Система защиты силовой цепи электровоза
PROTECTION SYSTEM OF POWER ELECTRICAL CIRCUIT

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности к защите элементов силовой электрической цепи питания электродвигателей постоянного тока электровоза, защите индивидуальной силовой цепи электровоза постоянного тока с одним тяговым преобразователем.
м
Из уровня техники известна силовая схема тягового агрегата ПЭ2 «Электровозы и тяговые агрегаты промышленного транспорта» под ред. Браташ М., «Транспорт», 1977 г., рис. 230, стр. 374. Электрическая система тягового агрегата типа ПЭ2-У содержит быстродействующий выключатель, тяговые двигатели, блок пуско-тормозных резисторов. Источником питания электрической системы тягового агрегата типа ПЭ2-У является контактная сеть электрифицированной железной дороги напряжением постоянного тока 1500В или 3000В. Напряжение с контактной сети поступает в схему электровоза через замкнутые контакты быстродействующих выключателей.
Недостатками данной электрической системы тягового агрегата является сложность управления работой тягового агрегата, связанная с необходимостью переключения контакторами пуско-тормозных резисторов в режимах разгона и торможения, большое количество контакторов для коммутации отводов пуско-тормозных резисторов, низкая надежность из-за большого количества контакторов, возможность превышения предельно-допустимых режимов работы тяговых двигателей при неправильных действиях машиниста. Кроме того, при разгонах происходят значительные потери электрической энергии на пуско-тормозных резисторах тягового агрегата, а также потери электроэнергии, выделяющейся во время его электродинамического торможения из-за невозможности ее рекуперации в контактную сеть.
Из уровня техники известна электрическая система тягового агрегата по заявке №2014114092 на выдачу патента РФ на изобретение, дата публикации 10.04.2014. Система тягового агрегата состоит из электровоза управления и по крайней мере одного тягового думпкара, которая содержит тяговые двигатели, по крайней мере один блок тормозных резисторов. Система дополнительно содержит первую группу тяговых преобразовательно-регулирующих блоков, которая включает в себя по крайней мере два тяговых преобразовательно-регулирующих блока, вторую группу тяговых преобразовательно-регулирующих блоков, которая включает в себя по крайней мере два тяговых преобразовательно-регулирующих блока, причем каждый из тяговых преобразовательно-регулирующих блоков выполнен таким, что имеет два независимых друг от друга выхода, которые предназначены для независимого питания постоянным током двух тяговых двигателей и регулировки оборотов этих тяговых двигателей путем изменения величины силы тока постоянного тока, по крайней мере один блок входного фильтра. Выходы тяговых преобразовательно-регулирующих блоков связаны со входами тяговых двигателей таким образом, что каждый из выходов тяговых преобразовательно-регулирующих блоков связан со входом одного из тяговых двигателей и питание каждого из тяговых двигателей является независимым от питания другого тягового двигателя, вход каждого из тягового двигателей связан со входом блока входного фильтра.
Кроме того, известен целый ряд технических решений по патентным документам KZ 29826, KZ 30097, РФ 153253, РФ 153541, аналогичных электрической системе тягового агрегата по заявке №2014114092.
Наиболее близким техническим решением является полезная модель «Электрическая система тягового агрегата» по патенту РФ 153541, дата публикации 27.07.2015. Система содержит тяговые двигатели, по крайней мере один блок тормозных резисторов, первую группу тяговых преобразовательно-регулирующих блоков, вторую группу тяговых преобразовательно-регулирующих блоков, по крайней мере один блок входного фильтра. Выполнение питания тяговых двигателей от тягового преобразовательно-регулирующего блока позволяет регулировать силу тяги или силу электродинамического торможения и регулировать обороты тягового двигателя, что приводит к повышению эффективности работы тягового агрегата и уменьшение расхода электроэнергии во время движения поезда.
Недостатками системы являются возникновение больших токов в силовой сети при отказах преобразовательной техники или нагрузок тяговых преобразователей, в том числе тяговых двигателей, что приводит к аварийным ситуациям.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются защита цепей питания от контактной сети электровоза от перегрузок по току, вызванных отказами тяговых преобразователей и тяговых двигателей, от повышенного входного напряжения, а также минимизация количества повреждений тяговых двигателей или тяговых преобразователей при возникновении аварийных ситуаций.
Техническими результатами изобретения являются защита тягового преобразователя от отказов тяговых двигателей и от перенапряжений в цепях питания от контактной сети электровоза, а также защита тяговых двигателей от отказов тягового преобразователя.
Технические результаты обеспечиваются за счет выполнения системы защиты силовых цепей электровоза постоянного тока, содержащей тяговые двигатели, тяговые преобразователи и n-число устройств защиты, входы которых соединяются с быстродействующим выключателем электровоза, а выходы соединены с входами n-числа тяговых преобразователей, к выходам каждого из которых подсоединены тяговые двигатели. При этом сигнальная цепь от тягового преобразователя соединена с устройством защиты и сигнальные цепи от устройств защиты соединены с цепью отключения быстродействующего выключателя. Устройство защиты состоит из силового IGBT-транзистора, включенного в цепь питания тягового преобразователя от контактной сети, из устройства управления, датчиков тока и напряжения. Кроме того, устройство защиты имеет вход сигнальной цепи от тягового преобразователя и выход сигнальной цепи для отключения быстродействующего выключателя.
Сигнальная цепь от тягового преобразователя к сигнальному входа устройства защиты может быть выполнена в виде оптической связи или электрической цепи.
На фигуре 1 представлена структурная схема системы защиты силовой цепи электровоза.
Входы n-числа устройств защиты 1 соединены с быстродействующим выключателем 2 электровоза, выходы n-числа устройств защиты 1 соединены с соответствующими входами n-числа тяговых преобразователей 3.
Выход сигнальной цепи 4 от тягового преобразователя 3 соединен с соответствующим входом своего устройства защиты 1. Выходы сигнальных цепей 5 от n-числа устройств защиты 1 соединены с цепью отключения быстродействующего выключателя 2.
Устройство защиты 1 устанавливается перед преобразователем тяговым 3 каждой тяговой единицы (электровоз или думпкар), в зависимости от их количества. Устройство защиты 1 состоит из силового IGBT-транзистора 6, установленного в разрыв цепи питания от контактной сети тягового преобразователя 3, из устройства управления 7, датчика тока 8 и напряжения 9 цепи питания от контактной сети, а также имеет вход сигнальной цепи 4 для приема сигнала отключения от тягового преобразователя.
К выходам n-числа тяговых преобразователей 3 подключены тяговые двигатели 10. Тяговые преобюразхователи могут быть выполнены с возможностью обеспечения питания всех тяговых двигателей как последовательно соединенных, так и по отдельности. Кроме того, тяговый преобразователь может содержать устройство защиты от превышения напряжения в контактной сети и от неисправностей в тяговых двигателях.
Система защиты силовых цепей электровоза постоянного тока работает следующим образом.
Напряжение цепи питания от контактной сети через быстродействующий выключатель 2 поступает на входы включенных устройств защиты 1, с выхода которых напряжение поступает на входы тяговых преобразователей 3, которые в свою очередь обеспечивают питание тяговых двигателей во всех режимах работы.
Срабатывание устройства защиты 1 происходит следующим образом. При аварийной ситуации устройство управления 7 устройства защиты 1 выдает сигнал закрытия на IGBT-транзистор 6. Транзистор закрывается, препятствуя протеканию тока в тяговый преобразователь 3 и снимая с него напряжение. Устройство защиты 1 выдает сигнал отключения на быстродействующий выключатель 2 с помощью сигнальной цепи 5.
Критерии срабатывания устройства защиты следующие:
При выходе из строя преобразователя тягового 3 устройство защиты 1 с помощью датчика тока 8 фиксирует превышение порогового значения тока и срабатывает.
При срабатывании собственных защит преобразователя тягового 3, при отказах нагрузок тягового преобразователя или при превышении входного напряжения преобразователя тягового 3, он выдает на устройство защиты 1 сигнал выключения через сигнальную цепь 4. Устройство защиты 1 срабатывает.
При фиксации превышения входного напряжения по собственному датчику напряжения 9 устройство защиты 1 срабатывает.
В режиме рекуперативного торможения тормозной ток протекает из тягового преобразователя 3 через встроенный диод силового IGBT-транзистора 6 в быстродействующий выключатель 2 и в цепь питания от контактной сети.
Устройство защиты 1 выполняет функции электронного автоматического выключателя для конкретного тягового преобразователя, с малым временем срабатывания, 0,0005 сек. Устройство защиты рассчитано на небольшое превышение над допустимыми токами конкретной цепи, что позволяет избежать повреждения оборудования от коротких замыканий, так как энергия, выделяемая в течение от момента аварии до момента разрыва цепи существенно меньше. При этом, отключив тяговый преобразователь 3, устройство защиты 1 формирует управляющий сигнал 5 на отключение быстродействующего выключателя 2 для обеспечения гальванической развязки аварийной цепи от контактной сети.
Отключение устройства защиты 1 производится по сигналу от тягового преобразователя 3, либо при превышении тока в в цепи питания от контактной сети, либо при превышении напряжения в в цепи питания от контактной сети. При отключении устройство защиты 1 выдает сигнал на отключение быстродействующего выключателя 2 для обеспечения гальванической развязки аварийной цепи от контактной сети.
Быстродействующий выключатель 2 предназначен для разрыва силовой цепи и ее защиты от токов короткого замыкания. Собственное время механического разрыва контактов быстродействующего выключателя без учета времени разрыва электрической дуги от 0,0015 до 0,003 сек. Причем ток срабатывания устанавливается на всю секцию электровоза, что в три раза больше тока потребления тягового преобразователя.
Таким образом, выполнение системы защиты цепи питания электровоза, содержащей тяговые двигатели, тяговые преобразователи и n-число устройств защиты, входы которых соединяются с быстродействующим выключателем электровоза, а выходы соединены с входами n-числа тяговых преобразователей, к выходам каждого из которых подсоединены тяговые двигатели, при этом сигнальная цепь от тягового преобразователя соединена с устройством защиты и сигнальные цепи от устройств защиты соединены с цепью отключения быстродействующего выключателя, причем устройство защиты состоит из силового IGBT-транзистора, включенного в цепь питания тягового преобразователя от контактной сети, из устройства управления, датчиков тока и напряжения, кроме того, устройство защиты имеет вход сигнальной цепи от тягового преобразователя и выход сигнальной цепи для отключения быстродействующего выключателя, обеспечивает защиту тягового преобразователя от отказов тяговых двигателей и от перенапряжений в цепях питания от контактной сети электровоза, а также защиту тяговых двигателей от отказов тягового преобразователя. Признаки, указанные в зависимых пунктах формулы также имеют причинно-следственную связь с заявленными техническими результатами.