Система защиты от аварийных режимов тяговых электродвигателей постоянного тока

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к защите электрических тяговых двигателей постоянного тока электровоза от аварийных режимов работы, возникающих при коротких замыканиях и бросках напряжения в контактной сети.

Из уровня техники известно, что для защиты тяговых электродвигателей в аварийных режимах на электровозе постоянного тока 2ЭС6 используется быстродействующий контактор БК-78Т (см. «Электровоз 2ЭС6 «Синара» под ред. В.В. Брексона - Верхняя Пышма: ООО «Уральские локомотивы», 2015). Данный быстродействующий контактор обеспечивает размыкание цепи тяговых электродвигателей при аварийных режимах работы, возникающих при коротких замыканиях и бросках напряжения в контактной сети.

Недостатком быстродействующего контактора является низкая скорость срабатывания механического привода подвижного контакта. От момента обнаружения аварийного режима работы тяговых электродвигателей до размыкания контактов ток тяговых электродвигателей достигает опасно высоких значений. Образование электрической дуги при размыкании силовых контактов с высоким значением тока приводит к спаиванию и износу контактов, что приводит к ускоренному выходу из строя быстродействующего контактора. Порог срабатывания определяется устройством управления быстродействующим контактором, который выдает команду на срабатывание быстродействующего контактора БК-78Т, по скорости нарастания тока тяговых электродвигателей - 300 А/мсек.

Наиболее близким техническим решением является изобретение «Электронный выключатель для цепи постоянного тока» по евразийскому патенту №022947 с датой публикации 31.03.2016. Данное изобретение относится к устройству для замыкания и размыкания цепи постоянного тока, содержащему вход цепи постоянного тока, выполненный с возможностью соединения с печатной платой и коллектором биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT транзистора). Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT транзистор) выполнен с возможностью соединения с печатной платой. Выход цепи постоянного тока выполнен с возможностью соединения с эмиттером биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT транзистора) и с печатной платой. Печатная плата выполнена с возможностью соединения с затвором биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT транзистора) и контроля заданных условий на входе и выходе цепи постоянного тока. Недостатками электронного выключателя являются:

- невозможность работы источника питания электронного выключателя от коммутируемого напряжения в широком диапазоне коммутируемых напряжений, от нескольких вольт до десятков киловольт;

- отсутствие регулирования охлаждения теплоотводящих элементов;

- отсутствие возможности выдачи сигналов на электромеханические выключатели тока, что в случае отказов электронного выключателя приводит к невозможности гальванически развязать источник питания от нагрузки.

Технической задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей системы защиты от аварийных режимов тяговых электродвигателей постоянного тока.

Техническими результатами, достигаемыми при использовании заявляемого изобретения, являются защита цепей от перегрузок за счет использования в частях электрических цепей, находящихся в широком диапазоне электрических потенциалов по отношению к общему проводу постоянного тока, в частности, в качестве быстродействующего выключателя в электровозах постоянного тока, а также обеспечение гальванической развязки защищенной цепи при возникновении аварийной ситуации.

Дополнительным техническим результатом является снижение потерь электроэнергии на питание вентиляторов во время работы системы защиты за счет управления контроллером частоты вращения вентиляторов в случаях медленного движения электровоза или его остановки.

Технические результаты достигаются за счет выполнения системы защиты от аварийных режимов тяговых электродвигателей постоянного тока, которая содержит вход цепи постоянного тока, IGBT-транзисторы, коллекторы которых соединены с плюсовой цепью силовой цепи, а минусовая цепь соединена с эмиттерами транзисторов. При этом в силовую цепь включен датчик тока, на теплоотводе транзисторов находятся датчики температуры, к затворам транзисторов подключены драйверы управления транзисторами, обеспечивающие гальваническую развязку с контроллером управления. Контроллер управления системы защиты соединен посредством линии связи с системой управления электровозом для диагностики и управления системы защиты. Контроллер управления содержит выход управления электромеханическим выключателем электровоза и выход управления вентиляторами, обеспечивающими охлаждение транзисторов. Кроме того, система содержит источник питания, обеспечивающий питанием от внешней сети контроллер управления и драйверы транзисторов.

Транзистор может быть один или несколько, датчиков температуры может быть несколько, входные и выходные сигналы могут иметь гальваническую развязку, а линия связи может быть выполнена электрической или оптической.

Контроллер управления может быть выполнен с возможностями:

- отключения транзисторов как по уровню тока, так и по скорости его нарастания;

- управления вентиляторами охлаждения;

- управления уровнями срабатывания и срабатыванием по линии связи;

- обеспечения диагностики самой системы защиты по линии связи.

На фигуре 1 представлена структурная схема системы защиты от аварийных режимов тяговых электродвигателей постоянного тока. Входная плюсовая силовая цепь поступает на коллекторы силовых полупроводниковых ключей (IGBT-транзисторов) 1, а минусовая цепь соединена с эмиттерами транзисторов 1. В силовую цепь включен датчик тока 2, на теплоотводе транзисторов 1 находятся датчики температуры 3, к затворам транзисторов 1 подключены драйверы управления транзисторами 4, обеспечивающие гальваническую развязку с контроллером управления 5. Контроллер управления 5, принимает сигнал тока с датчика 2, а также получает по цепи 6 сигнал на снижение порога срабатывания от системы управления электровоза. Система защиты от аварийных режимов тяговых электродвигателей содержит линию связи 7 с системой управления электровозом для своей диагностики и управления, а также выход управления 8 электромеханическим выключателем электровоза, являющийся выходом контроллера управления. Источник питания 9 обеспечивает питанием от внешней сети контроллер управления 5 и драйверы 4 транзисторов 1. Входы управления вентиляторов 10 подключены к выходу контроллера 5 для управления частотой вращения вентиляторов. Питание вентиляторов осуществляется из схемы управления электровозом.

Параллельно транзисторам 1 установлена схема их защиты 11, которая известна специалисту в данной области техники и представляет собой соединение конденсатора с резистором и может включать в себя диод. Схема защищает транзисторы 1 от выбросов напряжения в момент закрытия транзисторов 1.

Система защиты от аварийных режимов тяговых электродвигателей постоянного тока работает следующим образом.

После подачи питания контроллер 5 обеспечивает выключенное состояние транзисторов 1 через драйверы 4. Контролер управления 5 принимает сигнал на включение транзисторов 1 по линии связи 7 от системы управления электровоза. При получении сигнала на включение, контроллер 5 через драйверы 4 производит включение транзисторов 1.

После включения транзисторов 1 контроллер 5 осуществляет контроль величины протекающего в силовой цепи тока посредством датчика тока 2, размещенного в силовой цепи электровоза. В случае обнаружения опасной величины тока контроллер 5 выключает транзисторы 1. После выключения транзисторов ток, протекавший в силовой цепи, прерывается и не достигает аварийно-опасных значений. Выброс напряжения, который возникает при отключении ограничивается на безопасном уровне схемой защиты транзисторов 11. Кроме того, контроллер управления 5 воспринимает сигнал по линии 6 от системы управления электровозом и производит отключение транзисторов 1 при меньшей величине аварийного тока в случае появления данного сигнала. Управление вентиляторами 10 производится в зависимости от температуры охладителя.

При отключении транзисторов 1 на внешний электромеханический выключатель выдается сигнал по линии 8. Это позволяет гальванически разомкнуть силовую цепь. При полном отключении всех транзисторов 1 высокая скорость запирания силового полупроводникового ключа электровоза позволяет разомкнуть силовую цепь при значениях тока, не представляющих опасности для силового оборудования электровоза, исключая образование электрической дуги. Защиту транзисторов 1 при этом обеспечивает схема защиты 11. По линии связи 7 передается диагностическая информация о состоянии системы защиты, о том, включены или выключены транзисторы 1, а также о наличии или отсутствии какого-либо аварийного состояния, и о величине протекающего через силовую цепь тока.

Контроллер 5 может производить отключение транзисторов как по уровню тока, так и по скорости его нарастания, уровень срабатывания может быть изменен программно или по линии связи. Источник питания 9, питаемый от внешней сети, позволяет обеспечить питание системы независимо от уровня напряжения в силовой цепи, что позволяет использовать систему защиты в схемах с расположением как под высоким потенциалом, так и под низким.

Защита цепей от перегрузок и обеспечение гальванической развязки защищенной цепи достигается за счет введения в систему защиты силовой цепи датчика тока, подключения к затворам транзисторов драйверов управления транзисторами, обеспечивающих гальваническую развязку с контроллером управления, и наличия в контроллере выхода управления электромеханическим выключателем электровоза.

Выполнение контроллера управления с возможностями отключения транзисторов как по уровню тока, так и по скорости его нарастания; управления уровнями срабатывания и срабатыванием по линии связи; обеспечения диагностики самой системы по линии связи, и наличия в контроллере управления программного обеспечения, позволяющего производить изменение алгоритма работы и задания параметров срабатывания, позволяет расширить функциональные возможности системы защиты от аварийных режимов тяговых электродвигателей. Выполнение контроллера управления с возможностью регулирования частоты вращения вентиляторов охлаждения позволяет снизить потери электроэнергии на питание вентиляторов во время работы системы защиты.