., Коськин О.А. Электрооборудование трамваев и троллейбусов. М.: Транспорт, 1982, с. 172, рис.86), где обмотки возбуждения четырех попарно включенных тяговых электродвигателей попарно зашунтированы двумя резисторами. Аналогичное решение использовано для защиты от толчков напряжения тяговых электродвигателей трамвайного вагона РВ3-7 (см. там же, с.246, рис. 118). При этом резисторы Кш1 и К.ш2 шунтируют обмотки возбуждения ТЭД и ограничивают максимальные напряжения на них, снижая воздействие ЭДС самоиндукции на обмотки ТЭД.

Однако при шунтировании обмоток возбуждения ТЭД только активным сопротивлением появляются нежелательные переходные процессы при резких колебаниях напряжения в контактной цепи. Процесс усложняется тем, что из-за реакции якоря и недостаточного возбуждения магнитное поле чрезмерно искажается, что сопровождается повышением максимального значения межсегментного напряжения и может привести к образованию кругового огня на коллекторе ТЭД.

Применение тиристорно-импульсного регулирования возбуждения ТЭД обеспечивает более плавное протекание переходных процессов в ТЭД при толчках напряжения в сети и регулировании магнитного поля.

Известно устройство тиристорно-импульсного регулирования ТЭД, в схему которого входит тиристорно-импульсный преобразователь (ТИП), который может быть выполнен по любой из схем, и устройство для ослабления магнитного поля (см. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчет электрооборудования подвижного состава городского электротранспорта. М.: Высшая школа, 1976, с.200-201). В устройство входят тиристор, включенный последовательно с шунтирующим сопротивлением, шунтирующий диод и разрядный резистор. Обмотка якоря вместе с добавочным дросселем шунтирована диодом.

Известно также устройство для защиты тяговых электродвигателей (авт. св. СССР N 527792, кл. H 02H 7/08, опублик. 1976), которое принято за прототип, содержащее тиристорный регулятор возбуждения с блоком управления, сравнивающий триод, база которого присоединена к источнику опорного напряжения и к датчику тока двигателя, дополнительный датчик тока и электронный ключ. Обмотка тягового двигателя зашунтирована обратным диодом.

При потере напряжения в контактной сети тиристорный регулятор переводится в закрытое состояние, а ток обратной полярности, возникающий при этом в обмотке ТЭД под действием ЭДС самоиндукции, протекает через обратный диод.

Однако, как показывают экспериментальные исследования, процесс нарастания ЭДС самоиндукции в обмотке возбуждения ТЭД при кратковременном обрыве питающей цепи носит ударный характер и сопровождается кратковременным затухающим колебательным процессом в контуре, образованном индуктивностью обмотки и ее межвитковой емкостью. Амплитуда колебательного процесса в максимуме достигает 4-6 кВ при рабочем напряжении в обмотке 550-600 В. Из-за кратковременности ударного импульса обратный диод не успевает открыться, и при отсутствии специальной защиты может возникнуть аварийная ситуация, связанная с возникновением дуги и выгоранием контактных групп реле и других переключающих устройств, включая электронные. Это явление не позволяет обеспечить надежную защиту ТЭД после кратковременной потери питания, например, при проезде токоразделов, отрыве токоприемника от контактного провода и т.п.

Кроме того, тиристорно-импульсные устройства защиты ТЭД достаточно сложны в эксплуатации, и при их использовании следует учитывать влияние пульсаций тока и напряжения. Выбор схемы тиристорно- импульсного регулирования ТЭД является сложной технико-экономической задачей, требующей дополнительной проработки для каждого конкретного типа электроподвижного состава.

Изобретение решает задачу повышения надежности защиты ТЭД от перенапряжений (опасных бросков тока), связанных с кратковременной потерей напряжения, и упрощения схемы защиты.

Для этого устройство для защиты тяговых электродвигателей, содержащее диод, подключенный параллельно обмотке возбуждения ТЭД, дополнительно снабжено последовательно соединенными диодным мостом, в одну диагональ которого включен резистивно-емкостной фильтр, и разделительным конденсатором, подсоединенным к другой диагонали диодного моста. При этом диодный мост и разделительный конденсатор подключены параллельно обмотке возбуждения ТЭД.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - осциллограмма ударного импульса, воздействующего на обмотку ТЭД при отсутствии предлагаемого устройства: на фиг.3 - осциллограмма напряжения на обмотке при шунтировании ее активным сопротивлением; на фиг.4 - осциллограмма напряжения при шунтировании обмотки обратным диодом, как в прототипе; на фиг. 5 - осциллограмма напряжения на обмотке возбуждения при наличии предлагаемого устройства в цепи.

Устройство содержит диод 1, подключенный параллельно обмотке 2 возбуждения ТЭД, диодный мост, состоящий из четырех высокочастотных диодов 3-6, в диагональ которого включен резистивно-емкостной RC-фильтр из резистора 7 и конденсатора 8, и разделительный конденсатор 9, подключенный к другой диагонали диодного моста. Эта последовательная цепь из диодного моста (диодов 3-6) и разделительного конденсатора 9 подсоединена параллельно обмотке 2 возбуждения ТЭД.

Устройство работает следующим образом.

При обычной работе ТЭД в режиме тяги через обмотку 2 возбуждения протекает штатный рабочий ток под действием приложенного рабочего напряжения U_p в сети. При этом диод 1 закрыт, обмотка зашунтирована его обратным сопротивлением R_обр (R_обр → oo), которое практически не оказывает влияния на работу ТЭД. Разделительный конденсатор 9 заряжен до напряжения, под которым находится обмотка 2.

В момент разрыва электрической цепи (потери напряжения на токоприемнике подвижного электротранспортного средства) рабочий ток через обмотку 2 резко уменьшается, напряжение падает до нуля, и на концах обмотки возникает ЭДС самоиндукции обратной полярности, под действием которой диод 1 открывается, но только тогда, когда ЭДС самоиндукции превысит уровень запирающего напряжения.

В качестве диода 1 используют мощный диод, рассчитанный на напряжение до 2000В, время отпирания p-n-перехода которого составляет доли миллисекунды. В то же время, как уже упоминалось выше, при кратковременном обрыве питающей цепи процесс нарастания ЭДС самоиндукции в обмотке возбуждения носит ударный характер. При этом индуктивность обмотки возбуждения вместе с межвитковой емкостью обмотки образуют колебательный контур, который реагирует на кратковременное пропадание напряжения на контактах обмотки 2 затухающим колебательным процессом с первичным ударным импульсом, крутой фронт которого имеет длительность до 0,1 мкс, а амплитуда U_max в несколько раз превышает величину рабочего напряжения на обмотке (фиг. 2-4). В результате этого мощный диод 1, подключенный параллельно обмотке возбуждения 2, не успевает открыться этим импульсом.

Этот ударный импульс проходит через разделительный конденсатор 9, перезаряжая его, после чего частично сглаженный импульс поступает на диодный мост из высокочастотных диодов 3-6 и проходит через цепочку диод 3, резистор 7, диод 6, рассеиваясь в виде тепла на резисторе 7 (фиг. 5). Конденсатор 8 шунтирует резистор 7, чтобы не допустить падения напряжения на нем, опасного по величине для p-n-переходов высокочастотных диодов.

Когда ЭДС самоиндукции на обмотке 2 достигает уровня запирающего напряжения, диод 1 открывается, и обмотка 2 шунтируется его малым прямым сопротивлением R_пр (R_пр → 0), что снижает уровень коммутационных перенапряжений.

Таким образом, предлагаемая схема позволяет эффективно демпфировать колебательный процесс, возникающий в электрической схеме ТЭД при кратковременном отрыве токоприемника от контактной сети, что повышает надежность защиты тяговых электродвигателей городского электротранспорта. Кроме того, эта схема проста в изготовлении и не требует дополнительных регулировок.

Использование: для защиты тяговых электродвигателей (ТЭД) городского электротранспорта от перегрузок, связанных с толчками напряжения, возникающими в момент разрыва питающей электрической цепи, например, при прохождении подвижной единицей пересечек, нарушения контакта токоприемника с контактной сетью и т.п. Сущность изобретения: устройство для защиты тяговых электродвигателей, содержащее диод, подключенный параллельно обмотке возбуждения ТЭД, дополнительно снабжено последовательно соединенными диодным мостом, в одну диагональ которого включен резистивно-емкостной фильтр, и разделительным конденсатором, подсоединенным к другой диагонали диодного моста. При этом диодный мост и разделительный конденсатор подключены параллельно обмотке возбуждения ТЭД. Изобретение решает задачу повышения надежности защиты ТЭД от перенапряжений (опасных бросков тока), связанных с кратковременной потерей напряжения, и упрощения схемы защиты. 5 ил.

Устройство для защиты тяговых электродвигателей, содержащее диод, подключенный параллельно обмотке возбуждения тягового электродвигателя, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено последовательно соединенными диодным мостом, в одну диагональ которого включен резистивно-емкостный фильтр, и разделительным конденсатором, подсоединенным к другой диагонали диодного моста, причем диодный мост и разделительный конденсатор подключены параллельно обмотке возбуждения.