Силовая электроника №3'2011

Бездуговая коммутационная аппаратура для перспективных транспортных систем электроснабжения с повышенным постоянным напряжением

Бочаров Владимир

Коняхин Сергей

Парфенов Евгений

Резников Станислав


Рассматривается проблема обеспечения электроэнергетической совместимости электромеханической коммутационной аппаратуры (контакторов, реле и автоматов защиты сети) с системами электроснабжения (СЭС) постоянного тока повышенного напряжения (ППН). Предлагаются схемы бездуговой (безыскровой) коммутации, позволяющие исключить громоздкие и ненадежные дугогасительные камеры и помехоподавительные экраны из конструкций электромеханических коммутаторов. Статья представляется полезной для разработчиков стационарных и транспортных систем электроснабжения, например перспективных летательных аппаратов с повышенной энергоемкостью электрооборудования.

Распределительные системы постоянного повышенного напряжения (СППН) для перспективных ЛА с высокой энергоемкостью электрооборудования обсуждаются настолько давно, что могут называться классическими [12]. К их несомненным достоинствам можно отнести следующее:

  • отсутствие гидро- или пневмоприводов постоянной частоты вращения (ППЧВ);
  • простота обеспечения параллельной работы каналов (повышение установленной сетевой мощности и «горячее резервирование»);
  • отсутствие реактивной мощности и индуктивных потерь напряжения;
  • минимум преобразователей для большинства потребителей;
  • возможность использования буферных емкостных накопителей и аккумуляторов;
  • высокая разрешающая способность дифференциальной защиты (отсутствие емкостных паразитных утечек);
  • высокое качество электроэнергии.

Основным недостатком СППН, до настоящего времени сдерживающим их применение и по существу перечеркивающим все вышеупомянутые достоинства, является необходимость оснащения сетевых контакторов и автоматов защиты громоздкими и недолговечными дугогасительными камерами и помехоподавительными экранами. Любая попытка реализации бездугового расцепления, например с помощью транзисторов, вакуумных выключателей, запираемых тиристоров и т. п., приводит к сложности рассеивания энергии предвключенных сетевых индуктивностей без перенапряжений.

Помимо этого, транзисторные ключи с повышенным постоянным рабочим напряжением имеют низкую радиационную стойкость, подвержены гальванической диффузии сквозь полупроводниковые поверхности, не могут обеспечить требуемую полную гальваническую развязку размыкаемых цепей и имеют относительно низкую стойкость к мощным кондуктивным электромагнитным импульсам (ЭМИ).

Предложенный в [2] новый базовый способ обратимого деления постоянного напряжения (ОДПН) позволяет радикально изменить ситуацию и обеспечить в СППН бездуговое расцепление контакторов, а также с успехом применять групповые бездуговые контакторы и даже контакторные контроллеры (программные групповые бездуговые контакторы).

На рис. 1 приведены упрощенные структуры защищенных приоритетом РФ двух распределительных систем «квазипостоянного повышенного напряжения» (КППН) со схемами бездугового расцепления (СБР) на базе ОДПН:

  • с асинхронно плавающими однополярными потенциалами (АПОП);
  • с плавающим потенциалом коммутационной шины (ППКШ).
 Распределительные системы квазипостоянного и постоянного повышенного напряжения

Рис. 1. Распределительные системы квазипостоянного и постоянного повышенного напряжения со схемами бездугового расцепления (СБР) на базе ОДПН: а) с асинхронноплавающими однополярными потенциалами (АПОП); б) с плавающим потенциалом коммутационной шины (ППКШ). ОДПН (АДН) — обратимый (активный) делитель постоянного напряжения; ДДТ — дифференциальный датчик тока; Ш± — распределительные шины; Шк — коммутационная шина; Н — нагрузки; К± — контакторы

Первая структура содержит трехпроводный кабель ОДПН с расщепленными средними звеньями и по два развязывающих (суммирующих) силовых диода в цепи каждой нагрузки. Вторая структура содержит также трехпроводный кабель, аналогичный ОДПН, и по одному импульсному (кратковременно включаемому) диоду в цепи каждой нагрузки. Обе структуры имеют по три распределительные шины (Ш-, Ш+, Ш0(к)), по два бездуговых контактора в цепи каждой нагрузки, по схеме синхронизации управления ОДПН и контакторами (К) и по дифференциальному датчику тока (ДДТ) для селективной защиты от пробоев, утечек изоляции и КЗ. На этом же рисунке приведены осциллограммы потенциалов шин (Uш1,2, Uшк) и напряжения на остальных нагрузках (Uн2,3) при отключении данной нагрузки (H1).

Первая система (рис. 1а) работает следующим образом. В режиме питания нагрузок H1 и Н2 расщепленные средние звенья ОДПН дублируют друг друга, обеспечивая закоротку своих верхних конденсаторов и заряженность нижних до напряжения питания U, подводимого к нагрузкам через замкнутые контакторы K1,2. Для выключения первой нагрузки (H1) с помощью левых плеч среднего звена ОДПН сначала плавно снижается потенциал Uш1 шины Ш1, затем выключается обесточенный контактор K1, после чего потенциал Uш1 плавно восстанавливается. Заметим, что на питании других нагрузок указанная манипуляция не сказывается, т. к. их питание дублируется по шине Ш1. Далее аналогичная манипуляция, но с полным обнулением потенциала, производится с помощью правых плеч среднего звена ОДПН для обеспечения аналогичного бездугового выключения контактора К2, что также не сказывается на других нагрузках. Попутно заметим, что каждый из кабелей питания Ш1 и Ш2 рассчитан на половинный номинальный ток, невзирая на импульсную (двойную) перегрузку в интервале размыкания контактора.

Во второй системе (рис. 1б) в режиме питания нагрузок Н1, Н2 и Н3 основное (правое) звено ОДПН обеспечивает равную зарядку обоих конденсаторов до половины напряжения питания U/2. Для выключения третьей нагрузки (Н3) одновременно плавно обнуляется напряжение верхнего конденсатора и удваивается напряжение нижнего. При этом бывший нулевой потенциал Uшк коммутационной шины Шк становится равным потенциалу Uш+ шины Ш+. Затем размыкается контактор К+, после чего опять одновременно напряжение верхнего конденсатора плавно повышается до U, а нижнего — обнуляется; далее размыкается контактор К-, после чего схема управления плавно возвращает конденсаторы ОДПН в исходное состояние. При вышеуказанных манипуляциях напряжение между шинами Ш+ и Ш- остается постоянным (U), чем обеспечивается бесперебойное питание остальных нагрузок (Н1 и Н2).

Второй комплект среднего звена ОДПН (показан пунктиром) может быть применен для искусственного заземления Шк и фиксирования потенциалов Ш+ и Ш-. Проведем краткий сравнительный анализ вариантов распределительных систем КППН со СБР на базе ОДПН (с АПОП и ППКШ).

Общие достоинства:

  • бездуговое расцепление, а возможно и безыскровое замыкание контакторов при повышенном напряжении питания; применимость групповых контакторов и контактных контроллеров;
  • отсутствие реактивной мощности;
  • обеспечение селективно-дифференциальной защиты;
  • возможность относительно простого аккумуляторного резервирования с рекуперацией энергии и подпиткой пиковых нагрузок;
  • отсутствие продольных помех из-за петлевых контуров для Н-помех (по сравнению с однопроводными системами с использованием корпуса).

Общие недостатки в сравнении с классической одно- или двухпроводной СППН:

  • удвоение числа контакторов и обеспечение временного сдвига при их расцеплении;
  • наличие третьего провода;
  • обязательность синхронизации ОДПН с контакторами.

Дополнительные достоинства системы с ППКШ в сравнении с системой АПОП:

  • снижение вдвое постоянного рабочего напряжения изоляции для конденсаторов ОДПН и проводов Ш1,2 относительно корпуса (интенсивности старения и вероятности пробоя);
  • отсутствие силовых диодов в цепи постоянного питания нагрузок (есть импульсные диоды без радиаторов).
  • простота параллельного объединения сетей (по шинам Ш±);
  • третий провод (коммутационный) малого сечения;
  • вторые средние звенья ОДПН нагружены только при несимметричных нагрузках с половинным напряжением.

К недостаткам этой системы в сравнении с классической одно- или двухпроводной СППН относятся:

  • обязательность наличия контакторов в цепях обеих полярностей (для исключения подвода напряжения к отключенным нагрузкам при коммутациях);
  • необходимость синхронизации управления ОДПН и контакторами;
  • наличие проводов (хотя и малого сечения) с диодами (хотя и без радиаторов) между коммутационной шиной и нагрузками с регулярным пульсированием потенциала, подведенного к одному из выводов отключенных нагрузок относительно земли.

На рис. 2 представлен вариант однопроводной СППН с ППКШ и заземленной отрицательной шиной (СППН 0–270 В). В отличие от системы, приведенной на рис. 1, в ней вместо диодов применены тиристоры (VS), позволяющие исключить подведение пульсирующих потенциалов к отключенным нагрузкам. Здесь в качестве регулируемого источника для питания коммутационной шины (Шк) применен простейший активный делитель напряжения (АДН) на базе двухтранзисторного обратимого импульсного конвертора (VT1,2) с емкостным фильтром (С1,2). Пунктиром также показаны цепи диодного шунтирования (VДш) индуктивных нагрузок (H1,2,3) при размыкании (К1,2,3).

 Вариант однопроводной СППН с ППКШ и заземленной отрицательной шиной

Рис. 2. Вариант однопроводной СППН с ППКШ и заземленной отрицательной шиной (СППН — 0–270 В)

На рис. 3 показан аналогичный вариант двухпроводной СППН с ППКШ и заземленной нулевой шиной (Ш0) (СППН 0–±135 В). Здесь для питания коммутационной шины использован АДН с двуполярным входным потенциалом относительно нулевого (заземленного) провода питания и нулевой шины (Ш0). В качестве потребителей могут использоваться нагрузки с заземленным «минусом» 135 В (H’1,2,3), с заземленным «плюсом» 135 В (H”1,2,3) и с заземленной «средней точкой» 270 В (H”’4). К достоинствам этой системы относится также пониженное рабочее напряжение на изоляции кабелей, проводов и распределительных шин относительно заземленного корпуса объекта, благодаря чему ослабляется процесс старения изоляции, повышается ее надежность и электробезопасность.

Вариант двухпроводной СППН с ППКШ и заземленной нулевой шиной (СППН 0–±135 В)

Рис. 3. Вариант двухпроводной СППН с ППКШ и заземленной нулевой шиной (СППН 0–±135 В)

Заключение

Рассмотренные схемотехнические решения обеспечивают электроэнергетическую совместимость электромеханической коммутационной аппаратуры (контакторов, реле и автоматов защиты сети) с системами электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения. Предложенные схемы бездуговой (безыскровой) коммутации позволяют исключить громоздкие дугогасительные камеры и помехоподавительные экраны из конструкции электромеханических коммутаторов. Изложенный материал представляется полезным для разработчиков стационарных и транспортных систем электроснабжения, например перспективных летательных аппаратов с повышенной энергоемкостью электрооборудования.

Литература

  1. Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. М.: МЭИ. 2005.
  2. Резников С. Б., Бочаров В. В., Кириллов В. Ю., Постников В. А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость транспортного электрооборудования с высоковольтными цепями питания. М.: МАИ-ПРИНТ. 2010.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_03_76.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо