Способ и реализующее его устройство защиты от коммутационных перенапряжений тиристорно-импульсных систем управления трамвайными вагонами городского электрического транспорта Российский патент 2017 года по МПК H02H9/04 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам и устройствам защиты от перенапряжений, и может быть использовано для глубокого ограничения коммутационных перенапряжений, обусловленных сбросом электромагнитной энергии индуктивности тяговой контактной сети в конденсатор фильтра тиристорно-импульсных систем управления (ТИСУ) электроподвижным составом при внешних коротких замыканиях.

Известны способы и реализующие их устройства ограничения коммутационных перенапряжений, основанные на использовании различных демпфирующих элементов: последовательно и параллельно соединенных резистора и конденсатора [1, 2]; только конденсатора [3]; разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжений [4, 5].

Недостатком указанных способов защиты и реализующих их устройств является то, что они не в состоянии обеспечить при энергиях перенапряжения в десятки тысяч джоулей эффективного гашения коммутационных перенапряжений на входе ТИСУ трамвайных вагонов городского электрического транспорта.

Наиболее близкими к предлагаемому способу и реализующему его устройству защиты от коммутационных перенапряжений являются способ и реализующее его устройство, описанные в [6].

Суть способа, описанного в [6], заключается в ограничении коммутационных перенапряжений при помощи демпфирующего конденсатора и двух демпфирующих резисторов, одновременно подключаемых параллельно демпфирующему конденсатору в момент начала перенапряжения и поочередно отключаемых в моменты достижения током через индуктивность сети глобальных минимумов, для чего сравнивают напряжение на демпфирующем конденсаторе с пороговым напряжением, и в момент его первого снижения после выброса, вызванного одновременным подключением демпфирующих резисторов, ниже порогового уровня формируют вначале два сигнала, один из которых обеспечивает отключение одного из демпфирующих резисторов, имеющим меньшее значение сопротивления, а другой блокирует повторное подключение демпфирующих резисторов при выбросах напряжения, обусловленных их отключениями, затем, продолжая контролировать напряжение на демпфирующем конденсаторе, формируют в момент его первого снижения ниже порогового уровня после выброса, вызванного отключением первого демпфирующего резистора, третий сигнал, обеспечивающий отключение второго демпфирующего резистора, имеющего большее значение сопротивления.

Устройство для защиты от коммутационных перенапряжений, реализующее описанный в [6] способ, содержит: демпфирующий конденсатор; шунтирующий узел, выполненный на резисторе и тиристоре с блоком гашения, содержащем гасящий тиристор, дроссель, гасящий конденсатор и зарядный диод; восстанавливающий узел, выполненный на тиристоре с блоком гашения и элементе времени с двумя выходными обмотками, выдающем управляющие импульсы на гасящие тиристоры шунтирующего и восстанавливающего узлов; две демпфирующие резисторные ветви, каждая из которых состоит из последовательно соединенных силового тиристора со схемой гашения и демпфирующего резистора, параллельно которому через запускающий тиристор подключено по два элемента времени, обеспечивающих поочередное отключение демпфирующих резисторов в моменты достижения током через индуктивность сети глобальных минимумов.

Недостатком данного способа и реализующего его устройства является низкая эффективность защиты ТИСУ трамвайных вагонов городского электрического транспорта от коммутационных перенапряжений при отключении аварийных коротких замыканий в тяговой сети, проявляющаяся в невозможности обеспечить глубокое ограничение коммутационных перенапряжений при установленной на трамвайных вагонах емкости конденсатора входного фильтра ТИСУ в 4800…5000 мкФ.

Сказанное можно проиллюстрировать на следующем примере. Для ограничения на входе ТИСУ трамвайного вагона типа ТЗМ при помощи способа и реализующего его устройства, описанного в [6], коммутационных перенапряжений до уровня, например, не выше 800 вольт, обусловленных отключением тока короткого замыкания величиной в 1500 ампер (при параметрах тяговой сети: напряжение питания - 600 В; индуктивность сети 10,05 мГн; индуктивность фильтра 1 мГн; начальное значение напряжения на конденсаторе фильтра ТИСУ - 600 В), потребуется конденсатор фильтра емкостью 21327 мкФ (β₀=0,551, k₀=2,011, γ=1,7995, см. выражения (36), (31), (30) и (34) в [6]). Полученная емкость превышает в 4,44 раза емкость конденсатора фильтра (4800 мкФ), установленного на входе ТИСУ трамвайного вагона типа ТЗМ, что технически и экономически для трамвайных вагонов городского электрического транспорта не приемлемо.

Цель изобретения - повышение эффективность защиты ТИСУ трамвайных вагонов городского электрического транспорта от коммутационных перенапряжений, обусловленных сбросом электромагнитной энергии индуктивности тяговой контактной сети в конденсатор фильтра ТИСУ при отключении аварийных коротких замыканий в тяговой сети, за счет снижения их кратности до минимально возможного уровня при установленной на трамвайных вагонах емкости конденсатора входного фильтра ТИСУ в 4800…5000 мкФ.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе защиты от коммутационных перенапряжений энергию, запасенную в индуктивности тяговой сети при протекании тока короткого замыкания, рассеивают, после отключения короткого замыкания, не в двух, а в трех демпфирующих резисторах, одновременно подключаемых параллельно конденсатору фильтра ТИСУ в момент, когда напряжение на конденсаторе фильтра достигает порогового значения, и поочередно отключаемых в моменты достижения током через индуктивность сети установившихся значений, для чего после одновременного подключения трех демпфирующих резисторов формируют, через интервал времени, превышающий время переходного процесса, три управляющих сигнала, один из которых обеспечивает отключение одного из трех демпфирующих резисторов, другой блокирует повторное подключение демпфирующих резисторов при выбросах напряжения, обусловленных их поочередным отключением, а третий запускает элемент времени, обеспечивающий формирование управляющих сигналов на отключение второго демпфирующего резистора через интервал времени, превышающий время переходного процесса после отключения первого демпфирующего резистора, и запуск элемента времени, обеспечивающего формирование управляющего сигнала на отключение оставшегося демпфирующего резистора через интервал времени, превышающий время переходного процесса после отключения второго демпфирующего резистора. Причем отключение демпфирующих резисторов осуществляется в последовательности возрастания их сопротивлений, оптимальные значения которых определяются на основе критерия оптимального распределения электромагнитной энергии индуктивности тяговой контактной сети, сбрасываемой в конденсатор фильтра ТИСУ трамвайного вагона при отключении аварийных коротких замыканий, между конденсатором фильтра ТИСУ и демпфирующими резисторами из выражений:

для β₀<2, k₀₂⋅β₀>2, k₀₁⋅β₀>2:

-для β₀<2, k₀₂⋅β₀<2, k₀₁⋅β₀>2:

- для β₀<2, k02⋅β₀<2, k₀₁⋅β₀<2:

где

k₀₂=(R₀₁+R₀₂); k₀₁=(R₀₁×R₀₂+R₀₁×R₀₃+R₀₂×R₀₃)/(R₀₂×R₀₃);

U_cm0/E=(1+β₀);

R₀₁, R₀₂, R₀₃, С_0ф - оптимальные значения сопротивлений демпфирующих резисторов и емкости конденсатора фильтра ТИСУ трамвайного вагона;

L_э - эквивалентная индуктивность тяговой сети;

L_ф - индуктивность фильтра ТИСУ трамвайного вагона;

i_L(t₁) - ток через индуктивности L_э и L_ф в момент одновременного подключения демпфирующих резисторов параллельно конденсатору фильтра ТИСУ;

Е - напряжения на шинах тяговой преобразовательной подстанции;

U_cm0 - максимальный выброс напряжения на входе ТИСУ трамвайного вагона при использовании заявляемого способа ограничения перенапряжений.

При этих условиях обеспечивается минимум глобальных максимумов напряжений на входе ТИСУ трамвайных вагонов городского электрического транспорта на всем интервале демпфирования входных перенапряжений в любой точке тяговой сети.

Устройство снабжено третьей демпфирующей ветвью, состоящей из последовательно соединенных силового тиристора с блоком гашения, выполненным на гасящем тиристоре, дросселе, гасящем конденсаторе, зарядном диоде, и демпфирующего резистора, параллельно которому подключен элемент времени, собранный на: RC-цепи, состоящей из резистора и конденсатора; запускающем тиристоре, в цепь управления которого включены развязывающий диод и стабилитрон; трансформаторе с тремя выходными обмотками, одна из которых подключена к управляющему переходу гасящего тиристора блока гашения силового тиристора третьей демпфирующей ветви, другая - к управляющему переходу тиристора шунтирующего узла и третья - к управляющему переходу блокировочного тиристора элемента времени второй демпфирующей ветви, выходы которого подключены к управляющим переходам гасящего тиристора блока гашения силового тиристора третьей демпфирующей ветви и блокировочного тиристора элемента времени первой демпфирующей ветви.

Теоретическое обоснование изобретения.

Для теоретического обоснования предложенного выше способа использована схема, изображенная на фиг. 1.

При размыкании ключа 1, моделирующего отключение короткого замыкания, электромагнитная энергии, запасенная в индуктивности тяговой сети 2 (L_э), начинает сбрасываться через индуктивность фильтра 3 (L_ф) ТИСУ в конденсатор фильтра 4 (С_ф) ТИСУ трамвайного вагона, что приводит к появлению перенапряжения на входе ТИСУ. Для ограничения перенапряжения к конденсатору фильтра 4 момент (t=t₁) достижения на конденсаторе фильтра 4 порогового напряжения одновременно подключаются, при помощи тиристорных ключей 5, 6 и 7, демпфирующие резисторы 8, 9 и 10 (R₁, R₂ и R₃ соответственно). Это приводит к ограничению максимального выброса напряжения U_cm на конденсаторе фильтра 4 (который бы имел место без подключения демпфирующих резисторов и значения которого может достигать значительных кратностей, доходящих до 3,64 единиц [7]) до величины U_cm1. Затем, в момент (t=t₂) достижения током через индуктивность сети 2 установившегося значения от конденсатора фильтра 4 отключают демпфирующий резистор 10 (R₃), что приводит к повторному забросу напряжения u_C (t) на конденсаторе фильтра 4 до значения U_cm2. На следующем этапе ограничения напряжения u_C (t), в момент (t=t₃) достижения током через индуктивность сети 2 установившегося значения, от конденсатора фильтра 4 отключают следующий демпфирующий резистор 9 (R₂), что приводит к третьему забросу напряжения u_C (t) до значения U_cm3. И, наконец, в момент (t=t₄), когда после отключения демпфирующего резистора 9 (R₂) ток через индуктивность сети 2 опять достигнет установившегося значения, происходит отключение демпфирующего резистора 8 (R₁), в силу чего на входе ТИП наблюдается четвертый заброс напряжения до величины U_cm4. Выводом демпфирующего резистора 8 (R₁) процесс ограничения входных перенапряжений заканчивается.

Таким образом, при предлагаемом способе, процесс ограничения коммутационных перенапряжений на входе ТИСУ трамвайного вагона (конденсаторе фильтра 4) сводится к замене максимального уровня входного напряжения U_cm, который имел бы место на входе ТИСУ без применения способа, четырьмя максимальными забросами напряжений U_cm1, U_cm2, U_cm3 и U_cm4.

Исследования показывают, что кратности этих забросов напряжений зависят: от значений напряжений на конденсаторе фильтра ТИСУ, при которых в цепь гашения перенапряжений вводятся демпфирующие резисторы и выводятся из нее; величин сопротивлений демпфирующих резисторов R₁, R₂, R₃; емкости конденсатора фильтра ТИСУ; энергии, запасаемой в индуктивности тяговой сети к моменту отключения тока короткого замыкания. Поэтому возникает задача в определении оптимальных значений указанных параметров предлагаемого способа, которая относится к классу существенно нелинейных задач математического программирования. Целевой функцией является функция напряжения u_c(t) на конденсаторе фильтра 4 ТИСУ в переходном режиме, состоящая из пяти интервалов:

1) 0≤t<t₁ - интервал времени до введения в цепь гашения демпфирующих резисторов. Ключи 1, 5, 6 и 7 разомкнуты;

2) t₁≤t<t₂ - интервал времени, в течение которого в процессе ограничения перенапряжения одновременно участвуют конденсатор фильтра 4 ТИСУ и все демпфирующие резисторы 8 (R₁), 9 (R₂) и 10 (R₃). Ключ 1 разомкнут, а ключи 5, 6 и 7 замкнуты;

3) t₂≤t<t₃ - интервал времени, после отключения демпфирующего резистора 10 (R₃). В процессе ограничения перенапряжения одновременно участвуют конденсатор фильтра 4 ТИСУ и демпфирующие резисторы 8 (R₁) и 9 (R₂). Ключи 1 и 7 разомкнуты, а ключи 5 и 6 замкнуты;

4) t₃≤t<t₄ - интервал времени, после отключения демпфирующего резистора 9 (R₂). В процессе ограничения перенапряжения одновременно участвуют конденсатор фильтра 4 ТИСУ и демпфирующий резистор 8 (R₁). Ключи 1, 7 и 6 разомкнуты, а ключ 5 замкнут;

5) t≥t₄ - интервал времени после отключения резистора 8 (R₁). В процессе ограничения перенапряжения участвует только конденсатор фильтра 4 ТИСУ трамвайного вагона. Ключи 1, 7, 6 и 5 разомкнуты.

Каждому из этих интервалов времени соответствует свое трансцендентное выражение функции напряжения на конденсаторе фильтра 4 ТИСУ трамвайного вагона. Необходимо выбрать значения сопротивлений демпфирующих резисторов R₁, R₂, R₃ и емкост конденсатора фильтра С_ф ТИСУ таким образом, чтобы обеспечивался минимум глобальных максимумов напряжений U_cm1, U_cm2, U_cm3, и U_cm4 на всем интервале демпфирования входных перенапряжений.

Для решения этой задачи вначале находятся аналитические выражения для определения максимальных выбросов напряжений U_cm1, U_cm2, U_cm3, и U_cm4 на входе ТИСУ трамвайного вагона, с последующий их минимизацией по значениям напряжения на конденсаторе фильтра u_c(t₁), u_c(t₂) u_c(t₃) и u_c(t₄), при которых происходят подключение и отключение демпфирующих резисторов.

При этом аналитические выражения для определения максимальных выбросов напряжений U_cm1, U_cm2, U_cm3, и U_cm4 на входе ТИСУ трамвайного вагона находятся для наиболее тяжелого режима с точки зрения появлений перенапряжений наибольших кратностей. Таким режимом является режим, при котором отключение тока короткого замыкания в тяговой сети происходит в момент, когда пантограф 11 трамвайного вагона подключен к троллею тяговой сети (см. фиг. 1), а ТИСУ отключена (на двигатели трамвайного вагона напряжение не подано - трамвай остановлен, например, на остановке). В этом режиме конденсатор фильтра 4 ТИСУ заряжен до напряжения источника 12 (u_c(0)=Е), ток через него не протекает (i_c(0)=i_Lф(0)=0), а ток через индуктивность тяговой сети равен току уставки защиты (i_Lэ(0)=I_yст). Тогда, на первом интервале (0≤t<t₁) напряжение u_c(t) на конденсаторе фильтра 4 ТИСУ и ток i_c(t) через него будут описываться выражениями:

На втором интервале (t₁≤t<t₂), то есть когда параллельно конденсатору фильтра 4 ТИСУ подключены все демпфирующие резисторы, имеем:

где р_1,2=-α₁±ω₁,

i_L(t₁) - ток через индуктивности L_э и L_ф в момент t=t₁.

Максимум напряжения на конденсаторе фильтра ТИСУ будет иметь место на рассматриваемом интервале при

Подставив в (3) вместо (t-t₁) его значение из (9), получим выражение для нахождения максимального значения напряжения на конденсаторе фильтра ТИСУ трамвайного вагона на интервале (t₁≤t<t₂):

Оптимальное значение u_C(t₁) находим из условия минимума U_cm1. Для чего дважды дифференцируя U_cm1 по u_C(t₁), получаем с учетом (4), что при

Выражение (13) найдено для случая, когда переходный процесс на интервале (t_1≤t<t₂) имеет апериодический характер (k₁⋅β>2). Если же k₁⋅β<2 (переходная функция u_c(t) изменяется на рассматриваемом интертвале по колебательному закону), то выражение (13) преобразуется к виду:

Для критического случая (k₁⋅β=2) из (13) находим:

Анализируя выражения (13)-(15) легко видеть, что при любом k₁⋅β>0 вторая производная от U_cm1 по u_c(t₁) будет больше нуля при условии

Физически это означает, что ток через индуктивности 2 (L_э) и 3 (L_ф) в установившемся режиме (после одновременного подключения к конденсатору фильтра 4 ТИСУ демпфирующих резисторов R₁, R₂, и R₃) должен быть меньше, чем до их ввода в цепь гашения перенапряжений. В противном случае при выводе демпфирующих резисторов из цепи гашения перенапряжений максимальное значение напряжения на конденсаторе фильтра ТИСУ трамвайного вагона может превысить уровень перенапряжения без использования демпфирующих резисторов.

Основываясь на ∂U_cm1/∂[u_c(t₁)]=0 и ∂²U_cm1/∂[u_c(t₁)]²>0, заключаем, что максимальный выброс напряжения U_cm1 на интервале (t₁<t<t₂) будет минимальным, если обеспечить одновременное подключение демпфирующих резисторов R₁, R₂, и R₃ параллельно конденсатору фильтра ТИСУ в момент времени, когда u_c(t₁) достигнет величины напряжения питания. При этом значение U_cm1 может быть найдено:

- для k₁⋅β>2 из соотношения:

- для k₁⋅β<2 из соотношения:

- для k₁⋅β=2 из соотношения:

При этом отметим, что в силу условия (11) максимум напряжения на конденсаторе фильтра ТИСУ трамвайного вагона на интервале (0≤t<t₁) не превысит входного напряжения.

На третьем интервале демпфирования перенапряжения (t₂≤t<t₃), то есть когда в процессе ограничения перенапряжения одновременно с конденсатором фильтра 4 ТИСУ участвуют только демпфирующие резисторы 8 (R₁) и 9 (R₂) (демпфирующий резистор 10 (R₃) выведен из процесса гашения), напряжение на конденсаторе фильтра 4 ТИСУ трамвайного вагона будет изменяться в соответствии с выражением, аналогичным выражению (3):

где р_3,4=-α₂±ω₂,

i_L(t₂) - ток через индуктивности L_э и L_ф в момент t=t₂.

При этом, в силу идентичности выражений (3)-(8) и (20)-(24) устанавливаем, что максимум напряжения на конденсаторе фильтра 4 ТИСУ трамвайного вагона на интервале, когда в процессе ограничения перенапряжений участвуют только демпфирующие резисторы 8 (R₁) и 9 (R₂), наступит в момент времени t-t₂=(1:(р₄-р₃))×ln((-А₃р₃):(А₄р₄)), который будет иметь минимальное значение при:

То есть, значение демпфирующих резисторов 8 (R₁) и 9 (R₂) должно быть таким, чтобы после отключения демпфирующего резистора 10 (R₃) ток через индуктивности 2 (L_э) и 3 (L_ф) в установившемся режиме был меньше, чем до его отключения.

При этом значение U_cm2 может быть найдено:

- для k₂⋅β>2 из соотношения:

- для k₂⋅β<2 из соотношения:

- для k₂⋅β=2 из соотношения:

На четвертом интервале демпфирования перенапряжения (t₃<t<t₄) демпфирующий резистор 9 (R₂) отключен от конденсатора фильтра ТИСУ. В процессе дальнейшего ограничения входных перенапряжений участвует только резистор 8 (R₁). Переходное напряжение u_c(t) на этом интервале математически описывается такими же выражениями, что и на интервалах (t₁≤t<t₂) и (t₂≤t<t₃):

где р₅,₆=-α₃±ω₃,

i_L(t₃) - ток через индуктивности L_э и L_ф в момент t=t₃.

В силу идентичности полученных выражений аналогичным выражениям для интервалов демпфирования (t₁≤t<t₂) и (t₂≤t<t₃), и того, параметры α₃,ω₃, и R₁ не зависят от u_C(t₃) - момента отключения демпфирующего резистора 9 (R₂), заключаем (исследования на минимум максимального выброса напряжения на конденсаторе фильтра 4 ТИСУ на интервале t₃≤t<t₄ проводятся аналогично исследованиям на интервалах (t₁≤t<t₂) и (t₂≤t<t₃)), что для того, чтобы максимальный выброс напряжения U_cm3 был минимален, необходимо обеспечить отключение демпфирующего резистора 9 (R₂) в момент u_C(t₃)=Е, при условии ток через индуктивности 2 (L_э) и 3 (L_ф) в установившемся режиме на интервале t₃≤t<t₄ должен быть меньше, чем до отключения демпфирующего резистора 9 (R₂):

При этом минимизированный по u_C(t₃) максимальный выброс напряжения U_cm3 можно определить по одному из следующих выражений:

- для β>2:

- для β<2:

- для β=2:

И, наконец, на пятом интервале демпфирования перенапряжений (t≥t₄), интервале после отключения демпфирующего резистора 8 (R₁) (в процессе ограничения перенапряжения участвует только конденсатор фильтpa 4 ТИСУ трамвайного вагона), переходное напряжение на конденсаторе фильтра 4 будем изменяться в соответствии с выражением:

где

i_L(t₄) - ток через индуктивности 2 (L_э) и 3 (L_ф) в момент отключения демпфирующего резистора 8 (R₁).

Из выражения (38) следует, что максимуму u_c(t) на рассматриваемом интервале соответствует условие

из которого следует

Подставим в (38) вместо (t-t₄) его значение из (41), находим, с учетом (39) и (40), максимальный выброс напряжения U_cm4 на конденсаторе фильтра ТИСУ трамвайного вагона интервале (t≥t₄):

Анализируя выражение (42) устанавливаем, что минимум U_cm4 (в функции от u_c(t₄)) будет наблюдаться при u_C(t₄)=Е.

Тогда, с учетом u_C(t₄)=E и (39), выражение (42), оптимизированное по u_C(t₄), примет вид:

Таким образом, из представленного выше исследования следует, что оптимальными значениям напряжений u_c(t₁), u_c(t₂), u_c(t₃) и u_c(t₄) на конденсаторе фильтра 4 ТИСУ, с точки зрения обеспечения минимумов выбросов напряжений U_cm1, U_cm2, U_cm3 и U_cm4, являются значения, равные напряжению источника питания.

Следующим этапом оптимизации предлагаемого способа ограничения коммутационных перенапряжений является минимизация максимальных выбросов напряжений U_cm1, U_cm2, U_cm3 и U_cm4 по величинам сопротивлений демпфирующих резисторов R₁, R₂ и R₃, с учетом того, что способ организован по установившемся значениям тока через индуктивности 2 (L_э) и 3 (L_ф), значения которого на интервалах действия демпфирующих резисторов t₁≤t<t₂, t₂≤t<t₃ и t₃≤t<t₄ будут иметь соответственно следующие значения:

С учетом (44)-(46) выражения (27)-(29), (35)-(37) и (43), позволяющие определять минимизированные по значениям напряжений u_c(t₂), u_c(t₃) и u_c(t₄) максимальные выбросы напряжений U_cm2, U_cm3 и U_cm4, преобразуются к виду:

на интервале t₂≤t<t₃:

- для k₂⋅β>2:

- для k₂⋅β<2:

- для k₂⋅β=2 из соотношения:

на интервале t₃≤t<t₄:

- для β>2:

- для β<2:

- для β=2:

на интервале t≥t₄:

Далее исследуя полученные выражения (17)-(19) и (47)-(53) от величин сопротивлений демпфирующих резисторов R₁, R₂ и R₃, устанавливаем:

1. Если зафиксировать величины сопротивлений R₂ и R₃, a R₁ менять от минимального значения до бесконечности, то выбросы U_cm1, U_cm2 и U_{cm3 возрастают, а выброс Ucm4 убывает. Причем с ростом фиксированных значений R2 интервалы изменения выбросов Ucm1 и Ucm2 расширяются, при изменении R1, за счет роста как нижних, так и верхних границ, а интервал изменения Ucm3 сужается. Интервал изменения Ucm4 не меняется, так как Ucm4 не зависит от R2.}

С ростом же фиксированных значений R₃, интервал изменения выбросов U_cm1, при изменении R₁, так же расширяются за счет роста как нижних, так и верхних границ, а интервал изменения U_cm2 сужается. Интервалы изменения U_cm3 и U_cm4 не меняются, так как U_cm3 и U_cm4 не зависит от R₃.

2. Если зафиксировать величины сопротивлений R₁ и R₃, a R₂ менять от минимального значения до бесконечности, то выбросы U_cm1, и U_cm2 так же возрастают, а выброс U_cm3 убывает. Выброс же напряжения U_cm4 от R₂ не зависит. Причем с ростом фиксированных значений R₁ интервалы изменения выбросов U_cm1, U_cm2 и U_cm3 расширяются, при изменении R₂, за счет роста как нижних, так и верхних границ, а выброс напряжения U_cm4 уменьшается.

С ростом же фиксированных значений R₃, интервал изменения выбросов U_cm1, при изменении R₂, так же расширяются за счет роста как нижних, так и верхних границ, а интервал изменения U_cm2 сужается. Интервалы изменения U_cm3 и U_cm4 не меняются, так как U_cm3 и U_cm4 не зависит от R₃.

3. Если зафиксировать величины сопротивлений R₁ и R₂, a R₃ менять от минимального значения до бесконечности, то выброс U_cm1 возрастет, а выброс U_cm2 убывает. Выбросы же напряжений U_cm3 и U_cm4 не зависит от R₃. Причем с ростом фиксированных значений R₁ интервалы изменения выбросов U_cm1 и U_cm2 расширяются, при изменении R₃, за счет роста как нижних, так и верхних границ. Интервалы изменений U_cm3 и U_cm4 не зависит от R₃. Их значения определяются значением R₁, с ростом которого U_cm3 растет, а выброс U_cm4 убывает.

С ростом же фиксированных значений R₂, интервал изменения выбросов U_cm1, при изменении R₃, так же расширяются за счет роста как нижних, так и верхних границ, а интервал изменения U_cm2 сужается. Интервалы изменений U_cm3 и U_cm4 не зависит от R₃. Иx значения определяются значением R₂, с ростом которого U_cm3 убывает, а выброс U_cm4 остается постоянным, определяем значением сопротивления R₁.

При этом в возможном интервале изменения сопротивлений демпфирующих резисторов R₁, R₂ и R₃ существуют такие их оптимальные значения R₀₁, R₀₂ и R₀₃, которые обеспечивают равенство всех четырех выбросов напряжений U_cm1, U_cm2, U_cm3 и U_cm4. Отклонение сопротивлений демпфирующих резисторов от этих значений в ту или другую сторону приводит к отклонению в сторону возрастания некоторых из этих выбросов напряжений от их оптимального значения.

Таким образом, из вышеизложенного следует что, для того, чтобы при предложенном способе ограничения перенапряжений на входе ТИСУ трамвайного вагона (конденсаторе фильтра С_ф) обеспечивалась минимальная кратность перенапряжения, необходимо выбрать величины сопротивлений демпфирующих резисторов таким образом, чтобы выполнялась система уравнений, обеспечивающая равенство всех четырех максимальных выбросов напряжений U_cm1, U_cm2, U_cm3 и U_cm4, то есть:

При этом в зависимости от значений β, k₂⋅β и k₁⋅β максимальные выбросы напряжений U_cm1, U_cm2, U_cm3 и U_cm4 будут описываться различными выражениями (см. (17)-(19) и (47)-(53)). Однако учитывая, что k₂ и k₁ при любых значениях демпфирующих резисторов R₁, R₂ и R₃ всегда больше единицы и возможную взаимосвязь между β, k₂⋅β и k₁⋅β, то система (54) будет иметь место только при значениях U_cm1, U_cm2, U_cm3 и U_cm4, определяемых при следующих сочетаниях β, k₂⋅β и k₁⋅β:

С учетом (55), (17), (18), (47), (48), (51) и (53) из (54) получим:

- для β₀<2, k₀₂⋅β₀>2, k₀₁⋅β₀>2:

- для β₀<2, k₀₂⋅β₀<2, k₀₁⋅β₀>2:

- для β₀<2, k₀₂⋅β₀<2, k₀₁⋅β₀<2:

где

R₀₁, R₀₂, R₀₃ и С_0ф - оптимальные значения сопротивлений демпфирующих резисторов и емкости конденсатора фильтра ТИСУ трамвайного вагона, обеспечивающие справедливость выражений (56)-(62).

При этом в силу равенства между собой напряжений U_cm1, U_cm2, U_cm3 и U_cm4, максимальная кратность перенапряжения на входе ТИСУ трамвайного вагона при предложенном способе ограничения коммутационных перенапряжений может быть определена из выражения (53) как:

где U_cm0 - максимальный выброс напряжения на входе ТИСУ трамвайного вагона при R₁=R₀₁, R₂=R₀₂, R₃=R₀₃ и С_ф=С_0ф.

Полученные выше выражения (56)-(63) позволяют при помощи предложенного способа ограничения коммутационных перенапряжений решать следующие два типа задач:

1) по заданным значениям напряжения на шинах тяговой преобразовательной подстанции Е, эквивалентной индуктивности тяговой сети L_э, индуктивности фильтра ТИСУ трамвайного вагона L_ф, току i_L(t₁) и требуемой кратности перенапряжения (U_cm0/Е)на входе ТИСУ определять оптимальные значения емкости конденсатора фильтра С_0ф ТИСУ и сопротивлений демпфирующих резисторов R₀₁, R₀₂ и R₀₃, обеспечивающие требуемый уровень гашения перенапряжений на входе ТИСУ трамвайного вагона.

2) по заданным значениям напряжения на шинах тяговой преобразовательной подстанции Е, индуктивностям L_э и L_ф, току i_L(t₁) и емкости С_0ф определять оптимальные значения сопротивлений демпфирующих резисторов R₀₁, R₀₂, R₀₃ и значения максимальной кратности перенапряжения (U_cm0/Е) на входе ТИСУ трамвайного вагона, возможной при этих параметрах.

Схема устройства, реализующего предложенный способ ограничения коммутационных перенапряжений, приведена на фиг. 2. Она содержит демпфирующий конденсатор 1, параллельно которому подключены три идентичных демпфирующие ветви, состоящие из: первая - последовательно включенных силового тиристора 2 и демпфирующего резистора 3; вторая - силового тиристора 4 и демпфирующего резистора 5; третья - силового тиристора 6 и демпфирующего резистора 7. Силовые тиристоры 2, 4 и 6 снабжены блоками гашения, соответственно выполненными на: гасящих тиристорах 8, 9 и 10; дросселях 11, 12 и 13; гасящих конденсаторах 14, 15 и 16; зарядных диодах 17, 18 и 19. Параллельно демпфирующим резисторам 3 и 5 подключены первый и второй идентичные элементы времени, каждый из которых соответственно содержит: блокировочный тиристор 20, 21; RC - цепь (22, 23 и 24, 25); запускающий тиристор 26, 27, в цепь управления которого включены стабилитрон 28, 29 и развязывающий диод 30, 31; трансформатор 32 и 33, с двумя выходными обмотками. Параллельно демпфирующему резистору 7 подключен третий элемент времени собранный на: RC - цепи, состоящей из резистора 34 и конденсатора 35; запускающем тиристоре 36, в цепь управления которого включены развязывающий диод 37 и стабилитрон 38; трансформаторе 39, с тремя выходными обмотками, одна из которых подключена к управляющему переходу гасящего тиристора 10 блока гашения силового тиристора 6, другая - к управляющему переходу тиристора 40 шунтирующего узла и третья - к управляющему переходу блокировочного тиристора 21 элемента времени второй демпфирующей ветви, выходы которого подключены к управляющим переходам гасящего тиристора 9 блока гашения силового тиристора 4 и блокировочного тиристора 20 элемента времени первой демпфирующей ветви.

Устройство также содержит восстанавливающий узел, выполненный на тиристоре 41 с блоком гашения, состоящим из гасящего тиристора 42, дросселя 43, гасящего конденсатора 44, зарядного диода 45, и четвертый элемент времени, выполнен на: RC - цепи, состоящей из резистора 46 и конденсатора 47, параллельно которому включен резистор 48, образующий с сопротивлением закрытого тиристора 41 делитель напряжения; тиристоре 49, в цепь управления которого включены развязывающий диод 50 и стабилитрон 51; трансформаторе 52 с двумя выходными обмотками, одна из которых подключена к управляющему переходу гасящего тиристора 53 блока гашения тиристора 40 шунтирующего узла, а другая - к управляющему переходу гасящего тиристора 42 блока гашения тиристора 41 восстанавливающего узела.

Работает устройство следующим образом.

При отключении в тяговой контактной сети короткого замыкания электромагнитная энергии, запасенная в индуктивности тяговой сети, начинает сбрасываться в конденсатор 1 фильтра ТИСУ трамвайного вагона, в результате чего напряжение на нем начинает возрастать. В момент достижения напряжением на конденсаторе фильтра 1 порогового значения, задаваемого стабилитроном 54, последний пробивается. По цепи управления силовых тиристоров 2, 4 и 6 начинает протекать через развязывающие диоды 55, 56 и 57 токи управления, что приводит к практически одновременному открытию силовых тиристоров 2, 4 и 6, обеспечивающих подключение демпфирующих резисторов 3, 5 и 7 параллельно конденсатору фильтра 1. При этом часть тока, протекавшего через конденсатор фильтра 1, переключается в ветви с демпфирующими резисторами 3, 5 и 7, что приводит к ограничению заброса напряжения на конденсаторе фильтра 1 до величины U_cm1. Одновременно с открытием силовых тиристоров 2, 4 и 6 запускается третий элемент времени (начинает через резистор 34 заряжаться конденсатор 35). При достижении напряжением на конденсаторе 35 порогового значения, задаваемого стабилитроном 38, открывается запускающий тиристор 36. Конденсатор 35, перезаряжаясь через первичную обмотку трансформатора 39 и открытый тиристор 36, меняет свою полярность на противоположную. К запускающему тиристору 36 прикладывается обратное напряжение, которое его выключает. При перезарядке конденсатора 35 со вторичных обмоток трансформатора 39 снимаются три управляющих импульса, одновременно поступающих в цепи управления тиристоров 10, 40 и 21, что приводит к их включению.

Включение гасящего тиристора 10 обеспечивает подключение гасящего конденсатора 16 (предварительно заряженного через диод 19, дроссель 13 и демпфирующий резистор 7) параллельно силовому тиристору 6. Конденсатор 16, перезаряжаясь через дроссель 13, тиристоры 10 и 6, напряжением обратной полярности запирает их. Запирание силового тиристора 6 приводит к отключению демпфирующего резистора 7 от конденсатора фильтра 1 ТИСУ, что приводит к повторному забросу напряжения на нем до величины U_cm2. При этом отметим, что так как рассматриваемое устройство должно реализовать способ, в котором отключение демпфирующего резистора 7 происходит из установившегося режима, то параметры резистора 34, конденсатора 35 и стабилитрона 38 должны быть выбраны так, чтобы время задержки на снятие импульсов со вторичных обмоток трансформатора 39, было равно (несколько больше) времени, в течение которого ток через индуктивность сети примет, после подключения демпфирующих резисторов 3, 5 и 7, установившиеся значение.

Включение тиристора 40 шунтирующего узла обеспечивает шунтирование цепей управления силовых тиристоров 2, 4 и 6, что исключает их повторное включение при забросах напряжения, обусловленных логикой работы устройства.

И наконец, включение блокирующего тиристора 21 приводит к запуску второго элемента времени, который до этого был заблокирован тиристором 21. Второй элемент времени (его работа аналогична работе третьего элемента времени) выдает (с задержкой, равной времени, за которое ток через индуктивность сети примет, после отключения демпфирующего резистора 7, установившееся значение) с выходных обмоток трансформатора 33 два управляющих импульса, используемых для открытия тиристоров 9 и 20.

Тиристор 9 включаясь, обеспечивает запирание силового тиристора 4 и тем самым отключение демпфирующего резистора 5, что приводит к третьему забросу напряжения на конденсаторе фильтра 1 ТИСУ трамвайного вагона до величины U_cm3.

Включение блокирующего тиристора 20 приводит к запуску третьего элемента времени, который до этого был заблокирован тиристором 20. Третий элемент времени выдает (с задержкой, равной времени, за которое ток через индуктивность сети примет, после отключения демпфирующего резистора 5, установившееся значение) с выходных обмоток трансформатора 32 два управляющих импульса, используемых для открытия гасящего тиристора 8 блока гашения силового тиристора 2 первой демпфирующей ветви и тиристора 41 восстанавливающего узла.

Тиристор 8 включаясь, обеспечивает запирание силового тиристора 2 и тем самым отключение демпфирующего резистора 3, что приводит к четвертому забросу напряжения на конденсаторе фильтра 1 ТИСУ трамвайного вагона до величины U_cm4.

Включение тиристора 41 приводит к запуску узла восстановления, обеспечивающего выдачу с выходных обмоток трансформатора 52 четвертого элемента времени двух управляющих импульсов, используемых для открытия гасящих тиристоров 53 и 42 узлов запирания тиристоров 40 и 41. В результате чего тиристоры 40 и 41 выключаются, что обеспечивает восстановление схемы к следующему циклу демпфирования.

При этом отметим, что рассмотренное устройство будет полностью реализовать предложенный выше способ защиты ТИСУ трамвайных вагонов от коммутационных перенапряжений, если величины сопротивлений демпфирующих резисторов 3, 5, 7 и емкость конденсатора фильтра 1 соответствуют их оптимальным значениям, то есть R₀₁, R₀₂, R₀₃ и С_0ф соответственно, выбранным (в зависимости от требуемого уровня ограничения перенапряжений), из соотношений (56)-(63), и отключение демпфирующих резисторов осуществляется в последовательности возрастания их сопротивлений.

Изобретение позволяет при технически приемлемой емкости конденсатора фильтра ТИСУ трамвайных вагонов городского электрического транспорта, находящейся в пределах 4800…5000 мкФ, добиться глубокого ограничения коммутационных перенапряжений, обусловленных сбросом электромагнитной энергии индуктивности тяговой контактной сети в конденсатор фильтра ТИСУ при отключении аварийных коротких замыканий. Сказанное можно подтвердить на следующем примере.

Пример. Определить, до какого уровня может быть ограничено перенапряжение на входе ТИСУ трамвайного вагона типа ТЗМ при помощи предложенного способа ограничения коммутационных перенапряжений, а также найти оптимальные значения демпфирующих резисторов, обеспечивающих этот уровень перенапряжения, при условии, что трамвайный вагон находится в конце тяговой сети, протяженность которой составляет три километра, а величина отключаемого тока короткого замыкания 1500 А.

Решение. Учитывая, что емкость фильтра ТИСУ у данного типа трамвайного вагона составляет 4800 мкФ находим, используя соотношения (56)-(63), что кратность перенапряжения будет составлять 1,1235 единиц - 674 вольта (при параметрах тяговой сети: напряжении питания Е=600 В; L_э=10,05 мГн; L_ф=1 мГн; коэффициенте затухания, обусловленным эквивалентным активным сопротивлением трамвайной тяговой сети - 0,7434082 и соответствующих значениях β₀=0,5112828, k₀₂=2,414824, k₀₁=2,449854, γ=3,792963). Оптимальные же значения сопротивлений демпфирующих резисторов, обеспечивающих данную кратность перенапряжения составят: R₀₁=2,96741 Ом, R₀₂=2,09737 Ом и R₀₃=1,45816 Ом (по схеме устройства, представленного на фиг. 2, R₀₁ - это резистор 3, R₀₂ - это резистор 5, R₀₃ - это резистор 7).

Отметим, что если для ограничения перенапряжения на входе ТИСУ до заданной величины (674 вольта) использовать способ и реализующее его устройства, описанные в [6], то потребуется конденсатор фильтра емкостью 106938 мкФ (β₀=0,2833, k₀=2,002, γ=0,803627, см. выражения (36), (31), (30) и (34) в [6]). Полученная емкость превышает в 22,3 раза емкость конденсатора фильтра, установленного на входе ТИСУ трамвайного вагона типа ТЗМ, что подтверждает повышение эффективности защиты при использовании предлагаемого способа и реализующего его устройства.

Источники информации

1. Патент RU 2370872 С1, МПК Н02Н 7/00, опубл. 20.10.2009, Бюл. №29.

2. Авторское свидетельство СССР №1599932 А1, кл. Н02Н 7/10, опубл. 15.10.1990, Бюл. №38.

3. Авторское свидетельство СССР №909751, кл. Н02Н 7/12, Н02М 1/18, опубл. 28.02.1982, Бюл. №8.

4. Глух, Е.М. Защита полупроводниковых преобразователей [Текст] / Е.М. Глух, В.Е. Зеленов. - М.: Энергоиздат, 1982. - С. 145-146.

5. Кадомская, К.П. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них [Текст] / К.П. Кадомская, Ю.А. Лавров, А.А. Рейхерд. - Новосибирск.: изд-во НГТУ, 2004. - С. 111-123.

6. Патент RU 2138895 С1, МПК Н02Н 7/10, Н02М 1/16, опубл. 27.09.1999, Бюл. №27, С. 40 (прототип).

7. Shpiganovich, A.N. Research of switching overvoltages at filter's capacitor of SCR's controls of tramcars by emergency operation of urban electrical transport's traction systems [Text] / A.N. Shpiganovich, A.V. Boychevskiy // Вести высших учебных заведений Черноземья. - Липецк: Изд-во ЛГТУ. - 2014. №2. - С. 9-13.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении эффективности защиты тиристорно-импульсных систем управления (ТИСУ) трамвайными вагонами от коммутационных перенапряжений, обусловленных сбросом электромагнитной энергии индуктивности тяговой контактной сети в конденсатор фильтра ТИСУ при отключении внешних коротких замыканий. Сущность способа и реализующего его устройства основаны на использовании для ограничения перенапряжений трех демпфирующих резисторов, одновременно подключаемых параллельно конденсатору фильтра ТИСУ в момент начала перенапряжения и поочередно отключаемых в моменты достижения током через индуктивность тяговой сети установившихся значений. Отключаются демпфирующие резисторы в последовательности возрастания их сопротивлений, оптимальные значения которых определяют по аналитическим выражениям, полученным на основе критерия оптимального распределения электромагнитной энергии, запасенной при коротких замыканиях в индуктивности тяговой контактной сети, между конденсатором фильтра ТИСУ и демпфирующими резисторами таким образом, чтобы обеспечивался минимум глобальных максимумов напряжений на всем интервале ограничения перенапряжений на входе ТИСУ. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ защиты от коммутационных перенапряжений тиристорно-импульсных систем управления (ТИСУ) трамвайными вагонами городского электрического транспорта, заключающийся во введении в цепь гашения перенапряжений двух демпфирующих резисторных ветвей путем их подключения параллельно конденсатору фильтра ТИСУ, отличающийся тем, что электромагнитную энергию, запасенную в индуктивности тяговой сети при протекании тока короткого замыкания, рассеивают, после отключения короткого замыкания, в трех демпфирующих резисторах, одновременно подключаемых параллельно конденсатору фильтра ТИСУ в момент, когда напряжение на конденсаторе фильтра достигает порогового напряжения, и поочередно отключаемых в моменты достижения током через индуктивность тяговой сети установившихся значений, для чего после одновременного подключения трех демпфирующих резисторов формируют, через интервал времени, превышающий время переходного процесса, три управляющих сигнала, один из которых обеспечивает отключение одного из трех демпфирующих резисторов, другой блокирует повторное подключение демпфирующих резисторов при выбросах напряжения, обусловленных их поочередным отключением, а третий запускает элемент времени, обеспечивающий формирование управляющих сигналов на отключение второго демпфирующего резистора через интервал времени, превышающий время переходного процесса после отключения первого демпфирующего резистора, и запуск элемента времени, обеспечивающего формирование управляющего сигнала на отключение оставшегося демпфирующего резистора через интервал времени, превышающий время переходного процесса после отключения второго демпфирующего резистора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сопротивления демпфирующих резисторов соответствуют оптимальным значениям, определяемым на основе критерия оптимального распределения электромагнитной энергии индуктивности тяговой контактной сети между конденсатором фильтра ТИСУ и демпфирующими резисторами, из выражений:

для β₀<2, k₀₂⋅β₀>2, k₀₁⋅β₀>2:

- для β₀<2, k₀₂⋅β₀<2, k₀₁⋅β₀>2:

- для β₀<2, k₀₂⋅β₀<2, k₀₁⋅β₀<2:

где ; ;

k₀₂=(R₀₁+R₀₂)/R₀₂; k₀₁=(R₀₁×R₀₂+R₀₁×R₀₃+R₀₂×R₀₃)/(R₀₂×R₀₃);

U_cm0/E=(1+β₀);

R₀₁, R₀₂, R₀₃, С_0ф - оптимальные значения сопротивлений демпфирующих резисторов и емкости конденсатора фильтра ТИСУ трамвайного вагона;

L_э - эквивалентная индуктивность тяговой сети;

L_ф - индуктивность фильтра ТИСУ трамвайного вагона;

i_L(t₁) - ток через индуктивности L_э и L_ф в момент одновременного подключения демпфирующих резисторов параллельно конденсатору фильтра ТИСУ;

Е - напряжения на шинах тяговой преобразовательной подстанции;

U_cm0 - максимальный выброс напряжения на входе ТИСУ трамвайного вагона при использовании заявляемого способа ограничения перенапряжений.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отключение демпфирующих резисторов осуществляется в последовательности возрастания их сопротивлений.

4. Устройство для защиты от коммутационных перенапряжений тиристорно-импульсных систем управления трамвайными вагонами городского электрического транспорта, содержащее две демпфирующие резисторные ветви с блоками гашения их силовых тиристоров и элементами времени, подключенными параллельно демпфирующим резисторам, шунтирующий и восстанавливающий узлы, отличающееся тем, что оно снабжено третьей демпфирующей ветвью, состоящей из последовательно соединенных силового тиристора с блоком гашения, выполненным на гасящем тиристоре, дросселе, гасящем конденсаторе, зарядном диоде, и демпфирующего резистора, параллельно которому подключен элемент времени, собранный на RC-цепи, состоящей из резистора и конденсатора, запускающем тиристоре, в цепь управления которого включены развязывающий диод и стабилитрон, трансформаторе с тремя выходными обмотками, одна из которых подключена к управляющему переходу гасящего тиристора блока гашения силового тиристора третьей демпфирующей ветви, другая - к управляющему переходу тиристора шунтирующего узла и третья - к управляющему переходу блокировочного тиристора элемента времени второй демпфирующей ветви, выходы которого подключены к управляющим переходам гасящего тиристора блока гашения силового тиристора второй демпфирующей ветви и блокировочного тиристора элемента времени первой демпфирующей ветви.