Способ и устройство для защиты преобразователей

1 Область изобретения Настоящее изобретение относится, прежде всего, к способу, который содержит функцию защиты по напряжению для преобразователя и функцию прерывания торможения в силовой сети. Настоящее изобретение относится также к устройству для осуществления этого способа. Технические предпосылки изобретения Обычно электрические силовые двигатели,такие как синхронные, асинхронные моторы или даже моторы постоянного тока, снабжаются преобразователями. Одним из примеров преобразователя является инвертор напряжения, который дает возможность получать переменное напряжение из постоянного напряжения, снимаемого с воздушной контактной линии. В частности, чтобы подать мощность на нагрузку,состоящую из электрических силовых двигателей, которые являются обычно трехфазными моторами, необходимо обеспечить трехфазную систему напряжения, которая была бы как можно ближе к сбалансированной, изменяемой по частоте и амплитуде синусоидальной трехфазной системе. Инвертор представляет собой устройство, которое обеспечивает возможность достижения этой цели и в котором обычно используются силовые компоненты, такие как тиристоры, GТО и т.п. До последнего времени полупроводниковые приборы, которые использовались в качестве ключей в преобразователях, и в частности в инверторах, выдерживали напряжение, которое велико по сравнению с напряжением сети воздушных контактных линий. В частном случае номинального постоянного напряжения воздушной контактной линии 3 кВ предложено, например, использовать дваGТО по 4,5 кВ, соединенных последовательно. Этим достигается широкая область безопасности, что дает возможность поддерживать напряжение на выводах инвертора в любом рабочем случае. Кроме того, если преобразователь оказывается заблокированным, например, из-за перенапряжения в воздушной контактной линии,особенно большое мгновенное перенапряжение наблюдается на входе преобразователя. Это перенапряжение в сильной степени зависит от параметров самого преобразователя, входного фильтра, любых прерываний тока и самой воздушной контактной линии. Недавно появились новые типы статических ключей. Среди них можно отметитьIGBTs (биполярные транзисторы с изолированным затвором), MGTs, IGCTs и др. Вообще говоря, эти приборы могут обходиться без использования способствующих переключению приборов (гасителей) в предположении, что управление осуществляется посредством затвора. В частности, со времени применения полупроводниковых приборов этого нового поко 003165 2 ления и особенно в случае БТИЗ может обеспечиваться лишь пониженное максимально допустимое напряжение. Причиной этого является то,что достаточно подключить два БТИЗ по 3,3 кВ последовательно в случае постоянного напряжения воздушной контактной линии 3 кВ. Это означает, что диапазон безопасности по напряжению тем самым также уменьшается, и в результате необходимо использовать устройство защиты для ограничения напряжения на входном фильтре преобразователя, чтобы гарантировать, что максимальное напряжение на выводах полупроводниковых приборов ни в каком случае не превысит допустимого для них значения. Принцип действия таких систем защиты весьма прост и основан на устройстве защиты,срабатывающем, если напряжение превышает пороговое значение, и действующем до тех пор,пока напряжение не спадет до нижнего предела. Однако необходимость использования ограничивающего напряжение устройства защиты вовлекает также использование рассеивающего мощность прибора на входе преобразователя,практически, резистора. Обычно силовые преобразователи оснащаются дополнительно к входному фильтру,размещенному перед преобразователем, в определенных частных случаях прерывателем торможения. В патенте "IGBT inverter system for rollingstock" на имя Horie A. и др. описывается обычный режим работы прерывателя торможения в соответствии с современными техническими достижениями. В нем не описываются средства защиты от перенапряжения. В патенте "Elektrische Ausrustung der Triebzuge Baureihe 481/482 fur die S-Bahn Berlin'elektrische Bahnen" на имя Ernst G. и др. не описана функция защиты против перенапряжения в сети. Согласно этому документу весьма вероятно, что перенапряжение устраняется полупроводниковыми приборами, так как полупроводниковые приборы относятся к типу GTO. Цели изобретения Настоящее изобретение имеет целью предложить использовать ключи нового поколения,такие как БТИЗ, в преобразователях, одновременно обеспечивая прибор защиты. Кроме того, настоящее изобретение имеет целью предложить устройство для осуществления этого способа, которое обеспечивает рациональное использование оборудования для управления торможением и для защиты от перенапряжения на входе преобразователя, питающего мотор. Основные отличительные признаки изобретения Настоящее изобретение относится к устройству для питания силового мотора, образующего нагрузку, от сети постоянного тока в качестве источника через преобразователь и через схему защиты от перенапряжения посред 3 ством ограничения, содержащую резисторы,чтобы отвести избыточное напряжение, и прерыватель торможения, содержащий резисторы торможения, чтобы отвести ток торможения,отличающемуся тем, что резисторами схемы защиты от перенапряжения посредством ограничения и резисторами торможения являются одни и те же резисторы, размещенные в отдельных схемах, подключенных параллельно. Особенно преимущественным случаем является подача мощности на резисторы поочередно при торможении и одновременно при ограничении. Точнее, каждый резистор подключается последовательно с отдельным управляющим полупроводниковым прибором. Соответственно одному из преимущественных вариантов, по меньшей мере, два управляющих полупроводниковых прибора, каждый из которых подключен, по меньшей мере, к одному резистору, соединены со средней точкой упомянутой сети постоянного тока, причем резисторы подсоединяются парами к двум полюсам сети. Согласно другому преимущественному варианту резисторы соединяются последовательно с полупроводниковыми приборами, управляющими прямым током. Более того, каждый из упомянутых резисторов (обычно) подключен параллельно диоду холостого хода, блокирующему прямой ток. Настоящее изобретение относится также к способу подачи питания на силовой двигатель,образующий нагрузку (М), от сети постоянного тока в качестве источника, использующему вышеописанное устройство, в котором управляющие полупроводниковые приборы упомянутых резисторов включаются поочередно при торможении и одновременно при ограничении. Особенно предпочтительно, чтобы упомянутые управляющие полупроводниковые приборы включались в поочередном режиме с промежуточной паузой. Краткое описание рисунков Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение силовой цепи, содержащей различные мощные схемы и блоки, такие как входная цепь, входной фильтр, прерыватель торможения, инвертор и электрический силовой мотор, в случае, когда используются ранее известные ключи. Фиг. 2 показывает схему прерывателя торможения для случая, когда используются ключи нового поколения, такие как БТИЗ. Фиг. 3 демонстрирует схематическое изображение прибора защиты, работающего на принципе ограничения, который необходим,если в силовой цепи, такой как изображена на фиг. 1, используются ключи нового поколения. Фиг. 4 представляет схемное решение согласно настоящему изобретению, объединяю 003165 4 щее функции прерывателя торможения и ограничителя напряжения. Фиг. 5 и 6 демонстрируют принципы управления прерывателем торможения и ограничителем напряжения соответственно. Подробное описание одного из предпочтительных вариантов настоящего изобретения На фиг. 1 представлена полная силовая цепь двух силовых двигателей M1 и М 2. Соответственно варианту, приведенному на фиг. 1,перед этими трехфазными силовыми двигателями M1 и М 2 установлен обычный трехканальный инвертор Е с тремя выводами для подвода трех фаз R, S и Т к указанным двигателям, прерыватель торможения С и входной фильтр А,который через входную цепь D непосредственно подключен к воздушной контактной линии 15 с напряжением 3000 В и к рельсе 16. Обычно различными компонентами силовых приборов являются GТО, которые не требуют использования дополнительного прибора защиты по напряжению (ограничителя). Если же применяются ключи нового поколения, такие как БТИЗ, необходимо использовать по два БТИЗ в каждой фазе в случае воздушной контактной линии с напряжением 3000 В, чтобы противостоять перегрузкам по мощности. В этом случае два БТИЗ запараллеливаются и устанавливаются последовательно с резистором торможения. Как уже отмечалось выше, к ним необходимо добавить прибор защиты, как показано на фиг. 3, для ограничения напряжения входного фильтра и преобразователя. Обычно каждая фаза содержит ключ на БТИЗ,который включен последовательно с диодом, и ограничительный резистор в параллели. Практически установлено, что в случае торможения, когда напряжение между точкамиL1 (соединенной с воздушной контактной линией через входной фильтр) и L2 (соединенной с рельсами) становится выше предельного, что означает невозможность линии отвести энергию торможения, напряжение на конденсаторах 3 и 4 ограничивается с помощью управляющих полупроводниковых приборов 5 и 6. Эти полупроводниковые приборы отклоняют ток на ограничительные резисторы 7 и 8. Средняя точка L3 между полупроводниковыми приборами 5 и 6 соединена со средней точкой L4 между конденсаторами 3 и 4 входного фильтра А. Прерыватель торможения В, подходящий к большинству тяговых преобразователей, рассчитан на большую мощность. Чтобы снизить стоимость, предложен вариант, представленный на фиг. 4, при котором в одном и том же силовом приборе совмещены функции прерывателя торможения и ограничителя напряжения. Резисторы 7 и 8 разделены на 11+, 12+, 11 и 12-. Полупроводниковые приборы на БТИЗ, 5 которые запитывают резисторы и включены последовательно с ними, также разделены на 13+, 14+, 13- и 14-. К сожалению, характеристики прибора, который должен действовать как ограничитель, требуют низкоомного ограничительного резистора, чтобы протекал ток, который достаточно велик, чтобы обеспечить хорошую защиту по напряжению полупроводниковых приборов ограничителя и инвертора (на фиг. 2 и 4 не показан), который должен подключаться к выводам L5 и L6. Однако использование низкоомного резистора, пригодного для ограничения, привело бы к избыточно большому току и тем самым к избыточным потерям в приборе, когда он работает в качестве прерывателя торможения. Согласно настоящему изобретению решение состоит в поочередной подаче тока, текущего через резисторы, когда они используются в функции торможения-ограничения. Если прерыватель торможения С работает как ограничитель напряжения, тепловая энергия, которую необходимо рассеять на резисторах, меньше из-за короткого времени действия. В этом случае пары управляющих полупроводниковых приборов 13+ и 14+, а также 13- и 14 срабатывают одновременно и резисторы 11+ и 12+ и 11- и 12- запитываются параллельно, так что эквивалентное сопротивление между точками L1 и L2 равно половине эквивалентного сопротивления в режиме прерывания торможения. Следует заметить, что для данного эффекта при работе в качестве прерывателя торможения не требуется завышения характеристик резистора. Он просто составляется из двух отдельных частей. Изобретение открывает возможность уменьшить частоту переключения полупроводниковых приборов, работающих в качестве прерывателей торможения без изменения рабочей частоты конденсаторов входного фильтра. Потери на переключение в частотном прерывателе тем самым уменьшаются. Благодаря этому оказывается возможным получить выигрыш из преимуществ режима поочередного срабатывания (посредством поочередного обращения с промежуточной паузой). Более того, потери на проводимость не возрастают: из-за разделения резистора, запитываемого каждым управляющим полупроводниковым прибором, ток через него уменьшается вдвое, но этот ток протекает дважды благодаря поочередному срабатыванию управляющих полупроводниковых приборов. С другой стороны, при работе в качестве ограничителя напряжения эквивалентное сопротивление уменьшается наполовину, обеспечивая тем самым эффективную защиту по напряжению благодаря удвоению тока. Принцип работы в качестве прерывателя торможения описан посредством диаграммы на 6 фиг. 4 по отношению (в качестве примера) к управляющим полупроводниковым приборам 13+ и 14+, которые работают поочередно. В период времени Т 13+ работает в течение времени Т/2, начиная с Т=0, а 14+ работает в течение такого же времени Т/2, которое начинается с момента Т/2. Продолжительность Т/2 определяется объемом эффекта прерывания, который необходимо произвести, то есть иными словами,энергией, которую необходимо рассеять. С другой стороны, на диаграмме на фиг. 5 показано одновременное действие в каждый период времени Т полупроводниковых приборов 13+ и 14+ в течении промежутка Т, в котором они работают как ограничители напряжения. Согласно настоящему изобретению ограничение должно иметь место, когда напряжение превышает допустимый порог для полупроводниковых приборов прерывателя торможения С и/или инвертора Е из-за перенапряжения в воздушной контактной линии 15 или из-за блокировки инвертора в особенности. В этом случае электронный управляющий прибор блокирует силовой преобразователь Е и включается режим работы в качестве ограничителя, даже если отсутствует необходимость работы в качестве прерывателя торможения. Ограничитель отклоняет ток на резисторы,соединенные параллельно, включаясь при верхнем пороговом значении и выключаясь при нижнем пороговом значении, так чтобы удерживать напряжение ниже максимального значения, безопасного допустимого напряжения для полупроводниковых приборов. Именно время,проходящее между достижением этих двух порогов, определяет продолжительность промежутка Т (см. фиг. 5). Если эта операция превышает заданную продолжительность, дополнительное средство безопасности обеспечивает срабатывание прерывателя цепи воздушной контактной линии, встроенного во входную цепь D. Полезно, что предусмотрены условия для использования приборов, которые нет необходимости пересоединять замыкателем, так как это пересоединение производится автоматически электроникой. Пример варианта, рассмотренного выше,основан на использовании трехканального инвертора. Отчетливо понятно, однако, что способ может применяться к двухканальному инвертору без каких-либо сложностей для специалиста,и это применение не исключается из настоящего изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для питания силового электродвигателя, служащего нагрузкой (М), от сети постоянного тока в качестве источника через преобразователь (Е) и схему защиты от перена 7 пряжения посредством ограничения (В), содержащую резисторы для отвода избыточного напряжения, и тормозной прерыватель (Е), содержащий тормозные резисторы для отвода тока торможения, отличающееся тем, что резисторы(11+, 12+, 11- и 12-) соединены параллельно и каждый резистор последовательно соединен с отдельным управляющим полупроводниковым прибором (13+, 14+, 13- и 14-). 2. Устройство по п.1, отличающееся тем,что в качестве управляющего полупроводникового прибора используется БТИЗ. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, два управляющих полупроводниковых прибора (13+, 14+, 13- и 14-), каждый из которых соединен, по меньшей мере, с одним резистором, подключены к средней точке (L3) указанной сети постоянного тока,при этом резисторы подключены попарно к двум полюсам сети (L1 и L2). 4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанные резисторы (11+, 12+, 11- и 12-) подсоединены последовательно с полупроводниковыми приборами (13+, 14+, 13- и 14-),управляющими прямым током, то есть от поло 8 жительного полюса (L1) к отрицательному полюсу (L2). 5. Устройство по любому из пунктов с 1 по 4, отличающееся тем, что каждый из упомянутых резисторов (11+, 12+, 11- и 12-) подключен параллельно диоду (9 или 10), блокирующему прямой ток, то есть ток от положительного полюса (L1) к отрицательному полюсу (L2). 6. Способ питания силового электродвигателя, служащего нагрузкой (М), от сети постоянного тока в качестве источника с использованием устройства по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что управляющие полупроводниковые приборы (13+, 14+, 13- и 14-) указанных резисторов (11+, 12+, 11- и 12-) срабатывают поочередно при торможении и одновременно при ограничении. 7. Способ питания по п.6, отличающийся тем, что управляющие полупроводниковые приборы (13+, 14+, 13- и 14-) указанных резисторов(11+, 12+, 11- и 12-) срабатывают в попеременном режиме благодаря поочередному обращению.