способ коммутации высоковольтных силовых цепей постоянного тока транспортных электроустановок и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ коммутации высоковольтной силовой цепи постоянного тока транспортной электроустановки, основанный на использовании контактора с дугогасительной камерой, параллельно которой подключают дополнительную цепь для воздействия на процессы коммутации, отличающийся тем, что в начале процесса коммутации до начала перемещения подвижного контакта дугогасительной камеры устанавливают в дополнительной цепи ток, равный по направлению и величине току в цепи источника напряжения питания коммутируемой цепи, затем выполняют перемещение подвижного контакта дугогасительной камеры, продолжая при этом регулирование тока в дополнительной цепи так, чтобы соблюдалось равенство токов по направлению и величине в дополнительной цепи и в цепи источника напряжения питания, затем после перемещения на достаточное расстояние подвижного контакта дугогасительной камеры уменьшают до нуля ток в дополнительной цепи, после чего отключают дополнительную цепь до очередной коммутации.

2. Устройство коммутации высоковольтной силовой цепи транспортной электроустановки, содержащее дугогасительную камеру с электромагнитным приводом и дополнительную электрическую цепь, включенную параллельно главному контакту, отличающееся тем, что устройство снабжено датчиком тока в цепи нагрузка - источник напряжения питания коммутируемой цепи, блоком управления и регулирования, регулируемым источником тока, включенным в дополнительную цепь так, чтобы в последовательном контуре источник напряжения питания - регулируемый источник тока - нагрузка было обеспечено согласное включение регулируемого источника тока и источника напряжения питания, блок управления и регулирования по выходам соединен с электромагнитом управления дугогасительной камеры и регулируемым источником тока, один вход блока управления и регулирования соединен с выходом датчика тока, второй вход блока управления и регулирования - с выходом регулируемого источника тока.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что регулируемый источник тока снабжен источником напряжения, электронным ключом, датчиком тока и нагрузочным сопротивлением, которые соединены в последовательную цепь, один вывод которой соединен с одной клеммой дугогасительной камеры, другой вывод - с другой клеммой дугогасительной камеры, управляющий вход электронного ключа соединен с выходом блока управления и регулирования, вход которого соединен с выходом датчика тока дополнительной цепи, при этом источники напряжения питания коммутируемой цепи и источника напряжения дополнительной цепи соединены согласно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроустановкам транспорта, направлено на улучшение коммутационных устройств, автоматических выключателей цепей электроустановок транспорта при преобразовании электрической энергии, обеспечении управления и защиты систем тягового электропривода, преобразователей собственных нужд электропоездов и в других случаях. Изобретение предназначено для повышения надежности защиты, управления процессами коммутации силовых цепей электроустановок постоянного тока транспортных средств.

Более конкретно, данное изобретение относится к повышению надежности силовых цепей коммутационных аппаратов управления и защиты транспортных электроустановок высокоскоростных поездов, электропоездов пригородного сообщения, трамваев, поездов метрополитена, электроустановок морских кораблей, судов и так далее. Технико-экономические показатели аппаратов этого класса значительно влияют на эффективность, надежность и безопасность эксплуатации электроустановок. Поэтому улучшение технико-экономических показателей коммутационных аппаратов остается актуальной задачей. Наиболее характерной чертой совершенствования коммутационных аппаратов в настоящее время является использование достижений силовой электроники и микроэлектроники. В современной силовой электронике привлекают внимание силовые статические ключи, обладающие высоким быстродействием, практически неограниченным ресурсом работы, включая режимы периодической коммутации на повышенных частотах. Эти качества позволяют создавать коммутационные аппараты, исключающие нежелательный рост токов в режимах короткого замыкания, обладающие функциями импульсного регулирования тока в коммутируемой цепи. Сравнительный анализ современных электромеханических и статических ключей дает основание утверждать, что пока наилучшим является решение, позволяющее объединить достоинства статических и электромеханических ключей. Кроме того, перспективно использование микропроцессорной техники, что позволяет с минимальными затратами посредством изменения программ варьировать характеристики коммутационного аппарата в условиях различного применения, расширять функции при возникновении дополнительных потребностей.

Известны способ коммутации и вакуумный выключатель (а.с. 1683086, кл. H 01 H 33/59 от 18.04.89. Устройство для управления высоковольтным выключателем, аналог), основанные на применении электромагнитов включения и отключения, управляемых тиристорной схемой.

Недостатком таких выключателей является недопустимо большое время действия на оборудование негативных проявлений процессов коммутации цепей, содержащих микропроцессорную технику в системах управления.

Известно направление надежного включения высоковольтных энергоемких накопителей энергии, подключения мощных энергосистем, основанное на использовании вакуумных управляемых разрядников отпаянной конструкции (Д.Ф. Алферов и др. Состояние разработок управляемых вакуумных разрядников в ВЭИ им. В. И. Ленина и перспективы их применения. Электротехника, 8, 1996, аналог). Эти приборы способны под воздействием импульса управления быстро включаться и работать в широком диапазоне токов и напряжений. К недостаткам этих приборов следует отнести ограниченный ресурс, а также то, что для надежной работы разрядников необходимо поддерживать на них в процессе работы напряжение в сотни вольт, что может затруднить их использование в ряде случаев. В цепях постоянного тока дополнительно возникает вопрос выключения самих разрядников. Разработанные модели выключаются только при нулевом токе.

Другим аналогом являются новые вакуумные коммутаторы (Д.Ф. Алферов и др. Новые вакуумные коммутирующие устройства для энергосистем. Электротехника, 8, 1996, аналог). В цепях переменного тока вакуумные управляемые коммутаторы успешно используются, когда остро не стоит вопрос окончания процесса коммутации до окончания очередной полуволны коммутируемого тока. Недостатком этих устройств является то, что время выключения этих приборов определяется снижением на них напряжения до требуемого уровня, что без использования специальных мер недопустимо затягивает процесс коммутации даже в цепях переменного тока, в которых указанное время определяется частотой коммутируемого тока. В цепях постоянного тока этот вопрос стоит еще острее.

Известны способ и устройство, в которых наиболее эффективно решены вопросы коммутации высоковольтных цепей постоянного тока. Этот выключатель (В. П. Иванов и др. Применение вакуумных выключателей для коммутации цепей постоянного и переменного тока на подвижном составе железнодорожного транспорта. Электротехника, 11, 1998, прототип) предназначен для коммутации цепей постоянного и переменного тока в силовых и вспомогательных цепях электрифицированного транспорта. Выключатель состоит из трех основных элементов:

- вакуумного контактора, состоящего из вакуумной дугогасительной камеры с электромагнитным приводом;

- контура противотока, содержащего емкости, индуктивности и управляемый вакуумный разрядник с блоком управления;

- нелинейного резистора.

Указанный вакуумный выключатель реализует способ коммутации, по которому параллельно главному контакту, расположенному в дугогасительной камере, подключен контур противотока. Отключение постоянного тока основано на искусственном снижении тока в электрической дуге отключения на контактах дугогасительной камеры до нуля путем разряда предварительно заряженного конденсатора, расположенного в контуре противотока, током обратного направления относительно направления отключаемого тока. Вакуумный выключатель, реализуя изложенный выше способ коммутации, работает следующим образом. При операции "Вкл. " замыкаются контакты дугогасительной камеры с помощью электромагнита. Через выключатель протекает ток от источника питания к нагрузке и происходит заряд конденсаторов контура противотока через резистор. При операции "Откл." происходит размыкание контактов дугогасительной камеры. При этом на них загорается электрическая дуга отключения. В случае отключения переменного тока дуга гаснет в естественный нуль тока. В случае отключения постоянного тока блок управления формирует импульс запуска разрядника в момент расхождения контактов дугогасительной камеры на номинальное расстояние. При срабатывании разрядника конденсаторы контура противотока разряжаются через дугу отключения током противоположного направления с амплитудой, превышающей отключаемый ток. При достижении током дуги нулевого значения дуга гаснет и ток в дугогасительной камере прерывается.

Недостатком известных способа и устройства является заложенное в процедуру проведения процесса коммутации появление электрической дуги и, как следствие, необходимость обеспечения гашения дуги в процессе коммутации.

Предложенные способ и устройство свободны от указанных недостатков.

Предлагаемый способ коммутации высоковольтной силовой цепи постоянного тока транспортной электроустановки основан на использовании контактора с дугогасительной камерой, параллельно которой подключают дополнительную цепь для воздействия на процессы коммутации, при этом в начале процесса коммутации до начала перемещения подвижных контактов дугогасительной камеры, устанавливают в дополнительной цепи ток, равный по направлению и величине току в цепи источника напряжения питания коммутируемой цепи, затем выполняют перемещение подвижных контактов дугогасительной камеры, продолжая при этом регулирование тока в дополнительной цепи так, чтобы соблюдалось равенство токов по направлению и величине в дополнительной цепи и в цепи источника напряжения питания, затем, после перемещения на достаточное расстояние подвижных контактов дугогасительной камеры, уменьшают до нуля ток в дополнительной цепи, после чего отключают дополнительную цепь до очередной коммутации.

Реализует изложенный способ устройство коммутации силовой цепи транспортной электроустановки, содержащее дугогасительную камеру с электромагнитным приводом и дополнительную электрическую цепь, включенную параллельно дугогасительной камере, отличающееся тем, что устройство снабжено датчиком тока в цепи нагрузка - источник напряжения питания коммутируемой цепи, блоком управления и регулирования, регулируемым источником тока, включенным в дополнительную цепь так, чтобы в последовательном контуре генератор напряжения питания - регулируемый источник тока - нагрузка было обеспечено согласное включение регулируемого источника тока и генератора напряжения питания, блок управления и регулирования по выходам соединен с электромагнитным приводом дугогасительной камеры и регулируемым источником тока, один вход блока управления и регулирования соединен с выходом датчика тока, второй вход блока управления и регулирования соединен с выходом регулируемого источника тока.

Предлагается также устройство, у которого для реализации описанного выше варианта предлагаемого устройства регулируемый источник тока снабжен источником напряжения, электронным ключом, датчиком тока и нагрузочным сопротивлением, которые соединены в последовательную цепь, один вывод которой соединен с одной клеммой дугогасительной камеры, другой вывод последовательной цепи соединен с другой клеммой дугогасительной камеры, управляющий вход электронного ключа соединен с выходом блока управления и регулирования, вход которого соединен с выходом датчика тока дополнительной цепи, при этом источники напряжения питания коммутируемой цепи и источника напряжения дополнительной цепи соединены согласно.

Предложенные способ коммутации и устройство для его реализации позволяют получить следующие технические результаты:

- определить совокупность и последовательность действий, которые обеспечивают проведение бездуговой коммутации контактов дугогасительной камеры, в том числе при необходимости разрыва коммутируемой цепи в режиме короткого замыкания в нагрузке;

- применить конструктивные элементы (источник тока, электронный ключ, блок управления и регулирования) и связи между элементами, совокупность и параметры которых обеспечивают совмещение реализации бездуговой коммутации, характерной для статических ключей, и сохранение близкого к нулю сопротивления коммутатора, что характерно для электромеханических контактов в замкнутом состоянии.

Предлагаемый способ коммутации высоковольтной силовой цепи постоянного тока транспортной электроустановки основан на использовании котактора с дугогасительной камерой, параллельно которой подключают дополнительную цепь для воздействия на процессы коммутации, и отличается тем, что в начале процесса коммутации до начала перемещения подвижных контактов дугогасительной камеры устанавливают в дополнительной цепи ток, равный по направлению и величине току в цепи источника напряжения питания коммутируемой цепи, затем выполняют перемещение подвижных контактов дугогасительной камеры, продолжая при этом регулирование тока в дополнительной цепи так, чтобы соблюдалось равенство токов по направлению и величине в дополнительной цепи и в цепи источника напряжения питания, затем после перемещения на достаточное расстояние подвижных контактов дугогасительной камеры уменьшают до нуля ток в дополнительной цепи. При этом дуга не возникает на начальном этапе коммутации, так как и ток и напряжение на перемещаемых контактах дугогасительной камеры равны нулю.

Признак "выполняют процесс перемещения подвижных контактов дугогасительной цепи, продолжая при этом регулирование тока в дополнительной цепи так, чтобы соблюдалось равенство токов по направлению и величине в дополнительной цепи и в цепи источника напряжения питания" обеспечивает отсутствие дуги в процессе перемещения подвижных контактов дугогасительной камеры.

Признак "затем выполняют перемещение подвижного контакта дугогасительной камеры, продолжая при этом регулирование тока в дополнительной цепи так, чтобы соблюдалось равенство токов по направлению и величине в дополнительной цепи и в цепи напряжения питания" позволяет исключить возникновение дуги в течение всего процесса коммутации контактов.

Признак "после окончания перемещения на достаточное расстояние подвижных контактов дугогасительной камеры уменьшают до нуля ток в дополнительной цепи, после чего отключают дополнительную цепь до очередной коммутации" позволяет устранить воздействие дополнительной цепи на процесс коммутации после того, как контакты дугогасительной камеры заняли положение, исключающее возникновение дуги. При этом дуга не возникает на любом из этапов коммутации, так как и ток и напряжение на контактах дугогасительной камеры равны нулю вплоть до отключения дополнительной цепи, когда это теряет смысл.

При этом способ коммутации, реализуемый в прототипе, предусматривает при перемещении контактов возникновение дуги в начале коммутации и ее поддержание до тех пор, пока контакты не разойдутся на так называемое номинальное расстояние. Только после этого приступают к применению средств гашения дуги. Это приводит к подгоранию контактов и необходимости частой их замены. В случае же отключения цепей в режиме короткого замыкания контакты выходят из строя буквально за считанное число таких отключений. Поэтому сам принцип гашения дуги после ее возникновения не бесспорен. Кроме того, реализация идеи противотока, как средства гашения дуги, приводит к необходимости точно дозировать величину противотока. Недостаточная величина противотока может привести к ненадежному гашению дуги. Избыток противотока опасен возможностью возбудить дугу противоположного направления с получением обычных негативных последствий горения дуги на контактах коммутатора. Бездуговая коммутация исключает необходимость гашения дуги, что особенно важно для обеспечения коммутации цепей постоянного тока.

Примененные для реализации способа коммутации элементы отличаются простотой исполнения и стандартностью применения. В этой связи отметим прежде всего низкий уровень рабочих напряжений элементов дополнительной цепи (источник напряжения, нагрузочное сопротивление), при которых можно обеспечить надежное функционирование устройства коммутации, взаимодействие функциональных элементов, надежность связей между элементами. Применение современной силовой электронной техники и микропроцессорного управления (блок управления и регулирования) обеспечивает реализацию способа с необходимыми быстродействием и надежностью. Конструктивная простота реализации способа и устройства обусловлена использованием минимального набора только необходимых для решения поставленной задачи процессов в способе и блоков в устройстве. Миниатюризация предлагаемых способа и устройства достигается за счет применения современных приемов обработки информации и формирования схем измерения. Именно указанные приемы позволили ограничиться при решении задачи применением стандартных функций и их реализации путем введения в устройство коммутации следующих блоков:

- датчиков тока;

- электронного ключа;

- источника тока;

- блока управления и регулирования.

Естественно потребовалось установить эффективные связи между блоками.

Предложенные способ и устройство соответствуют критерию "новизна", т.к. имеют отличительные признаки от прототипов, заключающиеся в использовании в предложенном способе совокупности действий по управлению процессами, формированию вариантов схем на разных стадиях коммутации, регулированию процессов, измерениям токов, вычислениям результатов в соответствии с процедурами, которые регламентирует предложенный способ коммутации высоковольтной силовой цепи постоянного тока транспортной электроустановки.

Приведенные свойства способа коммутации, совокупность действий по управлению процессами, регулирование токов, последовательность процедур не совпадают со свойствами, процессами и их последовательностью, являющимися отличительными признаками известных способов и технических решений, в том числе прототипа, и не являются суммой этих свойств, что позволяет считать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

Сущность предложенного способа поясняется примером его реализации.

На фиг. 1 изображено устройство коммутации высоковольтной силовой цепи постоянного тока транспортной электроустановки.

На фиг. 2 изображена схема источника тока в структуре устройства коммутации.

Предлагаемое устройство коммутации (фиг.1) содержит дугогасительную камеру 1, электромагнит 2 управления контактами дугогасительной камеры, датчик тока 3, микропроцессорный блок 4 управления и регулирования, регулируемый источник тока 5. Параллельно дугогасительной камере 1 включен регулируемый источник тока 5, соединенный по управляющему входу с одним из выходов блока 4 управления и регулирования, второй выход которого оединен с управляющим входом электромагнита 2, выход которого соединен с управляющим входом дугогасительной камеры 1. Один вход микропроцессорного блока 4 управления и регулирования соединен с выходом датчика 3 тока, включенного по входу в цепь источника питания коммутируемой цепи, второй вход микропроцессорного блока 4 управления и регулирования соединен с выходами внешних элементов системы по отношению к устройству коммутации.

Устройство работает следующим образом.

В режиме отключения, в том числе при коротком замыкании, при получении сигнала об отключении от внешних систем микропроцессорный блок 4 управления и регулирования включает регулируемый источник тока 5 и по данным датчика 3 тока устанавливает и постоянно поддерживает ток i2 источника тока 5 равным току i1 в цепи источника питания. Очевидно, что при выполнении такого равенства, ток главного контакта даже в замкнутом состоянии равен нулю. Поэтому при равенстве токов i1 и i2 блок 4 дает команду через электромагнит на отключение главного контакта. Расхождение контактов главного контакта происходит в бездуговом режиме, так как при равенстве токов i1 и i2 напряжение между контактами главного контакта равно нулю. После образования зазора между контактами, обеспечивающего невозможность возникновения дуги в конкретной системе, блок 4 снижает ток источника 5 до нуля, приводя тем самым устройство коммутации в состояние готовности к включению нагрузки. Естественно, что в процессе коммутации применяются стандартные приемы снижения коммутационных перенапряжений, уменьшения тока короткого замыкания при необходимости, отвод запасенной энергии реактивными элементами системы и так далее. Процесс включения происходит аналогично. Он менее критичен, так как можно исключить включение на короткое замыкание или на непредусмотренную нагрузку. Тем не менее возможна потребность включения, например, на мощную батарею конденсаторов. При этом даже при использовании реакторов возникает режим включения, близкий к режиму включения на короткое замыкание. По команде "Вкл. " до начала схождения контактов блок 4 включает источник тока 5, устанавливается равенство токов i1 и i2, после чего блок 4 через электромагнит включает контакты дугогасительной камеры 1. Схождение и замыкание контактов происходит при нулевом напряжении между контактами, поэтому дуга не возникает. После замыкания главного контакта блок 4 выводит источник тока 5 в режим снижения тока до нуля и выключения до следующей коммутации.

На фиг. 2 представлен вариант реализации источника тока. Регулируемый источник тока содержит нагрузочное сопротивление 6, источник напряжения 7, датчик тока 8, электронный ключ 9. Все блоки регулируемого источника тока 5 включены последовательно в цепь, которая включена параллельно контактам дугогасительной камеры 1. Порядок расположения блоков в последовательной цепи любой. Датчик тока 8 и электронный ключ 9 соединены с блоком 4. Полярность источника напряжения должна быть учтена при его подключении. Источники напряжения дополнительной цепи и напряжения питания необходимо включить согласно.

Схема регулируемого источника тока работает следующим образом. Источник напряжения 7 и нагрузочное сопротивление выбирают так, чтобы при открытом ключе 9 и замкнутых контактах дугогасительной камеры 1 ток i2 в контуре был не меньше максимального тока i3. При этом напряжение источника напряжения 7 может быть любым, например, на порядок меньше коммутируемого напряжения. Управляя электронным ключом 9, регулируют ток i2, так, чтобы он был равен току i3. При этом непрерывно получают и используют информацию об изменяющихся значениях токов i1 и i2.

Изложенный способ коммутации содержит процесс регулирования тока и напряжения в цепи главного контакта при расхождении (схождении) его контактов при коммутации, что позволяет автоматически учесть изменение параметров объекта, показаний датчиков тока и обеспечить бездуговую коммутацию высоковольтных силовых цепей постоянного тока электроустановок транспорта.

Изложенный алгоритм позволяет качественно улучшить процесс коммутации, повысить надежность защиты оборудования и систем управления, эффективность работы электроустановок транспорта.