Исследование цепей защиты от коммутационных перенапряжений выпрямительной установки возбуждения электровоза на IGBT-транзисторах

На основании выражения (14) определим скорость возможного аквапланирования (глиссирования) для данной дорожно-транспортной ситуации. Тогда

V =

'гп

N

106  262,5

3 14

2  1,6  175  Ар  0,998596 • 103  0,80

= 18,8.

Таким образом, при наличии лужи толщиной воды в 2 мм и высоте протектора шин 1,6 мм (п = 0,80) скорость, при которой возможно аквапланирование (скольжение) после наезда на лужу, составляет около 67,5 км/ч (18,8 м/с). Для того чтобы на такой скорости обеспечить гидродинамическую силу подъема (см. рис. 2), необходимо сжать слой воды длиной, равной расстоянию, проходимому автомобилем за одну секунду, т.е. 18,8 м.

При длине лужи 3,2 м и скорости движения 50 км/ч (13,9 м/с) начало скольжения по воде должно произойти через интервал времени примерно равный 0,13 с после наезда на лужу (см. рис. 3). За это время автомобиль пройдет путь, равный 1,83 м, т.е. при оставшейся длине лужи в 1,37 м обеспечить надлежащую динамическую реакцию воды практически невозможно.

Кроме того, за колесом в слое воды образуется колея, которая постепенно заполняется водой, затекающей с боковых сторон. Так как глубина воды на покрытии невелика, ширина лужи - 1,7 м, а ее длина -3,2 м, то при скорости движения в 50 км/ч (13,9 м/с), за время, примерно равное 0,23 с между проходом передних и задних колес в колее не успеет восстановиться первоначальный уровень воды. По этой при-

чине перед задними колесами подъем уровня воды будет отсутствовать или будет настолько мал, что не окажет существенного влияния на движение транспортного средства.

Известно, что «дождевые» шины, имеющие глубокие канавки для отвода воды, менее подвержены ак-вапланированию по сравнению с обычными шинами. Степень влияния глубины и формы канавок требует дальнейшего исследования.

Анализ полученных результатов

Рассмотренный метод экспертного исследования дорожно-транспортной ситуации позволяет более адекватно определить обстоятельства происшествия, выявить и систематизировать факторы, способствующие его возникновению и развитию и установить технические возможности его предотвращения.

Практическое приложение результатов

Рассмотренный метод экспертного исследования позволяет получить научно обоснованное восстановление обстоятельств дорожно-транспортного происшествия и выявить данные, которые могут быть доказательными для установления истины по делу о дорожно-транспортном происшествии.

Выводы

Рассмотренный метод решение вопроса определения скорости движения транспортного средства при экспертном исследовании дорожно-транспортной ситуации позволяет суду, судьям, органам дознания и следователям разобраться в механизме дорожно-транспортного происшествия и дать правильную оценку действиям всех его участников.

Статья поступила 07.02.21014 г.

Библиографический список

1. Евтюков С.А., Васильев Я.В. Экспертиза дорожно-транспортных происшествий: справочник. СПб.: Изд-во ДНК, 2006. 536 с.

2. Иларионов В.А. Экспертиза дорожно-транспортных происшествий: учебник для вузов. М.: Транспорт, 1989. 255 с.

3. Кристи Н.М., Тишин В.С. Транспортно-трасологическая экспертиза по делам о дорожно-транспортных происшествиях. Диагностическое исследование: методич. пособие для

экспертов, следователей и судей. Ч. 2. М.: ВНИИСЭ, 1988. 121 с.

4. Немчинов М.В. Сцепные качества дорожных покрытий и безопасность движения автомобиля. М.: Транспорт, 1985. 231 с.

5. Судебно-автотехническая экспертиза: методич. пособие для экспертов-автотехников, следователей и судей / под ред. В.А. Иларионова. Ч. 2. М.: Изд-во ВНИИСЭ, 1980. 491 с.

УДК 629.423

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПЕЙ ЗАЩИТЫ ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА НА ЮВТ-ТРАНЗИСТОРАХ

© А.О. Линьков1

Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

Разработана новая выпрямительная установка возбуждения электровоза, выполненная на основе ЮБТ-транзисторов, и способ ее управления. Из-за высокой скорости переключений транзистора в цепи, где присутствуют индуктивности рассеяния, возникают опасные коммутационные перенапряжения. Для снижения опасных выбросов исследуются различные снабберные РО-цепи. Разработаны новые способы снижения коммутационных перенапряжений за счет отвода энергии от защищаемого транзистора на дополнительный элемент. Ил. 10. Библиогр. 5 назв.

1Линьков Алексей Олегович, аспирант, тел.: 89247095299, e-mail: LinkovAlex@mail.ru Linkov Aleksei, Postgraduate, tel.: 89247095299, e-mail: LinkovAlex@mail.ru

STUDYING CIRCUIT PROTECTION FROM SWITCHING OVERVOLTAGES OF ELECTRIC LOCOMOTIVE EXCITATION RECTIFYING INSTALLATION ON IGBT TRANSISTORS A.O. Linkov

Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.

A new IGBT transistor-based installation rectifying electric locomotive excitation and the method to control it are developed. High switching speed of the transistor in the circuit with leakage inductances causes dangerous switching overvoltages. To reduce harmful emissions various snubber RC-circuits are used. New methods to reduce switching overvoltages via energy removal from the transistor being protected to the additional element are worked out. 10 figures. 5 sources.

Key words: electric locomotive; regeneration braking; excitation rectifying installation; IGBT transistor; switching overvoltages; snubber circuits.

Ключевые слова: электровоз; рекуперативное торможение; выпрямительная установка возбуждения; IGBT-транзистор; коммутационные перенапряжения; снабберные цепи.

Все силовые преобразовательные устройства должны быть надежно защищены в любых аварийных режимах. Одна из основных причин возникновения таких режимов связана с высокими скоростями изменения тока современных электронных ключей и наличием индуктивностей рассеяния в цепях коммутации. Конструкция преобразователя должна при всех условиях эксплуатации обеспечивать отсутствие опасных перенапряжений, способных вывести силовые управляемые ключи из строя.

В работах [4-5] авторами разработана выпрямительная установка возбуждения (ВУВ) электровоза, выполненная на основе управляемых электронных ключей (ЮБТ-модулей), описан способ ее управления. Данный способ управления позволяет устранить сдвиг фазы пульсации тока возбуждения относительно фазы напряжения сети, тем самым повысить коэффициент мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения. Однако в предлагаемой выпрямительной установке не предусмотрены цепи защиты для снижения коммутационных перенапряжений. Данная статья посвящена исследованиям в области снижения коммутационных выбросов.

Коммутационные выбросы вызываются переходными процессами, происходящими при переключении силовых ключей. Возникающее в результате коммутационное напряжение суммируется с напряжением источника питания. Причиной возникновения переходных перенапряжений является прерывание больших токов с высокой скоростью в индуктивностях, находящихся в силовой цепи, а именно: индуктивности нагрузки 1_ов, индуктивностях рассеяния силового трансформатора Lрас. В предлагаемой ВУВ индуктивность нагрузки (обмотка возбуждения тягового электродвигателя) зашунтирована параллельным диодом [5]. При отключении ЮБТ из-за наличия индуктивностей рассеяния трансформатора возникает импульсное перенапряжение. В результате напряжение на коллекторе ЮБТ-транзистора возрастает на величину hV=LрасxdiC/dt относительно потенциала источника питания VDC, где diC/dt - скорость спада тока коллектора. Суммарное напряжение (между коллектором и эмиттером) при этом равно VCE=VDC+йV и может превысить допустимое значение, а следовательно, вывести транзистор из строя [3].

Цепи защиты должны исключать выход параметров IGBT-транзистора ВУВ за область безопасной работы ОБР (или SOA - safe operating area) даже в аварийных режимах работы [1].

Ограничение до безопасных пределов напряжения на силовых выводах (между коллектором и эмиттером) может достигаться применением снабберных цепей или регулировкой скорости переключения с помощью схемы управления затвором.

Наиболее распространенным способом защиты электронных ключей от коммутационных перенапряжений является применение параллельных снаббер-ных цепей. Основой таких цепей является конденсатор. Для снижения добротности паразитного колебательного контура последовательно с конденсатором устанавливается резистор. Известно, что характеристики паразитного контура из-за наличия индуктивностей рассеяния плохо поддаются расчету или моделированию, поэтому в процессе разработки необходимо корректировать параметры снабберной цепи на основании результатов экспериментальной проверки, главными критериями которых являются минимальное значение перенапряжения и отсутствие опасных колебаний [3]. Исследование защитных цепей ВУВ осуществлялось на математической модели электровоза переменного тока в пакете Matlab Simulink, представленной в работе [4].

На рис. 1 приведена схема ВУВ электровоза с индивидуальными снабберными RC-цепями каждого элемента выпрямительной установки.

На рис. 2 изображены диаграммы напряжения и токов при работе ВУВ с индивидуальными снаббер-ными RC-цепями. Видно, что отключение IGBT-транзистора происходит в середине полупериода в момент максимального амплитудного значения напряжения трансформатора (см. рис. 2,а). Ток возбуждения, при котором осуществляется коммутация IGBT-транзистора, равен 800 А (см. рис. 2,6). В результате использования таких защитных цепей напряжение между коллектором и эмиттером IGBT-транзистора VT1 в момент отключения возрастает вдвое относительно потенциала источника питания (см. рис. 2,е). На рис. 2,г,д,е видно, что большая часть энергии индук-

и

НН=И

Рис. 1. Электрическая принципиальная схема ВУВ электровоза с индивидуальными снабберными ^-цепями

. Время, с

Ршра^ЬЙог

Рис. 2. Диаграммы напряжения и токов при работе ВУВ с индивидуальными снабберными RC-цепями: а - выпрямленное напряжение обмоток возбуждения иоэ; б - токи выпрямительных диодов У01 Ыт, У02 и шунтирующего диода Уй3 Ьоз; в - напряжение между коллектором и эмиттером ЮБТ-транзистора VII исЕ; г - ток в цепи С3^3 з; д - ток в цепи С1^1 iR1; е - ток в цепи С2^2 2

тивностей рассеяния проходит через цепь 03-Р3, шунтирующую ЮБТ-транзистор, обуславливая возникновение импульсного тока более 400 А.

Другим способом ограничения выбросов напряже-

ния является установка снабберной емкости непосредственно на выводы трансформатора параллельно его вторичным обмоткам (рис. 3). Такой способ позволит зашунтировать ЮБТ-транзистор относительно

нулевой точки выпрямителя и снизить ток через цепь О3-Р3.

В результате такого способа включения защитных РО-цепей напряжение между коллектором и эмиттером ЮБТ-транзистора при отключении возрастает вдвое относительно потенциала источника питания

(рис. 4,е). Однако импульсный ток через цепь О3-Р3, шунтирующую ЮБТ-транзистор, снижается до 50 А (рис. 4,г). Но теперь большая часть энергии индуктив-ностей рассеяния проходит через цепи О1-Р1 и О2-Р2 в соответствующий полупериод, обуславливая возникновение импульсного тока до 300 А (рис. 4Де).

U

Рис. 3. Электрическая принципиальная схема ВУВ электровоза со снабберными ЯО-цепями параллельно обмоткам трансформатора

I] Figures  Scope5

IH^KHI

File Edit View Insert Tools Debug Desktop Window Help

§§ Oil шшве|п)

[ScopeS x|

а) 200

I I I ____

UQE Uob

-- V .--!--Hi-к—:- ...................... 1VD3..............................................................y-'-^^vrn"

1.................

t -L-i-

б)

600 400 200 0

в) 600 400 200

0

г)- 0

-20 -40

II

Uce UCE

—| ----^ —- ^^----

11

\ÍR3 \Ir3

д)

е)

00 о 00 00 00-

00 200 00 о

- 1

1 R2 !r-

- : : — / rs

4

0.984

0.99 0.992 0.994 0.996 , Время, с

Properly Editar

Рис. 4. Диаграммы напряжения и токов при работе ВУВ со снабберными ЯО-цепями параллельно обмоткам трансформатора: а - выпрямленное напряжение обмоток возбуждения иов; б - токи выпрямительных диодов У01 ¡\ю1, У02 ¡^ог и шунтирующего диода Уй3 Ьоз; в - напряжение между коллектором и эмиттером ЮБТ-транзистора VII иоЕ; г - ток в цепи О3-Я3 ¡яз; д - ток в цепи О1-Я1 Ыи е - ток в цепи О2-Я2 ¡яг

Рассмотренные выше варианты использования снабберных РС-цепей пригодны для практической реализации, однако необходимы специальные импульсные конденсаторы, рассчитанные на больший ток и напряжение.

Принципиально новый способ защиты от коммутационных перенапряжений заключается в том, что большая часть энергии индуктивностей рассеяния при выключении ЮБТ-транзистора отводится с его коллектора через дополнительные управляемые электронные ключи на вторичную обмотку дополнительного трансформатора (рис. 5). Включение дополнительных электронных ключей УТ2, УТ3 осуществляется поочередно в зависимости от полупериода сетевого напряжения в момент не позже выключения ЮБТ-транзистора УТ1, а выключение - через некоторый промежуток времени, зависящий от длительности коммутационных перенапряжений. Энергия коммутационных перенапряжений гасится за счет направления возникающего тока противоположно электродвижущей силе вторичной обмотки дополнительного трансформатора. В качестве электронных ключей используются ЮБТ-транзисторы.

При использовании дополнительного трансформатора для защиты напряжение между коллектором и

эмиттером ЮБТ-транзистора при отключении возрастает до 700 В (рис. 6,в). Но теперь импульсный ток через цепь 01-Р1, шунтирующую ЮБТ-транзистор, составляет 200 А (рис. 6,г), а через электронные ключи УТ2, УТ3 отводится значительная часть энергии индуктивностей рассеяния (рис. 6,д,е).

Следующим способом защиты от коммутационных выбросов является отвод энергии индуктивностей рассеяния, образующейся при выключении ЮБТ-транзистора УТ1, на нагрузку. Для этого необходим дополнительный трансформатор малой мощности Т2, первичная обмотка которого включена последовательно со снабберной цепью С1-Р1, а вторичная обмотка через диодный мост Уй4 соединена с нагрузкой обмотки возбуждения тягового электродвигателя (рис. 7).

По результатам исследований доказано, что данное решение может иметь практическое применение. При отводе коммутационных перенапряжений на нагрузку напряжение между коллектором и эмиттером ЮБТ-транзистора при отключении возрастает до 600 В (рис. 8,в). Импульсный ток через цепь С1-Р1, шунтирующую ЮБТ-транзистор, и через диодный мост УР4 составляет около 300 А (рис. 8,г,д).

и

Рис. 5. Электрическая принципиальная схема ВУВ электровоза с дополнительным трансформатором

File Edit view Insert Tools Debug Desktop Window Help * ? X

Bfll шшвэЦ

kope5 «1

в)

г).

е)

О

±

±

Tfifi _____ III ^^ 1

UOB Uob

1UU 0 у/

1 III 1

<>ЛЛ 1 . 1 1 1 - i i

ГЛЛ 1 \ 7 j i 7 j

OUU 1ЛЛ

1ЛЛ 1.............................................. ........................j...............................................

0 t / -ц_-

0.98 0.982 0.984 0.9

пН

Property Editor

0.99 0.992 0.994 0.996 0.Í , Время, с

1

UCB

-............................................... .....1................ .........................j......................... .... .............

flfl 1 1 1 1 1

00 0

1уТ2 ^- - \JvT2

Рис. 6. Диаграммы напряжения и токов при работе ВУВ с дополнительным трансформатором: а - выпрямленное напряжение обмоток возбуждения иоэ; б - токи выпрямительных диодов VD1 Ыйь VD2 Ый2 и шунтирующего диода VD3 ^з; в - напряжение между коллектором и эмиттером ЮБТ-транзистора VT1 исЕ; г - ток в цепи С1^1 iR1;

д - ток в цепи VT2 ^2; е - ток в цепи VT3 ^з

на нагрузку

Q Транспорт

File Edit View Insert Tools Debug Desktop Window Help * ? X

a ^ № 0 1 шшвяЩ

[ScopeS xj

а)

б)

в)

г)

зоо-

д)

i:

I.........................i-

\Jri

J=

0.99 0.992 , Время, с

1 1

UOB UOB

/ 7

i III

.1 1 1 1

J..................... j j j j

1 I

1

/

1 1 1

11................ ..........и.........

UCE UcE

.........................1......................-

Property Editor

Рис. 8. Диаграммы напряжения и токов при работе ВУВ с отводом коммутационных перенапряжений на нагрузку: а - выпрямленное напряжение обмоток возбуждения иов; б - токи выпрямительных диодов У01 Ыйь У02 и шунтирующего диода Уй3 1\юз; в - напряжение между коллектором и эмиттером ЮБТ-транзистора VII исЕ;

г - ток в цепи С1-Я1 д - ток в цепи VD4 Ый4

Последние два рассмотренных варианта защитных цепей для снижения коммутационных перенапряжений при переключениях ^^транзистора показали свою практическую пригодность без использования специальных мощных импульсных конденсаторов.

В настоящее время активно развивается способ снижения коммутационных перенапряжений, возникающих при переключениях ^^транзистора за счет регулировки скорости переключений с помощью схемы управления затвором [2]. Данный способ реализуется непосредственно в драйвере управления ^^ транзистора.

Снижение уровня коммутационных перенапряжений, возникающих при прерывании тока, осуществляется с помощью режима плавного (SSD, STO) или двухуровнего отключения. В первом случае ограничение осуществляется благодаря снижению скорости выключения 61/61 за счет увеличения номинала резистора затвора. Более современным решением, разработанным компанией SEMIKRON, является использо-

вание режима интеллектуального отключения. Такой режим позволяет изменять скорость разряда емкостей затвора в процессе выключения Принцип его

работы подробно поясняется в статье [2]. Алгоритм управления обеспечивает быстрое и безопасное запирание IGBT при минимальном уровне динамических потерь и перенапряжений.

На рис. 9 представлена электрическая принципиальная схема ВУВ электровоза с увеличенным временем выключения IGBT-транзистора ^=100 мкс и RC-цепочкой малой мощности для повышения надежности работы транзистора.

Согласно полученным в результате исследований диаграммам видно, что при снижении скорости переключений IGBT-транзистора выбросы напряжения между коллектором и эмиттером снизились до минимума (рис. 10,в). Следовательно, импульсные токи в момент переключения IGBT-транзистора значительно сократились.

Время, с

Рис. 10. Диаграммы напряжения и токов при работе ВУВ с временем выключения IGBT-транзистора (ин=100 мкс): а - выпрямленное напряжение обмоток возбуждения uoв; б - токи выпрямительных диодов VD1 ^1, VD2 ^2 и шунтирующего диода VD3 3; в - напряжение между коллектором и эмиттером IGBT-транзистора VT1 ucE

Очевидно, что регулирование скорости переключения ЮВТ-транзистора имеет в этом плане преимущества, поскольку позволяет решить задачу ограничения коммутационных выбросов при отключении тока и одновременно снизить энергию потерь выключения. Однако при использовании ЮВТ-модулей увеличение

времени переключений может привести к дисбалансу токов между параллельно включенными транзисторами. Поэтому практическая реализация данного способа имеет трудности, для решения которых необходимы опытные исследования.

Статья поступила 28.03.2014 г.

Библиографический список

1. Колпаков А. Защитные функции драйверов БЕМ^ОИ // Компоненты и технологии. 2003. № 5. С. 50-55.

2. Колпаков А. Защитные функции современных драйверов ЮВТ // Силовая электроника. 2010. № 5. С. 41 -44.

3. Колпаков А. Проблемы проектирования ЮВТ-инверторов: перенапряжения и снабберы // Компоненты и технологии. 2008. № 5. С. 98-103.

4. Математическое моделирование работы электровоза с

новой выпрямительной установкой возбуждения на IGBT-транзисторах / А.О. Линьков, О.В. Мельниченко, А.Ю. Портной, С.Г. Шрамко // Наука и техника транспорта. 2013. № 2. С. 21-28.

5. Мельниченко О.В., Линьков О.А., Шрамко С.Г. Повышение коэффициента мощности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения // Мир транспорта. 2013. № 3 (47). С. 64-69.