Трехфазный мостовой инвертор напряжения с защитой

 

Изобретение относится к электроте.хнике и может быть применено на электроподвижных составах, использующих электропривод с асинхронными двигателями и автономными инверторами напряжения со звеном постоянного тока. Целью изобретения является повышение надежности защиты тиристоров инвертора путем ограничения нарастания тока короткого лсшыкипия при опрокидывании инвертора. Поставленная 1,ель достигается тем, что к ano.iH.i)ix и катодных плечах инвертора дроссс.л 33 38 насыщении вьпюлиены с упп;1 ;.. ;яемы : подмагничиванием в виде трех оохчггок: рабочей 39 (40-44), обмотки 52 (53-57) отрицательной обратной связи п (тбмогк 45 (46-50) смещения, а на выходе инвертора установлен трехфазный бысг|Х1. |ействующий автоматический выключитесь 61, отключающая катушка 62 через усилитель 65 и блок 67 сравнения подк,-1ючена к выходу датчика 21 тока. Это позволяет ограничить ток короткого замыкания через тиристоры -6 автоматическим изменением индуктивности рабочей обмотки 39 (40-44) дросселя 33 (34-38). Наличие быстродействующего автоматического выключателя 61 со стороны нагрузки обеспечивает отключение инвертора от нагрузки при коротком замыкании в тормозном режиме. 4 ил. т ,й СО faa О со -vj фие.1 Наерузна

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3970077/24-07 (22) 30.10.85 (46) 15.05.87. Бюл. № 18 (71) Ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта им. акад. В. H. Образцова (72) К. Ю. Бурак и H. П. Лебедева (53) 621.314.57:621.316.925.4 (088.8) (56) Заявка Великобритании ¹ 1441305, кл. Н 02 М 1/18, 1976.

Разработка и исследование автоматизированного частотно-регулируемого тягового электропривода с асинхронными линейными двигателями для пассажирской транспортной системы. Отчет ЛИИЖТа. Л., 1978. (54) ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть применено на электроподвижных составах, использующих электропривод с асинхронными двигателями и автономными инверторами напряжения со звеном постоянного тока. Целью изобрете„„SU» 1310977 (5D 4 Н 02 М 7/521, Н 02 Н 7/122 ния является повышение iiàдежпости за иты ти р исто ров н н вор тор;) Il b гем огра и)::гения нарастания тока короткого за«;ыкаппя при опрокидывании инвертора. ПоставленHdH ), с.ib до-Tali i i òñH тем. ч ГО в ill() ) вы х и катодных li )ci)Bx инвертора дросселя 33

38 насыщения выполнены с игч:.::,iясмым нодмагничиванием в виде трех обмоток. рабочей 39 (40- — 44), обмотки 52 i53 — 5 ) отрицательной обратной связи ): обмо r«è

45 (46 — 50) смегцения, а на выходе и )вертора установлен трехфазный быс).родсйствующий автоматический выкл)о-iHï.ii 61, отключающая катушка 62 которого через усилитель 65 и блок 67 сравнения подключена к выходу датчика 21 тока. Это позволяет ограничить ток короткого замыкания через тиристоры — 6 автоматическим изменением индуктивности рабочей обмотки 39 (40---44) дросселя 33 (34 — 38). Наличие быстродействующего автоматического выключателя 61 со стороны нагрузки ооеспечиваст отключение инвертора от нагрузки при коротком замыкании в тормозном режиме. 4 ил.

1310977

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено на электроподвижных составах, использующих электропривод с асинхронными двигателями и автономными инверторами напряжения со звеном постоянного тока.

Целью изобретения является повышение надежности защиты тиристоров инвертора путем ограничения нарастания тока короткого замыкания при опрокидывании инвертора.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства защиты трехфазного мостового инвертора напряжения; на фиг. 2 —— функциональная схема управления инвертором; на фиг. 3 — кривая намагничивания управляемого дросселя насыщения; на фиг. 4 — кривые нарастания тока короткого замыкания IlpH опрокидывании инвертора в двух случаях: с управляемым подмагничиванием дросселя насыщения и без него.

Инвертор напряжения с предлагаемым устройством защиты (фиг. 1) содержит главные тиристоры 1 — 6, обратные диоды 7 — 12, коммутирующие тиристоры 13 — 18 и подключен к источнику 19 постоянного тока. В звене постоянного тока инвертора установлен конденсатор 20 фильтра и включенный последовательно с ним датчик 21 тока, который соединен с системой 22 управления инвертором. Коммутирующие цепи инвертора, кроме тиристоров 13 — 18, содержат коммутирующие конденсаторы 23 — 28 и коммутирующие дроссели 29, 30 и 31. На входе инвертора включен быстродействующий автоматический выключатель 32. В каждом анодном и катодном плечах инвертора установлены дроссели 33 — 38 насыщения с управляемым подмагничиванием. Каждый дроссель выполнен в виде трех обмоток. Первая-— рабочая обмотка 39 (40 — 44) — включена последовательно с главным тиристором (3, 5, 4, 6, 2) плеча инвертора. Вторая обмотка — обмотка 45 (46 — 50) смещения-— магнитно связана с рабочей обмоткой 30 (40 — 44) и подключена к маломощному источнику 51 питания постоянного тока.

Третья обмотка — обмотка 52 (53 — 57) отрицательной обратной связи — магнитно связана с первыми двумя 39 и 45 (40 — 44 и 46 — 50) . При этом обмотка 52 (53, 54) отрицательной обратной связи дросселя 33 (34, 35) анодного плеча своим концом подключена к фазе А (В, С) нагрузки, а начало ее соединено с началом обмотки 55 (56, 57) отрицательной обратной связи дросселя 36 (37, 38) катодного плеча той же фазы А (В, С) инвертора. Конец обмотки 55 (56, 57) обратной отрицательной связи дросселя 36 (37, 38) соединен со средней точкой 58 (59, 60) той же фазы А (В, С). Рабочая обмотка 39 (40 — 44) и обмотка 52 (53 — 57) отрицательной обратной связи одного и того же дросселя 33 (34 — 38) имеют одинаковое число витков и намотаны на сердечник в одном

55 направлении, а обмотка 45 (46 — 50) смещения того же дросселя намотана в противоположном направлении. На выходе инвертора в цепи переменного тока включен трехфазный быстродействуюгций автоматический выключатель 61 с отключающей катушкой 62, вход 63 которой подключен к выходу

64 усилителя 65, вход 66 которого подключенк выходу блока 67 сравнения, вход 68 которого подключен к выходу датчика 31 тока, при этом выход 64 усилителя 65 подключен также к входу 69 отключающей катушки 70 быстродействующего автоматического выключателя 32.

Система 22 управления инвертором (фиг. 2) содержит ряд функциональных блоков: задающий генератор 71, блок 72 фиксаторов кратности, счетчик-распределитель 73, формирователь 74 длительности, формирователь 75 задержек коммутирующих импульсов относительно главных, формирователь 76 общих коммутирующих импульсов, формирователь 77 задержек между главными и коммутирукнцими импульсами, формирователь 78 задержек конкретных тиристоров, формирователь 79 и м пул ьсов управления главными тиристорами, формирователь 80 импульсов управления коммутирующими тиристорами. При этом все блоки системы управления выполнены на стандартных элементах (триггерах, операционных усилителях, логических элементах).

На фиг. 3 кривая намагничивания управляемого дросселя насыщения обозначена цифрой 81. На фиг. 4 кривая 82 изображает ток короткого замыкания через тиристоры и 4 в случае. когда анодный и катодный дроссели 33 и 36 инвертора выполнены только с одной рабочей обмоткой. Кривая 83 тока короткого замыка-IHH соответствует режиму короткого замыкания с использованием дополнительных обмоток дросселя обмотки смещения и обмстки отрицательной обратной связи.

В рабочем режиме обмоткой 45 (46 — 50) смещения, питающейся от маломощного источника 51 питания, устанавливается рабочая точка дросселя 33 (34 — 38) в зоне насыщения, Магнитная проницаемость выбирается такою же, как з схеме прототипа, т. е. при условии отсутствия в дросселях

33 — 38 обмоток 45 — 50 смещения и обмоток

52 — 57 обратной отрицательной связи и наличия только рабочих обмоток 39 — -44.

Рассмотрим работу фаз А и С нагрузки, когда ток протекает по цепи: источник 19 питания — рабочая обмотка 39 дросселя

33 — главный тиристор 1 — средняя точка 59 — обмотка 55 отрицательной связи дросселя 36 — — обмотка 52 отрицательной обратной связи дросселя 33 — фаза А нагрузки — фаза С нагрузки — обмотка 54 отрицательной обратной связи дросселя 35— обмотка 57 отрицательной обратной связи дросселя 38 — средняя точка 60 — главный!

310977

1О

20

T= —, R ц«р )) j-fpa6 аваработиристор 2 — рабочая обмотка 44 дросселя 38 — источник 19 питания. При этом магнитное состояние дросселей 33 и 38, обусловленное током обмоток 45 и 50 смещения, не изменяется по сравнению с прототипом, так как при однонаправленной намотке и равном числе витков рабочей обмотки 39 (44) обмотки 52 (57) отрицательной обратной связи рабочие токи в них направлены встречно друг другу и взаимно компенсируются.

Допустим, при коммутации тока с главного тиристора 1 на главный тиристор 4 коммутация не произошла. Происходит короткое замыкание источника 19 питания по фазе А инвертора через открытые тиристоры 1 и 4. При этом датчик 21 тока в цепи конденсатора 20 фильтра фиксирует аварийное значение тока разряда конденсатора 20 и посылает сигнал на систему 22 управления инвертором, которая, в свою очередь, посылает короткие импульсы на все главные тиристоры инвертора, не работавшие до этого момента. Происходит сквозное короткое замыкание по всем трем фазам инвертора, и ток короткого замыкания, приходившийся только по фазе А, будет уже распределяться по трем фазам инвертора. Однако это не улучшает до конца состояние тиристоров

«больной» фазы и не создает благоприятных условий для включившихся в работу тиристоров других фаз инвертора. При этом аварийном состоянии инвертора ток короткого замыкания со стороны источника 19 постоянного тока протекает только по рабочим обмоткам 39 и 42 (40 и 43, 41 и 44) дросселей ЗЗ и 36 (34 и 37, 35 и 38) насыщения. Током нагрузки в режиме короткого замыкания можно пренебречь ввиду его незначительной величины по сравнению с током короткого замыкания и, таким образом, считать, что обмотки 52 и 55 (53 и 56, 54 и 57) отрицательной обратной связи током со стороны нагрузки не обтекаются. Коммутирующий импульс при этом протекает по рабочим обмоткам 39 и 42 (40 и 43, 41 и 44) и по обмоткам 52 и 55 (53 и 56, 54 и 57) отрицательной обратной связи, однако практически он не изменяет магнитного состояния дросселей 33 и 36 (34 и 37, 35 и 38) также из-за его незначительной величины по сравнению с током короткого замыкания.

В результате ампер-витки обмоток 52 и 55 отрицательной обратной связи можно не учитывать, так как они в этом режиме значительно меньше ампер-витков рабочих обмоток 39 и 42, и рабочая точка дросселей 33 и 36 переме)цается (фиг. 3) по кривой 81 в зону с большей магнитной проницаемостью сердечника где и, р — магнитная проницаемость рийного режима; цр„6 — магнитнаЯ пРониЦаемость чего режима.

Этот процесс происходит до полного перемагничивания сердечников дросселей 33 и 36 и их насыщения.

В процессе перемагничивания при ц,, ))п,„6 индуктивность рабочих обмоток 39 и 42 в аварийном режиме резко возрастает и много больше индуктивности их в рабочем режиме l « I, ))I.„,6, так как )

f и." ..5

f где (1 — магнитная проницаемость сердечника дросселя; ,") — число витков рабочей обмотки;

s — сечение сердечника;

t — длина сердечника.

При резком возрастании индуктивности резко возрастает и постоянная времени Т контуj)3 короткого 33)Ibid lfl fill Ic!)c ) ()б))1))1ки 39 и 42 дросселей 33 и 36 где — индуктивность рабочсй 1)б);-oi"к 1 дросселя;

R — активное сопротивление к,)ппг) ра.

Таким образом, процесс перемагни fflfflfHHH сердечников дросселей 33 и 3() и риис м)дит автоматически и за конечное времfi, ()I) l дсляемое конструктивными парамсгj);I)I);

;J1)occEcf ÿ lf магнитным и свойства)1)1 l а i i. риала сердечника. В результате возрастаи).)1 магнитной проницаемости сердечников и индуктив ности рабочих обмоток дроссслсй ограничивается нарастание тока короткого замыкания на конечное время Т) р перемагничивания дросселей 33 и 36 (фиг. 4).

На фиг. 4 кривая 82 изображает ток короткого замыкания через тиристоры 1 и 4 в случае, когда анодHbIH и катодный дроссели 33 и 36 инвертора выполнены только с одной рабочей обмоткой. Ток короткого замыкания в этом случае нарастает очень быстРо и опРеделЯетсЯ индУктивностью /.6„6 рабочей обмотки 39 (42). Кривая 83 тока короткого замыкания соответсгвуст режиму короткого замыкания с использованием дополнительных обмоток дросселя — обмотки смещения и обмотки отрицательной обратной связи. На участке !1- — -! нарастание тока короткого замыкания определяется индх ктивностью рабочей обмотки в аварийном

Режиме /..р))1.6„6. С момента вРемени (> ток короткого замыкания нарастает так же как и в случае отсутствия в дросселе дополнительных обмоток — обмотки смещения и обмотки отрицательной обратной связи.

Энергии конденсатора 20 фильтра при его перезаряде может быть недостаточно для закрытия тиристоров всех плеч инвертора.

Кривая 83 тока короткого замыкания построена с учетом тока разряда HoHicHcaтора 20 фильтра. В момент времени 4 срабатывает быстродействующий автоматический выключатель 32, сигнал на отключаю1310977 цую катушку 70 которого поступает с датчика 21 тока через блок 67 сравнения и усилитель 65, все цепи короткого замыкания инвертора теряют питание, система 22 управления снимает сигналы со всех главных гирис горов 6. Таким образом, все главньп - иристоры 1- 6 вь водятся из аварийного !гежима инвертора.

Тепловое состояние тиристора определяется величиной 1"-Аг, где / — ток, протекающий через тиристор; Nt -- время действия этого тока.

Кривая 83 показывает, что через тиристоры 1 — 6 инвертора протекает опасный для них ток короткого замыкания только в течение времени Xt=i,— 4. При этом амплитуда тока короткого замыкания не достигает установившегося значения, так как в момент срабатывает автоматический выключатель 32. При соответствующем расчете дросселя можно добиться такого результата, при котором опасный для тиристоров промежуток времени At=tI — 4 можно свести до минимума (до нуля). Такие же процессы происходят во всех остальных дросселях

34 — 38 инвертора.

В тормозном режиме нагрузки асинхронного двигателя изменяется знак скольжения двигателя. Направление электрической энергии от асинхронного двигателя также меняет свой знак. Двигатель работает в генераторном режиме, и активный ток со стороны асинхронного двигателя через преобразователь течет в обратном направлении. При этом принцип работы преобразователя и принцип работы всех защитных цепей не изменяются. Поэтому при коротком замыкании инвертора в тормозном режиме привода все процессы, происходящие в обмотках дросселей, аналогичны описанным, а отключающим аппаратом является трехфазный быстродействующий автоматический выключатель 61, установленный на стороне переменного тока инвертора.

Формула изобретени»

Трехфазный мостовой и нвертор на и ряжения с защитой, содержащий главные и коммутирующие тиристоры, обратные диоды, конденсатор фильтра в звене постоянного тока, коммутирующие конденсаторы и дроссели, анодные и катодные дроссели насыщения в каждой фазе инвертора, датчик тока в цепи конденсатора фильтра, подключенный своим выходом к системе управления инвертора, быстродействующий автоматический выключатель на входе инвертора, причем коммутирующие конденсаторы всех фаз инвертора включены в звено постоянного тока так, что первая обкладка анодного конденсатора и вторая обкладка катодного конденсатора для каждой фазы инвертора соединены соответственно с плюсовой и минусовой шинами звена постоянного тока, а вторые обкладки анодного и первая обкладка катодного конденсаторов для каждой фазы инвертора соединены между собой и через соответствующий коммутирующий дроссель соединены с анодно-катодным зажимом соответствующей пары встречно-параллельно вклк>ченных коммутирующих тиристоров, другой катодно-анодный зажим которой

10 предназначен для соединения с соответствующей фазой нагрузки, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности защиты тирг:л оров инвертора путем ограничения нарастания тока короткого замыкания при опрокидывании инвертора, в него введены маломощный источник питания постоянного тока, трехфазный быстродействующий автоматический выключатель, усилитель и блок сравнения, а каждый анодный дроссель и катодный дроссель насыгцения выполнены

20 с управляемым подмагничиванием в виде трех обмоток, первая из которых, рабочая, вклк>чена последовательно с главным тиристором плеча инвертора, вторая обмотка обмотка смещения -- магнитно связана с рабочей обмоткой и подключена к маломощ25 ному источнику питания постоянного тока, третья обмотка — обмотка отрицательной обратной связи -- магнитно связана с первыми двумя, причем обмотка отрицательной обратной связи анодного дросселя своим концом предназначена для подключения

З0 к фазе нагрузки, а начало ее соединено с началом обмотки отрицательной обратной связи катодного дросселя той же фазы, а конец обмотки отрицательной обратной связи I

Hllâåðòîðà, причем рабочая обмотка и обмотка отрицательной обратной связи одного и того же дросселя намотаны на сердечник в одном направлении и с одинаковым числом витков, а обмотка смещения того же дроссег0 зя намотана в противоположном направлении, и, кроме того, на выходе инвертора включен трехфазный быстродействующий автоматический выключатель, причем управляющий вход трехфазного быстродействующего автоматического выключателя на вы45 ходе инвертора и управлякэщий вход быстродействующего автоматического выключателя на входе инвертора подключены к выходу усилителя постоянно-о тока, первый вход которого подключеII к выходу мало50 мощного источника питания постоянного тока, а второй вход усилителя постоянного тока подключен к выходу блока сравнения, первый вход которого соединен с выходом маломощного источника питания постоянного тока, а второй вход блока сравнения

55 соединен с выходом датчика тока в цепи конденсатора фильтра.

l310977

ПИСГП0 30М PJh - ЦЦН)ЩИМ ЖИ5ержора рисп орпи инберюора

PÜëî А

A72Pg3tflм

Ф иЪ

Aenep- Eurnsu аамотая драаселя а рааааем ремиме

4 е3

Гяя аяямя ягмям аям ям 7ы

Составитель О. Мещерякова

Редактор М. Келемеш Техред И. Верес Корректор Л. Патай

Заказ 1764/53 Тираж 661 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4