CZ15147U1 - Bezpečný troj fázový bezkontaktní spínač k ovládání trojfázových asynchronních motorů - Google Patents

Description

Bezpečný troj fázový bezkontaktní spínač k ovládání troj fázových asynchronních motorů

Oblast techniky

Technické řešení se týká bezpečného troj fázového bezkontaktního spínače k ovládání trojfázových asynchronních motorů zejména v oblasti zabezpečovacích zařízení železniční dopravy, např. přestavníků.

Dosavadní stav techniky

V současné době se používá několik způsobů ovládání přestavníků, s trojfázovými asynchronními motory. Bezpečnost ovládání přestavníků zejména v železniční dopravě je charakterizována základním požadavkem, že nesmí dojít k rozběhu motoru při poruše jedné či více částí spínače.

Jeden ze způsobů ovládání motoru přestavníku, zejména pro zabezpečovací zařízení v železniční dopravě, využívá relé I. bezpečnostní skupiny definovaného normou UIC 736 i, a bezpečnost ovládání je zajištěna atributy tohoto relé. Nevýhodou řešení je, že se jedná o kontaktní spínání s omezenou životností jak kontaktů, tak i mechanických částí tohoto typu relé. Další nevýhodou jsou velké rozměry relé.

Jiný způsob ovládání motoru přestavníku spočívá v použití většího počtu relé Π. bezpečnostní skupiny definovaných normou UIC 736 i, kdy bezpečnost spínám je zajištěna atributy tohoto typu relé v součinnosti s dalšími kontrolními obvody. Nevýhodou je opět kontaktní spínání spojené s omezenou životností kontaktů i mechanických částí tohoto typu relé. Nevýhodou je také nutnost použití většího počtu relé Π. bezpečnostní skupiny a dalších kontrolních obvodů pro za20 jištění požadované úrovně bezpečnosti.

Dalším způsobem ovládání motoru přestavníku je použití elektronického měniče. Vstupní napětí v měniči je pomocí bloku usměrňovačů usměrňováno a filtrováno akumulačním prvkem (kondenzátorem). Vyhlazené stejnosměrné napětí je následně pomocí bloků spínačů převedeno pomocí pulsně - šířkové modulace na napětí o síťovém kmitočtu. Mezi blokem usměrňovačů a blo25 kem spínačů je tedy stejnosměrný meziobvod s akumulačním prvkem (kondenzátorem). Tento stejnosměrný meziobvod je společný pro všechny tři fáze. Frekvence spínání bloků spínačů je mnohonásobně vyšší než výsledná síťová frekvence. Bezpečnost ovládání motoru přestavníku je zajištěna principem, kdy se při poruše dílčí části bloku spínačů dostává na výstup měniče stejnosměrné napětí, které nevyvolává točivý moment, ale působí aktivně proti otáčení rotoru - brzdí motor. Výhodou řešení je bezkontaktní spínání motoru přestavníku a možnost reverzace chodu motoru. Nevýhodou řešení je vznik vyšších harmonických složek napětí a proudu, které je nutné odstranit pomocí přídavného výstupního filtru. Pokud je navíc požadavek na izolovanou napájecí soustavu motoru přestavníku, dochází k dalším komplikacím, protože nelze filtr uzemnit a odvádět tak vysokofrekvenční složky.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody se odstraní nebo podstatně omezí bezpečným bezkontaktním spínačem pro ovládání trojfázových asynchronních motorů podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že bezpečný bezkontaktní spínač má tři vstupní fázová napětí fází, které jsou galvanicky oddělena od sebe navzájem transformátorem a současně má tři výstupní fázová napětí fází, jejichž společný uzel je vytvořen spojením příslušných výstupů zdrojů jednotlivých napětí fází.

V optimálním uspořádání je zdrojem napětí první výstupní fáze řízený první můstkový střídač, zdrojem napětí druhé výstupní fáze je řízený druhý můstkový střidaě a zdrojem napětí třetí výstupní fáze je sekundami vinutí transformátoru nebo třetí můstkový střídač. Nejméně dvě fáze jsou napojeny na příslušné řízené můstkové usměrňovače, jejichž výstupy jsou napojeny na příslušné řízené můstkové střídaěe.

- 1 CZ 15147 Ul

Pro zabrání zpětného ovlivňování napájecí soustavy, zejména rušením, je před každým řízeným můstkovým usměrňovačem zapojena tlumivka.

Za účelem potlačení napěťových rázů, způsobených funkcí řízených střídaěů, jsou mezi vstupy řízených mašíkových stridačů zapojeny protizákmitové členy, které neslouží k akumulaci energie ve stejnosměrných meziobvodech.

Na trojfázový asynchronní motor se působí jen sinusovými napětími a proudy o frekvenci napájecí soustavy z bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače s trojfázovým transformátorem se třemi vstupními napětími fází. Tri vstupní fázová napětí fází se galvanicky oddělí transformátorem od sebe navzájem a za galvanickým oddělením fázových napětí až na výstupu zdrojů jednotlivých fází se vytvoří společný uzel soustavy spojením příslušných vodičů jednotlivých fází. Společný uzel jednotlivých fází se vytvoří až za řízenými stridači.

Za řízenými usměrňovači vznikají nezávislé stejnosměrné meziobvody neobsahující žádné prvky pro akumulaci energie. Frekvence spínáni usměrňovačů a stridačů je shodná s frekvencí vstupních fázových napětí.

Hlavní výhodou tohoto technického řešení je, že toto bezkontaktní ovládání trojfázového asynchronního motoru odstraňuje nedostatky stávajících elektronických měničů, tzn. že bezpečný trojfázový bezkontaktní spínač na svém výstupu neprodukuje vyšší harmonické složky napětí a proudu. Nový princip bezpečného bezkontaktního spínače podle tohoto technického řešení pracuje jen se sinusovými napětími a proudy o frekvenci napájecí soustavy. Vstupem pro bezpečný bezkontaktní spínač jsou tri fázová napětí, která se vzájemně od sebe galvanicky oddělí. Dvě fázová napětí jsou dále odděleně zpracována pomocí řízených usměrňovačů, na jejichž výstupech je napětí tvořené kladnými půlvlnami, tj. dochází k obrácení záporné půlvlny do kladné polarity. Za řízenými usměrňovači jsou zapojeny řízené stridače, které zpětně převádí napětí tvořené pouze kladnými půlvlnami na sinusový průběh napětí. Mezi řízenými usměrňovači a řízenými stridači je vytvořen stejnosměrný meziobvod, který neobsahuje žádný akumulační prvek energie a který je pro každou vstupní fázi samostatný. Frekvence spínání řízených stridačů je shodná s frekvencí příslušného vstupního fázového napětí. Protože asynchronní motor představuje induktivní zátěž, dochází při jeho chodu k odběru jalové složky energie. Řízené spínače i řízené stridače jsou konstruovány tak, aby umožnily přenos zpětných složek proudu, tj. jalové složky energie zpětně z motoru do napájecí sítě. Třetí fázové napětí je přivedeno na výstupní část přímo bez úprav. Vytvoření společného uzlu jednotlivých fází je provedeno až za řízenými střídači.

Bezpečnost spínače je posuzována pro stav, kdy je motor v klidu a nejsou přiváděny signály na žádné spínací prvky. Jednotlivé nebo vícenásobné poruchy se projeví bezpečným směrem, tj.

zvýšením proudu, na který reaguje jistící prvek zařazený před bezpečným trojfázovým bezkontaktním spínačem nebo výskytem stejnosměrného napětí na výstupu bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače, což má za následek vyvolání brzdného účinku na motor.

Tvorba řídících signálů pro ovládání řízených usměrňovačů a stridačů ve dvou příslušných fázích se řeší běžnými vhodnými způsoby.

Reverzace motoru může být dosaženo běžnými známými způsoby.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je podrobně popsáno na příkladných provedeních, která jsou objasněna na výkresech, z nichž představuje blokové schéma bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače na:

obr. I v základní sestavě, obr. 2 aplikace s blokem odpojování a reverzací a s připojeným motorem, a obr. 3 aplikace podle obr. 2 navíc s kontaktovou sadou.

-2CZ 15147 Ul

Příkladná provedení technického řešení

Příklad 1 (obr. 1)

Na obr. 1 je znázorněno základní blokové schéma bezpečného trojfázového bezkontaktního spí5 nace BS, který je tvořen trojfázovým transformátorem TR, tlumivkami TLI. TL2, můstkovými usměrňovači MUL MU2. protizákmitovými členy PZC1, PZC2 a můstkovými střídači MSI.

MS2. Na obr. 1 je schematicky znázorněno příkladné konkrétní zapojení usměrňovačů MUL MU2 a střídačů MSI, MS2 pomocí diod a tranzistorů.

Na primární vinutí transformátoru TR jsou připojena síťová napětí R, S, T rozvodné sítě.

ío První výstup sekundárního vinutí fáze R transformátoru TR je přes první tlumivku TLI připojen na první vstup prvního můstkového usměrňovače MUL Druhý výstup sekundárního vinutí fáze R je připojen na druhý vstup prvního můstkového usměrňovače MU1. Kladný výstup prvního můstkového usměrňovače MU1 je připojen na první vstup prvního můstkového střídače MSI. Záporný výstup prvního můstkového usměrňovače MU1 je připojen na druhý vstup prvního můstkového střídače MSI. Mezi kladný a záporný výstup prvního můstkového usměrňovače MU1 je připojen první protizákmitový člen PZC1. První výstup prvního můstkového střídače MSI představuje fázi R výstupu bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS. Druhý výstup prvního můstkového střídače MSI je připojen do společného uzlu N\

První výstup sekundárního vinutí fáze S transformátoru TR je pres druhou tlumivku TL2 připo20 jen na první vstup druhého můstkového usměrňovače MU2. Druhý výstup sekundárního vinutí fáze S je připojen na druhý vstup druhého můstkového usměrňovače MU2. Kladný výstup druhého můstkového usměrňovače MU2 je připojen na první vstup druhého můstkového střídače MS2. Záporný výstup druhého můstkového usměrňovače MU2 je připojen na druhý vstup druhého můstkového spínače MS2. Mezi kladný a záporný výstup druhého můstkového usměrňova25 če MU2 je připojen druhý protizákmitový člen PZC2. První výstup druhého můstkového střídače MS2 představuje fázi Sl výstupu bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS. Druhý výstup druhého můstkového spínače MS2 ie připojen do společného uzlu NI.

První výstup sekundárního vinutí fáze T transformátoru TR představuje fázi T výstupu bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS. Druhý výstup sekundárního vinutí fáze T trans30 formátoru TR je přiveden do společného uzlu ΝΛ

Společný uzel hT je tedy vytvořen druhým výstupem prvního můstkového střídače MSI, druhým výstupem druhého můstkového střídače MS2 a druhým výstupem sekundárního vinutí fáze T transformátoru TR. Společný uzel í£ jednotlivých fází R*, SL, P je tedy vytvořen až za řízenými střídači MSI. MS2.

Transformátor TR slouží ke galvanickému oddělení primárních vinutí vstupních napájecích napětí jednotlivých fází R, S, T od sekundárních vinutí fází R, S,Ta současně galvanicky odděluje jednotlivá sekundární vinutí R, S, T vzájemně.

Tlumivky TLI. TL2 slouží k potlačení zpětných proudových rázů, vznikajících při funkci usměrňovačů MU1. MU2 a střídačů MSI, MS2.

Protizákmitové členy PZC1. PZC2 slouží k potlačení napěťových rázů, vznikajících při komutaci proudu mezi tranzistory a diodami v řízených střídačích MSI. MS2.

Můstkové usměrňovače MU1. MU2 a můstkové střídače MSI. MS2 jsou tvořeny elektronickými bezkontaktními spínacími prvky, např. transistory MOSFET, transistory IGBT atd., a dalšími polovodičovými prvky, kupř. diodami.

Vstupem pro bezpečný trojfázový bezkontaktní spínač BS jsou tři fázová napětí fází R, S, T, která se vzájemně galvanicky oddělí pomocí transformátoru TR. Dvě fázová napětí fází R, S, jsou dále odděleně zpracována pomocí řízených můstkových usměrňovačů MU1. MU2. na jejichž výstupech je tepavé stejnosměrné napětí. Můstkové usměrňovače MUL MU2 jsou konstru-3CZ 15147 Ul ovány tak, aby umožňovaly přenos jalové složky energie zpět do rozvodné napájecí sítě. Za řízenými můstkovými usměrňovači MUL MU2 jsou zapojeny řízené můstkové střídače MSL MS2, které zpětně převádí tepavé napětí na sinusový průběh příslušné fáze R', S\ Mezi usměrňovači MUL MU2 a střídači MSL MS2 vzniknou dva nezávislé stejnosměrné meziobvody, neobsahující žádný prvek pro akumulaci energie. Frekvence spínání usměrňovačů MUL MU2 i střídačů MSL MS2 je shodná s frekvencí vstupních fázových napětí. Můstkové střídače MSL MS2 jsou konstruovány tak, aby umožnily přenos jalové složky elektrické energie. Vstupní třetí fázové napětí fáze T je po galvanickém oddělení transformátorem TR přímo přivedeno na výstup bezpečného bezkontaktního spínače BS bez dalších úprav jako fáze P. Ve výstupní části jsou spojeny příslušné vodiče od jednotlivých fázových napětí a dochází tak k vytvoření uzluNL soustavy.

Tvorba řídících signálů pro ovládání řízených usměrňovačů MUL MU2 a střídačů MSL MS2 ve dvou příslušných fázích je závislá na konkrétní aplikaci, přenášených výkonech energie, frekvenci vstupních napětí fází R, S, T, vzdáleností připojeného motoru od vlastního spínače BS atp.

Příklad 2 (obr. 2)

Na obr. 2 je znázorněno blokové schéma příkladu aplikace bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS, obsahující blok BOR odpojení a reverzace a trojfázový asynchronní motor M.

Výstup R bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS je připojen na první vstup bloku BOR odpojení a reverzace. První výstup bloku BOR odpojení a reverzace je připojen na první vstup asynchronního motoru M.

Výstup V bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS je připojen na druhý vstup bloku BOR odpojení a reverzace. Druhý výstup bloku BOR odpojení a reverzace je připojen na druhý vstup asynchronního motoru M.

Výstup T bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS je připojen na třetí vstup bloku BOR odpojení a reverzace. Třetí výstup bloku BOR odpojení a reverzace je připojen na třetí vstup asynchronního motoru M.

Výstup ze společného uzlu N bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS není v tomto zapojení připojován.

Bezpečný trojfázový bezkontaktní spínač BS v součinnosti s blokem BOR odpojení a reverzace zajišťuje odpojení a ovládání trojfázového asynchronního motoru M v obou směrech otáčení. Tato aplikace je určena např. pro ovládání motoru přestavníku v železniční technice pro přestavení výhybek do obou poloh v trojvodičovém připojení trojfázového asynchronního motoru M přestavníku.

Příklad 3 (obr. 3)

Na obr. 3 je znázorněno blokové schéma příkladu aplikace bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS. obsahující blok BOR odpojení a reverzace a trojfázový asynchronní motor M, jehož nedílnou součástí je kontaktová sada KS.

Výstup R bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS je připojen na první vstup bloku BOR odpojení a reverzace. První výstup bloku BOR odpojení a reverzace je připojen na první vstup kontaktové sady KS. První výstup kontaktové sady KS je připojen na první vstup trojfázového asynchronního motoru M.

Výstup SL bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS je připojen na druhý vstup bloku BOR odpojení a reverzace. Druhý výstup bloku BOR odpojení a reverzace je připojen na druhý vstup kontaktové sady KS. Druhý výstup kontaktové sady KS je připojen na druhý vstup trojfázového asynchronního motoru M.

-4CZ 15147 Ul

Výstup T bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS je připojen na třetí vstup bloku BOR odpojení a reverzace. Třetí výstup bloku BOR odpojení a reverzace je připojen na třetí vstup kontaktové sady KS. Třetí výstup kontaktové sady KS je připojen na třetí vstup trojfázového asynchronního motoru M.

Výstup ze společného uzlu NI bezpečného trojfázového bezkontaktního spínače BS je přímo připojen na čtvrtý vstup kontaktové sady KS.

Bezpečný trojfázový bezkontaktní spínač BS s blokem BOR odpojení a reverzace provádí odpojení a ovládání asynchronního trojfázového motoru M s kontaktovou sadou KS v obou směrech otáčení. Tato aplikace je vhodná např. pro řízení asynchronního trojfázového motoru M přestavníku v železniční technice pro přestavení výhybek do obou poloh ve čtyřvodičovém připojení asynchronního trojfázového motoru M přestavníku.

Uvedená příkladná provedení neomezují další varianty a kombinace řešení v rámci myšlenky nároků na ochranu tohoto technického řešení.

Průmyslová využitelnost

Technické řešení je určeno pro všechny oblasti s požadavkem bezpečného ovládání trojfázových asynchronních motorů M. Lze ho použít v oblasti železničního zabezpečovacího zařízení pro ovládání přestavníků s trojfázovými asynchronními motory M. Řešení lze použít i v jiných oblastech, které vyžadují bezkontaktní spínání s obdobnými požadavky.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Bezpečný trojfázový bezkontaktní spínač k ovládání trojfázových asynchronních motorů zejména v oblasti zabezpečovacích zařízení železniční dopravy, např. přestavníků, vyznačující se tím, že má tři vstupní fázová napětí fází (R, S, T), které jsou galvanicky odděleny od sebe navzájem transformátorem (TR) a současně má tři výstupní fázová napětí fází (R', S', T), jejichž společný uzel (Ν’) je vytvořen spojením příslušných výstupů zdrojů jednotlivých napětí fází (R’, S’, Τ’).
2. 2. Bezpečný trojfázový bezkontaktní spínač podle nároku 1, vyznačující se tím, že zdrojem napětí fáze (R') je řízený první můstkový střídač (MSI), zdrojem napětí fáze (S*) je řízený druhý můstkový střídač (MS2), a zdrojem napětí fáze (T) je sekundární vinutí transformátoru (TR) fáze (T).
3. 3. Bezpečný trojfázový bezkontaktní spínač podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že nejméně dvě fáze (R, S) jsou napojeny na příslušné řízené můstkové usměrňovače (MU1, MU2), jejichž výstupy jsou napojeny na příslušné řízené můstkové střídače (MSI, MS2).
4. 4. Bezpečný trojfázový bezkontaktní spínač podle některého z nároků 1,2, 3, vyznačující se tím, že fáze (R) je napojena na řízený první můstkový usměrňovač (MU 1), jehož výstup je napojen na řízený první můstkový střídač (MSI) a fáze (S) je napojena na řízený druhý můstkový usměrňovač (MU2), jehož výstup je napojen na řízený druhý můstkový střídač (MS2).
5. 5. Bezpečný trojfázový bezkontaktní spínač podle některého z nároků 1, 2, 3,4, vyznačující se tím, že každá z nejméně dvou fází (R, S) napětí je napojena na řízený můstkový usměrňovač (MU1, MU2)přes tlumivku (TLI, TL2).

   -5 CZ 15147 Ul
6. 6. Bezpečný trojfázový bezkontaktní spínač podle některého z nároků 1, 2, 3, 4, 5, vyznačující se tím, že mezi výstupy řízených můstkových usměrňovačů (MU 1, MU2) jsou zapojeny protizákmitové čteny (PZC1, PZC2).