RU157071U1

RU157071U1 - DC INPUT ELECTROMAGNETIC FILTER

Info

Publication number: RU157071U1
Application number: RU2015122298/11U
Authority: RU
Inventors: Юрий Моисеевич Иньков; Виктор Васильевич Литовченко; Дмитрий Валерьевич Назаров; Юрий Юрьевич Чуверин; Вячеслав Анатольевич Шаров; Валерий Павлович Феоктистов
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2015-11-20

Abstract

Входной электромагнитный фильтр электроподвижного состава постоянного тока, содержащий реактор и конденсатор, соединенные по Г-образной схеме и подключенные к токоприемнику и заземляющему устройству электроподвижного состава, причем в составе фильтра предусмотрен быстродействующий выключатель, силовые контакты которого подключены между реактором и конденсатором и зашунтированы резистором, отличающийся тем, что дополнительно предусмотрены силовой диод и резисторно-тиристорная цепочка с блоком управления для включения тиристора с датчиками напряжения, причем силовой диод подключен ко входу фильтра, резисторно-тиристорная цепочка включена параллельно реактору, а датчики напряжения установлены на входе и выходе фильтра.An input electromagnetic filter of DC electric rolling stock, comprising a reactor and a capacitor connected in a L-shaped circuit and connected to a current collector and a grounding device of electric rolling stock, the filter also having a quick-acting switch, the power contacts of which are connected between the reactor and the capacitor and are shunted by a resistor, different in that a power diode and a thyristor resistor circuit with a control unit for turning on the thyristor with voltage sensors, and the power diode is connected to the input of the filter, the thyristor-resistor circuit is connected in parallel with the reactor, and voltage sensors are installed at the input and output of the filter.

Description

Полезная модель относится к электроподвижному составу (ЭПС) с питанием от контактной сети постоянного тока, а точнее к устанавливаемым на этом электроподвижном составе входным фильтрам для сглаживания пульсаций электрического тока. Это должно обеспечить электромагнитную совместимость преобразовательного оборудования ЭПС с системами автоматики и связи.The utility model relates to electric rolling stock (EPS) powered by a direct current contact network, and more specifically to input filters installed on this electric rolling stock to smooth out ripples of electric current. This should ensure electromagnetic compatibility of converter equipment with electronic systems of automation and communication.

Известен электромагнитный фильтр, содержащий несколько последовательно соединенных звеньев, каждое из которых содержит реактор (индуктивность) и конденсатор, соединенные по Г-образной схеме [Феоктистов В.П., Чаусов О.Г., Чуверин Ю.Ю. Упрощенный метод расчета многозвенных входных фильтров для импульсных преобразователей постоянного тока. Журнал «Преобразовательная техника», 1981, №1, с. 8-10.].A known electromagnetic filter containing several series-connected links, each of which contains a reactor (inductance) and a capacitor connected in a L-shaped circuit [Feoktistov VP, Chausov OG, Chuverin Yu.Yu. A simplified method for calculating multi-link input filters for pulsed DC / DC converters. The journal "Conversion technology", 1981, No. 1, p. 8-10.].

Недостаток этого фильтра связан с неудовлетворительными массогабаритными показателями, а также с тем, что он не отрабатывает низкочастотные и частичные возмущения.The disadvantage of this filter is associated with unsatisfactory weight and size indicators, as well as the fact that it does not work out low-frequency and partial disturbances.

Этот недостаток устранен в активных фильтрах, которые содержат управляемые элементы для компенсации возмущений на входе и выходе фильтра [Карнаухов Н.Ф. и др. Схема питания электропривода со сглаживающим дросселем в цепи постоянного тока. Патент РФ №2224350, заявлен 07.03.2002, опубликован 20.02.2004.; Литовченко В.В., Феоктистов В.П., Тяговый электропривод с питанием от контактной сети постоянного тока. Патент РФ №2179934, заявлен 08.12.1999, опубликован 27.02.2002.].This disadvantage is eliminated in active filters, which contain controllable elements to compensate for disturbances at the input and output of the filter [Karnaukhov N.F. et al. Power supply circuit of an electric drive with a smoothing inductor in a direct current circuit. RF patent No. 2224350, filed March 7, 2002, published February 20, 2004 .; Litovchenko V.V., Feoktistov V.P., Traction electric drive powered by a direct current contact network. RF patent No. 2179934, filed December 8, 1999, published February 2, 2002.].

Однако, такие фильтры не получили распространения из-за сложности систем управления.However, such filters are not widespread due to the complexity of control systems.

В качестве прототипа целесообразно принять фильтр электровоза ЭП10. Этот фильтр содержит реактор и конденсатор, соединенные по Г-образной схеме и подключенные к токоприемнику и заземляющему устройству электроподвижного состава, причем в составе фильтра предусмотрен быстродействующий выключатель, силовые контакты которого подключены между реактором и конденсатором и зашунтированы резистором [Жуликов В.Н., Иньков Ю.М., Козлов Л.Г. и др. ЭПС с электрическим торможением. М.: УМЦ ЖДТ, 2008, рис. 4.11].As a prototype, it is advisable to take the filter of an electric locomotive EP10. This filter contains a reactor and a capacitor connected in a L-shaped circuit and connected to a current collector and an earthing device of an electric rolling stock, and the filter includes a high-speed switch, the power contacts of which are connected between the reactor and the capacitor and shunted by a resistor [Zhulikov VN, Inkov Yu.M., Kozlov L.G. and other EPS with electrical braking. M .: UMTS ZhDT, 2008, fig. 4.11].

Недостаток прототипа заключается в том, что не обеспечивается его нормальное функционирование в аномальных переходных режимах (кроме начального заряда конденсатора через резистор).The disadvantage of the prototype is that it does not ensure its normal functioning in abnormal transient conditions (except for the initial charge of the capacitor through the resistor).

Техническая задача заключается в том, чтобы исключить опасные последствия аномальных переходных режимов. Это достигается за счет того, что дополнительно предусмотрены силовой диод и резисторно-тиристорная цепочка с блоком управления для включения тиристора с датчиками напряжения, причем силовой диод подключен ко входу фильтра, резисторно-тиристорная цепочка включена параллельно реактору, а датчики напряжения установлены на входе и выходе фильтра.The technical problem is to eliminate the dangerous consequences of abnormal transient conditions. This is achieved due to the fact that a power diode and a thyristor resistor circuit with a control unit for switching on a thyristor with voltage sensors are additionally provided, a power diode connected to the filter input, a thyristor resistor circuit connected in parallel to the reactor, and voltage sensors installed at the input and output filter.

Эффект заключается в облегчении протекания аномальных переходных процессов при кратковременной потере контакта токоприемника с контактным проводом, при срабатывании защиты на ЭПС и на тяговой подстанции.The effect is to facilitate the occurrence of abnormal transients during a short-term loss of contact between the current collector and the contact wire, when the protection is triggered at the EPS and at the traction substation.

На фиг. 1 показана принципиальная схема заявленного фильтра с реактором 1 и конденсатором 2, между которыми включен быстродействующий выключатель 3. Вход фильтра подключен к токоприемнику 4 и заземляющему устройству 5 ЭПС.К выходу фильтра подключена посредством оперативного контактора 6 электропреобразовательная установка ЭПУ7, к выходам которой подключены асинхронные тяговые двигатели АТД8.In FIG. 1 shows a schematic diagram of the inventive filter with a reactor 1 and a capacitor 2, between which a high-speed switch 3 is connected. The input of the filter is connected to the current collector 4 and the grounding device 5 of the EPS. To the output of the filter is connected via an operational contactor 6 an electric converter EPU7, to the outputs of which are connected asynchronous traction ATD8 engines.

В состав фильтра входят также маломощная зарядная цепочка с резистором 9 и контактором 10, шунтирующая цепочка с резистором 11 и тиристором 12, а также блок управления 13 тиристором с датчиками напряжения 14 и 15. Эти датчики включены соответственно на входе и выходе фильтра. Вход фильтра зашунтирован диодом 16.The filter also includes a low-power charging circuit with a resistor 9 and a contactor 10, a shunt circuit with a resistor 11 and a thyristor 12, as well as a thyristor control unit 13 with voltage sensors 14 and 15. These sensors are included respectively at the input and output of the filter. The filter input is shunted by diode 16.

Функционирование фильтра рассмотрено ниже на примере характерных для ЭПС аномальных процессов.The functioning of the filter is discussed below on the example of abnormal processes characteristic of ESR.

A. Начальный заряд конденсатора 2 (при включенных БВ 3 и оперативно линейном контакторе 6) осуществляют при поднятом токоприемнике 4 путем включения контактора 10. После заряда конденсатора 2 до напряжения U₂=U, где U - напряжение контактной сети, отключают контактор 10. Далее напряжение на конденсаторе U₂ в нормальном режиме сохраняется примерно на постоянном уровне. При этом диод 16 находится под обратным напряжением U, тиристор 12 выключен. Элементы, указанные в отличительной части формулы полезной модели, срабатывают в аномальных режимах, которые рассмотрены ниже.A. The initial charge of the capacitor 2 (when BV 3 is switched on and the line contactor 6 is operational) is carried out with the current collector 4 raised by turning on the contactor 10. After charging the capacitor 2 to a voltage of U ₂ = U, where U is the voltage of the contact network, the contactor 10 is disconnected. Further the voltage across the capacitor U ₂ in normal mode is maintained at approximately constant level. In this case, the diode 16 is under reverse voltage U, the thyristor 12 is turned off. The elements indicated in the distinctive part of the utility model formula are triggered in anomalous modes, which are discussed below.

Б. Переходные режимы, которые вызваны сбросом нагрузки на выходе фильтра (отключение контактора 6 при максимальном потребляемом токе I) приводит к тому, что энергия LI²/2 преобразуется в энергию заряда конденсатора 2, что вызовет повышение напряжения U₂. Во избежание этого по сигналу ДН 15 блок 13 включает тиристор 12, шунтируя реактор 1 резистором 11, который гасит накопленную энергию. Если R₁₁≈0, то процесс передачи энергии из реактора 1 в конденсатор 2 прекращается и она гасится в контуре 1-12-13 на собственном сопротивлении обмотки реактора 1.B. Transient modes, which are caused by load shedding at the filter output (the contactor 6 with the maximum current consumption I) leads to the fact that the energy LI ^2/2 is converted into energy to charge the capacitor 2, which will cause increase in voltage U _2. In order to avoid this, on the basis of DN 15 signal, block 13 turns on thyristor 12 by shunting reactor 1 with resistor 11, which extinguishes the accumulated energy. If R ₁₁ ≈0, then the process of energy transfer from the reactor 1 to the capacitor 2 stops and it is extinguished in the circuit 1-12-13 at the own resistance of the winding of the reactor 1.

Если отключение электропитания происходит на входе фильтра (отключение тяговой подстанции), то сигнал U=0 с ДН 14 при помощи БУ 13 включает тиристор 12 и энергия реактора 1 гасится аналогичным образом.If a power outage occurs at the input of the filter (traction substation is turned off), then the signal U = 0 with DN 14, using BU 13, turns on the thyristor 12 and the energy of reactor 1 is extinguished in a similar way.

B. Отскоки токоприемника от контактного провода неизбежны и обычно они сопровождаются электрическим разрядом, перекрывающим образующийся при этом воздушный промежуток [Беляев И.А., Вологин В.А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети. М.: Транспорт, 1983.]. В процессе нарушения контакта при минимальном зазоре возникает электрическая дуга, но она неустойчива особенно при высокой скорости поезда и переходит в перемежающийся электрический разряд (искрение). При каждом разряде напряжение на токоприемнике восстанавливается и оно почти равно U.B. The bounce of the current collector from the contact wire is inevitable and usually they are accompanied by an electric discharge that overlaps the air gap formed in this case [IA Belyaev, VA Vologin Interaction of current collectors and contact network. M .: Transport, 1983.]. In the process of contact disruption, an electric arc arises with a minimum gap, but it is unstable especially at high train speeds and passes into an intermittent electric discharge (sparking). With each discharge, the voltage at the current collector is restored and it is almost equal to U.

В промежутке между разрядами на входе фильтра генерируются импульсы перенапряжений равные ЭДС самоиндукции при попытке обрыва тока в индуктивности реактора 1, т.е. при нарушении закона коммутации [Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М.: Высшая школа. 2000, раздел 5.3.]. При нарушении контакта в системе токосъема формируются импульсы перенапряжения U₄. Возможные варианты показаны на фиг. 2-4.In the interval between the discharges at the inlet of the filter, overvoltage pulses equal to the self-induction EMF are generated during an attempt to interrupt the current in the inductance of reactor 1, i.e. in violation of the law of switching [Kasatkin AS, Nemtsov MV Electrical Engineering M .: Higher school. 2000, section 5.3.]. If the contact is broken in the current collection system, overvoltage pulses U _{4 are formed} . Possible options are shown in FIG. 2-4.

Фиг. 2 показывает вариант для прототипа, т.е. при отсутствии диода 16 и цепочки 11-12. Отскок токоприемника происходит в момент, соответствующий точке 1. При этом напряжение U_T снижается до значения, соответствующего точке 2, т.е. на величину падения напряжения в электрической дуге. В момент 3 дуга гаснет и возникает перенапряжение - обычно с отрицательной амплитудой - U_T-MAX. При этом разница потенциалов контактной сети и токоприемника равнаFIG. 2 shows an embodiment for a prototype, i.e. in the absence of diode 16 and chain 11-12. The current collector bounces at the moment corresponding to point 1. The voltage U _T decreases to the value corresponding to point 2, i.e. by the magnitude of the voltage drop in the electric arc. At time 3, the arc goes out and an overvoltage occurs - usually with a negative amplitude - U _T-MAX . In this case, the potential difference between the contact network and the current collector is equal to

Δφ=U-(-U_T-MAX).Δφ = U - (- U _T-MAX ).

Далее в прототипе протекает процесс неустойчивого искрообразования, который продолжается до восстановления контакта (обычно 0,5-0,7 с). Такой процесс фиксировали при испытаниях электропоездов ЭД4М с двигателями постоянного тока (без выходного фильтра) и ЭД6 с АТД и входным фильтром. Испытания проводили по стандартной методике [Токосъем токоприемником железнодорожного подвижного состава. Показатели качества и методы их определения. Межгосстандарт ЕАСС. Проект. 2012.]. При наличии входного фильтра искрение было более интенсивным и продолжалось в течение времени отскока.Further, in the prototype, an unstable sparking process proceeds, which continues until contact is restored (usually 0.5-0.7 s). Such a process was recorded when testing electric trains ED4M with DC motors (without an output filter) and ED6 with an ATD and an input filter. The tests were carried out according to the standard method [Current collector of railway rolling stock. Quality indicators and methods for their determination. Mezhgosstandart EASC. Project. 2012.]. In the presence of an input filter, the sparking was more intense and lasted for the time of the rebound.

На фиг. 3 показан аналогичный процесс при наличии диода 16. При этом напряжение на входе фильтра U_T>0, т.е. Δφ существенно снижается.In FIG. Figure 3 shows a similar process in the presence of diode 16. In this case, the voltage at the input of the filter is U _T > 0, i.e. Δφ is significantly reduced.

На фиг. 4 показан процесс при включении в точке 5 тиристора 12. При этом ток реактора 1 замыкается через шунтирующую цепь 11-12. Если R₁₁≈0, то напряжение на токоприемнике будет равно напряжению на конденсаторе, т.е. U_T≈U₂. Таким образом после включения тиристора 12 разница потенциалов в воздушном промежутке близка к нулю, т.е. Δφ≈0. При этом нет условий для электрического разряда. Эффективность этой схемы зависит также от быстродействия цепи 14-13-12; это происходит в промежутке 4-5, длительность которого не превышает 25 мкс.In FIG. 4 shows the process when the thyristor 12 is turned on at point 5. In this case, the current of the reactor 1 closes through the shunt circuit 11-12. If R ₁₁ ≈0, then the voltage at the current collector will be equal to the voltage at the capacitor, i.e. U _T ≈U ₂ . Thus, after turning on the thyristor 12, the potential difference in the air gap is close to zero, i.e. Δφ≈0. There are no conditions for electric discharge. The effectiveness of this circuit also depends on the speed of the circuit 14-13-12; this occurs in the interval 4-5, the duration of which does not exceed 25 μs.

Отскоки токоприемника могут вызывать сбои в работе ЭПУ 7, но эта задача решена в патенте [Мацумого Такео. Устройство управления для транспортного средства с электрическими двигателями переменного тока. Патент РФ (заявитель Мицубиси Электрик Ко.) №2479447, заявлен 25.03.2009, опубликован 20.04.2013.].Bounces of the current collector may cause malfunctions in the EPU 7, but this problem is solved in the patent [Matsumuho Takeo. Control device for a vehicle with AC electric motors. RF patent (applicant Mitsubishi Electric Co.) No. 2479447, filed March 25, 2009, published April 20, 2013.].

Эффект полезной модели по фиг. 1 заключается в том, что для ЭПС с электропреобразовательными установками, особенно при использовании АТД, существенно облегчается протекание аномальных процессов при отскоке токоприемника:The effect of the utility model of FIG. 1 consists in the fact that for EPS with electric converting installations, especially when using the ADT, the flow of abnormal processes during bounce of the current collector is significantly facilitated:

- снижается интенсивность искровых разрядов;- decreases the intensity of spark discharges;

- соответственно исключается возможность пережога контактного провода и снижается электроэрозия его рабочей поверхности.- accordingly, the possibility of burnout of the contact wire is excluded and the erosion of its working surface is reduced.

Claims

An input electromagnetic filter of DC electric rolling stock containing a reactor and a capacitor connected in a L-shaped circuit and connected to a current collector and a grounding device of electric rolling stock, wherein the filter includes a high-speed switch, the power contacts of which are connected between the reactor and the capacitor and shunted by a resistor, different in that a power diode and a thyristor resistor circuit with a control unit for turning on the thyristor with voltage sensors, and the power diode is connected to the input of the filter, the thyristor resistor circuit is connected in parallel with the reactor, and voltage sensors are installed at the input and output of the filter.