Быстро протекающие переходные процессы в силовых цепях тягового электропривода из-за наличия накопителей электромагнитной энергии сопровождаются перенапряжениями малой продолжительности. Различают перенапряжения:
внешние, возникающие как со стороны питающей сети, так и со стороны нагрузки и вызванные резким прерыванием тока, протекающего через цепи с индуктивностью при отключении выключателей, срабатывании предохранителей с очень высоким напряжением на дуге, а также появляющиеся в результате воздействия атмосферных перенапряжений в контактной сети;
внутренние, возникающие при коммутациях в преобразователях при выключении полупроводниковых приборов, связанные с неравномерным распределением напряжения на последовательно соединенных приборах и обусловленные эффектом накопления зарядов в полупроводниковой структуре, а также появляющиеся в результате срабатывания предохранителей, предназначенных для защиты от внутренних повреждений.
Так как в эксплуатационных условиях практически невозможно полностью устранить перенапряжения, то в преобразователях применяют различные устройства, которые снижают перенапряжения до приемлемого значения. Основным элементом таких устройств является конденсатор, который через вспомогательные элементы (диоды, резисторы) подключается параллельно защищаемому участку. Выбор емкости защитных конденсаторов осуществляется исходя из допустимой кратности возможных перенапряжений и не отличается от принятого на ЭПС с коллекторными тяговыми двигателями.
Рис. 12.10. Принципиальная схема включения короткозамыкателей
Кроме функции ограничения перенапряжений, конденсаторы, шунтирующие полупроводниковые приборы, служат также и для ограничения скорости нарастания напряжения на выключаемых тиристорах.
Специфическими устройствами ограничения перенапряжений, применяемых на ЭПС с асинхронным тяговым двигателем, следует назвать различного рода разрядники включаемые параллельно входным зажимам преобразователей. В качестве разрядников на ЭПС могут быть применены варисторы, лавинные диоды, а также тиристоры с последовательно включенным резистором.
Характер протекания электромагнитных процессов в электрических цепях ЭПС с асинхронным тяговым двигателем в зависимости от места возникновения КЗ может не отличаться от характера аварийных процессов на ЭПС с коллекторными тяговыми двигателями. Поэтому и защита от сверхтоков, сопровождающих такие процессы, во многом сходна с применяемой на ЭПС переменно-постоянного тока. Специфической должна быть защита от сверхтоков при КЗ в автономном инверторе.
Для защиты от токов КЗ полупроводниковых приборов наиболее естественным было бы применение последовательно включенных быстродействующих предохранителей, ампер-секундные характеристики которых согласованы с ампер-секундными характеристиками защищаемых приборов. Однако необходимость замены сгоревших предохранителей в силовых цепях практически исключает их применение на ЭПС.
На ЭПС переменного тока с асинхронным тяговым двигателем получил распространение способ, при котором аварийный ток защищаемой цепи переводят в другую цепь. Такой перевод осуществляют включением короткозамыкателей (рис. 12.10). Обычно используют механический короткозамыкатель [61] либо тиристорный.
Механический короткозамыкатель МК1 — МК4 имеет несколько подвижных контактов, связанных общим поворотным валом. При поступлении сигнала от блока управления вал поворачивается и закорачивает своими контактами защищаемые цепи: фазы асинхронных тяговых двигателей, входные зажимы автономного инвертора, вторичную обмотку трансформатора. Каждый контакт выдерживает ударный ток короткого замыкания 20 кА, время срабатывания около 0,004 с. Механический короткозамыкатель хорошо защищает полупроводниковые приборы от ударных токов асинхронного тягового двигателя и токов короткого замыкания выпрямителя со стороны трансформатора. Однако недостатком применения такого короткозамыкателя является необходимость отключения главного выключателя ГВ, так как вторичная обмотка трансформатора оказывается закороченной. Другим недостатком механического короткозамыкателя является относительно большое время срабатывания, приблизительно в 3—5 раз больше полупериода собственных колебаний цепи разряда конденсатора фильтра. Это практически полностью исключает возможность защиты тиристоров преобразователя от разрядного тока конденсатора фильтра.
Для повышения эффективности защиты тиристоров инвертора на его входе включают тиристорный короткозамыкатель, время срабатывания которого не превышает десятков микросекунд. Тиристорный короткозамыкатель представляет группу из нескольких параллельно, а при необходимости и последовательно соединенных тиристоров, включение которых осуществляется от блока управления. Основной задачей тиристорного короткозамыкателя является защита тиристоров инвертора от тока разряда конденсатора фильтра. Выбор числа тиристоров в короткозамыкателе осуществляют исходя из расчетного напряжения на входе инвертора и амплитуды разрядного тока конденсатора. При этом, поскольку аварийный режим является кратковременным, то конструктивно в короткозамыкателе тиристоры можно применять без охладителей, что существенно уменьшает его габаритные размеры.
Таким образом, применение указанных короткозамыкателей обеспечивает защиту полупроводниковых преобразователей от повреждения. Однако особенность их применения в качестве аппаратов защиты заключается в том, что они не отключают аварийную цепь, а только закорачивают ее, ограничивая тем самым аварийный ток на защищаемом участке. Аварийные токи при этом затухают с постоянными времени, соответствующими режиму свободного протекания. В частности, это приводит к тому, что в механической части привода возникают большие динамические нагрузки, а при срабатывании главного выключателя теряется сила тяги всего электровоза.
Особенность аварийных процессов при КЗ в инверторе, связанная с колебательным разрядом конденсатора фильтра, позволяет использовать возможность "самовосстановления" инвертора, если его приборы не потеряли вентильных свойств. В этом случае при прохождении полуволны тока перезаряда конденсатора через обратные диоды инвертора создаются условия для выключения тиристоров. При этом если
длительность протекания тока обратного разряда конденсатора через диоды будет больше времени восстановления тиристоров, то последние выключаются и может быть восстановлен нормальный режим работы инвертора.
Для «самовосстановления» инвертора после КЗ необходимо выполнение двух условий: при разряде конденсатора фильтра тиристоры инвертора не должны быть повреждены, а амплитуда тока перезаряда конденсатора фильтра должна превышать максимальный ток нагрузки.
Так как разрядный ток конденсатора фильтра может достигать десятков килоампер, то выполнение первого условия достигается одновременным включением всех тиристоров инвертора при возникновении КЗ в одном из плеч инвертора. При этом в зависимости от эквивалентной индуктивности Lэ аварийный ток через тиристоры инвертора уменьшается в корень из 3 или 3 раза. Так, если L3 представляет индуктивность коммутирующих реакторов, включенных последовательно с тиристорами каждой фазы, то аварийный ток тиристоров снизится в 3 раз. В случаях когда аварийный ток через тиристор превышает предельное его значение для тиристоров данного типа, следует дополнительно использовать тиристорный короткозамыкатель.
Выполнение второго условия требует, чтобы амплитуда тока перезаряда конденсатора была больше максимального тока нагрузки, т. е.
(12.19)
Условие (12.19) выполняется, как правило, при больших значениях напряжения, что характерно для инверторов напряжения с ШИМ или с амплитудным способом регулирования при работе в диапазоне частот ω1 > ω1ном. При малых значениях Uc (0) восстановление вентильных свойств тиристоров инвертора можно обеспечить путем подключения параллельно входным зажимам инвертора «гасящего» конденсатора Сг (см. рис. 12.10), предварительно заряженного от вспомогательного маломощного источника. Выбор параметров конденсатора и реактора контура принудительного выключения тиристоров инвертора не отличается от выбора параметров элементов узлов принудительной конденсаторной коммутации. Следует особо отметить, что для достижения наибольшей эффективности защиты инвертора с использованием свойства «самовосстановления» необходимо конденсатор Сг подключать по истечении полупериода собственных колебаний контура разряда конденсатора фильтра с момента возникновения КЗ в инверторе.
Все рассмотренные способы защиты полупроводниковых преобразователей ЭПС с асинхронным тяговым двигателем от сверхтоков призваны ликвидировать или сократить до минимума отрицательные последствия аварии.
Вместе с тем анализ случаев возникновения коротких замыканий в инверторе показывает, что наиболее частой причиной является
включение одного из тиристоров какой-либо фазы при включенном про- тивополюсном тиристоре той же фазы. Для устранения этих причин в систему управления инвертором необходимо ввести устройства — датчики контроля состояния полупроводниковых приборов (вентилей), по сигналам которых исключалось бы включение очередного тиристора до выключения противополюсного.
В качестве таких датчиков можно использовать устройства, контролирующие напряжение на тиристоре или на переходе управляющий электрод — катод. Применение последних следует считать более предпочтительным, так как в этом случае работоспособность датчиков практически ие зависит от уровня напряжения на входе инвертора, что особенно важно при амплитудном способе его регулирования. Устройства защиты с использованием датчиков состояния вентилей ДСВ (см. рис. 12.10) будут выполнять при этом функции предупредительной защиты.
Рассмотрим функционирование указанных средств защиты в зависимости от характера аварийного режима. Например, при включенных тиристорах VS1, VS4 и VS5 и «неудавшемся» выключении тиристора VS1 при очередной коммутации сигнал с датчика ДСВ1 запрещает подачу сигнала на включение тиристора V2. Вступает в действие предупредительная защита. В зависимости от схемы узла принудительной конденсаторной коммутации осуществляется повторное выключение тиристора VS1 или тиристора VS4. При выключении тиристора VS4 все фазы двигателя будут подключены к одному полюсу инвертора (режим, аналогичный паузе при широтно-импульсном регулировании).
Если выключения тиристора VS4 не произошло, что соответствует включению асинхронных тяговых двигателей на постоянное напряжение, необходимо предупредить дальнейшее развитие аварийного режима. С этой целью включают тиристорный короткозамыкатель ТК или все тиристоры инвертора для разряда конденсатора фильтра, а затем с выдержкой времени тиристором VS17 подключают контур принудительного выключения тиристоров инвертора.
В случае если развитие аварийного режима продолжается, включают механический короткозамыкатель МК с одновременной подачей сигнала на выключение главного выключателя ГВ.
При возникновении КЗ в инверторе в случае самопроизвольного открытия одного из тиристоров этап действия предупредительной защиты исключается и прекращение аварийного режима начинается включением всех тиристоров инвертора или тиристорного короткозамыкателя, как описано ранее.
Применение указанных средств защиты и приведенный алгоритм их срабатывания при надлежащем быстродействии обеспечивают защиту элементов тягового электропривода от аварийных режимов.