CC BY
17
УДК 621.316.91
УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТИСУ ТРАМВАЙНЫХ ВАГОНОВ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
А.Н. Шпиганович, А.В. Бойчевский
Представлена схемная реализация устройства защиты тиристорно-импульсных систем управления трамвайными вагонами городского электрического транспорта от коммутационных перенапряжений, обусловленных сбросом электромагнитной энергии индуктивности тяговой сети в конденсатор фильтра ТИСУ при внешних коротких замыканиях, вызванных кратковременными перемыканиями типа «троллей-рельс».
Ключевые слова: коммутационные перенапряжения, конденсатор фильтра ТИСУ, демпфирующие резисторы, шунтирующий узел, элемент времени, восстанавливающий узел.
Для современного этапа развития городского трамвайного пассажирского транспорта, работающего на постоянном напряжении, характерно широкое использование тиристорно-импульсных систем управления (ТИСУ), существенно повышающих экономичность его работы. Однако успешное использование ТИСУ на трамвайных вагонах неразрывно связано с решением ряда проблем, одной из которых является проблема обеспечения ТИСУ эффективной и быстродействующей защитой от коммутационных перенапряжений. При этом из всех возможных видов коммутационных перенапряжений наиболее опасными являются перенапряжения, обусловленные сбросом электромагнитной энергии индуктивности тяговой сети в конденсатор фильтра ТИСУ при отключении внешних коротких замыканий, вызванных аварийными кратковременными перемыканиями типа «троллей-рельс» в системах электроснабжения городского электрического транспорта. Этот вид перенапряжений характеризуется значительной величиной и распределённостью электромагнитной энергии, запасаемой в индуктивности тяговой трамвайной сети при аварийных режимах, высокой кратностью, доходящей до 3,64 единиц, и быстротечностью её достижения (за 11,1...12,2 мс) [1], что не позволяет эффективно гасить их при помощи известных средств защиты [2-8] в указанного класса сетей постоянного тока.
Для ограничения указанного вида перенапряжений предлагается устройство, реализующее способ, основанный на использовании демпфирующих свойств конденсатора фильтра ТИСУ и трёх линейных резисторов, вводимых в цепь гашения перенапряжений по алгоритму, обеспечивающему глубокое ограничение коммутационных перенапряжений за счет оптимального поглощения энергии перенапряжения [9] (рисунок).
53
Принципиальная схема устройства защиты ТИСУ трамвайных вагонов городского электрического транспорта от коммутационных перенапряжений
с тремя демпфирующими звеньями
Устройство состоит из трёх демпфирующих звеньев, включающих в себя демпфирующие резисторы R10, R17 и R23, включенные соответственно в цепи силовых тиристоров V14, V24, и Уз4.
Силовые тиристоры V14, V24, и V34 снабжены блоками гашения, выполненными: на гасящих тиристорах V16, V26, и Уз6; дросселях L3, L4 и L5; гасящих конденсаторах С5, С7 и С9; зарядных диодах V15; V25 и V35. Для развязывания цепей управления силовых тиристоров V14, V24, и V34 от их блоков гашения в них включены развязывающие диоды V12, V23, и Уз3, соответственно.
Для исключения повторного введения в цепь гашения перенапряжений демпфирующих резисторов, при перенапряжениях, обусловленных логикой работы устройства защиты, в схеме предусмотрен шунтирующий узел, выполненный на резисторе R7 и тиристоре V9 с блоком гашения, содержащем гасящий тиристор V13 , дроссель L2, гасящий конденсатор С4 и зарядный диод V11.
Параллельно демпфирующим резисторам R10, R17 и R23 подключены элементы времени, обеспечивающие требуемую задержку времени на отключение демпфирующих резисторов, согласно логике работы схемы, реализующей способ ограничения перенапряжений на входе ТИСУ трамвайного вагона, изложенный в [9] .
Первый элемент времени, подключённый параллельно демпфирующему резистору R23, собран на: RC-цепи, состоящей из резистора R24 и конденсатора тиристоре Уз9, в цепь управления которого включены развязывающий диод Уз8 и стабилитрон Уз7, обеспечивающий включение тиристора V39 при требуемом напряжении на конденсаторе С1; трансформаторе Тр4, с тремя выходными обмотками, выдающем управляющие импульсы на гасящий тиристор V36, тиристор V9 шунтирующего узла и блокировочный тиристор У27 второго элемента времени.
Второй элемент времени подключён параллельно демпфирующему резистору R17. Он также как и первый, выполнен на: RC-цепи ^20 и С8); тиристоре V30, в цепь управления которого включены стабилитрон V28 и развязывающий диод V29; трансформаторе Tp3 с двумя выходными обмотками, выдающими управляющие импульсы на гасящий тиристор блока гашения силового тиристора V24 и блокировочный тиристор V17 третьего элемента времени. С целью предотвращения (за счет тока утечки через закрытый блокировочный тиристор Уг7) заряда конденсатора С8 до напряжения стабилизации, параллельно конденсатору С8 включен резистор R21, образующий с сопротивлением закрытого блокировочного тиристора V27 делитель напряжения (сопротивление резистора R21 на один-два порядка меньше сопротивления закрытого тиристора V 27). Блокировочный тиристор V27 обеспечивает блокировку работы второго элемента времени на время задержки первого элемента времени.
55
Третий элемент времени подключён параллельно демпфирующему резистору Я10. Схематично он полностью идентичен второму элементу времени. А именно, как и второй элемент времени содержит: блокировочный тиристор У17, обеспечивающий блокировку работы третьего элемента времени на время задержки второго элемента времени; ЯС-цепь (Я13 и С6, параллельно которому включен резистор Ям, образующий с сопротивлением закрытого блокировочного тиристора У17 делитель напряжения); тиристор У2о, в цепь управления которого включены стабилитрон У18 и развязывающий диод У19; трансформатор Тр2 с двумя выходными обмотками, выдающими управляющие импульсы на гасящий тиристор У16 блока гашения силового тиристора У14 и тиристор У1 восстанавливающего узла, обеспечивающего возврат схемы устройства защиты в исходное состояние.
Восстанавливающий узел выполненный на тиристоре У1 с блоком гашения и четвертом элементе времени. Блок гашения тиристора У1 содержит гасящий тиристор У7 , дроссель Ь1, гасящий конденсатор С3 и зарядный диод У7. Четвёртый элемент времени выполнен на: ЯС-цепи, состоящей из резистора Я3 и конденсатора С2, параллельно которому включен резистор Я1, образующий с сопротивлением закрытого тиристора У1 делитель напряжения; тиристоре У2, в цепь управления которого включены развязывающий диод У8 и стабилитрон У4, обеспечивающий включение тиристора У2, при требуемом, согласно логике работы устройства защиты, напряжении на конденсаторе С2; и трансформаторе Тр1 с двумя выходными обмотками, выдающем управляющие импульсы на гасящие тиристоры У7, и У13.
Для подачи с выходных обмоток трансформаторов Тр1, Тр2, ТрЗ и Тр4 управляющих импульсов на соответствующие тиристоры только положительной полярности, в каждую из выходных обмоток указанных трансформаторов включено по одному диоду - У5, У6, У21, У22, У31, У32, У40, У41, У42.
Для защиты тиристоров У1, У2, У7, У9, У13, У14, У16, У17, У20, У24, У26, У27, У30, У34, У36 и У39 от электромагнитных помех, которые могут вызвать их самопроизвольное включение, в цепи управления каждого из этих тиристоров включено по защитному сопротивлению - Я2, Я4, Я5, Я8, Я9, Я12, Яц, Я12, Я15, Я16, Я18, Я19, Я21, Я22, Я25 и Я26.
Для обеспечения одновременного подключения демпфирующих резисторов Я10, Я17 и Я23 параллельно демпфирующему конденсатору С1, цепи управления силовых тиристоров У14, У24 и У34 подключены через развязывающие диоды У12, У23 и У33 к одному и тому же стабилитрону У10.
Работает устройство следующим образом. При отключении в тяговой контактной сети короткого замыкания, электромагнитная энергии, запасённая в индуктивности тяговой сети, начинает сбрасываться в конденсатор С1 фильтра ТИСУ трамвайного вагона. Это приводит к тому, что напряжение на нем начинает возрастать. В момент достижения напряже-
нием на конденсаторе С порогового значения, задаваемого стабилитроном V10, последний пробивается. По цепям управления силовых тиристоров V14, V24 и V34 начинает протекать ток управления, что приводит к их практически одновременному открытию.
Открываясь, тиристоры обеспечивают подключение демпфирующих резисторов R10, R17, R23 параллельно конденсатору фильтра С1. При этом часть тока, протекавшего через конденсатор С1? переключается в ветви с демпфирующими резисторами, что приводит к ограничению заброса напряжения на конденсаторе фильтра Сь до требуемой величины Ц;т1.
Одновременно с открытием силового тиристора V34 начинает (через резистор R24) заряжаться конденсатор С10. При достижении напряжением на конденсаторе С10 порогового значения, задаваемого стабилитроном V37, открывается тиристор V39. Конденсатор С10, перезаряжаясь через первичную обмотку трансформатора Тр4 и открытый тиристор V39, меняет свою полярность на противоположную. К тиристору V39 прикладывается обратное напряжение, которое его выключает. При перезарядке конденсатора С10 со вторичных обмоток трансформатора Тр4 снимаются три управляющих импульса, одновременно поступающих в цепи управления тиристоров V36, V9 и V27 , что приводит к их включению.
Включение гасящего тиристора V36 обеспечивает подключение конденсатора С9 (предварительно заряженного через диод V35, дроссель L5 и резистор R23) параллельно силовому тиристору V34. Конденсатор С9, перезаряжаясь через дроссель L5 и тиристоры V36, V34, напряжением обратной полярности запирает эти тиристоры. Запирание тиристора V34 приводит к отключению демпфирующего резистора R23 от конденсатора С1 фильтра ТИСУ. При этом на С1 наблюдается повторный заброс напряжения до величины ист2, не превышающей требуемый уровень перенапряжения.
При этом отметим, что, так как рассматриваемое устройство реализует способ, в котором отключение демпфирующих резисторов происходит из установившегося режима [9], то параметры элементов R24, С10 и V37 должны быть выбраны так, чтобы время задержки на снятие импульсов со вторичных обмоток трансформатора Тр 4, было равно (больше) времени, в течение которого ток через индуктивность сети примет, после подключения демпфирующих резисторов R10, R17 и R23, установившееся значение.
С включением тиристора V9 происходит шунтирование цепей управления силовых тиристоров V14, V24 и V34, что исключает их повторное включение при забросах напряжения, обусловленных логикой работы устройства, так как включение тиристора V9 происходит значительно быстрее, чем отключение тиристора V34. В силу этого цепи управления тиристоров V14, V24 и V34 оказываются к моменту отключения тиристора V34 зашунтированными сопротивлением открытого тиристора V9.
И наконец, включение блокирующего тиристора У27 приводит к запуску второго элемента времени, который до этого был заблокирован тиристором У27. Второй элемент времени (его работа аналогична работе первого элемента времени) выдает (с задержкой, в течение которого напряжение на С1 примет, после отключения демпфирующего резистора Я23, установившееся значение) с выходных обмоток трансформатора Тр3 два управляющих импульса, используемых для открытия тиристоров У26 и У17.
Тиристор У26 включаясь, обеспечивает запирание силового тиристора У24 и тем самым отключение демпфирующего резистора Я17, что приводит к новому забросу напряжения на конденсаторе фильтра ТИСУ трамвайного вагона до величины ист3, не превышающей заданный уровень перенапряжения.
Включение блокирующего тиристора У17 приводит к запуску третьего элемента времени, который до этого был заблокирован тиристором У17. Третий элемент времени выдает (с задержкой, равной времени, за которое напряжение на С1 примет, после отключения Я17, установившееся значения) с выходных обмоток трансформатора Тр2 два управляющих импульса, используемых для открытия тиристоров У16 и У1.
Тиристор У16, включаясь, обеспечивает запирание силового тиристора У14 и тем самым отключение демпфирующего резистора Я10, что приводит к следующему забросу напряжения на конденсаторе фильтра до величины ист4, не превышающей требуемый уровень перенапряжения.
Включение тиристора У1 приводит к запуску узла восстановления, обеспечивающего выдачу с выходных обмоток Тр1 четвертого элемента времени двух управляющих импульсов, используемых для открытия тиристоров У13 и У7 узлов запирания тиристоров У1 и У9, в результате чего эти тиристоры выключаются, что обеспечивает восстановление схемы к следующему циклу демпфирования.
Из описания работы следует, что при использовании предлагаемого устройство защиты ТИСУ трамвайных вагонов, процесс ограничения коммутационных перенапряжений сводится к замене максимального уровня входного напряжения (кратность которого может доходить до 3,64 единиц [1]), четырьмя забросами напряжений ист1, ист2, ист3 и ист4, меньшей кратности. В частности, при оптимальных значениях сопротивлений демпфирующих резисторов Я10, Я17, Я23 и емкости конденсатора С1 (выбираемых по методике представленной в [9,10]), устройство способно обеспечить снижение их кратности перенапряжений на входе ТИСУ трамвайных вагонов при максимальных энергиях перенапряжения с 3,64 до 1,1235 единиц при емкости конденсатора фильтра ТИСУ трамвайного вагона в 4800...5000 мкФ.
Отметим также, что процесс ограничения перенапряжений начинается практически сразу с момента подключения устройства, длительность которого обусловлена в основном временем срабатывания силовых тири-
сторов V14, V24 и V34, и лежит в пределах 20...40 микросекунд. Длительность же ограничения перенапряжений за один цикл демпфирования лежит в пределах 240 миллисекунд. При этом основными силовыми элементами в предлагаемом устройстве являются тиристоры V14, V24 и V34, в качестве которых планируется использовать лавинные тиристоры девятого классса, например, штыревые ТЛ271-320-9 с охладителем О271 и резисторы типа ЭС-3, выбор которых по энергии, рассеиваемой в них в процессе ограничения коммутационных перенапряжений, представлен в [11]. Все остальные элементы значительно меньшей мощности.
Список литературы
1. Shpiganovich A.N., Boychevskiy A.V. Research of switching overvoltages at filter's capacitor of SCR's cont rols of tramcars by emergency operation of urban electrical transport's traction systems // Vesti vysshih uchebnyh zavedenij Chernozem'ja. 2014. №2. P. 9-13.
2. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхерд А.А. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них: учебник. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 368 с.
3. Глух Е.М., Зеленов В.Е. Защита полупроводниковых преобразователей. М.: Энергоиздат, 1982. 153 с.
4. Дмитриев В.Л., Красавина М.А. Пугачев С.И. Анализ основных характеристик ограничителей перенапряжений // Электробезопасность. 2005. № 4.С. 44-51.
5. Бойко А.А., Данилевский С.С., Дмитриев В.Л., Лубков А.Н. Сравнение характеристик варисторов, используемых отечественными производителями для комплектации нелинейных ограничителей перенапряжений // Известия НИИ постоянного тока. 2004. № 60. С. 228 - 235.
6. Техника высоких напряжений: учебное пособие для вузов / под ред. Г.С. Кучинского. СПб.: Энергоатомиздат, 2003. 608 с.
7. Яковлев В.Н. Автоматические быстродействующие выключатели постоянноного тока: учебно-методическое пособие по дисциплинам «Тяговые и трансформаторные подстанции» и «Городской электрический транспорт» для студентов специиальности 101800 - «Электроснабжение железных дорог». Самара: СамИИТ, 2002. 43 с.
8. Чунихин А. А., Кондратов О.И., Галтеева Е.Ф. Аппараты защиты: Т2. Ограничители перенапряжения. М.: Информэлектро, 2000. 132 с.
9. Патент RU 2625168 C1, МПК Н02Н 9/04. Способ и реализующее его устройство защиты от коммутационных перенапряжений тиристорно-импульсных систем управления трамвайными вагонами городского электрического транспорта / Бойчевский А.В., Шпиганович А.Н. (RU); патентообладатель ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет» (RU) - 2016134565; заяв. 23.08.2016; опубл. 12.07.2017, Бюл. №20.
10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017617705. Определение оптимальных значений ёмкости конденсатора фильтра ТИСУ и сопротивлений демпфирующих резисторов, обеспечивающих требуемый уровень гашения перенапряжений на входе ТИСУ трамвайного вагона / Бойчевский А.В. (RU); патентообладатель Бойчевский А.В. (RU); 2017614704. Заяв. 19.05.2017. Опубликовано 11.07.2017. Реестр программ для ЭВМ.
11. Шпиганович А.Н., Бойчевский А.В. Выбор демпфирующих резисторов по энергии для устройства ограничения коммутационных перенапряжений с тремя демпфирующими резисторами // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2018. № 1. С. 3-11.
12. Бойчевский А.В. Ограничение коммутационных перенапряжений на конденсаторе фильтра тиристорно-импульсных систем управления трамвайными вагонами при аварийных режимах в системах электроснабжения городского электрического транспорта: дис. ... канд. техн. наук. Липецк, 2019. 199 с.
Шпиганович Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, sanastu. lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Бойчевский Александр Валерьевич, ассистент, hoi-alekayandex. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
DEVICE OF PROTECTION OF TISU TRAMWAY CARS OF URBAN ELECTRIC TRANSPORT FROM COMMUTATION OVERVOLTAGE
A.N. Shpiganovich, A. V. Boychevskiy
A circuit implementation of a thyristor-impulse protection system for controlling tram cars of a city electric transport against switching overvoltages caused hy a discharge of electromagnetic energy of inductance of a traction network into a TISU filter capacitor during external short circuits caused hy short-circuit intersections is presented. type "trolls-rail."
Key words: switching overvoltage, filter capacitor TISU, damping resistors, shunt node, element of time, restoring node.
Shpiganovich Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, sanastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Boychevskiy Aleksandr Valerievich, assistant, hoi-alekayandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
