УЛУЧШЕНИЕ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА
IMPROVED PROTECTION OF ELECTRIC MOTOR OF DIRECT CURRENT ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к электрической сети постоянного тока для подводных и надводных транспортных средств, а также морских буровых платформ, содержащей по меньшей мере один расположенный в соответствующей ветви источника источник постоянного тока и по меньшей мере один расположенный в соответствующей ветви электродвигателя приводной электродвигатель постоянного тока. Кроме того, изобретение относится к способу оказания влияния на проходящий в сети постоянного тока постоянный ток.
Сети постоянного тока, соответственно, установки постоянного тока широко распространены, например, в подводных лодках. В частности, там возможны суммарные токи короткого замыкания примерно 100 кА и больше, что в случае короткого замыкания вследствие больших механических сил за счет импульсов тока приводит к значительной динамической и термической нагрузке всей установки постоянного тока. При этом при коротком замыкании в тяговом режиме электродвигатель постоянного тока переходит из электродвигательного в генераторный режим. Критичной ситуация становится, когда в электродвигателе постоянного тока возникает так называемый круговой огонь по коллектору, что может приводить к большим повреждениям электродвигателя постоянного тока.
Из WO 2010/003835 А2 известно быстрое переключательное устройство для батареи большой мощности в изолированной сети постоянного тока, которая может использоваться, например, в подводном транспортном средстве. Изолированная сеть постоянного тока имеет несколько батарейных модулей, приводной электродвигатель постоянного тока и контролирующее и управляющее устройство.
Из JP 03 098480 А известен статор для электродвигателя постоянного тока, при этом перед электродвигателем постоянного тока включен переключатель.
В основу изобретения положена задача обеспечения улучшенной защиты электрической сети постоянного тока в случае короткого замыкания в электрической сети постоянного тока.
Эта задача решена с помощью электрической сети постоянного тока указанного в начале вида, при этом предусмотрено по меньшей мере одно измеряющее ток устройство для измерения тока и/или нарастания тока по меньшей мере в одном источнике постоянного тока, а также по меньшей мере один блок управления для оказания влияния на проходящий в соответствующей ветви электродвигателя сети постоянного тока постоянный ток, если измеряемый с помощью по меньшей мере одного измеряющего ток устройства ток и/или нарастание тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока, при этом в соответствующей ветви электродвигателя перед соответствующим приводным электродвигателем постоянного тока включено по меньшей мере одно пусковое сопротивление для уменьшения пускового тока, при этом по меньшей мере одно пусковое сопротивление предназначено для шунтирования с помощью по меньшей мере одного включенного параллельно ему силового переключателя, и при этом соединение по меньшей мере между одним силовым переключателем и по меньшей мере одним блоком управления выполнено так, что с помощью по меньшей мере одного силового переключателя обеспечивается возможность подключения по меньшей мере одного пускового сопротивления, если измеряемый с помощью по меньшей мере одного измеряющего ток устройства ток и/или нарастание тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока.
Кроме того, эта задача решена с помощью способа указанного в начале вида, при этом сеть постоянного тока имеет по меньшей мере один расположенный в соответствующей ветви источника источник постоянного тока и по меньшей мере один расположенный в соответствующей ветви электродвигателя приводной электродвигатель постоянного тока,
при этом способ содержит следующие стадии:
- измерения тока и/или нарастания тока по меньшей мере в одном источнике постоянного тока с помощью по меньшей мере одного соответствующего измеряющего ток устройства,
- оказания влияния на проходящий в соответствующей ветви электродвигателя сети постоянного тока постоянный ток, если измеряемый с помощью по меньшей мере одного измеряющего ток устройства ток и/или нарастание тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока,
- включения по меньшей мере одного пускового сопротивления в соответствующей ветви электродвигателя перед соответствующим приводным электродвигателем постоянного тока для уменьшения пускового тока во время запуска по меньшей мере одного приводного электродвигателя постоянного тока,
- шунтирования по меньшей мере одного пускового сопротивления с помощью по меньшей мере одного включенного параллельно ему силового переключателя, как только по меньшей мере один приводной электродвигатель постоянного тока запущен и измеряемый с помощью измеряющего ток устройства ток и/или нарастание тока меньше задаваемого тока и/или нарастания тока,
- подключения по меньшей мере одного пускового сопротивления по меньшей мере перед одним приводным электродвигателем постоянного тока, если измеряемый с помощью по меньшей мере одного измеряющего ток устройства ток и/или нарастание тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока.
В тяговом режиме по меньшей мере один приводной электродвигатель постоянного тока при возникновении короткого замыкания переходит из электродвигательного в генераторный режим, так что направление тока меняется на противоположное и на основе относительно большой постоянной времени в цепи электродвигателя ток короткого замыкания нарастает относительно медленно по меньшей мере в одном приводном электродвигателе постоянного тока. В противоположность этому, ток короткого замыкания нарастает по меньшей мере в одном источнике постоянного тока очень быстро и достигает быстрей критических значений тока. Таким образом, за счет измерения, согласно изобретению, тока и/или нарастания тока по меньшей мере в одном источнике постоянного тока можно в случае короткого замыкания вызывать оказание раннего влияния на проходящий в соответствующей ветви электродвигателя сети постоянного тока постоянный ток, поскольку измерения осуществляются там, где наиболее быстро достигаются критические токи. Поэтому за счет более быстрого влияния на соответствующую ветвь электродвигателя постоянного тока значительно улучшается защита установки постоянного тока, в частности, по меньшей мере одного электродвигателя постоянного тока. При этом влияние можно оказывать, например, так, что проходящий в соответствующей ветви электродвигателя постоянный ток ограничивается или выключается.
За счет измерения тока и/или нарастания тока по меньшей мере в одном источнике постоянного тока обнаружение критического тока и/или нарастания тока становится более надежным, чем при измерении по меньшей мере в одном электродвигателе постоянного тока, поскольку при работе по меньшей мере одного электродвигателя постоянного тока могут возникать динамические пики тока. Таким образом, при выборе положения установки спускового устройства для случая короткого замыкания эти пики тока играют меньшую роль. Таким образом, значение критического тока можно выбирать с меньшим запасом безопасности и тем самым также меньшим.
Нарастание тока можно характеризовать, например, с помощью производной тока от времени. Если производная тока от времени в течение определенного времени больше заданного критического значения, то постоянный ток по команде блока управления выключается, в частности, с помощью выключателя или силового выключателя. В качестве критерия наличия короткого замыкания и последующего выключения постоянного тока можно в качестве альтернативы нарастанию тока применять также абсолютное значение проходящего постоянного тока. Можно также обнаруживать критическое нарастание тока за счет достижения определенного абсолютного значения тока и одновременно наличия определенной производной тока от времени.
По меньшей мере один источник постоянного тока может быть выполнен, например, в виде батарейной установки. Кроме того, по меньшей мере один источник постоянного тока может содержать установку топливных элементов. Кроме того, возможно использование генератора постоянного тока, соответственно, нескольких указанных выше установок и генераторов.
В электроприводах постоянного тока часто в контуры электродвигателей кратковременно включают пусковые сопротивления для уменьшения пусковых токов. После выполненного разгона затем при нормальной работе пусковые сопротивления с помощью одного или нескольких силовых переключателей коротко замыкаются. За счет динамического размыкания по меньшей мере одного силового переключателя при измерении тока и/или нарастания тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока, по меньшей мере одно пусковое сопротивление снова включается в контур электродвигателя, что приводит к уменьшению создаваемой электродвигателем в режиме генератора доли тока короткого замыкания. Это приводит к улучшенной защите электрической сети постоянного тока, поскольку в случае короткого замыкания возникают меньшие импульсы тока, что приводит к уменьшенной динамической и термической нагрузке сети постоянного тока. Таким образом, по меньшей мере одно пусковое сопротивление приводит также в случае короткого замыкания к ограничению тока и одновременно к надежному и контролируемому рассеянию, например, накопленной в индуктивностях электрической энергии.
В одном предпочтительном варианте выполнения электрической сети постоянного тока предусмотрена возможность выключения постоянного тока, проходящего в соответствующей ветви электродвигателя сети постоянного тока, с помощью по меньшей мере одного первого переключателя и/или с помощью по меньшей мере одного второго переключателя.
Таким образом, переключатель, соответственно, переключатели прерывают сеть постоянного тока в соответствующей ветви электродвигателя. За счет этого прерывания электрические потенциалы соответствующих полюсов по меньшей мере одного источника постоянного тока и по меньшей мере одного приводного электродвигателя постоянного тока больше не соединены друг с другом. За счет полного разделения потенциалов соответствующих полюсов по меньшей мере одного источника постоянного тока и по меньшей мере одного приводного электродвигателя постоянного тока предотвращаются или сильно уменьшаются, в частности, возможные токи поверхностной утечки, в частности, при прорыве воды в водном транспортном средстве. Тем самым дополнительно улучшается защита электрической сети постоянного тока при коротком замыкании за счет разделения потенциалов.
При этом, в частности, предпочтительно полностью и возможно более рано отделять приводной электродвигатель постоянного тока от других потребителей постоянного тока или источников постоянного тока, так что можно предотвращать или по меньшей мере уменьшать круговой огонь по коллектору. За счет того, что измеряется нарастание тока в источнике постоянного тока, т.е. там, где в случае короткого замыкания ток нарастает наиболее быстро, обеспечивается возможность особенно раннего отделения приводного электродвигателя постоянного тока от сети постоянного тока. Измерение нарастания тока на приводном электродвигателе постоянного тока приводит к существенно более позднему распознаванию короткого замыкания, так что возможный круговой огонь по коллектору может проявляться сильнее.
Для выполнения прерывания соответствующей ветви электродвигателя возможно более быстро, можно, например, динамически управлять переключателями так, что разделение на основе переключателей за счет динамического управления можно выполнять быстрее, чем при нормальной работе переключателей.
В другом предпочтительном варианте выполнения электрической сети постоянного тока по меньшей мере один источник постоянного тока содержит по меньшей мере одну батарейную установку и по меньшей мере один генератор постоянного тока, при этом с помощью по меньшей мере одного первого устройства измерения тока обеспечивается возможность измерения первого тока и/или нарастания тока по меньшей мере в одной батарейной установке, а с помощью по меньшей мере одного второго измерительного устройства обеспечивается возможность измерения второго тока и/или нарастания тока по меньшей мере в одном генераторе постоянного тока, и при этом соединение между по меньшей мере одним первым устройством измерения тока, по меньшей мере одним вторым устройство измерения ток и по меньшей мере одним блоком управления выполнено так, что обеспечивается возможность оказания влияния на постоянный ток, если измеряемый первый ток и/или нарастание тока и/или измеряемый второй ток и/или нарастание тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока.
Использование как по меньшей мере одной батарейной установки, так и по меньшей мере одного генератора постоянного тока широко распространено, в частности, в подводных транспортных средствах. По меньшей мере один генератор постоянного тока приводится в действие, например, с помощью дизельного двигателя и поставляет тем самым электрическую энергию. Поскольку дизельный двигатель выполнен с возможностью выключения, и одновременно должна обеспечиваться возможность дальнейшей работы по меньшей мере одного приводного электродвигателя постоянного тока, то должна быть предусмотрена по меньшей мере одна батарейная установка, которая может накапливать электрическую энергию. При выключении дизельного двигателя по меньшей мере одна батарейная установка может продолжать снабжение энергией по меньшей мере одного приводного электродвигателя постоянного тока.
За счет измерения первого тока и/или нарастания тока и второго тока и/или нарастания тока можно обеспечивать особенно быстрое оказание влияния, в частности выключение, постоянного тока, как только, например, один из обоих измеряемых токов и/или нарастаний тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока. Таким образом, обнаружение короткого замыкания основывается на измерении тока и/или нарастания тока в том компоненте источника постоянного тока, который реагирует наиболее чувствительно на короткое замыкание. В качестве альтернативного решения, можно оказывать влияние на постоянный ток, как только оба измеряемых тока и/или нарастания тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока. За счет этого можно обеспечивать особенно надежное распознавание короткого замыкания. Кроме того, в принципе возможно, что по меньшей мере один источник постоянного тока содержит еще другие компоненты, при этом соответствующий ток и/или нарастание тока в компоненте источника постоянного тока можно измерять с помощью соответствующего устройства измерения тока и оказывать влияние на постоянный ток, как только один, несколько или все измеряемые токи и/или нарастания тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока.
Ниже приводится более подробное описание и пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - электрическая принципиальная схема одного варианта выполнения электрической сети постоянного тока, согласно изобретению; и
фиг. 2 - пример изменения во времени тока батареи, тока генератора и тока электродвигателя.
На фиг. 1 показана электрическая принципиальная схема одного варианта выполнения электрической сети постоянного тока, согласно изобретению. Приводные электродвигатели 2 постоянного тока соединены через первое соединение 8 и второе соединение 10 с батарейными установками 12 и генераторами 13 постоянного тока, если замкнуты первый переключатель 9, 19, 39 и второй переключатель 11, 21, 41. Внутри соответствующей ветви электродвигателя предусмотрена возможность прерывания постоянного тока от первого соединения 8 к соответствующему приводному электродвигателю 2 постоянного тока с помощью соответствующего первого переключателя 9 и постоянного тока от второго соединения 10 к соответствующему приводному электродвигателю 2 постоянного тока с помощью соответствующего второго переключателя 11. Во время работы, т.е. когда указанные выше переключатели 9, 19, 39, 11, 21, 41 замкнуты, постоянный ток может проходить от батарейных установок 12 и генераторов 13 постоянного тока к приводным электродвигателям 2 постоянного тока, при этом первое соединение 8 действует в качестве шины тока с положительным напряжением, а второе соединение 10 - в качестве шины тока с отрицательным напряжением. При запуске приводных электродвигателей 2 постоянного тока силовые переключатели 7 разомкнуты, так что постоянный ток проходит через пусковые сопротивления 6 и тем самым ограничивается. Однако во время нормальной работы силовые переключатели 7 замкнуты, так что пусковые сопротивления 6 шунтированы.
Возникающие в соответствующих батарейных установках 12 нарастания тока, соответственно, проходящие в них токи измеряются с помощью соответствующих первых устройств 14 измерения тока. Соответствующие вторые устройства 15 измерения тока измеряют соответствующие нарастания тока в генераторах 13 постоянного тока, соответственно, проходящие там токи. Определяемые с помощью первых измеряющих ток устройств 14 и вторых измеряющих ток устройств 15 нарастания тока, соответственно, токи передаются по меньшей мере в один управляющий блок 4, в котором передаваемые данные сравниваются с задаваемым критическим нарастанием тока, соответственно, задаваемым критическим током. Если на основании этого сравнения с помощью управляющего блока 4 устанавливается, что имеется короткое замыкание, то управляющий блок может выдавать сигналы управления так, что первый переключатель 9 и второй переключатель 11 размыкаются, с целью прерывания проходящего постоянного тока непосредственно у приводных электродвигателей 2 постоянного тока. За счет определения нарастания тока с помощью первых измеряющих ток устройств 14 в батарейных установках 12 и с помощью измеряющих ток устройств 15 в генераторах 13 постоянного тока возможно особенно быстрое определение короткого замыкания, поскольку там следует ожидать наиболее быстрых нарастаний тока. За счет этого раннего распознавания короткого замыкания можно очень быстро отделять приводные электродвигатели 2 постоянного тока от остальной сети постоянного тока и тем самым предотвращать круговой огонь по коллектору или по меньшей мере ограничивать его последствия. Кроме того, управляющий блок 4 в случае обнаружения короткого замыкания может выдавать сигналы управления в силовые переключатели 7, которые размыкаются, с целью ограничения возможно проходящего постоянного тока с помощью пусковых сопротивлений 6.
В случае короткого замыкания может быть дополнительно предусмотрено, что управляющий блок 4 передает сигналы управления также в другие первые переключатели 19, 39 и в другие вторые переключатели 21, 41, которые находятся между генераторами 13 постоянного тока, соответственно, батарейными установками 12, с одной стороны, и первым соединением 8, соответственно, вторым соединением 10, с другой стороны. Таким образом, проходящий постоянный ток прерывается также непосредственно в батарейных установках 12 и генераторах 13 постоянного тока. Это может происходить также, например, относительно батарейных установок 12, позже, чем прерывание постоянного тока с помощью первых переключателей 9, 11.
Хотя непосредственно в приводных электродвигателях 2 постоянного тока следует ожидать сравнительно небольшие токи и нарастания тока в случае короткого замыкания, дополнительно можно определять нарастания тока, соответственно, токов также там с помощью других измеряющих ток устройств 30. Определяемые данные можно затем также передавать в управляющий блок 4, в котором эти данные могут также учитываться для определения короткого замыкания.
Естественно, что электрическая сеть постоянного тока может состоять, например, лишь из правой половины показанного на фиг. 1 примера выполнения и тем самым иметь лишь один приводной электродвигатель 2 постоянного тока, один генератор 13 постоянного тока и лишь одну батарейную установку 12. Кроме того, при этом возможно предусмотрение лишь одного генератора 13 постоянного тока и лишь одной батарейной установки 12, без возникновения недостатков относительно улучшенной защиты от чрезмерного тока, согласно изобретению.
На фиг. 2 показан в качестве примера ход изменения во времени тока 16 батареи, тока 17 генератора и тока 18 электродвигателя. При этом на оси абсцисс нанесено время, а на оси ординат - ток, при этом короткое замыкание начинается в момент времени t=0. Для определения короткого замыкания контролируется превышение током 16 батареи или током 17 генератора критического тока 31. При этом в качестве альтернативы абсолютному значению критического тока 31 может служить задаваемое нарастание тока, например, в виде производной тока от времени в качестве критерия для определения короткого замыкания.
В случае короткого замыкания в режиме привода электродвигатель переходит из электродвигательного в генераторный режим, т.е. ток 18 электродвигателя сначала изменяет свою полярность, а затем медленно нарастает во времени. В противоположность этому, ток 16 батареи и ток 17 генератора мгновенно увеличиваются после короткого замыкания. При этом ток батареи относительно быстро достигает определенного порогового значения, в то время как ток генератора выполняет колебания с большими выбросами вначале вокруг относительно большого порогового значения. Критический ток 31 преодолевается током 16 батареи или током 17 генератора в течение очень короткого времени, в данном примере внутри 1 мс. В противоположность этому, ток 18 электродвигателя достигает порогового значения намного позже, в данном примере за 9 мс.
Следовательно, контролирование тока 16 батареи и тока 17 генератора позволяет очень быстро распознавать короткое замыкание, в частности, по сравнению с контролированием тока 18 электродвигателя.
Таким образом, изобретение относится к электрической сети постоянного тока для подводных и надводных транспортных средств, а также морских буровых платформ, содержащей по меньшей мере один расположенный в соответствующей ветви источника источник постоянного тока и по меньшей мере один расположенный в соответствующей ветви электродвигателя приводной электродвигатель постоянного тока. Кроме того, изобретение относится к способу оказания влияния на проходящей в сети постоянного тока постоянный ток. Для обеспечения в случае короткого замыкания в электрической сети постоянного тока улучшенной защиты предлагается предусмотрение по меньшей мере одного измеряющего ток устройства для измерения тока и/или нарастания тока по меньшей мере в одном источнике тока и по меньшей мере одного управляющего блока для оказания влияния на проходящий в соответствующей ветви электродвигателя сети постоянного тока постоянный ток, если измеряемый с помощью по меньшей мере одного измеряющего ток устройства ток и/или нарастание тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока, при этом в соответствующей ветви электродвигателя перед соответствующим приводным электродвигателем постоянного тока включено по меньшей мере одно пусковое сопротивление для уменьшения пускового тока, при этом по меньшей мере одно пусковое сопротивление предназначено для шунтирования с помощью по меньшей мере одного включенного параллельно ему силового переключателя, и при этом соединение по меньшей мере между одним силовым переключателем и по меньшей мере одним блоком управления выполнено так, что с помощью по меньшей мере одного силового переключателя обеспечивается возможность подключения по меньшей мере одного пускового сопротивления, если измеряемый с помощью по меньшей мере одного измеряющего ток устройства ток и/или нарастание тока больше задаваемого тока и/или нарастания тока.